數(shù)控系統(tǒng)的基本知識及常見數(shù)控系統(tǒng)課件

數(shù)控系統(tǒng)的基本知識

主要內(nèi)容一、數(shù)控技術的發(fā)展二、數(shù)控系統(tǒng)的組成三、數(shù)控系統(tǒng)的分類四、常見數(shù)控系統(tǒng)1、FANUC數(shù)控系統(tǒng)2、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)3、華中數(shù)控系統(tǒng)一.數(shù)控技術的發(fā)展1.1946年世界上誕生了第一臺電子計算機。2.第一臺計算機誕生6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上。

1952在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)的機床產(chǎn)生了質的變化。

華中數(shù)控數(shù)控（NC）階段(1952—1970年)

早期的計算機運算速度低，這對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響不大，但它不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路，搭成機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD—WIREDNC）,簡稱為數(shù)控（NC）。

隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段又歷經(jīng)三代:

1952年的第一代—電子管計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)；1959年的第二代—晶體管計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)；1965年的第三代—小規(guī)模的集成電路計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)。華中數(shù)控計算機數(shù)控（CNC）階段

這一階段從1970年開始至今。1970年研制成功大規(guī)模集成電路，并將其用于通用小型計算機。此時的小型計算機，其運算速度比五、六十年代的計算機有了大幅度的提高。比專門搭成的專用計算機成本低，可靠性高。于是，小型計算機被用作數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段。

計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代:

1970年第四代—小型計算機數(shù)控系統(tǒng)；1974年第五代—微處理器組成的數(shù)控系統(tǒng)

1990年第六代—基于PC的數(shù)控系統(tǒng)

。華中數(shù)控

數(shù)控系統(tǒng)近五十年來經(jīng)歷了兩個階段六代的發(fā)展，只是發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了數(shù)控系統(tǒng)可靠性低，價格極為昂貴，應用很不方便等極為關鍵的問題，因此即使在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床大規(guī)模地得到應用和普及也是在上世紀的七十年代末、八十年代初以后的事情

，也就是說

數(shù)控技術經(jīng)過了近三十年的發(fā)展才走向普及應用。

華中數(shù)控二、數(shù)控系統(tǒng)的組成

數(shù)字控制機床是采用數(shù)字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床，它是數(shù)控技術的典型應用。數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置，計算機數(shù)控系統(tǒng)是以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成如圖所示。計算機數(shù)控系統(tǒng)組成框圖華中數(shù)控1、計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）液晶顯示器MDI鍵盤“急?！卑粹o功能鍵機床控制面板(MCP)機床控制面板MCP華中數(shù)控2、數(shù)控裝置的輔助部件１）軟驅單元軟驅單元提供3.5”軟盤驅動器、RS232接口、PC鍵盤接口、以太網(wǎng)接口。需要通過轉接線與HNC-21數(shù)控裝置連接使用。華中數(shù)控3、伺服單元伺服單元分為:主軸伺服進給伺服

分別用來控制主軸電動機和進給電動機。伺服單元接收來自CNC裝置的進給指令，這些指令經(jīng)變換和放大后通過驅動裝置轉變成執(zhí)行部件進給的速度、方向、位移。華中數(shù)控4、驅動裝置驅動裝置將伺服單元的輸出變?yōu)闄C械運動，它與伺服單元一起是數(shù)控裝置和機床傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它們有的帶動工作臺，有的帶動刀具，通過幾個軸的綜合聯(lián)動,使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。華中數(shù)控5、可編程邏輯控制器（PLC）PLC主要完成與邏輯運算有關的一些動作，沒有軌跡上的具體要求，

它接受CNC裝置的控制代碼M(輔助功能)、S(主軸轉速)、T(選刀、換刀)等順序動作信息，對其進行譯碼，轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作，如工件的裝夾、刀具的更換、冷卻液的開、關等一些輔助動作；它還接受機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作，另一方面將一部分指令送往CNC裝置，用于加工過程的控制。華中數(shù)控三、數(shù)控系統(tǒng)的分類1、按機床的運動軌跡分類1）點位控制數(shù)控系統(tǒng)2）直線切削數(shù)控系統(tǒng)3）連續(xù)切削數(shù)控系統(tǒng)華中數(shù)控2、按進給伺服系統(tǒng)的類型分類1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)華中數(shù)控2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

