数控系统概述

1、2.1 数控系统概述2.1.1 基本概念2.1.1、数控系统的基本概念 （1）数控(Numerical Control ) 数控是数字控制的简称，其含义如下： 广义：利用数字化信息并采用数字控制技术对生产过程进行控制 。 狭义：利用数字化信息并采用数字控制技术对机床运动轨迹和机床工作状态进行控制。 例如(lr)：数控车床、数控铣床、数控加工中心、数控线切割机床等等。 共三十六页 （2）数字控制系统（简称数控系统） 利用数字化信息并采用数字控制技术对生产过程进行自动控制的系统。 数字控制系统的一般工作过程如下。 首先，采用某种编程语言来描述一个生产过程（编写程序），并以数字形式送入数字控制装置；

2、 其次，通过数据计算和处理，数控装置快速识别出该程序所描述的生产过程，并将程序分解为一系列的实际控制信号； 最后，数控装置输出实际控制信号，使相应的执行部件(bjin)产生相应的动作。 可见，数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成的。共三十六页 （3）数控机床（Numerical Control Machine Tools） 数控系统与被控机床(jchung)本体的结合体称为数控机床。 根据机床本体的不同类型，数控机床也被分为相应的类型。例如数控车床、数控铣床、数控加工中心、数控线切割机床等等。 数控机床是典型的机电一体化产品。 共三十六页数控加工(ji gng)程序2.1.2、数控系

3、统的组成 数控系统的一般组成如下图所示，其中机床本体为被控(bi kn)对象。输入输出装置数控装置伺服系统机床电器控制装置机床本体共三十六页 （1）数控加工程序 数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的。我们将从外部输入的、描述了机床加工过程的程序称为数控加工程序。 数控加工程序记载了机床加工所需要的各种信息，包括： 轨迹信息：几何形状和几何尺寸； 工艺信息：进给速度、主轴转速、刀具号和补偿号等； 开关命令：主轴正反转、换刀、开/关切削液和装/卸工件等等； 数控加工程序被记录(jl)在各种信息载体上，主要有：穿孔纸带、磁带、磁盘和各种半导体存储器等。 （2）输入输出装置 输入装置将

4、数控加工程序和其他数字信息输入给数控装置；输出装置输出或显示数控装置的内部信息。 常见的输入输出装置：纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘和显示器、通信接口等。共三十六页 （3）数控装置 数控装置是数控系统的核心。其主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，并对解释结果进行数据计算和逻辑处理，从而(cng r)将数控加工程序分解为一系列的实际控制信号，使系统中相应的执行部件执行相应的动作。 数控装置有两种形式： 1）硬件数控装置（NC装置）：由数字逻辑硬件电路构成，其数控功能由硬件逻辑电路实现。 2）计算机数控装置（CNC装置）：由计算机构成，其数控功能由硬件和软件来共同实现。 数控装置将数控加工程序转

5、换为两类控制信号： 1）伺服控制量：送往伺服驱动装置，产生插补运动； 2）开关控制量：送往机床电器逻辑控制装置，产生开关动作。 共三十六页 （4）伺服系统（伺服驱动装置） 伺服系统位于数控装置和机床本体之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。 进给轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的位置(wi zhi)控制命令和速度控制命令，驱动机床工作台进行坐标运动。 主轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的速度控制命令驱动机床主轴以指定的转速旋转。 （5）机床电器控制装置 机床电器控制装置位于数控装置和机床本体之间。其重要功能为： 接收数控装置发出的开关命令，完成机床主轴的选速、起停和方向控制，换刀装置

6、的换刀控制，工件装夹系统的装/卸控制，冷却、液压、气动、润滑系统的逻辑控制以及机床的其他辅助功能。 机床电器控制装置的具体形式有两种：一是继电器控制装置；二是可编程逻辑控制器。共三十六页 （6）机床本体 根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床(xchung)、钻床、镗床、磨床、加工中心以及电加工机床等等。 （7）辅助装置 数控机床配置有各种辅助装置，以配合机床的零件加工。 传统的机床辅助装置：切削液处理装置、气动液动装置等等。 数控机床特有的辅助装置：对刀仪、自动编程器、自动排屑器、物料储运及上下料装置等等。共三十六页 当数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该数控系统就称为计算机

