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1、第一章 数控系统概述 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系统。所以，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统之间的关系。第一节 基本概念一、数控系统的基本概念数控是数字控制（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。而这里主要从狭义上理解，也就是利用数字化信息对机
2、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，本书主要以机床作为被控对象，讨论数控系统的工作原理。任何生产都有一定的过程，采用数字控制技术，生产过程被用某种语言编写的程序来描述，以数字形式送入计算机或专用控制装置，利用计算机的高速数据处理能力，识别出该程序所描述的生产过程，通过计算和处理将此程序分解为一系列的动作指令，输出并控制生产过程中相应的执行对象，从而可使生产过程能在人不干预或少干预的情况下自动进行，实现生产过程自动化。可见，计算机数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成。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
3、型产品，实现了高度的机、电、液、光、气一体化。它集机械制造、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。二、数控系统的组成数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服系统（驱动控制装置）、机床电器控制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如图1-1所示。图1-1数控机床的组成框图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，现将从外部输入的、描述机床加工过程的程序称为数控加工程序，它是用字母、数字和其他符号的编码指令规定的程序。数控加工程序按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，有零件
4、加工的轨迹信息（如：几何形状和几何尺寸等）、工艺信息（如：进给速度和主轴转速等）及开关命令（如：换刀、冷却液开/关和工件装/卸等）。数控加工程序常常记录在各种信息载体上，其形式可以是：穿孔纸带、磁带、磁盘、半导体存储器等各种可以记载二进制信息的媒介。通过各种输入装置，信息载体上的数控加工程序将被数控装置所接收。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。常用的输入/输出装置有：纸带阅读机、盒式磁带录音机、磁盘驱动器、通信网络接口、CRT及各种显示器件等。数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种
5、数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。前者称作硬件数控装置，或NC装置，其数控功能由硬件逻辑电路实现；后者称为CNC装置，其数控功能由硬件和软件共同完成。数控装置将数控加工程序按两类控制信息分别输出：一类是连续控制量，送往驱动控制装置；另一类是离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。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由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控
6、部件的移动。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，换刀功能，工件装夹功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能。其形式可以是继电器控制线路或可编程逻辑控制器(PLC)。根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、磨床、加工中心及电加工机床等。与传统的普通机床相比，数控机床本体的外部造型、整体布局、传动系统、刀具系统及操作机构等方面都应该符合数控的要求。数控机床还配有各种辅助装置，其作用是配合机床完成对零件的加工。如：切削液或油液处理系统中的冷却或过滤装置
