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1、数控原理与系统 主编14603B第一章数控系统概述第一章数控系统概述第一节基 本 概 念第二节计算机数控系统第三节数控机床与现代机械制造系统14603B第一节基第一节基 本本 概概 念念一、数控系统的基本概念二、数控系统的组成三、数控系统中的有关约定四、数控系统的分类五、数控机床的特点及适用范围六、数控机床的发展过程14603B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床轨迹和状态实行控制，
2、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。14603B二、数控系统的组成图1-1数控机床的组成框图图1-2计算机数控系统的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床本体组成。二、数控系统的组成步进电机步进电机步进电机步进电机交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机常用的常用的常用的常用的伺服伺服伺服伺服元件元件元件元件常用的常用的常用的常用的检测检测检测检测元件元件元件元件编码盘编码盘编码盘编码盘磁珊磁珊磁珊磁珊光栅光栅光栅光栅二、数控系统的组成二
3、、数控系统的组成 4、机床、机床 早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。目前已模块化生产，目前已模块化生产，分为六大块分为六大块数控系统数控系统数控系统数控系统数控刀架和转台数控刀架和转台数控刀架和转台数控刀架和转台刀库和机械手刀库和机械手刀库和机械手刀库和机械手高速防护罩高速防护罩高速防护罩高速防护罩滚动部件滚动部件滚动部件滚动部件主轴单元主轴单元主轴单元主轴单元二、数控系统的组成14603B三、数控系统中的有关约定(一)数控加工程序的格式(二)数控加工程序采用的编码(三)数控机床坐标系图1-3数控机床右手坐标系统图1-4数控车床和数
4、控铣床坐标系数控车床加工QT200QT200全全全全功能数控功能数控功能数控功能数控车床车床车床车床8 8位转塔位转塔位转塔位转塔刀台刀台刀台刀台/8/8位位位位14603B(三)数控机床坐标系图1-5立式加工中心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并联机床并并并并联联联联运运运运动动动动机机机机构构构构14603B四、数控系统的分类(一)按数控机床运动轨迹分类(二)按数控机床伺服系统分类(三)按数控机床功能水平分类(四)按工艺用途分类经过多年的发展，已形成种类繁多的CNC系统，应用范围也日益广泛。主要包括：金属切削金属成型特种加工其它类型数数控控车车床床数数控控铣铣床床数控钻
5、床数控钻床加工中心加工中心数控雕刻机床数控雕刻机床三座标测量机三座标测量机数控电火花成型机数控电火花成型机快速成型设备快速成型设备数控多工位冲床数控多工位冲床数控弯管机数控弯管机数控卷簧机数控卷簧机1-2 数控机床的产生和发展一、数控机床的产生一、数控机床的产生 在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。14603B(一)按数控机床运动轨迹分类点位控制数控机床：点点位置精确
6、控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式 如：钻床、冲床、测量机等如图点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制按运动轨迹分类点位控制钻孔点位控制钻孔点位控制钻孔点位控制钻孔加工加工加工加工工件工件工件工件刀具刀具刀具刀具AB按运动轨迹分类点点点点位位位位直直直直线线线线控控控控制切削加工制切削加工制切削加工制切削加工按运动轨迹分类工件工件工件工件刀具刀具刀具刀具轮廓控制轮廓控制轮廓控制轮廓控制加工加工加工加工3.按伺服系统的控制方式分类（1）开环控制数控机床（2
7、）闭环控制数控机床（3）半闭环控制数控机床（1）开环控制数控机床减速器减速器减速器减速器数控数控数控数控装置装置装置装置控制控制控制控制电路电路电路电路工作台工作台工作台工作台输入输入输入输入开环控制系统框图开环控制系统框图开环控制系统框图开环控制系统框图步进步进步进步进电机电机电机电机（2）闭环控制数控机床数控数控数控数控装置装置装置装置控制控制控制控制电路电路电路电路伺服伺服伺服伺服电机电机电机电机工作台工作台工作台工作台输入输入输入输入闭环控制系统框图闭环控制系统框图闭环控制系统框图闭环控制系统框图位置检位置检位置检位置检测元件测元件测元件测元件速度检速度检速度检速度检测元件测元件测元件
