.常用数控系统的结构及工作原理

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1、数控机床 故障诊断与维修,机械工程与自动化学院 机械工程系 马维金 2010.9,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2.1 概述2.1.1 国内外主要生产厂家的产品随着计算机技术及电子技术的迅速发展，机械加工行业中数控机床的应用已相当普及。机床上常用的数控系统有日本FANUC公司的0M、15M、16M、18M，MITSUBISHI公司生产的M50、M300、M520，SIEMENS公司生产的3、8、810、820、850、840等。,2,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,3,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,国内生产高档数控系统的主要厂家有：珠峰数控公司的CME988（中华型）系列

2、，北京航天数控集团的CASNUC911MC（航天型），华中科技大学的HNCI（华中型）及中科院沈阳计算所的LT8520/30（兰天型）等。普及型数控系统的产品有：北京机床研究所的1060型CNC系统；无锡雷特数控公司的8MC/8TC CNC系统；北京凯恩帝数控公司KND-500系列；北京航天数控集团则最新推出了CASNUC-901，902系列等。经济型数控系统的产品有：南京大方股份有限公司的JWK系列。南京江南机床数控工程公司（大地）的JN系列，上海开通数控公司的KT-300系列等。,4,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2.1.2 数控装置的功能NC是Numerical Control（

3、数字控制）的缩略语，在JIS中被定义为“在NC机床中，将工具对工件的位置用对应的数字信息进行指令控制。”自从世界上第一台数控机床在美国麻省理工学院问世以来，控制元件相继由真空管、晶体管、集成电路，直至现在的大规模、超大规模集成电路，进一步缩小了数控装置的体积，降低了成本，同时也提高了它的可靠性。此外，驱动电机也由电气油压式步进电机改为直流伺服电机，现在正在进一步向交流电机发展。,5,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,数控装置的功能是：能将记录在专用纸带上的加工程序（数字信息）读出来，存储和进行必要的运算，并能将位置信息和速度信息送至伺服放大器，控制伺服电机驱动机床上的刀具及工作台协调地进行

4、相对运动，加工出所需要的零件。,6,目前数控机床的控制可分为两大部分： 一部分是对坐标轴方向的进给进行位置伺服控制。 另一部分是对数控机床加工过程的顺序控制（PLC控制）。即对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制（如主轴的正、反转、启动和停止、刀具交换、工件夹紧和、工作台交换以及切削液的开关和润滑系统的起动等。）,7,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,通常，数控装置内装有PLC（可编程序逻辑控制器）。PLC具有控制机床与信号交换的能力。早期的PLC主要用于代替继电器实现逻辑控制。,8,PLC处于CNC和MT之间，对NC和MT侧的输入、输出信号进行处理，主要执行M、S、T功能。 M：辅助功

5、能。如主轴的正、反转和停止、主轴齿轮箱的换档变速、切削液的开关、卡盘的夹紧、松开等。 S：主轴转速控制。 T：刀具功能。表示要求的刀具号和刀具补偿号。可以管理刀库、自动更换刀具，包括选刀方式、刀具累计使用的次数、刀具的剩余寿命和刀具刃磨次数等。,9,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2.1.3 数控系统的组成 数控系统以微型计算机（CPU、存储器等）为核心，由决定位置的机构（伺服机构），人机对话装置（按压按钮键盘，显示装置等），可编程序逻辑控制器（PLC）以及动力控制装置等构成。如图2-1所示说明了数控系统的组成。,10,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,11,第2章 常用数控系统的结

6、构及工作原理,12,在单微处理机结构中，只有一个微处理机，实行集中控制，并分时处理数控的各个任务。 在多微处理机组成的CNC装置中，可以根据具体情况合理划分其功能模块，一般来说，基本由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、PC模块、操作和控制数据输入输出和显示模块、存储器模块这6种功能模块组成，若需要扩充功能，再增加相应的模块。这些模块之间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享总线和共享存储器两类结构。,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,13,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,14,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,15,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,16,第2章

7、常用数控系统的结构及工作原理,1 伺服集成模块的位置决定方式伺服集成模块由机械系统（工作台、滚珠丝杠等），驱动用的电机（直流电机，交流电机），传感检测器（回转角检测器）等构成。伺服系统的典型结构为三环结构：位置环、速度环和电流环。位置调节器的输出是速度调节器的输入；速度调节器的输出是电流调节器的输入，电流调节器的输出直接控制功率驱动器PWM。,17,（1）开环控制数控机床,18,19,20,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,1）闭环控制方式将被控对象的位置反馈量与控制量（指令值）进行比较，用差值进行控制，直到差值等于零为止。 2）半闭环控制方式根据驱动用电机的回转角进行位置反馈。 3）开环

8、控制方式 使用步进电机驱动工作台的移动，并且无位置反馈。,21,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,数控机床多采用价格便宜、位置精度较好的半闭环控制方式。在需要高精度的加工时，通常采用全闭环控制方式。,22,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2 定位原点数控机床是以机床原点为基准来确定动作坐标系的。机床原点是由机床生产厂在机床上设定的一个固定点。因为机床原点在电源切断的情况下，原点位置的记忆会消失。所以，在电源接通时，必须找出机床原点（即进行回机床参考点的操作）。,23,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,根据位置检测器输出的Z相脉冲与工作台近旁位置的限位开关（原点LS）并用，找出机床

