数控系统的基本知识及常见数控系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,华中数控,数控系统的基本知识,华中数控,孙海亮,www.,huazhongcnc,.com,主要内容,一、数控技术的发展,二、数控系统的组成,三、数控系统的分类,四、常见数控系统,1,、,FANUC,数控系统,2,、,SIEMENS,数控系统,3,、华中数控系统,一,.,数控技术的发展,1.,1946,年世界上诞生了第一台电子计算机。,2.,第一台计算机诞生,6,年,后，即在,1952,年，计算机技术应用到了机床上。,1952,在美国诞生了第一台数控机床。,从此，传统的机床产生了质的变化。,华中数控,第一台数控机床诞生至今五十年以,来，,数控机床的核心,数控系统的发展经历,了,二个阶段,和,六代,的发展。,1.,数控（,NC,）,阶段,2.,计算机数控（,CNC,）,阶段,华中数控,数控（,NC,）,阶段,(1952,1970,年,),早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据,处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的要求。,人们不得不采用数字逻辑电路，搭成机床专用计算机,作为数控系统，被称为硬件连接数控（,HARDWIRED NC,）,简称为数控（,NC,）。,随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代,:,1952,年的第一代,电子管计算机组成的数控系统；,1959,年的第二代,晶体管计算机组成的数控系统；,1965,年的第三代,小规模的集成电路计算机组成的数控系统。,华中数控,计算机数控（,CNC,）,阶段,这一阶段从,1970,年开始至今。,1970,年研制成功大规模,集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算,机，其运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的提,高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是，小,型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入了计算机数,控（,CNC,）,阶段。,计算机数控阶段也经历了三代,:,1970,年第四代,小型计算机数控系统；,1974,年第五代,微处理器组成的数控系统,1990,年第六代,基于,PC,的数控系统,。,华中数控,数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低，价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题，因此即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及也是在上世纪的七十年代末、八十年代初以后的事情,，也就是说,数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用。,华中数控,现代数控技术发展趋势,1,高速、高精加工,2,数控系统具有多轴控制、多轴联动和复合加工的控制功能,3,数控系统开放化、智能化和网络化,华中数控,二 、数控系统的组成,数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。计算机数控系统的组成如图所示。,计算机数控系统组成框图,华中数控,1,、计算机数控装置（,CNC,装置）,液晶显示器,MDI,键盘,“急停”按钮,功能键,机床控制面板,(MCP),机床控制面板,MCP,华中数控,2,、数控装置的辅助部件,） 软驱单元,软驱单元提供,3.5”,软盘驱动器、,RS232,接口、,PC,键盘接口、以太网接口。需要通过转接线与,HNC-21,数控装置连接使用。,华中数控,） 手持单元,手持单元提供急停按钮、使能按钮、工作指示灯、坐标选择（,OFF,、,X,、,Y,、,Z,、,4,）、,倍率选择（,X1,、,X10,、,X100,）,及手摇脉冲发生器,。,华中数控,3,、伺服单元,伺服单元分为,:,主轴伺服,进给伺服,分别用来控制主轴电动机和进给电动机。伺服单元接收来自,CNC,装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。,华中数控,4,、驱动装置,驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动,使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。