三轴运动控制器CNC原理图
CNC装置的硬件结构
●多端口存储器设计较复杂；对两个以上的主模块，可能会因争用存储器造成存 储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。
三、大板式结构与模块化结构 (按电路板的结构特点)
1、大板式结构 CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源 单元组成。各功能板插在主电路大印刷板插槽内。
有些CNC装置中，虽然有两个后两个以上的CPU，
但只有一个CPU对系统的资源拥有控制权和使用权
（主CPU） （存储器、总线）
主从结构
其它CPU（从CPU）无权控制和使用系统资源；只能 可归为 接受主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求信 单机结构
号以获取所需要的数据；从而完成某一辅助功能。
单(微处理)机结构的CNC装置框图
主轴控制模块
(CPU)
（2）共享存储器结构
来自机床的控制信号
I/O控制模块 (CPU)
输出至机床的控制信号
CNC管理模块 (CPU)
操作面板显示 模块
存储器 （RAM）
位置控制模块
(CPU)
主轴控制模块
(CPU)
●面向公共存储器来设计的，所有主模块共享存储器；即采用多端口存储器来实 现各主模块之间的互连和通讯， 多端口存储器的每个端口都配有数据线、地址线、控制线，供独立的CPU访问
触点输入
无源触点输入
有源触点输入
电压输入
触点去抖动电路
2）输出接口：
把机床各种工
作状态信息送 继
到机床操作面 电
板上用指示灯 显示；
器 输 出
把控制机床动
作的信号送到
CNC装置的组成及功能特点
一般来说，硬件处理速度快，但价格高、灵活性差，软件适应性强，但处 理速度慢。正确地划定软硬件界面，可以获得较高的性能价格比。图3-4是 几种典型的软硬件界面的划分。
图3-2 CNC装置的硬件组成
2. CNC装置软件的基本组成
CNC装置的软件是为了充分发挥硬件功能而运行的各种支撑软件，通常由系统软件、 控制软件和管理软件等组成。从本质特征来看，CNC装置的系统软件是具有实时性和 多任务性的专用操作系统；从功能特征来看，CNC装置的系统软件由管理软件和控制 软件两部分组成，如图3-3所示。管理软件主要用于为某个系统建立一个软件环境，协 调各软件模块之间关系，并处理一些实时性不太强的事件，包括I/O处理程序、显示程 序和诊断程序等。控制软件主要用于完成系统中一些实时性要求较高的关键控制功能， 包括译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序、位置控制程序和 主轴控制程序等。
1. 准备功能
准备功能也称G功能，它是用来指令机床运动方式的功能，包括基本移动、 平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环、公英制转换等指令。用G和它后 面的两位数字表示。
2. 插补功能
CNC是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。实际应用中，CNC的插补功 能分为粗插补和精插补。软件每次插补一个小线段数据称为粗插补，伺服接口 根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。
图3-8a所示。从图中可以看出，每两个程序段的输出时间间隔
为 t1 t2 。t3 这t种4 时间间隔反映在机床的加工过程中就是刀具的进给时断 时续，这段时间越长，数控装置的性能越差。应当尽量减少这段时间。
三轴数控机床的轨迹控制原理
Z轴 Z轴 Y轴
X轴 Y 轴 偏 置 量 X轴偏置量
机床原点
Z轴偏置量
4. 5.
