数控原理与系统工业中心

1、数控原理与系统工业中心贾茜2013.2第1次授课：讲授内容补充内容：课程性质、目的与要求第一章 数控系统概述 第一节 基本概念第1次授课：课程性质、目的与要求课程性质： 专业课程、56学时、3.5学分 数控原理与系统A是机械设计制造及其自动化专业（数控加工与维修方向）的一门专业限选课。该课程的教学目的在于使学生掌握机床数控系统的工作过程、刀具补偿计算、轮廓轨迹插补原理、进给轴和主轴控制方案的制定和实现方法，了解数控系统的硬、软件结构以及各组成部分现实的功能。第1次授课：课程性质、目的与要求课时安排：总共56学时=理论48学时 + 实验8学时 第一章 理论6学时 第二章 理论8学时 + 实验2学

2、时 第三章 理论12学时 + 实验2学时 第四章 理论8学时 + 实验4学时 第五章 理论4学时 第六章 理论6学时 第七章 理论4学时 第1次授课：课程性质、目的与要求课程目的与要求：1掌握计算机数控机床的基本工作原理；2掌握计算机数控系统内部数据预处理过程及刀补算法；3掌握计算机数控系统中几种典型的插补算法；4熟悉数控系统进给运动控制及参数设置；5熟悉数控系统主轴运动控制方法；6熟悉计算机数控系统内部开关量处理过程及PLC的应用；7熟悉计算机数控系统的软、硬件结构类型及其特点；第1次授课：课程性质、目的与要求课程学习方法： 专业课程计算少、综合强、实践性要求高； 先粗后细，先定性后定量，先

3、理论后实践； 不必死记硬背，要求理解后用自己的话表达出来； 上课认真听讲，有事必须事先请假； 作业独立完成，不允许互相抄袭或抄书； 实验要预习，并且完成后要求写出规范的实验报告； 课程结业采用笔试方式，按学校规定综合评定总成绩； 授课过程中随时欢迎同学们提出合理化建议。第1次授课：第一章内容提要 数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一，而数控机床是数控系统应用最为广泛和最为典型的一类控制系统。 本章首先对数控机床的基本概念、结构组成、分类方法、显著特点以及发展过程进行了介绍，然后着重介绍了计算机数控系统的基本工作原理、内部信息流的处理过程及其各种功能，最后还简单介绍了数控机床与现代机械制造系

4、统之间的关系。 第1次授课：第一节 基本概念一、计算机数控系统 数控是数字控制(Numerical Control，NC)的简称。 从广义上讲是指利用数字化信息实行控制，也就是利用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程。 本课程主要从狭义上理解，也就是利用数字化信息对机床轨迹和状态实行控制，例如：数控车床、数控铣床、数控线切割机床、数控加工中心等。 因此，主要以机床作为被控对象，讨论数控系统的工作原理。 第1次授课：第一节 基本概念一、计算机数控系统 数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。它是具有高附加值的技术密集型产品，实现了高度的机、电、液、光、气一体化。它集机

5、械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统的机械加工工艺发生了质的变化。这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工过程的自动化操作。 第1次授课：第一节 基本概念二、数控系统的组成输入输出装置数控装置伺服装置机床电器控制装置机床本体第1次授课：第一节 基本概念二、数控系统的组成 输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置，输入的内容及数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。 常见的输入/输出装置有：键盘、软盘、RS232接口、USB接口、显示器、指示灯等。 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，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成

6、各种输入、输出任务，其形式可以是：硬件数控装置（硬件逻辑电路实现）和计算机数控装置（CNC），其输出为：连续控制量和离散开关量。 第1次授课：第一节 基本概念二、数控系统的组成 伺服系统(驱动控制装置)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包括：位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元。主轴驱动装置主要由速度控制单元组成。 机床电器控制装置也位于数控装置和机床之间，接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴选速、起停和方向控制功能，换刀等功能。其形式可以是继电器控制线路或可编程逻辑控制器(PLC)。 第1次授课：第一节 基本概念二、