,华中数控,5,、可编程逻辑控制器（,PLC,）,PLC,主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，,它接受,CNC,装置的控制代码,M(,辅助功能,),、,S(,主轴转速,),、,T(,选刀、换刀,),等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开、关等一些辅助动作；,它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往,CNC,装置，用于加工过程的控制。,华中数控,6,、机床本体,机床本体即数控机床的机械部件，包括,:,主运动部件,;,给进运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）,;,支承部件（床身立柱等）,.,辅助装置,:,具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的装置。,加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。,数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。,华中数控,三、,数控系统的分类,1,、按机床的运动轨迹分类,1,） 点位控制数控系统,2,） 直线切削数控系统,3,） 连续切削数控系统,华中数控,2,、按进给伺服系统的类型分类,1,）开环数控系统,华中数控,2,）半闭环数控系统,华中数控,3,）全闭环数控系统,华中数控,3,、按数控系统功能水平分类,1,）经济型数控系统又称简易数控系统,2,）普及型又称全功能数控系统,3,）高档型数控系统,华中数控,高，中，低（经济型）数控,（,1,）分辨率和进给速度,分辨率,:,高,0.5,m,中,1,m,低,10,m,进给速度,:,高,大于,30,m/min,中,1530,m/min,低,815,m/min,(2),伺服系统,：,高,(,闭环半闭环、交流伺服电机,),中,(,闭环半闭环、交流伺服电机,),低 开环、步进电机,（,3,）联动轴数,:,高,(,35,轴以上,),中,(,35,轴以上,),低,23,轴,（,4,）通讯功能,:,高,RS232,串口、,DNC,通讯、网络接口,中,RS232,串口、,DNC,通讯、网络接口,低 无通信功能,（,5,）显示功能,:,高,LCD,、,TFT,液晶彩显,中,LCD,、,TFT,液晶彩显,低,CRT,单显,1,）,硬件式数控机床，即,NC,机床。,这类数控机床数控装置的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。,2,）,软件式数控机床，即,CNC,机床。,这类数控机床数控装置的主要功能几乎可全由软件来实现，对不同的数控机床只需编制不同的软件就可以实现，而且硬件几乎可以通用。这为降低生产成本、保证产品质量、缩短生产周期等提供了条件，所以现代数控机床都采用,CNC,装置控制。,4.,按数控装置类型分类,华中数控,1,）,金属切削类机床。,如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。,2,）,金属成型类机床。,如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。,3,）,数控特种加工机床。,如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。,4,）,其他类型的数控机床。,如火焰切割机、数控三坐标测量机等。,5.,按加工方式分类,华中数控,1,）,FANUC,公司创建于,1956,年；,2,）,1959,年首先推出电液步进电机；,3,）,70,年代，一方面从,Gettes,公司引进直流伺服,电机制造技术，一方面与西门子合作，学习,其先进的硬件技术；,4,）,1976,年成功开发出,5,系统；后与西门子,联合开发出,7,系统。,(,从这时，,FANUC,成为世界上最大的专业数控生产厂家,),四、常用数控系统简介,1,、,FANUC,数控系统简介,1,）,F0,；,2,）,F10,F11,F12,、,F15,、,F16,、,F18,；,3,）,F00,F100,110,120,150,。,F00,F100,110,120,150,系列是在,F0,10,11,12,15,的基础上加了,MMC,功能，即,CNC,、,PMC,、,MMC,三位,一体的,CNC,。,FANUC,公司目前生产的,CNC,装置：,结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构,采用专用,LSI,，,以提高集成度、可靠性，减少体积和降低成本,产品应用范围广。每一,CNC,装置上可配多种控制软件，适用于多种机床,不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术,SMT,、,多层印刷电路板、光导纤维电缆等,CNC,装置体积减少，采用面板装配式，内装式,PMC,（,可编程机床控制器）,产品特点：,FS6,是,FANUC,早期代表性产品之一。在,70,年代末,与,80,年代初期的数控机床得到了广泛应用。