數(shù)控系統(tǒng)概述

1、2.1 數(shù)控系統(tǒng)概述2.1.1 基本概念2.1.1、數(shù)控系統(tǒng)的基本概念 （1）數(shù)控(Numerical Control ) 數(shù)控是數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱，其含義如下： 廣義：利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制 。 狹義：利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床工作狀態(tài)進(jìn)行控制。 例如(lr)：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控線切割機(jī)床等等。 共三十六頁 （2）數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)） 利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。 數(shù)字控制系統(tǒng)的一般工作過程如下。 首先，采用某種編程語言來描述一個(gè)生產(chǎn)過程（編寫程序），并以數(shù)字形式送入數(shù)字控制裝置；

2、 其次，通過數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，數(shù)控裝置快速識(shí)別出該程序所描述的生產(chǎn)過程，并將程序分解為一系列的實(shí)際控制信號(hào)； 最后，數(shù)控裝置輸出實(shí)際控制信號(hào)，使相應(yīng)的執(zhí)行部件(bjin)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。 可見，數(shù)字控制系統(tǒng)都是由輸入、決策與輸出三個(gè)環(huán)節(jié)組成的。共三十六頁 （3）數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine Tools） 數(shù)控系統(tǒng)與被控機(jī)床(jchung)本體的結(jié)合體稱為數(shù)控機(jī)床。 根據(jù)機(jī)床本體的不同類型，數(shù)控機(jī)床也被分為相應(yīng)的類型。例如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控線切割機(jī)床等等。 數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 共三十六頁數(shù)控加工(ji gng)程序2.1.2、數(shù)控系

3、統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)的一般組成如下圖所示，其中機(jī)床本體為被控(bi kn)對(duì)象。輸入輸出裝置數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床電器控制裝置機(jī)床本體共三十六頁 （1）數(shù)控加工程序 數(shù)控系統(tǒng)是嚴(yán)格按照外部輸入的程序?qū)ぜM(jìn)行自動(dòng)加工的。我們將從外部輸入的、描述了機(jī)床加工過程的程序稱為數(shù)控加工程序。 數(shù)控加工程序記載了機(jī)床加工所需要的各種信息，包括： 軌跡信息：幾何形狀和幾何尺寸； 工藝信息：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刀具號(hào)和補(bǔ)償號(hào)等； 開關(guān)命令：主軸正反轉(zhuǎn)、換刀、開/關(guān)切削液和裝/卸工件等等； 數(shù)控加工程序被記錄(jl)在各種信息載體上，主要有：穿孔紙帶、磁帶、磁盤和各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等。 （2）輸入輸出裝置 輸入裝置將

4、數(shù)控加工程序和其他數(shù)字信息輸入給數(shù)控裝置；輸出裝置輸出或顯示數(shù)控裝置的內(nèi)部信息。 常見的輸入輸出裝置：紙帶閱讀機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤和顯示器、通信接口等。共三十六頁 （3）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。其主要功能是：正確識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序，并對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯處理，從而(cng r)將數(shù)控加工程序分解為一系列的實(shí)際控制信號(hào)，使系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行部件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 數(shù)控裝置有兩種形式： 1）硬件數(shù)控裝置（NC裝置）：由數(shù)字邏輯硬件電路構(gòu)成，其數(shù)控功能由硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。 2）計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）：由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其數(shù)控功能由硬件和軟件來共同實(shí)現(xiàn)。 數(shù)控裝置將數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)

5、換為兩類控制信號(hào)： 1）伺服控制量：送往伺服驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)； 2）開關(guān)控制量：送往機(jī)床電器邏輯控制裝置，產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作。 共三十六頁 （4）伺服系統(tǒng)（伺服驅(qū)動(dòng)裝置） 伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間，包括進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置。 進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置：根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的位置(wi zhi)控制命令和速度控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。 主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置：根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的速度控制命令驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸以指定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 （5）機(jī)床電器控制裝置 機(jī)床電器控制裝置位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間。其重要功能為： 接收數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，完成機(jī)床主軸的選速、起停和方向控制，換刀裝置

