模块一数控系统结构与功能分析

模块一数控系统结构与功能分析 教学目的与要求 1、掌握数控系统的构造与工作原理； 2、了解机床数控技术发展的历史与方向； 3、掌握典型数控系统的类型、接口与连接； 4、了解数控系统的数据处理流程和轮廓插补原理。

数字控制基本概念 • 数控：（Numerical Control， NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。 • 数控机床：用数控技术控制的机床称为数控机床。

采用了数控技术的机床或是装备了数控系统的机床，可在零件程序的控制下自动完成程序所规定的操作，其实质和特征是用数字技术控制机床。采用了数控技术的机床或是装备了数控系统的机床，可在零件程序的控制下自动完成程序所规定的操作，其实质和特征是用数字技术控制机床。 • 数控机床的一般工作形式为：

原理：首先将被加工零件的有关信息（几何信息、工艺信息等）表示成数字控制装置所能接受的指令信息，然后由数字控制装置对指令信息和反馈信息进行处理，计算出机床各坐标运动的控制信息，最后将控制信息转换为机床各坐标部件的实际运动，加工出符合设计要求的零件。原理：首先将被加工零件的有关信息（几何信息、工艺信息等）表示成数字控制装置所能接受的指令信息，然后由数字控制装置对指令信息和反馈信息进行处理，计算出机床各坐标运动的控制信息，最后将控制信息转换为机床各坐标部件的实际运动，加工出符合设计要求的零件。

实质：机床数字控制是一种信息变换与处理的过程，其基本原理可以用“分解与合成”进行概括。实质：机床数字控制是一种信息变换与处理的过程，其基本原理可以用“分解与合成”进行概括。 1）零件表面信息的分解； 2）刀具轨迹信息的分解； 3）基本曲线信息的分解； 4）坐标运动的实现； 5）刀具轨迹的合成； 6）加工路径的合成；

数控机床的三大控制对象 • 进给运动：刀具或工作台的位置及速度 • 主运动：主轴无级调速 • 辅助动作：开关动作

数控机床的组成 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。

数控系统组成框图

1、控制介质 人和数控机床联系的媒介物。 (也称程序介质、输入介质、信息载体) 控制介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体，有些直接集成在CAD/CAM中。

2、数控装置 数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。

3、伺服系统 其作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。脉冲当量δ ——相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：0.01mm，0.005mm，0.001mm

步进电机 编码盘直流伺服电机光栅交流伺服电机磁珊常用的伺服元件常用的检测元件

数控系统 主轴单元数控刀架和转台滚动部件刀库和机械手高速防护罩 4、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，分为六大块

数控机床本身的特点： • （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）为了使用连续性自动化加工，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）辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置

优势 • 适应性强，适合加工单件小批量、复杂零件 • 加工零件一致性好、重复精度高 • 高自动化、高效率 • 只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具 • 可以采用复合工艺 • 有利于生产管理的现代化

数控机床的分类 数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。 1. 按工艺用途分类 2. 按运动轨迹分类 3. 按伺服系统的控制方式分类 4. 按功能水平分类

1.　按工艺用途分类 • 一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。 • 数控加工中心：在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。 • 多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。

2. 按运动轨迹分类 点位控制数控机床：点——点位置精确控制，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

刀具 A 工件 B 点位控制钻孔加工按运动轨迹分类

点位直线控制切削加工 按运动轨迹分类

刀具工件轮廓控制加工按运动轨迹分类

3. 按伺服系统的控制方式分类 （1）开环控制数控机床（2）闭环控制数控机床（3）半闭环控制数控机床

工作台 输入数控装置控制电路步进电机减速器开环控制系统框图（1）开环控制数控机床

工作台 输入数控装置控制电路伺服电机位置检测元件速度检测元件速度反馈位置反馈闭环控制系统框图（2）闭环控制数控机床

工作台 输入数控装置控制电路伺服电机速度检测元件速度反馈转角检测元件位置反馈半闭环控制系统框图（3）半闭环控制数控机床

2）按功能水平分类 • 经济型数控系统 • 这类数控系统通常采用8位CPU或单片机控制，分辨率一般为0.01mm，进给速度达6~8m/min，联动轴数在3轴以下，具有简单的CRT字符显示或数码管显示功能。 • 普及型数控系统 • 这类数控系统通常采用16位的CPU，分辨率可达0.001mm，进给速度达10~24m/min，联动轴数在4轴以下，具有平面线性图形显示功能。 • 高级型数控系统这类数控系统通常采用32位的CPU，分辨率高达0.0001mm，进给速度可达100m/min，联动轴数在5轴以上，具有3维动态图形显示功能。

