1、模塊一 數(shù)控技術(shù)概論 數(shù)控原理與應(yīng)用9/6/2022模塊一 數(shù)控技術(shù)概論 數(shù)控原理與應(yīng)用9/6/20221.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成及原理 一、 基本概念 數(shù)控 是數(shù)字控制(Numerical ControlNC)的簡稱，是用數(shù)字化信息對某一對象的工作過程進(jìn)行自動(dòng)控制的一門技術(shù)。其控制對象可以是機(jī)械量，也可以是物理量。 數(shù)控是用坐標(biāo)位移、進(jìn)給速度等數(shù)字信息構(gòu)成的零件加工程序?qū)C(jī)床的工作過程實(shí)施控制的一門技術(shù)。 數(shù)控系統(tǒng)是指采用數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)控制的一整套設(shè)備和裝置。9/6/2022數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種機(jī)床的控制，從而構(gòu)成不同類型的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機(jī)床、

2、數(shù)控加工中心等。 在為數(shù)眾多的數(shù)控機(jī)床中，雖然被控對象各不相同，但是其控制過程基本是一樣的，一般的數(shù)控加工控制過程如圖所示:9/6/2022圖1.1 數(shù)控加工控制過程示意圖 9/6/2022數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字信息進(jìn)行控制的機(jī)床。它用數(shù)字代碼將刀具相對工件移動(dòng)的軌跡、速度等信息記錄在程序介質(zhì)上， 然后送入數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過譯碼和運(yùn)算，控制機(jī)床刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng),加工出所需要的工件。數(shù)控機(jī)床的加工過程是怎樣的？9/6/2022二、數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 裝備有數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控加工中心如圖1.2所示。圖1.2 裝備有數(shù)控系統(tǒng)的加工中心9/6/2022三、 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 1.數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生 數(shù)控

3、技術(shù)是20世紀(jì)40年代后期為適應(yīng)復(fù)雜外形零件的加工而發(fā)展起來的一種自動(dòng)化技術(shù)，其研究起源于飛機(jī)制造業(yè)。 1949年美國帕森（Parsons）公司與美國麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)研究所合作，于1952年研制成功了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床-三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床，可控制銑刀進(jìn)行連續(xù)空間曲面的加工，由此拉開了數(shù)控技術(shù)研究的序幕。9/6/2022 能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件的加工 加工精度高，產(chǎn)品一致性好 生產(chǎn)效率高 柔性好 自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低2.數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)9/6/20221959年，美國克耐杜列克公司（Keaney & Trecker Company）開發(fā)出了裝有自動(dòng)換刀裝置，能夠一次裝夾，多工序加工的加

4、工中心。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有一定柔性的加工系統(tǒng)，即柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacture SystemFMS）1980年后，又出現(xiàn)了以數(shù)臺加工中心為主體，再配上工件自動(dòng)裝卸和監(jiān)控檢驗(yàn)裝置而構(gòu)成的柔性制造單元（Flexible Manufacture CellFMC）。1990年后，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacture SystemCIMS)已經(jīng)逐漸投入使用，并呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。3.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 9/6/2022特點(diǎn):帶有位置檢測反饋裝置，以直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置檢測元件安裝在機(jī)床工作臺上。9/6

5、/2022特點(diǎn):位置檢測反饋元件安裝在電機(jī)軸端或絲杠軸端，也以直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。9/6/2022混合應(yīng)用開環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)的控制方式，又分為：開環(huán)補(bǔ)償型數(shù)控系統(tǒng)、半閉環(huán)補(bǔ)償型數(shù)控系統(tǒng)兩種。 9/6/2022這種控制方式為要求較高的進(jìn)給速度和返回速度的高精度大型機(jī)采用.9/6/2022四、按機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡分類直線控制數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床不僅要控制機(jī)床刀具從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)， 而且要沿直線軌跡（一般與某一坐標(biāo)軸平行或成45角）以一定速度移動(dòng)， 移動(dòng)過程中可進(jìn)行切削加工 。9/6/2022四、 按機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡分類輪廓控制型數(shù)控機(jī)床 該類機(jī)床的刀具可沿直線、圓弧或拋物線等曲線軌跡移動(dòng)，進(jìn)