6、的換刀控制，工件裝夾系統(tǒng)的裝/卸控制，冷卻、液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)的邏輯控制以及機(jī)床的其他輔助功能。 機(jī)床電器控制裝置的具體形式有兩種：一是繼電器控制裝置；二是可編程邏輯控制器。共三十六頁 （6）機(jī)床本體 根據(jù)不同的加工方式，機(jī)床本體可以是車床、銑床(xchung)、鉆床、鏜床、磨床、加工中心以及電加工機(jī)床等等。 （7）輔助裝置 數(shù)控機(jī)床配置有各種輔助裝置，以配合機(jī)床的零件加工。 傳統(tǒng)的機(jī)床輔助裝置：切削液處理裝置、氣動(dòng)液動(dòng)裝置等等。 數(shù)控機(jī)床特有的輔助裝置：對(duì)刀儀、自動(dòng)編程器、自動(dòng)排屑器、物料儲(chǔ)運(yùn)及上下料裝置等等。共三十六頁 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）時(shí)，該數(shù)控系統(tǒng)就稱為計(jì)算機(jī)

7、數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件來共同完成數(shù)控功能，其基本(jbn)組成如下圖所示。信息(xnx)載體輸入裝置CNC裝置主軸控制單元可編程控制器（PLC）主軸電機(jī)編程器通信線路CAD/CAM系統(tǒng)上位機(jī)輸出裝置機(jī)床進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)器速度控制單元共三十六頁 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： 除了讀取信息載體，還可以通過其他方式獲得數(shù)控加工程序。 例如：通過鍵盤方式輸入和編輯數(shù)控加工程序；通過通信方式輸入自動(dòng)編程器、CAD/CAM系統(tǒng)或上位機(jī)所提供的數(shù)控加工程序。 可以實(shí)現(xiàn)(shxin)硬件數(shù)控裝置難以完成的諸多功能。 例如：圖形模擬顯示、系統(tǒng)診斷、各種復(fù)雜的軌跡控制算法和補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)，通信和

8、網(wǎng)絡(luò)功能等等。 取代了傳統(tǒng)的繼電器控制線路，采用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的邏輯控制。 PLC可位于數(shù)控裝置之外，稱為獨(dú)立型PLC；也可以與數(shù)控裝置合為一體，稱為內(nèi)裝型PLC。共三十六頁2.1.3機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的工作(gngzu)過程1.數(shù)據(jù)輸入2.譯碼3.預(yù)處理1）刀具補(bǔ)充償2）進(jìn)給速度(sd)處理3）坐標(biāo)變換4.插補(bǔ)5.位置控制6.輸入/輸出處理7.顯示共三十六頁數(shù)控機(jī)床(sh kn j chun)工作流程共三十六頁 2.1.4、數(shù)控系統(tǒng)的分類(fn li) 1.按數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類 （1）點(diǎn)位數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件從一點(diǎn)準(zhǔn)確移動(dòng)到另一點(diǎn)（定位運(yùn)動(dòng)），在移動(dòng)過程中不進(jìn)行加工，因此對(duì)兩點(diǎn)間的

9、移動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡沒有控制要求。 例如：數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床和數(shù)控沖床等。 （2）直線數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件從一點(diǎn)準(zhǔn)確移動(dòng)到另一點(diǎn)，在移動(dòng)過程中進(jìn)行加工，因此對(duì)兩點(diǎn)間的移動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡有控制要求。該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般為平行于某坐標(biāo)軸的直線。例如：簡(jiǎn)易數(shù)控車床。共三十六頁 （3）輪廓數(shù)控系統(tǒng) 同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上進(jìn)給軸的位移和速度進(jìn)行相關(guān)控制，從而合成出平面或空間運(yùn)動(dòng)軌跡的系統(tǒng)。例如(lr)：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等等。 能夠同時(shí)控制的進(jìn)給軸數(shù)稱為聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。2 軸聯(lián)動(dòng)(lin dn)的輪廓加工共三十六頁3 軸聯(lián)動(dòng)的輪廓(lnku)加工4 軸聯(lián)動(dòng)的輪廓(lnku)加工共三十六頁5 軸聯(lián)動(dòng)