8、测元件速度反馈速度反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈位置反馈位置反馈（3）半闭环控制数控机床数控数控数控数控装置装置装置装置控制控制控制控制电路电路电路电路伺服伺服伺服伺服电机电机电机电机工作台工作台工作台工作台输入输入输入输入半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图速度检测元件速度检测元件速度检测元件速度检测元件速度反馈速度反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈位置反馈位置反馈转角检测元件转角检测元件转角检测元件转角检测元件14603B(三)按数控机床功能水平分类1.经济型数控系统2.普及型数控系统3.高档型数控系统14603B1.经济型数控系统经济型数控系统
9、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或LCD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。14603B2.普及型数控系统普及型数控系统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
10、图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，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。14603B3.高档型数控系统高档型数控系统一般系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
11、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。（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得到简化，传动链较短；（2）为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性，热变形小；（3）更多的采用高
12、效率、高精度的传动部件，如滚珠 丝杠、直线滚动导轨等；（4）加工中心带有刀库、自动换刀装置（5）采用辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运 等装置1.1.设计特点设计特点五、数控机床的特点及适用范围经过多年的发展，已形成种类繁多的CNC系统，应用范围也日益广泛。主要包括：金属切削金属成型特种加工其它类型五、数控机床的特点及适用范围六六 数控机床的发展数控机床的发展1952年的第一代电子管数控机床1959年的第二代晶体管数控机床1965年的第三代集成电路数控机床1970年的第四代小型计算机数控机床1974年的第五代微型计算机数控系统1990年的第六代基于PC的数控机床随着计算机技术的发展，数控技
13、术不断采用计随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。朝着下述方向发展。1.高速、高效、高精度 2.控制智能化 3.网络化 4.数控系统开放化 5.并联机床 6.STEP-NC六六 数控机床的发展数控机床的发展我国我国我国我国自主研发的并联机床样机自主研发的并联机床样机自主研发的并联机床样机自主研发的并联机床样机六六 数控机床的发展数控机床的发展六六 数控机床的发展数控机床的发展 日本日本 FANUC六六 数控机床的发展数控机床的发展德国肖特德国肖特六六 数控机床的发展数控机床的发展美国哈挺美国哈挺
14、六六 数控机床的发展数控机床的发展韩国现代韩国现代六六 数控机床的发展数控机床的发展瑞士米克朗瑞士米克朗六六 数控机床的发展数控机床的发展14603B第二节计算机数控系统一、主要工作过程二、硬件构成三、面板结构四、软件构成五、信息流处理过程六、数控系统的功能14603B一、主要工作过程图1-16计算机数控机床工作过程示意图14603B二、硬件构成图1-17经济型计算机数控系统实例14603B二、硬件构成图1-18普及型计算机数控系统实例14603B二、硬件构成图1-19一个计算机数控系统的内部构成14603B三、面板结构1.轴移动按钮(+X、X、+Y、Y、+Z、Z)2.快速移动按钮3.主轴起停
15、按钮4.主轴倍率选择5.进给起动与保持按钮6.进给倍率选择波段开关7.单段运行开关8.条件程序段开关9.程序起停(或称数控起停)按钮10.点动增量选择11.方式选择12.手轮操作坐标轴选择开关14603B三、面板结构13.急停自锁按钮14.程序锁住15.手轮倍率开关16.机械锁定开关17.Z轴指令无效开关18.辅助功能锁定开关19.空运转开关数控加工编程及操作57数控铣床篇：FANUC0i 数控系统操作界面 数控加工编程及操作58对刀界面对刀界面机床面板显示机床面板显示数控加工编程及操作593.程序输入与调试新程序名输入 数控加工编程及操作604.程序输入与调试已有程序修改数控加工编程及操作6
