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)對生產(chǎn)過程進行控制 。 狹義：利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對機床運動軌跡和機床工作狀態(tài)進行控制。 例如(lr)：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控線切割機床等等。 共三十六頁 （2）數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱數(shù)控系統(tǒng)） 利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對生產(chǎn)過程進行自動控制的系統(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)計算和處理，數(shù)控裝置快速識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際控制信號； 最后，數(shù)控裝置輸出實際控制信號，使相應(yīng)的執(zhí)行部件(bjin)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。 可見，數(shù)字控制系統(tǒng)都是由輸入、決策與輸出三個環(huán)節(jié)組成的。共三十六頁 （3）數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tools） 數(shù)控系統(tǒng)與被控機床(jchung)本體的結(jié)合體稱為數(shù)控機床。 根據(jù)機床本體的不同類型，數(shù)控機床也被分為相應(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)控線切割機床等等。 數(shù)控機床是典型的機電一體化產(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，其中機床本體為被控(bi kn)對象。輸入輸出裝置數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機床電器控制裝置機床本體共三十六頁 （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行自動加工的。我們將從外部輸入的、描述了機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：進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刀具號和補償號等； 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、磁盤驅(qū)動器、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：正確識別和解釋數(shù)控加工程序，并對解釋結(jié)果進行數(shù)據(jù)計算和邏輯處理，從而(cng r)將數(shù)控加工程序分解為一系列的實際控制信號，使系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行部件執(zhí)行相應(yīng)的動作。 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現(xiàn)。 2）計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）：由計算機構(gòu)成，其數(shù)控功能由硬件和軟件來共同實現(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： 1）伺服控制量：送往伺服驅(qū)動裝置，產(chǎn)生插補運動； 2）開關(guān)控制量：送往機床電器邏輯控制裝置，產(chǎn)生開關(guān)動作。 共三十六頁 （4）伺服系統(tǒng)（伺服驅(qū)動裝置） 伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置和機床本體之間，包括進給軸伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置。 進給軸伺服驅(qū)動裝置：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)動機床工作臺進行坐標(biāo)運動。 主軸伺服驅(qū)動裝置：根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的速度控制命令驅(qū)動機床主軸以指定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 （5）機床電器控制裝置 機床電器控制裝置位于數(shù)控裝置和機床本體之間。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、潤滑系統(tǒng)的邏輯控制以及機床的其他輔助功能。 機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）機床本體 根據(jù)不同的加工方式，機床本體可以是車床、銑床(xchung)、鉆床、鏜床、磨床、加工中心以及電加工機床等等。 （7）輔助裝置 數(shù)控機床配置有各種輔助裝置，以配合機床的零件加工。 傳統(tǒng)的機床輔助裝置：切削液處理裝置、氣動液動裝置等等。 數(shù)控機床特有的輔助裝置：對刀儀、自動編程器、自動排屑器、物料儲運及上下料裝置等等。共三十六頁 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）時，該數(shù)控系統(tǒng)就稱為計算機

7、數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(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）主軸電機編程器通信線路CAD/CAM系統(tǒng)上位機輸出裝置機床進給電機位置檢測器速度控制單元共三十六頁 現(xiàn)代計算機數(shù)控系統(tǒng)具有如下特點： 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編程器、CAD/CAM系統(tǒng)或上位機所提供的數(shù)控加工程序。 可以實現(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償算法的實現(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現(xiàn)數(shù)控機床的邏輯控制。 PLC可位于數(shù)控裝置之外，稱為獨立型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）刀具補充償2）進給速度(sd)處理3）坐標(biāo)變換4.插補5.位置控制6.輸入/輸出處理7.顯示共三十六頁數(shù)控機床(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)控機床運動軌跡分類 （1）點位數(shù)控系統(tǒng) 機床運動部件從一點準(zhǔn)確移動到另一點（定位運動），在移動過程中不進行加工，因此對兩點間的

9、移動速度和運動軌跡沒有控制要求。 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) 機床運動部件從一點準(zhǔn)確移動到另一點，在移動過程中進行加工，因此對兩點間的移動速度和運動軌跡有控制要求。該系統(tǒng)的運動軌跡一般為平行于某坐標(biāo)軸的直線。例如：簡易數(shù)控車床。共三十六頁 （3）輪廓數(shù)控系統(tǒng) 同時對兩個或兩個以上進給軸的位移和速度進行相關(guān)控制，從而合成出平面或空間運動軌跡的系統(tǒng)。例如(lr)：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等等。 能夠同時控制的進給軸數(shù)稱為聯(lián)動軸數(shù)。2 軸聯(lián)動(lin dn)的輪廓加工共三十六頁3 軸聯(lián)動的輪廓(lnku)加工4 軸聯(lián)動的輪廓(lnku)加工共三十六頁5 軸聯(lián)動

