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第2章数控机床的数控系统本章主要内容2.1典型数控系统介绍2.2数控系统的组成与基本原理2.3数控系统的硬件结构2.4数控系统的软件结构2.5数据处理2.6数控系统的插补原理2.7逐点比较法本章知识点1．典型数控系统：FANUC、SIEMENS和HNC-21的简介2．数控系统的组成与基本原理3．数控系统软件的特点与结构模式4．零件程序的输入、译码、刀具补偿和处理用缓冲区等数据处理5.可编程控制器（PLC）的相关知识6．数控系统的插补原理与插补方法。7．常用插补法方法：逐点比较法的介绍下一页2.1典型数控系统介绍2.1.1FANUC数控系统介绍日本FANUC公司生产的CNC产品主要有FS0、FS3、FS6、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我国用户使用的系列主要有FS0、FS15、FS16、FS18、FS21/210等。1．FS0系列1985年FANUC公司推出了FS0系列面板装配式数控系统，它的主要特点是体积小、价格低，适用于机电一体化的数控机床。FS0系列数控一般由主电路板、PLC板、附加I/O板、图形控制板和电源组成。下一页返回2.1典型数控系统介绍FS0系列数控系统有多种规格。常用的数控系统型号有：FS0-MA/MB/MEA/MC/MF用于加工中心、数控铣床和镗床；FS0-TA/TB/TEA/TC/TF用于数控车床；FS0-TTA/TTB/TTC用于一个主轴双刀架或两个主轴双刀架的四轴数控车床；FS0-GA/GB用于数控磨床；FS0-用于回转头压力机。其中，T型用于单刀架单主轴的数控车床；TT型用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床；M型用于数控铣床或加工中心；G型用于数控磨床；F型是对话型数控系统。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍2．FS6系列1979年推出的FS6系列数控系统，是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC系统。其中，6M适用于数控铣、镗床和加工中心；6T适用于数控车床。3．FS10/11/12系列1984年推出的FS10/11/12系列数控系统为多微处理器控制系统。FS10/11/12系列数控系统适用于大、中型数控机床，具有很多规格，可用于各种机床，规格型号有M型、T型、TT型和F型。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍4．FS15系列1987年FANUC公司推出新的FS15系列多微处理器控制数控系统，称之为AI-CNC系统（人工智能数控系统）。它适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。5．FS16系列FS16系列是功能上位于FS15系列和FS0系列之间的最数控系统，在作为控制用的32位复合指令集计算机CISC（ComplexInstructionSetComputer）上又增加了32位精减指令集计算机RISC（ReducedInstructionSetComputer）。FS16系列采用高速32位FANUCBUS和TFT彩色液晶薄型显示器等新技术。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍6．FS18系列FS18系列是紧接着FS16系列推出的32位数控系统，在功能上也是位于FS15系列和FS0系列之间，但低于FS16系列。7．FS21/210系列FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系统，该系统常用的数控系统型号有FANUC21i-MA/MB、FANUC21i-TA/TB等。本系列的数控系统适用于中、小型数控机床。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍2.1.2SIEMENS数控系统介绍SIEMENS数控系统是由德国SIEMENS公司生产，产品主要有SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810、SINUMERIK820、SINUMERIK850、SINUMERIK880、SINUMERIK840、SINUMERIK802等系列。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍1．SINUMERIK3系列SINUMERIK3系列数控系统适用于各种机床控制，有M型、T型、TT型、G型和N型等。此外，3T系统借助于转换功能，可使一般的数控车床变成一个柔性车削中心。SINUMERIK3系列数控系统主要由中央处理单元、存储器模块、操作面板接口、外部连接接口、PLC中央处理单元、PLC存储模块、编程器接口、逻辑模块及各种输入/输出模块等组成。2.1典型数控系统介绍2．SINUMERIK8系列SIEMENS公司于20世纪80年代初期推出，适用于各种数控机床。SINUMERIK8系列数控系统主要由主控制模块、电源模块、存储模板、各种位置控制模板、测量接口模板、操作面板、电源模板和译码电路模板、PLC与CNC接口模板、PLC和CNC信号传递模板及系统软件模板等组成。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍3．SINUMERIK810/820系列SIEMENS公司于20世纪80年代中期推出，该系列产品分为M、T、G型等。其中M型用于数控镗床、铣床和加工中心；T型用于数控车床；G型用于数控磨床。此系统一般用于中、小型数控机床。SINUMERIK810/820系列数控系统由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储器模块、文字图形处理模块、接口模块、I/O模块、CRT显示器及操作面板组成。如P50图2-2所示为SINUMERIK810数控系统结构。2.1典型数控系统介绍4．SINUMERIK850/880系列20世纪80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK850/880系列数控系统。该系列产品适用于高度自动化水平的机床及柔性制造系统，有850M、850T、880M和880T等规格。