16、15.刀具补偿参数设置通过通过“OFFSETSETING”OFFSETSETING”将刀具长度和半径参数输入补偿表将刀具长度和半径参数输入补偿表数控加工编程及操作626.系统参数修改系统重启后即可修改系统参数。14603B四、软件构成图1-24计算机数控系统的软件结构14603B五、信息流处理过程1.输入2.译码3.诊断4.刀补计算5.速度处理6.插补处理7.位置控制14603B五、信息流处理过程图1-25CNC装置内部连续信息数据流转换过程14603B六、数控系统的功能(一)核心功能(二)可选功能(三)先进功能(四)其他功能14603B(一)核心功能1.准备功能(G功能)2.进给功能(F功能
17、)3.主轴转速功能(S功能)4.辅助功能(M功能)5.刀具功能(T功能)14603B(二)可选功能1.编程功能2.加工模拟功能3.监测和诊断功能4.测量和校正功能5.用户界面功能6.通信功能7.单元功能14603B(三)先进功能1.半径直接编程2.倒角功能3.恒线速度切削功能4.刀尖圆弧半径补偿功能5.刀具寿命管理功能6.镜像加工功能7.自动交换工作台功能8.靠模加工与数据采集功能9.动力刀具与C轴功能10.子程序与用户宏程序11.循环加工功能12.跳步功能14603B(三)先进功能13.自动工件检测功能14.螺纹加工中的特殊功能15.同步轴控制功能16.先进伺服控制功能17.逆动功能18.比
18、例缩放与坐标旋转功能14603B(四)其他功能图1-28各种机械制造自动化系统在生产率和柔性方面的比较14603B第三节数控机床与现代机械制造系统第三节数控机床与现代机械制造系统一、现代机械制造系统二、数控机床与现代机械制造系统的关系14603B(一)现代机械制造系统概述1.柔性自动生产线2.柔性制造单元(FMC)3.柔性制造系统(FMS)4.计算机集成制造系统(CIMS)14603B1.柔性自动生产线图1-29柔性制造单元的控制结构14603B2.柔性制造单元(FMC)图1-30柔性制造系统的控制和管理软件示意图14603B3.柔性制造系统(FMS)柔性制造系统将多个工段，如数台数控机床(包
19、括加工中心)或柔性制造单元、清洗机、安装单元、工件和刀具的装卸与搬运和存储系统结合到一起，由一台制造系统中央计算机进行系统的协调和控制。14603B4.计算机集成制造系统(CIMS)1)计算机集成制造将制造企业的全部生产经营活动，即从市场分析、产品设计、生产制造、质量保证、经营管理直至产品售后服务等，通过数据驱动形成一个有机的整体，使企业内各种活动互相协调地进行。2)CIM不是各种自动化系统的简单叠加，而是通过计算机网络和数据管理技术实现各单元技术的集成。3)CIM能有效地实现柔性生产。(1)产品设计和工艺设计子系统产品设计和工艺设计子系统包括CAD/CAPP/CAM和CAQ技术子系统。(2)
20、经营管理子系统经营管理子系统负责企业的经营管理和计划管理。14603B4.计算机集成制造系统(CIMS)(3)制造过程子系统制造过程子系统包括各种数控加工系统(如普通数控机床和数控加工中心)、自动检验系统、自动安装系统、物料存储系统、传输系统、工业机器人和总控计算机(如单元计算机)等柔性制造和过程控制装置。(4)通信网络和数据库管理系统信息的交换和共享是CIMS集成的桥梁，因此，通信网络和数据库管理系统是CIMS基本的支撑技术和子系统。14603B图1-31柔性制造系统的控制结构14603B(二)现代机械制造系统的信息网络模型1.计划层计划层属于工厂级或企业级，负责处理经营和管理信息，制定长期
21、生产计划，进行产品设计和工艺设计，对下一层下达生产指令。2.管理层管理层属于车间级或系统管理级，负责制定近期任务计划和资源分配计划(作业计划)，把任务和资源分配给有关单元，并进行跟踪和协调。3.单元层单元层系指系统控制级，负责各个自动化设备的资源和任务分配，对任务的执行过程进行监视和协调，并向上一级报告任务执行的状况。4.设备控制层设备控制层系指设备控制级，负责自动化设备(如数控机床、机器人、传输系统、自动化仓库等)的控制和监视，通过这一级的控制完成工件的加工、安装和测量等任务，并向上一级报告设备运行状态。5.执行层执行层是指执行机构和传感器级。传感器将过程参数转换为信息，执行机构将信息转换为过程参数，二者的相互作用使过程的控制得以实现。14603B(二)现代机械制造系统的信息网络模型图1-33现代机械制造系统信息网络模型14603B二、数控机床与现代机械制造系统的关系(一)单元功能 单元功能提供了数控机床与柔性制造单元/柔性制造系统的接口。在制造单元内，数控系统的输入信息除了数控加工程序外，还有关于任务、托盘和刀具的数据。单元功能包括任务管理、托盘管理和刀具管理。(二)通信功能