數(shù)控系統(tǒng)基本概念

第一章數(shù)控系統(tǒng)概述第一節(jié)基本概念一、數(shù)控系統(tǒng)的基本概念

（1）數(shù)控

數(shù)控是數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱，其含義如下：①廣義：利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。②狹義：利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床工作狀態(tài)進(jìn)行控制。例如：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控線切割機(jī)床等等。

（2）數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)）利用數(shù)字化信息并采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)的一般工作過程如下。首先，采用某種編程語言來描述一個(gè)生產(chǎn)過程（編寫程序），并以數(shù)字形式送入數(shù)字控制裝置；其次，通過數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，數(shù)控裝置快速識(shí)別出該程序所描述的生產(chǎn)過程，并將程序分解為一系列的實(shí)際控制信號(hào)；最后，數(shù)控裝置輸出實(shí)際控制信號(hào)，使相應(yīng)的執(zhí)行部件產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作?？梢?，數(shù)字控制系統(tǒng)都是由輸入、決策與輸出三個(gè)環(huán)節(jié)組成的。（3）數(shù)控機(jī)床

數(shù)控系統(tǒng)與被控機(jī)床本體的結(jié)合體稱為數(shù)控機(jī)床。根據(jù)機(jī)床本體的不同類型，數(shù)控機(jī)床也被分為相應(yīng)的類型。例如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心、數(shù)控線切割機(jī)床等等。數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

（4）本課程內(nèi)容

①以機(jī)床為被控對(duì)象的數(shù)控系統(tǒng)的一般原理。

②西門子802D系統(tǒng)的基本原理。數(shù)控加工程序二、數(shù)控系統(tǒng)的組成

數(shù)控系統(tǒng)的一般組成如下圖所示，其中機(jī)床本體為被控對(duì)象。輸入輸出裝置數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床電器控制裝置機(jī)床本體

（1）數(shù)控加工程序數(shù)控系統(tǒng)是嚴(yán)格按照外部輸入的程序?qū)ぜM(jìn)行自動(dòng)加工的。我們將從外部輸入的、描述了機(jī)床加工過程的程序稱為數(shù)控加工程序。

數(shù)控加工程序記載了機(jī)床加工所需要的各種信息，包括：

①軌跡信息：幾何形狀和幾何尺寸；

②工藝信息：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刀具號(hào)和補(bǔ)償號(hào)等；③開關(guān)命令：主軸正反轉(zhuǎn)、換刀、開/關(guān)切削液和裝/卸工件等等；數(shù)控加工程序被記錄在各種信息載體上，主要有：穿孔紙帶、磁帶、磁盤和各種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等。

（2）輸入輸出裝置輸入裝置將數(shù)控加工程序和其他數(shù)字信息輸入給數(shù)控裝置；輸出裝置輸出或顯示數(shù)控裝置的內(nèi)部信息。

常見的輸入輸出裝置：紙帶閱讀機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤和顯示器、通信接口等。

（3）數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。其主要功能是：正確識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序，并對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯處理，從而將數(shù)控加工程序分解為一系列的實(shí)際控制信號(hào)，使系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行部件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。數(shù)控裝置有兩種形式：1）硬件數(shù)控裝置（NC裝置）：由數(shù)字邏輯硬件電路構(gòu)成，其數(shù)控功能由硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)。2）計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）：由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其數(shù)控功能由硬件和軟件來共同實(shí)現(xiàn)。

數(shù)控裝置將數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)換為兩類控制信號(hào)：1）伺服控制量：送往伺服驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；2）開關(guān)控制量：送往機(jī)床電器邏輯控制裝置，產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作。

（4）伺服系統(tǒng)（伺服驅(qū)動(dòng)裝置）

伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間，包括進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置。進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置：根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的位置控制命令和速度控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置：根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的速度控制命令驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸以指定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

（5）機(jī)床電器控制裝置

機(jī)床電器控制裝置位于數(shù)控裝置和機(jī)床本體之間。其重要功能為：

接收數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，完成機(jī)床主軸的選速、起停和方向控制，換刀裝置的換刀控制，工件裝夾系統(tǒng)的裝/卸控制，冷卻、液壓、氣動(dòng)、潤滑系統(tǒng)的邏輯控制以及機(jī)床的其他輔助功能。機(jī)床電器控制裝置的具體形式有兩種：一是繼電器控制裝置；二是可編程邏輯控制器。

