数控原理与系统

第八章　典型数控系统 第一节　FANUC数控系统 第二节　SIEMENS数控系统 第三节　华中数控系统 第四节　数控系统的抗干扰

第一节　FANUC数控系统 一、FANUC数控系统介绍 二、FANUC数控系统的特点 １)系统在设计上采用的模块化结构易拆装，各个控制板高度集成，便于维修和更换。 ２)采用专用LSI(大规模集成电路)技术，提高了芯片集成度、系统的可靠性，减小了体积和降低成本。 ３)产品应用范围广。

第一节　FANUC数控系统 ４)不断采用新工艺、新技术：SMT(高密度表面安装技术)、多层印制电路板、光导纤维电缆等。 ５)CNC装置体积减小，采用了面板装配式、内装式PMC以及多种形式结构和尺寸规格的控制器，以适应机电一体化的需求。

第一节　FANUC数控系统 ６)在插补、进给加减速、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能。 ① 插补功能：除了直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、渐开线插补、样条插补等。 ② 切削进给的自动加减速功能：除插补后直线加减速，还有插补前加减速。

第一节　FANUC数控系统 ③ 补偿功能：除了螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿、线性度补偿以及各种新的刀具补偿功能。 ④ 故障诊断功能：系统采用推理软件，具有人工智能，能以知识库为根据查找故障

第一节　FANUC数控系统 ７)以用户特定宏程序、MMC等功能来推进CNC装置面向用户开放的功能。 ８)支持多种语言显示：日语、英语、德语、汉语、意语、法语、丹麦语等。 ９)备有多种外设：FANUC PPR(Printer/Punch/Reader,打印/穿孔/阅读机)、FANUC FA(Factory Automation,自动化工厂)CARD、FANUC FLOPPY CASSETE(卡式录音带)、FANUC PROGRAME FILE Mate等。

第一节　FANUC数控系统 １０)推出MAP(Manufactory Automation Protocol，制造自动化协议)接口，使CNC通过该接口实现与上一级计算机通信。 １１)根据用户需要，不断地更新CNC产品的功能。

第一节　FANUC数控系统 三、FANUC 0系列数控系统 １.主要产品 图8-1　FANUC 0系统数控单元结构

第一节　FANUC数控系统 ２. FANUC (１)数控单元的基本配置 FANUC 0系统的CNC单元由主印制电路板(PCB)、存储器板、图形显示板、可编程机床控制器板(PMC-M)、伺服轴控制板、输入/输出接口板、子CPU(中央处理器)板、扩展的轴控制板、数控单元电源和DNC控制板等组成。 １)主印制电路板(PCB)。

第一节　FANUC数控系统 ２)数控单元电源为各板提供＋5V、±15V、±24V直流电源，其中24V直流电流用于单元内继电器控制。 ３)图形显示板提供图形显示功能，便于人机交互，并且还提供第2、3手摇脉冲发生器接口。 ４)PC板(PMC-M)。 5)输入/输出接口通过插座M1、M18和M20提供输入点，通过插座M2、M19和M20提供输出点，为PMC-M提供输入/输出信号。

第一节　FANUC数控系统 6)存储器板接收系统操作面板的键盘输入信号，提供串行数据传送接口、第1手摇脉冲发生器接口、主轴模拟量和位置编码器接口、存储系统参数、刀具参数和零件加工程序等。 7)子CPU板用于管理第5轴、第6轴、第7轴的数据分配，提供RS-232C和RS422串行数据接口等。

第一节　FANUC数控系统 8)扩展轴控制板(AXA)。 9)扩展的输入/输出接口通过插座M61、M78和M80提供输入点，通过插座M62、M78和M80提供输出点，为PMC-M提供输入/输出信号。 10)通信板(DNC2)。

