4典型讲义数控系统的结构和原理
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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
第一章数控系统概述(数控原理与系统课件)
➢轮廓数控系统
这类数控系统能对两个以上机床坐标轴的移动速度和运动轨迹同时进 行连续相关的控制，能够进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。
2020/7/27
1.1基本概念
2）按伺服系统分类 ➢开环数控系统
无检测反馈，信号流程单向，结构简单，成本较底，调试简单，精度 、速度受到限制，执行元件通常采用步进电机。
PLC
G、F等几何、 工艺信息
预处理
机床电气
插补运算
伺服控制 电机
检测 反馈
2020/7/27
1.3现代机械制造系统
1、 现代机械制造系统特点 Nhomakorabea刚性自动生
产线 柔性自动生
生
产线
产
柔性制造单
率
元
数控加工中
心 普通数控机
床
柔性
2020/7/27
1.3现代机械制造系统
1）计算机直接数控系统（DNC）
计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控 机床进行零件加工或装配的系统。早期的DNC系统，其中的数控机床 不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来 完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。现代的DNC系统中，各台数 控机床的数控装置全部保留，并与DNC系统的中央计算机组成计算机 网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工 况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS的发展提供了基础。因 此现代的DNC系统又被称为分布式数字控制系统。
➢普及型数控系统
这类数控系统通常采用16位的CPU，分辨率可达0.001mm，进给速 度达10~24m/min，联动轴数在4轴以下，具有平面线性图形显示功 能。
➢高级型数控系统
这类数控系统通常采用32位的CPU，分辨率高达0.0001mm，进给 速度可达100m/min，联动轴数在5轴以上，具有3维动态图形显示功 能。
这类数控系统能对两个以上机床坐标轴的移动速度和运动轨迹同时进 行连续相关的控制，能够进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。
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1.1基本概念
2）按伺服系统分类 ➢开环数控系统
无检测反馈，信号流程单向，结构简单，成本较底，调试简单，精度 、速度受到限制，执行元件通常采用步进电机。
PLC
G、F等几何、 工艺信息
预处理
机床电气
插补运算
伺服控制 电机
检测 反馈
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1.3现代机械制造系统
1、 现代机械制造系统特点 Nhomakorabea刚性自动生
产线 柔性自动生
生
产线
产
柔性制造单
率
元
数控加工中
心 普通数控机
床
柔性
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1.3现代机械制造系统
1）计算机直接数控系统（DNC）
计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控 机床进行零件加工或装配的系统。早期的DNC系统，其中的数控机床 不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来 完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。现代的DNC系统中，各台数 控机床的数控装置全部保留，并与DNC系统的中央计算机组成计算机 网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工 况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS的发展提供了基础。因 此现代的DNC系统又被称为分布式数字控制系统。
➢普及型数控系统
这类数控系统通常采用16位的CPU，分辨率可达0.001mm，进给速 度达10~24m/min，联动轴数在4轴以下，具有平面线性图形显示功 能。
➢高级型数控系统
这类数控系统通常采用32位的CPU，分辨率高达0.0001mm，进给 速度可达100m/min，联动轴数在5轴以上，具有3维动态图形显示功 能。
.常用数控系统的结构及工作原理
根据驱动用电机的回转角进行位置反馈。 3）开环控制方式
使用步进电机驱动工作台的移动，并且无位 置反馈。
21
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。
22
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。
4
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
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
第二章数控系统及工作原理_图文
char G0；
//以标志形式存放G指令。
char G1；
char M0；
//以标志形式存放M指令。
char M1；
char T；
//存放本段换刀的刀具号。
char D；
//存放刀具补偿的刀具半径值。
}；
以标志形式存放G指令示例