7、数控系统的组成 数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该控制系统称为计算机数控系统。 计算机数控系统具有数控系统一般组成形式的各个部分。此外，还可以通过其他方式获得数控加工程序。第1次授课：第一节 基本概念二、数控系统的组成计算机数控系统的组成第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定数控加工程序的格式 数控加工程序是用以描述机床加工过程的程序 例如：N010 G01 X60 Y40 F60 S800 T01 M03 LF 第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定数控加工程序采用的编码 常用编码形式：ISO代码和EIA代码 具体代码内容参见附录A ISO：国际标准化

8、组织 International Standard Organization EIA：美国电子工业协会 Electronic Industry Association第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定数控机床坐标系 机床坐标系是机床上固有的坐标系，它是制造、调整机床的基础，也是建立工件坐标系的基础。机床坐标系在出厂前已经调整好，一般情况下，不允许用户进行变动。 标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系 基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，旋转轴为A、B、C第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 规定在确定坐标

9、系时一律看作工件相对静止而刀具产生运动，并且规定增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。 Z轴平行于机床主轴，正方向为刀具远离工件的方向。第1次授课：第一节 基本概念 +Z立式数控铣床+Z卧式数控车床第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 X轴为水平的、平行于工件装夹平面的轴。 工件旋转运动机床(如：车床、磨床)，面向Z轴正向，右方为X轴正向第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 对刀具旋转运动机床(如：铣床、镗床)，当Z轴为水平时，则由主轴向工件看时，右方为X轴正向+Z+X第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 对刀具旋转运动机床(如：铣床、镗床)，当

10、Z轴垂直时，则由主要主轴向立柱(双柱机床应为左侧立柱)看时右方为X正向； +Z+X第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 Y轴垂直于X及Z，当+X、+Z确定后，按右手坐标系确定Y轴。 X、Y、Z为主坐标系(第一坐标系)，若有平行于X、Y、Z的第二组坐标和第三组坐标则指定为U、V、W和P、Q、R。+Z+X+Y龙门数控铣床第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 机床零点(M)：机械原点 机床原点 机床坐标系的设计原点 机床本体设计人员关心 硬件位置由机床本体制造厂家所确定 不同的机床，机床的零点的位置也不同。机床零点一般不能直接测量，所以在设计机床时就设定一个与机床零点

11、有固定位置关系的点，通过让机床返回该点来建立数控机床的坐标系。第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 机床参考点(R)：电气原点 数控系统设计人员关心 机床制造厂在机床上设置的，相对机床零点的坐标位置在机床出厂前已精确地确定，通常位于工作台运行范围的一个角上，是数控装置确定机床原点的参考点。 通过“回参考点”工作方式，可手动或由程序控制，以0.11m的精度到达参考点。第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 工件零点(W)：编程原点，数控加工坐标系 机床操作人员关心 编程人员在编写数控加工程序时，为定义工件尺寸，在工件上选择的坐标原点。 在一个工件上，这样的原点可以设

12、定一个或多个。因工件安装在工作台或夹具上的位置不固定，所以工件原点相对机床原点的位置也是变动的，因此，又称为浮动原点。 工件原点相对机床原点坐标位置由G代码(G54G59等)指定，可由编程员编入程序或通过数控系统的数控面板等设备输入。 第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定 刀架相关点(C)：自动换刀(ATC)时关心 机床制造厂在刀架上设置的一个位置点，当机床回参考点运行后，它与机床参考点R相重合。 在工件实际加工中，一般都要使用多把刀具，如，粗加工刀具、精加工刀具及孔加工刀具等，各刀具的切削点相对刀架相关点的偏离位置将被测出，作为刀具参数，在加工开始前输入系统，用于加工轨迹的相

13、应校正(刀具补偿计算)。第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定立式铣床及加工中心各坐标点关系M为机床零点R为机床参考点W为工件零点第1次授课：第一节 基本概念三、数控系统中的有关约定数控车床各坐标点关系M为机床零点R为机床参考点W为工作零点C为刀架相关点P为刀尖第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)点位数控系统 控制机床从一点准确地移动到另一点，在移动过程中不进行加工，因此对两点间的移动速度和运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标轴移动完毕，再沿另一个坐标轴移动，也可以多个坐标轴同时移动，但是为了提高加工效率，一般要求运动时间最短，为了保证定位精度，常常要