（6）機(jī)床本體根據(jù)不同的加工方式，機(jī)床本體可以是車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床、加工中心以及電加工機(jī)床等等。

（7）輔助裝置

數(shù)控機(jī)床配置有各種輔助裝置，以配合機(jī)床的零件加工。

傳統(tǒng)的機(jī)床輔助裝置：切削液處理裝置、氣動(dòng)液動(dòng)裝置等等。

數(shù)控機(jī)床特有的輔助裝置：對(duì)刀儀、自動(dòng)編程器、自動(dòng)排屑器、物料儲(chǔ)運(yùn)及上下料裝置等等。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）時(shí)，該數(shù)控系統(tǒng)就稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件來共同完成數(shù)控功能，其基本組成如下圖所示。信息載體輸入裝置CNC裝置主軸控制單元可編程控制器（PLC）主軸電機(jī)編程器通信線路CAD/CAM系統(tǒng)上位機(jī)輸出裝置機(jī)床進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)器速度控制單元現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①除了讀取信息載體，還可以通過其他方式獲得數(shù)控加工程序。例如：通過鍵盤方式輸入和編輯數(shù)控加工程序；通過通信方式輸入自動(dòng)編程器、CAD/CAM系統(tǒng)或上位機(jī)所提供的數(shù)控加工程序。②可以實(shí)現(xiàn)硬件數(shù)控裝置難以完成的諸多功能。

