数控系统的基本知识及常见数控系统 PPT课件

长沙理工大学 数控系统的基本知识 1 主要内容 一 数控技术的发展二 数控系统的组成三 数控系统的分类四 常见数控系统1 FANUC数控系统2 SIEMENS数控系统3 华中数控系统 2 一 数控技术的发展 1 1946年世界上诞生了第一台电子计算机 2 第一台计算机诞生6年后 即在1952年 计算机技术应用到了机床上 1952在美国诞生了第一台数控机床 从此 传统的机床产生了质的变化 华中数控 3 第一台数控机床诞生至今五十年以来 数控机床的核心 数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展 1 数控 NC 阶段2 计算机数控 CNC 阶段 华中数控 4 数控 NC 阶段 1952 1970年 早期的计算机运算速度低 这对当时的科学计算和数据处理影响不大 但它不能适应机床实时控制的要求 人们不得不采用数字逻辑电路 搭成机床专用计算机作为数控系统 被称为硬件连接数控 HARD WIREDNC 简称为数控 NC 随着电子元器件的发展 这个阶段又历经三代 1952年的第一代 电子管计算机组成的数控系统 1959年的第二代 晶体管计算机组成的数控系统 1965年的第三代 小规模的集成电路计算机组成的数控系统 华中数控 5 计算机数控 CNC 阶段 这一阶段从1970年开始至今 1970年研制成功大规模集成电路 并将其用于通用小型计算机 此时的小型计算机 其运算速度比五 六十年代的计算机有了大幅度的提高 比专门搭成的专用计算机成本低 可靠性高 于是 小型计算机被用作数控系统的核心部件 从此进入了计算机数控 CNC 阶段 计算机数控阶段也经历了三代 1970年第四代 小型计算机数控系统 1974年第五代 微处理器组成的数控系统1990年第六代 基于PC的数控系统 华中数控 6 数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展 只是发展到了第五代以后 才从根本上解决了数控系统可靠性低 价格极为昂贵 应用很不方便等极为关键的问题 因此即使在工业发达国家 数控机床大规模地得到应用和普及也是在上世纪的七十年代末 八十年代初以后的事情 也就是说数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用 华中数控 7 现代数控技术发展趋势 1高速 高精加工2数控系统具有多轴控制 多轴联动和复合加工的控制功能3数控系统开放化 智能化和网络化 华中数控 8 二 数控系统的组成 数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 它是数控技术的典型应用 数控系统是实现数字控制的装置 计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统 计算机数控系统的组成如图所示 计算机数控系统组成框图 华中数控 9 1 计算机数控装置 CNC装置 华中数控 10 2 数控装置的辅助部件 软驱单元软驱单元提供3 5 软盘驱动器 RS232接口 PC键盘接口 以太网接口 需要通过转接线与HNC 21数控装置连接使用 华中数控 11 手持单元手持单元提供急停按钮 使能按钮 工作指示灯 坐标选择 OFF X Y Z 4 倍率选择 X1 X10 X100 及手摇脉冲发生器 华中数控 12 3 伺服单元 伺服单元分为 主轴伺服进给伺服分别用来控制主轴电动机和进给电动机 伺服单元接收来自CNC装置的进给指令 这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度 方向 位移 华中数控 13 4 驱动装置 驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动 它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节 它们有的带动工作台 有的带动刀具 通过几个轴的综合联动 使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动 加工出形状 尺寸与精度符合要求的零件 华中数控 14 5 可编程逻辑控制器 PLC PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作 没有轨迹上的具体要求 它接受CNC装置的控制代码M 辅助功能 S 主轴转速 T 选刀 换刀 等顺序动作信息 对其进行译码 转换成对应的控制信号 控制辅助装置完成机床相应的开关动作 如工件的装夹 刀具的更换 冷却液的开 关等一些辅助动作 它还接受机床操作面板的指令 一方面直接控制机床的动作 另一方面将一部分指令送往CNC装置 用于加工过程的控制 华中数控 15 6 机床本体 机床本体即数控机床的机械部件 包括 主运动部件 