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1、第3章 数控原理与系统 3. 1 数控系统概述 3 .2 数控插补原理 3. 3 数控机床常用的检测装置 3. 4 进给伺服系统 3. 5 数控机床PLC简介3. 1 数控系统概述 3.1.1什么是数控系统数控是数字控制(Numerical Control, NC)的简称，是用数字化信息 对某一对象的工作过程进行自动控制的技术。 数控技术是现代制造技术的核心。由于现代数控都采用了计算机进行 控制，因此也可以称为计算机数控(Computer Numerical Control, CNC)。数控系统(Numerical Control System)是指利用数控技术实 现自动控制的硬件和软件的整体
2、。数控系统的核心是数控装置 (Numerical Controller)。 根据控制对象不同，分为多种不同的数控系统。应用最早的是机床数 控系统，如数车、数铣等。下一页返回3. 1 数控系统概述 3.1.2数控系统的组成数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气 逻辑控制装置、位置检测装置五个部分组成，各部分之间的关系和结 构如图3-1所示，机床本体为被控制对象，各组成部分的主要功能如 下。 1.数控装置 数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是对输入装置传送的数控 加工程序进行识别、译码、插补、速度计算和逻辑判断等处理，然后 输出速度控制信号、主轴转速控制信号，以及主轴启
3、停、刀具选择和 交换、切削液开关、润滑开关等辅助控制信号。 CNC装置包括硬件和软件两大部分，硬件主要有：CPU、ROM/RAM 、主轴控制模块、伺服控制模块、PLC控制模块、显示模块等；软件 包括:系统软件和应用软件。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述2.输入/输出装置 在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置 要为操作人员显示必要的信息，如切削方向、坐标值、报警信号等。 常用的输入/输出装置包括:显示器、MIDI键盘、纸带阅读机、磁带机 、磁盘驱动器及上位计算机等。 键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备。 操作面板的功能是实现操作者与CNC装置及机床的人机
4、对话，包括系 统操作面板和机床操作面板。系统操作面板又包括系统MIDI键盘操作 面板和系统软键操作面板。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述常见的存储加工程序并转接到数控系统中的存储设备程序载体有:加 工程序清单(手写或打印)、穿孔纸带、磁带、软磁盘、硬磁盘、 Flash(闪存、U盘)。 现代的数控机床均采用计算机数控(CNC)，存储容量大，能够存储多 个零件程序。有的数控系统还配备了磁盘作为零件程序的存储介质。 图3-2为FANUC 0i C系统的LCD显示器和MIDI键盘。 3.伺服驱动装置 伺服驱动装置位于数控装置和机床之间，其主要作用是把来自数控装 置的信号进行功率放大，以驱动伺服
5、电动机拖动机床运动，伺服驱动 包括进给伺服驱动和主轴驱动。下图3-3为FANUC ai系列伺服驱动器 及电机。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述4.机床电气逻辑控制装置 数控系统除了位置控制功能外，还需要主轴起/停、换刀、冷却液开/ 停等辅助控制功能。这部分功能一般由可编程序逻辑控制器(PLC)实 现。它一方面实现辅助控制功能，一方面用来同步零件的程序执行过 程。 数控机床PLC分为两大类，一类为内装型PLC，另一类为独立型或称 外置型PLC 。 内装型PLC包含在数控系统内部，通过CNC输入/输出接口实现信号 传送。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述独立型PLC的基本功能结构与通
6、用型PLC完全相同，I/O模块种类齐 全，其输入点数可通过增减I/O模块灵活配置。与内装型PL C相比， 独立型PLC功能更强。 5.位置检测装置 位置检测装置与伺服装置配套组成半闭环或全闭环伺服驱动系统。位 置检测装置通过直接或间接测量将执行部件的实际进给位移检测出来 ，反馈到数控装置并与指令位移进行比较，将其误差转换放大后控制 执行部件的进给运动，以提高系统精度。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述 3.1.3数控系统的工作原理在机床数控系统中，采用数字代码信息构成数控加工程序，根据数控 加工程序实现对机床工作过程的自动控制。其基本过程，如图3-4所 示。 数字代码将刀具相对工件移动的
7、轨迹、速度等信息记录在程序介质上 ，送入数控系统，然后经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对 运动，加工出所需要的工件。 数控系统是根据零件加工程序来控制数控机床完成零件的加工过程。 如图3 -5所示，说明了加工程序在CNC装置中处理的6个过程。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述1.输入 输入的任务是把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中去 ，同时完成删除无效代码、代码校验和代码转换等工作。 2.译码 所谓译码是指译码程序按照一定的语法规则，将加工程序翻译成CNC 装置中各模块CPIJ能识别的数据形式，并按一定的格式存放在指定的 内存专用区域。上一页 下一页返回3. 1 数控
8、系统概述3.刀具补偿 数控系统必须根据刀尖或刀刃边缘的实际坐标位置(即零件轮廓的实 际坐标位置)来计算出刀具中心或刀架参考点的相应坐标位置，这种 计算过程就称为刀具补偿。刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补 偿。 4.进给速度处理 进给速度处理的任务是保证实现程序中指定的进给速度，以保证各坐 标方向运动的合成速度满足编程速度的要求。进给速度处理主要为后 续的插补工作计算出各坐标方向的方向角，以及每个插补周期内的进 给量。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述5.插补 所谓插补是指在已知曲线的类型、起点、终点和进给速度的条件下， 在曲线的起点和终点之间补足中间点的过程，即“数据点的密集化”过
