数控系统与综合连接
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模块1：数控系统与综合连接
课题1 数控系统与接口
本章内容
一、数控机床控制技术概述 二、数控机床的组成
一、数控机床概述
1、什么叫数控机床？ 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指 采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化 的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀 具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入 计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的 刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机 床即为数控机床。
管理软件 CNC系统软件 控制软件
输入 I/O处理 显示 诊断 译码 刀具补偿 速度处理 插补 位置控制
3.数控系统的工作过程
测量 程 序 硬件 硬件 硬件 输 入 软件 软件 软件 插补 准备 插 补 硬件 硬件 位置 控制 速度 控制 伺服 电机 第一种情况 第二种情况 第三种情况
2、数控机床的三大控制对象（任务） (Control tasks) 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
二、数控机床的组成
1、文字描述 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
4、伺服驱动系统(Servo drive)
将位置指令转换成坐标轴的移动
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。 补充：主轴的分类 变频主轴：变频器控制，误差较大 主轴 伺服主轴：闭环控制，精度好 模拟主轴：CNC发送模拟量给主轴 主轴 串行主轴：CNC发送数字量给主轴
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。
⑥I/O接口端子板：对系统对外接口进行分解（转接）。
三 HNC-21系统电柜与电气元件 1. 电柜结构 电气控制柜为了保证电柜的电磁一致性，采用0.8㎜钢 板冲压成形后焊接结构。内部安装板采用镀锌钢板， 以提高系统的接地性能。 控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。 进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线 直接接入驱动单元，不经过端子转接。 各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线采 用双绞双屏蔽电缆。 开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多 芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能 力。 各部件外壳可靠接地；各结构间可靠接地、共地。 2. 电柜内部组成 低压电气部分、接线板、伺服驱动部分，其它：包括 通风、冷却、屏蔽、安全保护等装置。
四、CNC系统的组成和接口
（一）、CNC系统的基本组成 1.组成部分 CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控 装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动 装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。
2.CNC单元 CNC系统的核心是CNC装置，由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下 工作。 1）硬件：微处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、输入输出（I/O） 接口，数控专用接口和部件，即位置控制器、纸带阅读机接口、手动 数据输入（MDI）接口和显示（CRT）接口。
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。
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，且已实现CNC单元LCD显示器一体化。
XS9：主轴驱动器接口。
③内置非独立式PLC（PMC） 部件4，数控系统第二控制核心，完成开关量、动作量控制； 对外接口： XS10、XS11：开关量输入， XS20、XS21：开关量输出。
④位置控制板 部件3，完成完成位置信号的处理（转换、放大等）， 对外接口： XS40～XS43，外接4个数字式进给驱动单元。 XS30～XS33，其它类型进给驱动单元接口。 ⑤强电接口板：部件6、8，传递强电控制信号，对外接口 XS1。 ⑥系统电源：部件7，维持系统供电。
（2）系统供电 CNC单元、伺服单元、控制电源均采用开关电源供电，在开关电源进 线侧使用低通滤波器进行隔离，减少工频电源的高频干扰信号；各电 感负载采用组容吸收器RC（灭弧器）吸收高压反电动势，抑制干扰 信号。 电源部分的原理设计如下图
图中QF0～QF4为三 相空气开关，QF5～ QF10为单相空气开关； KM1～KM6为三相交 流接触器； RC1～RC4为三相灭 弧器，RC5～RC10为 单相灭弧器； KA1～KA8为直流24V 继电器。