,FS6,与西门子,6,系统结构基本相同，除伺服电动机、,PLC,采用西门子公司产品外，其余部分完全相同,硬件采用大板结构，上面插有电源模块、存储器板等小板，,CPU,采用,8086,，该,CNC,系列为多微处理器控制系统，其主,CPU,、,PMC,及图形显示的,CPU,均为,8086,FANUC6,系统（,1979,年）,伺服驱动系统采用,FANUC,直流驱动系统，通过脉冲编码器进行位置检测，构成半闭环位置控制系统,系统一般带有独立安装的电气柜，电气柜内安装了系统的主要部件（如,CNC,装置、伺服驱动、输入单元、电源单元）,主轴驱动系统采用,FANUC,交流主轴驱动装置，该单元为分开安装式，一般安装在强电柜内,系统软件为固定式专用软件,我国,80,年代进口的数控机床，均大量配套采用,FS6,系统，直到目前仍然有较多配套,FS6,的机床在使用中，这些设备大多进入故障多发期，因此，它是数控机床维修中的常见系统之一。,F3,简化版（经济型）,另注：,Fs6,F9,强化版 （,1980,年）,F11,系列是,FANUC,公司,20,世纪,80,年代初期,开发并得到广泛应用的,FANUC,代表性产品之一,，,在,80,年代进口的高档数控机床上广为采用,，,因此，,它亦是维修中的常见系统之一。同系列的产品有,F10,11,12,三种基本规格，,F11,的硬件仍然采用大板结构（主板）,，,主,CPU,为,68000,，它也是一种多微处理器控制系统,硬件尽量采用专用大规模集成电路及厚膜电路（,22,块），元件减少,30,F11,系列（,1984,年）,CNC,系统和操作面板、,I/O,单元之间采用光缆连接，减少了信号线，抗干扰能力提高,F11,系统既可以带独立安装的电柜，也可进行分离式安装,伺服驱动与主轴驱动一般采用,FANUC,模拟式交流伺服驱动系统,系统软件可固定式专用软件，最大可以控制,5,轴，并实现全部控制轴的联动,F0,系列是,20,世纪,80,年代中后期开发的产品。,是中国市场上销售量最大的一种系统（,F0C,系列，,F0D,系列），,产品目标是体积小、价格低,.,其中,F0,MC/TC,是其代表性产品，,F0,MD,和,F0,TD,为,F0,MA,和,F0,TA,的简化版（经济型）。,硬件结构采用了传统的结构方式,:,即在主板上插有存储器板、,I/O,板、轴控制模块以及电源单元。其主板较其他系列主板要小得多，因此，在结构上显得较紧凑，体积小,F0,系统（,1985,年）,F0,系列为多微处理器,CNC,系统：,F0A,系列主,CPU,为,80186,，,F0B,系列的主,CPU,为,80286,，,F0C,系列的主,CPU,为,80386.,内置可编程控制器（,PLC,）的,CPU,为,8086,F0,可以配套使用,FANUC S,系列、,系列、,C,系列、,系列等数字式交流伺服驱动系统，无漂移影响，可以实现高速、高精控制,采用了高性能的固定软件与菜单操作的软功能面板，可以进行简单的人机对话式编程,具有多种自诊断功能，以便于维修,F0i,系统采用总线技术，增加了网络功能，并采用了“闪存”（,FLASH ROM,）。,系统可以通过,Remote buffer,接口与,PC,相连，由,PC,机控制加工，实现信息传递，系统间也可以通过,I/O Link,总线进行相连,F0 Mate,是,F0,系列的派生产品，与,F0,相比是结构更为紧凑的经济型,CNC,装置,F15,16,18,16i,18i,系列系统有：,F,15,16,18,；,F,15i,16i,18i,；,FS,150,160,180,、,F160i,180i,。,该系列系统是专门为工厂自动化设计的数控系统，是目前国际上工艺与性能最先进的数控系统之一，在美国、日本、欧洲的制造业中已普遍使用。,系统的硬件与微电子技术发展同步，采用了超大规模集成芯片：,CPU,可以是,80486,或,PENTIUM,系列处理器，带,64,位,RISC,芯片等,FANUC15,16,18,系统,系统元器件采用了立体化、高密度的安装,方式（,FANUC,公司的专利技术），,除主板外，印刷电路板均按物理功能分成小模块，根据用户的要求和系统的规模，分别插在主板上，系统扩展容易，维修方便，体积小,F15,采用了模块式多主总线（,FANUC BUS,）,结构，多,CPU,控制系统：,主,CPU,采用了,68020,，还采用了一个子,CPU,，在,PMC,、,轴控制、图形控制、通信及自动编程中也都有各自的,CPU,系统采用,8.4in,或,9.5in TFT,（,Thin File Transistor,薄膜晶体管）彩色液晶显示器,系统可配套,i,系列数字式交流伺服系统，主轴控制可采用,i,系列主轴驱动系统；,F15,16,18,系列系统既可单机运行，也可通过,Remote buffer,接口与个人计算机相连，由计算机控制加工，实现信息传递。,通过,I/O link,（,串行口）接口还可以连接多种外围设备。另外经,DNC1,或,DNC2,接口，可与,Cell Controller,或以太网连接，由上位机进行控制，实现车间的自动化。