项目1数控系统基础知识

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1、,数控原理与系统,2015.3.2,本课程为考查课,目录,数控系统基础知识 数控系统的插补原理与数据处理 计算机数控装置 数控机床常用检测装置 数控机床的伺服系统 PLC在数控机床中的应用,2课时 6课时 6课时 8课时 6课时 6课时,1.1数控系统的组成及工作原理,1.1.1数控机床的产生背景,汽车、发电机、家电等行业：批量定型产品的生产采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线，实行自动流水作业。 造船、航天、机床、重型机械以及军工行业：品种多，加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂且精度要求高，普通机床自动化程度低，生产效率和加工精度都难以提高，尤其是一些复杂曲向，甚至无法加工。,1.1.

2、2数控的概念和发展,（1）GB/T 8129-1997机床数字控制术语数字控制（NC Numerical Control）：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断地引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。 （2）数控机床（ NC machine tools）：若机床的操作命令以数值数据的形式描述，工作过程按照规定的程序自动地进行，这种机床称为数控机床。 （3）数控系统：在数控机床行业中，数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。有时则仅指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。,1.计算机数控的概念,数控系

3、统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低，价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题。,1946年世界上诞生了第一台电子计算机。 1952年在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统的机床产生了质的变化。,2.计算机数控的发展,我国数控机床的发展,第一阶段：1958-1979 起步 第二阶段：1979-1989 进口 第三阶段：1989-至今 快速发展1958年在我国研制出第一台数控机床。,数控系统是机电一体化设备，由输入输出装置、数控装置、伺服驱动系统、反馈系统、辅助控制系统、机床本体组成。,计算机数控系统组成框图,1.1.3组成及工作原理,

4、1.数控系统的组成,（1）输入输出装置,人与机床建立联系的主要途径，是进行人机信息交流和对话的交互设备。,输入装置的作用：将程序载体上的数控代码变成相应的电信号，传送并存入数控装置内。常用的输入装置：键盘、磁盘驱动器、光电阅读机、计算机通信接口等。其相应的载体为磁盘、穿孔纸带等。常见的输出装置：显示器。,（2）数控装置,数控装置是数控机床的核心，数控机床的所有控制功能都由它来控制实现。,数控装置的作用：接收由加工程序、控制面板、反馈系统等送来的信息，经处理和分配后，向各驱动机构发出位置、速度等指令，驱动相应对象执行规定命令。在执行过程中，驱动、检测等机构的有关信息反馈给数控装置，经处理后发出新

5、的执行命令。,（3）伺服驱动系统,伺服驱动系统是执行数控装置所发指令的驱动机构，是数控系统与机床主体的联系纽带。,伺服驱动系统的作用：将从数控装置输出的微弱电信号，经功率放大器等电子器件，放大为较强的电信号，然后将上述数字量信息转换成模拟量信息，从而驱动执行电动机带动机床运动部件按给定的速度和位置进行运动。,（4）反馈系统,反馈系统的作用：将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号并反馈到数控装置中，使数控装置判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令纠正所产生的误差。,（5）辅助控制装置,辅助控制装置的作用：接收CNC单元输出的主运动换向、变速、起停、刀具的选择和交换，

6、以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判别、运算和功率放大后直接驱动相应的电器，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。机床上的限位开关等开关信号经辅助控制装置处理后送CNC单元进行处理。,可编程序控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改，并可直接驱动机床电器，现已广泛作为数控机床的辅助控制装置。,PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求。它接受CNC装置的控制代码M(辅助功能)、S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷

7、却液的开、关等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。,机床本体即数控机床的机械部件，包括：主运动部件；给进运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）；支承部件（床身立柱等）。 辅助装置：具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的装置。 加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的

8、措施。,（6）机床本体,2.数控系统的工作原理,1）数字控制（Numerical Control）是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。2）数字控制系统中的控制信息是数字量，模拟控制系统中的控制信息是模拟量。3）数字控制特点：1、可用不同的字长表示不同精度的信息，信息表达准确。2、可进行逻辑运算和数字运算，也可以进行复杂的信息处理。3、可用软件来改变信息处理的方式或过程，具有很大的“柔性”。,信息和指令的基本内容：各坐标轴的进给速度、进给方向、进给位移量，以及各状态控制的I/O信号等。,加工程序的生成方法： （1）手工编程 （2）CAD/CAM （3）人机对话,程序输

