数控原理

《数控原理与数控系统》
2、输入/输出装置(Input/Output unit)
早期：纸带阅读机/纸带穿孔机 现代： ①直接由操作人员通过手动数据输入（MDI）键盘输入零件程序， 并且通过CRT给操作者提供信息； ②软驱、FLASH卡、USB接口 ③采用通信方式进行零件程序的输入/输出。
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1.1
第一章 绪论 基本概念 1.1.1 1.1.2 数控机床的产生背景 数控系统的发展
1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台 数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生 产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代 。
数控（NC）阶段（1952——1970）
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方块图（Block diagram）
伺服驱动 装置
程序 载体 输入 装置 数控 装置 主轴驱动 装置 辅助控制 装置 机床（进给运动、 主运动、 辅助操作）
检测 装置
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工作过程图示（Illustration）
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工作过程描述(Description)
第一章 绪论
本章学习目标 • 通过本章学习，学生可建立数控的基本概念，了 解数控技术的发展过程及其发展趋势，掌握微机 数控系统的组成，具备识别数控机床和普通机床 的能力，了解数控系统与现代制造系统。通过本 章的学习，应掌握以下内容： • 机床数字控制的原理 • 数控系统的组成 • 理解不同控制方式的特点
1.1
基本概念 1.1.3 数控系统的组成
图1-1 数控系统组成框图
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1.1
基本概念 数控系统的分类
点位直线控制系统
刀具
1.1.4
1．按运动方式分类 点位控制系统
A
B
图1-2 数控钻床点位加工示意图
图1-3 数控车床直线加工示意图
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按刀架数量分类
•单刀架数控车床
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闭环控制系统的各组成环节
• • • • • • •
（1）给定环节：产生给定信号的环节或元件。 （2）反馈环节：对系统被控量进行测量并转换为与相应输入信号一致的反馈信号的 环节或元件。 （3）比较环节：对系统输入量和反馈量进行加、减运算求取误差的环节或元件。 （4）放大环节：对偏差信号进行电压放大和功率放大的环节或元件。 （5）执行机构：直接对被控对象进行操作从而对系统产生实际控制作用的环节或元 件。 （6）校正环节：用于改善系统性能的环节，一般是电子电路形式。 （7）被控对象：控制系统所要操纵的机器设备或生产过程，它的输出量即为系统的 被控量。
3、数控装置(CNC unit)
• 根据输入的零件程序和操作指令进 行相应的处理（如运动轨迹处理、 机床输入/输出处理等），然后输出 控制命令到相应的执行部件（伺服 单元、驱动装置和PLC等），从而加 工出需要的零件。 • 目前，数控装置采用的是数字计算 机，包括硬件和软件。
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基本概念
微机数控系统 数控系统与现代制造系统
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• 数控简介 • 数控的起源 • 数控机床控制系统的组成
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数控机床 控制系统的组成
Elements of CNC machine control system
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教学目标（Objectives）
• 进给运动：刀具或工作台的位置及速度 • 主运动：主轴无级调速 • 辅助动作：开关动作
刀具
工件 轮廓控制 加工
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三大控制任务
二、数控机床控制系统的基本组成 (Elements)
• • • • • • • • 加工程序 输入/输出装置 数控（CNC）装置 伺服驱动装置 主轴驱动装置 辅助控制装置 反馈装置 机床本体
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
Leistungsteil
DrehstromHauptspindelmotor 《数控原理与数控系统》
DrehstromServomotoren
二、数控机床伺服控制
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闭环负反馈控制
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数控机床控制系统
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1、加工程序(NC program)
• program 程序：用数控语言、按规定格 式表示的一套指令，其内容是零件的几 何形状和工艺描述。由若干程序段 （block）构成。
(part) program O1000; N10 G92 X0 Y0 Z0; N20 T1 M06; N30 G90 G00 X0 Y100; -----N200 M30; instruction block
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自动控制系统基本概念
• 被控对象：指被控制的机器设备或生产过程。 • 被控量：指表征被控对象工况的、需要加以控制 的物理量，通常作为系统的输出量。 • 给定值：指被控量的期望值，作为系统的输入量。 • 实际值: 指被控量的实际值,作为系统的反馈输入 量。 • 控制装置：指能够通过对被控对象实施操纵、从 而完成控制任务的外部装置。 • 执行机构：电动机 • 控制系统：指有机结合在一起的被控对象和控制 装置构成的总体。
位置检 测元件
半闭环(Semi-closed-loop control)
旋转编码器-滚珠丝杠构成 测量系统
输入 数控 装置
控制 电路
伺服 电机
工作台
速度反 速度检测元 件 馈 转角检测元 位置反 件 《数控原理与数控系统》 馈
• 掌握数控机床基本组成，使学生具备识别 数控机床与普通机床的能力 • 理解数控机床基本工作原理 • 看懂数控机床伺服系统闭环控制方块图， 使学生能够理解自动化设备的一般工作原 理
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本课主要内容
• 数控机床的三大控制任务 • 数控机床控制系统的基本组成
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第1章 绪论
