有关数控系统的一些基本概念

一 、 数 控 系 统 的 基 本 概 念 （ 1） 数 控 数 控 是 数 字 控 制 的 简 称 ， 其 含 义 如 下 。 广 义 ： 利 用 数 字 化 信 息 并 采 用 数 字 控 制 技 术 对 一 个 生 产 过 程 进行 控 制 。 狭 义 ： 利 用 数 字 化 信 息 并 采 用 数 字 控 制 技 术 对 机 床 运 动 轨 迹 和机 床 工 作 状 态 进 行 控 制 。 （ 2） 数 字 控 制 系 统 （ 数 控 系 统 ） 广 义 ： 利 用 数 字 化 信 息 并 采 用 数 字 控 制 技 术 对 一 个 生 产 过 程 进行 自 动 控 制 的 系 统 。 狭 义 ： 利 用 数 字 化 信 息 并 采 用 数 字 控 制 技 术 对 机 床 工 作 过 程 进行 控 制 的 系 统 。 数 字 控 制 系 统 的 一 般 工 作 过 程 如 下 。 首 先 ， 用 户 采 用 某 种 编 程 语 言 来 描 述 系 统 工 作 过 程 ， 既 编 写 程序 ， 并 以 数 字 形 式 送 入 数 字 控 制 装 置 中 。 其 次 ， 数 控 装 置 通 过 数 据 计 算 和 处 理 快 速 识 别 出 该 程 序 所 描 述的 工 作 过 程 并 将 程 序 分 解 为 一 系 列 的 实 际 控 制 信 号 。 最 后 ， 数 控 装 置 输 出 实 际 控 制 信 号 使 相 应 的 执 行 部 件 产 生 相 应的 动 作 。 可 见 数 字 控 制 系 统 都 是 由 输 入 、 决 策 与 输 出 三 个 环 节 组 成 的 。 （ 3） 数 控 机 床 数 控 系 统 与 被 控 机 床 本 体 的 结 合 体 称 为 数 控 机 床 。 根 据 机 床 本 体 的 不 同 类 型 ， 数 控 机 床 也 被 分 为 相 应 的 类 型 。 例 如 ： 数 控 车 床 、 数 控 铣 床 、 数 控 加 工 中 心 等 等 。 数 控 机 床 是 典 型 的 机 电 一 体 化 产 品 。 （ 4） 本 课 程 内 容 以 机 床 为 控 制 对 象 的 数 控 系 统 的 一 般 原 理 。 西 门 子 802D系 统 的 基 本 原 理 。 数 控 加 工 程 序 二 、 数 控 系 统 的 组 成 数 控 系 统 的 一 般 组 成 如 下 图 所 示 ， 其 中 机 床 本 体 为 被 控 对 象 。输 入输 出装 置 数 控 装 置 伺 服 系 统机 床 电 器 控 制 装 置 机床本体 （ 1） 数 控 加 工 程 序 数 控 加 工 程 序 是 指 从 外 部 输 入 并 描 述 了 机 床 加 工 过 程 的 程 序 。 数 控 系 统 将 严 格 按 照 数 控 加 工 程 序 对 工 件 进 行 自 动 加 工 。 数 控 加 工 程 序 记 载 了 机 床 加 工 所 需 要 的 各 种 信 息 ， 包 括 ： 轨 迹 信 息 ： 几 何 形 状 和 几 何 尺 寸 。 工 艺 信 息 ： 进 给 速 度 、 主 轴 转 速 、 刀 具 号 和 刀 具 补 偿 号 等 。 开 关 命 令 ： 主 轴 正 反 转 、 换 刀 、 开 /关 切 削 液 和 装 /卸 工 件 等 等 。 数 控 加 工 程 序 被 记 录 在 各 种 信 息 载 体 上 ， 主 要 有 穿 孔 纸 带 、 磁 带 、磁 盘 和 各 种 半 导 体 存 储 器 等 。 （ 2） 输 入 输 出 装 置 输 入 装 置 将 数 控 加 工 程 序 和 其 他 数 字 信 息 输 入 给 数 控 装 置 。 输 出 装 置 输 出 或 显 示 数 控 装 置 的 内 部 信 息 。 常 见 的 输 入 输 出 装 置 ： 纸 带 阅 读 机 、 磁 盘 驱 动 器 、 键 盘 和 显 示 器 、通 信 接 口 等 。 （ 3） 数 控 装 置 数 控 装 置 是 数 控 系 统 的 核 心 ， 其 主 要 功 能 是 ： 正 确 识 别 和 解 释 数 控 加 工 程 序 ， 并 对 解 释 结 果 进 行 数 据 计 算 和逻 辑 处 理 ， 从 而 将 数 控 加 工 程 序 分 解 为 一 系 列 的 实 际 控 制 信 号 ， 使系 统 中 相 应 的 执 行 部 件 执 行 相 应 的 动 作 。 数 控 装 置 将 数 控 加 工 程 序 转 换 为 两 种 类 型 的 控 制 信 号 。 1） 伺 服 控 制 量 ： 送 往 伺 服 驱 动 装 置 ， 产 生 插 补 运 动 。 2） 开 关 控 制 量 ： 送 往 机 床 电 器 逻 辑 控 制 装 置 ， 产 生 开 关 动 作 。 数 控 装 置 有 两 种 形 式 。 1） 硬 件 数 控 装 置 （ NC装 置 ） ： 由 数 字 逻 辑 硬 件 电 路 构 成 ， 其数 控 功 能 由 硬 件 逻 辑 电 路 实 现 。 2） 计 算 机 数 控 装 置 （ CNC装 置 ） ： 由 计 算 机 构 成 ， 其 数 控 功 能由 硬 件 和 软 件 来 共 同 实 现 。 （ 4） 伺 服 系 统 （ 伺 服 驱 动 装 置 ） 伺 服 系 统 位 于 数 控 装 置 和 机 床 本 体 之 间 ， 包 括 进 给 轴 伺 服 驱 动 装置 和 主 轴 伺 服 驱 动 装 置 。 进 给 轴 伺 服 驱 动 装 置 ： 根 据 数 控 装 置 发 出 的 位 置 控 制 命 令 和 速 度控 制 命 令 驱 动 机 床 工 作 台 进 行 坐 标 运 动 。 主 轴 伺 服 驱 动 装 置 ： 根 据 数 控 装 置 发 出 的 速 度 控 制 命 令 驱 动 机 床主 轴 以 指 定 的 转 速 旋 转 。 （ 5） 机 床 电 器 控 制 装 置 机 床 电 器 控 制 装 置 位 于 数 控 装 置 和 机 床 本 体 之 间 ， 其 主 要 功 能 为 ：接 收 数 控 装 置 发 出 的 开 关 命 令 ， 实 现 相 应 的 开 关 动 作 。 例 如 机 床 主 轴 的 选 速 、 起 停 和 方 向 控 制 ， 换 刀 装 置 的 换 刀 控 制 ，工 件 装 夹 系 统 的 装 /卸 控 制 ， 冷 却 、 液 压 、 气 动 、 润 滑 系 统 的 逻 辑 控制 以 及 机 床 的 其 他 辅 助 功 能 。 机 床 电 器 控 制 装 置 的 具 体 形 式 有 两 种 ： 一 是 继 电 器 控 制 装 置 ； 二是 可 编 程 逻 辑 控 制 器 。 （ 6） 机 床 本 体 根 据 不 同 的 加 工 方 式 ， 机 床 本 体 可 以 是 车 床 、 铣 床 、 钻 床 、 镗 床 、磨 床 、 加 工 中 心 以 及 电 加 工 机 床 等 等 。 （ 7） 辅 助 装 置 数 控 机 床 配 置 有 各 种 辅 助 装 置 ， 以 配 合 机 床 的 零 件 加 工 。 传 统 的 机 床 辅 助 装 置 ： 切 削 液 处 理 装 置 、 气 动 液 动 装 置 等 等 。 数 控 机 床 特 有 的 辅 助 装 置 ： 对 刀 仪 、 自 动 编 程 器 、 自 动 排 屑 器 、物 料 储 运 及 上 下 料 装 置 等 等 。 当 数 控 系 统 的 数 控 装 置 采 用 计 算 机 数 控 装 置 （ CNC装 置 ） 时 ， 此 系统 就 称 为 计 算 机 数 控 系 统 。 计 算 机 数 控 系 统 由 硬 件 和 软 件 来 共 同 完 成 数 控 功 能 ， 其 基 本 组 成如 下 图 所 示 。 信 息 载 体 输 入 装 置 CNC装 置 主 轴控 制 单 元可 编 程 控 制 器（ PLC） 主 轴 电 机编 程 器 通 信 线 路CAD/CAM系 统上 位 机 输 出 装 置 机 床进 给 电 机位 置检 测 器速 度控 制 单 元 现 代 计 算 机 数 控 系 统 具 有 如 下 特 点 ： 除 了 读 取 信 息 载 体 ， 还 可 通 过 其 他 方 式 获 得 数 控 加 工 程 序 。 