在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都 是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构 组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息 送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程 序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。
• 6.位移与速度检测装置
• 位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在 机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴 的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数 控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机 床向消除该误差的方向移动。
• 速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动 单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。
• （7）I/O处理
• I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理 和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。
• （8）显示
• 显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息 等。
• 有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
• （9）诊断
• 联机诊断：是指CNC中的自诊断程序融合在各部分，随 时检查不正常的事件。
刀补处理的主要工作：
Y
• 根据G90/G91计算零件轮
廓的终点坐标值。
• 根据R和G41/42，计算本 段刀具中心轨迹的终点 （P’e/P〃e）坐标值。
• 根据本段与前段连接关 系，进行段间连接处理 。
Pe’ G41
数控系统组成、原理与维修
• 1．专用计算机组成的数控体系结构
• 专用计算机数控按组成装置的电路板的结 构特点可分为大板式结构和模块化结构两 类，按装置内的微处理器()数量可分为单 微处理器和多微处理器结构两类。
单微处理器结构具有如下特点。
①结构简单，容易实现。 ②处理器通过总线与各个控制单元 相连，完成信息交换。 ③由于只用一个微处理器来集中控 制，其功 能受到微处理器字长、数 据宽度、寻址功能和运算速度等因 素的限制；由于插补等功能由软件 来实现，因此，数控功能的实现与 处理速度成为一对矛盾。
3．通用组成的数控体系结构
• 基于通用的数控系统可以充分利用的软硬件资 源，减轻设计任务；可充分利用计算机工业所 提供的先进技术，方便地实现产品的更新换代； 良好的人机界面便于操作；开放性体系结构便 于在工厂环境内集成；由于有更多的硬件供选 择，的成本对于用户来说非常灵活。
2.3 数控系统软件
一、的软件结构类型 软件结构取决于系统中的软件和硬件的分工，也取 决于软件本身的工作性质。在信息处理方面，软件 和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工 作在原则上也能由软件完成。 系统是一个实时的计算机控制系统，其数控功能是 由各种功能子程序实现的。不同的系统软件结构对 这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。在 单的数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中 断型软件结构。
2.2 数控系统硬件
• 一、 的硬件构成 • 计算机部分 • 电源部分 • 面板接口和显示接口 • 开关量接口 • 内装型部分 • 伺服输出和位置反馈接口 • 主轴控制接口 • 外设接口
二、 的体系结构
• 装置从所使用的计算机类型来看，有专用 计算机数控装置(简称专机数控)和通用个 人计算机数控装置(简称数控)两种结构。
• 专用计算机数控按组成装置的电路板的结 构特点可分为大板式结构和模块化结构两 类，按装置内的微处理器()数量可分为单 微处理器和多微处理器结构两类。
单微处理器结构具有如下特点。
①结构简单，容易实现。 ②处理器通过总线与各个控制单元 相连，完成信息交换。 ③由于只用一个微处理器来集中控 制，其功 能受到微处理器字长、数 据宽度、寻址功能和运算速度等因 素的限制；由于插补等功能由软件 来实现，因此，数控功能的实现与 处理速度成为一对矛盾。
3．通用组成的数控体系结构
• 基于通用的数控系统可以充分利用的软硬件资 源，减轻设计任务；可充分利用计算机工业所 提供的先进技术，方便地实现产品的更新换代； 良好的人机界面便于操作；开放性体系结构便 于在工厂环境内集成；由于有更多的硬件供选 择，的成本对于用户来说非常灵活。
2.3 数控系统软件
一、的软件结构类型 软件结构取决于系统中的软件和硬件的分工，也取 决于软件本身的工作性质。在信息处理方面，软件 和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工 作在原则上也能由软件完成。 系统是一个实时的计算机控制系统，其数控功能是 由各种功能子程序实现的。不同的系统软件结构对 这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。在 单的数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中 断型软件结构。
2.2 数控系统硬件
• 一、 的硬件构成 • 计算机部分 • 电源部分 • 面板接口和显示接口 • 开关量接口 • 内装型部分 • 伺服输出和位置反馈接口 • 主轴控制接口 • 外设接口
二、 的体系结构
• 装置从所使用的计算机类型来看，有专用 计算机数控装置(简称专机数控)和通用个 人计算机数控装置(简称数控)两种结构。
