数控系统结构

1、数控系统结构本章提要：本章提要： 本章主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、工作本章主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、工作过程、分类及功能；介绍数控机床的机械构造，主传动过程、分类及功能；介绍数控机床的机械构造，主传动系统、进给传动系统，介绍开、闭环进给伺服系统、步系统、进给传动系统，介绍开、闭环进给伺服系统、步进电机、交、直流伺服电机，常见的自动换刀装置和其进电机、交、直流伺服电机，常见的自动换刀装置和其它辅助装置；简单介绍数控车床、铣床常见的刀具和典它辅助装置；简单介绍数控车床、铣床常见的刀具和典型的工件夹具。型的工件夹具。2.1 2.1 数控系统的组成及工作过程数控系统的组成及工

2、作过程2.1.1 2.1.1 数控系统的组成数控系统的组成 数控系统是数控机床的核心部分，是整个数控机床的运算数控系统是数控机床的核心部分，是整个数控机床的运算中心和控制中心，其性能的好坏直接决定了数控机床的整体性中心和控制中心，其性能的好坏直接决定了数控机床的整体性能能, ,数控系统由硬件部分和软件部分组成数控系统由硬件部分和软件部分组成: : 1.1.数控系统的硬件组成数控系统的硬件组成： 数控系统的硬件包括微机基本系统、人机对话界面接口、通信接数控系统的硬件包括微机基本系统、人机对话界面接口、通信接口、进给轴控制接口、主轴控制接口以及辅助控制接口等口、进给轴控制接口、主轴控制接口以及辅助

3、控制接口等 。微机基本系统微机基本系统 通常微机基本系统是由通常微机基本系统是由CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口、定时器、中断接口、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。控制器等几个主要部分组成。人机界面接口人机界面接口 数控系统的人机界面包括以下四部分：数控系统的人机界面包括以下四部分： 键盘键盘(MDl)(MDl)：用于加工程序的编制以及参数的输入等。：用于加工程序的编制以及参数的输入等。显示器显示器(CRT)(CRT)：用于显示程序、数据以及加工信息等。：用于显示程序、数据以及加工信息等。 操作面板：用于对机床进行操作。操作面板：用于对机床进行操作。 手摇脉冲发生器手摇脉冲

4、发生器(MPG)(MPG)：通过手摇控制机床运动。：通过手摇控制机床运动。 华中数控系统操作面板华中数控系统操作面板广州数控系统操作面板广州数控系统操作面板手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器通信接口通信接口 通常数控系统均具有标准的通常数控系统均具有标准的RS232CRS232C串行通信接口，串行通信接口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。因此与外设以及上级计算机连接很方便。进给轴控制接口进给轴控制接口 实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：进给速进给速度控制度控制、插补运算插补运算和和位置闭环控制位置闭环控制。插补方法分为基。插补方法分为基准脉冲法与数据采样

5、法。基准脉冲法就是数控系统系统准脉冲法与数据采样法。基准脉冲法就是数控系统系统每次插补的结果以脉冲的形式提供给位置控制单元，这每次插补的结果以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法进给速度与控制精度较低，主要应用于开环种插补方法进给速度与控制精度较低，主要应用于开环数控系统。数控系统。主轴控制接口主轴控制接口 主轴主轴S S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需用

6、用MSTMST接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速。主轴的位置反馈代数控机床多采用分段无级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。速监控等。 MSTMST控制接口控制接口 数控系统的数控系统的MSTMST功能是通过开关量输入输出接口完成功能是通过开关量输入输出接口完成( (除除S S模拟量输出外模拟量输出外) )。数控系统所要执行的。数控系统所要执行的MSTMST功能，通过开功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电侧的信号则通过开关量输出

7、接口送至强电箱，而机床与强电侧的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。因为关量输入接口送至数控系统。因为MSTMST功能的开关量控制逻功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中大量采用辑关系复杂，在数控机床中大量采用PLCPLC可编程控制器来实可编程控制器来实现现MSTMST功能。功能。 2.2.数控系统的软件组成数控系统的软件组成 数控系统系统软件是为实现数控系统系统各项功能数控系统系统软件是为实现数控系统系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件。所编制的专用软件，也叫控制软件。 一般由输入一般由输入数据处理程序数据处理程序、插补运算程序插补运算程序、速度控速度控制程序制程序、管理程序管理

8、程序和和诊断程序诊断程序等组成。等组成。输入数据处理程序输入数据处理程序 它接收它接收输入输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行和数据进行译码译码、数据处理数据处理，并按规定的格式存放，并按规定的格式存放。 插补计算程序插补计算程序 数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲，这个过程称为坐标轴发出进给脉冲，这个过程称为插补运算插补运算。进给脉冲。进给脉冲通过伺服系

9、统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。程序规定的加工任务。 速度控制程序速度控制程序 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。管理程序管理程序 管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还

10、要对面板工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。 诊断程序诊断程序 诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（系统各主要部件（CPUCPU、存储器、接口、开关、伺服系统、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。2.1.2 2.1.2 数控系统的工作过程数

11、控系统的工作过程 一个零件程序的执行首先要输入数控系统中，经过译一个零件程序的执行首先要输入数控系统中，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行数控系码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行数控系统输出的指令以驱动机床完成加工。统输出的指令以驱动机床完成加工。 1.1.输入输入 零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC DNC 接口、网络接口、网络等多种形式。等多种形式。 2.2.译码译码 不论系统工作在不论系统工作在MDIMDI方式还是存储器

12、方式，都是将零件程序方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息( (如如起点、终点、直线或圆弧等起点、终点、直线或圆弧等) )、加工速度信息、加工速度信息(F (F 代码代码) )和其他辅和其他辅助信息助信息(M(M、S S、T T代码等代码等) )按照一定的语法规则解释成计算机能按照一定的语法规则解释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单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，专用单元。在译码过程中，还要完成对

13、程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。若发现语法错误便立即报警。3.3.刀具补偿刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常数控系统刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常数控系统装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的数控系统装置中，刀具轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的数控系统装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的谓的数控系统刀具补偿数控系统刀具补偿。 4.4.