華中數(shù)控3、按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類1）經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)又稱簡易數(shù)控系統(tǒng)2）普及型又稱全功能數(shù)控系統(tǒng)3）高檔型數(shù)控系統(tǒng)

華中數(shù)控高，中，低（經(jīng)濟型）數(shù)控（1）分辨率和進給速度

分辨率:高0.5μm

中1μm

低10μm

進給速度:高

大于30m/min中15~30m/min

低8~15m/min

(2)伺服系統(tǒng)：高(閉環(huán)半閉環(huán)、交流伺服電機)中(閉環(huán)半閉環(huán)、交流伺服電機)

低開環(huán)、步進電機（3）聯(lián)動軸數(shù):高(3~5軸以上)

中(3~5軸以上)低

2~3軸

（4）通訊功能:高RS232串口、DNC通訊、網(wǎng)絡接口中RS232串口、DNC通訊、網(wǎng)絡接口低無通信功能（5）顯示功能:高LCD、TFT液晶彩顯中LCD、TFT液晶彩顯低CRT單顯

1）金屬切削類機床。如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。2）金屬成型類機床。如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控回轉頭壓力機等。3）數(shù)控特種加工機床。如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光切割機床等。4）其他類型的數(shù)控機床。如火焰切割機、數(shù)控三坐標測量機等。5.按加工方式分類華中數(shù)控 1）FANUC公司創(chuàng)建于1956年；2）1959年首先推出電液步進電機；3）70年代，一方面從Gettes公司引進直流伺服電機制造技術，一方面與西門子合作，學習其先進的硬件技術；4）1976年成功開發(fā)出5系統(tǒng)；后與西門子聯(lián)合開發(fā)出7系統(tǒng)。(從這時，F(xiàn)ANUC成為世界上最大的專業(yè)數(shù)控生產(chǎn)廠家)四、常用數(shù)控系統(tǒng)簡介1、FANUC數(shù)控系統(tǒng)簡介

FS6是FANUC早期代表性產(chǎn)品之一。在70年代末與80年代初期的數(shù)控機床得到了廣泛應用。①FS6與西門子6系統(tǒng)結構基本相同，除伺服電動機、PLC采用西門子公司產(chǎn)品外，其余部分完全相同②硬件采用大板結構，上面插有電源模塊、存儲器板等小板，CPU采用8086，該CNC系列為多微處理器控制系統(tǒng)，其主CPU、PMC及圖形顯示的CPU均為8086FANUC6系統(tǒng)（1979年）③伺服驅動系統(tǒng)采用FANUC直流驅動系統(tǒng)，通過脈沖編碼器進行位置檢測，構成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)④系統(tǒng)一般帶有獨立安裝的電氣柜，電氣柜內(nèi)安裝了系統(tǒng)的主要部件（如CNC裝置、伺服驅動、輸入單元、電源單元）⑤主軸驅動系統(tǒng)采用FANUC交流主軸驅動裝置，該單元為分開安裝式，一般安裝在強電柜內(nèi)⑥系統(tǒng)軟件為固定式專用軟件我國80年代進口的數(shù)控機床，均大量配套采用FS6系統(tǒng)，直到目前仍然有較多配套FS6的機床在使用中，這些設備大多進入故障多發(fā)期，因此，它是數(shù)控機床維修中的常見系統(tǒng)之一。 F3簡化版（經(jīng)濟型）另注：Fs6→ F9強化版（1980年）

