第一章 数控系统概述(汪)

1-1第一章数控系统概述数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一，而数控机床是数控系统应用最为广泛和最为典型的一类系统。所以，本章首先对数控机床的基本概念、结构组成、分类方法、显著特点以及发展过程进行了介绍，然后着重介绍了计算机数控系统的基本工作原理、内部信息流的处理过程及其各种功能，最后还简单介绍了数控机床与现代机械制造系统之间的关系。第一节基本概念一、数控系统的基本概念数控是数字控制（NumericalControl，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，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。任何生产都有一定的过程，采用数字控制技术，生产过程被用某种语言编写的程序来描述，以数字形式送入计算机或专用控制装置，利用计算机的高速数据处理能力，识别出该程序所描述的生产过程，通过计算和处理将此程序分解为一系列的动作指令，输出并控制生产过程中相应的执行对象，从而可使生产过程能在人不干预或少干预的情况下自动进行，实现生产过程自动化。可见，计算机数字控制系统都是由输入、决策与输出三个环节组成。数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。它是具有高附加值的技术密集型产品，实现了高度的机、电、液、光、气一体化。它集机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统的机械加工工艺发生了质的变化。这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工过程的自动化操作。二、数控系统的组成数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服系统（驱动控制装置）、机床电器控制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如图1-1所示。数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的，现将从外部输入的、描述机床加工过程的程序称为数控加工程序，它是用字母、数字和其他符号的编码指令规定的程序。数控加工程序按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，有零件加工的轨迹信息（如：几何形状和几何尺寸等）、工艺信息（如：进给速度和主轴转速等）及开关命令（如：换刀、冷却液开/关和工件装/卸等）。数控加工程序常常记录在各种信息载体上，其形式可以是：穿孔纸带、磁带、磁盘、半导体存储器等各种可以记载二进制信息的媒介。通过各种输入装置，信息载体上的数控加工程序将被数控装置所接收。图1-1数控机床的组成框图1-2输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置，输入的内容及数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。常用的输入/输出装置有：纸带阅读机、盒式磁带录音机、磁盘驱动器、通信网络接口、CRT及各种显示器件等。数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。前者称作硬件数控装置，或NC装置，其数控功能由硬件逻辑电路实现；后者称为CNC装置，其数控功能由硬件和软件共同完成。数控装置将数控加工程序按两类控制信息分别输出：一类是连续控制量，送往驱动控制装置；另一类是离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。伺服系统(驱动控制装置)位于数控装置和机床本体之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。进给轴伺服驱动装置由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令正确驱动机床受控部件的移动。主轴驱动装置主要由速度控制单元组成。机床电器控制装置也位于数控装置和机床之间，接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，工件装夹功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能。其形式可以是继电器控制线路或可编程逻辑控制器(PLC)。根据不同的加工方式，机床本体可以是车床、铣床、钻床、镗床、磨床、加工中心及电加工机床等。与传统的普通机床相比，数控机床本体的外部造型、整体布局、传动系统、刀具系统及操作机构等方面都应该符合数控的要求。数控机床还配有各种辅助装置，其作用是配合机床完成对零件的加工。如：切削液或油液处理系统中的冷却或过滤装置，油液分离装置，吸尘吸雾装置，润滑装置及辅助主机实现传动和控制的气动、液动装置等。除上述通用辅助装置外，从目前数控机床技术现状看，至少还有五类辅助装置是数控机床应该配备的：对刀仪、自动编程机、自动排屑器、物料储运及上下料装置和交流稳压电源。当数控系统采用计算机数控装置（CNC装置）时，该数控系统就称作计算机数控系统。目前，在市场上以NC装置为核心的硬件数控系统已日益减少，取而代之的是以CNC装置为核心的计算机数控系统，且绝大多数CNC装置都采用微型计算机系统。计算机数控系统由硬件和软件共同完成数控任务，因此，其组成形式更加灵活，其基本组成如图1-2所示。它具有数控系统一般组成形式的各个部分，此外，现代数控装置不仅能通过读取信息载体方式，还可以通过其他方式获得数控加工程序。例如：通过键盘方式输入和编辑数控加工程序；通过通信方式输入其他计算机程序编辑器、自动编程器、CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序。高档的数控装置本身已包含一套自动编程系统或CAD/CAM系统，只需采用键盘输入相应的信息，数控装置本身就能自动生成数控加工程序。