數(shù)控系統(tǒng)概述

數(shù)控原理與系統(tǒng)NumericalControlPrinciple&System宿遷學(xué)院機電系數(shù)控教研室主講：唐友亮

第一章數(shù)控系統(tǒng)概述本章主要內(nèi)容：（1）簡單介紹數(shù)控機床的基本概念、結(jié)構(gòu)組成、分類方法、特點、發(fā)展過程；

（2）著重講述計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理、內(nèi)部信息的處理過程及其各種功能；（3）簡單介紹數(shù)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)之間的關(guān)系；《數(shù)控原理與系統(tǒng)》多媒體課件Introductionof

NumericalControlSystem

第一章數(shù)控系統(tǒng)概述目錄第一節(jié)基本概念第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)第三節(jié)數(shù)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)思考題與習(xí)題

一、數(shù)控系統(tǒng)的基本概念

1.數(shù)控

—數(shù)字控制的簡稱

2.數(shù)控系統(tǒng)

—用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)

3.數(shù)控機床

—數(shù)控系統(tǒng)與機床本體的結(jié)合體

第一節(jié)基本概念

數(shù)控機床普通機床第一節(jié)基本概念

第一節(jié)基本概念圖數(shù)控機床物理結(jié)構(gòu)輸入/輸出裝置數(shù)控裝置驅(qū)動控制裝置機床電器邏輯控制裝置機床

二、數(shù)控系統(tǒng)的組成1.數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、機床電器邏輯控制裝置四部組成，機床本體為被控對象。第一節(jié)基本概念

（1）輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置

是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行交互裝置。紙帶閱讀機紙帶穿孔機磁盤驅(qū)動器光盤驅(qū)動器顯示器鍵盤第一節(jié)基本概念

（2）數(shù)控裝置輸入/輸出裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它的主要功能是：正確識別和解釋數(shù)控加工程序，對解釋結(jié)果進行各種數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷處理后，將各種控制信息按兩類控制量分別輸出：一類是連續(xù)控制量，送往驅(qū)動控制裝置；另一類是離散的開關(guān)控制量，送往機床電器邏輯控制裝置?？刂茩C床各組成部分按規(guī)定要求動作。

數(shù)控裝置形式可以是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置，稱作硬件數(shù)控裝置(NC裝置)，其數(shù)控功能由硬件邏輯電路實現(xiàn)；也可以是計算機數(shù)控裝置(CNC裝置)，其數(shù)控功能由硬件和軟件共同完成。

第一節(jié)基本概念

（3）驅(qū)動裝置驅(qū)動控制裝置位于數(shù)控裝置和機床之間，包括進給軸伺服驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置。

主軸驅(qū)動裝置主要由速度控制單元控制。進給軸伺服驅(qū)動裝置由位置控制單元、速度控制單元、電動機和測量反饋節(jié)元等部分組成，它按照數(shù)控裝置發(fā)出的位置控制命令和速度控制命令正確驅(qū)動機床受控部件。電動機可以是步進電動機、直流伺服電動機或交流伺服電動機。第一節(jié)基本概念

（4）機床電器邏輯控制裝置輸入/輸出裝置數(shù)控裝置驅(qū)動控制裝置機床電器邏輯控制裝置機床

機床電器邏輯控制裝置也位于數(shù)控裝置和機床之間，接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，主要完成機床主軸選速、起停和方向控制功能，換刀功能，工件裝夾功能，冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制功能及其他機床輔助功能。其形式可以是繼電器控制線路或可編程序控制器(PLC)。

第一節(jié)基本概念

程序清單信息載體編程器CAD/CAM系統(tǒng)上位機程序清單通信線路輸出裝置計算機數(shù)字控制裝置（CNC）可編程控制器(PLC)主軸控制單元速度控制單元主軸電機機床進給電機位置檢測器2.計算機數(shù)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)稱為CNC?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置。第一節(jié)基本概念3.數(shù)控系統(tǒng)實例：Fanuc0i-C數(shù)控系統(tǒng)電源模塊主軸模塊伺服模塊圖中：數(shù)控裝置（背面）正面：顯示器、鍵盤機床I/O模塊第一節(jié)基本概念

