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1、 一、数控系统的基本概念一、数控系统的基本概念 （1 1）数控）数控 数控是数控是数字控制数字控制的简称，其含义如下。的简称，其含义如下。 广义：利用广义：利用数字化信息数字化信息并采用并采用数字控制技术数字控制技术对一个对一个生产过程生产过程进进行控制。行控制。 狭义：利用狭义：利用数字化信息数字化信息并采用并采用数字控制技术数字控制技术对对机床运动轨迹机床运动轨迹和和机床工作状态机床工作状态进行控制。进行控制。1 （2 2）数字控制系统）数字控制系统（数控系统）（数控系统） 广义：利用广义：利用数字化信息数字化信息并采用并采用数字控制技术数字控制技术对一个生产过程进行对一个生产过程进行自动
2、控制的系统。自动控制的系统。 狭义：利用狭义：利用数字化信息数字化信息并采用并采用数字控制技术数字控制技术对机床工作过程进行对机床工作过程进行控制的系统。控制的系统。2 数字控制系统的一般工作过程如下。数字控制系统的一般工作过程如下。 首先，用户采用某种首先，用户采用某种编程语言编程语言来描述系统来描述系统工作过程工作过程，既编写程序，既编写程序，并以并以数字形式数字形式送入数字控制装置中。送入数字控制装置中。 其次，数控装置通过数据计算和处理快速识别出其次，数控装置通过数据计算和处理快速识别出该程序所描述的该程序所描述的工作过程工作过程并并将程序分解为一系列的实际控制信号将程序分解为一系列的
3、实际控制信号。 最后，数控装置输出最后，数控装置输出实际控制信号实际控制信号使相应的使相应的执行部件执行部件产生相应的产生相应的动作。动作。 可见数字控制系统都是由可见数字控制系统都是由输入输入、决策决策与与输出输出三个环节组成的。三个环节组成的。3 （3）数控机床）数控机床 数控系统数控系统与与被控机床本体被控机床本体的结合体称为的结合体称为数控机床数控机床。 根据机床本体的不同类型，数控机床也被分为相应的类型。根据机床本体的不同类型，数控机床也被分为相应的类型。 例如：数控车床、数控铣床、数控加工中心等等。例如：数控车床、数控铣床、数控加工中心等等。 数数控机床是典型的机电一体化产品。控机
4、床是典型的机电一体化产品。 （4）本课程内容）本课程内容 以以机床机床为控制对象的数控系统的一般原理。为控制对象的数控系统的一般原理。 西门子西门子802D系统的基本原理。系统的基本原理。4数控加工程序数控加工程序 二、数控系统的组成二、数控系统的组成 数控系统的一般组成如下图所示，其中数控系统的一般组成如下图所示，其中机床本体机床本体为被控对象。为被控对象。输入输入输出输出装置装置数控装置数控装置伺服系统伺服系统机床电器控制装置机床电器控制装置机机床床本本体体5 （1 1）数控加工程序）数控加工程序 数控加工程序数控加工程序是指从外部输入并是指从外部输入并描述了机床加工过程的程序描述了机床加
5、工过程的程序。 数控系统将严格按照数控加工程序对工件进行自动加工。数控系统将严格按照数控加工程序对工件进行自动加工。 数控加工程序数控加工程序记载记载了了机床加工所需要的各种信息机床加工所需要的各种信息，包括，包括： 轨迹信息轨迹信息：几何形状和几何尺寸。：几何形状和几何尺寸。 工艺信息工艺信息：进给速度、主轴转速、刀具号和刀具补偿号等。：进给速度、主轴转速、刀具号和刀具补偿号等。 开关命令开关命令：主：主轴轴正反正反转转、换换刀、开刀、开/ /关切削液和装关切削液和装/ /卸工件等等。卸工件等等。 数控加工程序数控加工程序被被记录记录在各种在各种信息信息载载体体上，主要有穿孔上，主要有穿孔纸
