.常用数控系统的结构及工作原理
数控机床各组成部分结构及控制原理
1．插补周期的选择
T的选择非常重要 基本思想：采用时间分割的思想，根据编程给定的进 给速度F将轮廓曲线分割为相等的插补周期T的进给段， 即轮廓步长ΔL，ΔL＝F.T
2．插补运算时间
T必须大于插补运算时间和CPU执行其他实时任务所 需的时间之和
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3．位置反馈采样周期
插补运算结果是供位置采样周期使用的各坐标轴的 位置增量值，因此，采样周期TF通常＝T，或者T 是TF的整数倍。T=8ms ，TF＝4ms
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2．4 数控机床的进给伺服系统
伺服系统的特点
1. 伺服系统的运动来源于偏差信号 偏差：指令信号与反馈信号的比较
2. 伺服系统必须有负反馈回路 3. 伺服系统始终处于过渡过程状态 4. 伺服系统必须具有力（力矩）放大作用
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伺服系统的基本要求
位移精度要高 定位精度高 稳定性好 动态响应快 调速范围宽 低速大转矩
F 0 F 0
x y
F F ye F F xe
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3. 终点判别
总步长法：N X e Ye
单边计数法：N maxXe , Ye
坐标计数法 长边坐标计数法
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❖ 4. 举例
❖ 若加工第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。按逐点 比较法进行插补计算，并作出插补轨迹图。
1. 调速范围宽而有良好的稳定性，低速 时要求速度平稳；
2. 负载特性硬，即使在低速时，有足够 的
负载能力，反应速度快； 3. 可频繁地起、停、换向等。
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2．4．2 开环进给伺服系统
一、工作原理： ❖ 组成部分：驱动控制环节、执行元件 ❖ 驱动控制环节的任务：是将指令脉冲
转化为执行元件所需的信号 ❖ 步进电机的任务：是将（处理过的指
数控系统的组成及工作原理
数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统，分别采用交、直流主轴电动机、伺 服电动机驱动，这两类电动机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进 给变速及传动系统大为简化，箱体结构简单，齿轮。轴承和轴类零件数量大为 减少甚至不用齿轮，由电动机直接带动主轴或进给丝杠。
4、高传动效率和无间隙传动装置
数控机床在高进给速度下，工作要求平稳，并有高定位精度。因此，对进 给系统中的机械传动装置和元件要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵 敏度和低摩擦阻力的特点。目前，数控机床进给驱动系统中常用的机械装 置主要有3种：滚珠丝杠副、静压蜗杆——蜗母条机构和预加载荷双齿轮－ 齿条。
机床基础部件又叫机床大件，通常是指床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作 台等。它是整台机床的基础和框架。机床的其他零、部件，或者固定在基础件 上，或者工作时在它的导轨上运动。
数控机床机械结构的主要特点
1、高刚度和高抗振性
机床刚度时机床的性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。 提高数控机床结构刚度的措施 1）提高机床构件的静刚度和固有频率 改善薄弱环节的结构或布局，以 减少所承受的弯曲载荷和转矩负载。 2）改善机床结构的阻尼特性 3）用新材料和钢板焊接结构 2、减少机床的热变形的影响 3、驱动系统机械结构简化
分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。 数控装置每发出一个脉冲，反映到机床坐标轴上的位移量，通常称为脉冲当量
3、效率指标 1）最高主轴转速和最大加速度
2）最大快移速度 4、可靠性指标
1）平均无故障工作时间 2）平均修复时间 3）固有可用度
二、数控机床的功能 1、控制功能
2、插补功能 3、准备功能 4、进给功能