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) 無位置檢測反饋回路的控制系統(tǒng)。其特點為： 無位置檢測反饋回路； 以步進電機或電液脈沖馬達為驅(qū)動部件。 優(yōu)點：控制簡單，調(diào)試維修方便，價格低廉。 缺點：控制精度低，運動(yndng)速度低，驅(qū)動力矩小。 應(yīng)用：精度不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床或普通機床的數(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) 帶有位置檢測反饋回路、位置檢測裝置直接(zhji)安裝在機床移動部件上的控制系統(tǒng)。特點： 以直流電機或交流電機為驅(qū)動部件； 可以自動補償電氣控制誤差和機械傳動鏈的機械傳動誤差。 優(yōu)點：控制精度高，運動速度高，驅(qū)動力矩大

11、。 缺點：控制復(fù)雜，穩(wěn)定性不好，調(diào)試維修困難，價格昂貴 。 應(yīng)用：高精度數(shù)控機床。共三十六頁 （2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 帶有位置檢測反饋回路、位置檢測裝置安裝在電動機軸端的控制系統(tǒng)。 特點： 以直流電機或交流電機為驅(qū)動部件； 可自動補償電氣控制誤差，但不能自動補償機械傳動鏈的機械傳動誤差。 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)運動速度高，驅(qū)動力矩大。 當(dāng)今被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床中。共三十六頁3.按數(shù)控系統(tǒng)功能水平(shupng)分類1）經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制(kngzh)，步進電機驅(qū)動，進給分辯率為10m,快速進給速度10m/min2）全功

12、能型數(shù)控系統(tǒng) 進給分辯率為1m,快速進給速度10-20m/min3）高檔型數(shù)控系統(tǒng)進給分辯率為0.1m,快速進給速度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量裝置，使切削過程按預(yù)定的目標(biāo)進行共三十六頁第三節(jié) 直接(zhji)數(shù)字控制（DNC）3. 計算機群控系統(tǒng)（DNC）計算機群控系統(tǒng)間接型直接型計算機控制（Direct Numerical Control/ Distributed Numerical Control ，簡稱DNC）又稱為分布式數(shù)字控制，是用一臺或幾臺計算機直接控制若干臺數(shù)

13、控機床的系統(tǒng)控制方法，又稱為群控。其零部件加工程序或機床(jchung)程序存放在公用的存儲器中，計算機按照約定及請求，向這些機床(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：接口配置為穿孔機輸入接口接口配置為紙帶閱讀機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)接口接口配置為進行直接數(shù)控的計算機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：點到點式現(xiàn)場總線式局域網(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主機與上層控制計算機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)在主要采用的是計算機局域網(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)研究目前國外

15、典型的DNC系統(tǒng)主要有美國Automation Intelligence 公司NumeridexCAM分部的SHOPNET DNC系統(tǒng)、美國波音公司軍機分部配置的Cimlinics的DNC系統(tǒng)、日本FANUC公司的DNC1和DNC2系統(tǒng)。國內(nèi)于20世紀(jì)70年代開始在DNC方面(fngmin)進行研究，有一定影響的單位是北京機床研究所、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，簡稱FMS)是由數(shù)控加工

16、設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。柔性制造單元FMC的結(jié)構(gòu)(jigu)形式根據(jù)不同的加工對象、CNC機床的類型與數(shù)量以及工件更換與存儲方式的不同，可以多種多樣，目前主要有托盤搬運式和機器人搬運式兩大類型。共三十六頁（1）托盤搬運(bnyn)式以北京精密機床廠生產(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、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）機器人搬運(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的一種FMC。它由一臺加工中心、一臺車削中心、一個機器人以及兩臺回轉(zhuǎn)工作臺組成。機器人移動（如圖中箭

17、頭所示）為兩臺機床(jchung)服務(wù)。每臺機床(jchung)各用一臺交換工作臺作為輸送與緩沖存儲。共三十六頁(A)FMS的組成FMS主要由加工子系統(tǒng)、物料儲運子系統(tǒng)、運行控制子系統(tǒng)、刀具子系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)測及監(jiān)控子系統(tǒng)五個子系統(tǒng)組成。加工子系統(tǒng)又稱加工單元(dnyun)或制造單元(dnyun)物料儲運子系統(tǒng)又稱物流系統(tǒng)或稱材料倉庫與搬運系統(tǒng)運行控制子系統(tǒng)刀具子系統(tǒng)質(zhì)量檢測及監(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)備時間；減少了工廠的庫存零件；節(jié)約了生產(chǎn)勞動成本；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) 計算機集成(j chn)制造系統(tǒng)(CIMS)5. 計算機集成(j chn)制造系統(tǒng)(CIMS)CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的縮寫，譯為計算機集成制造。CIMS是在柔性制造技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(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)營活動所需的各種分布的自動化子系統(tǒng)，通過新的生產(chǎn)管理模式、工藝?yán)碚摵陀嬎銠C網(wǎng)絡(luò)有機地集成起來，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) 計算機集成制造(zhzo)系統(tǒng)(C