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1、南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院数控教研室数控教研室2012-8数控原理与系统数控原理与系统n n总学时：总学时：56 56 讲课学时：讲课学时：48 48 实验学时：实验学时：8 8n n学学 分：分：3.5 3.5 n n本课程为考试课程，期末考试为闭卷笔试形本课程为考试课程，期末考试为闭卷笔试形式。学生的课程总评成绩由平时成绩式。学生的课程总评成绩由平时成绩( (占占10%10%）、实验成绩）、实验成绩( (占占20%)20%)和期末考试成绩和期末考试成绩( (占占70%)70%)等三部分构成。其中，平时成绩中等三部分构成。其中，平时成绩中作业占作业占70%70%、考勤占、考
2、勤占30% 30% 参考书参考书n n数控技术数控技术，易红主编，机械工业出版社，易红主编，机械工业出版社，20052005。n n现代计算机数控系统现代计算机数控系统，冯勇等编著，机械工，冯勇等编著，机械工业出版社，业出版社，19961996。n n数字控制技术数字控制技术，叶蓓华主编，清华大学出版，叶蓓华主编，清华大学出版社，社，20022002。n n现代数控原理及控制系统现代数控原理及控制系统，王爱玲等编著，王爱玲等编著，国防出版社，国防出版社，20022002。n n并联运动机床并联运动机床，张曙等著，机械工业出版社，张曙等著，机械工业出版社，2003 2003 第一章 数控系统概述
3、 第一节第一节 基本概念基本概念第二节第二节 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 数控机床与现代机械制造系统数控机床与现代机械制造系统第一节 基本概念一、数控系统的基本概念一、数控系统的基本概念n nNC Numerical Controln nCNC Computer Numerical Controln n广义 ：不关心控制对象利用数字化信息实行控制n n狭义 ：机床控制对象利用数字化信息对机床轨迹及加工过程实行控制二、数控系统的组成二、数控系统的组成组成框图输入输出装置n n人机接口功能，要求友好，操作方便。n n包括：阅读机、键盘、驱动器、通信和显示器等。数控装置n n数控机床的
4、核心部分，是一个计算机控制系统。内部含有连续轮廓信息和离散状态信息的处理。伺服系统n nServo执行机构，将电能转化成机械能 n n分为主轴伺服系统和进给伺服系统机床电器控制装置n n主要进行开关量信息的处理和转换，对应于辅助功能的实现n nPLC可编程(逻辑)控制器，也称PC。机床床身n nMachine Tool控制对象（刀具和工作台）n n相对普通机床而言，结构具有特殊要求三、数控系统中的有关约定三、数控系统中的有关约定1数控加工程序的格式N_G_X_Y_Z_I_J_K_F_S_T_M_ 字符功能字程序段数控加工程序2数控加工程序采用的编码数控加工程序采用的编码n nEIA代码Elec
5、tronic Industry Association 美国电子工业协会, 现在己不太采用。n nISO代码International Standard Organization 国际标准化组织,目前正在广泛使用。3数控机床坐标系数控机床坐标系JB3051-82 数控机床坐标和运动方向的命名 右手直角笛卡儿坐标系 X、Y、Z、A、B、C刀具移动,用不加“”的字母表示运动正方向工件移动,用加“”的字母表示运动正方向。为方便编程：看作工件相对静止而刀具产生运动，增大刀具与工件间距离方向为正方向。n n机械原点由机床生产厂家确定n n电气原点机床参考点 回参考点工作方式n n编程原点根据加工工艺由G