第一节　FANUC数控系统 (２)控制单元的连接　 图8-2所示为FANUC 0系统连接图。 图8-２　ＦＡＮＵＣ　０系统连接图

第一节　FANUC数控系统 ３. S系列进给伺服系统的基本配置 图8-３　S系列一轴型伺服系统连接方法

第一节　FANUC数控系统 图8-４　S系列二轴型伺服系统连接方法

第一节　FANUC数控系统 图8-５　S系列三轴型伺服系统连接方法

第一节　FANUC数控系统 ４. S系列主轴伺服系统的基本配置 图8-６　S系列主轴伺服系统的连接方法

第一节　FANUC数控系统 表８-１　主轴控制信号

第二节　SIEMENS数控系统 一、840D系统的主要功能与特点 1)控制类型采用32位微处理器实现CNC控制，可用于系列机床，如车床、钻床、铣床、磨床，可完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制，具有全数字化的SIMODRIVE611数字驱动模块，最多可控制31个进给轴和主轴，进给和快速进给的速度范围为10～999mm／min

第二节　SIEMENS数控系统 图8-7　SIEMENS数控系统的产品类型

第二节　SIEMENS数控系统 2)操作方式主要有AUTOMATIC(自动)、JOG(手动)、TEACH IN(交互式程序编制)、MDI(手动过程数据输入)。 3)补偿功能840D可根据用户程序进行轮廓的冲突检测、刀具半径补偿、刀具长度补偿、螺距误差补偿和测量系统误差补偿，反向间隙补偿、过象限误差补偿等。 4)安全保护功能。

第二节　SIEMENS数控系统 5)NC编程840D系统具有高级语言编程特色的程序编辑器，可进行米制、英制尺寸或混合尺寸的编程，程序编制与加工可同时进行，系统具备1.5MB的用户内存，用于零件程序、刀具偏置、补偿的存储。 6)PLC编程840D的集成式PLC完全以标准SIMATIC Ｓ7模块为基础，PLC程序和数据内存可扩展到288ｋB，I／Ｏ模块可扩展到2048个输入／输出点，PLC程序可以极高的采样速率监视数字输入，向数控机床发送运动、停止、起动等命令。

第二节　SIEMENS数控系统 7)操作部分硬件840D提供有标准的PC软件、硬盘、奔腾处理器，用户可在Windows98／2000下开发自定义的界面。 8)显示功能840D提供了多语种的显示功能，用户只需按一下按钮，即可将用户界面从一种语言转换为另一种语言，系统提供的语言有中文、英语、德语等。 9)数据通信840D系统配有RS-232C／TTY通用接口，加工过程中可同时通过通用接口进行数据输入/输出。

图8-8 SINUMERIK 840D数控系统的基本构成 ａ)模块式组合 ｂ)连接图 第二节　SIEMENS数控系统 二、840D系统的基本构成 1. NC模块 图8-8　SINUMERIK 840D数控系统的基本构成 ａ)模块式组合　ｂ)连接图

第二节　SIEMENS数控系统 图8-9　NC模块的接口端

第二节　SIEMENS数控系统 (1)X101　操作面板接口端，该端口通过电缆与MMC(人机通信接口板)及机床操作面板联接。 (2)X102　RS-485通信接口端，该端口主要是满足西门子Profibus DP通信的要求。 (3)X111　PLC S7-300输入输出接口端，该端口提供了与PLC连接的通道。 (4)X112

第二节　SIEMENS数控系统 (5)X121　多路输入/输出接口端，通过该端口数控系统可与多种外设连接，如与控制进给运动的手轮、CNC输入/输出的连接。 (6)X122　PLC编程器PG接口端，通过该端口与西门子PLC编程器PG连接，以此传输PG中的PLC程序到NC模块，或从NC模块将PLC程序拷贝到PG中，另外还可在线实时监测PLC程序的运行状态。

第二节　SIEMENS数控系统 (7)X130A、X130B　电动机驱动器611D的输入输出扩展端口，通过扁平电缆将驱动总线与各个驱动模块联接起来，对各个伺服电动机进行控制。 (8)X172　数控系统数据控制总线端口，通过扁平电缆与各相关模块的系统数据控制总线联系起来。 (9)X173　数控系统控制程序储存卡插槽。