14、进给速度处理进给速度处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。动坐标的分速度。 5.5.插补插补 插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“ 数据点的密数据点的密化化 ”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插据指令进给速度计算出一个微小的直线

15、数据段。通常，经过若干次插补周期后补周期后 ，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的点的“数据点密化数据点密化”工作。工作。 6.6.位置控制位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，理论位置与实际反馈位置相比较， 用其差值去控制伺服电动机。用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐

16、标方向的螺在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。 7.I/0 7.I/0 处理处理 I/O I/O 处理主要处理数控系统装置面板开关信号，机床电气信号的处理主要处理数控系统装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制输入、输出和控制( (如换刀、换挡、冷却等如换刀、换挡、冷却等) )。 8.8.显示显示 数控系统系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置数控系统系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有有CRTCRT显示器或显示器或LCDLCD数码显示器，一般位于机床的控制

17、面板上。通数码显示器，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、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。报警信息显示等。 9.9.诊断诊断 对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。断和脱机诊断。 2.2 2.2 数控系统的分类、性能指标及功能数控系统的分类、性能指标及功能 2.2.1 2.2.1 数控系统的分类数控系统的分类 就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界的就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界的各种数控系统大致可分

18、为以下四种类型各种数控系统大致可分为以下四种类型: :1.1.传统专用型数控系统传统专用型数控系统 这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠。很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高；系统功能的扩充以及更新生产厂家，系统维护费用较高；系统功

19、能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；大量市售廉价完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。2.PC2.PC嵌入嵌入NCNC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有

20、经济能力去购买。力去购买。3.NC3.NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与PCPC机构成，具有很强的运动控制和机构成，具有很强的运动控制和PLCPLC控制能力。开放性能比较好，控制能力。开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满

21、足大多数的数控机床生产厂家的需要。且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。 4.4.全软件型的开放式数控系统全软件型的开放式数控系统 这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能控功能( (包括插补、位置控制等包括插补、位置控制等) )全部都是由计算机软件来实现的。全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。因而最有生命力。 2.2.2 2.2.2 数控系统的功能数控系统的功能1.1.控

22、制轴数与联动轴数控制轴数与联动轴数 数控系统装置能控制的轴数以及能同时控制数控系统装置能控制的轴数以及能同时控制( (即联动即联动) )的轴数的轴数是其主要性能之一。控制轴数说明数控系统最多可以控制多少坐标是其主要性能之一。控制轴数说明数控系统最多可以控制多少坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。轴，其中包括移动轴和回转轴。 2.2.准备功能准备功能 准备功能也称为准备功能也称为G G功能，用来指令机床动作方式，包括基功能，用来指令机床动作方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等。点返回、固定循

23、环、公英制转换等。3.3.插补功能插补功能 插补功能是指数控机床能够实现的线型能力，如直线、圆弧、插补功能是指数控机床能够实现的线型能力，如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。机床插补功能越强，说明能够加工螺旋线、抛物线、正弦曲线等。机床插补功能越强，说明能够加工的轮廓种类越多。的轮廓种类越多。4.4.进给功能进给功能 进给功能包括快速进给进给功能包括快速进给( (空行程空行程) )、切削进给、手动连续进给、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给率修调点动进给、进给率修调( (倍率开关倍率开关) )、自动加减速功能等。、自动加减速功能等。5.5.主轴功能主轴功能 主轴功能可实现恒转速、恒线

24、速、定向停止及转速修调主轴功能可实现恒转速、恒线速、定向停止及转速修调( (倍率开倍率开关关) )。恒线速即主轴自动变速，使刀具对工件切削点的线速度保持不。恒线速即主轴自动变速，使刀具对工件切削点的线速度保持不变。主轴定向停止及其周向准确定位。变。主轴定向停止及其周向准确定位。6.6.刀具功能刀具功能 刀具的自动选择和自刀具功能是指动换刀。刀具的自动选择和自刀具功能是指动换刀。 7.7.刀具补偿刀具补偿 刀具补偿包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿。半径补偿为刀具补偿包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿。半径补偿为车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿；长度补偿为铣床、加工中心沿加车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿；长度补偿为铣床、加工中心沿加工深度方向对刀具长度变化的补偿工深度方向对刀具长度变化的补偿。8.8.机械误差补偿机械误差补偿 机械误差补偿是指系统可自动补偿机械传动部件因间隙产生的机械误差补偿是指系统可自动补偿机械传动部件因间隙产生的误差。误差。9.9.操作功能操作功能 数控机床通常有单程序段的执行和跳段执行、试运行，图形模拟、数控机床通常有单程序段的执行和跳段执行、试运行，图形模拟、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件操作功能。机械锁住、暂停和急停等功能，有