7、数控系统。计算机数控系统由硬件和软件来共同完成数控功能，其基本(jbn)组成如下图所示。信息(xnx)载体输入装置CNC装置主轴控制单元可编程控制器（PLC）主轴电机编程器通信线路CAD/CAM系统上位机输出装置机床进给电机位置检测器速度控制单元共三十六页 现代计算机数控系统具有如下特点： 除了读取信息载体，还可以通过其他方式获得数控加工程序。 例如：通过键盘方式输入和编辑数控加工程序；通过通信方式输入自动编程器、CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。 可以实现(shxin)硬件数控装置难以完成的诸多功能。 例如：图形模拟显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制算法和补偿算法的实现，通信和

8、网络功能等等。 取代了传统的继电器控制线路，采用可编程控制器来实现数控机床的逻辑控制。 PLC可位于数控装置之外，称为独立型PLC；也可以与数控装置合为一体，称为内装型PLC。共三十六页2.1.3机床数控系统的工作(gngzu)过程1.数据输入2.译码3.预处理1）刀具补充偿2）进给速度(sd)处理3）坐标变换4.插补5.位置控制6.输入/输出处理7.显示共三十六页数控机床(sh kn j chun)工作流程共三十六页 2.1.4、数控系统的分类(fn li) 1.按数控机床运动轨迹分类 （1）点位数控系统 机床运动部件从一点准确移动到另一点（定位运动），在移动过程中不进行加工，因此对两点间的

9、移动速度和运动轨迹没有控制要求。 例如：数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。 （2）直线数控系统 机床运动部件从一点准确移动到另一点，在移动过程中进行加工，因此对两点间的移动速度和运动轨迹有控制要求。该系统的运动轨迹一般为平行于某坐标轴的直线。例如：简易数控车床。共三十六页 （3）轮廓数控系统 同时对两个或两个以上进给轴的位移和速度进行相关控制，从而合成出平面或空间运动轨迹的系统。例如(lr)：数控车床、数控铣床、加工中心等等。 能够同时控制的进给轴数称为联动轴数。2 轴联动(lin dn)的轮廓加工共三十六页3 轴联动的轮廓(lnku)加工4 轴联动的轮廓(lnku)加工共三十六页5 轴联动

10、(lin dn)的轮廓加工共三十六页 2.按数控伺服系统分类 1）开环数控系统 无位置检测反馈回路的控制系统。其特点为： 无位置检测反馈回路； 以步进电机或电液脉冲马达为驱动部件。 优点：控制简单，调试维修方便，价格低廉。 缺点：控制精度低，运动(yndng)速度低，驱动力矩小。 应用：精度不高的经济型数控机床或普通机床的数控改造2）闭环数控系统共三十六页 （1）全闭环数控系统 带有位置检测反馈回路、位置检测装置直接(zhji)安装在机床移动部件上的控制系统。特点： 以直流电机或交流电机为驱动部件； 可以自动补偿电气控制误差和机械传动链的机械传动误差。 优点：控制精度高，运动速度高，驱动力矩大

11、。 缺点：控制复杂，稳定性不好，调试维修困难，价格昂贵 。 应用：高精度数控机床。共三十六页 （2）半闭环数控系统 带有位置检测反馈回路、位置检测装置安装在电动机轴端的控制系统。 特点： 以直流电机或交流电机为驱动部件； 可自动补偿电气控制误差，但不能自动补偿机械传动链的机械传动误差。 该系统的控制精度、稳定性、调试维修的复杂性和价格都介于(ji y)开环系统和全闭环系统之间，系统运动速度高，驱动力矩大。 当今被广泛应用于数控机床中。共三十六页3.按数控系统功能水平(shupng)分类1）经济型数控系统开环控制(kngzh)，步进电机驱动，进给分辩率为10m,快速进给速度10m/min2）全功

12、能型数控系统 进给分辩率为1m,快速进给速度10-20m/min3）高档型数控系统进给分辩率为0.1m,快速进给速度100m/min共三十六页2.1.5数控系统的发展趋势1.开放式数控系统基于PC的开放式数控系统2.自适应(shyng)控制系统能利用敏感元件与测量装置，使切削过程按预定的目标进行共三十六页第三节 直接(zhji)数字控制（DNC）3. 计算机群控系统（DNC）计算机群控系统间接型直接型计算机控制（Direct Numerical Control/ Distributed Numerical Control ，简称DNC）又称为分布式数字控制，是用一台或几台计算机直接控制若干台数

