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1、数控原理与系统,主编 郑晓峰,第一章 绪 论 第二章 数控系统程序输入与通信,第一章 绪 论,第一节 数控系统的基本概念 第二节 数控系统的组成及工作过程 第三节 数控系统的分类 第四节 数控系统的产生、类型及发展方向,第一节 数控系统的基本概念,1.柔性强 2.可靠性高 3.易于实现多功能复杂程序控制 4.具有较强的网络通信功能 5.具有自诊断功能,1.柔性强,对于CNC系统，若需改变其控制功能，只要改变其相应的控制程序即可。因此，CNC系统具有很强的灵活性柔性。,2.可靠性高,在CNC系统中，加工程序通常是一次性输入存储器，许多功能均由软件实现，硬件采用模块结构，平均无故障率很高，如FAN
2、UC公司的数控系统平均无故障已达到23000。,3.易于实现多功能复杂程序控制,由JP3于计算机具有丰富的指令系统，能进行复杂的运算处理，实现多功能、复杂程序控制。,4.具有较强的网络通信功能,随着数控技术的发展，实现不同或相同类型数控设备的集中控制，CNC系统必须具有较强的网络通信功能，便于实现直接数控BF（DNC，Direct Numerical Control）BFQ、柔性制造单元BF（FMC,Flexible Manufacturing Cell）BFQ、计算机集成制造系统BF（CIMS,Computer Integrated Manufacturing System）BFQ等,5.具
3、有自诊断功能,较先进的数控系统自身具备故障诊断程序，具有自诊断功能，能及时发现故障，便于设备功能修复，大大提高了生产效率。,第二节 数控系统的组成及工作过程,1.输入/输出装置 2.数控装置 3.伺服驱动装置 4.辅助控制装置 5.位置检测装置,第二节 数控系统的组成及工作过程,图1-1 数控系统组成及工作过程,1.输入/输出装置,CNC机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。 键盘是MDI中最主要的输入设备。,2.数控装置,1)机床主运动，包括主轴的起/停、转向和速度选择。 2)机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、
4、循环进给的选择，坐标方向和进给速度的选择等。 3)刀具的选择和刀具的长度、半径补偿。 4)其他辅助运动，如各种辅助操作、工作台的锁紧和松开、工作台的旋转与分度、工件的夹紧与松开以及冷却液的开/关等。,3.伺服驱动装置,伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。,4.辅助控制装置,辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，通过可编程序控制器（PLC，Programmable Logical Control）来实现。,5.位置检测装置,位置检测装置与伺服驱动装置配套组成半闭环和闭环伺服驱动系统。,第三节 数控系统的分类,一、按运动轨迹分类 二、按伺服系统分类 三
5、、按制造方式分类 四、按功能水平分类,一、按运动轨迹分类,1.点位控制系统 2.直线控制系统,一、按运动轨迹分类,图1-2 数控钻床的点位控制,一、按运动轨迹分类,图1-3 数控车床直线控制,3.轮廓控制系统,一、按运动轨迹分类,图1-4 数控线切割机床加工示意图,一、按运动轨迹分类,图1-5 两轴联动,一、按运动轨迹分类,(1)两轴联动 主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床加工曲 线柱面(见图1-5)。 (2)二轴半联动 主要用于控制三轴以上的机床，其中二个轴互为联动，而另一个轴作周期进给，如在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面(见图1-6)。 (3)三轴联动 一般分为两类，