例如：圖形模擬顯示、系統(tǒng)診斷、各種復(fù)雜的軌跡控制算法和補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)，通信和網(wǎng)絡(luò)功能等等。③取代了傳統(tǒng)的繼電器控制線路，采用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的邏輯控制。PLC可位于數(shù)控裝置之外，稱為獨(dú)立型PLC；也可以與數(shù)控裝置合為一體，稱為內(nèi)裝型PLC。三、數(shù)控系系統(tǒng)中的有有關(guān)約定（一）數(shù)控控加工程序序所采用的的編碼數(shù)控加工程程序總是保保存在某種信息載體中的。而在在這個(gè)載體體中，組成成數(shù)控加工程序的字母、數(shù)字和其它各種符符號(hào)都是以某種編碼的的形式來表示的。。在數(shù)控系系統(tǒng)中，常常用的編碼碼有以下三三種。（1）ASCII編編碼在數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)的存儲(chǔ)器器中，數(shù)控控加工程序序通常以ASCII編碼形式式保存。在計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)控控系統(tǒng)中，，數(shù)控加工工程序文件件實(shí)質(zhì)上就就是ASCII編碼碼形式的文文本文件。。ASCII編碼是七七位二進(jìn)制制編碼，可可表示128個(gè)字符符。（2）ISO編碼和和EIA編編碼在保存數(shù)控控加工程序序的紙帶中中，通常采采用這兩種種編碼。ISO編碼碼是八位二二進(jìn)制編碼碼，它是在在ASCII編碼的的基礎(chǔ)上，，在最高位位增加一個(gè)個(gè)補(bǔ)偶位形成的，因因此可表示示128個(gè)個(gè)字符。EIA編碼碼也是八位位二進(jìn)制編編碼，但其其第五位為為補(bǔ)奇位，最高位只只有“程序序段結(jié)束””符CR用用到，因此此可表示64個(gè)字符符。（二）數(shù)控控機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系為精確控制制機(jī)床移動(dòng)動(dòng)部件的運(yùn)運(yùn)動(dòng)，在數(shù)數(shù)控機(jī)床系系統(tǒng)中需要要建立相應(yīng)應(yīng)的坐標(biāo)系系，為此國國家標(biāo)準(zhǔn)和和國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)都做了相相應(yīng)的規(guī)定定。（1）標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控控機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)采用右手直角笛笛卡兒坐標(biāo)標(biāo)系+Y+B+X+A+Z+C+Y+B+X+A+Z+C①X、Y、Z軸直線運(yùn)動(dòng)軸軸，分別表表示三個(gè)方方向的直線線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向遵遵循右手法法則；②A、B、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸軸，分別表表示圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向遵遵循右手螺螺旋法則。。③坐標(biāo)軸軸方向坐標(biāo)軸的方方向是指刀具相對(duì)于于工件的運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向，坐標(biāo)軸的的正方向一一般取為刀具離開工工件的運(yùn)動(dòng)動(dòng)方向。（2）X、、Y、Z、、A、B、、C表示示刀具相對(duì)于于工件的運(yùn)運(yùn)動(dòng)正方向向；X‵、Y‵‵、Z‵、、A‵、B‵、C‵‵表示工件相對(duì)于于刀具的運(yùn)運(yùn)動(dòng)正方向向。（3）Z軸軸為平行于機(jī)床床主軸的坐坐標(biāo)軸，其正方向向?yàn)閺墓ぜ降兜毒邐A持點(diǎn)點(diǎn)的方向。（4）X軸軸為水平的的、平行于于工件裝夾平平面的軸。（5）當(dāng)X軸和Z軸軸確定后，，按右手直直角坐標(biāo)系系規(guī)則即可可確定Y軸軸。XYXZ（三）數(shù)控控機(jī)床中的的一些““點(diǎn)”數(shù)控機(jī)床中中存在著多多種坐標(biāo)系系，包括機(jī)機(jī)床坐標(biāo)系系、工件坐坐標(biāo)系（編編程坐標(biāo)系系）、絕對(duì)對(duì)坐標(biāo)系和和相對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系等。為確定各種種坐標(biāo)系的的原點(diǎn)的位位置，首先先必須了解解一些““點(diǎn)”的的概念。（1）機(jī)機(jī)床零點(diǎn)點(diǎn)M（機(jī)床原點(diǎn)點(diǎn)、機(jī)械原點(diǎn)點(diǎn)）：機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系的原原點(diǎn)，其位置置由數(shù)控控機(jī)床制制造廠家家確定。。（2）工工件零點(diǎn)點(diǎn)W（工件原點(diǎn)點(diǎn)、編程原點(diǎn)點(diǎn)）為便于編編寫數(shù)控控加工程程序，編編程人員員可在工工件上定定義自己己的坐標(biāo)標(biāo)系，稱稱為工件坐標(biāo)標(biāo)系，工件坐標(biāo)標(biāo)系的原原點(diǎn)就稱為工件零點(diǎn)點(diǎn)。工件零點(diǎn)點(diǎn)具有以以下特點(diǎn)點(diǎn)。①在一個(gè)工工件上可可定義多多個(gè)工件件坐標(biāo)系系，因此此可有多多個(gè)工件件原點(diǎn)；；②通過過存儲(chǔ)工件原點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)于于機(jī)床原原點(diǎn)的位位置偏移移值，數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)可以存存儲(chǔ)一個(gè)個(gè)工件坐坐標(biāo)系。。③由于工件件在工作作臺(tái)或夾夾具上的的位置不不固定，，因此工工件原點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)于于機(jī)床原原點(diǎn)的位位置也是是不固定定的，所所以有時(shí)時(shí)也稱之之為浮動(dòng)原點(diǎn)點(diǎn)；④工件原點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)于于機(jī)床原原點(diǎn)的位位置偏移移量可使使用G代代碼來指指定(G54～～G59)。（3）刀刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)C刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)是刀刀架上的的一個(gè)固固定位置置點(diǎn)，用用于測(cè)量量刀具參數(shù)數(shù)，即刀具切削削點(diǎn)相對(duì)于刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)的位置偏偏移量。。