第二节　SIEMENS数控系统 2.电源模块 图8-１0　电源模块的接口端

第二节　SIEMENS数控系统 (3)X141 电源模块电源工作正常输出信号端口。 (4)X161 电源模块设定操作和标准操作选择端口。 (5)X171 (6)X172 起动禁止信号端(一般按出厂状态使用)。 (7)X181 供外部使用的供电电源端口，包括直流电源600V与三相交流电源380V。

第二节　SIEMENS数控系统 3.伺服电动机驱动模块 (1)X411、X412　电动机内置光电编码器反馈至该端口进行位置和速度反馈的处理。 (2)X421、X422　机床拖板直接位置反馈(光栅)端口。 (3)X431　脉冲使用端口，使用信号一般由PLC给出。 (4)X432　高速输入输出接口端。 (5)X341、X351　电压、电流检测孔，一般供模块维修检测使用，用户不允许使用。

第二节　SIEMENS数控系统 图8-１1　单轴伺服电动机驱动模块６１１Ｄ

第二节　SIEMENS数控系统 图8-１2　双轴伺服电动机驱动模块611D

第二节　SIEMENS数控系统 图8-１3　840D数控系统典型接线图

第三节　华中数控系统 一、华中数控系统介绍 二、华中数控系统的特点 １.以通用工控机为核心的开放式体系结构 ２.独创的曲面直接插补算法和先进的数控软件技术 ３.极强的系统配套能力 三、华中数控系统典型系列 １.“华中Ⅰ型”数控系统

第三节　华中数控系统 图8-１４　华中Ⅰ型数控系统硬件结构

第三节　华中数控系统 图8-１５　华中Ⅰ型数控系统的软件环境与结构 １)低层网络数控内核。 ２)上层网络数控集成开发环境。

第三节　华中数控系统 １)基于PC的CNC数控系统。 ２)以其独特的软件技术在单CPU下实现了多通道16轴控制和9轴联动控制。 ３)在计算机内不需增加硬件，用打印机实现机床数字控制。 ４)加工轨迹三维图形显示的动态仿真。 ５)支持DIN/ISO标准G代码，可一次性直接运行2GB以下的大型模具程序(G代码)。

第三节　华中数控系统 ６)双向螺距误差补偿功能。 ７)内部二级电子齿轮。 ８)具有加工断点保护和恢复功能。 ９)具有参考点返回和多个工作坐标系设置与选择功能(G54～G59)。 10)具有刀具长度和刀具半径补偿功能。 11)汉字操作界面和在线功能。

第三节　华中数控系统 12)支持NT、Noveｌｌ、Internet网络和软、硬盘数据交换。 13)具有CAD/CAM/CNC一体化集成化功能。 14)接触式或非接触式数字化仿形扩展功能。 15)运动控制开发工具包(C++运动插补函数库) 16)提供INTELCAM自动编程软件。 17)可根据用户要求，配接步进电动机和交流伺服电动机。

第三节　华中数控系统 ２.华中—2000型高性能数控系统 ３.华中“世纪星”系列数控系统 (１)HNC—21/22数控系统的功能 华中“世纪星”数控系统是在华中高性能数控系统的基础上开发的数控系统，强调了可靠性、实用性、经济型，具有以下特点。 １)可配4个进给轴，具有数字量和模拟量接口，可自由选配各种数字式、模拟式交流伺服单元或步进电动机驱动单元。

第三节　华中数控系统 ２)内部已提供满足标准车、铣床控制的PLC程序，也可按要求自行编制PLC程序。 ３)除标准机床控制面板外，配置40位输入和32位输出开关量接口、手摇脉冲发生器接口、模拟主轴接口。 ４)反向间隙和双向螺距误差补偿功能，螺距补偿数据最多可达5000点。 ５)采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD／CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线、固定循环、旋转、缩放、刀具补偿、宏程序等功能。