6、給速度根據(jù)工藝要求編程確定，可實(shí)現(xiàn)曲線或者曲面輪廓加工，加工示例如圖所示。這類數(shù)控機(jī)床具備2軸以上聯(lián)動(dòng)功能，其輔助功能也比前兩類多。像數(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控加工中心等都屬于這種控制方式。 9/6/2022多軸聯(lián)動(dòng) 控制多個(gè)坐標(biāo)軸按照一定的函數(shù)關(guān)系同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)， 稱為多軸聯(lián)動(dòng)。 按照聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，可分為二軸聯(lián)動(dòng)、二軸半聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。二軸聯(lián)動(dòng) 主要用于數(shù)控車床加工回轉(zhuǎn)體端面、圓錐面、圓弧面等，或者用于數(shù)控銑床加工箱板類零件的曲線輪廓。二軸半聯(lián)動(dòng) 其中二軸保持聯(lián)動(dòng)，另外一軸作周期進(jìn)給，可加工三維空間曲面。三軸聯(lián)動(dòng) 主要用于數(shù)控銑床、加工中心等，用來銑削復(fù)雜的三維空間曲面。四軸以上多

7、軸聯(lián)動(dòng) 主要用于加工形狀復(fù)雜的零件。 9/6/2022 不同聯(lián)動(dòng)軸數(shù)所能加工的型面(a) 二軸聯(lián)動(dòng)； (b) 二軸半聯(lián)動(dòng)； (c) 三軸聯(lián)動(dòng)9/6/2022五軸聯(lián)動(dòng)銑削曲面零件 9/6/2022六軸加工中心坐標(biāo)示意圖9/6/2022小結(jié):1.數(shù)控、數(shù)控系統(tǒng)等基本概念。2.數(shù)控系統(tǒng)的組成。3.數(shù)控系統(tǒng)的分類。9/6/2022作業(yè):P27 1.3，1.49/6/20221.4 數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)知識一、零件加工程序 零件程序是用來描述零件加工過程的指令代碼的集合，由程序號、程序段組成。例如在一塊平板上銑切圓環(huán)槽的零件程序。 O40 ； 程序號 N10 G00 X10 Y25 Z1 S1250 M03；

8、主軸啟動(dòng)，快速定位到（10， 25， 1） N20 G01 Z-5 F100 ； 進(jìn)給到（10， 25， -5） N30 G02 X10 Y25 I20 J0 F125 ；X-Y平面順時(shí)針銑圓弧 N40 G00 Z100 M05 ；快速退回，主軸停止 N50 X-20 ；快速退回 N60 M30 ；程序結(jié)束M30 9/6/20221.4 數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)知識二、零件加工程序的編碼 在穿孔紙帶等控制介質(zhì)上，零件程序的字母、數(shù)字和各種符號是采用標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制編碼來表示的。有ISO和EIA兩種標(biāo)準(zhǔn)編碼格式。ISO碼 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standards Organization

9、)頒布的代碼，采用八位二進(jìn)制表示，最高位為補(bǔ)偶位，所能表示的信息量最多為128種。EIA碼 美國電子工業(yè)協(xié)會(Electronic Industry Association)頒布的代碼，也采用八位二進(jìn)制表示，由低向高的第五位為補(bǔ)奇位，其最高位只有“程序段結(jié)束”代碼(CR)用到，所能表示的信息量最多為64種。ASC碼 美國信息交換標(biāo)推代碼，采用七位二進(jìn)制表示，能形成127個(gè)不同的編碼組合(見附錄2)。在PC機(jī)或CNC裝置內(nèi)部，零件程序通常以ASC碼形式保存，ISO碼就是在ASC碼的基礎(chǔ)上，在最高位增加一個(gè)補(bǔ)偶位形成的。9/6/20221.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置也叫C