13、控机床的系统控制方法，又称为群控。其零部件加工程序或机床(jchung)程序存放在公用的存储器中，计算机按照约定及请求，向这些机床(jchung)分送程序和数据，并能收集、显示或编辑与控制过程有关的数据。22共三十六页第三节 直接(zhji)数字控制（DNC）2）DNC结构和DNC通讯结构研究DNC结构是指DNC主机与数控系统的接口形式(xngsh)，而DNC通讯结构则指DNC主机与数控系统的通讯拓朴结构。常见的DNC结构形式有如下几种：接口配置为穿孔机输入接口接口配置为纸带阅读机输入接口接口配置为RS232C接口接口配置为DNC接口。接口配置为网络接口接口配置为进行直接数控的计算机23共三十

14、六页第三节 直接(zhji)数字控制（DNC）常见(chn jin)的DNC通讯结构形式有如下几种：点到点式现场总线式局域网式24共三十六页第三节 直接(zhji)数字控制（DNC）3） DNC通讯(tngxn)技术的研究25DNC主机与数控系统的通讯采用最多的是串行通讯，物理接口最常见的是RS232C串行通讯接口。DNC主机与上层控制计算机的通讯以前主要是串行通讯，随着网络技术的发展，现在主要采用的是计算机局域网技术。这部分的技术发展与网络技术的发展密切相关，主要有以太网（Ethernet）和MAP3.0等。共三十六页第三节 直接(zhji)数字控制（DNC）4.）DNC应用系统研究目前国外

15、典型的DNC系统主要有美国Automation Intelligence 公司NumeridexCAM分部的SHOPNET DNC系统、美国波音公司军机分部配置的Cimlinics的DNC系统、日本FANUC公司的DNC1和DNC2系统。国内于20世纪70年代开始在DNC方面(fngmin)进行研究，有一定影响的单位是北京机床研究所、清华大学、重庆大学、南京航空航天大学、中科院自动化研究所等。26共三十六页4.柔性制造系统（FMS）第二节柔性制造系统（FMS）1）柔性制造(zhzo)单元（FMC）柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称FMS)是由数控加工

16、设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。柔性制造单元FMC的结构(jigu)形式根据不同的加工对象、CNC机床的类型与数量以及工件更换与存储方式的不同，可以多种多样，目前主要有托盘搬运式和机器人搬运式两大类型。共三十六页（1）托盘搬运(bnyn)式以北京精密机床厂生产的FMC1型为例，如图所示。它由卧式加工中心、环形交换工作台、托盘以及托盘交换装置组成。第二节柔性制造系统（FMS）28共三十六页（2）机器人搬运(bnyn)式第二节柔性制造系统（FMS）29如图所示为日本日立精机的一种FMC。它由一台加工中心、一台车削中心、一个机器人以及两台回转工作台组成。机器人移动（如图中箭

17、头所示）为两台机床(jchung)服务。每台机床(jchung)各用一台交换工作台作为输送与缓冲存储。共三十六页(A)FMS的组成FMS主要由加工子系统、物料储运子系统、运行控制子系统、刀具子系统和质量监测及监控子系统五个子系统组成。加工子系统又称加工单元(dnyun)或制造单元(dnyun)物料储运子系统又称物流系统或称材料仓库与搬运系统运行控制子系统刀具子系统质量检测及监控子系统2）柔性制造系统（FMS）第二节柔性制造系统（FMS）30共三十六页(B) FMS的特点提高了中、小批量零件制造(zhzo)的生产率；缩短了新产品试制的准备时间；减少了工厂的库存零件；节约了生产劳动成本；提高了产品

18、质量；改善了制造厂的工作条件；保证了操作人员的安全。第二节柔性制造系统（FMS）31共三十六页第四节 计算机集成(j chn)制造系统(CIMS)5. 计算机集成(j chn)制造系统(CIMS)CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的缩写，译为计算机集成制造。CIMS是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理科学的基础上，将制造工厂的全部生产和经营活动所需的各种分布的自动化子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。321）什么是CIM和CIMS共三十六页第四节 计算机集成制造(zhzo)系统(C