SINUMERIK850/880最多可控制30个主、辅坐标轴和6个主轴，可实现16个工位联动控制。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍5．SINUMERIK802系列20世纪90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK802系列数控系统。其中802S和802C是经济型数控系统，可带3个进给轴。802S采用带有脉冲及方向信号的步进驱动接口，可配接STEPDRIVEC/C+步进驱动器和五相混合式步进电机或FMSTEPDRIVE步进驱动器和1FL3系列三相步进电动机，如P51图2-3所示为SINUMERIK802S数控系统结构；802C则包含有传统的-10V~10V接口，可配接SIMODRIVE611驱动装置。802S/C除了3个进给轴外，都有一个-10V~+10V接口，用于连接主轴驱动。SINUMERIK802S/C包含操作面板、机床控制面板、CNC单元及PLC模块，可安装在通用的安装导轨上。SINUMERIK802D是数字式的数控系统，可控制最多4个数字进给轴和一个主轴。如P52图2-4所示。数控系统通过PROFIBUS总线与I/O模块和数字驱动模块相连接，主轴通过模拟接口控制。SINUMERIK802S/802C/802D采用SIMATICS7-200PLC指令集对系统内部PLC进行编程。2.1典型数控系统介绍2.1.3HNC-21数控系统介绍国产华中“世纪星”数控系统采用基于工业计算机作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。如图2-5所示为华中“世纪星”系列产品。1．“世纪星”系统配置主要特点如下：（1）基于工业PC的数控系统，先进的开放式体系结构。可与数控车、数控铣、加工中心、车铣复合等机床配套。（2）“世纪星”系统有普及型（HNC-21）和功能型（HNC-22）两个系列，可配6个进给轴，最大联动轴数为6轴。进给轴控制接口类型有脉冲、模拟、串口等多种类型，可连接多种伺服电机和步进电机。既可用作半闭环、闭环控制，也可用作开环控制。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍（3）系统配置7.7英寸彩色液晶显示器（分辨率640×480象素），也可配10.4英寸TFT彩色液晶显示器（分辨率640×480象素），画面美观、清晰、直观。（4）可选配电子盘、硬盘、软驱、网络等存储器，极大地方便用户的程序输入。用户程序可断电储存容量达16MB。程序存储个数无限制,直至存储器写满。（5）标准配置40路输入和32路输出，不需扩展即可满足大部分数控车、铣和加工中心的控制要求，并可根据需要扩展到128路输入和128路输出。（6）面板包含标准数控车、铣床操作按钮和状态指示灯，使用户操作直观明了。显示屏亮度具有手动和自动调节功能。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍（7）DNC接口通讯功能，DNC最大速度115.2KB/S；可选配局域网（以太网）连接功能，可实现数控机床联网，以太网速度可达10～100MB/S。2．“世纪星”系统功能主要特点如下：（1）编程语言采用国际通用的G代码编程，具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，支持程序的旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序、子程序调用、多种坐标系设定等功能。支持MasterCAM、UG、ProE和CAXA等CAD/CAM系统生成的数控加工程序。（2）支持公制/英制输入，绝对值/增量值编程，每分钟/每转进给和直径/半径编程等功能。上一页下一页返回3.1数控系统基本原理（3）提供多种固定循环和复合循环，数控车床内（外）径粗车复合循环支持凹槽加工功能。固定循环和复合循环的使用可以用一个程序段来完成一个加工循环，使编程大大简化。（4）数控车床支持倒角（直角、圆角）、螺纹切削，螺纹切削具有多头螺纹加工功能，并可加工变螺距螺纹。数控铣床既支持柔性攻丝也支持刚性攻丝，刚性攻丝的使用提高了加工效率,保证螺纹精度。（5）支持恒线速度切削功能，根据刀尖的位置自动变化主轴速度，使切削线速度保持恒定，以满足工件加工的工艺要求，大大提高精加工面粗糙度，延长刀具的使用寿命。上一页下一页返回3.1数控系统基本原理（6）具有小线段连续高速加工功能（G64）和准确定位功能（G61），加减速控制采用S曲线加减速。G64支持程序超前预处理，超前预读程序，将小线段按连续轨迹高速进给，根据拐角大小，自适应控制进给速度，保证拐点处的误差小于跟踪误差的允差设定，特别适合加工CAD/CAM生成的复杂模具加工程序。（7）8重子程序调用，宏程序支持逻辑运算符（AND、OR、NOT）、函数（SIN、COS、TAN、ATAN、ATAN2,、ABS、INT、SQRT、EXP）、条件判别语句（IF、ELSE、ENDIF）和循环语句（WHILE、ENDW），可实现复杂的运算，功能强大。用户使用变量进行算术、逻辑和函数的混合运算，可编制各种复杂的零件加工程序，减少甚至免除繁琐计算，大大精简程序量。上一页下一页返回3.1数控系统基本原理（8）支持单、双向螺距补偿和反向间隙补偿，螺距补偿数据最多可达256点。具有跟踪误差允差设定与报警功能，数控系统实时监控机床实际坐标，对机床的非正常运行状态进行报警。（9）具有断点保存与恢复功能，大零件程序加工可分时段加工，系统记忆上次中断加工时的状态，为用户提供极大的方便。（10）三维图形实时显示刀具轨迹和零件形状，界面实时加工参数显示，包括坐标位置（机床、工件、相对）、跟踪误差、剩余进给、M、S、T和进给速度、倍率等，显示内容丰富。（11）空运行和图形化程序校验功能，方便加工代码的编制和检验。具有后台编程功能。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍（12）具有进给修调、快速修调和主轴转速修调三种控制功能，修调范围达到10～150％。（13）系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能（程序代码和帮助图例），操作简便，易于掌握和使用。（14）支持自动换刀、刀具长度补偿和刀尖半径补偿。数控车床系统支持多种对刀方式（相对刀偏和绝对刀偏），刀补具有圆弧半径补偿，满足高精度加工的要求。（15）支持指定程序行加工、任意程序行加工和程序跳段功能，加工代码的控制更加方便、灵活。（16）提供二次开发接口，可按用户要求定制控制系