6、带纸带、磁、磁带带、磁磁盘盘和各种半和各种半导导体存体存储储器器等等。6 （2 2）输入输出装置）输入输出装置 输入装置将输入装置将数控加工程序数控加工程序和和其他数字信息其他数字信息输入给数控装置。输入给数控装置。 输出装置输出或显示输出装置输出或显示数控装置的内部信息数控装置的内部信息。 常见的输入输出装置：纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘和显示器、常见的输入输出装置：纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘和显示器、通信接口等。通信接口等。7 （3 3）数控装置）数控装置 数控装置是数控系统的核心，其主要功能是：数控装置是数控系统的核心，其主要功能是： 正确识别和解释正确识别和解释数控加工程序数控加工程
7、序，并对解释结果进行，并对解释结果进行数据计算和数据计算和逻辑处理逻辑处理，从而将数控加工程序分解为，从而将数控加工程序分解为一系列的实际控制信号一系列的实际控制信号，使，使系统中相应的执行部件执行相应的动作。系统中相应的执行部件执行相应的动作。8 数控装置将数控加工程序转换为两种类型的控制信号。数控装置将数控加工程序转换为两种类型的控制信号。 1 1）伺服控制量伺服控制量：送往伺服驱动装置，产生插补运动。：送往伺服驱动装置，产生插补运动。 2 2）开关控制开关控制量量：送往机床：送往机床电电器器逻辑逻辑控制装置控制装置，产生开关动作，产生开关动作。 9 数控装置有两种形式。数控装置有两种形式
8、。 1 1）硬件数控装置硬件数控装置（NCNC装置装置）：由）：由数字数字逻辑逻辑硬件硬件电电路路构成构成，其其数控功能由硬件数控功能由硬件逻辑电逻辑电路路实现实现。 2 2）计算机数控装置计算机数控装置（CNCCNC装置装置）：由计算机）：由计算机构成构成，其数控功能其数控功能由由硬件和硬件和软软件件来来共同共同实现实现。10 （4）伺服系统伺服系统（伺服（伺服驱动驱动装置）装置） 伺服系伺服系统统位于数控装置和机床本体之位于数控装置和机床本体之间间，包括，包括进给轴进给轴伺服伺服驱动驱动装装置和主置和主轴轴伺服伺服驱动驱动装置。装置。 进进给轴给轴伺服伺服驱动驱动装置装置：根据数控装置发出
9、的：根据数控装置发出的位置控制命令位置控制命令和和速度速度控制命令控制命令驱动驱动机床工作台机床工作台进进行坐行坐标标运动运动。 主主轴轴伺服伺服驱动驱动装置装置：根据数控装置发出的：根据数控装置发出的速度控制命令速度控制命令驱动驱动机床机床主主轴轴以指定的以指定的转转速旋速旋转转。11 （5）机床电器控制装置机床电器控制装置 机床机床电电器控制装置位于数控装置和机床本体之器控制装置位于数控装置和机床本体之间间，其主要功能为：其主要功能为：接收接收数控装置数控装置发发出的开关命令出的开关命令，实现实现相相应应的的开关开关动动作作。 例如机床主例如机床主轴轴的的选选速、起停和方向控制，速、起停和
10、方向控制，换换刀装置的刀装置的换换刀控制，刀控制，工件装工件装夹夹系系统统的装的装/ /卸控制，冷却、液卸控制，冷却、液压压、气、气动动、润润滑系滑系统统的的逻辑逻辑控控制以及机床的其他制以及机床的其他辅辅助功能助功能。 机床电器控制装置的具体形式有两种：一是机床电器控制装置的具体形式有两种：一是继电器控制装置继电器控制装置；二；二是是可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器。12 （6 6）机床本体）机床本体 根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、磨床、加工中心以及电加工机床等等。磨床、加工中心以及电加工机床等等。 （7