9、原点。,24,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,3 可编程序控制器 为了使数控装置具有很好的通用性，将数控通用的输入输出（I/O）不直接与机械系统程序控制的强电信号直接进行信号交换，一般采用PLC交换信号，进行用户联锁等等，以便进行各种机械系统的控制。,25,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,4 自诊断功能 自诊断功能是在NC内部发生异常信号和来自限位开关等的信号不正常时发出警告，或者发出对应此异常信号的报警信息。报警信息通过指示灯或CRT等装置进行输出以通知用户。 其故障显示的内容是多种多样的，可有如下几个方面： 由于程序操作错误方面； 由于各轴动作超限方面； 由于伺服系统异常（轴的

10、超负荷、位置异常等）； 有关CPU方面。,26,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2.2 常见数控系统介绍 2.2.1 FANUC数控系统介绍FANUC公司创建于1956年。它的CNC系统产量占世界CNC系统之半，已经开发出40种左右的系列品种。1959年推出电液步进电机。1976年研制成功数控系统5，后与SIEMENS公司推出数控系统7。该公司目前生产的CNC装置有F0、F10 /F11 /F12、F15、F16、F18系列。F00/F100/110/120/150系列是在F0/10/11/12/15的基础上加了MMC（Man Machine Controller）功能，即CNC、PMC

11、、MMC三位一体的CNC。,27,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,FANUC公司数控系统的产品特点如下： （1） 结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。 （2） 采用专用大规模集成电路（LSI），以提高集成度，可靠性，减小体积和降低成本。 （3）产品应用范围广。每一CNC装置上可配多种控制软件，适用于多种机床。 （4）不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术（SMT）、多层印刷电路板、光导纤维电缆等。(5) CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程控制机床控制器）。(6) FANUC公司在插补、加减速、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断等方面不断增

12、加新的功能,28,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,（7）CNC装置面向用户开放的功能。以用户特订宏程序、MMC等功能来实现。 （8）支持多种语言显示。如日、英、德、汉、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麦语等。 （9）备有多种外设。 （10）已推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC通过MAP接口实现与上一级计算机通信。 （11）现已形成多种版本。,29,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,1FANUC系统0系列F0系列是结构紧凑可组成面板装配式的CNC装置，易于组成机电一体化系统。F0 Mate是F0系列的派生产品，与F0相比是结构更为紧凑的经济型CNC装置。0MA为多微处理器CN

13、C系统，主CPU和伺服CPU均为8086、图形及面板操作也用CPU。结构上采用大板，控制线路采用专用LSI：BAC（总线仲裁控制器）、IOC（I/O控制器）及MB87103（位置控制器）。,30,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,31,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,F0系列有多个品种，它适应于各种中、小型机床。 F0MA/MB/MEA/MC 用于加工中心、镗床和铣床 F0MF 用于加工中心、镗床及铣床的对话式 CNC装置 F0TA/TB/TEA/TC 用于车床 F0TF 用于车床的对话式CNC装置 F0TTA/TTB/TTC 用于一个主轴双刀架或双主轴双刀架的4轴控制车床 F0GA

14、/GB 用于磨床 F0PB 用于回转头压力机,32,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,1）主要构成 由主板、PMC板、I/O板、图形控制板和电源单元板组成。主板采用大板结构，其它为小板插在主板上面，组成F0系列控制部分。C系列为FANUC 0系统中的最高档产品。采用了SMT和专用LSI，体积减小到0A、0B的40%，CRT显示厚度尺寸减小了三分之二。,33,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2）主要特点 多微处理器结构 图形控制和操作面板控制等也采用CPU。控制线路上采用多种LSI、BAC（Bus Arbitration Controller 总线仲裁控制器）、IOC（Input/Ou

15、tput Controller控制器）及MB87103（位置控制器）等。其中，BAC用于各CPU之间的总线仲裁。IOC用于输入输出信号的控制。MB87103用于位置控制。,34,第2章 常用数控系统的结构及工作原理, PMC用CPU为8086。PMC的两种规格为FANUC L、FANUC M。后者在功能上强于前者。 除具有串行接口RS232C外又增加了具有高速串行接口远程缓冲器，以此实现DNC功能。,35,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,36,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,37,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,38,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,39,图3-14 F

16、ANUC 0i系统的系统控制单元接口示意图,40,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,2FANUC系统10/11/12系列 具有多种品种，用于各种机床，规格型号有：M型、T型、TT型及F型等。其中 M型用于加工中心、铣床及镗床； T型用于车床；TT型用于双刀架车床 ；F用于具有对话功能的CNC装置。 1）主要结构 F10/F11系列仍是大板结构，其它印刷电路板为小板，一般是插在主板上。F12系列是底板式结构，所有的印刷电路板分别插在两个底板上。,41,第2章 常用数控系统的结构及工作原理,控制系统中采用了一些LSI：BAC（总线仲裁控制器）用于各CPU之间总线裁决。SSU（System Supporting Unit系统支持单元）用于位置控制LSI 的读/写控制、RS232C、RS422接口、高速DI/DO及一些定时控制。IOC（输入输出控制器）用I/O信号控制。OPC (Operator Panel Controller操作面板控制)，用于串行接口、CRT接口及其它接口控制。MB87108 用于位置控制，与F0系列相同。,