给进运动执行部件 工作台 拖板及其传动部件 支承部件 床身立柱等 辅助装置 具有冷却 润滑 转位和夹紧等功能的装置 加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库 交换刀具的机械手等部件 数控机床机械部件的组成与普通机床相似 但是由于数控机床的高速度 高精度 大切削用量和连续加工要求 其机械部件在精度 刚度 抗震性等方面要求更高 因此 近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性 减小热变形 提高精度等方面的措施 华中数控 16 三 数控系统的分类 1 按机床的运动轨迹分类1 点位控制数控系统2 直线切削数控系统3 连续切削数控系统 华中数控 17 2 按进给伺服系统的类型分类1 开环数控系统 华中数控 18 2 半闭环数控系统 华中数控 19 3 全闭环数控系统 华中数控 20 3 按数控系统功能水平分类 1 经济型数控系统又称简易数控系统2 普及型又称全功能数控系统3 高档型数控系统 华中数控 21 高 中 低 经济型 数控 1 分辨率和进给速度分辨率 高0 5 m中1 m低10 m进给速度 高大于30m min中15 30m min低8 15m min 2 伺服系统 高 闭环半闭环 交流伺服电机 中 闭环半闭环 交流伺服电机 低开环 步进电机 22 3 联动轴数 高 3 5轴以上 中 3 5轴以上 低2 3轴 4 通讯功能 高RS232串口 DNC通讯 网络接口中RS232串口 DNC通讯 网络接口低无通信功能 5 显示功能 高LCD TFT液晶彩显中LCD TFT液晶彩显低CRT单显 23 1 硬件式数控机床 即NC机床 这类数控机床数控装置的通用性较差 因其全部由硬件组成 所以功能和灵活性也较差 2 软件式数控机床 即CNC机床 这类数控机床数控装置的主要功能几乎可全由软件来实现 对不同的数控机床只需编制不同的软件就可以实现 而且硬件几乎可以通用 这为降低生产成本 保证产品质量 缩短生产周期等提供了条件 所以现代数控机床都采用CNC装置控制 4 按数控装置类型分类 华中数控 24 1 金属切削类机床 如数控车床 数控铣床 加工中心 数控钻床 数控磨床 数控镗床等 2 金属成型类机床 如数控折弯机 数控弯管机 数控回转头压力机等 3 数控特种加工机床 如数控线切割机床 数控电火花加工机床 数控激光切割机床等 4 其他类型的数控机床 如火焰切割机 数控三坐标测量机等 5 按加工方式分类 华中数控 25 1 FANUC公司创建于1956年 2 1959年首先推出电液步进电机 3 70年代 一方面从Gettes公司引进直流伺服电机制造技术 一方面与西门子合作 学习其先进的硬件技术 4 1976年成功开发出5系统 后与西门子联合开发出7系统 从这时 FANUC成为世界上最大的专业数控生产厂家 四 常用数控系统简介 1 FANUC数控系统简介 26 1 F0 2 F10 F11 F12 F15 F16 F18 3 F00 F100 110 120 150 F00 F100 110 120 150系列是在F0 10 11 12 15的基础上加了MMC功能 即CNC PMC MMC三位一体的CNC FANUC公司目前生产的CNC装置 27 结构上长期采用大板结构 但在新的产品中已采用模块化结构采用专用LSI 以提高集成度 可靠性 减少体积和降低成本产品应用范围广 每一CNC装置上可配多种控制软件 适用于多种机床不断采用新工艺 新技术 如表面安装技术SMT 多层印刷电路板 光导纤维电缆等CNC装置体积减少 采用面板装配式 内装式PMC 可编程机床控制器 产品特点 28 FS6是FANUC早期代表性产品之一 在70年代末与80年代初期的数控机床得到了广泛应用 FS6与西门子6系统结构基本相同 除伺服电动机 PLC采用西门子公司产品外 其余部分完全相同 硬件采用大板结构 上面插有电源模块 存储器板等小板 CPU采用8086 该CNC系列为多微处理器控制系统 其主CPU PMC及图形显示的CPU均为8086 FANUC6系统 1979年 29 伺服驱动系统采用FANUC直流驱动系统 通过脉冲编码器进行位置检测 构成半闭环位置控制系统 系统一般带有独立安装的电气柜 电气柜内安装了系统的主要部件 如CNC装置 伺服驱动 输入单元 电源单元 主轴驱动系统采用FANUC交流主轴驱动装置 该单元为分开安装式 一般安装在强电柜内 30 系统软件为固定式专用软件我国80年代进口的数控机床 均大量配套采用FS6系统 直到目前仍然有较多配套FS6的机床在使用中 这些设备大多进入故障多发期 因此 它是数控机床维修中的常见系统之一 F3简化版 经济型 另注 Fs6 F9强化版 1980年 31 F11系列是FANUC公司20世纪80年代初期开发并得到广泛应用的FANUC代表性产品之一 在80年代进口的高档数控机床上广为采用 因此 