11、7）辅助装置）辅助装置 数控机床配置有各种辅助装置，以配合机床的零件加工。数控机床配置有各种辅助装置，以配合机床的零件加工。 传统的机床辅助装置传统的机床辅助装置：切削液处理装置、气动液动装置等等。：切削液处理装置、气动液动装置等等。 数控机床特有的辅助装置数控机床特有的辅助装置：对刀仪、自动编程器、自动排屑器、：对刀仪、自动编程器、自动排屑器、物料储运及上下料装置等等。物料储运及上下料装置等等。13 当数控系统的数控装置采用当数控系统的数控装置采用计算机数控装置计算机数控装置（CNCCNC装置）时，此系装置）时，此系统就称为统就称为计算机数控系统计算机数控系统。 计算机数控系统由硬件和软件来
12、共同完成计算机数控系统由硬件和软件来共同完成数控功能数控功能，其基本组成，其基本组成如下图所示。如下图所示。14信息载体信息载体输入装置输入装置CNC装置装置主轴主轴控制单元控制单元可编程控制器可编程控制器（PLC）主轴电机主轴电机编程器编程器通信线路通信线路CAD/CAM系统系统上位机上位机输出装置输出装置机床机床进给电机进给电机位置位置检测器检测器速度速度控制单元控制单元15 现代计算机数控系统具有如下特点：现代计算机数控系统具有如下特点： 除了除了读取信息载体读取信息载体，还可通过其他方式获得数控加工程序。，还可通过其他方式获得数控加工程序。 例例如如通通过过键键盘盘方方式式输输入入和和
13、编编辑辑数数控控加加工工程程序序，通通过过通通信信方方式式输输入入自动编程器、自动编程器、CAD/CAMCAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。系统或上位机所提供的数控加工程序。 可以可以实现实现硬件数控装置硬件数控装置难难以完成的以完成的诸诸多功能。多功能。 例如：图形模拟显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制算法和补例如：图形模拟显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制算法和补偿算法的实现，通信和网络功能等等。偿算法的实现，通信和网络功能等等。16 取代了取代了传统传统的的继电继电器控制器控制线路线路，采用，采用可可编编程控制器程控制器来来实现实现数控数控机床的机床的逻辑逻辑控制。控制。 P
14、LC PLC可位于数控装置之外，称可位于数控装置之外，称为为独立型独立型PLCPLC；也可以与数控装置合；也可以与数控装置合为为一体，称一体，称为为内装型内装型PLCPLC。17 三、数控系统中的有关约定三、数控系统中的有关约定 （一）数控加工程序所采用的编码（一）数控加工程序所采用的编码 数控加工程序总是保存在某数控加工程序总是保存在某种种信息信息载载体体上的，在这个载体中组成上的，在这个载体中组成数控加工程序的数控加工程序的字母、数字和其它各种符号字母、数字和其它各种符号都是以都是以某种编码的形式某种编码的形式来来表示的。表示的。 在数控系统中常用的编码有以下三种。在数控系统中常用的编码有
15、以下三种。18 （1 1）ASCIIASCII编码编码 在在数控系统的存储器数控系统的存储器中，数控加工程序通常以中，数控加工程序通常以ASCIIASCII编码形式编码形式来来保存。在计算机数控系统中，数控加工程序文件实质上就是保存。在计算机数控系统中，数控加工程序文件实质上就是ASCIIASCII编编码形式的文本文件。码形式的文本文件。 ASCII ASCII编码是七位二进制编码，可表示编码是七位二进制编码，可表示128128个字符。个字符。19 （2 2）ISOISO编码和编码和EIAEIA编码编码 在保存数控加工程序的在保存数控加工程序的纸带纸带中，通常采用这两种编码。中，通常采用这两种