F11系列是FANUC公司20世紀80年代初期開發(fā)并得到廣泛應用的FANUC代表性產(chǎn)品之一，在80年代進口的高檔數(shù)控機床上廣為采用，因此，它亦是維修中的常見系統(tǒng)之一。同系列的產(chǎn)品有F10／11／12三種基本規(guī)格，①F11的硬件仍然采用大板結構（主板），主CPU為68000，它也是一種多微處理器控制系統(tǒng)②硬件盡量采用專用大規(guī)模集成電路及厚膜電路（22塊），元件減少30％F11系列（1984年）③CNC系統(tǒng)和操作面板、I/O單元之間采用光纜連接，減少了信號線，抗干擾能力提高④F11系統(tǒng)既可以帶獨立安裝的電柜，也可進行分離式安裝⑤伺服驅動與主軸驅動一般采用FANUC模擬式交流伺服驅動系統(tǒng)⑥系統(tǒng)軟件可固定式專用軟件，最大可以控制5軸，并實現(xiàn)全部控制軸的聯(lián)動

F0系列是20世紀80年代中后期開發(fā)的產(chǎn)品。是中國市場上銷售量最大的一種系統(tǒng)（F0C系列，F(xiàn)0D系列），產(chǎn)品目標是體積小、價格低.其中F0－MC/TC是其代表性產(chǎn)品，F(xiàn)0－MD和F0－TD為F0－MA和F0－TA的簡化版（經(jīng)濟型）。①硬件結構采用了傳統(tǒng)的結構方式:即在主板上插有存儲器板、I/O板、軸控制模塊以及電源單元。其主板較其他系列主板要小得多，因此，在結構上顯得較緊湊，體積小F0系統(tǒng)（1985年）②F0系列為多微處理器CNC系統(tǒng)：F0A系列主CPU為80186，F(xiàn)0B系列的主CPU為80286，F(xiàn)0C系列的主CPU為80386.內(nèi)置可編程控制器（PLC）的CPU為8086③F0可以配套使用FANUCS系列、α系列、αC系列、β系列等數(shù)字式交流伺服驅動系統(tǒng)，無漂移影響，可以實現(xiàn)高速、高精控制④采用了高性能的固定軟件與菜單操作的軟功能面板，可以進行簡單的人機對話式編程⑤具有多種自診斷功能，以便于維修⑥F0i系統(tǒng)采用總線技術，增加了網(wǎng)絡功能，并采用了“閃存”（FLASHROM）。系統(tǒng)可以通過Remotebuffer接口與PC相連，由PC機控制加工，實現(xiàn)信息傳遞，系統(tǒng)間也可以通過I/OLink總線進行相連⑦F0Mate是F0系列的派生產(chǎn)品，與F0相比是結構更為緊湊的經(jīng)濟型CNC裝置F15／16／18／16i／18i系列系統(tǒng)有：F－15／16／18；F－15i／16i／18i；FS－150／160／180、F160i／180i。

該系列系統(tǒng)是專門為工廠自動化設計的數(shù)控系統(tǒng)，是目前國際上工藝與性能最先進的數(shù)控系統(tǒng)之一，在美國、日本、歐洲的制造業(yè)中已普遍使用。①系統(tǒng)的硬件與微電子技術發(fā)展同步，采用了超大規(guī)模集成芯片：CPU可以是80486或PENTIUM系列處理器，帶64位RISC芯片等FANUC15／16／18系統(tǒng)②系統(tǒng)元器件采用了立體化、高密度的安裝方式（FANUC公司的專利技術），

除主板外，印刷電路板均按物理功能分成小模塊，根據(jù)用戶的要求和系統(tǒng)的規(guī)模，分別插在主板上，系統(tǒng)擴展容易，維修方便，體積?、跢15采用了模塊式多主總線（FANUCBUS）結構，多CPU控制系統(tǒng)：

主CPU采用了68020，還采用了一個子CPU，在PMC、軸控制、圖形控制、通信及自動編程中也都有各自的CPU④系統(tǒng)采用8.4in或9.5inTFT（Thin薄膜晶體管）彩色液晶顯示器⑤系統(tǒng)可配套α／αi系列數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，主軸控制可采用α／αi系列主軸驅動系統(tǒng)；⑥F15／16／18系列系統(tǒng)既可單機運行，也可通過Remotebuffer接口與個人計算機相連，由計算機控制加工，實現(xiàn)信息傳遞。通過I/Olink（串行口）接口還可以連接多種外圍設備。另外經(jīng)DNC1或DNC2接口，可與CellController或以太網(wǎng)連接，由上位機進行控制，實現(xiàn)車間的自動化。F16／18系統(tǒng)的總體結構圖CNCI/O單元強電回路傳感器/線圈電源變壓器電源主計算機伺服驅動主軸驅動主軸電動機伺服電動機操作面板接口機床操作面板MDI/CRT單元I/O接口I/O設備手輪