Fanuc0i-C數(shù)控系統(tǒng)主要部件第一節(jié)基本概念Fanuc0i-C數(shù)控系統(tǒng)的部件連接第一節(jié)基本概念三、數(shù)控系統(tǒng)中的有關(guān)約定1、數(shù)控加工程序結(jié)構(gòu)和程序段格式N__G__X__Y__Z__F__S__T__M__LF*程序結(jié)構(gòu)程序名

---O600程序段

---N001G90G01X200Y300F15S32T01M03LF---…………..LF----N003…………….LF程序結(jié)束----N__M02LF*程序段格式2、數(shù)控加工程序采用的編碼ISO或者EIA第一節(jié)基本概念3、數(shù)控機床坐標系數(shù)控機床坐標軸及其方向的規(guī)定ISO標準坐標：“右手直角笛卡爾坐標系”第一節(jié)基本概念數(shù)控機床坐標和運動方向的有關(guān)規(guī)定Z軸：平行于主軸的直線，工件固定時遠離工件的方向為正。X軸：水平方向，平行于工件裝夾面Y軸：右手笛卡爾坐標系確定A、B、C：對應(yīng)于X、Y、Z，右旋螺紋前進方向確定坐標軸坐標軸

4、機床原點的設(shè)置

機床原點是指在機床上設(shè)置的一個固定點，即機床坐標系的原點。它在機床裝配、調(diào)試時就已確定下來，是數(shù)控機床進行加工運動的基準參考點。*數(shù)控車床的機床原點和數(shù)控銑床的機床原點在數(shù)控車床上，機床原點一般取在卡盤端面與主軸中心線的交點處。同時，通過設(shè)置參數(shù)的方法，也可將機床原點設(shè)定在X、Z坐標的正方向極限位置上。

第一節(jié)基本概念

5、機床參考點

機床參考點是用于對機床運動進行檢測和控制的固定位置點。機床參考點的位置是由機床制造廠家在每個進給軸上用限位開關(guān)精確調(diào)整好的，坐標值已輸入數(shù)控系統(tǒng)中。因此參考點對機床原點的坐標是一個已知數(shù)。通常在數(shù)控銑床上機床原點和機床參考點是重合的；而在數(shù)控車床上機床參考點是離機床原點最遠的極限點。下圖為數(shù)控車床的參考點與機床原點。

第一節(jié)基本概念

6.編程坐標系（工件坐標系）編程坐標系是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標系。編程坐標系一般供編程使用，為了編程方便，一律假定工件不動，刀具移動所設(shè)定的笛卡爾坐標。確定編程坐標系時不必考慮工件毛坯在機床上的實際裝夾位置。如下圖所示，其中O2即為編程坐標系原點。第一節(jié)基本概念

第一節(jié)基本概念7.編程坐標系與機床坐標系建立聯(lián)系的方法

通過對刀操作使工件坐標系與機床坐標系之間建立對應(yīng)關(guān)系。對刀操作之前必須回參考點以建立機床坐標系！第一節(jié)基本概念四、數(shù)控系統(tǒng)的分類

（一）按運動軌跡控制方式分類

（二）按伺服系統(tǒng)分類數(shù)控機床規(guī)格品種繁多，分類的方法較多，一般按照以下方法分類：（四）按加工工藝方法分類（三）按數(shù)控機床功能水平分類

（一）按運動軌跡控制方式分類

1.點位控制(PointtoPointControl)：點位控制嚴格控制點到點之間的距離，而與所走的路徑無關(guān)。第一節(jié)基本概念

2.（點位）直線控制

直線控制機床主要有簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜床等。第一節(jié)基本概念

3.輪廓控制(ContouringControl)：

輪廓控制機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。第一節(jié)基本概念五軸聯(lián)動