例 如 通 过 键 盘 方 式 输 入 和 编 辑 数 控 加 工 程 序 ， 通 过 通 信 方 式 输 入自 动 编 程 器 、 CAD/CAM系 统 或 上 位 机 所 提 供 的 数 控 加 工 程 序 。 可 以 实 现 硬 件 数 控 装 置 难 以 完 成 的 诸 多 功 能 。 例 如 ： 图 形 模 拟 显 示 、 系 统 诊 断 、 各 种 复 杂 的 轨 迹 控 制 算 法 和 补偿 算 法 的 实 现 ， 通 信 和 网 络 功 能 等 等 。 取 代 了 传 统 的 继 电 器 控 制 线 路 ， 采 用 可 编 程 控 制 器 来 实 现 数控 机 床 的 逻 辑 控 制 。 PLC可 位 于 数 控 装 置 之 外 ， 称 为 独 立 型 PLC； 也 可 以 与 数 控 装 置 合为 一 体 ， 称 为 内 装 型 PLC。 三 、 数 控 系 统 中 的 有 关 约 定 （ 一 ） 数 控 加 工 程 序 所 采 用 的 编 码 数 控 加 工 程 序 总 是 保 存 在 某 种 信 息 载 体 上 的 ， 在 这 个 载 体 中 组 成数 控 加 工 程 序 的 字 母 、 数 字 和 其 它 各 种 符 号 都 是 以 某 种 编 码 的 形 式 来表 示 的 。 在 数 控 系 统 中 常 用 的 编 码 有 以 下 三 种 。 （ 1） ASCII编 码 在 数 控 系 统 的 存 储 器 中 ， 数 控 加 工 程 序 通 常 以 ASCII编 码 形 式 来保 存 。 在 计 算 机 数 控 系 统 中 ， 数 控 加 工 程 序 文 件 实 质 上 就 是 ASCII编码 形 式 的 文 本 文 件 。 ASCII编 码 是 七 位 二 进 制 编 码 ， 可 表 示 128个 字 符 。 （ 2） ISO编 码 和 EIA编 码 在 保 存 数 控 加 工 程 序 的 纸 带 中 ， 通 常 采 用 这 两 种 编 码 。 ISO编 码 是 八 位 二 进 制 编 码 ， 它 是 在 ASCII编 码 的 基 础 上 ， 在 最高 位 增 加 一 个 补 偶 位 形 成 的 ， 因 此 可 表 示 128个 字 符 。 EIA编 码 也 是 八 位 二 进 制 编 码 ， 但 其 第 五 位 为 补 奇 位 ， 最 高 位 只有 “ 程 序 段 结 束 符 ” CR用 到 ， 因 此 可 表 示 64个 字 符 。 （ 二 ） 数 控 机 床 坐 标 系 为 精 确 控 制 机 床 移 动 部 件 的 运 动 ， 在 数 控 机 床 系 统 中 需 要 建 立 起相 应 的 坐 标 系 ， 为 此 国 家 标 准 和 国 际 标 准 都 做 出 了 相 应 的 规 定 。 （ 1） 标 准 的 数 控 机 床 坐 标 系 统 采 用 右 手 直 角 笛 卡 儿 坐 标 系 这 个 坐 标 系 一 共 包 含 了 以 下 6根 轴 。+Y+B +X+A+Z +C X、 Y、 Z轴 ： 直 线 运 动 轴 ， 分 别 表 示 三 个 方 向 的 直 线 运 动 ，这 三 个 运 动 方 向 遵 循 右 手 法 则 。 A、 B、 C轴 ： 旋 转 运 动 轴 ， 分 别 表 示 围 绕 X、 Y、 Z轴 的 旋 转运 动 ， 运 动 方 向 遵 循 右 手 螺 旋 法 则 。 这 6根 坐 标 轴 的 坐 标 轴 方 向 是 指 刀 具 相 对 于 工 件 的 运 动 方 向 ， 正方 向 一 般 取 为 刀 具 离 开 工 件 的 运 动 方 向 。 （ 2） 机 床 坐 标 系 还 包 括 了 X 、 Y 、 Z 、 A 、 B 、 C 6根 坐 标轴 ， 见 下 图 所 示 。 X、 Y、 Z、 A、 B、 C 表 示 刀 具 相 对 于 工 件 的 运 动 方 向 X 、 Y 、 Z 、 A 、 B 、 C 表 示 工 件 相 对 于 刀 具 的 运 动 方 向 。 +Y +B +X+A+Z +C +Y+B+X +A +Z+C （ 3） Z轴 为 平 行 于 机 床 主 轴 的 坐 标 轴 ， 其 正 方 向 为 从 工 件 到 刀 具夹 持 点 的 方 向 。 （ 4） X轴 为 水 平 的 、 平 行 于 工 件 装 夹 平 面 的 轴 。 （ 5） 当 X轴 和 Z轴 确 定 后 ， 按 右 手 直 角 坐 标 系 规 则 即 可 确 定 Y轴 。 XYX Z （ 三 ） 数 控 机 床 中 的 一 些 “ 点 ” 数 控 机 床 中 存 在 着 多 种 坐 标 系 ， 包 括 机 床 坐 标 系 、 工 件 坐 标 系（ 编 程 坐 标 系 ） 、 绝 对 坐 标 系 和 相 对 坐 标 系 等 。 为 确 定 各 坐 标 系 的 原 点 位 置 ， 首 先 必 须 了 解 在 数 控 机 床 系 统 中的 一 些 点 的 概 念 。 （ 1） 机 床 零 点 M （ 机 床 原 点 、 机 械 原 点 ） 机 床 坐 标 系 的 原 点 ， 其 位 置 由 数 控 机 床 制 造 厂 家 确 定 。 （ 2） 工 件 零 点 W（ 工 件 原 点 、 编 程 原 点 ） 为 便 于 编 写 数 控 加 工 程 序 ， 编 程 人 员 可 以 在 工 件 上 定 义 自 己 的 坐标 系 ， 称 为 工 件 坐 标 系 ， 工 件 坐 标 系 的 原 点 就 称 为 工 件 零 点 。 工 件 零 点 具 有 以 下 特 点 。 在 一 个 工 件 上 可 以 定 义 多 个 工 件 坐 标 系 ， 因 此 工 件 上 可 以 有多 个 工 件 原 点 。 数 控 系 统 通 过 存 储 工 件 原 点 相 对 于 机 床 原 点 的 位 置 偏 移 值 来存 储 一 个 工 件 坐 标 系 。 由 于 工 件 在 工 作 台 或 夹 具 上 的 位 置 不 固 定 ， 因 此 工 件 原 点 相对 于 机 床 原 点 的 位 置 也 是 不 固 定 的 ， 因 此 工 件 零 点 有 时 也 被 称 为 浮动 原 点 。 在 数 控 加 工 程 序 中 可 以 通 过 使 用 G 代 码 (G 54 G 59)来 指 定工 件 原 点 相 对 于 机 床 原 点 的 位 置 偏 移 量 。 （ 3） 刀 架 相 关 点 C 刀 架 相 关 点 是 刀 架 上 用 于 测 量 刀 具 参 数 的 一 个 固 定 位 置 点 。 刀 具 参 数 就 是 刀 具 切 削 点 相 对 于 刀 架 相 关 点 的 位 置 偏 移 量 ， 如下 图 所 示 。 CC L1 L2 兰 色 刀 的 刀 具 参 数 ： L1， L2 红 色 刀 的 刀 具 参 数 ： 0， 0 数 控 加 工 程 序 中 所 指 定 的 坐 标 值 是 指 刀 具 切 削 点 的 坐 标 。 加 工 开 始 后 系 统 根 据 指 定 的 刀 具 切 削 点 坐 标 和 刀 具 参 数 进 行 相应 的 刀 具 补 偿 处 理 ， 计 算 出 刀 架 相 关 点 的 位 置 ， 然 后 控 制 刀 架 相 关点 运 动 到 计 算 位 置 ， 从 而 实 现 指 定 加 工 。 在 加 工 过 程 中 系 统 显 示 坐 标 值 也 是 刀 具 切 削 点 的 坐 标 。 当 机 床 回 参 考 点 后 ， 刀 架 相 关 点 C将 与 机 床 参 考 点 R重 合 。 （ 4） 机 床 参 考 点 R（ 电 气 原 点 ） 机 床 回 参 考 点 后 刀 架 相 关 点 C所 在 的 空 间 位 置 点 。 机 床 参 考 点 C具 有 如 下 特 点 。 机 床 参 考 点 R是 通 过 电 子 测 量 器 件 来 精 确 测 定 的 机 床 上 的 一个 固 定 点 ， 通 常 位 于 机 床 运 行 范 围 的 一 个 角 上 。 机 床 参 考 点 相 对 于 机 床 原 点 的 偏 移 量 是 一 个 固 定 值 ， 可 通过 修 改 机 床 参 数 来 确 定 。 通 过 回 参 考 点 操 作 ， 可 以 精 确 测 定 出 机 床 参 考 点 R和 机 床 原点 M的 位 置 ， 从 而 标 定 出 数 控 机 床 的 坐 标 系 统 。 （ 四 ） 绝 对 坐 标 系 和 相 对 坐 标 系 在 编 写 数 控 加 工 程 序 时 ， 编 程 人 员 可 以 使 用 绝 对 坐 标 系 或 相 对 坐标 系 来 指 定 加 工 坐 标 点 。 绝 对 坐 标 系 是 指 以 某 一 固 定 位 置 点 为 坐 标 原 点 的 坐 标 系 。 相 对 坐 标 系 是 指 以 当 前 运 动 轨 迹 起 点 为 坐 标 原 点 的 坐 标 系 。 YW ZMW YMR ZMRXMR XYZ RM YMWXMW XZ 四 、 数 控 系 统 的 分 类 （ 一 ） 按 数 控 机 床 运 动 轨 迹 分 类 （ 1） 点 位 数 控 系 统 控 制 机 床 运 动 部 件 从 一 点 准 确 移 动 到 另 一 点 （ 定 位 运 动 ） ， 在 移动 过 程 中 不 进 行 加 工 ， 因 此 对 两 点 间 的 移 动 速 度 和 运 动 轨 迹 没 有 控 制要 求 。 例 如 ： 数 控 钻 床 、 数 控 坐 标 镗 床 和 数 控 冲 床 等 。 （ 2） 直 线 数 控 系 统 控 制 机 床 运 动 部 件 沿 着 平 行 于 坐 标 轴 的 直 线 从 一 点 准 确 移 动 到 另 一点 ， 在 移 动 过 程 中 进 行 加 工 ， 因 此 对 两 点 间 的 移 动 速 度 有 控 制 要 求 。 例 如 ： 简 易 数 控 车 床 。 （ 3） 轮 廓 数 控 系 统 同 时 对 两 个 或 两 个 以 上 进 给 轴 的 位 移 和 速 度 进 行 相 关 控 制 ， 从 而合 成 出 平 面 或 空 间 运 动 轨 迹 的 系 统 。 例 如 ： 数 控 车 床 、 数 控 铣 床 、 加 工 中 心 等 等 。 能 够 同 时 控 制 的 进 给 轴 数 称 为 联 动 轴 数 。 2 轴 联 动 的 轮 廓 加 工 3 轴 联 动 的 轮 廓 加 工 4 轴 联 动 的 轮 廓 加 工 5 轴 联 动 的 轮 廓 加 工 （ 二 ） 按 数 控 伺 服 系 统 分 类 （ 1） 开 环 数 控 系 统 没 有 位 置 检 测 反 馈 回 路 的 控 制 系 统 ， 其 特 点 如 下 。 无 位 置 检 测 反 馈 回 路 。 以 步 进 电 机 或 电 液 脉 冲 马 达 为 驱 动 部 件 。 优 点 ： 控 制 简 单 ， 调 试 维 修 方 便 ， 价 格 低 廉 。 缺 点 ： 控 制 精 度 低 ， 运 动 速 度 低 ， 驱 动 力 矩 小 。 应 用 ： 精 度 不 高 的 经 济 型 数 控 机 床 或 普 通 机 床 的 数 控 改 造 。 （ 2） 全 闭 环 数 控 系 统 带 有 位 置 检 测 反 馈 回 路 ， 位 置 检 测 装 置 直 接 安 装 在 机 床 移 动 部 件上 的 控 制 系 统 ， 其 特 点 如 下 。 以 直 流 电 机 或 交 流 电 机 为 驱 动 部 件 。 可 以 自 动 补 偿 电 气 控 制 误 差 和 机 械 传 动 链 的 机 械 传 动 误 差 。 优 点 ： 控 制 精 度 高 ， 运 动 速 度 高 ， 驱 动 力 矩 大 。 缺 点 ： 控 制 复 杂 ， 稳 定 性 不 好 ， 调 试 维 修 困 难 ， 价 格 昂 贵 。 应 用 ： 高 精 度 数 控 机 床 。 （ 3） 半 闭 环 数 控 系 统 带 有 位 置 检 测 反 馈 回 路 ， 位 置 检 测 装 置 安 装 在 电 动 机 轴 端 的 控 制系 统 ， 其 特 点 如 下 。 以 直 流 电 机 或 交 流 电 机 为 驱 动 部 件 ； 可 自 动 补 偿 电 气 控 制 误 差 ， 但 不 能 自 动 补 偿 机 械 传 动 链 的 机械 传 动 误 差 。 该 系 统 的 控 制 精 度 、 稳 定 性 、 调 试 维 修 的 复 杂 性 和 价 格 都 介 于 开环 系 统 和 全 闭 环 系 统 之 间 ， 系 统 运 动 速 度 高 ， 驱 动 力 矩 大 。 当 今 被 广 泛 应 用 于 数 控 机 床 中 。