数控机床的工作原理
数控机床加工工件，首先要将被加工工件的几何信息和工艺信息数字化，用 规定的代码格式编写加工程序，并储存到程序载体，然后用相应的输入装置 将所编的程序指令输入到CNC单元，CNC单元将程序译码、运算之后，向机 床各个坐标的伺服系统和辅助控制装置发出信号，以驱动机床的各运动部件， 并控制所需要的辅助动作，最后加工出合格的工件
数控机床各个组成部分的工作原理及结构
数控机床各个组成部分的工作原理及结构第一节输入装置输入装置是整个数控系统的初始工作机构,它将准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言"、运算及操作指令等原始数据，转为数控装置能处理的信息，并同时输送给数控装置。
输入信息的方式分手动输入和自动输入。
手动输入简单、方便但输入速度慢容易出错。
现代数控机床普遍采用自动输入,其输入形式有光电阅读机、磁带阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式.其它输入方式：1。
无带自动输入方式在高档数控机床上，设置有自动编程系统和动态模拟显示器(CRT).将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相连接，自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无需经制控制介质后再另行输入。
2。
触针接触式阅读机输入方式又称为程控机头或电报机头,结构简单，阅读速度较慢,但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。
3。
磁带、磁盘输入方式磁带输入方式进行信息输入，其信息介质为“录音"磁带,只不过录制的不是声音，而是各种数据。
加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入”磁盘上进行储存，另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接口输入到机床数控装置中去。
第二节数控装置数控装置是数控机床的核心,数控机床几乎所有的控制功能（进给坐标位置与速度，主轴、刀具、冷却及机床强电等多种辅助功能）都由它控制实现。
因此数控装置的发展，在很大程度上代表了数控机床的发展方向。
数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信息，并经处理分配后，向驱动机构发出执行的命令,在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，经处理后,发出新的命令。
一、数控装置的组成1、数字控制的信息1)几何信息——是指通过被加工零件的图样所获得的几何轮廓的信息。
这些信息由数控装置处理后，变为控制各进给轴的指令脉冲,最终形成刀具的移动轨迹。
几何信息的指令，由准备功能G具体规定。
2）工艺信息———通过工艺处理后所获得的各种信息。
数控机床的结构组成及原理
数控机床的结构组成及原理数控机床是一种通过计算机控制的机床，可以实现多种复杂的加工操作。
它的结构组成及原理可以大致分为机床主体部分、控制系统部分和辅助装置部分。
一、机床主体部分1.床身：床身是整个数控机床的基础部分，承载整个机床的各个部件和装置，同时具有足够的刚性和稳定性。
床身通常由大型整体铸件制成，常见的有平面床、斜床和立式床等。
床身上设有导轨、滑块和滚珠丝杠等装置，用于支撑和导向主轴箱、工作台等。
2.主轴箱：主轴箱是数控机床的重要部件之一，通常由主轴、主轴动力装置、主轴箱座、电动机及其驱动装置等组成。
主轴箱用来传递动力，使主轴旋转，是实现机床加工功能的关键部分。
3.工作台：工作台是数控机床上用于夹持工件的装置，它可以沿各个方向进行移动和转动。
工作台通常由工作台体、刀架座、刀具变位装置等组成。
工作台的移动和转动由驱动装置控制，实现对工件的定位和加工。
二、控制系统部分1.数控装置：数控装置是整个机床的控制中心，由硬件部分和软件部分组成。
硬件部分包括主机、输入输出设备、接口电路等，软件部分是指数控机床的控制程序。
数控装置能够根据加工要求，自动生成加工程序，并控制机床的各个动作。
2.伺服系统：伺服系统是数控机床的动力系统，主要由伺服电机、传动机构和测量装置等组成。
伺服电机通过控制系统接收指令，根据要求实现各个轴向的运动。
传动机构将电机运动传递到工作台或刀架等部位，测量装置用于检测轴向运动的位置和速度。
三、辅助装置部分1.刀具变位装置：刀具变位装置是数控机床上用来实现刀具的换刀和夹紧的装置。
