第一章 数控系统概述

1、LOGO,数控系统及仿真技术,李宗学,第一章,数控系统概述,第一章,数控系统概述,数控系统的基本概念及特点,1,数控系统的组成,2,数控系统的工作过程,3,数控系统的分类,4,数控系统的功能,5,数控系统的发展方向,6,开放式数控系统,7,第一章,数控系统概述,1.1,数控系统的基本概念及特点,数字控制（,Numerical Control,）技术，是一种借助数字或数字代码对某,一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动控制技术，简,称,NC,技术。其控制对象一般是位移、角度、速度等机械量，也可以是压力、,流量、温度等物理量。,采用数控技术的系统成为数控系统（,NC system,

2、），它是一种程序控制,系统，它能逻辑的处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并,加工出零件。,第一章,数控系统概述,1.1,数控系统的基本概念及特点,数控技术,给机械制造业带来了革命性的变化,现代数控技术,成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础,技术,数控机床,是发展现代机械制造技术必需的基础设备,数控技术水平,的高低，数控机床拥有量的多少是,衡量一个国家工业现代化水平的重,要标志,第一章,数控系统概述,1.1,数控系统的基本概念及特点,易于实现机电一体化,灵活性和通用性,数控功能丰富,可靠性高,使用维护方便,第一章,数控系统概述,1.2,数控系统的组成,数控系统,机,床,本

3、,体,辅,助,装,置,程,序,输入,设备,输出,设备,数,控,装,置,（,CNC,）,主轴伺,服单元,进给伺,服单元,主轴,电机,进给,电机,强电控,制装置,检测,装置,PLC,第一章,数控系统概述,1.2,数控系统的组成,CNC,装置的组成,计算机主板,显示卡,多功能卡,电子盘,I/O,设备,系,统,总,线,PLC,模块,位置控制板,1,位置控制板,n,功能模板,1,功能模板,m,控制面板,机床,I/O,主轴控制模块,速度控制单元,1,速度控制单元,n,功能驱动,1,功能驱动,n,显示器,第一章,数控系统概述,1.,输入输出设备：键盘、纸带、磁带、磁盘、显示器、打印机。是,数控系统和操作者交

4、流的人机界面。,数控系统的组成,2.,数控装置：数控机床的核心，本质是一台专用计算机，它接收,输入的加工程序或操作信号并进行运算处理，发出相应的控制信号,对机床加工过程进行控制。主要功能：多坐标控制、运算插补、程,序输入编辑修改、故障自诊断、加工过程补偿、信息转换、工作方,式选择、辅助功能控制、显示功能、通信网络等。,3.,伺服系统：接收数控装置的速度、位置指令，通过,电机驱动机,床主轴、进给机构运动，完成零部件加工。包括伺服控制电路、放,大电路、伺服电机。,第一章,数控系统概述,数控系统的组成,4.,测量反馈装置：通过检测为数控系统提供机床运动部件的速度、,位移信号，以供数控装置进行位置速度

5、比较控制（闭环伺服控,制）,磁栅、光栅等。,5,、机床本体：机床的机械结构部分，与普通机床相比数控机床机,械部件有它特殊结构特点，主要表现在主轴、床身结构、导轨、刀,架、传动机构、附加装置等。,第一章,数控系统概述,1.3,数控系统的工作过程,刀具偏置,I/O,处理,将工件轮廓的轨迹转换成,CNC,系统认定的轨迹,加工程序,将标准代码翻译成,CNC,系统,能识别的代码形式,译码,运动轨迹计算,插补,刀具长度补偿,速度计算,第一章,数控系统概述,1.3,数控系统的工作过程,1.,输入,输入,CNC,控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般,在机床出厂时或在用户安装调试时已

6、经设定好，所以输入,CNC,系统的主要是零件加工程,序和刀具补偿数据。输入方式有,纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机,DNC,通讯,输入,等。,CNC,输入工作方式有存储方式和,NC,方式。存储方式是将整个零件程序一次全部,输入到,CNC,内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。,NC,方式是,CNC,一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的,内容。,2.,译码,译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，,主要包括零件的轮廓信息（起点、,终点、直线或圆弧等）、,X,、,Y,、,Z,等坐标值、进给速度、主轴转速、,G,代码、,M,代码、