（二）按伺服系統(tǒng)分類

1.開環(huán)控制數(shù)控機床指令脈沖步進驅(qū)動器

工作臺步進電動機第一節(jié)基本概念2.半閉環(huán)控制數(shù)控機床指令值位置比較電路速度控制電路伺服電機工作臺第一節(jié)基本概念3.全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)指令值位置比較電路速度控制電路伺服電機速度反饋位置反饋AC工作臺第一節(jié)基本概念

（三）按數(shù)控機床功能水平分類第一節(jié)基本概念

（四）按加工工藝方法分類第一節(jié)基本概念

五、數(shù)控機床的特點及適用范圍1、數(shù)控機床的優(yōu)點：2、數(shù)控機床的缺點：第一節(jié)基本概念

3、數(shù)控機床適用范圍：

1、小批量而又輪番生產(chǎn)的零件；

2、幾何形狀復(fù)雜的零件；

3、需進行多種工序加工的零件；4、切削余量大的零件；

5、加工精度高的零件；

6、工藝設(shè)計會經(jīng)常變化的零件；

7、貴重零件；

8、需全部檢測的零件。第一節(jié)基本概念

六、數(shù)控機床的發(fā)展過程

第一節(jié)基本概念1、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生1948年：麻省理工學(xué)院&帕森斯公司研制1952年：世界第一臺三坐標數(shù)控銑床誕生1955年：投入實用階段

注：該數(shù)控機床是在1946年計算機問世的前提下誕生的，數(shù)控系統(tǒng)由電子管構(gòu)成且為硬線數(shù)控系統(tǒng)。

第一節(jié)基本概念2、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過程從NC發(fā)展到CNCMC（加工中心）的發(fā)展DNC（直接數(shù)字控制）的發(fā)展FMC（柔性制造單元）的發(fā)展FMS（柔性制造系統(tǒng)）的發(fā)展CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的發(fā)展IMS（智能制造系統(tǒng)）的發(fā)展

第一節(jié)基本概念“六五”（1981~1985年）引進國外技術(shù)“七五”（1986~1990年）消化吸收“八五”（1991~1995年）科技攻關(guān)“九五”（1996~2000年）產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)3、我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展1958年：開始進行數(shù)控機床研制（JCS-018）富

有

成

效

的

研

制

四

階

段

第一節(jié)基本概念所取得的成果（達到當時世界先進水平）

“華中Ⅰ型”數(shù)控系統(tǒng)（華中科技大學(xué)）“中華Ⅰ型”數(shù)控系統(tǒng)（珠峰數(shù)控公司）“藍天Ⅰ型”數(shù)控系統(tǒng)“航天Ⅰ型”數(shù)控系統(tǒng)4、數(shù)控技術(shù)的重要地位

“夕陽工業(yè)”學(xué)說汽

車

工

業(yè)

案例“東芝事件”案例

數(shù)

控

技

術(shù)

在

我

國

的

定

位：21世紀振興我國機械行業(yè)的重要技術(shù)

夕陽工業(yè)論美國自然資源豐富,交通運輸發(fā)達,科技力量雄厚,發(fā)展工業(yè)具有許多優(yōu)勢.美國是世界上的工業(yè)大國.目前,美國主要工業(yè)產(chǎn)品,如石油、電子產(chǎn)品、化工產(chǎn)品、汽車、飛機等的產(chǎn)量居世界前列。信息技術(shù)、宇航技術(shù)、生物工程技術(shù)、核能利用等的研制與開發(fā)，均居世界領(lǐng)先地位。

20世紀80年代以來，美國傳統(tǒng)制造業(yè)面臨新興工業(yè)國家的激烈競爭，呈衰落狀態(tài)，被稱為“夕陽工業(yè)”。美國在一段相當長時間內(nèi)忽視了制造技術(shù)的發(fā)展，結(jié)果導(dǎo)致經(jīng)濟衰退，競爭力下降，出現(xiàn)在家電、汽車等行業(yè)不敵日本的局面。