它亦是维修中的常见系统之一 同系列的产品有F10 11 12三种基本规格 F11的硬件仍然采用大板结构 主板 主CPU为68000 它也是一种多微处理器控制系统 硬件尽量采用专用大规模集成电路及厚膜电路 22块 元件减少30 F11系列 1984年 32 CNC系统和操作面板 I O单元之间采用光缆连接 减少了信号线 抗干扰能力提高 F11系统既可以带独立安装的电柜 也可进行分离式安装 伺服驱动与主轴驱动一般采用FANUC模拟式交流伺服驱动系统 系统软件可固定式专用软件 最大可以控制5轴 并实现全部控制轴的联动 33 F0系列是20世纪80年代中后期开发的产品 是中国市场上销售量最大的一种系统 F0C系列 F0D系列 产品目标是体积小 价格低 其中F0 MC TC是其代表性产品 F0 MD和F0 TD为F0 MA和F0 TA的简化版 经济型 硬件结构采用了传统的结构方式 即在主板上插有存储器板 I O板 轴控制模块以及电源单元 其主板较其他系列主板要小得多 因此 在结构上显得较紧凑 体积小 F0系统 1985年 34 F0系列为多微处理器CNC系统 F0A系列主CPU为80186 F0B系列的主CPU为80286 F0C系列的主CPU为80386 内置可编程控制器 PLC 的CPU为8086 F0可以配套使用FANUCS系列 系列 C系列 系列等数字式交流伺服驱动系统 无漂移影响 可以实现高速 高精控制 采用了高性能的固定软件与菜单操作的软功能面板 可以进行简单的人机对话式编程 35 具有多种自诊断功能 以便于维修 F0i系统采用总线技术 增加了网络功能 并采用了 闪存 FLASHROM 系统可以通过Remotebuffer接口与PC相连 由PC机控制加工 实现信息传递 系统间也可以通过I OLink总线进行相连 F0Mate是F0系列的派生产品 与F0相比是结构更为紧凑的经济型CNC装置 36 F15 16 18 16i 18i系列系统有 F 15 16 18 F 15i 16i 18i FS 150 160 180 F160i 180i 该系列系统是专门为工厂自动化设计的数控系统 是目前国际上工艺与性能最先进的数控系统之一 在美国 日本 欧洲的制造业中已普遍使用 系统的硬件与微电子技术发展同步 采用了超大规模集成芯片 CPU可以是80486或PENTIUM系列处理器 带64位RISC芯片等 FANUC15 16 18系统 37 系统元器件采用了立体化 高密度的安装方式 FANUC公司的专利技术 除主板外 印刷电路板均按物理功能分成小模块 根据用户的要求和系统的规模 分别插在主板上 系统扩展容易 维修方便 体积小 F15采用了模块式多主总线 FANUCBUS 结构 多CPU控制系统 主CPU采用了68020 还采用了一个子CPU 在PMC 轴控制 图形控制 通信及自动编程中也都有各自的CPU 系统采用8 4in或9 5inTFT ThinFileTransistor薄膜晶体管 彩色液晶显示器 38 系统可配套 i系列数字式交流伺服系统 主轴控制可采用 i系列主轴驱动系统 F15 16 18系列系统既可单机运行 也可通过Remotebuffer接口与个人计算机相连 由计算机控制加工 实现信息传递 通过I Olink 串行口 接口还可以连接多种外围设备 另外经DNC1或DNC2接口 可与CellController或以太网连接 由上位机进行控制 实现车间的自动化 39 F16 18系统的总体结构图 40 日本FANUC最新的高档控制器 是当前配置最高的数控系统 特点 1 最大控制系统为10个系统 通道 2 最多轴数和最大主轴配置为40轴 其中进给轴32轴 主轴为8轴 最大同时控制轴数为24轴 系统 3 最大PMC系统数为3个系统 最大I O点数为4096点 4096点 PMC基本指令速度为25ns 4 最大可预读程序段为1000段 FANUC30i MODELA 41 SINUMERIK3 8 810 820 850 805 840系列等 2 SIEMENS数控系统简介 SINUMERIK的CNC数控装置主要有 42 SIEMENS810 820是西门子公司20世纪80年代中期开发的CNC PLC一体型控制系统 它适合于普通车 铣 磨床的控制 系统结构简单 体积小 可靠性高 在80年代末 90年代初的数控机床厂上使用较广 810与820的区别仅在于显示器 810为9in单色显示 系统电源为24V 820为12in单色或彩色显示 系统电源为交流220V 其余硬件 软件部分完全一致 SIEMENS810 820系统 43 810 820最大可控制6轴 其中允许有2个作为主轴控制 3轴联动 系统由电源 显示器 CPU板 存储器 MEM EPROM RAM 板 I O板 接口板 显示控制板 位控板 机箱等硬件组成 硬件采用了较多LSI 大规模集成电路 和专用集成电路 主CPU采用80186 PLC最大128点输入 64点输出 用户程序容量12KB