工件原点
卧式数控机床的坐标系
3
三轴数控机床轨迹控制原理
一、数控机床坐标系确定方法
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 假设：工件固定， 假设：工件固定，刀具相对 工件运动。 工件运动。 标准： 标准：右手笛卡儿直角坐标 系——拇指为 X 向， 食指 拇指为 为 Y 向，中指为 Z 向。 顺序： 顺序：先 Z 轴，再 X 轴， 最后 Y 轴。 Z 轴——机床主轴； 机床主轴； 机床主轴 工作台的运动方向； X 轴——工作台的运动方向； 工作台的运动方向 Y 轴——由右手笛卡儿直角 由右手笛卡儿直角 坐标系确定。 坐标系确定。 方向： 方向：退刀即远离工件方向 为正方向。 为正方向。
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• 数控机床最突出的优点是：可以根据编程，加工 出较为复杂的曲线，比如圆、抛物线等，为什么 数控机床能加工出这些曲线？怎样把单个的坐标 运动组合成理想曲线呢？这就是插补所解决的问 题 • 让单独的坐标分别运动合成理想的轨迹； 几个坐标同时进，还是每次进一个； 判断进给那一个坐标使下一步误差更小； 进多少； 如果同时进给，各个坐标进给的比例是多少； 选用什么样的实际轨迹合成后与理想轨迹误差最 小。
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三轴数控机床轨迹控制原理
三、轮廓控制数控机床
• 轮廓控制： 轮廓控制：它能够将各坐标 运动的位移控制和速度控制 按规定的比例关系精确地协 调起来， 调起来，使刀具沿工件轮廓 的相对运动轨迹符合工件加 工轮廓的要求。 工轮廓的要求。 特点: 特点: 能够对两个或两个以上的运 动坐标的位移和速度同时进 行控制 这种机床要求数控装置具有 插补运算功能
CNC工作原理
CNC工作原理CNC（Computer Numerical Control，计算机数控）是一种通过计算机控制机床运动的技术，广泛应用于各种制造领域。
它通过预先编写好的程序来控制机床的运动，实现复杂的加工操作。
本文将详细介绍CNC工作原理，包括其基本组成部分、工作流程和关键技术。
一、CNC的基本组成部分1. 控制系统：CNC的核心部分，负责接收和解析加工程序，并控制机床的运动。
控制系统通常由计算机、数控装置和接口电路组成。
2. 机床：CNC系统的执行部分，负责实际的加工操作。
常见的机床类型包括铣床、车床、钻床等。
3. 传感器：用于检测机床和工件的位置、速度和力等信息，并将其反馈给控制系统，以实现精确的运动控制。
4. 电机与驱动器：用于驱动机床的各个轴向运动，通常采用伺服电机和驱动器来实现精确的位置控制。
二、CNC的工作流程1. 编写加工程序：首先，操作员需要根据零件图纸和加工要求，使用专门的CNC编程软件编写加工程序。
加工程序包括加工路径、切削参数和工具补偿等信息。
2. 上传程序：将编写好的加工程序通过网络或存储介质上传到CNC系统的控制器中。
3. 设置工件和工具：操作员需要将待加工的工件安装到机床上，并选择合适的切削工具。
4. 启动加工：操作员在控制器上输入相应的指令，启动加工过程。
控制器将根据加工程序的要求，控制机床的各个轴向运动，实现零件的加工。
5. 监控加工过程：在加工过程中，操作员需要通过监控系统实时监测机床的运动和加工状态，确保加工质量和安全。
6. 完成加工：当加工完成后，操作员可以将工件从机床上取下，并进行必要的后续处理。
三、CNC的关键技术1. 插补算法：CNC系统需要根据加工程序中的加工路径，计算出各个轴向的运动轨迹。
插补算法是实现这一功能的关键技术，常见的插补算法包括直线插补、圆弧插补和螺旋线插补等。
2. 伺服控制技术：伺服电机和驱动器的组合可以实现高精度的位置控制。
伺服控制技术能够根据传感器反馈的位置信息，调整电机的转速和方向，实现精确的轴向运动。
3CNC基本制原理
即，将实现该动作的一步步的子步骤
（细微动作）按先后次序列出顺序表，
必要步骤还要估计出其执行时间，还要
考虑各动作之间的相互关系，动作之间
的互锁和解锁条件，另外要了解实现各 细微动作，执行PMC 指令的电器元件。 PMC 逻辑就是用PMC 指令（语言）将 这些细微动作的执行按顺序表示出来。
梯形图可最多被可分割为6 份进行显示。分割的部分 同时显示。
1．按软键［WINDOW］。 2．按软键［DIVIDE］，将动态显示画面分为所需的
几部分。 *每按一次该键，就分割一次屏幕。 3．为了选择所需要的分割画面，按［SELECT］软键
几次，直到所需的画面变为紫色的高亮条。 *每个分割画面的检索功能可正常使用。 4．按[WIDTH]软键，可改变所选的分割画面的宽度。 ●按[EXPAND]软键，可在分割画面中增加显示的行数。
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常用顺序逻辑程序格式
语句表
流程图
梯形图
FANUC的PMC 逻辑程序用梯形图格式， 特点是直观，类似于机床的继电器逻辑 图，所以非常易于理解。而且，PMC 语 言用了许多专用指令，称为功能指令。 这样，逻辑图编得相当简洁。
