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1、第1章 数控加工技术基础第三部分第三部分 计算机数控系统计算机数控系统内容：内容：一、一、概述概述 二、二、CNC系统硬件结构系统硬件结构 三、三、CNC系统软件结构系统软件结构 四、四、数控插补原理数控插补原理逐点比较法逐点比较法数字积分法数字积分法美国电子工业协会（EIA）数控标准化委员会对于CNC系统的定义：CNC系统是借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路，伺服驱动装置的一种专用计算机。3.1.1 CNC系统的定义系统的定义 3.1 概概 述述 3.1.2 CNC系统的组成系统的组成传统的数控系统（NC)是由硬件来实现数控功能的，称为硬件数控

2、。现代数字控制装置已经发展成为计算机数字控制装置（CNC），它由软件来实现部分或全部数控功能。图图3-1 CNC系统的组成系统的组成 3.1.2 CNC系统的组成系统的组成组组成成：CNC系统是由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。图图3-1 CNC系统的组成系统的组成CNC系统组成框图3.1.2 CNC装置的组成 CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .CNC装置是CNC系统的核心，由硬件和

3、软件两大部分组成。硬件结构:硬件是由一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口板以及机床控制器所组成。软件结构：CNC系统的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计和编制的专用软件，是系统软件。是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输输入入程程序序输输出出程程序序显显示示程程序序诊诊断断程程序序译译码码程程序序补补偿偿计计算算速速度度控控制制插插补补程程序序位位控控程程序序图图3-2 3-2 CNCCNC软件的构成软件的构成 3.1.2 CNC装置

4、的组成3.1.3 CNC装置的功能装置的功能 CNC装置中采用大量软件来实现数控功能，功能较丰富，适合数控机床的各种复杂的控制要求。CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能两大类，基本功能是指数控装置必备的功能，而选择功能则是可根据具体机床的要求，供用户选择的功能。CNC装置功能可分以下12个方面：1.控制功能控制功能CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能 2.准备功能准备功能 准备功能也称G功能，用来指令机床运动方式的功能。包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返

5、回、固定循环、公英制转换等指令。它用指令G和它后续的两位数字表示。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能 3.插补功能插补功能插补功能用于对零件轮廓加工的控制，一般的CNC装置有直线插补、圆弧插补功能；有的机床有抛物线插补和极坐标插补。实现插补运算的方法有逐点比较法、数字积分法、直接函数法等。插补方式可分为三种：完全硬件插补、软/硬件插补、完全软件插补。图3-2 三种典型CNC装置的软硬件分工 3.1.3 CNC装置的功能装置的功能 4.固定循环加工功能固定循环加工功能固定循环加工指令将典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。固定循环加工

6、指令有钻孔、攻螺纹、镗孔、车螺纹等。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能5.进给功能进给功能 进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。数控加工中常用到以下几种与进给速度有关的术语。切削进给速度(mm/min)：以每分钟进给距离形式指定刀具切削进给速度，如F150表示切削速度为150mm/min。同步进给速度(mm/r)：主轴每转一圈时进给轴的进给量。只有主轴上装有位置编码器的机床才能指定同步进给速度。快速进给速度：机床的最高移动速度，用G00指令，通过参数设定。可通过操作面板上快速开关改变。进给倍率：操作面板上设置了进给倍率开关，使用倍率开关不用修改程序中的F代码，就可改变机床的

7、进给速度。倍率可在0200%间变化。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能6.主轴功能主轴功能 指定主轴转速的功能。指定主轴转速的功能。指 定 主 轴 转 速(r/min)：S1500表 示 主 轴 转 速 为1500r/min。设置恒定线速度：主要用于车削和磨削加工中，使工件端面加工质量提高。主轴准停：使主轴在径向的某一位置准确的停止。有自动换刀功能的机床必须有这一功能。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能7.辅助功能辅助功能 辅助功能用来规定主轴的起、停、转向；切削液的开、关；刀库的启、停，用M来表示。8.刀具功能刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，用T字母和它后续的2位或4位数值表示

8、，代表刀具的编码。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能9.补偿功能补偿功能 通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。刀具补偿：刀具长度补偿、半径补偿、和刀尖圆弧补偿。丝杠螺距误差补偿和反向间隙补偿：通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到CNC系统中，在实际加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能10.显示功能显示功能CNC装置配置CRT显示器或液晶显示器，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可用来显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、人机对话编程菜

9、单、刀具实际移动轨迹的坐标等。3.1.3 CNC装置的功能装置的功能11.诊断功能诊断功能 为了防止故障发生或发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断水平也不同。启动诊断启动时对CPU、存储器、I/O单元、CRT/MDI单元及阅读机、软盘等装置或硬件配置和一些重要芯片是否插装到位，型号规格是否正确进行诊断。在线诊断在系统运行过程中进行检查和诊断。离线诊断在系统运行前或故障停机后进行诊断，查出故障部位及故障发生原因。远程通信诊断由通信诊断计算机向CNC发送诊断程序，搜集测试数据，进行故障定位。3.1.3

10、CNC装置的功能装置的功能12.通信功能通信功能通信功能主要完成上级计算机与CNC装置之间的数据和命令传送。RS232C通信接口、DNC接口、通信网络等。1.1.工作原理工作原理 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。3.1.4 CNC系统的一般工作过程系统的一般工作过程 1）输入：）输入：输入内容零件加工程序、机床参数和补偿数据。输入方式穿孔纸带输入、磁盘输入、光盘输入、键盘输入，通

11、讯接口输入及连接上级计算机的DNC输入。2）译译码码：以零件程序的一个程序段为单位进行处理，将其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧）,F、S、M、T等信息根据一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。2.一般工作过程：一般工作过程：3）数据处理：）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）进进给给速速度度处处理理：数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是合成运动方向上的速度，即F指令代码指定。（a）各进给运动坐标方向上的速度；（b）机床允许的最低和最高速度限制处理；（

12、c）CNC软件的自动加速和减速处理。5）插补：）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。2.一般工作过程：一般工作过程：2.一般工作过程：一般工作过程：6）位位置置控控制制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。可由软件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的逻辑误差补偿和反向间隙补偿等，以提高机床的定位精度。位置控制装置位于伺服系统的位置环上。图3-3 位置控制原理2.一般工作过程：一般工作过程：7）I/O处处理理：I/O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。一方面作用是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中；令一方面是将CNC的输出命令（如换刀、主轴变速换挡、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。8）显显示示：为操作者提供方便。零件程序显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示、刀具轨迹的静态和动态模拟加工图形显示等。9）自诊断：）自诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。工作流程：工作流程：3.1.5 CNC系统的特点系统的特点（1）灵活性（2）通用性（3）可靠性（4）数控功能多样化（5）使用维护方便