9、程。运算结果存放在插补结果寄存器AR里。 6.位置控制 插补的结果是产生一个周期内的位置增量。位置控制的任务是在每个 采样周期内，将插补计算的指令位置与实际反馈位置相互比较，用其 差值控制伺服电动机。上一页 下一页返回3. 1 数控系统概述 3.1.4常用数控系统数控系统是数控机床的核心。数控机床根据功能和性能的不同要求， 配置不同的数控系统。数控系统不同，其编程指令代码一也有差别， 因此在编程时应按所使用数控系统规定的编程规则进行编程。上一页返回3. 2 数控插补原理 3. 2. 1插补算法概述插补技术是数控系统的核心技术。在数控加工过程中，数控系统要解决控制刀具或工件运动轨迹的问题。插补结
10、果输出运动轨迹的中间点坐标值，机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。数控系统根据这些坐标值控制刀具或工件的运动，实现数控加工。插补的实质是根据有限的信息 完成“数据密化”的工作。常用的插补算法有脉冲增量法和数据采样法，其中脉冲增量法又分为逐点比较法和数字积分法。在实现方法上，既可以硬件实现，也可以软件实现。下一页返回3. 2 数控插补原理 3. 2. 2逐点比较法逐点比较法属于脉冲增量算法，是早期数控机床开环系统中广泛采用的一种插补方法，可实现直线插补、圆弧插补，也可用于其他非圆二 次曲线(如椭圆、抛物线和双曲线等)的插补。逐点比较法的基本原理是每次仅向一个坐标轴输出一个
11、进给脉冲，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与理论的加工轨迹相比较，判断实际加工点与理论加工轨迹的偏移位置，通过偏差函数计算二者之间的偏差，从而决定下一步的进给方向。每进给一步都要完成偏差判别、坐 标进给、新偏差计算和终点判别4个工作节拍。下面介绍逐点比较法直线插补的原理。上一页 下一页返回3. 2 数控插补原理2.数据采样法数据采样法是根据计算机运算速度，确定一个时间间隔，称为插补周期(小于20ms) ,在一个插补周期内完成一次插补运算，为各坐标方向的运动提供一组数据，使机床在各坐标方向上同时完成一次微小的运动。在一个插补时间内，一也要对机床各坐标方向上的实际运动增量值进行采样，提供给计算机进行
12、比较。与脉冲增量法相比，用数字增量法的进给速度较快，时间分割插补法属此类。数据采样插补是分两步完成的，即粗插补和精插补。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，粗插补在每个插补计算周期中计算一次。第二步为精插补，它是 在粗插补计算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。上一页返回1、作用：实时测量执行部件的位移和速度信号， 并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将 运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实 施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统 的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上
13、是由位 置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进 给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时， 必须精心选择位置检测置。3. 3 数控机床常用的检测装置1、作用：3. 3 数控机床常用的检测装置2、位置检测装置的要求1受温湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强 。 2能满足精度和速度的要求。 3使用维护方便，能适应机床工作环境。 4成本低。 分辨率：0.0001-0.01mm 测量精度： 运动速度：0-24m/min3. 3 数控机床常用的检测装置1）数字式三、位置检测装置的分类将被测到的量以数字的形式来表示特点： 便于显示与处理、抗干扰能力强、精度取 决于测量单位而与量程基本无关。一数字式与模拟式测
14、量2模拟式将被测到的量用连续变量表示。 特点： 直接测量被测量无需变换；可在小量程内实 现较高精度测量3. 3 数控机床常用的检测装置三、位置检测装置的分类二增量式与绝对式测量1、增量式特点：只是测量位移增量，移动一个测量单位，发出一个 脉冲信号2、绝对式： 被测量的任一点都以一个固定的零点作基准，每一 被测点都有一个相应的测量值装置简单、连续测位移须确定基点，应对事故性较差。特点：装置复杂；无需确定基点，应对事故性较强3. 3 数控机床常用的检测装置1、直接测量将检测装置直接安装在机床的移动部件上，检测直线位移特点：无传动误差、不宜在大型工件上使用2、间接测量将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电
15、机轴上，通过检测转动 件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。特点：无长度限制，但精度易受传动误差影响。三、位置检测装置的分类二直接测量与间接测量3. 3 数控机床常用的检测装置三、位置检测装置的分类分 类 增 量 式 绝 对 式 位移 传感器 回转型脉冲编码器 、自整角机 、旋转变压 器、 圆感应同步器 、光栅角度传 感器 、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压 器 、 绝对脉冲编码器 绝对 值式光栅 、 三速圆感应 同步器 、磁阻式多极旋 转变压 器 直线型直线应同步 器 、光栅尺、磁栅尺 、激光 干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、 绝对值 磁尺、光电编码 尺 、磁性编码器 速度 传感器
16、交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器 、 霍耳速度传感器 速度角度传感器（ Tachsyn）、数字电磁、 磁敏式速度传感器 电流 传感器 霍耳电流传感器 3. 3 数控机床常用的检测装置三、位置检测装置的分类3. 3 数控机床常用的检测装置脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲。脉冲 编码器可分为增量式与绝对式两类。从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精 度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用 脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 现在有10万p/r 以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安 装在非轴