日本FANUC最新的高檔控制器，是當前配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。特點：1.最大控制系統(tǒng)為10個系統(tǒng)（通道）；2.最多軸數(shù)和最大主軸配置為40軸：

其中進給軸32軸，主軸為8軸；最大同時控制軸數(shù)為24軸/系統(tǒng)；3.最大PMC系統(tǒng)數(shù)為3個系統(tǒng)：

最大I/O點數(shù)為4096點/4096點，PMC基本指令速度為25ns。4.最大可預讀程序段為1000段。FANUC30i---MODELASINUMERIK3／8／810／820／850／805／840系列等。2、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)簡介SINUMERIK的CNC數(shù)控裝置主要有：

SIEMENS810／820是西門子公司20世紀80年代中期開發(fā)的CNC、PLC一體型控制系統(tǒng)，它適合于普通車、銑、磨床的控制，系統(tǒng)結構簡單、體積小、可靠性高，在80年代末、90年代初的數(shù)控機床廠上使用較廣。①810與820的區(qū)別僅在于顯示器：

810為9in單色顯示，系統(tǒng)電源為24V；820為12in單色或彩色顯示，系統(tǒng)電源為交流220V；其余硬件、軟件部分完全一致SIEMENS810／820系統(tǒng)②810／820最大可控制6軸（其中允許有2個作為主軸控制），3軸聯(lián)動③系統(tǒng)由電源、顯示器、CPU板、存儲器（MEM／EPROM／RAM）板、I/O板、接口板、顯示控制板、位控板、機箱等硬件組成。硬件采用了較多LSI（大規(guī)模集成電路）和專用集成電路④主CPU采用80186⑤PLC最大128點輸入／64點輸出，用戶程序容量12KB，PLC采用STEP5語言編程SIEMENS3系統(tǒng)是西門子公司80年代初期開發(fā)出來的中檔全功能數(shù)控系統(tǒng)，是西門子公司銷售量最大的系統(tǒng)，是20世紀80年代歐洲的典型系統(tǒng)。①采用模塊化結構，由CPU模塊，NC存儲器模塊，操作面板接口，NC－PC連接模塊，伺服測量回路Ⅰ、Ⅱ，PLC編程接口，邏輯模塊，擴展設備接口，PLC存儲器及各種I/O等17個模塊組成②3系統(tǒng)的機柜因配置、類別、型號的不同，可以分為單框架、單PLC雙框架、雙PLC雙框架結構SIEMENS3系統(tǒng)③采用INTEL8086CPU的輪廓軌跡控制CNC系統(tǒng)，系統(tǒng)可控制4軸，任意3軸聯(lián)動④PLC采用SIMATICS5的PLC130－B，輸入輸出點各512點⑤采用12in彩色顯示器或9in單色顯示器850／880是西門子80年代末期開發(fā)的機床及柔性制造系統(tǒng)，具有機器人功能。適合高功能復雜機床FMS、CIM的需要。是一種多CPU輪廓控制的CNC系統(tǒng)。①1986年西門子公司采用數(shù)控3系統(tǒng)電路板標準（230mm高），NC－PLC雙口RAM耦合方式，INTEL80186CPU芯片，生產(chǎn)出850系統(tǒng)，它的PLC還是沿用130WB或150U②1988年針對850系統(tǒng)的缺陷，又推出全80186的數(shù)控880GA1型系統(tǒng)，后推出主CPU采用80386的880GA2型系統(tǒng)SIEMENS850／880③850／880系統(tǒng)的基本結構：由操作面板、主機箱、機床控制面板3大部分組成。采用兩個機架支撐兩列中央控制器，中央控制器包括：