6、代码指定n n刀架相关点用于自动换刀和刀补计算n n绝对坐标系所有坐标值均相对于固定原点n n相对坐标系每个终点均以起点作为坐标原点 数控装置内部均采用绝对坐标值方式进行计算四、数控系统的分类1按轨迹轨迹分为三大类n n点位点位数控系统n n直线直线数控系统n n轮廓轮廓数控系统(1)点位数控系统主要特点点到点的控制 (Point-to-Point) (PTP) 要求定位“准” 路径不要求，但追求“短”、“快” 移动过程中不加工 一般不需要插补计算 数控钻床、数控冲床、数控插床等(2)直线数控系统主要特点 轨迹为坐标轴直线或对角线 边移动边加工 一般需要插补计算 一般设计成点位/数控系统 简易
7、数控车床、简易数控镗床等(3)轮廓数控系统主要特点 轨迹为任意曲线或曲面 要求多个坐标轴的协调控制 边移动边加工 需要插补计算 如数控车床、数控铣床、加工中心等2按按伺服分为三大类分为三大类n n开环开环数控系统n n全闭环全闭环数控系统n n半闭环半闭环数控系统(1)开环数控系统主要特点 没有反馈装置 一般采用步进电动机驱动 一般为经济型数控系统 中、低档精度和速度(2)全闭环数控系统主要特点 反馈工作台的直线位移量 一般采用直流或交流电动机驱动 一般配中、高档数控机床 精度和速度较高 但调整困难、易振荡(3)半闭环数控系统主要特点 反馈电动机或丝杠的角位移量 一般采用直流或交流电动机驱动
8、精度和速度略低于全闭环数控系统 但调整容易、不易振荡3按按功能水平分为三大类分为三大类n n经济型经济型数控系统或称简易型简易型数控系统n n普及型普及型数控系统或称全功能型全功能型数控系统n n高档型高档型数控系统4按按加工工艺分类分类n n数控钻床n n数控车床 (车削中心)n n数控铣床 (铣削中心)n n数控磨床n n数控冲床n n数控镗床n n数控特种加工机床五、数控系统的发展过程n n第一台数控机床的产生n n1952年MIT和Parsons合作开发出数控铣床1国外发展过程1952 第一代 电子管1959 第二代 晶体管1965 第三代 集成电路1970 第四代 DNC方式1974
9、 第五代 微型计算机80年代以后，技术不断成熟，相继开发出MC、FMC、FMS、CIMS等。 2国内发展过程1958 第一代 电子管1966 第二代 晶体管1972 第三代 集成电路1975 第四代 DNC方式1979 第五代 微型计算机80年代以后，引进了国外技术，消化吸收后自主开发。六、数控机床主要特点1 1优点：优点： 柔性柔性通过编写数控加工程序通过编写数控加工程序 精确性精确性数字控制技术，重复定位精度高数字控制技术，重复定位精度高 加工复杂形状零件加工复杂形状零件刀补计算、插补计算刀补计算、插补计算 高生产效率高生产效率速度快，停机短、可靠性高速度快，停机短、可靠性高 宜人性宜人性
10、在线编程、模拟运行、帮助功能在线编程、模拟运行、帮助功能 集成性集成性CAD/CAM/CNC/CAPP/CIMSCAD/CAM/CNC/CAPP/CIMS一体化一体化 减轻劳动强度减轻劳动强度体力上和心理上体力上和心理上 便于生产管理便于生产管理通过联网方式通过联网方式2缺点 设备造价较高 维护复杂 操作人员需要培训第二节 计算机数控系统一、主要工作过程一、主要工作过程主要控制任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制。二、硬件构成1经济型计算机数控系统由两个含微处理器电路的模块组成：主模块（含有系统控制与管理功能的模块）和PLC模块，CNC核心功能、通信、显示和可编程控制器的逻辑控制功能等任务都
11、由它们共同完成。2普及型计算机数控系统 最多可控制9个运动轴，并具有相应的测量反馈环节。3典型计算机数控系统所有功能由三个微处理器，即MMCCPU、CNCCPU和PLCCPU，以及串行通信接口分担，各部分之间的通信由内部系统总线完成。三、面板结构 数控装置可分为中央处理单元(Central unit)、数控面板（也称键盘与显示器面板Monitor Keyboard，有些系统亦称MDI面板Manual data Input）、机床操作面板(operator panel)三部分。1中央处理单元中央处理单元是一个典型的计算机控制系统，但显示器具有多种形式，常用的有8字或米字发光管、CRT显示器及液晶