10、(lin dn)的輪廓加工共三十六頁 2.按數(shù)控伺服系統(tǒng)分類 1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 無位置檢測(cè)反饋回路的控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)為： 無位置檢測(cè)反饋回路； 以步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)部件。 優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，價(jià)格低廉。 缺點(diǎn)：控制精度低，運(yùn)動(dòng)(yndng)速度低，驅(qū)動(dòng)力矩小。 應(yīng)用：精度不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床或普通機(jī)床的數(shù)控改造2）閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)共三十六頁 （1）全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 帶有位置檢測(cè)反饋回路、位置檢測(cè)裝置直接(zhji)安裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的控制系統(tǒng)。特點(diǎn)： 以直流電機(jī)或交流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件； 可以自動(dòng)補(bǔ)償電氣控制誤差和機(jī)械傳動(dòng)鏈的機(jī)械傳動(dòng)誤差。 優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，運(yùn)動(dòng)速度高，驅(qū)動(dòng)力矩大

11、。 缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，穩(wěn)定性不好，調(diào)試維修困難，價(jià)格昂貴 。 應(yīng)用：高精度數(shù)控機(jī)床。共三十六頁 （2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 帶有位置檢測(cè)反饋回路、位置檢測(cè)裝置安裝在電動(dòng)機(jī)軸端的控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)： 以直流電機(jī)或交流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)部件； 可自動(dòng)補(bǔ)償電氣控制誤差，但不能自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)鏈的機(jī)械傳動(dòng)誤差。 該系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、調(diào)試維修的復(fù)雜性和價(jià)格都介于(ji y)開環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)之間，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度高，驅(qū)動(dòng)力矩大。 當(dāng)今被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。共三十六頁3.按數(shù)控系統(tǒng)功能水平(shupng)分類1）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制(kngzh)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給分辯率為10m,快速進(jìn)給速度10m/min2）全功

12、能型數(shù)控系統(tǒng) 進(jìn)給分辯率為1m,快速進(jìn)給速度10-20m/min3）高檔型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給分辯率為0.1m,快速進(jìn)給速度100m/min共三十六頁2.1.5數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1.開放式數(shù)控系統(tǒng)基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)2.自適應(yīng)(shyng)控制系統(tǒng)能利用敏感元件與測(cè)量裝置，使切削過程按預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行共三十六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）3. 計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)（DNC）計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)間接型直接型計(jì)算機(jī)控制（Direct Numerical Control/ Distributed Numerical Control ，簡(jiǎn)稱DNC）又稱為分布式數(shù)字控制，是用一臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制若干臺(tái)數(shù)

13、控機(jī)床的系統(tǒng)控制方法，又稱為群控。其零部件加工程序或機(jī)床(jchung)程序存放在公用的存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)按照約定及請(qǐng)求，向這些機(jī)床(jchung)分送程序和數(shù)據(jù)，并能收集、顯示或編輯與控制過程有關(guān)的數(shù)據(jù)。22共三十六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）2）DNC結(jié)構(gòu)和DNC通訊結(jié)構(gòu)研究DNC結(jié)構(gòu)是指DNC主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的接口形式(xngsh)，而DNC通訊結(jié)構(gòu)則指DNC主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊拓樸結(jié)構(gòu)。常見的DNC結(jié)構(gòu)形式有如下幾種：接口配置為穿孔機(jī)輸入接口接口配置為紙帶閱讀機(jī)輸入接口接口配置為RS232C接口接口配置為DNC接口。接口配置為網(wǎng)絡(luò)接口接口配置為進(jìn)行直接數(shù)控的計(jì)算機(jī)23共三十

14、六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）常見(chn jin)的DNC通訊結(jié)構(gòu)形式有如下幾種：點(diǎn)到點(diǎn)式現(xiàn)場(chǎng)總線式局域網(wǎng)式24共三十六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）3） DNC通訊(tngxn)技術(shù)的研究25DNC主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊采用最多的是串行通訊，物理接口最常見的是RS232C串行通訊接口。DNC主機(jī)與上層控制計(jì)算機(jī)的通訊以前主要是串行通訊，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在主要采用的是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。這部分的技術(shù)發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，主要有以太網(wǎng)（Ethernet）和MAP3.0等。共三十六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）4.）DNC應(yīng)用系統(tǒng)研究目前國(guó)外