7、刀,具号以及子程序处理和循环调用处理等数据信息按一定的语法规则解释（编译）成计算,机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中,还要进行语法检查，发现错误立即报警。,第一章,数控系统概述,1.3,数控系统的工作过程,3.,刀具补偿,刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，,编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输,入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成,刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。,刀具补偿包括,B,功能和,C,功能刀具补偿。在较高档次的,CN

8、C,中一般应用,C,功能刀具补,偿，,C,功能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。,4.,插补运算,数控装置对于刀具运动轨迹的控制是通过,短直线逼近拟合成轮廓曲线的,，轮廓描述,只给出曲线的类型、起点、终点。,中间点的位置计算由计算机计算后密化插入,。,5.,进给速度处理,数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速,度，即,F,代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度,分解成各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量做准备；另外,对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。有的数控机床的,CNC,软

9、件的自动加,速和减速也放在这里。,第一章,数控系统概述,1.3,数控系统的工作过程,6.,位置控制、机床加工,数控装置计算出的位置后向控制系统发出指令，控制进给电机工件或工作台产生的,运动，通过刀具切削形成轮廓。同时，检测装置对运动过程检测，将信号反馈给数控,装置进行比较，形成差值，用差值信号对运动过程精确控制。,8.,显示,CNC,系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有,CRT,显示器或,LCD,数码显示,器，一般位于机床的控制面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、,机床状态显示、报警信息显示等。有的,CNC,装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟,加工图形显示。,7

10、. I/O,处理,CNC,的,I/O,处理是,CNC,与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床,运动过程中的有关参数输入到,CNC,中；另一方面是将,CNC,的输出命令（如换刀、主轴变,速换档、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。,数控机床的坐标系,?,1,、数控机床坐标系的定义,根据图,1.5,所示，标准机床坐标系中,X,、,Y,、,Z,坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角,坐标系决定：伸出右手的大拇指、食指和中,指，并互为,90o,。则大拇指代表,X,坐标轴，,食指代表,Y,坐标轴，中指代表,Z,坐标轴。其,中，大拇指的指向为,X,坐标的正方向，食指,的指向为,

11、Y,坐标的正方向，中指的指向为,Z,坐标的正方向。,根据,图,1,.7,所示,的数控车床结构图，确定,X,、,Z,直线坐标如下,（请按图中按钮观察机床运动,的方向）：,2,、数控车床坐标轴方向的确定,（,1,）,Z,坐标：平行于主轴，刀具离开工件的,方向为正。,（,2,）,X,坐标：工件做旋转运动，则刀具离开,工件的方向为,X,坐标的正方向。,（,3,）,Y,坐标：在,Z,、,X,坐标确定后，用右手,直角坐标系来确定。,3,、数控铣床坐标轴方向的确定,根据,图,1.8,所示,的数控立式铣床结构图，试确定,X,、,Y,、,Z,直,线坐标。,（,1,）,Z,坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正

12、。,（,2,）,X,坐标：,Z,坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立,柱方向看，向右为正。,（,3,）,Y,坐标：在,Z,、,X,坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。,（请,点击,观察机床运动的方向）,（,1,）准备工作：机床回参考点，确认机床坐标系；,（,2,）装夹工件毛坯：通过夹具使零件定位，并使工件定位基准面,与机床运动方向一致；,（,3,）对刀测量：使用直径为10的标准测量棒、塞尺对刀。,（,4,）计算设定值：将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。,（,5,）在,机床上设定：将开关放在,MDI,方式下，进入加工坐标系,设定页面输入数据。,（,6,）校对设定值：对于初学者，在进行