汽

車

工

業(yè)

例1983年美日兩國汽車產(chǎn)量在世界市場所占份額1963年

東芝事件1987年5月27日，日本警視廳逮捕了日本東芝機械公司鑄造部部長林隆二和機床事業(yè)部部長谷村弘明。東芝機械公司曾與挪威康士堡公司合謀，非法向前蘇聯(lián)出口大型銑床等高技術(shù)產(chǎn)品，林隆二和谷村弘明被指控在這起高科技走私案中負有直接責任。此案引起國際輿論一片嘩然，這就是冷戰(zhàn)期間對西方國家安全危害最大的軍用敏感高科技走私案件之一———東芝事件。

東芝事件——看看數(shù)控機床最風(fēng)光的年代

克格勃從日本成功走私了一批高科技產(chǎn)品，大大降低了潛艇噪音，使美國海軍難以追蹤。“東芝事件”氣壞美國朝野?。v史一頁）

5、數(shù)控機床的發(fā)展方向第一節(jié)基本概念

一、數(shù)控系統(tǒng)的主要工作過程

軌跡插補、位置控制程序輸入-加工信息預(yù)處理-開關(guān)量控制狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)輸入內(nèi)部外部程序編輯器磁盤、計算機通信數(shù)控加工程序譯碼幾何、工藝數(shù)據(jù)開關(guān)量控制PLC刀具交換、切削液開關(guān)等插補同步調(diào)節(jié)器反饋位置處理M:電動機W:位置傳感器給定量：X第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)二、CNC系統(tǒng)硬件構(gòu)成顯示器數(shù)控面板機床操作面板數(shù)控裝置微處理機領(lǐng)域的發(fā)展支持數(shù)控的發(fā)展，考慮數(shù)控機床的功能、自動化程度和加工精度，微機數(shù)控系統(tǒng)在硬件上有多種構(gòu)成方式。例如，一個典型的中等性能（普及型）微機數(shù)控系統(tǒng)，可控制4個主軸、最多9個運動軸和相應(yīng)的測量反饋環(huán)，其硬件構(gòu)成有：

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)三、面板結(jié)構(gòu)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)組成管理軟件程序的輸入輸出顯示通信

控制軟件譯碼刀具補償速度處理插補運算位置控制等四、CNC系統(tǒng)軟件構(gòu)成

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)五、信息流處理過程1、輸入

把零件程序及有關(guān)參數(shù)經(jīng)緩沖器存儲到存儲器

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)2、譯碼：進行代碼的識別、功能代碼的解譯①代碼識別是指將讀入代碼按內(nèi)部碼地址的不同進行處理②功能處理是指將代碼識別的結(jié)果按功能再分類，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的功能程序3、診斷：

對數(shù)控程序的語法進行檢查、自動檢查系統(tǒng)的故障，并指出故障發(fā)生的部位。

4、刀補償計算:刀具長度補償、刀具半徑補償

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)6、插補處理：作用是對加工軌跡的細化。早期：全部由硬件來完成，由硬件來實施完成速度及位置的分配?，F(xiàn)在：軟件插補+硬件插補由軟件完成粗插補，將整個軌跡分成幾個大段，再由硬件執(zhí)行各段的細化。5、速度處理：進給速度計算、加/減速控制

目的是控制脈沖分配的速度，與插補計算方法有關(guān)；速度突變時，自動進行加減速控制。

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)7、位置控制：

位置控制的主要任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差

值去控制進給電機。還要完成位置回路增益調(diào)整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償。

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)六、數(shù)控系統(tǒng)的核心功能1）準備功能（G功能orG指令）

用于建立機床的加工機能，分為模態(tài)代碼和非模態(tài)代碼2）進給功能（F功能）

表示進給速度，屬于模態(tài)代碼。在G01、G02、G03和循環(huán)指令程序段中，必須要有F指令，或者在這些程序段之前已經(jīng)寫入了F指令。進給功能用地址符F和其后1至5位數(shù)字表示，通常（F×××）表示。單位一般為mm/min，當進給速度與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)時（如車削螺紋），單位為mm/r。