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梯形图上所用符号
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CNC的基本控制原理
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CNC 单元内的基本结构
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CNC 单元的基本模块
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CNC 功能框图
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PMC 和机床的强电控制
我的课题三轴数控机床的轨迹控制原理
增 5、比较积分法 量 6、最小偏差法 插 7、目标点跟踪法
补 8、直接函数法
当量，但执行速度不很理想，在插 补精度和运动速度均高的CNC系统 中应用不广。 ●近年来的插补算法有改进的最小 偏差法，映射法。兼有插补精度高
算 9、单步跟踪法
和插补速度快的特点。
法 10、加密判别和双判别插补法 总的说来，最小偏差法插补精度
2.2.3偏差计算
y Fi>0P2 E
P1
Fi=0
P3 Fi<0
o
图9
x
对于偏差计算式Fi =Yi Xc –XiYc，包含乘法，不利硬件或汇编语言实 现，所以采用递推算式来求取F值:
若Fi>=0，规定向 +X 方向 走一步 Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = YiXc –(Xi +1)Yc =Fi -Yc
Y
B B’
D
A
2
A’
1
C
O
X
图7
2.2逐点比较法第一象限直线插补
2.2.1偏差判断
设有一动点P(Xi,Yi); 终点坐标C(Xc,Yc)。
OP1斜率-OE斜率=Y1/X1-Yc/Xc=0
P1: Y1Xc-X1Yc=0
P2: Y2Xc-X2Yc>0
P3: Y3Xc-X3Yc<0 取偏差函数
Fi= YiXc-XiYc
插补有两层意思： 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、 圆弧等）； 二是2用010基-11本-01线型拟合其它轮廓曲线宁夏。大学
用微小折线代
显 诊 替直线，肉眼 示 断 看到还是直线。
y
H
G
E
CD F
控铣床的组成和工作原理
控铣床的组成和工作原理一、数控铣床的组成现代计算机数控机床（CNC）由程序、输入输出设备、计算机数控装置、可编程序控制器（PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，见下图。
▲CNC系统图（1）程序的存储介质在数控机床上加工零件时，首先根据零件图样上的零件形状、尺寸和技术条件，确定加工工艺，然后编制出加工程序。
程序必须存储在某种存储介质上，如穿孔纸带、磁带或磁盘等。
（2）输入、输出装置存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。
输入输出装置是机床与外部设备的接口，目前输入装置主要有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。
（3）数控装置数控装置是数控机床的核心，它接收输入装置传送的数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。
（4）伺服系统伺服系统包括伺服驱动电动机、各种伺服驱动元件和执行机构等，它是数控系统的执行部分。
伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
每一个脉冲信号使机床移动部件的位移量叫做脉冲当量（也叫最小设定单位），常用的脉冲当量为0.001mm。
每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。
常用伺服驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、电液伺服电动机等。
（5）检测反馈系统检测反馈装置的作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测，把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较、计算出实际位置与指令位置之间的偏差，并发出纠正误差指令。
测量反馈系统可分为半闭环和闭环两种系统。
在半闭环系统中，位置检测主要使用感应同步器、磁栅、光栅、激光测距仪等。
（6）机床本体机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位（如夹紧、换刀机械手）等辅助装置。
CNC的基本原理
X
多维插补
对于空间曲线(三维、四维…)， 对于空间曲线(三维、四维…)，需要多个坐标 …) 轴联动，也就需要多个坐标的插补运算。 轴联动，也就需要多个坐标的插补运算。
Ze Z
A(Xe、Ye、Ze) O Ye Xe X Y