13、了加工原点的设定后，应,进一步校对设定值，以保证参数的正确性。,4,、加工坐标系的,设置方法,：,5,、预置寄存指令,G92,预置寄存指令是按照程序规定的尺寸字值，通过当前刀具,所在位置来设定加工坐标系的原点。这一指令不产生机床运动。,编程格式：,G92 X,Y,Z,试用,G92,指令建立图,1.21,所示的加工坐标系：,当前的刀具位置点在,A,点时：,G92 X10 Y12,当前的刀具位置点在,B,点时：,G92 X30 Y37,注意：这种方式设置的加工原点是随刀具当前位置（起始位置）,的变化而变化的。,6,、直线插补指令,直线插补指令用于产生按指定进给速度,F,实,现的空间直线运动。,程序

14、格式,：,G01 X,Y,Z,F,例：实现右图所示从,A,点到,B,点的直线插,补运动,其程序段为：,绝对方式编程,G90 G01 X10 Y10 F100,增量方式编程,G91 G01 X-10 Y-20 F100,7,、圆弧插补指令,G02,为按指定进给速度的顺时针,圆弧插补。,G03,为按指定进给速度,的逆时针圆弧插补。,圆弧顺逆方向的判别：沿着不在,圆弧平面内的坐标轴，由正方向向,负方向看，顺时针方向为,G02,，逆,时针方向为,G03,，如下图所示。,XY,平面圆弧插补指令程序格式,：,G17 G02 X,Y,I,J,(R,) F,或,G17 G03 X,Y,I,J,(R,) F,其

15、中：,X,、,Y,的值是指圆弧插补的终点坐标值；,I,、,J,是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与,G90,G91,无关；,R,为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角,180,o,时,，,R,值为正，,当圆弧的圆心角,180,0,时，,R,值为负。,程序格式：,ZX,平面圆弧插补指令程序格式,：,G18 G02 X,Z,I,K,(R,) F,G18 G03 X,Z,I,K,(R,) F,其中：,X,、,Z,的值是指圆弧插补的终点坐标值；,I,、,K,是指圆弧起点到圆心的增量坐标，,与,G90,G91,无关；,R,为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角,180,o,时，,R,值为正，,当圆弧的圆心角,180,0,时

16、，,R,值为负。,YZ,平面圆弧插补指令程序格式,：,G19 G02 Z,Y,J,K,(R,) F,G19 G03 Z,Y,J,K,(R,) F,其中：,Y,、,Z,的值是指圆弧插补的终点坐标值；,J,、,K,是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与,G90,G91,无关；,R,为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角,180,o,时，,R,值为正，,当圆弧的圆心角,180,0,时，,R,值为负。,圆弧插补指令的应用,例：,在右图中，当圆弧,A,的起点为,P,1,，终点为,P,2,，圆弧插补程序段为,G02 X321.65 Y280 I40 J140 F50,或：,G02 X321.65 Y280 R-145.

17、6,F50,当圆弧,A,的起点为,P,2,，终点为,P,1,时，圆弧,插补程序段为,G03 X160 Y60 I-121.65 J-80 F50,或：,G03 X160 Y60 R-145.6 F50,8,、刀具半径补偿指令,a,、左偏刀具半径补偿,b,、右偏刀具半径补偿,c,、工作过程,d,、过切,在零件轮廓铣削加工时，由于刀,具半径尺寸影响，刀具的中心轨迹与,零件轮廓往往不一致。为了避免计算,刀具中心轨迹，直接按零件图样上的,轮廓尺寸编程，数控系统提供了刀具,半径补偿功能。刀具半径补偿的使用,见右图，半径补偿所涉及的问题有：,a,、左偏刀具半径补偿,G41,为左偏刀具半径补偿，定义为假设工

18、件不动，沿,刀具运动方向向前看，刀具在零件左侧的刀具半径补偿，,见右图。,b,、右偏刀具半径补偿,G42,为右偏刀具半径补偿，定义为假设工,件不动，沿刀具运动方向向前看，刀具在零件右,侧的刀具半径补偿，见右图。,c,、工作过程,刀具半径补偿建立时，一般是直线且为空行程，以防过切,。以,G42,为例，图,1.31,表示建立刀具半径补偿的过程。,图,1.32,表示的刀具半径补偿的工作过程。,刀具半径补偿结束用,G40,撤销，撤销时同样要防止过切，,图,1.33,表示撤消刀具半径补偿的过程。,上述各图中，实线表示编程轨迹；点划线表示刀具中心轨,迹；,r,等于刀具半径，表示偏移向量。,建立刀具半径补偿

