数控系统结构课件

数控机床的结构及刀夹具简介数控机床的结构及刀夹具简介本章提要：

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型的工件夹具。2.1数控系统的组成及工作过程2.1.1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,数控系统由硬件部分和软件部分组成:

⑴微机基本系统通常微机基本系统是由CPU、存储器、I/O接口、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。⑵人机界面接口

数控系统的人机界面包括以下四部分：①键盘(MDl)：用于加工程序的编制以及参数的输入等。②显示器(CRT)：用于显示程序、数据以及加工信息等。③操作面板：用于对机床进行操作。④手摇脉冲发生器(MPG)：通过手摇控制机床运动。

广州数控系统操作面板⑶通信接口

通常数控系统均具有标准的RS232C串行通信接口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。⑷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：进给速度控制、插补运算和位置闭环控制。插补方法分为基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。⑸主轴控制接口

主轴S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，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需用MST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。

2.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所编制的专用软件，也叫控制软件。

一般由输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等组成。⑴输入数据处理程序

它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。

⑵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，这个过程称为插补运算。进给脉冲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。

⑷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。

⑸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，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（CPU、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。2.1.2数控系统的工作过程

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。

1.输入

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DNC接口、网络等多种形式。

2.译码

不论系统工作在MDI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(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)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专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。5.插补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点的“数据点密化”工作。

6.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。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。

7.I/0处理

I/O处理主要处理数控系统装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等)。

8.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。

9.诊断

对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。

2.2数控系统的分类、性能指标及功能2.2.1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，当今世界的各种数控系统大致可分为以下四种类型:1.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：①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；②系统功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；③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。2.PC嵌入NC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力去购买。3.NC嵌入PC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PC机构成，具有很强的运动控制和PLC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，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。

4.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，所有的数控功能(包括插补、位置控制等)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，因而最有生命力。

2.2.2数控系统的功能1.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(即联动)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轴，其中包括移动轴和回转轴。

2.准备功能

准备功能也称为G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、基准点返回、固定循环、公／英制转换等。3.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、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。4.进给功能

进给功能包括快速进给(空行程)、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给率修调(倍率开关)、自动加减速功能等。5.主轴功能

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变。主轴定向停止及其周向准确定位。6.刀具功能

刀具的自动选择和自刀具功能是指动换刀。

7.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。8.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误差。9.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、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件操作功能。10.程序管理功能

程序管理功能是指对加工程序的检索、编制、修改、插入、删除、更名、锁住、在线编辑即后台编辑(在执行自动加工的同时进行编辑)以及程序的存储通信等。

11.图形显示功能

图形显示功能是利用监示器(CRT)进行二维或三维、单色或彩色、图形可缩放、坐标可旋转的刀具轨迹动态显示。

12.辅助编程功能

如固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序＼坐标旋转、极坐标等辅助编辑功能，可减少手工编程的工作量和难度，尤其适合三维复杂和大工作量零件。

13.自诊断报警功能

自诊断报警功能是指数控系统对