12、显示器等。目前液晶显示方式应用得越来越多。 2数控面板 数控面板主要由A-Z的字母和0-9的数字组成。用于输入部分数控加工程序、机床参数以及调试维修等。 数控面板基本相似。3 3机床操作面板机床操作面板 机床操作面板主要用于手动方式下对机机床操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对机床的操作或干床的操作以及自动方式下对机床的操作或干预。由于不同机床所需的动作不同，因此预。由于不同机床所需的动作不同，因此不同于数控面板上的键盘，操作面板原则不同于数控面板上的键盘，操作面板原则上应由机床厂家根据机床动作要求自行设上应由机床厂家根据机床动作要求自行设计计( (当然数控装置需要提供相应的
13、接口功能当然数控装置需要提供相应的接口功能) )。4 4典型机床操作面板按钮和开关介绍典型机床操作面板按钮和开关介绍 轴移动按钮轴移动按钮 快速移动按钮快速移动按钮 主轴启停按钮主轴启停按钮 主轴倍率选择主轴倍率选择 进给启动与保持按钮进给启动与保持按钮 进给倍率选择波段开关进给倍率选择波段开关 单段运行开关单段运行开关 条件程序段开关条件程序段开关 程序启停程序启停( (或称数控启停或称数控启停) )按钮按钮 点动增量选择点动增量选择 方式选择方式选择 手轮操作坐标轴选择开关手轮操作坐标轴选择开关 急停自锁按钮急停自锁按钮 程序锁住程序锁住 手轮倍率开关手轮倍率开关 机械锁定开关机械锁定开关
14、 Z Z轴指令无效开关轴指令无效开关 辅助功能锁定开关辅助功能锁定开关 空运转开关空运转开关四、软件构成 数控系统内部存在多种形式的软件程序。 数控加工程序：G代码和M代码等 数控功能程序：高级语言(C+)或汇编语言 PLC控制程序：梯形图语言计算机数控系统软件结构计算机数控系统软件结构 数控功能程序包括数控的核心功能程序，如数控加工程序的译码、刀补处理和插补计算，也包括数控加工程序编辑器、加工模拟器、刀具管理和故障监测与诊断这些可选功能。n n硬件和各功能程序的接口是由数控系统的管硬件和各功能程序的接口是由数控系统的管理软件实现的，它除了存储器管理和输入、理软件实现的，它除了存储器管理和输入
15、、输出管理外，还承担了各个过程的同步任务。输出管理外，还承担了各个过程的同步任务。n n先进的数控系统多采用软件集成环境，这种先进的数控系统多采用软件集成环境，这种集成环境独立于数控功能，并作为数控功能集成环境独立于数控功能，并作为数控功能程序的操作平台。程序的操作平台。n n集成环境中常常提供了图形库和实时数据库。集成环境中常常提供了图形库和实时数据库。五、信息流处理过程n n根据零件图纸和机械加工工艺编写出数控加工程序送给CNC装置，在内部进行一系列的处理后，输出相应的位置控制信号给伺服系统，经过电动机和滚珠丝杠螺母副驱动工作台或刀具进行移动，最后加工出合格的零件。1输入n n 输入CNC
16、装置的信息包括数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据等。n n输入方式主要有光电式纸带阅读机输入、键盘输入、存储器输入和通信方式输入等。n n编辑处理包括搜索、插入、删除、替换和修改等操作。2译码译码就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成CNC装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。3诊断 利用控制软件检查加工程序的正确性，把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工代码找出来，通过显示器提示机床操作人员进行修改。一般还具有对机床运行状态、几何精度、润滑情况、硬件配置、刀具状态、工件质量等的监测和诊断功能，并依此进行故障定位和指导修复。4刀补计算n n刀具补偿