,F16,18,系统的总体结构图,CNC,I/O,单元,强电回路,传感器,/,线圈,电源,变压器,电源,主计算机,伺服驱动,主轴驱动,主轴电动机,伺服电动机,操作面板接口,机床操作面板,MDI/CRT,单元,I/O,接口,I/O,设备,手轮,日本,FANUC,最新的高档控制器，是当前配置最高的数控系统。,特点：,1.,最大控制系统为,10,个系统（通道）；,2.,最多轴数和 最大主轴配置为,40,轴：,其中进给轴,32,轴，主轴为,8,轴；,最大同时控制轴数为,24,轴,/,系统；,3.,最大,PMC,系统数为,3,个系统：,最大,I/O,点数为,4096,点,/ 4096,点，,PMC,基本指令速度为,25ns,。,4.,最大可预读程序段为,1000,段。,FANUC30i-MODEL A,SINUMERIK 3,8,810,820,850,805,840,系列等。,2,、,SIEMENS,数控系统简介,SINUMERIK,的,CNC,数控装置主要有：,SIEMENS 810,820,是西门子公司,20,世纪,80,年代中期开发的,CNC,、,PLC,一体型控制系统，它适合于普通车、铣、磨床的控制，系统结构简单、体积小、可靠性高，在,80,年代末、,90,年代初的数控机床厂上使用较广。,810,与,820,的区别仅在于显示器：,810,为,9in,单色显示，系统电源为,24V,；,820,为,12in,单色或彩色显示，系统电源为交流,220,V,；,其余硬件、软件部分完全一致,SIEMENS 810,820,系统,810,820,最大可控制,6,轴,（其中允许有,2,个作为主轴控制），,3,轴联动,系统由电源、显示器、,CPU,板、存储器（,MEM,EPROM,RAM,）,板、,I/O,板、接口板、显示控制板、位控板、机箱等硬件组成。硬件采用了较多,LSI,（,大规模集成电路）和专用集成电路,主,CPU,采用,80186,PLC,最大,128,点输入,64,点输出，用户程序容量,12KB,，,PLC,采用,STEP5,语言编程,SIEMENS 3,系统是西门子公司,80,年代初期,开发出来的中档全功能数控系统，是西门子公司,销售量最大的系统，是,20,世纪,80,年代欧洲的典,型系统。,采用模块化结构，由,CPU,模块，,NC,存储器模块，,操作面板接口，,NC,PC,连接模块，伺服测量回,路,、,，,PLC,编程接口，逻辑模块，扩展设,备接口，,PLC,存储器及各种,I/O,等,17,个模块组成,3,系统的机柜因配置、类别、型号的不同，可以,分为单框架、单,PLC,双框架、双,PLC,双框架结构,SIEMENS 3,系统,采用,INTEL 8086CPU,的轮廓轨迹控制,CNC,系统，系统可控制,4,轴，任意,3,轴联动,PLC,采用,SIMATIC S5,的,PLC130,B,，,输入输出点各,512,点,采用,12in,彩色显示器或,9in,单色显示器,8,50,880,是西门子,80,年代末期开发的机床及柔性制造系统，具有机器人功能。适合高功能复杂机床,FMS,、,CIM,的需要。是一种多,CPU,轮廓控制的,CNC,系统。,1986,年西门子公司采用数控,3,系统电路板标准（,230mm,高），,NC,PLC,双口,RAM,耦合方式，,INTEL 80186CPU,芯片，生产出,850,系统，它的,PLC,还是沿用,130WB,或,150U,1988,年针对,850,系统的缺陷，又推出全,80186,的数控,880GA1,型系统，后推出主,CPU,采用,80386,的,880GA2,型系统,SIEMENS 850880,850,880,系统的基本结构：,由操作面板、主机箱、机床控制面板,3,大部分组成。,采用两个机架支撑两列中央控制器，中央控制,器包括：,NC,CPU,；,SV,CPU,（,伺服,CPU,）；,COM,CPU,（,通信,CPU,）；,PLC,CPU,及插入式扩展模块。,插入式扩展模块有：,测量回路模块；,存储器模块；,NC,CPU 2,4,；,SV,CPU 2,4,；,PLC,输入输出板及扩展单元和接口单元,面板带有,12,英寸彩色显示器、全功能键盘及两个串口,用户程序存储器,RAM,容量为,128KB,，,EPROM,容量为,128KB,，,用户数据存储器,RANM,容量为,48KB,，,I/O,点最大为,1024,，计时器,256,，计数器,128,个,采用,SINNEC HI,总成连接方式的计算机联网,SIEMENS 802,系列系统包括：,802,S,Se,Sbase,line,；,802C,Ce,Cbase,line,；,802D,等型号。,它是西门子公司,20,世纪,90,年代末开发的集,CNC,、,PLC,于一体的经济型控制系统。近年来在国产经济型、普及型数控机床上有较大量的使用。,802,系列数控系统的共同特点是结构简单、体积小、可靠性较高。,SIEMENS 802,系列系统,802S,、,802C,系列是西门子公司为简易数控机床开发的经济型系统，两种系统的区别是：,802,S,系列采用步进电动机驱动；,802,C,、,802D,系列通常采用,SIEMENS611,数 字式交流伺服驱动系统,802S,、,802C,系列系统的,CNC,结构完全相同。