7、，油液分离装置，吸尘吸雾装置，润滑装置及辅助主机实现传动和控制的气动、液动装置等。除上述通用辅助装置外，从目前数控机床技术现状看，至少还有五类辅助装置是数控机床应该配备的：对刀仪、自动编程机、自动排屑器、物料储运及上下料装置和交流稳压电源。当数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该数控系统就称作计算机数控系统。目前，在市场上以NC装置为核心的硬件数控系统已日益减少，取而代之的是以CNC装置为核心的计算机数控系统，且绝大多数CNC装置都采用微型计算机系统。计算机数控系统由硬件和软件共同完成数控任务，因此，其组成形式更加灵活，其基本组成如图1-2所示。图1-2计算机数控系统的组成它具有数控系
8、统一般组成形式的各个部分，此外，现代数控装置不仅能通过读取信息载体方式，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；通过通信方式输入其他计算机程序编辑器、自动编程器、CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。高档的数控装置本身已包含一套自动编程系统或CAD/CAM系统，只需采用键盘输入相应的信息，数控装置本身就能自动生成数控加工程序。计算机数控装置在软件作用下，可以实现各种硬件数控装置所不能完成的功能，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，智能控制的实现，通信及联网功能等。现代数控系统采用可编程逻辑控制器（PLC）取代了传
9、统的机床电器逻辑控制装置，即继电器控制线路。用PLC控制程序实现数控机床的各种继电器控制逻辑。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，称作内装型PLC。三、数控系统中的有关约定（一） 数控加工程序的格式如前所述，数控加工程序是从外部输入数控装置的、用以描述机床加工过程的程序。数控加工程序由一个个程序段组成，每一个程序段都由一个个功能字组成，每个功能字都由一个个字符组成，它将零件加工过程的几何数据、工艺数据以及各种辅助开关命令（换刀、冷却、夹紧、松开等），按机床部件的运动顺序，用数控系统规定的功能代码和程序格式编成加工程序单。一般数控加工程序段的格式如下：N G X
10、 Y Z F S T M LF 程 准 进 主 刀 辅 序 备 坐 给 轴 具 助 段 功 标 速 速 功 功 序 能 值 度 度 能 能 号 每个程序段的起始为程序段序号功能字，随后为工艺和几何信息方面的功能字，段末以换行符或回车符结束。每个功能字以字母开始，后面跟着几位数字，常见26个字母在数控系统中所表示的含义可参见附录1，其中，准备功能字（G）指定数控系统应准备好某种运动和工作方式，辅助功能字（M）指定了数控系统在加工过程中的辅助开关量控制功能，常见的各种准备功能G代码和辅助功能M代码可参见附录2给出的部颁标准JB3208-83。例如数控加工程序段： N010 G01 X60 Y40
11、F60 S800 T01 M03 LF表示本程序段为第10段，指定机床运动部件以直线形式从刀具所在点移动到X=60、Y=40的点，移动速度为60毫米/分，主轴以转速800转/分顺时针方向旋转，采用1号刀具。（二） 数控加工程序采用的编码数控加工程序保存在控制介质上，其字母、数字和各种符号是以各种编码来表示的。在数控机床中常用的编码有两种，即ISO代码和EIA代码（参见附录1）。ISO代码是由国际标准化组织(International Standard Organization)颁布的编码形式，是由八位二进制信息组成的编码，其最高位为补偶位，所能表示的信息量最多为128种。EIA代码是由美国电子
12、工业协会（Electronic Industry Association）颁布的代码，也是由八位二进制信息组成的编码，其由低位向高位数的第五位为补奇位，最高位只有“程序段结束”代码（CR）用到，因此，所能表示的信息量最多为64种。在数控系统的存储器中，数控加工程序通常以ASC码形式保存，它是美国信息交换标准代码，由七位二进制信息组成，能形成127个不同编码的组合（参见附录3）。事实上，ISO代码就是在ASC码的基础上，在最高位增加一个补偶位形成的。（三） 数控机床坐标系在数控系统中，为了精确控制机床移动部件的运动需要建立相应的坐标系，统一规定数控机床坐标轴名称及其运动的正、负方向，可使编程简单
13、，并使所编程序对同类机床具有互换性。对此，国际上很早就制定有统一标准，我国也于1982年颁布过JB3051-82数控机床坐标和运动方向的命名，1989年2月15日又由国际标准化组织ISO/DP841及其分技术委员会ISO/TC184/SC1新提出“机床数控坐标轴和运动方向专用术语”。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，围绕X、Y、Z各轴的旋转运动轴为A、B、C。用右手直角笛卡儿坐标法则可判定X、Y、Z三轴的关系和正方向；用右手螺旋法则可判定三个直角坐标轴与A、B、C轴的关系和A、B、C轴的正方向，如图1-3所示。图1-3 数控机床右手坐标系统当考虑刀