PLC采用STEP5语言编程 44 SIEMENS3系统是西门子公司80年代初期开发出来的中档全功能数控系统 是西门子公司销售量最大的系统 是20世纪80年代欧洲的典型系统 采用模块化结构 由CPU模块 NC存储器模块 操作面板接口 NC PC连接模块 伺服测量回路 PLC编程接口 逻辑模块 扩展设备接口 PLC存储器及各种I O等17个模块组成 3系统的机柜因配置 类别 型号的不同 可以分为单框架 单PLC双框架 双PLC双框架结构 SIEMENS3系统 45 采用INTEL8086CPU的轮廓轨迹控制CNC系统 系统可控制4轴 任意3轴联动 PLC采用SIMATICS5的PLC130 B 输入输出点各512点 采用12in彩色显示器或9in单色显示器 46 850 880是西门子80年代末期开发的机床及柔性制造系统 具有机器人功能 适合高功能复杂机床FMS CIM的需要 是一种多CPU轮廓控制的CNC系统 1986年西门子公司采用数控3系统电路板标准 230mm高 NC PLC双口RAM耦合方式 INTEL80186CPU芯片 生产出850系统 它的PLC还是沿用130WB或150U 1988年针对850系统的缺陷 又推出全80186的数控880GA1型系统 后推出主CPU采用80386的880GA2型系统 SIEMENS850 880 47 850 880系统的基本结构 由操作面板 主机箱 机床控制面板3大部分组成 采用两个机架支撑两列中央控制器 中央控制器包括 NC CPU SV CPU 伺服CPU COM CPU 通信CPU PLC CPU及插入式扩展模块 插入式扩展模块有 测量回路模块 存储器模块 NC CPU2 4 SV CPU2 4 PLC输入 输出板及扩展单元和接口单元 48 面板带有12英寸彩色显示器 全功能键盘及两个串口 用户程序存储器RAM容量为128KB EPROM容量为128KB 用户数据存储器RANM容量为48KB I O点最大为1024 计时器256 计数器128个 采用SINNECHI总成连接方式的计算机联网 49 SIEMENS802系列系统包括 802S Se Sbaseline 802C Ce Cbaseline 802D等型号 它是西门子公司20世纪90年代末开发的集CNC PLC于一体的经济型控制系统 近年来在国产经济型 普及型数控机床上有较大量的使用 802系列数控系统的共同特点是结构简单 体积小 可靠性较高 SIEMENS802系列系统 50 802S 802C系列是西门子公司为简易数控机床开发的经济型系统 两种系统的区别是 802S系列采用步进电动机驱动 802C 802D系列通常采用SIEMENS611数字式交流伺服驱动系统 802S 802C系列系统的CNC结构完全相同 可以进行3轴控制 3轴联动 系统带有 10V的主轴模拟量输出接口 可以配具有模拟量输入功能的主轴驱动系统 如变频器 51 802S 802C系列系统可以配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板 显示器为7in或5 7in单色液晶显示器 802S 802C 802D采用了10 4in彩色液晶显示器 集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出 PLC的I O模块与ECU间通过总线连接 52 802D与802S 80C有较大的不同 在功能上比802S C系统有了改进与提高 1 系统采用SIEMENSPCU210模块 2 控制轴数为4轴 4轴联动 3 可以通过611U伺服驱动器携带10V主轴模拟量输出 以驱动带模拟量输入的主轴驱动系统 802D除保留了SIEMENS传统的编程功能外 增加了 1 PLC程序 梯形图 显示功能 方便维修 2 可以使用非SIEMENS代码指令进行编程 系统的开放性更强 53 图 840D硬件结构图 SIEMENS810D 840D系统 54 SIEMENS810D 840D的系统结构相似 但在性能上有较大的差别 810D采用SIEMENSCCU CompactControlUnit 模块 最大控制轴数为6轴 840D采用SIEMENSNCU NumericalControlUnit 模块 处理器为PENTIUM NCU573 或AMDK6 NCU572 或486 NCU571 系列 当采用NCU572或573时 CNC的存储容量为1GB 最大控制轴数可达31轴 10通道同时工作 采用NCU571时 控制轴数为6轴 2通道同时工作 840D的NCK与PLC都集成在这个模块上 它是840D的核心 55 数控与驱动的接口信号是数字量的 系统由操作面板 机床控制面板 NCU CCU MMC 611伺服驱动 I O模块等单元构成 56 人机界面MMC 操作面板OP 包括10 4inTFT显示器与NC键盘 机床操作面板MCP 一般安装在操纵台上 它们与CCU NCU 间通过PROF