按数控装置分类 • 硬件数控机床（NC）速度快，但功能扩展性和灵活性差 • 软件控制数控机床（CNC）主要功能由软件实现，软件模块化，便于扩展

数控机床的产生和发展 • 1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。

1946年第一台电子计算机问世，奠定了数 控机床产生的基础1947年产生数控机床的设想1949年美国开始研制1952年第一台三坐标镗铣床试制成功

硬件直接数控（NC）：1952年电子管1959年晶体管1965年集成电路硬件直接数控（NC）：1952年电子管1959年晶体管1965年集成电路

计算机软件数控：1970年小型计算机1974年微处理器 基于工控PC机的通用型CNC系统我国1958年研制了第一台数控机床

我国机床数控技术的发展 （1）1958年开始数控机床的研制直到70年代处都处于起步阶段。（1966年研制成功晶体管数控系统，1972年研制成功集成电路数控系统）（2）70年代至80年代初，国内数控发展属于俳徊期。（3）1980年开始引进日本、美国一些数控系统和伺服技术。（4）90年代后逐步形成生产普及型数控系统为主的国有企业和合资企业的基本力量。（5）目前我国数控系统处于研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。

数控系统发展趋势 一、高精度、高速度 1、足够高的进给加速度 2、高精度插补 3、前馈控制 4、连续轮廓前瞻控制 5、必须配备高分辨率的检测光栅二、开放式体系三、智能化四、网络化五、高可靠性六、多轴联动化

高速高精加工机床 • 高速、高效率加工是金属切削行业的发展方向。 • 高速切削加工技术是指采用超硬材料的刀具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 • 高速切削加工是实现高效率制造的核心技术, 是当代先进制造技术的一个重要发展方向，它在汽车工业、航空航天、模具制造等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益。目前，高速高精数控机床正日益普及，成为数控技术发展的主流

高速切削加工(High - Speed Machining或HSM) • 1931年德国Carl Salomon博士首先提出高速切削加工理论：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于不同的工件材料，存在一个切削速度范围，在这个范围中由于切削温度过高，刀具材料无法承受而不能进行加工，故该速度区域被称为“死区”。当切削速度超过“死区”以后, 随着切削速度的增大切削力会下降，切削温度也会降低。 • 不同的工件材料其切削速度范围不同，目前,一般认为,超高速切削各种材料的切速范围为:铝合金已超过1600m /min,铸铁为1500m /min,超耐热镍合金达300m /min,钛合金达150 ～1000m /min,纤维增强塑料为2000～9000m /min。

高速切削加工技术的优点 • 切削效率高。 • 随着刀具切削速度的大幅提高, 工件进给速度亦相应提高5～10倍。 • (2) 加工精度高, 表面粗糙度低。 • 高速切削时,机床的激振频率相当高, 远离了工艺系统的低阶固有频率, 因而工作平稳, 振动小。 • (3) 切削力小, 变形小。 • (4）确保零件的使用性能

HSC技术的影响因素 高速切削不只是切削速度的提高，是一项复杂的系统工程，它的发展涉及到机床、数控系统、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

高速切削机床的主要技术 1、高速电主轴 2、高速进给系统当前高定位精度的高速进给系统的最佳解决方案：直线驱动加绝对式光栅尺。直线电机与工作台合为一体，电机输出的推力直接作用在工作台上，省掉了传统机械结构中的丝杆，从而简化了传动系统的结构，减小了传动系统的误差。

直线电机进给驱动系统的优点： • 动态性能好。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。 • 速度和加速度高。最大进给速度可达80～180 m/min，加速度可高达2～10g。 • 定位精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，因而定位精度可高达0.1～0.01mm。 • 非接触、无摩擦、无磨损。

3、机床本体良好的刚性 数控机床是一种典型的机电一体化产品，数控机床的品质如加工精度和动态特性，不是仅仅取决于采用什么档次的数控系统，更取决于高质量的机械部件和优化的装配工艺，取决于机电的密切配合，机床本体的刚性直接影响数控机床的动态特性，优良的机械系统是一台高品质数控机床的基础。 4、高速切削刀具技术刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。 5、高速切削工艺技术

开放式数控系统 一、数控系统的开放性 1、逻辑控制的开放性 2、人机界面的开放性 3、数控系统内核的开放性

二、开放式数控系统 • 开发式数控装置的概念结构

开放式数控系统具有以下基本特征： （1）模块化。（2）可互换性。（3）可裁剪性。（4）可扩展性。（5）接口标准化。

CNC系统的组成 • 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 • 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。

数控加工程序 被控设备机床机器人测量机 ...... 应用软件控制软件接口管理软件操作系统硬件 CNC系统平台 CNC装置的组成和工作原理

系统系统控制软件初始化程序管理存储录放管理软件控制软件编辑输入程序输出程序显示程序诊断程序译码程序补偿计算速度控制插补程序位控程序图4.1 CNC软件的构成硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。

3、简要工作过程： 1）输入：输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译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区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。

4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6）PLC处理：处理CNC装置与机床之间的信息。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。

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