6、一类就是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床、加工中心等，如用球头铣刀铣切三维空间曲面(如图1-7所示)。,一、按运动轨迹分类,图1-6 二轴半联动,一、按运动轨迹分类,图1-7 三轴联动,一、按运动轨迹分类,(4)四轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴 联动。 (5)五轴联动 除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标，即形成同时控制五个轴联动。,一、按运动轨迹分类,图1-8 四轴联动,一、按运动轨迹分类,图1-9 五轴联动,二、按伺服系统分类,图1-10 开环数控系统的示意图,1.开环控制系统
7、,二、按伺服系统分类,图1-11 半闭环数控系统的示意图,2.半闭环控制系统,二、按伺服系统分类,图1-12 闭环数控系统的示意图,3.闭环控制系统,三、按制造方式分类,1.通用型数控系统 2.专用型数控系统,四、按功能水平分类,1.经济型数控系统 2.普及型数控系统 3.高级型数控系统,第四节 数控系统的产生、类型及发展方向,一、数控系统的产生 二、现代数控系统类型 三、数控系统的发展方向 四、几种典型数控系统结构,一、数控系统的产生,1.数控()阶段 2.计算机数控()阶段,二、现代数控系统类型,1.普及型数控系统 ()多CPU数控系统 普及型数控系统大多采用高性能的多CPU结构，各CPU
8、分工合作以提高系统的计算速度、插补速度及对现场输入/输出设备、各种控制信息等的管理、处理速度，以提高数控系统的整体性能。 ()模块化数控系统 近几年来，普及型数控系统大多采用模块化的结构，通过大规模和超大规模集成电路，使模块的体积尽可能的减小，并逐步使模块的结构进一步标准化和通用化。 ()智能化数据系统 现在大多数数控系统都具有智能化功能，而且还在向各个方向不断延伸。 2.PC嵌入NC结构式数控系统 3.NC嵌入PC结构式数控系统,二、现代数控系统类型,4.开放式数控系统 5.网络化数控系统,三、数控系统的发展方向,1.高速、高精度 2.伺服系统方面 ()采用数字伺服系统 使伺服电动机的位置环
9、、速度环的控制都实现了数字化。 ()采用现代控制理论提高跟随精度 当数控系统发出位置指令后，由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。 ()采用高分辨率的位置编码器 一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器(脉冲发生器)，用来检测电动机的角位移。 3.实现多种补偿功能 ()直线度的补偿 随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高机床工作台运动的直线度。,三、数控系统的发展方向,()采用新的丝杠导程误差补偿 用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。 ()丝杠、齿轮间隙补偿。 ()热变形误差补偿 这种补偿方法用来补偿由于机床热变形而产生的机床几何位置变化所引起的加工误差。 ()
10、刀具长度、半径补偿。 ()存储型补偿。 4.网络化伺服驱动 5.提高数控系统的可靠性 6.CNC系统的智能化 7.具有更高的通信功能,四、几种典型数控系统结构,1.计算机直接数控(irect 2.柔性制造单元()和柔性制造系统(),四、几种典型数控系统结构,图1-13 FMC柔性制造单元 1装卸工位 2环行工作台 3托盘座 4托盘 5加工中心机床 6交换工位 7托盘交换装置,四、几种典型数控系统结构,图1-14 FMS柔性制造系统,3.计算机集成制造系统,四、几种典型数控系统结构,图1-15 CIMS的组成图,四、几种典型数控系统结构,(1)管理信息系统 这个系统包括预测、经营决策、各级生产计
11、划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等管理信息功能。 (2)产品设计与制造工程设计自动化系统 用计算机来辅助产品设计、制造准备和产品性能测试等阶段的工作(也就是CAD/CAPP/CAM系统)，使产品的开发更高效、优质、自动化地进行。 (3)制造自动化系统 常用的是FMS系统。 (4)质量保证系统 包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评估、控制与跟踪等功能。 (5)计算机网络 它是支持CIMS各个分系统的开放型网络通信系统。 (6)数据库系统 它是支持CIMS各分系统的数据库，以实现企业数据的共享和信息集成。,第二章 数控系统程序输入与通信,第一节 数控编程的基础知识
