数控原理与系统-1

郑州职业技术学院数控教研室第一章数控系统概述第二章数控系统程序输入与通信第三章插补原理与刀具补偿原理第四章计算机数控装置第五章伺服系统第六章位置检测装置第七章数控系统中的PLC控制第八章数控系统的连接数控原理与系统第一章数控系统概述第一节数控系统基本概念第二节数控系统的组成及工作过程第三节数控系统的分类第四节数控系统的产生、类型及发展趋势一、数控与数控系统(机床)数字控制（NC）数控系统（NCS）数控装置（NCU）计算机数控（CNC）第一节数控系统的基本概念第一节数控系统的基本概念二、数控系统(机床)的特点1．适应性(柔性)强2．可靠性高3．易于实现多功能复杂程序控制4．具有较强的网络通信功能5．具有自诊断功能一、数控系统的组成图1-1是数控机床的组成框图。数控机床一般由输入输出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元、PLC及其接口电路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1．输入/输出装置(设备)2．数控装置3．伺服驱动装置4．辅助控制装置5．检测装置6．机械部件(机床本体）第二节数控系统的组成及工作过程第二节数控系统的组成及工作过程主轴伺服数控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备图1-1数控机床的逻辑组成第二节数控系统的组成及工作过程第二节数控系统的组成及工作过程图1-2FANUC系列150iB型数控装置二、数控系统的工作过程第二节数控系统的组成及工作过程数控装置伺服系统加工程序零件图数控系统机床图1-3数控系统工作过程第二节数控系统的组成及工作过程用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：一、按控制轨迹的特点分类1.点位控制数控机床(图1-4点位控制)2.直线控制数控机床(图1-5直线控制)3.轮廓控制数控机床(图1-6轮廓控制)第三节数控系统的分类第三节数控系统的分类图1-4点位控制第三节数控系统的分类图1-5直线控制第三节数控系统的分类图1-6轮廓控制第三节数控系统的分类联动轴数（1）两轴联动（2）两轴半联动（3）三轴联动（4）四轴联动（5）五轴联动第三节数控系统的分类二、按伺服系统的类型分类1．开环控制数控机床图1-7开环数控系统的结构图第三节数控系统的分类2．闭环控制数控机床图1-8闭环数控系统的结构图第三节数控系统的分类3．半闭环控制数控机床图1-9半闭环数控系统结构图第三节数控系统的分类三、按制造方式分类1.通用型数控系统2.专用型数控系统第三节数控系统的分类四、按功能水平分类1.高级型数控系统2.普及型数控系统3.经济型数控系统第三节数控系统的分类表1.1数控系统的功能分类性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高级型3250.124三维动态普及型1630.1~1010~24字符/图形经济型831010字符第四节数控系统的发展趋势一、数控技术与数控机床的产生与发展1952年，美国帕森斯公司（ParsonsCo.）和麻省理工学院（MIT）共同合作，研制出第一台三坐标数控铣床。1.数控（NC)阶段2.计算机数控（CNC)阶段第四节数控系统的发展趋势二、现代数控系统类型1.普及型数控系统（1）多CPU数控系统（2）模块化数控系统（3）智能化数控系统2.PC嵌入NC结构式数控系统3.NC嵌入PC结构式数控系统4.开放式数控系统5.网络化数控系统第四节数控系统的发展趋势4．开放式数控系统随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(NextGenerationController)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为NGC计划的奠基石，NGC代表了下一代控制技术。第四节数控系统的发展趋势1996年，美国HP公司在东京日本国际机床展览会上展出了开放式数控系统OAC500；HP公司对开放式数控系统提出了12个方面的判别准则：（1）是否基于工业标准硬件平台和总线结构；（2）运动控制软件是否采用工业标准的开放操作系统；（3）能否采用流行的硬件和软件与工厂的网络相连接；（4）能否运行流行的软件而不降低机床的性能；（5）能否安装从不同商家得到的流行硬件；第四节数控系统的发展趋势（6）设计或第三方开发者能否应用标准工具和文件格式、编程接口建立用户实时的应用；（7）能否修改所有级别的控制软件；（8）控制商家能否提供文件格式的开发工具，允许访问系统的所有级别？（9）对于I/O接口，控制器是否使用了标准的现场总线？（10）是否可以把控制器与不同厂家的伺服装置相连接？（11）控制器是否可以与多用户控制的网络相连接？（12）所有的编程（运动、PLC）是否采用了标准的流行的编程工具？第四节数控系统的发展趋势5．基于网络的数控系统网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：（1）数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的通信，主要通过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；（2）数控系统与上级主计算机间的通信；（3）与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；（4）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（5）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。第四节数控系统的发展趋势三、数控系统的发展方向1.高速、高精度2.伺服系统方面（1）采用数字伺服系统（2）采用现代控制理论提高跟随精度（3）采用高分辨率的位置编码器3.实现多种补偿功能4.网络化伺服驱动第四节数控系统的发展趋势5．高可靠性可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：（1）提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。（2）建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等。第四节数控系统的发展趋势（3）增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到MTBF=10000--36000小时。第四节数控系统的发展趋势6.CNC系统智能化7.具有更高的通信功能四、几种典型数控系统结构1.计算机直接数控（DNC）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）第四节数控系统的发展趋势数字制造(CIMS-计算机集成制造系统)1995年12月，美国SME主席G.Olling提出，“数字制造”（“digitalmanufacturing”）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC还可以对CAD/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。