數(shù)控加工工程序中中指定的的坐標(biāo)值值和系統(tǒng)統(tǒng)顯示的的坐標(biāo)值值都是指指刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)的當(dāng)當(dāng)前坐標(biāo)標(biāo)位置。當(dāng)加工工開始后后，系統(tǒng)統(tǒng)將根據(jù)據(jù)刀具參參數(shù)進(jìn)行行相應(yīng)的的刀具補(bǔ)補(bǔ)償計(jì)算算。當(dāng)機(jī)床回回參考點(diǎn)點(diǎn)后，刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)C將與機(jī)床參考考點(diǎn)R重合。CCL1L2蘭色刀的的刀具參參數(shù)：L1，L2紅色刀的的刀具參參數(shù)：0，0（4）機(jī)機(jī)床參考考點(diǎn)R（電氣原點(diǎn)點(diǎn)）機(jī)床回參參考點(diǎn)后后，刀架相關(guān)關(guān)點(diǎn)C所所在的空空間位置置點(diǎn)。機(jī)床參考考點(diǎn)C具具有如下下特點(diǎn)。。①機(jī)床參考考點(diǎn)R是通過電子測(cè)量量器件來精確測(cè)測(cè)定的機(jī)機(jī)床上的的一個(gè)固固定點(diǎn)。。通常位位于機(jī)床床運(yùn)行范范圍的一一個(gè)角上上。②機(jī)床原點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床參考考點(diǎn)的偏移量量是一個(gè)固固定值，，可通過過修改機(jī)床參數(shù)數(shù)來確定。。③通過““回參考點(diǎn)點(diǎn)”操作作，可以以精確測(cè)測(cè)定出機(jī)機(jī)床參考考點(diǎn)R和和機(jī)床原原點(diǎn)M的的位置，，從而標(biāo)標(biāo)定出數(shù)數(shù)控機(jī)床床的坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)。。（四）絕絕對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系和相相對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系在編寫數(shù)數(shù)控加工工程序時(shí)時(shí)，編程程人員可可以使用用絕對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系或相對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系來指定加加工坐標(biāo)標(biāo)點(diǎn)。絕對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系就是以某某一固定定位置點(diǎn)點(diǎn)作為坐坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)系；相對(duì)坐標(biāo)標(biāo)系就是以運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌跡跡起點(diǎn)作作為坐標(biāo)標(biāo)原點(diǎn)的的坐標(biāo)系系。YWZMWYMRZMRXMRXYZRMYMWXMWXZ四、數(shù)控控系統(tǒng)的的分類（一）按按數(shù)控機(jī)機(jī)床運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡分分類（1）點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)控控系統(tǒng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)動(dòng)部件從從一點(diǎn)準(zhǔn)準(zhǔn)確移動(dòng)動(dòng)到另一一點(diǎn)（定位運(yùn)動(dòng)動(dòng)），在移移動(dòng)過程程中不進(jìn)進(jìn)行加工工，因此此對(duì)兩點(diǎn)點(diǎn)間的移移動(dòng)速度度和運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡沒沒有控制制要求。。例如：數(shù)數(shù)控鉆床床、數(shù)控控坐標(biāo)鏜鏜床和數(shù)數(shù)控沖床床等。（2）直直線數(shù)控控系統(tǒng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)動(dòng)部件從從一點(diǎn)準(zhǔn)準(zhǔn)確移動(dòng)動(dòng)到另一一點(diǎn)，在在移動(dòng)過過程中進(jìn)進(jìn)行加工工，因此此對(duì)兩點(diǎn)點(diǎn)間的移移動(dòng)速度度和運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡有有控制要要求。該該系統(tǒng)的的運(yùn)動(dòng)軌軌跡一般般為平行于某某坐標(biāo)軸軸的直線線。例如：：簡(jiǎn)易數(shù)數(shù)控車床床。（3）輪輪廓數(shù)控控系統(tǒng)同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩兩個(gè)以上上進(jìn)給軸軸的位移移和速度度進(jìn)行相關(guān)關(guān)控制，，從而合合成出平面或空空間運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡的系統(tǒng)。。例如：：數(shù)控車車床、數(shù)數(shù)控銑床床、加工工中心等等等。能夠同時(shí)時(shí)控制的的進(jìn)給軸軸數(shù)稱為為聯(lián)動(dòng)軸數(shù)數(shù)。2軸聯(lián)聯(lián)動(dòng)的輪輪廓加工工3軸聯(lián)聯(lián)動(dòng)的輪輪廓加工工4軸聯(lián)聯(lián)動(dòng)的輪輪廓加工工5軸聯(lián)聯(lián)動(dòng)的輪輪廓加工工（二）按按數(shù)控伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)分類（1）開開環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)無位置檢檢測(cè)反饋饋回路的的控制系系統(tǒng)。其其特點(diǎn)為為：①無位置檢檢測(cè)反饋饋回路；；②以步進(jìn)電機(jī)機(jī)或電液脈沖沖馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)部部件。優(yōu)點(diǎn)：控控制簡(jiǎn)單單，調(diào)試試維修方方便，價(jià)價(jià)格低廉廉。缺點(diǎn)：控控制精度度低，運(yùn)運(yùn)動(dòng)速度度低，驅(qū)驅(qū)動(dòng)力矩矩小。應(yīng)用：精精度不高高的經(jīng)濟(jì)濟(jì)型數(shù)控控機(jī)床或或普通機(jī)機(jī)床的數(shù)數(shù)控改造造（2）全全閉環(huán)數(shù)