14、具移动时，用不加“”的字母表示运动的正方向；当考虑工件移动时，则用加“”的字母表示运动的正方向。但为了使编程人员在编程时不必考虑是刀具运动还是工件运动，只需根据零件图纸进行编程，所以标准规定在确定坐标系时一律看作工件相对静止而刀具产生运动。另外，还规定增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选择尽可能垂直于工件装夹面的主要轴为Z轴。Z轴的正方向定义为工件到刀具夹持的方向。X轴作为水平的、平行于工件装夹平面的轴，它平行于主要的切削方向，且以此为正向。对于工件旋转运动的机床（如：车床、磨床），面向Z轴正向，右方为X轴正向；对于刀具旋转运动的机床（
15、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，当Z轴为垂直时，则由主要主轴向立柱（对双柱机床应为左侧立柱）看时右方为X轴正向；在没有旋转的刀具或工件（如：牛头刨床）上，X轴平行于主要切削方向。Y坐标轴垂直于X及Z轴坐标，当+X、+Z轴确定后，按右手直角坐标系确定Y轴。X、Y、Z为主坐标系，或称第一坐标系。若有平行于X、Y、Z的第二组坐标和第三组坐标则分别指定为U、V、W和P、Q、R。靠近主轴的直线运动为第一坐标系，稍远的为第二坐标系。如图1-4所示为数控车床和数控铣床坐标系示意图。图1-4 数控车床和数控铣床坐标系在数控机床中，根据坐标原点不同，同时存在着多种坐标系，包
16、括机床坐标系、工件坐标系（编程坐标系）、绝对坐标系和相对坐标系等。为了确定各种坐标系下的坐标值，必须先明确一些“点”的概念，包括机床零点、机床参考点、工作零点和刀架相关点。如图1-5所示为立式铣床及加工中心各坐标点的关系，如图1-6所示为数控车床各坐标点的关系。图中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，XMW、ZMW为工件零点到机床零点的坐标，而XMR、ZMR为机床参考点到机床零点的坐标，XCR、ZCR为机床参考点到刀架相关点的坐标，XCP、ZCP为刀尖到刀架相关点的坐标。在图1-5中主轴上的R点实际上即为刀架相关点(图中已与参考点重合)。图1-5 立式加工中心
17、各坐标点关系示意图图1-6 数控车床各坐标点关系示意图机床零点（机械原点、机床原点）M 这是机床坐标系的设计原点，它在机械硬件上的位置是由机床本体制造厂家所确定的。机床参考点(电气原点) R 这是机床制造厂在机床上设置的，通过末端行程开关粗测定，又用测量系统精测定的一个固定点，通常位于工作台运行范围的一个角上。它相对机床零点的坐标位置在机床出厂前已经精确地确定，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011m的精度到达参考点；有些数控系统开机后能自动回参考点，并使当前实际坐标值也置为参考点相对机床原点的确定值。工件零点（编程原点）W 编程人员在编写数控加
18、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，这样的原点可以设定一个或多个。因工件安装在工作台或夹具上的位置是不固定的，所以工件原点相对机床原点的位置也是变动的，因此，又称其为浮动原点。工件原点相对机床原点的坐标位置由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。刀架相关点C 这是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。在工件的实际加工中，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
19、的相应校正(刀具补偿计算)。数控机床的各运动坐标点可以在绝对坐标系或相对坐标系下确定。若各坐标点都以某一固定坐标原点来计量，这样的坐标系称为绝对坐标系；若运动轨迹的终点以其起点为坐标原点来计算，这样的坐标系称为相对坐标系。四、数控系统的分类(一) 按数控机床运动轨迹分类1点位数控系统 这类数控系统控制机床运动部件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，常常要求运动部件的移动速度是“先快后慢”，即先以快速
20、移动接近目标点，再以低速趋近并准确定位。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。2直线数控系统这类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，其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。这类数控机床主要有简易数控车床、数控镗床等。也可以与点位数控系统结合起来，设计成点位/直线数控系统。3轮廓数控系统这类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
21、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。这类数控系统的辅助功能比前两类都多。相应的数控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。连续切削控制系统同时控制且相互独立的轴数，可以有2轴控制，2.5轴控制，3、4、5轴控制等。2轴控制指的是可以同时控制2轴，但机床也许多于2轴，如X、Y、Z三个移动坐标轴，可以进行如图1-7所示形状的零件加工；2.5轴控制是指两个轴连续控制，第三个轴点位或直线控制，从而实现三个主要轴X、Y、Z内的二维控制；3轴控制是指同时控制X、Y、Z三个坐标，这样刀具在空间的任意方向都可移动，因而能够进行三维的立体加工，如