16、编码。 ISO ISO编码是八位二进制编码，它是在编码是八位二进制编码，它是在ASCIIASCII编码的基础上，在最编码的基础上，在最高位增加一个高位增加一个补偶位补偶位形成的，因此可表示形成的，因此可表示128128个字符。个字符。 EIA EIA编码也是八位二进制编码，但其第五位为编码也是八位二进制编码，但其第五位为补奇位补奇位，最高位只，最高位只有有“程序段结束符程序段结束符”CR”CR用到，因此可表示用到，因此可表示6464个字符。个字符。20 （二）数控机床坐标系（二）数控机床坐标系 为精确控制为精确控制机床移动部件机床移动部件的运动，在数控机床系统中需要建立起的运动，在数控机床系统
17、中需要建立起相应的坐标系，为此国家标准和国际标准都做出了相应的规定。相应的坐标系，为此国家标准和国际标准都做出了相应的规定。21 （1 1）标准的数控机床坐标系统标准的数控机床坐标系统采用采用右手直角笛卡儿坐标系右手直角笛卡儿坐标系 这个坐标系一共包含了以下这个坐标系一共包含了以下6 6根轴。根轴。+Y+B+X+A+Z+C22 X X、Y Y、Z Z轴轴 ：直线运动轴，分别表示三个方向的直线运动轴，分别表示三个方向的直线运动直线运动，这三个运动方向遵循右手法则。这三个运动方向遵循右手法则。 A A、B B、C C轴轴 ：旋转运动轴，分别表示围绕旋转运动轴，分别表示围绕X X、Y Y、Z Z轴的
18、轴的旋转旋转运动运动，运动方向遵循右手螺旋法则。，运动方向遵循右手螺旋法则。 这这6 6根坐标轴的坐标轴方向是指根坐标轴的坐标轴方向是指刀具相对于工件的运动方向刀具相对于工件的运动方向，正，正方向一般取为方向一般取为刀具离开工件的运动方向刀具离开工件的运动方向。23 （2 2）机床坐标系还包括了）机床坐标系还包括了 X X、YY、ZZ、AA、BB、C6C6根坐标根坐标轴，见下图所示。轴，见下图所示。 X X、Y Y、Z Z、A A、B B、C C 表示表示刀具相对于工件的运动方向刀具相对于工件的运动方向 X X、YY、ZZ、AA、BB、CC表示表示工件相对于刀具的运动方向工件相对于刀具的运动方
19、向。2425 （3 3）Z Z轴为轴为平行于机床主轴的坐标轴平行于机床主轴的坐标轴，其正方向为，其正方向为从工件到刀具从工件到刀具夹持点的方向夹持点的方向。 （4 4）X X轴为水平的、平行于轴为水平的、平行于工件装夹平面工件装夹平面的轴。的轴。 （5 5）当）当X X轴和轴和Z Z轴确定后，按右手直角坐标系规则即可确定轴确定后，按右手直角坐标系规则即可确定Y Y轴。轴。26XY YXZ27 （三）数控机床中的一些（三）数控机床中的一些“点点” 数控机床中存在着多种坐标系，包括数控机床中存在着多种坐标系，包括机床坐标系机床坐标系、工件坐标系工件坐标系（编程坐标系）、（编程坐标系）、绝对坐标系绝
20、对坐标系和和相对坐标系相对坐标系等。等。 为确定各坐标系的原点位置，首先必须了解在数控机床系统中为确定各坐标系的原点位置，首先必须了解在数控机床系统中的一些点的概念的一些点的概念。28 （1）机床零点）机床零点M （机床原点、机械原点）（机床原点、机械原点） 机床坐标系的原点机床坐标系的原点，其位置由数控机床制造厂家确定。，其位置由数控机床制造厂家确定。29 （2）工件零点）工件零点W（工件原点、编程原点）（工件原点、编程原点） 为便于编写数控加工程序，编程人员可以在工件上定义自己的坐为便于编写数控加工程序，编程人员可以在工件上定义自己的坐标系，称为标系，称为工件坐标系工件坐标系，工件坐标系的