NC－CPU；SV－CPU（伺服CPU）；COM－CPU（通信CPU）；PLC－CPU及插入式擴展模塊。插入式擴展模塊有：

測量回路模塊；存儲器模塊；NC－CPU2～4；SV－CPU2～4；PLC輸入／輸出板及擴展單元和接口單元④面板帶有12英寸彩色顯示器、全功能鍵盤及兩個串口⑤用戶程序存儲器RAM容量為128KB，EPROM容量為128KB，用戶數(shù)據(jù)存儲器RANM容量為48KB，I/O點最大為1024，計時器256，計數(shù)器128個⑥采用SINNECHI總成連接方式的計算機聯(lián)網(wǎng)SIEMENS802系列系統(tǒng)包括：802S／Se／Sbaseline；802C／Ce／Cbaseline；802D等型號。它是西門子公司20世紀90年代末開發(fā)的集CNC、PLC于一體的經(jīng)濟型控制系統(tǒng)。近年來在國產(chǎn)經(jīng)濟型、普及型數(shù)控機床上有較大量的使用。802系列數(shù)控系統(tǒng)的共同特點是結構簡單、體積小、可靠性較高。SIEMENS802系列系統(tǒng)①802S、802C系列是西門子公司為簡易數(shù)控機床開發(fā)的經(jīng)濟型系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)的區(qū)別是：

802S系列采用步進電動機驅動；802C、802D系列通常采用SIEMENS611數(shù)字式交流伺服驅動系統(tǒng)②802S、802C系列系統(tǒng)的CNC結構完全相同。

可以進行3軸控制／3軸聯(lián)動；系統(tǒng)帶有±10V的主軸模擬量輸出接口，可以配具有模擬量輸入功能的主軸驅動系統(tǒng)（如變頻器）③802S、802C系列系統(tǒng)可以配OP020獨立操作面板與MCP機床操作面板；

顯示器為7in或5.7in單色液晶顯示器（802S，802C）；802D采用了10.4in彩色液晶顯示器④集成內(nèi)置式PLC最大可以控制64點輸入與64點輸出，PLC的I/O模塊與ECU間通過總線連接⑤802D與802S、80C有較大的不同，在功能上比802S／C系統(tǒng)有了改進與提高，

1）系統(tǒng)采用SIEMENSPCU210模塊；2）控制軸數(shù)為4軸／4軸聯(lián)動；3）可以通過611U伺服驅動器攜帶10V主軸模擬量輸出，以驅動帶模擬量輸入的主軸驅動系統(tǒng)。⑥802D除保留了SIEMENS傳統(tǒng)的編程功能外，增加了：1）PLC程序“梯形圖”顯示功能，方便維修；2）可以使用非SIEMENS代碼指令進行編程，系統(tǒng)的開放性更強。圖：840D硬件結構圖IM361S7擴展接口MMC100/MMC102人機對話操作面板編程器電機電機E/R電源模塊NCUCPU模塊進給主軸SIEMENS810D／840D系統(tǒng)SIEMENS810D／840D的系統(tǒng)結構相似，但在性能上有較大的差別：①810D采用SIEMENSCCU（CompactControlUnit）模塊，最大控制軸數(shù)為6軸②840D采用SIEMENSNCU（NumericalControlUnit）模塊。

處理器為PENTIUM（NCU573）或AMDK6（NCU572）或486（NCU571）系列；當采用NCU572或573時，CNC的存儲容量為1GB，最大控制軸數(shù)可達31軸，10通道同時工作；采用NCU571時，控制軸數(shù)為6軸，2通道同時工作。840D的NCK與PLC都集成在這個模塊上，它是840D的核心。③數(shù)控與驅動的接口信號是數(shù)字量的④系統(tǒng)由操作面板、機床控制面板、NCU（CCU）、MMC、611伺服驅動、I/O模塊等單元構成。⑤人機界面MMC，操作面板OP（包括10.4inTFT顯示器與NC鍵盤）、機床操作面板MCP，一般安裝在操縱臺上，它們與CCU（NCU）間通過PROFIBUS總線連接.⑥MMC事實上