22、图1-8所示；4轴控制是指同时控制四个坐标运动，即在三个平动坐标之外，再加一个旋转坐标，同时控制四个坐标的数控机床如图1-9所示，可用来加工叶轮或圆柱凸轮；5轴控制中的5个轴是三个平动坐标X、Y、Z，再加上围绕这些直线坐标旋转的旋转坐标A、B、C中的两个坐标形成同时控制五个坐标，这时刀具可以给定在空间的任意方向，因而当进行曲面切削时，可以使刀具对曲面保持一定角度，如图1-10所示。此外，五轴联动数控机床在一次装夹的情况下，能实现任意方向的孔加工，并且由于刀具可以按数学规律导向，使之垂直于任何双曲线平面，因此特别适合于加工透平叶片、机翼等零件。图1-7 同时控制两个坐标的轮廓加工图1-8 三轴联
23、动的轮廓加工图1-9 同时控制四个坐标的轮廓加工图1-10 五轴联动的轮廓加工 (二) 按数控机床伺服系统分类1开环数控系统这类数控系统不带检测装置，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，其框图如图1-11所示。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。这种方式只有前向通道，没有反馈通道，控制简单，调试维修方便，价格比较低廉，但精度和速度受到限制。目前，在国内被广泛应用于经济型数控系统和普通机床数控改造过程中。图1-11 开环数控系统控制框图
24、2全闭环数控系统这类数控系统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。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（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的方向运动，其控制框图如图1-12所示。根据自动控制原理可知，凡是被反馈通道所包围的前向通道中所有误差都能被反馈所补偿，因此，这类数控系统可以获得很高的精度和速度。但由于它将丝杠、螺母副、导轨以及机床工作台这些大惯性环节或齿隙非线性环节都包含在闭环内，给设计和调试造成困难，系统稳定性不容易得到保证。因此，一般应用于高精度和超高精度数控机床中。图1-1
25、2 全闭环数控系统控制框图3半闭环数控系统这类数控系统也带有位置检测反馈装置，但检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端处，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，其控制框图如图1-13所示。由于闭环的环路内不包含丝杠、螺母副、导轨及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能被反馈信号所补偿，其综合精度不如全闭环数控系统。但半闭环数控系统环路短，刚性好，调试方便，容易获得比较稳定的控制特性。因此在实际应用中，这种半闭环数控系统被广泛采用。图1-13 半闭环数控系统控制框图 (三) 按数控机床功能水平分
26、类1经济型又称简易数控系统这类数控系统通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的计算机系统为单板机或单片机系统，具有数码显示，CRT字符显示功能，机床进给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下，进给分辨率一般为10m，快速进给速度最大不超过10m/min。这类机床结构一般都比较简单，精度中等，价格也比较低廉。例如：数控线切割机床、数控钻床、数控车床、数控铣床及数控磨床等。2普及型又称全功能数控系统这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等
27、，采用的计算机系统为16位或32位微处理机，具有RS-232C通信接口，机床的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， 进给分辨率一般为1m，快速进给速度最大为1020m/min，其开关量输入输出控制一般由可编程控制器来完成，从而大大增强了系统的可靠性和控制的灵活性。这类数控机床的品种比较多，几乎覆盖了各种机床类别，且其价格适中，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。3高档型数控系统一般指加工复杂形状的多轴联动数控机床，并且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。采用的计算机系统为32位以上控制器，机床的进给大多采用交流伺