它能够实现快速的刀具换向和自动夹紧，提高机床的加工效率。
2.冷却液供给装置：冷却液供给装置是用于给切削过程提供冷却润滑的装置，它能够保持刀具的正常工作温度，延长刀具的使用寿命，并提高加工质量。
3.操作平台：操作平台是供操作人员进行操作和监控的地方，它通常设有显示屏、键盘、手柄等操作设备，用于输入指令、调整参数以及监控加工过程。
数控系统的结构和工作原理
伺服放大器，则再从COP10A 到 COP10B。 FANUC 0iC I/O：I/O Link NC上的口为JD1A， 接I/O单元上JD1B，如再有一个I/O单元，从上一
单元JD1A接至下一个单元JD1B。CB104— CB107为4根扁平电缆,每根50芯,通向机床面板和
机床
FSSB和I/O Link体现 FANUC 公司硬件结构思想, 主运动信息和辅助运动信息分离
四、SIEMENS（西门子）802D系统结构
一、数控系统主要部件
数控控制器 伺服（主轴）放大器、电机（反馈） I/O装置 机床
二、数控机床装配过程
1、机床厂选型购置 2、电器、机械连接 3、PLC编程（辅助功能） 4、参数确定（主运动） 5、联调
三、FANUC 0iC 系统的结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FSSB 主运动信息
I/O Link 辅助运动信息
数控机床的原理及组成结构
数控机床的原理及组成结构
数控机床又称为数控加工中心，是一种利用计算机控制的机床。
它通过预先输入的指令，实现对工件的自动加工，具有高精度、高稳定性和高效率的特点。
数控机床的原理主要包括三个方面：数控系统、伺服系统和执行系统。
1. 数控系统：数控系统负责接收输入的工艺程序，对指令进行解析和处理，并发送控制信号给伺服系统和执行系统。
数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括主控板、接口板、数控终端等，软件包括操作系统、数控编程软件等。
2. 伺服系统：伺服系统负责将数控系统发送的控制信号转换为电信号，通过电机驱动系统，控制工件在加工过程中的运动。
伺服系统由伺服电机、伺服控制器和传感器等部件组成，它可以实现对工件运动的精确控制。
3. 执行系统：执行系统是指实际进行加工的部分，包括机床本体、刀具系统和夹具系统等。
它根据数控系统发送的指令，控制切削工具在工件上进行切削、铣削、镗削等操作。
执行系统的结构包括主轴、进给系统、工作台、刀库等。
总的来说，数控机床的组成结构主要包括数控系统、伺服系统和执行系统三个方面，它们相互配合，实现对工件的自动加工。
简述数控机床的工作原理
简述数控机床的工作原理数控机床是一种高精度、高效率、高自动化程度的机床，其工作原理是将数字信号转换为机床运动指令，通过控制系统控制各个执行机构实现工件的加工。
本文将从数控机床的基本结构、控制系统、加工过程等方面简述其工作原理。
一、数控机床的基本结构数控机床主要由机床主体、数控装置、执行机构、测量系统和辅助装置等组成。
其中，机床主体是指数控机床的机械部分，包括床身、主轴、进给机构等；数控装置是指数控机床的控制部分，包括控制器、输入设备、输出设备等；执行机构是指数控机床的动力部分，包括主轴驱动、进给驱动等；测量系统是指数控机床的检测部分，包括测量传感器、编码器等；辅助装置是指数控机床的辅助部分，包括冷却液系统、废屑输送系统等。
二、数控机床的控制系统数控机床的控制系统是指数控装置及其控制算法。
数控装置按照功能可分为系统控制器、数据输入设备、数据输出设备和辅助设备。
系统控制器是数控机床的核心部分，它负责将输入设备输入的数字信号转换成机床运动指令，并通过输出设备将指令传递给执行机构，从而实现工件的加工。
系统控制器的控制算法包括插补算法、轨迹控制算法、路径规划算法和运动控制算法等。
插补算法是将输入的数字信号转换为机床运动指令的核心算法，它通过对数字信号进行插补计算，生成机床的运动轨迹。
轨迹控制算法是指控制机床主轴的运动，它通过控制主轴马达的转速和转向实现工件的旋转加工。
路径规划算法是指规划机床加工路径的算法，它通过对工件的几何形状和加工要求进行分析，生成最优的加工路径。
运动控制算法是指控制机床进给运动的算法，它通过控制进给马达的转速和转向实现工件的直线运动。
三、数控机床的加工过程数控机床的加工过程包括工件的设计、程序的编写、加工的准备和加工的执行等步骤。
其中，工件的设计是指根据加工要求和工件的几何形状，设计出工件的CAD模型。
程序的编写是指将CAD模型转换成数字信号，用于控制数控机床进行加工。
加工的准备是指根据程序要求，调整数控机床的各项参数，使其符合加工要求。