14、求运动部件的移动速度是“先快后慢”，即先以快速移动接近目标点，再以低速趋近并准确定位。 这类机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)直线数控系统 不仅要控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹，但轨迹一般为与某坐标轴平行的直线，也可以为与坐标轴成45夹角的斜线，但不能为任意斜率的直线，且可一边移动一边切削加工，因此其辅助功能也比点位数控系统多一些。例如：它可能被要求具有主轴转速控制、进给速度控制和刀具自动交换等功能。 这类机床主要有简易数控车床、数控镗床等。 第1次授课：第一节 基本概念四

15、、数控系统的分类(按运动轨迹分)轮廓数控系统 能够同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，使其合成的平面或空间的运动轨迹符合被加工工件图纸的要求。数控系统的辅助功能比前两类都多。 这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心和电加工机床等。 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)同时控制两个坐标的轮廓加工第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)三轴联动的轮廓加工 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)同时控制四个坐标的轮廓加工 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按运动轨迹分)五轴联动

16、的轮廓加工 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按伺服系统分)开环数控系统结构 数控装置输出的指令进给脉冲经驱动电路功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机旋转，再经过机床传动机构(齿轮箱、丝杠等)带动工作台移动。第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按伺服系统分)开环数控系统特点 只有前向通道，不带检测装置，也无反馈电路 一般以步进电动机或电液脉冲马达作为执行元件 系统精度和运行速度将受到了限制 控制简单，调试维修方便，价格比较低廉 国内被广泛应用于经济型数控系统和普通机床数控改造 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类

17、(按伺服系统分)全闭环数控系统结构 位置检测装置安装在机床工作台上，检测工作台实际运行位置(直线位移)，并将其与数控装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，驱动工作台朝着减小误差方向运动。第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按伺服系统分)全闭环数控系统特点 带有位置检测反馈装置 以直流或交流电动机作为执行元件 可以获得很高的精度和速度 设计和调试困难，系统稳定性不易得到保证 一般应用于高精度和超高精度数控机床第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按伺服系统分)半闭环数控系统结构 半闭环数控系统通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并

18、将其与数控装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按伺服系统分)半闭环数控系统特点 有位置检测反馈装置，但安装在电动机轴端或丝杠轴端处 以直流或交流电动机作为执行元件 综合精度不如全闭环数控系统 环路短，刚性好，调试方便，易获得稳定的控制特性 在实际应用中，半闭环数控系统被广泛采用 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按功能水平分)经济型又称简易数控系统 数控系统仅能满足一般精度的加工，能加工形状简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的计算机为单板机或单片机系统，机床进给由步进电动机实现开环驱动。 机床结构一般比

19、较简单，精度中等，价格也比较低廉。 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按功能水平分)普及型又称全功能数控系统 数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准，除了具有一般数控系统功能外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，机床进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制。 这类数控机床的品种比较多，几乎覆盖了各种机床类别，且价格适中。目前其总的趋势是趋于简单、实用、不追求过多的功能，从而使机床的价格适当降低。 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按功能水平分)高档型数控系统 加工复杂形状的多轴联动数控机床，工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。采用的计算机为32位以上控制器，机床进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能外，至少能实现5轴或5轴以上联动控制。 这类系统功能齐全，价格昂贵。例如：具有5轴以上的数控铣床，大、重型数控机床，五面加工中心，车削中心和柔性制造单元，柔性制造系统等。 第1次授课：第一节 基本概念四、数控系统的分类(按制造工艺分) 数控钻床 数控车床 数控铣床 数控磨床 数控冲床 加工中心 柔性制造单元 第1次授课：第一节 基本概念五、数控机床的特点及适用范围 数控机床的主要特点 能加工复杂型面的零件，具有较强的适应性和柔性。 可保证较高的加工精度，并且产品质量稳定，一致性好。 具有