28、服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制，最小进给分辨率为0.1m，最大快速移动速度可达到100m/min或更高，具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面，同时具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，并能实现计算机的联网和通信。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。当然，按功能水平分类没有明确的定义和确切的界线，并且在不同时期和不同国家的含义也不相同，上面的描述
29、只能作为参考条件。五、数控机床的特点及适用范围与其他加工设备相比，数控机床具有如下显著特点：1能加工复杂型面的零件，具有较强的适应性和柔性。数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件加工。这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求改变加工程序。因此，数控机床首先在航空航天等领域获得应用，在复杂曲面的模具加工、螺旋桨及涡轮叶片的加工中，也得到广泛的应用。2可以保证较高的加工精度，并且产品质量稳定，一致性好。由于数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其加工精度由机床来保证，还可利用软件来校正和补偿误差。因此，能获得比机床本身精度还要高的
30、加工精度及重复精度。3具有较高的生产效率。数控机床的生产效率较普通机床的生产效率高2-3倍。尤其是某些复杂零件的加工，生产效率可提高十几倍甚至几十倍。这是因为数控机床加工能合理选用切削用量，机加工时间短。又由于其定位精度高，停机检测次数减少，加工准备时间也因采用通用工装夹具而大大缩短。4可以改善生产条件，减轻劳动强度。数控机床主要是自动加工，能自动换刀、开关切削液、自动变速等，其大部分操作不需要人工参与，因而改善了劳动条件。由于操作失误减少，也降低了废品、次品率。5便于联网实现现代化管理及规模大的自动化生产。在数控机床上加工，能准确计算零件加工时间，便于实现生产计划调度，简化和减少了检验、工装
31、夹具准备、半成品调度等管理工作。数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的联网，组成工业局域网络（LAN），采用制造自动化协议（MAP）规范，可实现生产过程的计算机管理与控制。基于上述数控机床的特点，对于小批量产品的生产由于生产过程中产品品种变换频繁、批量小、加工方法的区别大，宜采用数控机床。在机械加工业中大批量零件的生产宜采用专用机床或自动生产线。如图1-14所示为随零件复杂程度和零件批量的变化，通用机床、专用机床和数控机床的运用情况。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量较大时，宜采用专用机床；而零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。图1-14 数控机床适用范围示意图六、
32、数控机床的发展过程1949年美国Parsons公司接受美国空军的委托，研制一种计算装置，用以实现日益复杂的飞机零部件的自动加工，于是由Parsons公司首先提出了机床数字控制的概念。采用Parsons的思想，1952年，美国麻省理工学院研制出基于电子管和继电器的机床数字控制装置，用于控制铣床加工，它标志着第一代数控系统电子管数控系统的诞生。接着，昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置由晶体管所取代，大约在1959年，完全由固定布线的晶体管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功。随着数控系统的发展，对其实用性、柔性、易维修性、控制装置的功能环境及对任意机床类型的适应性这些来自
33、应用者方面的要求不断提高。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统集成电路数控系统，使这些问题的解决难度稍稍减轻了一些。当以计算机作为数控系统的核心组件后，才为这些复杂的问题提供了一种简单的、经济的解决方法，首先在1970年的美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透到各个行业，1974年第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为核心组件的数控系统统称为计算机数控（CNC）系统。由于计算机硬件可批量生产，并且具有单元化和可靠性高的特点，因此基于计算机的数控系统，通过执行不同的系统
