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1、第一章 数控系统概述第一节 基本概念一、数控系统的基本概念 （1）数控 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：数控车床、数控铣床、数控加工中心、数控线切割机床等等。（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；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
2、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。（3）数控机床 数控系统与被控机床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。（4）本课程内容 以机床为被控对象的数控系统的一般原理。西门子802D系统的基本原理。数控加工程序二、数控系统的组成 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 （1）数控加工程序 数控系统是严格按
3、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。（3）数控装置 数控装置是数控系统的核心。其主要
4、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。（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
5、轴伺服驱动装置：根据数控装置发出的位置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。（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、钻床、镗床、磨床、加工中心以及电加工机床等
6、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。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，其基本组成如下图所示。信息载体输入装置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 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
7、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。三、数控系统中的有关约定 （一）数控加工程序所采用的编码 数控加工程序总是保存在某种信息载体中的。而在这个载体中，组成数控加工程序的字母、数字和其它各种符号都是以某种编码的形式来表示的。在数控系统中，常用的
8、编码有以下三种。（1）ASCII编码 在数控系统的存储器中，数控加工程序通常以ASCII编码形式保存。在计算机数控系统中，数控加工程序文件实质上就是ASCII编码形式的文本文件。ASCII编码是七位二进制编码，可表示128个字符。（2）ISO编码和EIA编码 在保存数控加工程序的纸带中，通常采用这两种编码。ISO编码是八位二进制编码，它是在ASCII编码的基础上，在最高位增加一个补偶位形成的，因此可表示128个字符。EIA编码也是八位二进制编码，但其第五位为补奇位，最高位只有“程序段结束”符CR用到，因此可表示64个字符。（二）数控机床坐标系 为精确控制机床移动部件的运动，在数控机床系统中需要
9、建立相应的坐标系，为此国家标准和国际标准都做了相应的规定。（1）标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系+Y+B+X+A+Z+C+Y+B+X+A+Z+C X、Y、Z轴 直线运动轴，分别表示三个方向的直线运动，运动方向遵循右手法则；A、B、C轴 旋转运动轴，分别表示围绕X、Y、Z轴的旋转运动，运动方向遵循右手螺旋法则。坐标轴方向 坐标轴的方向是指刀具相对于工件的运动方向，坐标轴的正方向一般取为刀具离开工件的运动方向。（2）X、Y、Z、A、B、C 表示刀具相对于工件的运动正方向；X、Y、Z、A、B、C表示工件相对于刀具的运动正方向。（3）Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，其正方向为从工件到刀具夹
10、持点的方向。（4）X轴为水平的、平行于工件装夹平面的轴。（5）当X轴和Z轴确定后，按右手直角坐标系规则即可确定Y轴。XYXZ （三）数控机床中的一些 “点”数控机床中存在着多种坐标系，包括机床坐标系、工件坐标系（编程坐标系）、绝对坐标系和相对坐标系等。为确定各种坐标系的原点的位置，首先必须了解一些“点”的概念。（1）机床零点M（机床原点、机械原点）：机床坐标系的原点，其位置由数控机床制造厂家确定。（2）工件零点W（工件原点、编程原点）为便于编写数控加工程序，编程人员可在工件上定义自己的坐标系，称为工件坐标系，工件坐标系的原点就称为工件零点。工件零点具有以下特点。在一个工件上可定义多个工件坐标系
11、，因此可有多个工件原点；通过存储工件原点相对于机床原点的位置偏移值，数控系统可以存储一个工件坐标系。由于工件在工作台或夹具上的位置不固定，因此工件原点相对于机床原点的位置也是不固定的，所以有时也称之为浮动原点；工件原点相对于机床原点的位置偏移量可使用G代码来指定(G54G59)。（3）刀架相关点C 刀架相关点是刀架上的一个固定位置点，用于测量刀具参数，即刀具切削点相对于刀架相关点的位置偏移量。数控加工程序中指定的坐标值和系统显示的坐标值都是指刀架相关点的当前坐标位置。当加工开始后，系统将根据刀具参数进行相应的刀具补偿计算。当机床回参考点后，刀架相关点C将与机床参考点R重合。CCL1L2 兰色刀
12、的刀具参数：L1，L2 红色刀的刀具参数：0，0 （4）机床参考点R（电气原点）机床回参考点后，刀架相关点C所在的空间位置点。机床参考点C具有如下特点。机床参考点R是通过电子测量器件来精确测定的机床上的一个固定点。通常位于机床运行范围的一个角上。机床原点相对于机床参考点的偏移量是一个固定值，可通过修改机床参数来确定。通过“回参考点”操作，可以精确测定出机床参考点R和机床原点M的位置，从而标定出数控机床的坐标系统。（四）绝对坐标系和相对坐标系 在编写数控加工程序时，编程人员可以使用绝对坐标系或相对坐标系来指定加工坐标点。绝对坐标系就是以某一固定位置点作为坐标原点的坐标系；相对坐标系就是以运动轨迹
13、起点作为坐标原点的坐标系。YWZMWYMRZMRXMRXYZRMYMWXMWXZ 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 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。（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
14、系统。例如：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 轴联动的轮廓加工3 轴联动的轮廓加工4 轴联动的轮廓加工5 轴联动的轮廓加工 （二）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）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。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。（3）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。