9、入至数控系统中的方法： （1）键盘输入方式MDI （2）穿孔纸带 （3）软盘驱动器 （4）通信接口,1.2数控机床的分类,1）金属切削类机床。如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。,1.2.1按工艺用途分类,2）金属成型类机床。如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。,3）数控特种加工机床。如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。,4）其他类型的数控机床。如火焰切割机、数控三坐标测量机等。,1） 点位控制系统刀具从一个坐标点移动到另一坐标点，过程中不进行切削。2） 点位直线控制系统实现平行坐标轴的直线加工或沿与坐标轴成45斜线进行直线切削，但不

10、能沿任意斜率的直线加工。3） 轮廓控制数控系统控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。,1.2.2按运动方式分类,1）开环控制系统,2）闭环控制系统,1.2.3按控制方式分类,3）半闭环控制系统,1）经济型数控系统又称简易数控系统 2）普及型数控系统又称全功能数控系统 3）高档型数控系统,（1）分辨率和进给速度分辨率 : 高 0.5m 中 1 m 低 10 m 进给速度 : 高 大于30m/min中 1530m/min低 815m/min （2）伺服系统 ：高 闭环半闭环、交流伺服电机 中 闭环半闭环、交流伺服电机 低 开环、步进电机,（3）联动轴数: 高 35轴以上

11、中 35轴以上低 23轴 （4）通讯功能: 高 RS232串口、DNC通讯、网络接口 中 RS232串口、DNC通讯、网络接口 低 无通信功能 （5）显示功能: 高 LCD、TFT液晶彩显 中 LCD、TFT液晶彩显 低 CRT 单显,1.2.4按数控机床的功能水平分类,1.3微机数控系统,按使用的微机及机构可分为：单微处理机多微处理机 按电路板的结构特点可分为：大板结构模块化结构 按总体安装结构可分为：整体式结构分体式结构,1.3.1微机数控系统的硬件构成,（1）单微处理机结构 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。 主从结构，系统

12、中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,1.单微处理机结构和多微处理机结构,（2）多微处理机结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器（由硬件和软件组成）来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。 特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。 结构形式：共享总线结构型、共享存储

13、器结构型。,共享存储器结构,结构特征： 面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯， 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。,FANUC 15系统硬件结构,共享总线型结构,结构特征： 功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块（RAM/ROM，I/O模块）； 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上； 采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,

14、（1）大板式结构CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。,2.大板式结构与功能模块式结构,（2）功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块连接控制单元母板构成CNC装置。,（1）整体式结构把CRT和MDI面板、操作面板及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。,3.整体式结构和分体式结构,（2）分体式结构把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，把功能模块板组成的电路板安装在一个机箱内，两

15、者之间用导线或光纤连接。,CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。,1.输入程序 （1）输入 输入到CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。 输入方式有光电阅读机纸带输入、磁盘输入、键盘输入、磁带输入、开关量输入和连接上一级计算机的CNC接口输入。 从CNC装置的工作方式看，分为存储工作方式输入和NC工作方式输入。,（2）译码 将输入的数控加工程序翻译成CNC装置能识别的代码形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。 代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。,（3）数据处理 一般包

16、括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。 刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。 速度计算式解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。,2.插补运算及位置控制程序 插补运算程序完成NC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配功能。脉冲分配包括点位、直线及曲线三个方面。 插补计算是实时性很强的程序，要尽可能减少该程序中的指令条数，即缩短进行一次插补运算的时间。 有些系统采用粗插补和精插补相结合的方法。 位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用差值去控制进给电机。,3.速度控制程序 速度指令以两种方式给出：一种是以每分钟进给量（或代码）给出；另一种是以主轴每转毫米数给出。 速度控制可以用两种方法实现：一种是用软件方法，另一种用定时计数电路由外部时钟计数运用中断方法来实现。,