34、程序，可经济而方便地使数控系统适应各种制造任务和专用机床。对用户提出的附加功能，可以用附加选件的形式提供给用户。自70年代末以来，所有的数控系统都含有微型计算机，其数字控制的精确性、生产率、可靠性、宜人性和集成性都不断提高，如图1-15所示。由于采用了更好的机床组件、精密的测量系统、精确的位置控制器和高精度的加工处理，使数控系统的精度不断提高；由于加工工序减少，加工速度提高，并采用了工件和刀具自动交换等装置使加工辅助时间大大减少，使数控系统的生产效率不断提高；由于在系统中集成了对数控系统各组成部件的监测和诊断功能，使数控系统的可靠性也不断提高；由于现代数控系统能支持各种编程系统，并能对所编程序
35、进行诊断和模拟运行，还为系统的使用提供了多种帮助功能，使系统的宜人性更好；现代数控系统能实现刀具自动补偿，降低了对刀具尺寸的要求，并且具有对不同的系统配置要求和控制要求的可编程性，因而提高了系统的柔性；由于系统中集成了多种软件系统，并可与分布式数字控制（DNC）系统和计算机集成制造系统（CIMSComputer Integrated Manufacturing System）相连接，可见系统的集成性也得到了提高。图1-15 计算机数控系统的特点我国从五十年代开始数控系统的研究以来，经过多方的努力和攻关，1958年研制出第一代数控系统产品，1966年研制出第二代产品，1972年研制出第三代产品，
36、1975年我国的数控系统发展进入了第四代，1979年10月欧洲国际机床展览会在意大利工业中心米兰举行，展览会上首次展出了我国和其他国家共同制造的计算机数控机床，说明我国的数控系统也进入了第五代。由于各种原因，我国的数控系统到1981年后才得以较快发展，“六五”期间（19811985年）主要进行了数控系统及驱动技术的引进，并开发了几种典型数控系统；“七五”期间（19861990年）通过攻关，在对引进的数控系统进行消化吸收和国产化的基础上，派生出几种产品；“八五”期间（19911995年）继续进行数控技术的攻关，重点开发普及型数控系统，并对数控机床主机和相关配件进行攻关和研究，安排了“数控机床国产
37、化”专项研究，并对部分数控机床主机、数控系统和相关配套件重点生产企业进行技术改造；“九五”也继续进行了数控系统的攻关，争取尽快赶上世界数控技术水平。数控系统的出现使机械制造行业对产品提出的精度高、形状复杂、批量小而生产周期短的要求得到了满足，它随着计算机和电子技术的发展不断地更新换代，现在数控机床的市场竞争能力主要由数控系统的功能、效率和价格来决定。第二节 计算机数控系统一、主要工作过程如图1-16所示计算机数控机床工作过程示意图，其主要控制任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制。图1-16 计算机数控机床工作过程示意图在接通电源后，计算机数控装置和可编程控制器都将对数控机床各组成部分的工作状
38、态进行检查和诊断，并设置初始状态。对第一次使用的数控装置，还需要进行机床参数设置。如：指定系统控制的坐标轴；指定坐标计量单位和分辨率；指定系统中配置可编程控制器的状态；指定系统中检测元件的配置；工作台各轴正负行程极限的设置等。通过机床参数的设置，使数控装置适应具体数控机床的硬件构成环境。当数控机床具备了正常工作条件时，开始输入数控加工程序。一般情况下，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前完成。对前一种情况，数控加工程序在加工准备阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质（如纸带、磁带或磁盘）上，再输入数控装置，或者采用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数
39、控加工程序进行修改；对后一种情况，操作员直接利用数控装置本身的编辑环境进行数控加工程序的编写和修改。输入给数控装置的加工程序必须适应实际的工件和刀具位置，因此在加工前还要输入实际使用刀具的刀具参数，以及实际工件原点相对机床原点的坐标位置。加工控制信息输入后，可选择一种加工方式（手动方式、自动方式的单段方式和连续方式），启动加工运行。此时，数控装置在系统控制程序的作用下，首先对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码、刀补计算和坐标变换等，然后开始逐段执行数控加工程序。在连续轮廓加工过程中，数控装置要根据轮廓段已知的几何数据，以及相应工艺数据中的速度信息，计算出轮廓段起点、终点之间的一系列中间点
40、，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的协调的运动序列命令，通过各个运动轴的合成，获得数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。数控装置向各个轴伺服系统发出命令值，位置调节器将其与机床上位置检测元件测得的实际位置相比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床刀具或工作台运动，从而加工出要求的零件轮廓。由数控装置发出的开关命令在系统控制程序的指挥下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床逻辑控制器，由它将开关命令和机床反馈的回答信号一起被处理和转换为对机床开关电器的控制命令。在现代数控系统中，多数机床逻辑控制器都由可编程控制器（PLC）来实现，也就是