图1-2计算机数控系统的组成1-3计算机数控装置在软件作用下，可以实现各种硬件数控装置所不能完成的功能，例如：图形模拟显示，系统诊断，各种复杂的轨迹控制算法和补偿算法的实现，智能控制的实现，通信及联网功能等。现代数控系统采用可编程逻辑控制器（PLC）取代了传统的机床电器逻辑控制装置，即继电器控制线路。用PLC控制程序实现数控机床的各种继电器控制逻辑。PLC可位于数控装置之外，称为独立型PLC；也可以与数控装置合为一体，称作内装型PLC。三、数控系统中的有关约定（一）数控加工程序的格式如前所述，数控加工程序是从外部输入数控装置的、用以描述机床加工过程的程序。数控加工程序由一个个程序段组成，每一个程序段都由一个个功能字组成，每个功能字都由一个个字符组成，它将零件加工过程的几何数据、工艺数据以及各种辅助开关命令（换刀、冷却、夹紧、松开等），按机床部件的运动顺序，用数控系统规定的功能代码和程序格式编成加工程序单。一般数控加工程序段的格式如下：N▁▁G▁▁X▁▁Y▁▁Z▁▁F▁▁S▁▁T▁▁M▁▁LF程准进主刀辅序备坐给轴具助段功标速速功功序能值度度能能号每个程序段的起始为程序段序号功能字，随后为工艺和几何信息方面的功能字，段末以换行符或回车符结束。每个功能字以字母开始，后面跟着几位数字，常见26个字母在数控系统中所表示的含义可参见附录1，其中，准备功能字（G▁）指定数控系统应准备好某种运动和工作方式，辅助功能字（M▁）指定了数控系统在加工过程中的辅助开关量控制功能，常见的各种准备功能G代码和辅助功能M代码可参见附录2给出的部颁标准JB3208--83。例如数控加工程序段：N010G01X60Y40F60S800T01M03LF表示本程序段为第10段，指定机床运动部件以直线形式从刀具所在点移动到X=60、Y=40的点，移动速度为60毫米/分，主轴以转速800转/分顺时针方向旋转，采用1号刀具。（二）数控加工程序采用的编码数控加工程序保存在控制介质上，其字母、数字和各种符号是以各种编码来表示的。在数控机床中常用的编码有两种，即ISO代码和EIA代码（参见附录1）。ISO代码是由国际标准化组织(InternationalStandardOrganization)颁布的编码形式，是由八位二进制信息组成的编码，其最高位为补偶位，所能表示的信息量最多为128种。EIA代码是由美国电子工业协会（ElectronicIndustryAssociation）颁布的代码，也是由八位二进制信息组成的编码，其由低位向高位数的第五位为补奇位，最高位只有“程序段结束”代码（CR）用到，因此，所能表示的信息量最多为64种。在数控系统的存储器中，数控加工程序通常以ASCⅡ码形式保存，它是美国信息交换标准代码，由七位二进制信息组成，能形成127个不同编码的组合（参见附录3）。事实上，ISO代码就是在ASCⅡ码的基础上，在最高位增加一个补偶位形成的。（三）数控机床坐标系1-4在数控系统中，为了精确控制机床移动部件的运动需要建立相应的坐标系，统一规定数控机床坐标轴名称及其运动的正、负方向，可使编程简单，并使所编程序对同类机床具有互换性。对此，国际上很早就制定有统一标准，我国也于1982年颁布过JB3051--82《数控机床坐标和运动方向的命名》，1989年2月15日又由国际标准化组织ISO/DP841及其分技术委员会ISO/TC184/SC1新提出“机床数控——坐标轴和运动方向专用术语”。标准的数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，围绕X、Y、Z各轴的旋转运动轴为A、B、C。用右手直角笛卡儿坐标法则可判定X、Y、Z三轴的关系和正方向；用右手螺旋法则可判定三个直角坐标轴与A、B、C轴的关系和A、B、C轴的正方向，如图1-3所示。当考虑刀具移动时，用不加“′”的字母表示运动的正方向；当考虑工件移动时，则用加“′”的字母表示运动的正方向。但为了使编程人员在编程时不必考虑是刀具运动还是工件运动，只需根据零件图纸进行编程，所以标准规定在确定坐标系时一律看作工件相对静止而刀具产生运动。另外，还规定增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选择尽可能垂直于工件装夹面的主要轴为Z轴。Z轴的正方向定义为工件到刀具夹持的方向。X轴作为水平的、平行于工件装夹平面的轴，它平行于主要的切削方向，且以此为正向。对于工件旋转运动的机床（如：车床、磨床），面向Z轴正向，右方为X轴正向；对于刀具旋转运动的机床（如：铣床、镗床），当Z轴为水平时，则由主轴向工件看时，右方为X轴正向，当Z轴为垂直时，则由主要主轴向立柱（对双柱机床应为左侧立柱）看时右方为X轴正向；在没有旋转的刀具或工件（如：牛头刨床）上，X轴平行于主要切削方向。Y坐标轴垂直于X及Z轴坐标，当+X、+Z轴确定后，按右手直角坐标系确定Y轴。X、Y、Z为主坐标系，或称第一坐标系。若有平行于X、Y、Z的第二组坐标和第三组坐标则分别指定为U、V、W和P、Q、R。靠近主轴的直线运动为第一坐标系，稍远的为第二坐标系。如图1-4所示为数控车床和数控铣床坐标系示意图。在数控机床中，根据坐标原点不同，同时存在着多种坐标系，包括机床坐标系、工件坐标系（编程坐标系）、绝对坐标系和相对坐标系等。为了确定各种坐标系下的坐标值，必须先明确一些“点”的概念，包括机床零点、机床参考点、工作零点和刀架相关点。如图1-5所示为立式铣床及加工中心各坐标点的关系，如图1-6所示为数控车床各坐标点的关系。图中M为机床零点、R为机床参考点、W为工作零点、C为刀架相关点、P为刀尖，XMW、ZMW为工件零点到机床零点的坐标，而XMR、ZMR为机床参考点到机床零点的坐标，XCR、ZCR图1-3数控机床右手坐标系统图1-4数控车床和数控铣床坐标系1-5为机床参考点到刀架相关点的坐标，XCP、ZCP为刀尖到刀架相关点的坐标。在图1-5中主轴上的R点实际上即为刀架相关点(图中已与参考点重合)。机床零点（机械原点、机床原点）M这是机床坐标系的设计原点，它在机械硬件上的位置是由机床本体制造厂家所确定的。机床参考点(电气原点)R这是机床制造厂在机床上设置的，通过末端行程开关粗测定，又用测量系统精测定的一个固定点，通常位于工作台运行范围的一个角上。它相对机床零点的坐标位置在机床出厂前已经精确地确定，是数控装置确定机床原点的参考点。通过“回参考点”工作方式，可手动或由程序控制，以0﹒1～1μm的精度到达参考点；有些数控系统开机后能自动回参考点，并