四 HNC-21系统的接口 1.CNC装置对外接口
2.接口类型： 串连接口可分为9针、15针与25针三种。9 针的串口一般连接串连插口，如步进电机 驱动器的连接；而15针串口就多了六个串 口连接脉冲信号，如进给伺服驱动器的连 接；25针一般是用在输入/输出接口，除了 电源串口外，其余串口作为输入/输出开关 量的串口。
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。
8、机床本体(Mechanical part) 立柱 导轨 工作台 主轴箱
实例：FANUC 0i系统 的组成
CPU
EPROM 总 RAM
纸带阅读机接口 MDI/CRT接口
纸带阅读机 MDI/CRT 速度控制单元
伺服电机 M
输入按口 线 输出接口
位置控制 位置测测器 PLC接口
2）CNC装置的软件：是为了实现CNC系统各功能而编制的专用软件， 称为系统软件。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自 动进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件由管理软件和控制软 件两部分组成。
2）. 外围模块 ①主轴驱动单元：包括主轴驱动器和检测反馈装置。完成 主轴电机驱动信号处理和传递。 ②进给驱动单元：包括速度控制单元和位置、速度检测反 馈装置。完成位置速度控制信号处理和传递
③手摇脉冲发生器（手轮）：完成系统运动的手动操作。 ④CRT显示器：系统信息显示。 ⑤外部输入装置：键盘、软驱、USB接口、网络接口、 RS232接口等。
2、方块图（Block diagram）
3、工作过程图示（Illustration）
4、工作过程描述(Description)
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。
1）. 数控装置硬件构成 ① CPU控制主板： 组成：部件1、2、5、6、操作面板组成； 功能： CNC系统核心，完成工作管理（信息输入、I/O 处理、显示处理、故障诊断处理）和控制（译码、补偿、 插补运算、速度运算、位置运算）。
②对外接口： XS2～XS5：外部通讯接口， XS6：远程扩展接口，一般不使用， XS8：手轮（手摇脉冲发生器）接口；
XS1
XS5—RS232
3.开关量接线端子板
1）开关量输入端子板结构
2）输出端子板
3）继电器板
三、数控机床的各组成部分
1、数控机床控制系统连接示意图
2、各组成部分作用 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。
Fra Baidu bibliotek
2、输入/输出装置(Input/Output unit ）
3. 电源单元结构 （1）总电源
AC380V三相四线制，频率50Hz；电源线接入总空气开关和变压器输 入端前，三相对地接高压磁片电容（2000V），以减少外界进入的干 扰（如脉冲、浪涌等），并将每相导线在铁氧体磁环上绕4～5圈，用 于抑制快速瞬变脉冲串的干扰；接地端使用车间总接地引出，接地电 阻≤4Ω。
课题1 数控系统与接口
本章内容
一、数控机床控制技术概述 二、数控机床的组成
一、数控机床概述
1、什么叫数控机床？ 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指 采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化 的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀 具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入 计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的 刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机 床即为数控机床。
管理软件 CNC系统软件 控制软件
输入 I/O处理 显示 诊断 译码 刀具补偿 速度处理 插补 位置控制
3.数控系统的工作过程
测量 程 序 硬件 硬件 硬件 输 入 软件 软件 软件 插补 准备 插 补 硬件 硬件 位置 控制 速度 控制 伺服 电机 第一种情况 第二种情况 第三种情况
2、数控机床的三大控制对象（任务） (Control tasks) 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
二、数控机床的组成
1、文字描述 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
4、伺服驱动系统(Servo drive)
将位置指令转换成坐标轴的移动
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。 补充：主轴的分类 变频主轴：变频器控制，误差较大 主轴 伺服主轴：闭环控制，精度好 模拟主轴：CNC发送模拟量给主轴 主轴 串行主轴：CNC发送数字量给主轴
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。
⑥I/O接口端子板：对系统对外接口进行分解（转接）。
三 HNC-21系统电柜与电气元件 1. 电柜结构 电气控制柜为了保证电柜的电磁一致性，采用0.8㎜钢 板冲压成形后焊接结构。内部安装板采用镀锌钢板， 以提高系统的接地性能。 控制柜内各个部件按照强、弱电分开安装、布线。 进给驱动电动机、主轴驱动电动机的动力线和反馈线 直接接入驱动单元，不经过端子转接。 各位置反馈线、指令给定线、通信线等弱电信号线采 用双绞双屏蔽电缆。 开关量端子板、编码盘反馈屏蔽电缆中电源线采用多 芯绞合共用，以提高信号电源和这些部件的抗干扰能 力。 各部件外壳可靠接地；各结构间可靠接地、共地。 2. 电柜内部组成 低压电气部分、接线板、伺服驱动部分，其它：包括 通风、冷却、屏蔽、安全保护等装置。