21、原点就称为，工件坐标系的原点就称为工件零点工件零点。30 工件零点具有以下特点。工件零点具有以下特点。 在一个工件上可以定义多个工件坐标系，因此工件上可以有在一个工件上可以定义多个工件坐标系，因此工件上可以有多个工件原点。多个工件原点。 数控系统数控系统通过存储通过存储工件原点相对于机床原点的位置偏移值工件原点相对于机床原点的位置偏移值来来存储一个工件坐标系。存储一个工件坐标系。 由于工件在工作台或夹具上的位置不固定，因此工件原点相由于工件在工作台或夹具上的位置不固定，因此工件原点相对于机床原点的位置也是不固定的，因此工件零点有时也被称为对于机床原点的位置也是不固定的，因此工件零点有时也被称为
22、浮浮动原点动原点。 在数控加工程序中可以通过使用在数控加工程序中可以通过使用G代码代码 (G54 G59)来指定来指定工工件原点相对于机床原点的位置偏移量件原点相对于机床原点的位置偏移量。31 （3 3）刀架相关点）刀架相关点C C 刀架相关点是刀架上刀架相关点是刀架上用于测量刀具参数的一个固定位置点用于测量刀具参数的一个固定位置点。 刀具参数就是刀具参数就是刀具切削点刀具切削点相对于相对于刀架相关点刀架相关点的位置偏移量，如的位置偏移量，如下图所示。下图所示。32CCL1L2 兰色刀的刀具参数：兰色刀的刀具参数：L1，L2 红色刀的刀具参数：红色刀的刀具参数：0，033 数控加工程序中所指定
23、的坐标值是指数控加工程序中所指定的坐标值是指刀具切削点的坐标刀具切削点的坐标。 加工开始后系统根据指定的刀具切削点坐标和刀具参数进行相加工开始后系统根据指定的刀具切削点坐标和刀具参数进行相应的刀具补偿处理，计算出刀架相关点的位置，然后控制刀架相关应的刀具补偿处理，计算出刀架相关点的位置，然后控制刀架相关点运动到计算位置，从而实现指定加工。点运动到计算位置，从而实现指定加工。 在加工过程中系统显示坐标值也是在加工过程中系统显示坐标值也是刀具切削点的坐标刀具切削点的坐标。 当机床回参考点后，当机床回参考点后，刀架相关点刀架相关点C C将与将与机床参考点机床参考点R R重合。重合。34 （4 4）机
24、床参考点）机床参考点R R（电气原点）（电气原点） 机床回参考点后机床回参考点后刀架相关点刀架相关点C C所在的空间位置点所在的空间位置点。 机床参考点机床参考点C C具有如下特点。具有如下特点。 机床参考点机床参考点R R是通过是通过电子测量器件电子测量器件来精确测定的机床上的一来精确测定的机床上的一个固定点，通常位于机床运行范围的一个角上。个固定点，通常位于机床运行范围的一个角上。 机床参考点机床参考点相对于相对于机床原点机床原点的偏移量是一个固定值，可通过的偏移量是一个固定值，可通过修改修改机床参数机床参数来确定。来确定。 通过回参考点操作，可以精确测定出通过回参考点操作，可以精确测定出
25、机床参考点机床参考点R R和机床原和机床原点点M M的位置的位置，从而标定出数控机床的坐标系统。，从而标定出数控机床的坐标系统。35 （四）绝对坐标系和相对坐标系（四）绝对坐标系和相对坐标系 在编写数控加工程序时，编程人员可以使用在编写数控加工程序时，编程人员可以使用绝对坐标系绝对坐标系或或相对坐相对坐标系标系来指定加工坐标点。来指定加工坐标点。 绝对坐标系绝对坐标系是指以是指以某一固定位置点某一固定位置点为坐标原点的坐标系。为坐标原点的坐标系。 相对坐标系相对坐标系是指以是指以当前运动轨迹起点当前运动轨迹起点为坐标原点的坐标系。为坐标原点的坐标系。36YWZMWYMRZMRXMRXYZRMY