17、计算包括刀具长度补偿和刀具半径补偿两大类。n n刀具长度补偿计算主要针对数控钻床和数控车床等，而刀具半径补偿计算主要针对数控铣床和数控车床等。n n刀具半径补偿计算就是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。5速度处理 速度处理就是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制，那么数控机床最终就可得到所要求的线速度。6插补处理n n插补就是根据数控加工程序给定的零件轮廓尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。n n插补就是在零件轮廓起点与终点之间的曲线上进行“数据点的密化过程”。n n中间点的插入是根据一定
18、的算法由数控系统控制软件或硬件自动完成，以此来协调控制各坐标轴的移动，从而获得所要求的运动轨迹。7位置控制n n位置控制可以由软件完成，也可由硬件实现。n n主要任务是根据插补结果求得命令位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其误差值去控制伺服电动机，驱动工作台或刀具朝着减小误差的方向运动。CNC装置内部数据流处理过程n n除上述连续信息处理的主要分支外，还有一条开关量信息处理的分支，主要完成一些辅助功能和现场开关量信息的处理，它们互相配合一起完成数控功能。六、数控系统的功能(一) 核心功能所谓核心功能是指一般数控系统必须具备的一些基本功能，包括准备功能、进给功能、主轴功能、辅助功能和刀具功能
19、等。 1准备功能（G功能）用于建立数控机床或控制系统工作方式的一种命令。其后紧跟大多为两位数字，即G00G99。ISO 10561975(E)国际标准和JB320883部颁标准。2进给功能（F功能）n n进给功能用于给定切削进给速度。现代数控系统均采用直接给定方式，即用F后的数字直接给定进给速度(mmmin)。n n对于车床除直接给定进给速度以外，还可用主轴每转进给量给定。n nF地址符在螺纹切削程序段中还用来给定导程。3主轴转速功能（S功能）n n主轴转速功能用来给定主轴转速(rmin或rpm)，由数控系统S指令后数值直接给定。为了提升主轴低速时的输出力矩，增大调速范围，可将齿轮变档与无级调
20、速配合使用，从而实现主轴分段无级变速 4辅助功能（M功能）n n辅助功能由M后紧跟二位数字构成，用于指定数控机床辅助装置的接通或断开，它是由数控装置通过开关量IO接口，由内置或独立的可编程控制器来实现。n nISO 10561975(E)国际标准和JB320883部颁标准。5 5刀具功能（刀具功能（T T功能）功能）n n刀具功能用于指定加工用刀具号及刀具长度刀具功能用于指定加工用刀具号及刀具长度与半径补偿号，并且车床系统与加工中心与半径补偿号，并且车床系统与加工中心( (镗镗铣床铣床) )系统刀具功能的使用差别较大。系统刀具功能的使用差别较大。n n对于大多数的数控车床系统，一般采用对于大多
21、数的数控车床系统，一般采用T T加加2 2位或位或4 4位数字构成。位数字构成。n n半径补偿有半径补偿有G41G41、G42G42和和G40G40指定左、右偏置指定左、右偏置和取消偏置，偏置号由和取消偏置，偏置号由D D地址符加偏置数字来地址符加偏置数字来完成。完成。(二) 可选功能n n根据机床制造厂和数控机床使用者的要求，在数控系统中还集成了许多附加的可选功能，这些功能不仅在现场操作和编程等方面提高了数控机床操作的方便和舒适性，而且还拓宽了数控系统的适用范围 1编程功能n n数控系统可提供各种数控加工程序的编程工具，可以是简单的手工编程系统、自动编程系统以及面向车间的编程WOP(Work
22、shop Oriented Programming)系统等。 2加工模拟功能n n数控系统在不启动机床的情况下，可在显示器上进行各种加工过程的图形模拟，特别有利于对难以观察的内部加工以及被冷却液等挡住部分的观察，编程者可以利用图形模拟功能检查和优化所编数控加工程序，减少机床的准备时间。图形加工模拟器有二维和三维图形模拟器之分。 3 3监测和诊断功能监测和诊断功能n n为了保证加工过程的正确进行，避免机床、为了保证加工过程的正确进行，避免机床、工件和刀具的损坏，应使用监测和诊断功能。工件和刀具的损坏，应使用监测和诊断功能。n n监测和诊断功能可以对机床监测和诊断功能可以对机床( (如动态运行状态