二.软件插补算法 Ⅰ.脉冲增量插补 Ⅰ.脉冲增量插补
产生的单个行程增量，以一个个脉 产生的单个行程增量，以一个个脉冲
CNC的基本原理 CNC的基本原理
CNC的输入主要是指零件加工程序的输入。 的输入主要是指零件加工程序的输入。 零件加工程序的输入 阅读机
无带运转
存 储 器
键 盘 穿孔输出
插入 删除 修正
CNC装置数据转换流程如图所示 CNC装置数据转换流程如图所示 置 刀 加 译 工 程 处 序 码 理 处 理 理 理 动 处 处 驱 补 度 预 补 置 服 插 位 伺
Y
F B
相交。这样， 相交。这样，
α
相对于OA和AF而言， 和 而言 而言， 相对于 缩短一个CB与 的 缩短一个 与CD的 长度。 长度。
O
C´
XX Y X
A
D
插入型
K
F
Y
D
Y 0 X
α A C´ C L B J H
X
刀具半径补偿的常用方法
B刀补
刀具中心轨迹的段间连接都是圆弧。 刀具中心轨迹的段间连接都是圆弧。
50
N12 G00 X40 Y30 N13 G03 X0 Y50 R50
… R 0 40 X 30
二维插补
对于平面曲线，通过二个坐标的插补运算， 对于平面曲线，通过二个坐标的插补运算，就能 控制两个坐标轴走出所需轨迹。 控制两个坐标轴走出所需轨迹。
CNC工作原理
CNC工作原理CNC（Computer Numerical Control，计算机数控）是一种通过计算机控制机床进行加工的技术。
它基于数学模型和计算机程序，通过控制机床的运动来实现零件的加工。
CNC工作原理主要包括以下几个方面：数学模型、计算机程序、控制系统和机床运动。
1. 数学模型CNC加工过程中，首先需要将零件的几何形状和加工要求转化为数学模型。
这个数学模型可以是二维的平面图形，也可以是三维的立体模型。
数学模型描述了零件的几何形状、尺寸和位置，是CNC加工的基础。
2. 计算机程序CNC加工需要通过计算机程序来控制机床的运动。
计算机程序是由一系列指令组成的，这些指令告诉机床如何挪移和加工零件。
常见的CNC编程语言包括G代码和M代码。
G代码用来控制机床的运动，如挪移到指定位置、设定切削速度等；M代码用来控制机床的辅助功能，如启动冷却系统、换刀等。
3. 控制系统CNC机床的控制系统是实现CNC工作原理的核心部份。
控制系统由硬件和软件两部份组成。
硬件包括主控板、驱动器、机电等，用来控制机床的运动。
软件则负责处理计算机程序，将指令转化为机床的运动控制信号。
控制系统还包括传感器，用来检测机床的位置、速度和加工状态，以保证加工的精度和质量。
4. 机床运动CNC机床的运动是由控制系统控制的。
机床的运动包括工件的相对运动和刀具的相对运动。
工件的相对运动可以通过机床床身、工作台和滑块等部件的运动来实现。
刀具的相对运动可以通过工件的旋转、刀具的挪移等方式来实现。
控制系统根据计算机程序中的指令，控制机床的运动，从而实现对零件的加工。
总结：CNC工作原理是基于数学模型和计算机程序，通过控制系统控制机床的运动来实现零件的加工。
数学模型描述了零件的几何形状和加工要求，计算机程序将指令转化为机床的运动控制信号，控制系统控制机床的运动，实现对零件的加工。
CNC技术具有高精度、高效率和灵便性等优点，被广泛应用于各个领域的零件加工。
CNC原理简介.ppt
◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运
动中不加工。 X
1
P
Q
2 O
图1.1点位控制
3
Y
◆轮廓控制：
加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。 以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ 沿（逼近）曲线 轨迹运动，进行切削加工。
第一部分 数控技术的基本概念
1.1 数控与数控机床 1.概念
◆数控: 数字控制（NC — Numerical Control）,以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为 数控加工的专用术语。
◆数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一 种技术，它综合应用了多种学科的知识。
◆为什么不用数学函数直接插补？ ① 计算费时间 ，不能满足实时控制的要求； ② 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； ③ 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。
2.数控机床的控制
●轨迹控制 ●开关量控制
1.3 数控机床的组成及分类
1.数控机床的组成
●数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC ●机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机
位控；
2.管理功能程序--实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传
递，具体见图。