12、 第二节 数控机床的坐标系统 第三节 数控系统的信息及信息流程 第四节 数控加工程序的输入 第五节 数控加工程序的预处理 第六节 数控系统的通信接口与网络,第一节 数控编程的基础知识,一、数控编程的概念 二、数控编程的代码 三、准备功能G代码和辅助功能M代码 四、数控程序结构与程序段格式,一、数控编程的概念,图2-1 程序编制的 一般内容和过程 流程图,一、数控编程的概念,()分析零件图样，确定加工工艺 根据零件图样，对零件的形状、尺寸、精度、表面质量、材料、毛坯种类、热处理和工艺方案等进行详细分析，制定加工工艺。 (2)刀具运动轨迹计算 在编制程序前要进行运动轨迹的基点、圆弧线段的圆心等坐标
13、值计算，这些坐标值是编制程序时需要输入的数据。 (3)编写加工程序单 根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的加工顺序、加工路线、切削参数以及辅助动作等，按照数控机床规定使用的功能代码及程序格式，逐段编写加工程序单。 (4)程序输入 简单程序可以直接使用键盘输入至数控装置，比较复杂的程序一般通过通信方式输入至数控装置。,一、数控编程的概念,(5)程序校验和首件试切 输入的程序必须进行校验，才可以使用或保存。 1)在不装夹工件情况下起动数控机床，进行空运行，观察运动轨迹是否正确。 2)在具有CRT屏幕图形显示功能的数控机床上，进行工件图形的模拟加工，检查工件图形的正确性。,二、数控编程的代码,T1.
14、TIF,二、数控编程的代码,T2.TIF,三、准备功能G代码和辅助功能M代码,表2-2 G功能代码表,1.准备功能G指令,三、准备功能G代码和辅助功能M代码,2.如在直线切削控制中无刀具补偿，则G43G52可指定作其他用途。 3.表中第(2)栏括号(d)表示：可以被同栏中无括号的字母d注销或代替，也可被有括号(d)注销或代替。 4.表中“不指定”的指令，用作将来修订标准时，供指定新的功能用。,三、准备功能G代码和辅助功能M代码,表2-3 模态与非模态的意义,2.辅助功能M指令,三、准备功能G代码和辅助功能M代码,表2-4 M功能代码表,(1)程序暂停指令M00 (2)程序计划暂停指令M01 (
15、3)程序结束指令M02 (4)主轴正转、反转、停指令M03、M04、M05 M03、M04指令可分别使主轴正、反转，它们与同段程序其他指令一起开始执行。 (5)换刀指令M06,四、数控程序结构与程序段格式,1.程序的结构 2.程序段格式,四、数控程序结构与程序段格式,图2-2 主程序与子程序关系图,3.主程序和子程序,第二节 数控机床的坐标系统,一、数控机床的坐标轴与运动方向 二、机床坐标系与工件坐标系 三、绝对坐标系与增量(相对)坐标系,一、数控机床的坐标轴与运动方向,图2-3 右手笛卡尔坐标系,1.刀具相对于静止的工件而运动的原则,一、数控机床的坐标轴与运动方向,2.标准(机床)坐标系的规
16、定 (1)机床坐标系的规定 标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐标系，如图2-3所示。 (2)运动方向的确定,一、数控机床的坐标轴与运动方向,图 数控车床坐标系,一、数控机床的坐标轴与运动方向,图 数控铣床坐标系,一、数控机床的坐标轴与运动方向,图2-6 数控镗铣床坐标系,二、机床坐标系与工件坐标系,图2-7 机床坐标系与工件坐标系,三、绝对坐标系与增量(相对)坐标系,图2-8 绝对坐标系与增量(相对)坐标系,第三节 数控系统的信息及信息流程,一、数控系统的信息 二、数控系统的信息流程,一、数控系统的信息,数控技术是用数字化信息形成的控制程序对机床的运动及其加工过程实现自动控制的技术。数控系统控制和处理的信息可以分成两种类型：数字量和开关量。数字量用于对各坐标轴的运动进行数字控制，如对数控车床X轴和Z轴，对数控铣床X轴、Y轴和Z轴的移动距离以及各轴的运行进行插补、刀具补偿等控制。开关量用于实现辅助功能，如主轴的起停、换向，刀具的选择与更换，控制工件和机床部件的夹紧、松开，数控机