23、、如动态运行状态、几何精度和润滑状态等几何精度和润滑状态等) )、数控系统本身的硬、数控系统本身的硬件和软件件和软件( (如数控系统硬件配置、硬件电路导如数控系统硬件配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部件功能以及相应软通和断开、各硬件组成部件功能以及相应软件功能等件功能等) )和加工过程和加工过程( (如刀具磨损、刀具断如刀具磨损、刀具断裂、工件尺寸和表面质量等裂、工件尺寸和表面质量等) )进行检查处理。进行检查处理。4测量和校正功能n n由于机床机械精度不足、机械结构受温度影响、刀具磨损、还有一些随机因素会导致加工位置的变化。对经常变化的量，如工件的夹紧位置（夹紧公差）、刀具磨损和受温度影
24、响导致的主轴伸长等，可借助测量装置、传感器和探测器测出机床、刀具和工件的位置变化，查出相应的校正值进行补偿。5用户界面功能n n用户界面是数控系统与使用者之间的界面，是数控系统提供给用户调试和使用机床的全部辅助手段，如屏幕、开关、按键、手轮等人工控制元件。n n用户界面的友好性是一个数控系统质量和开放性的标志。6通信功能n n数控装置能够与可编程控制器进行通信，对驱动控制装置和传感器可采用现场总线网络实现通信连接，远程诊断也需要通过通信的方式实现，要将数控单元集成到先进制造系统中，通信也起着重要的作用，例如可以通过MAP/MMS（制造自动化协议制造报文规范）支持的网络来实现。7单元功能n n为
25、了提高生产效率，并使各种设备得到充分利用，要求制造系统中各种机床和设备互相紧密配合，为此可采用先进的制造系统。例如：柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等，为适应先进制造系统，可为数控机床配置单元功能，即为其配置任务管理、托盘管理和刀具管理等功能。 (三) 先进功能n n功能先进与否不是绝对的，也没有明显的标准。因此这里所谓先进功能并不是一种严格的说法，而只是给出了一些中高档数控系统中出现的较新功能。1半径直接编程2倒角功能3恒线速度切削功能4刀尖圆弧半径补偿功能5刀具寿命管理功能6镜像加工功能7自动交换工作台功能8靠模加工与数据采集功能9动力刀具与C
26、轴功能10子程序与用户宏程序11循环加工功能12跳步功能13自动工件检测功能14螺纹加工中的特殊功能15同步轴控制功能16先进伺服控制功能17逆动功能18比例缩放与坐标旋转功能 (四) 其他功能n n除了上述各项功能外，在数控系统中还可以设置一些其他的功能，例如：企业和机床数据统计功能，数控加工程序管理功能等。第三节 数控机床与现代机械制造系统一、现代机械制造系统一、现代机械制造系统(一) 现代机械制造系统概述在现代机械制造系统中，生产率和柔性是评价系统自动化程度的两个主要因素。其中，柔性主要指一个生产系统适应加工对象变化的能力。机械制造自动化系统生产率和机械制造自动化系统生产率和柔性的比较柔
27、性的比较n n数控机床（包括普通数控机床和数控加工中心）、自动生产线、柔性自动生产线、柔性制造单元、柔性制造系统n n对于批量大、品种少批量大、品种少的加工情况，一般采用刚性自动生产线，它有固定的加工和物流设备及固定的加工工艺。自动生产线通常相当昂贵，设备固定，不灵活，只能加工一种或几种相类似的工件。自动生产线的优点是生产效率和设备利用率很高，每一个产品的成本很低。 n n对于批量小、品种多批量小、品种多的加工情况，一般采用数控机床，它对产品的适应能力非常强，从加工一种工件转换到另一种工件，不需要改变机床硬件，只需要改变数控加工程序及相应的刀具和夹具。数控机床相对自动生产线而言生产效率低一些，
28、成本高，其最大优点是柔性强。n n为了提高数控机床的生产效率，可用一台中央计算机集中监控多台数控机床，形成分布分布式数字控制式数字控制DNC（Distributed Numerical Control）系统。n nDNC原来是直接数字控制直接数字控制DNC(Direct Numerical Control)的英文缩写，它表示用计算机直接控制多台机床组成的制造系统，也称群控系统。 对于中等批量、品种不是非常多中等批量、品种不是非常多的加工情况，要考虑一个折衷方案，综合加工生产效率和柔性两个方面，所采用的系统可以是下述几种系统之一。 柔性自动生产线 柔性制造单元（FMC） 柔性制造系统（FMS）