,可以进行,3,轴控制,3,轴联动；,系统带有,10V,的主轴模拟量输出接口，,可以配具有模拟量输入功能的主轴驱动系统（如变频器）,802S,、,802C,系列系统可以配,OP020,独立操作面板与,MCP,机床操作面板；,显示器为,7in,或,5.7 in,单色液晶显示器（,802S,，,802C,）；,802D,采用了,10.4in,彩色液晶显示器,集成内置式,PLC,最大可以控制,64,点输入与,64,点输出，,PLC,的,I/O,模块与,ECU,间通过总线连接,802D,与,802S,、,80C,有较大的不同，在功能上比,802S,C,系统有了改进与提高，,1,）系统采用,SIEMENS PCU210,模块；,2,）控制轴数为,4,轴,4,轴联动；,3,）可以通过,611U,伺服驱动器携带,10V,主轴模拟量输,出，以驱动带模拟量输入的主轴驱动系统。,802D,除保留了,SIEMENS,传统的编程功能外，增加了：,1,）,PLC,程序“梯形图”显示功能，方便维修；,2,）可以使用非,SIEMENS,代码指令进行编程，系统的,开放性更强。,图：,840D,硬件结构图,IM,361,S7,扩展接口,MMC100/MMC102,人机对话操作面板,编程器,电机,电机,E/R,电源,模块,NCU,CPU,模块,进给,主轴,SIEMENS 810D,840D,系统,SIEMENS 810D,840D,的系统结构相似，但在性能上有较大的差别：,810D,采用,SIEMENS CCU,（,Compact Control Unit,）,模块，最大控制轴数为,6,轴,840D,采用,SIEMENS NCU,（,Numerical Control Unit,）,模块。,处理器为,PENTIUM,（,NCU573,）或,AMD K6,（,NCU572,）或,486,（,NCU571,）,系列；,当采用,NCU572,或,573,时，,CNC,的存储容量为,1GB,，,最大控制轴数可达,31,轴，,10,通道同时工作；,采用,NCU571,时，控制轴数为,6,轴，,2,通道同时工作。,840D,的,NCK,与,PLC,都集成在这个模块上，它是,840D,的核心。,数控与驱动的接口信号是数字量的,系统由操作面板、机床控制面板、,NCU,（,CCU,）、,MMC,、,611,伺服驱动、,I/O,模块等单元构成。,人机界面,MMC,，,操作面板,OP,（,包括,10.4inTFT,显示器与,NC,键盘）、机床操作面板,MCP,，,一般安装在操纵台上，它们与,CCU,（,NCU,）,间通过,PROFIBUS,总线连接,.,MMC,事实上是一台独立的计算机，它有独立的,PENTIUM CPU,、,硬盘、软驱、,TFT,显示器、,NC,键盘，可以在,WINDOWS,环境下运行,.,E/R,电源模块，它向,NCU,提供,24V,工作电源，也向,611D,提供,600V,直流母线电压,611D,主轴与进给模块，它由,E/R,电源模块供电，受控于,NCU,，,并带动主轴或进给轴电动机运转,IM361,是,PLC,输入输出接口模块，与,S7,300,兼容的,PLC,使用与,S7,300,相同的软件与硬件，,PLC,的电源模块、接口模块、,I/O,模块单独安装，它们与系统间通过,S7,总线与,CCU,或,NCU,连接,通过,CNC,与,611D,、,S7,可编程序控制器的组 合，可以构成满足不同要求的全数字控制系统,除以上典型系统外，,SIEMENS,公司还有早期生产的,SIEMENS 6,系统（与,FANUC,公司合作生产），,SIEMENS 8,、,SIEMENS 840C,等。以上系统多见于进口机床，,840C,与,840D,功能相同。,华中数控,1),华中,1,型,2),华中,2000,3),世纪星系列：,(1),hnc,-21,(2),hnc,-22,(3),hnc,-18/19,华中数控,3,、华中数控系统,数控装置型号编号说明：,华中数控,华中数控,华中数控,华中数控,采用先进的开放式体系结构；,嵌入式工业,PC,机；,配置,7.7,或,.7,彩色液晶显示屏,;,故障诊断与报警,;,多种形式的图形加工轨迹显示和仿真；,集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式,PLC,接口于一体；,可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电机驱动器,；,华中数控,“,世纪星,”,HNC-21TF,数控装置功能特点,华中数控,内部已提供标准车床或铣床控制的,PLC,程序，,用户也可自行编制,PLC,程序；,采用国际标准,G,代码编程，与各种流行，,直接加工高达,2GB,的,G,代码程序；,具有直线、圆弧、螺纹切削、刀具补偿、宏程序等功能；,支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、,DNC,、,以太网等,程序交换功能；,反向间隙和单双向螺距误差补偿功能有效提高加工精度,华中数控,华中数控,华中数控,“,世纪星,”,HNC-21,的连接图,