15、典型的DNC系統(tǒng)主要有美國(guó)Automation Intelligence 公司NumeridexCAM分部的SHOPNET DNC系統(tǒng)、美國(guó)波音公司軍機(jī)分部配置的Cimlinics的DNC系統(tǒng)、日本FANUC公司的DNC1和DNC2系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)70年代開始在DNC方面(fngmin)進(jìn)行研究，有一定影響的單位是北京機(jī)床研究所、清華大學(xué)、重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所等。26共三十六頁4.柔性制造系統(tǒng)（FMS）第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)（FMS）1）柔性制造(zhzo)單元（FMC）柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，簡(jiǎn)稱FMS)是由數(shù)控加工

16、設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。柔性制造單元FMC的結(jié)構(gòu)(jigu)形式根據(jù)不同的加工對(duì)象、CNC機(jī)床的類型與數(shù)量以及工件更換與存儲(chǔ)方式的不同，可以多種多樣，目前主要有托盤搬運(yùn)式和機(jī)器人搬運(yùn)式兩大類型。共三十六頁（1）托盤搬運(yùn)(bnyn)式以北京精密機(jī)床廠生產(chǎn)的FMC1型為例，如圖所示。它由臥式加工中心、環(huán)形交換工作臺(tái)、托盤以及托盤交換裝置組成。第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)（FMS）28共三十六頁（2）機(jī)器人搬運(yùn)(bnyn)式第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)（FMS）29如圖所示為日本日立精機(jī)的一種FMC。它由一臺(tái)加工中心、一臺(tái)車削中心、一個(gè)機(jī)器人以及兩臺(tái)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成。機(jī)器人移動(dòng)（如圖中箭

17、頭所示）為兩臺(tái)機(jī)床(jchung)服務(wù)。每臺(tái)機(jī)床(jchung)各用一臺(tái)交換工作臺(tái)作為輸送與緩沖存儲(chǔ)。共三十六頁(A)FMS的組成FMS主要由加工子系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)、運(yùn)行控制子系統(tǒng)、刀具子系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)測(cè)及監(jiān)控子系統(tǒng)五個(gè)子系統(tǒng)組成。加工子系統(tǒng)又稱加工單元(dnyun)或制造單元(dnyun)物料儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)又稱物流系統(tǒng)或稱材料倉(cāng)庫(kù)與搬運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行控制子系統(tǒng)刀具子系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)及監(jiān)控子系統(tǒng)2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)（FMS）30共三十六頁(B) FMS的特點(diǎn)提高了中、小批量零件制造(zhzo)的生產(chǎn)率；縮短了新產(chǎn)品試制的準(zhǔn)備時(shí)間；減少了工廠的庫(kù)存零件；節(jié)約了生產(chǎn)勞動(dòng)成本；提高了產(chǎn)品

18、質(zhì)量；改善了制造廠的工作條件；保證了操作人員的安全。第二節(jié)柔性制造系統(tǒng)（FMS）31共三十六頁第四節(jié) 計(jì)算機(jī)集成(j chn)制造系統(tǒng)(CIMS)5. 計(jì)算機(jī)集成(j chn)制造系統(tǒng)(CIMS)CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的縮寫，譯為計(jì)算機(jī)集成制造。CIMS是在柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠的全部生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)所需的各種分布的自動(dòng)化子系統(tǒng)，通過新的生產(chǎn)管理模式、工藝?yán)碚摵陀?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地集成起來，以獲得適應(yīng)于多品種、中小批量生產(chǎn)的高效益、高柔性和高質(zhì)量的智能制造系統(tǒng)。321）什么是CIM和CIMS共三十六頁第四節(jié) 計(jì)算機(jī)集成制造(zhzo)系統(tǒng)(C