29、计算机集成制造系统（CIMS）1柔性自动生产线n n这种自动线采用了专用计算机对生产线内加工模块实行数字控制，又具有自动的刀具更换能力，因此，比传统刚性自动线灵活，易于适应较多品种工件的加工，并能完成传统自动线的全部工序，进行较大批量的生产。2柔性制造单元（FMC）n n柔性制造单元由一台或多台数控加工中心，自动化物流存储、传输和交换装置，及一台单元控制计算机组成。单元控制计算机协调和控制单元内各设备的运行，并可组网或与上一级计算机进行通信。n n单元中存在着信息流、物流和加工三个子系统。n n信息流子系统即FMS的控制系统、监视系统和控制与管理软件。n n物流子系统包括工件流和刀具流的装卸、
30、搬运和存储。n n加工子系统由单元内数控加工中心完成。3柔性制造系统（FMS）n n柔性制造系统将多个工段，如：数台数控机床（包括加工中心）或柔性制造单元，清洗站，安装单元及工件和刀具的装卸、搬运和存储系统结合到一起，由一台制造系统中央计算机进行系统的协调和控制 n n柔性制造安装系统中每个设备都有自己的控制器，有计算机数控装置（CNC）、机器人控制器（RC）、微处理机控制器（CPU）和可编程控制器(PLC)，每个子系统都通过DNC接口或专用接口与制造系统中央计算机相连。4计算机集成制造系统（CIMS）n n1974年由美国约瑟夫哈林顿（Joseph Harrington）博士提出的计算机集成
31、制造（CIMComputer Integrated Manufacturing）概念，将可能成为整个机械制造业未来工厂的模式。(1) 计算机集成制造将制造企业的全部生产经营活动，即从市场分析、产品设计、生产制造、质量保证、经营管理直至产品售后服务等，通过数据驱动形成一个有机的整体，使企业内各种活动互相协调地进行。(2) CIM不是各种自动化系统的简单叠加，而是通过计算机网络和数据管理技术实现各单元技术的集成。(3) CIM能有效地实现柔性生产。n nCIMS包含有三大子系统：产品设计和工艺设计技术子系统、经营管理子系统以及制造过程子系统。此外，CIMS还必须有作为各部分信息交换和信息管理的支撑
32、技术，即通信网络和数据库管理子系统。(1) 产品设计和工艺设计子系统CAD计算机辅助设计（Computer Aided Design）CAPP计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning）CAM计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）CAQ计算机辅助质量管理（Computer Aided Quality Control）(2) 经营管理子系统n n决策支持系统DSS(Decision Support System)根据企业外部市场、技术发展动向、社会各相关环节状态、企业历史资料、资源能力和产品利润等因素，采用预测和优化
33、的方法，结合企业决策者的知识和经验，制定企业的经营方针、目标和计划。(3) 制造过程子系统 n n制造过程子系统包括各种数控加工系统（如：普通数控机床和数控加工中心）、自动检验系统、自动安装系统、物料存储系统、传输系统、工业机器人和总控计算机（如：单元计算机等）等柔性制造和过程控制装置(4) 通信网络和数据库管理系统n n通信网络和数据库管理系统是CIMS基本的支撑技术和子系统。n n传输控制协议/网际协议TCP/IP和制造自动化协议MAP（Manufacturing Automation Protocol）等。(二) 现代机械制造系统的信息网络模型n n五层信息网络模型：计划层、管理层、单元层、设备控制层、执行层。二、数控机床与现代机械制造系统的关系（一）单元功能n n提供了数控机床与柔性制造单元/柔性制造系统的接口。单元功能包括任务管理、托盘管理和刀具管理。（二）通信功能n n数控机床位于设备控制层。在同一层中，它要与其他自动化设备控制器进行通信；对上层，它要与单元层控制计算机通信；对下层，它还可能要与执行机构和传感器进行通信