CNC软件
管理
控制
输 入 存 储
S T
显 示
I/O
处 理
通 讯 诊 断
ห้องสมุดไป่ตู้译 码
刀 具 补 偿
速
插
度
处
补
理
位 置 控 制
M
三轴数控机床的轨迹控制原理
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直线轨迹控制原理
1. 直线轨迹控制原理也 叫直线插补原理 2. 直线插补：一种插补 直线插补 方式，在此次方式中， 两点间的插补沿着直 线的点群来逼近，沿 此直线控制刀具的运 动。
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逐点比较插法直线插补
逐点比较法插补概念： 每走一步都将加工 点与给定轨迹进行比 较，以确定下一步进 Y 给方向。
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Z轴 Z轴 Y轴
X轴 Y 轴 偏 置 量 X轴偏置量
机床原点
Z轴偏置量
4. 5.
工件原点
卧式数控机床的坐标系
3
三轴数控机床轨迹控制原理
一、数控机床坐标系确定方法
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 假设：工件固定， 假设：工件固定，刀具相对 工件运动。 工件运动。 标准： 标准：右手笛卡儿直角坐标 系——拇指为 X 向， 食指 拇指为 为 Y 向，中指为 Z 向。 顺序： 顺序：先 Z 轴，再 X 轴， 最后 Y 轴。 Z 轴——机床主轴； 机床主轴； 机床主轴 工作台的运动方向； X 轴——工作台的运动方向； 工作台的运动方向 Y 轴——由右手笛卡儿直角 由右手笛卡儿直角 坐标系确定。 坐标系确定。 方向： 方向：退刀即远离工件方向 为正方向。 为正方向。
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• 数控机床最突出的优点是：可以根据编程，加工 出较为复杂的曲线，比如圆、抛物线等，为什么 数控机床能加工出这些曲线？怎样把单个的坐标 运动组合成理想曲线呢？这就是插补所解决的问 题 • 让单独的坐标分别运动合成理想的轨迹； 几个坐标同时进，还是每次进一个； 判断进给那一个坐标使下一步误差更小； 进多少； 如果同时进给，各个坐标进给的比例是多少； 选用什么样的实际轨迹合成后与理想轨迹误差最 小。
第3章CNC系统原理及结构
CNC系统的特点 3.1.3 CNC系统的特点
1、具有灵活性和通用性
CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块 化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床 仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功 能。
3.1.3 CNC系统的特点 CNC系统的特点
CNC系统硬件结构 3.2 CNC系统硬件结构
从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常 见的结构，即大板式结构和模块化结构。 大板式结构 特点：一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上 装有主CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板， 如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上 面，组成CNC系统的核心部分。 优点：结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高 的性能／价格比，也便于机床的一体化设计。 缺点：它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。
3.2.1
单处理器计算机数字控制
（1）单处理器结构
单处理器结构CNC装置一般是专用型的，其硬件由系统 制造厂家专门设计、制造，不具备通用性。 单微处理器特点： • 只有一个微处理器，以集中控制、分时处理系统的各个任务。 • 某些CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个 微处理器能够控制系统总线，占用总线资源，而其他微处理器 只作为专用控制部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器， 它们组成主从结构，故也归于单微处理器结构中。
2、 CNC系统软件的功能结构
从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任 务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由 CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统 活的灵魂。其结构框图如图所示。
CNC系统的组成 3.1.1 CNC系统的组成