10、NC裝置，是面向機(jī)床數(shù)控而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)為核心，配有專用的I/O接口，并用軟件處理控制信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制功能。 與一般的硬件數(shù)控相比，其數(shù)控功能是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，因而具有很好的靈活性和通用性；與一般微機(jī)相比，由于它是面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，因而具有可靠性高、工作穩(wěn)定和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩大部分組成的。9/6/20221.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu)一、 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 1.物理結(jié)構(gòu)：根據(jù)安裝形式板卡布局專用型CNC裝置基于PC的CNC裝置 專用型CNC裝置的硬件和軟件都是針對數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。其鍵盤布局

11、、操作方法和安裝形式等都比較特別，更便于現(xiàn)場操作和安裝，可靠性和抗干擾能力也比較強(qiáng)。如FANUC 0系統(tǒng)、西門子810、西門子802S/C/D等都屬于專用型CNC裝置。9/6/20221.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu) 一、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 2.邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)不同單CPU結(jié)構(gòu)多CPU結(jié)構(gòu)9/6/2022單CPU結(jié)構(gòu)CNC裝置組成框圖 9/6/2022多CPU結(jié)構(gòu)CNC裝置組成框圖 9/6/20221.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu)二、 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) CNC裝置的軟件又稱為系統(tǒng)軟件， 其作用與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)相類似，其組成如圖所示。9/6/2022 CNC多任

12、務(wù)并行處理關(guān)系CNC系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。9/6/2022 CNC系統(tǒng)必須采用多任務(wù)并行處理技術(shù)和實(shí)時(shí)中斷處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)CNC系統(tǒng)軟件中各模塊之間的組織關(guān)系的不同，可分為前后臺型結(jié)構(gòu)和多重中斷型結(jié)構(gòu)。 1.前后臺型結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是一些實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、位置控制等實(shí)時(shí)性要求高的控制任務(wù)；后臺程序是一個(gè)順序循環(huán)執(zhí)行的程序，主要完成一些實(shí)時(shí)性要求不高的功能，如零件程序的輸入、譯碼等插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作和系統(tǒng)管理工作。 1.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu)二、 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 9/6/2022 后臺程序一般結(jié)構(gòu) 9/6/2022 前臺程

13、序一般流程 9/6/20222.中斷型結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件除了初始化程序之外，其他各功能模塊分別被安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，優(yōu)先級別高的程序可以中斷優(yōu)先級別低的程序。優(yōu)先級分配示例如下。 1.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu)二、 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 9/6/20221.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置組成結(jié)構(gòu)三、 零件加工程序的處理過程 9/6/2022數(shù)控零件程序的處理過程 9/6/2022 零件加工程序段在CNC裝置內(nèi)部的六個(gè)處理步驟如圖2.7所示，順序是輸入譯碼刀具補(bǔ)償進(jìn)給速度處理插補(bǔ)位置控制，各個(gè)步驟的主要功能是：數(shù)控零件程序的處理過程 9/6/20221.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介一

14、、 日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)由日本FANUC公司生產(chǎn)，其產(chǎn)品分許多個(gè)系列。1.FANUC Series 3/5/6/7系列2.FANUC Series 101112系列3.FANUC Series 0系列4.FANUC Series 15系列 5.FANUC Series l6/18/21系列6.FANUC Series 20i系列7. FANUC Series 30i/300i/3000is系列9/6/2022 二、德國SIEMENS公司的CNC產(chǎn)品1.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介SINUMERIK 802S/C/D系列 802S是SIEMENS公司在20世紀(jì)90年代中后期推出的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。9