四、CNC系统的组成和接口
（一）、CNC系统的基本组成 1.组成部分 CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控 装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动 装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。
2.CNC单元 CNC系统的核心是CNC装置，由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下 工作。 1）硬件：微处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、输入输出（I/O） 接口，数控专用接口和部件，即位置控制器、纸带阅读机接口、手动 数据输入（MDI）接口和显示（CRT）接口。
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。
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，且已实现CNC单元LCD显示器一体化。
XS9：主轴驱动器接口。
③内置非独立式PLC（PMC） 部件4，数控系统第二控制核心，完成开关量、动作量控制； 对外接口： XS10、XS11：开关量输入， XS20、XS21：开关量输出。
④位置控制板 部件3，完成完成位置信号的处理（转换、放大等）， 对外接口： XS40～XS43，外接4个数字式进给驱动单元。 XS30～XS33，其它类型进给驱动单元接口。 ⑤强电接口板：部件6、8，传递强电控制信号，对外接口 XS1。 ⑥系统电源：部件7，维持系统供电。
（2）系统供电 CNC单元、伺服单元、控制电源均采用开关电源供电，在开关电源进 线侧使用低通滤波器进行隔离，减少工频电源的高频干扰信号；各电 感负载采用组容吸收器RC（灭弧器）吸收高压反电动势，抑制干扰 信号。 电源部分的原理设计如下图
图中QF0～QF4为三 相空气开关，QF5～ QF10为单相空气开关； KM1～KM6为三相交 流接触器； RC1～RC4为三相灭 弧器，RC5～RC10为 单相灭弧器； KA1～KA8为直流24V 继电器。
四 HNC-21系统的接口 1.CNC装置对外接口
2.接口类型： 串连接口可分为9针、15针与25针三种。9 针的串口一般连接串连插口，如步进电机 驱动器的连接；而15针串口就多了六个串 口连接脉冲信号，如进给伺服驱动器的连 接；25针一般是用在输入/输出接口，除了 电源串口外，其余串口作为输入/输出开关 量的串口。
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。
8、机床本体(Mechanical part) 立柱 导轨 工作台 主轴箱
实例：FANUC 0i系统 的组成
CPU
EPROM 总 RAM
纸带阅读机接口 MDI/CRT接口
纸带阅读机 MDI/CRT 速度控制单元
伺服电机 M
输入按口 线 输出接口
位置控制 位置测测器 PLC接口
2）CNC装置的软件：是为了实现CNC系统各功能而编制的专用软件， 称为系统软件。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自 动进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件由管理软件和控制软 件两部分组成。
2）. 外围模块 ①主轴驱动单元：包括主轴驱动器和检测反馈装置。完成 主轴电机驱动信号处理和传递。 ②进给驱动单元：包括速度控制单元和位置、速度检测反 馈装置。完成位置速度控制信号处理和传递
③手摇脉冲发生器（手轮）：完成系统运动的手动操作。 ④CRT显示器：系统信息显示。 ⑤外部输入装置：键盘、软驱、USB接口、网络接口、 RS232接口等。
2、方块图（Block diagram）
3、工作过程图示（Illustration）
4、工作过程描述(Description)
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。
1）. 数控装置硬件构成 ① CPU控制主板： 组成：部件1、2、5、6、操作面板组成； 功能： CNC系统核心，完成工作管理（信息输入、I/O 处理、显示处理、故障诊断处理）和控制（译码、补偿、 插补运算、速度运算、位置运算）。
②对外接口： XS2～XS5：外部通讯接口， XS6：远程扩展接口，一般不使用， XS8：手轮（手摇脉冲发生器）接口；
XS1
XS5—RS232
3.开关量接线端子板
1）开关量输入端子板结构
2）输出端子板
3）继电器板
三、数控机床的各组成部分
1、数控机床控制系统连接示意图
2、各组成部分作用 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。
Fra Baidu bibliotek
2、输入/输出装置(Input/Output unit ）
3. 电源单元结构 （1）总电源
AC380V三相四线制，频率50Hz；电源线接入总空气开关和变压器输 入端前，三相对地接高压磁片电容（2000V），以减少外界进入的干 扰（如脉冲、浪涌等），并将每相导线在铁氧体磁环上绕4～5圈，用 于抑制快速瞬变脉冲串的干扰；接地端使用车间总接地引出，接地电 阻≤4Ω。