第三节　华中数控系统 ６)2MB ７)可扩展数控仿型功能，实现仿型／加工一体化。 (２)技术规格 世纪星HNC—21/22数控单元技术规格见表8-2。

第三节　华中数控系统 表8-2　世纪星HNC—21/22数控单元技术规格

第三节 华中数控系统 (３)部件连接 HNC—21/22数控单元外部接口如图8-16所示，数控设备之间的连接如图8-17所示。 第三节　华中数控系统 (３)部件连接　HNC—21/22数控单元外部接口如图8-16所示，数控设备之间的连接如图8-17所示。 图8-１6　ＨＮＣ—２１／２２数控单元外部接口示意图

第三节　华中数控系统 图8-１7　ＨＮＣ—２１／２２数控设备连接示意图

第三节　华中数控系统 (4)接口说明　HNC—21/22数控单元的接口如图所示。 图8-１8　ＨＮＣ—２１／２２数控单元的接口

第三节　华中数控系统 1)XS1：电源接口。 2)XS2：外接PC键盘接口。 3)XS3：以太网接口。 4)XS4：软驱接口。 5)XS5：RS232接口。 6)XS6：远程I/O板接口。 7)XS8：手持单元接口。 8)XS9：主轴控制接口。

第三节　华中数控系统 9)XS10、XS11：输入开关量接口。 10)XS20、XS21：输出开关量接口。 11)XS30～XS33：模拟式、脉冲式(含步进式)进给轴控制接口。 12)XS40～XS43：串行式HSV—11型伺服轴控制接口。

第四节　数控系统的抗干扰 一、干扰的形式与来源 １)供电条件非常恶劣。 ２)严重的噪声环境。 ３)还有来自于空间的干扰，如周围电气设备发出的电干扰和磁干扰，天体、通信设备发出的电磁波，甚至气象条件、雷电都会使数控系统不能正常地工作。 ４)工业环境的温度、湿度、灰尘、腐蚀性气体及其他损害，都会影响数控系统可靠性。

第四节　数控系统的抗干扰 二、数控系统的抗干扰 1.电源的抗干扰 2.屏蔽 (１)远离技术 抵制干扰源最有效的措施是将干扰源远离被干扰的信号线，尽量避免平行走线和将强信号线与弱信号线远离。 (２)屏蔽干扰源 将干扰源的周围加上屏蔽体，并将屏蔽体一点接地，即可将电场形成的干扰源屏蔽掉。

图8-１９ 抑制磁场辐射干扰的两种接地方式 ａ)两端接地 ｂ)单端接地 第四节　数控系统的抗干扰 (３)使用双绞线和电缆阻止耦合干扰的侵入　双绞线对磁场耦合干扰起抑制作用，同轴电缆对电场耦合和磁场耦合都有良好的抑制作用。 图8-１９　抑制磁场辐射干扰的两种接地方式 ａ)两端接地　ｂ)单端接地

第四节　数控系统的抗干扰 3.接地 (１)保护接地　在实际控制过程中，强电设备通过感应或强电击穿使壳体带上很高的交流电位。 (２)系统接地　为系统各部分提供稳定的基准电位，要求接地回路的公共阻抗尽可能小。 １) 浮地方式。 ２) 共地方式。 ３) 电容接地方式。

第四节　数控系统的抗干扰 (３)屏蔽接地 将电缆、变压器等屏蔽层与大地相连，以抑制电磁场干扰。 4.抗干扰设计 (１)印制板的安排与布局 数控装置的结构分为两种：大板结构和小板模块结构。 (２)系统总线的抗干扰设计 CNC数控装置采用功能分布式的面向总线技术，将整机按功能划分成不同的模板，每块模板功能特定，模板之间的信息交换通过公用总线完成。

第四节　数控系统的抗干扰 (３)器件的优化　CNC数控装置的功能模板应选用抗干扰能力强的逻辑器件。 5.环境温度和湿度要求 6.系统上电自诊断 7. Watchdog和电源掉电检测