19、的过程,刀具半径补偿的过程,撤消刀具半径补偿的过程,d,、过切,通常过切有以下两种情况：,（,1,）刀具半径大于所加工工件内轮廓转角时产生的过切，如左图所示,。,（,2,）刀具直径大于所加工沟槽时产生的过切，如右图所示。,第一章,数控系统概述,?,特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。,?,切削加工类：如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮,加工机床、,FMC,等。,?,其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。,1.4,数控系统的分类,1.,按加工方式分类：,?,成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等,。,第一章,数控系统概述,2.,按刀具与工件的相对运动轨迹分类

20、：,?,点位控制（,Point to Point Control,）或位置控制,（,Positioning Control,）,数控机床,1.4,数控系统的分类,第一章,数控系统概述,?,轮廓控制（,Contouring Control,）数控机床,2.,按刀具与工件见相对运动轨迹分类：,1.4,数控系统的分类,第一章,数控系统概述,1.4,数控系统的分类,开环进给伺服系统,闭环进给伺服系统,半闭环进给伺服系统,CNC,伺服驱动电路（系统）,机械传动及执行部件,位置控,制电路,电流反馈,伺服驱动装置,D.C或,A.C,速,度,反,馈,位,置,反,馈,半闭环伺服驱动装置,速度倥制电路,置,装,测

21、,检,置,位,CNC,伺服驱动电路,伺服驱动装置,伺服,驱动,电路,步进,电机,指令脉冲,机械传动及执行部件,Z,2,Z,1,t, ,x,开环进给伺服系统,位置检测装置,CNC,伺服驱动电路（系统）,机械传动及执行部件,位置控,制电路,电流反馈,伺服驱动装置,D.C或,A.C,速,度,反,馈,位,置,反,馈,闭环伺服驱动装置,速度倥制电路,按,有,无,反,馈,分,3.,按伺服系统的控制方式分类,第一章,数控系统概述,4.,按功能水平分类：,1.4,数控系统的分类,经,济,型,普,及,型,高级型,CPU,8,位,12,个,16,位,32,位,联动轴数,3,5,5,分辨率,0.0050.01,1,

22、um,1um,进给速度,68m/min,24m/min,24m/min,伺服驱动,开,环,，,步,进,式,交流,/,直流,半,闭,/,全闭,数字化交流,/,直流，全闭,显示,LCD,，,LED,CRT,，字符,/,图形,CRT,，图形,通信,RS232,简,单,通信,RS232DNC,通信接口,高,性,能,通,信,接口，联网,第一章,数控系统概述,1.5,数控系统的功能,?,控制功能,?,准备功能（,G,功能）,?,插补功能和固定循环功能,?,进给功能,?,主轴功能,数控系统的主轴的控制功能,?,辅助功能（,M,功能）,?,刀具管理功能,?,补偿功能,?,人机对话功能,?,自诊断功能,?,通讯

23、功能,第一章,数控系统概述,1.6,数控系统的发展方向,?,加工高精化,?,运行高速化,?,功能复合化,?,控制智能化,?,交互网络化,?,体系开放化,第一章,数控系统概述,第一章,作业：,p11 3,和,5,Company Logo,Contents,Click to add Title,1,Click to add Title,2,Click to add Title,3,Click to add Title,4,Company Logo,Hot Tip,?,How do I incorporate my logo to,a slide that will apply to all the

24、,other slides?,?,On the,View,menu, point to,Master,and then click,Slide Master,or,Notes,Master.,Change images to the one you,like, then it will apply to all the other slides.,Company Logo,Diagram,ThemeGallery,is a Design Digital,Content & Contents,mall developed by,Guild Design Inc.,Title,Add your t

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