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

3）輔助功能M（M功能）

PLC完成的M功能是很廣泛的。根據(jù)不同的M代碼，可控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，主軸齒輪箱的變速，切削液的開、關(guān)，卡盤的夾緊和松開，以及自動換刀裝置，機械手取刀和歸刀等運動。輔助功能通常用M00～M99的指令指定。CNC裝置送出M代碼進入PLC，經(jīng)PLC的譯碼處理后，輸出對應(yīng)的開關(guān)量0或1來控制相應(yīng)動作的開/關(guān)和啟/停。

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

4）主軸功能S

以往主軸轉(zhuǎn)速用2位代碼指定，而現(xiàn)在在PLC中可較容易地用4位或5位代碼直接指定轉(zhuǎn)速（單位為r/min）。CNC裝置送出S代碼進入PLC，經(jīng)過PLC內(nèi)的D／A變換和限位控制后，輸出±10V模擬電壓給主軸電動機伺服系統(tǒng)。如果S用二位代碼編程(S00～S99)，則在D/A變換前還應(yīng)經(jīng)過譯碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，00～99轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。為了提高主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，增大轉(zhuǎn)矩，調(diào)整轉(zhuǎn)速范圍，還可增加1～2級機械變速擋。主軸換擋一般通過PLC的M代碼功能來實現(xiàn)。

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

5）刀具功能T

PLC控制對加工中心自動換刀的管理帶來了很大的方便。自動換刀控制方式有固定存取換刀方式和隨機存取換刀方式，它們分別采用刀套編碼制和刀具編碼制。對于刀套編碼的T功能處理過程是：CNC裝置送出T代碼進入PLC，PLC經(jīng)過譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的新刀號在數(shù)據(jù)表中的地址，并與現(xiàn)行刀號進行判別比較，如不符合，則將刀庫回轉(zhuǎn)指令發(fā)送給刀庫控制系統(tǒng)，直到刀庫定位到新刀號位置時，刀庫停止回轉(zhuǎn)，并準備換刀。

七、數(shù)控系統(tǒng)的可選功能第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)1）編程功能

2）加工模擬功能

3）監(jiān)測和診斷功能

4）測量和校正功能

5）用戶界面功能

6）通信功能7）單元功能

八、數(shù)控系統(tǒng)的先進功能1）半徑編程

2）倒角功能

3）刀尖圓弧半徑補償

4）刀具壽命管理

5）鏡像加工功能

6）自動交換工作臺7）靠模加工與數(shù)據(jù)采集功能

8）恒線速度切削功能

9）動力刀具與c軸功能

10）子程序與用戶宏程序功能

11）循環(huán)加工功能

12）跳步功能

13）自動工件檢測功能14）螺紋加工中的特殊功能

第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)

15）同步軸控制功能

16）先進伺服控制功能

17）逆動功能

18）比例縮放與坐標旋轉(zhuǎn)功能

九、其他功能第二節(jié)計算機數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)計功能、加工程序的管理功能等

第三節(jié)數(shù)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)一、現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)綜述現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的主要是指機械制造自動化系統(tǒng)。目前，人們已經(jīng)研制出多種機械制造自動化系統(tǒng)，不同的機械制造自動化系統(tǒng)使用的場合不同。

第三節(jié)數(shù)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)1、少品種、大批量的加工：一般采用剛性生產(chǎn)線2、多品種、小批量的加工：一般采用數(shù)控機床加工3、品種不是很多、中等批量的加工，一般采用下述生產(chǎn)方案：柔性生產(chǎn)線是把多臺可以調(diào)整的機床(多為專用機床)聯(lián)結(jié)起來，配以自動運送裝置組成的生產(chǎn)線。

A、柔性生產(chǎn)線

第三節(jié)數(shù)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)柔性制造單元由一臺或數(shù)臺數(shù)控機床或加工中心構(gòu)