26、MWXMWXZ373839 四、数控系统的分类四、数控系统的分类 （一）按数控机床运动轨迹分类（一）按数控机床运动轨迹分类 （1 1）点位数控系统）点位数控系统 控制机床运动部件从一点准确移动到另一点（定位运动），控制机床运动部件从一点准确移动到另一点（定位运动），在移在移动过程中不进行加工动过程中不进行加工，因此对，因此对两点间的移动速度和运动轨迹两点间的移动速度和运动轨迹没有控制没有控制要求。要求。 例如：数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。例如：数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。40 （2 2）直线数控系统）直线数控系统 控制机床运动部件沿着控制机床运动部件沿着平行于坐标轴的直线平行于
27、坐标轴的直线从一点准确移动到另一从一点准确移动到另一点，点，在移动过程中进行加工在移动过程中进行加工，因此对两点间的移动速度有控制要求。，因此对两点间的移动速度有控制要求。 例如：简易数控车床。例如：简易数控车床。41 （3 3）轮廓数控系统）轮廓数控系统 同时对同时对两个或两个以上进给轴的位移和速度两个或两个以上进给轴的位移和速度进行相关控制，从而进行相关控制，从而合成出合成出平面或空间运动轨迹平面或空间运动轨迹的系统。的系统。 例如：数控车床、数控铣床、加工中心等等。例如：数控车床、数控铣床、加工中心等等。 能够同时控制的进给轴数称为能够同时控制的进给轴数称为联动轴数联动轴数。422 轴联
28、动的轮廓加工轴联动的轮廓加工433 轴联动的轮廓加工4 轴联动的轮廓加工445 轴联动的轮廓加工45 （二）按数控伺服系统分类（二）按数控伺服系统分类 （1 1）开环数控系统）开环数控系统 没有没有位置检测反馈回路位置检测反馈回路的控制系统，其特点如下。的控制系统，其特点如下。 无位置检测反馈回路。无位置检测反馈回路。 以以步进电机步进电机或或电液脉冲马达电液脉冲马达为驱动部件。为驱动部件。 优点：控制简单，调试维修方便，价格低廉。优点：控制简单，调试维修方便，价格低廉。 缺点：控制精度低，运动速度低，驱动力矩小。缺点：控制精度低，运动速度低，驱动力矩小。 应用：精度不高的经济型数控机床或普通
29、机床的数控改造。应用：精度不高的经济型数控机床或普通机床的数控改造。4647 （2 2）全闭环数控系统）全闭环数控系统 带有带有位置检测反馈回路位置检测反馈回路，位置检测装置直接安装在，位置检测装置直接安装在机床移动部件机床移动部件上的控制系统，其特点如下。上的控制系统，其特点如下。 以以直流电机直流电机或或交流电机交流电机为驱动部件。为驱动部件。 可以自动补偿可以自动补偿电气控制误差电气控制误差和和机械传动链的机械传动误差机械传动链的机械传动误差。 优点：控制精度高，运动速度高，驱动力矩大。优点：控制精度高，运动速度高，驱动力矩大。 缺点：控制复杂，稳定性不好，调试维修困难，价格昂贵缺点：控
30、制复杂，稳定性不好，调试维修困难，价格昂贵 。 应用：高精度数控机床。应用：高精度数控机床。4849 （3 3）半闭环数控系统）半闭环数控系统 带有带有位置检测反馈回路位置检测反馈回路，位置检测装置安装在，位置检测装置安装在电动机轴端电动机轴端的控制的控制系统，其特点如下。系统，其特点如下。 以以直流电机直流电机或或交流电机交流电机为驱动部件；为驱动部件； 可自动补偿可自动补偿电气控制误差电气控制误差，但不能自动补偿，但不能自动补偿机械传动链的机机械传动链的机械传动误差械传动误差。 该系统的控制精度、稳定性、调试维修的复杂性和价格都介于开该系统的控制精度、稳定性、调试维修的复杂性和价格都介于开环系统和全闭环系统之间，系统运动速度高，驱动力矩大。环系统和全闭环系统之间，系统运动速度高，驱动力矩大。 当今被广泛应用于数控机床中。当今被广泛应用于数控机床中。5051