41、利用PLC中可靠的开关实现，从而避免相互矛盾的、对机床和操作者有危险的现象（例如：在主轴还没有旋转之前的“进给允许”）出现。在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工状态，需及时处理有关信号。二、硬件构成微型计算机的发展支持着数控技术的发展，考虑到数控机床的功能、自动化程度和加工精度，计算机数控系统在硬件上有多种构成方式。如图1-17所示为经济型计算机数控系统的例子，它由两个含微处理器电路的模块组成：主模块（含有系统控制与管理功能的模块）和PLC模
42、块，CNC核心功能、通信、显示和可编程控制器的逻辑控制功能等任务都由它们共同完成。图1-17 经济型计算机数控系统实例如图1-18所示为一个典型的中等性能（普及型）计算机数控系统，最多可控制9个运动轴，并具有相应的测量反馈环节。其硬件构成有：带有显示器（如：CRT）和手动数据输入（MDI）键盘的数控面板，作为中央显示和输入单元；机床操作面板用于手动操作机床，包括加工运行方式、速度倍率等设定，及厂家给出的各种操作功能；中央控制装置（数控装置）用于各组件的安装和连接，内部装有数控模块、人机控制模块、可编程控制器模块、网络通信模块、监控电路、以及用于扩展测量和数据输入/输出的空插座等。图1-18 普
43、及型计算机数控系统实例系统中含有多个微处理器，并且都具有自己的数据存储器，可形成独立的控制单元。下面结合如图1-19所示内部结构，阐述数控系统所完成的数控功能。图1-19 一个计算机数控系统的内部构成所有功能由三个微处理器，即MMCCPU、CNCCPU和PLCCPU，以及串行通信接口分担，各部分之间的通信由内部系统总线完成。MMCCPU的主要功能是进行编程管理、操作管理和控制、数据（不包括几何数据）处理及加工过程等主要数据的显示，它所完成的是实时性要求相对不高的人机控制功能。CNCCPU对每个数控通道进行数据的预处理和插补计算。这里的每个通道都是一个独立系统，具有多个轴和独立的数控加工程序，要
44、求有相应的加工程序预处理和插补处理，CNCCPU能并行处理各个通道的数控加工程序，各通道的工作由PLC协调。如图1-19所示的四个通道对应9个轴的管理和控制，这9个轴可为进给轴、辅助轴或主轴。数控软件每隔固定的时间间隔为每个驱动轴计算一次速度命令值，其他控制任务由各驱动轴的位置调节器完成。在数控加工程序预处理时，有关T和M指令的开关命令被传送给PLCCPU，由它进行各种机床电器的控制，如换刀、冷却液控制等。PLCCPU也负责处理机床操作面板的输入，并进行CNCCPU和PLCCPU控制的同步。串行通信接口负责与上级计算机或主计算机进行通信联系。三、面板结构从总体来看，数控装置可分为中央处理单元(
45、Central unit)、数控面板（也称键盘与显示器面板Monitor Keyboard，有些系统亦称MDI面板Manual data Input）、机床操作面板(operator panel)三部分。其组成可分为紧凑型一体化结构和分离型结构，紧凑型一体化结构将三部分完全组合在一起，安装方便；而分离型结构则安装时灵活性较大，并且多用于系统体积相对较大的场合。中央处理单元是一个典型的计算机控制系统，但显示器具有多种形式，常用的有8字或米字发光管、CRT显示器及液晶显示器等。8字或米字发光管显示信息量受到很大的限制，仅用于很便宜的经济型数控系统中。很多数控系统使用都是CRT显示器，但目前液晶显示
46、方式应用得越来越多。机床操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对机床的操作或干预。由于不同机床所需的动作不同，因此不同于数控面板上的键盘，操作面板原则上应由机床厂家根据机床动作要求自行设计(当然数控装置需要提供相应的接口功能)。早期许多系统均不提供操作面板。但是操作面板全部由厂家设计制造无疑给厂家带来了很多麻烦，也增加了许多不可靠因素。加之同类机床因功能类似，许多操作面板的按钮、开关都是相同的，因而现在许多数控系统均提供用户标准的操作面板，如FAGOR 80258030、FANUC、SIEMENS 810等，使用十分方便并且可靠。机床厂家不需配置或仅需配置少量的功能按钮、开关、指
47、示灯等即可满足要求。为了增加灵活性，有些数控系统不仅提供用户标准操作面板，还可提供部分操作按钮由用户自行定义的操作面板，进一步简化了设计。如图1-20所示为FAGOR 8025M前面板。如图1-21所示为SINUMERIK 810M前面板，它具有集成定义机床操作面板。如图1-22所示为SINUMERIK 810M具有外部操作面板及集成式可由用户定义的操作面板。下面对一些常用面板按钮和开关进行简单介绍。图1-20 FAGOR 8025M前面板1显示器 2键盘 3操作面板图1-21 SINUMERIK 810M前面板A1显示器 2集成式机床操作面板 3键盘图1-22 SINUMERIK 810M前面板B1) 轴移动按钮(X、X、Y、Y、Z