数控 系统基本原理与结构
（4）正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据 宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。
多微处理机（紧耦合、松耦合）的结构特点：
1）性能价格比高。
2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。
3）可靠性高。
4）硬件易于组织规模生产。
多微处理机CNC装置的典型结构
输出至机床的
控制信号图2-18 双端口存储器结构框图
CRT （CPU2）
插补 （CPU3）
轴控制 （CPU4）
图2-19 多微处理机共享存储器结构框图
2.3.2 PC-based数控系统的硬件构成
1. PC-based数控系统的体系结构主要有以下3种形式 （1）专用数控加PC前端的复合式结构
串口
并口
模块 （CPU）
系统总线
操作面板 显示模块
CNC插补 模块
（CPU）
PC功能 模块
（CPU）
位置控制 模块
（CPU）
主轴控制 模块
图2-17 多微处理机共享总线结构框图
1）共享存储器结构
中断 控制
仲裁逻 辑控制
端口1 RAM
地址和数据多 路转换器
从机床来的 控制信号
I/O(CPU1) 共享存储器
端口2
第二章 数控系统基本原理与结构
2.3 计算机数控系统硬件结构
2.3.1 CNC系统的定义与结构
CNC系统: 是用一个存储程序的计算机，按照存储在 计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置 的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接 口。
CNC控制器
指令 输入
计算机 (CNC软件)
硬件电路 (CNC硬件)
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使用步进电机驱动工作台的移动，并且无位 置反馈。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理 数控机床多采用价格便宜、位置精
度较好的半闭环控制方式。在需要高精 度的加工时，通常采用全闭环控制方式。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
2 定位原点 数控机床是以机床原点为基准来确定
普及型数控系统的产品有：北京机床研究所的 1060型CNC系统；无锡雷特数控公司的8MC/8TC CNC系统；北京凯恩帝数控公司KND-500系列；北京 航天数控集团则最新推出了CASNUC-901，902系列 等。
经济型数控系统的产品有：南京大方股份有限公 司的JWK系列。南京江南机床数控工程公司（大地） 的JN系列，上海开通数控公司的KT-300系列等。
动作坐标系的。机床原点是由机床生产厂 在机床上设定的一个固定点。因为机床原 点在电源切断的情况下，原点位置的记忆 会消失。所以，在电源接通时，必须找出 机床原点（即进行回机床参考点的操作）。
数控机床 故障诊断与维修
机械工程与自动化学院 机械工程系 马维金 2010.9
第2章 常用数控系统的结构及工作原理
2.1 概述 2.1.1 国内外主要生产厂家的产品 随着计算机技术及电子技术的迅速发展， 机械加工行业中数控机床的应用已相当普及。 机床上常用的数控系统有日本FANUC公司的 0M、15M、16M、18M，MITSUBISHI公司生 产的M50、M300、M520，SIEMENS公司生 产的3、8、810、820、850、840等。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
2.1.2 数控装置的功能 NC是Numerical Control（数字控制）的缩
略语，在JIS中被定义为“在NC机床中，将工 具对工件的位置用对应的数字信息进行指令控 制。”
自从世界上第一台数控机床在美国麻省理 工学院问世以来，控制元件相继由真空管、晶 体管、集成电路，直至现在的大规模、超大规 模集成电路，进一步缩小了数控装置的体积， 降低了成本，同时也提高了它的可靠性。此外， 驱动电机也由电气油压式步进电机改为直流伺 服电机，现在正在进一步向交流电机发展。
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PLC处于CNC和MT之间，对NC和MT侧的输 入、输出信号进行处理，主要执行M、S、T功 能。