1952年的第一代——电子管数控机床 1959年的第二代——晶体管数控机床 1965年的第三代——集成电路数控机床
计算机控制（CNC）阶段（1970——现在）
1970年的第四代——小型计算机数控机床 1974年的第五代——微型计算机数控系统 1990年的第六代——基于PC的数控机床
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4、伺服驱动系统(Servo drive)
主轴电 动机 伺服放 大器
伺服电动 机
将位置指令转换成坐标轴的移动
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5、主轴驱动装置
• 主轴驱动是速度控制系统，通常的调速范围为100： 1。
• 主轴驱动系统接收的指令，是数控装置输出的代 表某一速度的模拟电压值。
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工作原理（Operating principle）
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实例：FANUC 0i系统
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Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
实例：SIEMENS 840D
Peripherie SIMATIC S7-300
E/R- Modul NCU
6、辅助控制装置(Miscellaneous unit)
• 主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制 器（PLC）输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具 的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹 紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经功 率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁 阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操 作。 • 辅助装置的功能通常用M代码实现。
•
• •
•
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第二节 数控机床的组成及分类
• • • • • 数控机床一般由控制介质、 数控装置、伺服系统、测 量反馈装置和机床主机组 成，如图所示。现将各组 成部分简单地介绍。
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数控机床控制系统（电柜）
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一、数控机床的三大控制对象（任务） (Control tasks)
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7、反馈装置(Feedback unit)
今天绝大多数数 控机床采用价位 较低的光电数字 式旋转编码器
直线光栅尺是高精度的 测量轴运动的光电式测 量装置。
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8、机床本体(Mechanical part)
• • • • • 床身 立柱 导轨 工作台 主轴箱
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开环(Open-loop control)
实际位置 无检测
工作台 输入 数控 装置
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驱动 电路
步进 电机 减速器
全闭环(Fully closed-loop control)
X轴带直线光栅尺
工作台 输入 数控 装置 位置反馈 控制 电路 伺服 电机 速度检 速度反 测元件 馈

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双刀架数控车床
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机床的数字控制
• • • 机床的数字控制是由数控系统完成的。数控系统包括数控装置、伺服驱动装置、可编程控 制器和检测装置。 一、数控装置是用于机床数字控制的特殊用途的计算机，它能接收零件图纸加工要求的信 息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量。 二、伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令带动机床各坐标轴运动，同时能提供足 够的功率和扭矩。伺服驱动装置按其工作原理可分为两种控制方式：关断控制和调节控制。 1、关断控制是将指令值与实测值在关断电路的比较器中进行比较，相等后发出信号，控 制结束。这种方式用于点位控制。 2、调节控制是数控装置发出运动的指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。 三、检测装置将位移的实际值检测出来，反馈给数控装置中调节电路比较器，有差值就发 出信号，不断比较指令值与反馈的实测值，不断地发出信号，直到差值为零，运动结束。 这种方式用于连续轨迹控制。 四、可编程控制器用于开关量控制，如主轴的启停、刀具更换和冷却液开关等。检测装置 用在调节控制中，检测运动的实际值并反馈给数控装置，从而实现差值控制。从理论上讲， 它的检测精度决定了数控机床的加工精度。
• 数控机床进行加工，首先必须将工件的几何数据和工艺数据按规定的 代码和格式编制成数控加工程序(编程)； • 并用适当的方法将加工程序输入数控系统（输入）； • 数控系统对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控 制机床各部分按规定有序地动作（数据处理）。这些信息和指令最基 本的包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各状态控 制的I/O信号等。 • 伺服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数 控系统要求伺服系统正确、快速地跟随控制信息，执行机械运动（伺 服输出）； • 同时，位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控系统，以 保证位置控制精度（反馈输入）。 • 总之，数控机床的运行在数控系统的控制下，处于不断地计算、输出、 反馈等控制过程中，从而保证刀具和工件之间相对位置的准确性。
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1、数控机床伺服控制方块图(Automatic control block diagram)
指令位置
位置控 制器 实际位置
速 度 调 节 器
功 率 放 大 器
伺服电 动机
编 码 器
工作台
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2、进给驱动的三种控制方式 (Three types of feed drive) • 开环 • （全）闭环 • 半闭环