15、/6/2022三、 西班牙FAGOR公司的CNC產(chǎn)品 FAGOR公司生產(chǎn)的CNC產(chǎn)品有101/102、800、80258030、8050等系列。11.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介9/6/2022四、施耐德公司的CNC產(chǎn)品1.NUM1020/1040數(shù)控系統(tǒng)是NUM公司于1995年開發(fā)出的全新數(shù)控系統(tǒng)，是緊湊且功能完善的32位數(shù)控系統(tǒng)，并且和NUM1060系列系統(tǒng)完全兼容，特別適合于1至6軸的數(shù)控機(jī)床。2.NUM1020T基本單元適用于銑床的24軸CNC內(nèi)裝式可編程控制器（PLC）32 位CPU超大規(guī)模集成電路CISC。配置基本單元適合2軸車床的CNC系統(tǒng)。3.NUM 1040M 基本配置基本單元適

16、用于銑床， 鏜床和加工中心的。4.NUM 1040T 基本配置基本單元適合24軸雙刀架車床中心的。5.NUM1060是模塊化、大功率的多軸組合系統(tǒng)，適合于銑、車、磨等金屬加工機(jī)床和木材加工以及各種切齒機(jī)、特種機(jī)床和回轉(zhuǎn)組合機(jī)床等設(shè)計(jì)。1.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介9/6/2022五、 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)1. 華中數(shù)控華中數(shù)控以“世紀(jì)星”系列數(shù)控單元為典型產(chǎn)品，HNC21T為車削系統(tǒng)，最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為4軸；HNC2122M為銑削系統(tǒng)，最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為4軸，采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌人式工業(yè)PC。伺服系統(tǒng)的主要產(chǎn)品包括：HSV11系列交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，HSV16系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，交

17、流伺服主軸驅(qū)動(dòng)裝置與電機(jī)，永磁同步交流伺服電機(jī)等。1.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介9/6/20222. 北京航天數(shù)控 北京航天數(shù)控的主要產(chǎn)品為CASNUC 2100數(shù)控系統(tǒng)，是以PC機(jī)為硬件基礎(chǔ)的模塊化、開放式的數(shù)控系統(tǒng)，可用于車床、銑床、加工中心等8軸以下機(jī)械設(shè)備的控制，具有2軸、3軸、4軸聯(lián)動(dòng)功能。3. 上海開通數(shù)控 五、 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)1.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介9/6/2022 4廣州數(shù)控 其主要產(chǎn)品有GSK983M-V、980MD銑床數(shù)控系統(tǒng)、GSK980TDa、928TEII、980TB1、218TB車床數(shù)控系統(tǒng)、DAP03主軸伺服驅(qū)動(dòng)、ZJY208、ZJY265主軸伺服電機(jī)等產(chǎn)品。 G

18、SK218M、990MA銑床數(shù)控系統(tǒng)、928GA/GE磨床數(shù)控系統(tǒng)、80SJT系列伺服電機(jī)等新產(chǎn)品進(jìn)入小批量生產(chǎn)。 五、 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)1.6 常見數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品簡介9/6/2022 本 模 塊 小 結(jié) 數(shù)控是數(shù)字控制(Numerical ControlNC)的簡稱，是用數(shù)字化的信息對某一對象的工作過程進(jìn)行自動(dòng)控制的一門技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)是指采用數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一整套裝置和設(shè)備。 數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置、機(jī)床電氣邏輯控制裝置、位置檢測裝置五個(gè)部分組成。9/6/2022 1952年，美國帕森（Parsons）公司與美國麻省理工學(xué)院合作，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的自動(dòng)化生產(chǎn)而研制成功了第一臺數(shù)控機(jī)床三坐標(biāo)數(shù)控銑床，由此拉開了數(shù)控技術(shù)研究的序幕。 數(shù)控系統(tǒng)種類很多，按照其內(nèi)部電路元件的不同，可以分為硬件數(shù)控和計(jì)算機(jī)數(shù)控兩大類；按控制方式分為開環(huán)控制、全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制和混合控制型數(shù)控系統(tǒng)；按功能水平，可以分