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。
数控系统工作原理简介PPT课件( 66页)
按所用进给伺服系统
开环数控系统 半闭环数控系统 控制系统 闭环数控系统
步进电机
数控装置
伺服马达
数控装置
机床工作台
伺服马达
机床工作台
机床工作台
位置检 测器 位置检测器
按数控系统加工功能
点位控制系统（Positioning Control System）
特点:只要求保证点与点之间的准确定位,即只控制行程的终点 坐标值,而对点与点之间刀具所移动的轨迹不加控制.在移动过 程中,刀具不进行切削,采用机床设定的最高进给速度进行定位 运动,接近终点需要低速趋近。如:钻床、冲床
+Y
F 4F 3Xe154 E=E-1=5-1=4≠0
F4 40 F5 10
+X F5F4Ye431 E=E-1=4-1=3≠0
+X
F 6F 5Ye132 E=E-1=3-1=2≠0
F6 20
+Y
F 7F 6Xe253 E=E-1=2-1=1≠0
•数字积分原理 •数字积分(DDA)直线插补
① 原理
Y
y f (t)
例：右图下，若要使从O点到E点的插补过程进
给脉冲均匀，就必须使分配给x,y方向的单位增
量成正比。设需要在t=10秒内使加工到达终点E，
则每单位时间间隔△t内，x和y的增量分别为
△t
△x’=xe/10=0.7
y
△y’=ye/10=0.4
F i 1 ,i X e Y i X i 1 Y e X e Y i ( X i 1 ) Y e X e Y i X i Y e Y e
即
i 1 F i-Y e F
当偏差值F <0时，刀具从现加工点 (Xi,Yi ) 向Y正向前进一步，到达 新加工点 (Xi,Yi1)则新加工点的偏差值为
数控系统结构介绍课件
传动装置
传动装置将伺服电机的旋转运动 转化为机床所需的直线运动或旋
转运动，以实现加工过程。
检测装置
位置检测装置 速度检测装置 电流检测装置
CHAPTER
数控系统软件结构
数控编程语言
G代码 M代码 HMI语言
插补计算原理
01
02
直线插补
圆弧插补
03 样条插补
控制算法与策略
位置控制算法
1
速度控制算法
数控系统结构介绍课 件
contents
目录
• 数控系统概述 • 数控系统硬件结构 • 数控系统软件结构 • 数控系统通信与网络 • 数控系统应用实例 • 数控系统发展趋势与前景
CHAPTER
数控系统概述
数控系统定义
数控系统发展历程
第一阶段
第二阶段 第三阶段
数控系统应用领域
航空航天
汽车制造
能源装备
PROFINET工业以太网
这是一种实时以太网技术，集成了IT和自动化领域的通信技术，具有实时性、开 放性、互操作性等特点，为数控系统的通信提供了高效可靠的解决方案。
CHAPTER
数控系统应用实例
数控机床数控系 统
功能
组成
应用
工业机器人数控系统
功能
01
组成
02
应用
03
3D打印设备数控系统
功能
3D打印设备数控系统是用于控制3D打印机进行打印操作的系统， 具有高精度、高速度、高自由度等特点。
2
自适应控制策略
3
CHAPTER
数控系统通信与网络
数控系统通信协议
RS-232通信协议 RS-485通信协议 CAN总线协议
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第四章 典型数控系统的结构和原理
第三节 Fanuc-0ib系统的构成、硬件连接
TIANJIN
中德职业技术学院
数 字 伺 服数 的字 原伺 理服
方 框 图 （ 位 置 控 制 ）
谢谢观看
系统结构图
演示版链接
第四章 典型数控系统 的结构和原理
TIANJIN
中德职业技术学院
第三节：fanuc-0ib系统的构成、硬件连接
１．系统构成 演示版链接 ２．综合联线介绍 ３．数控系统的电源连接介绍 ４．数控系统与主轴单元的连接及控制信号 ５．数字伺服的原理 演示版链接 ６．I/O连接
第四章 典型数控系统 的结构和原理
4典型数控系统的结构 和原理
精品
第四章 典型数控系统 的结构和原理
第一节．数控系统的发展简介
TIANJIN
中德职业技术学院
1．国外主流厂家产品
演示版链接
２．国内数控常见产品介绍
第四章 典型数控系统 的结构和原理
TIANJIN
中德职业技术学院
第二节．Fanuc-0i系统功能介绍
１．刚性攻丝 ２．复合加工循环 演示版链接 ３．圆柱插补 ４．直接尺寸编程 ５．记忆型螺距误差补偿 ６．CNC内装PMC编程功能 ７．使用了随机存储模块 ８．多种显示装置 ９．FANUC伺服电机 １ ２
第三节 Fanuc-0ib系统的构成、硬件连接
TIANJIN
中德职业技术学院
系 统 构 成
存储卡插槽
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
保险
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
显示状态/报警 的LED
I/O 设备 I/F 插座 电源指示灯 电源插座 机床I/F插座 显示器插座 机床I/F插座 机床I/F插座 机床I/F插座 机床I/F插座
第七节．SINUMERIC 840C系统的 结构及各部分的功能
TIANJIN
中德职业技术学院
１．系统介绍 演示版链接 ２．各模块的功能 ３．系统的连接 ４．驱动模块
第四章 典型数控系统的结构和原理
第一节 数控系统的发展简介
TIANJIN
中德职业技术学院
第四章 典型数控系统的结构和原理
第二节 Fanuc-0i系统功能介绍
TIANJIN
中德职业技术学院
Fanuc-0ib系统
第四章 典型数控系统的结构和原理
第二节 Fanuc-0Hale Waihona Puke 系统功能介绍TIANJIN
中德职业技术学院
复合加工循环
复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。比如定义了工 件的最终轮廓，可以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编 程。
第四章 典型数控系统的结构和原理