M：辅助功能。如主轴的正、反转和停止、主 轴齿轮箱的换档变速、切削液的开关、卡盘的 夹紧、松开等。
S：主轴转速控制。 T：刀具功能。表示要求的刀具号和刀具补偿
号。可以管理刀库、自动更换刀具，包括选刀 方式、刀具累计使用的次数、刀具的剩余寿命 和刀具刃磨次数等。
伺服控制。 另一部分是对数控机床加工过程的顺序
控制（PLC控制）。即对机床的主轴、 刀具和各种开关信号进行控制（如主轴 的正、反转、启动和停止、刀具交换、 工件夹紧和、工作台交换以及切削液的 开关和润滑系统的起动等。）
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理 通常，数控装置内装有PLC（可编
程序逻辑控制器）。PLC具有控制机床 与信号交换的能力。早期的PLC主要用 于代替继电器实现逻辑控制。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
在单微处理机结构中，只有一个微处理机，实 行集中控制，并分时处理数控的各个任务。
在多微处理机组成的CNC装置中，可以根据具 体情况合理划分其功能模块，一般来说，基本 由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模 块、PC模块、操作和控制数据输入输出和显示 模块、存储器模块这6种功能模块组成，若需 要扩充功能，再增加相应的模块。这些模块之 间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享 总线和共享存储器两类结构。
路
机
速度检 速度反馈 测元件
闭环控制系统框图
工作台 位置检 测元件
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输入 数控 装置
控制 电路
伺服 电机
速度反馈 速度检测元件
位置反馈
转角检测元件
半闭环控制系统框图
工作台
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
1）闭环控制方式 将被控对象的位置反馈量与控制量（指令值）
进行比较，用差值进行控制，直到差值等于零为 止。 2）半闭环控制方式
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
2.1.3 数控系统的组成 数控系统以微型计算机（CPU、存储器等） 为核心，由决定位置的机构（伺服机构），人 机对话装置（按压按钮键盘，显示装置等）， 可编程序逻辑控制器（PLC）以及动力控制装 置等构成。如图2-1所示说明了数控系统的组 成。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
数控装置的功能是：能将记录在专 用纸带上的加工程序（数字信息）读出 来，存储和进行必要的运算，并能将位 置信息和速度信息送至伺服放大器，控 制伺服电机驱动机床上的刀具及工作台 协调地进行相对运动，加工出所需要的 零件。
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目前数控机床的控制可分为两大部分： 一部分是对坐标轴方向的进给进行位置
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
国内生产高档数控系统的主要厂家有：珠峰数控 公司的CME988（中华Ⅰ型）系列，北京航天数控集 团的CASNUC911MC（航天Ⅰ型），华中科技大学的 HNCI（华中Ⅰ型）及中科院沈阳计算所的LT8520/30 （兰天Ⅰ型）等。
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
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第2章 常用数控系统的结构及工作原理
1 伺服集成模块的位置决定方式 伺服集成模块由机械系统（工作台、滚珠
丝杠等），驱成。
伺服系统的典型结构为三环结构：位置环、 速度环和电流环。位置调节器的输出是速度调 节器的输入；速度调节器的输出是电流调节器 的输入，电流调节器的输出直接控制功率驱动 器PWM。
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（1）开环控制数控机床
输入 数控 装置
控制 电路
步进 电机
减速器
工作台
开环控制系统框图
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输入 数控装 置
位置反馈
控制电 伺服电