CNC数控系统的基本结构
计算机数控系统的基本概念与组成
第3章计算机数控系统3．1 计算机数控（CNC）系统的基本概念计算机数控（computerized numerical contro，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。
CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能．由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。
CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给（伺眼）驱动装置组成。
由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
3．2 微处理器数控（MNC）系统的组成大多数CNC装置现在都采用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统（MNC）。
MNC一般由中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。
图3 .2.1为MNC 的组成原理图。
3.2.1中央处理单元（CPU）和总线(BUS）CPU是微型计算机的核心，由运算器、控制器和内寄存器组组成。
它对系统内的部件及操作进行统一的控制，按程序中指令的要求进行各种运算，使系统成为一个有机整体。
总线（BUS）是信息和电能公共通路的总称，由物理导线构成。
CPU与存储器、I/O 接口及外设间通过总线联系。
总线按功能分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。
３．２．２存储器(memory)(１)概述存储器用于存储系统软件（管理软件和控制软件）和零件加工程序等，并将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。
数控系统所用的存储器为半导体存储器。
（２）半导体存储器的分类①随机存取存储器（读写存储器）ＲＡＭ（random access memory）用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及堆栈用等。
数控机床各组成部分结构及控制原理
1．插补周期的选择
T的选择非常重要 基本思想：采用时间分割的思想，根据编程给定的进 给速度F将轮廓曲线分割为相等的插补周期T的进给段， 即轮廓步长ΔL，ΔL＝F.T
2．插补运算时间
T必须大于插补运算时间和CPU执行其他实时任务所 需的时间之和
11
3．位置反馈采样周期
插补运算结果是供位置采样周期使用的各坐标轴的 位置增量值，因此，采样周期TF通常＝T，或者T 是TF的整数倍。T=8ms ，TF＝4ms
30
2．4 数控机床的进给伺服系统
伺服系统的特点
1. 伺服系统的运动来源于偏差信号 偏差：指令信号与反馈信号的比较
2. 伺服系统必须有负反馈回路 3. 伺服系统始终处于过渡过程状态 4. 伺服系统必须具有力（力矩）放大作用
31
伺服系统的基本要求
位移精度要高 定位精度高 稳定性好 动态响应快 调速范围宽 低速大转矩
F 0 F 0
x y
F F ye F F xe
6
3. 终点判别
总步长法：N X e Ye
单边计数法：N maxXe , Ye
坐标计数法 长边坐标计数法
7
❖ 4. 举例
❖ 若加工第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。按逐点 比较法进行插补计算，并作出插补轨迹图。
1. 调速范围宽而有良好的稳定性，低速 时要求速度平稳；
2. 负载特性硬，即使在低速时，有足够 的
负载能力，反应速度快； 3. 可频繁地起、停、换向等。
34
2．4．2 开环进给伺服系统
一、工作原理： ❖ 组成部分：驱动控制环节、执行元件 ❖ 驱动控制环节的任务：是将指令脉冲
转化为执行元件所需的信号 ❖ 步进电机的任务：是将（处理过的指
FANUC CNC系统的组成
任务一 FANUC 0i-D系统
知识链接
二、 FANUC数字伺服
2、βi系列电机
FANUC CNC系统的组成
任务一 FANUC 0i-D系统
知识链接
二、 FANUC数字伺服
3、αi系列伺服放大器 αi系列伺服放大器是FANUC数控系统常用的高性能伺服驱动产 品，采用模块化的结构形式，由电源模块（PSM）、伺服驱动模块 （SVM）、 主轴驱动模块（SPM）组成。
任务一 FANUC 0i-D系统
知识链接
一、FANUC CNC控制 器系统的面板及相关功 能
3、FANUC 0i-D系 统功能模块图
FANUC CNC系统的组成
任务一 FANUC 0i-D系统
知识链接
二、 FANUC数字伺服
1、βi系列伺服放大器 βi系列伺服放大器是一 种可靠性强、性价比卓越的 伺服系统。
二、实施步骤
1、任务讲解 2、训练目的 ① 了解现有设备的I/O单元模块配置。 ② 能对I/O单元模块配置的性能进行阐述。 ③ 熟悉I/O单元模块的连接。
FANUC CNC系统的组成
任务二 FANUC I/O单元模块
任务实施
二、实施步骤
3. 训练项目 ① 通过查看实训设备的配置填入表中
FANUC CNC系统的组成
任务二 FANUC I/O单元模块
任务实施
二、实施步骤
3. 训练项目 ② 对现有实训设备进行观察，找出有哪几类I/O单元模块，并对各 I/O单元模块的输入/输出点数进行说明，填入表中
FANUC CNC系统的组成
FANUC CNC系统的组成
思考题
1. 请找出哪些是具有伺服主轴控制功能的系统？ 2. 请找出哪些是具有模拟主轴控制功能的系统？ 3. 在手动方式下如何实现工作台或电机双方向移动?
数控系统(CNC系统)
参考资料：/%C5%C9%BF%CB652/blog/item/040742fc5ab3e50eb17e c577.html一、ＣＮＣ系统的基本构成ＣＮＣ系统是一种用计算机执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能的数字控制系统。
由于采用了计算机，使许多过去难以实现的功能可以通过软件来实现，大大提高了ＣＮＣ系统的性能和可靠性。
ＣＮＣ系统的控制过程是根据输入的信息，进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。
ＣＮＣ系统由硬件和软件组成，软件和硬件各有不同的特点。
软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，但成本高。
ＣＮＣ的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分的数控功能。
二、ＣＮＣ系统的硬件结构ＣＮＣ系统的硬件结构可分为单微处理器结构和多微处理器结构两大类。
早期的ＣＮＣ系统和现有的一些经济型ＣＮＣ系统采用单微处理器结构。
随着ＣＮＣ系统功能的增加，机床切削速度的提高，单微处理器结构已不能满足要求，因此许多ＣＮＣ系统采用了多微处理器结构，以适应机床向高精度、高速度和智能化方向的发展，以及适应计算机网络化及形成ＦＭＳ和ＣＩＭＳ的更高要求，使ＣＮＣ系统向更高层次发展。
１．单微处理器结构图６－３ＣＮＣ系统硬件的组成框图所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时处理ＣＮＣ系统的各个任务。
某些ＣＮＣ系统虽然采用了两个以上的微处理器，但能够控制系统总线的只是其中的一个微处理器，它占有总线资源，其他微处理器作为专用的智能部件，不能控制系统总线，也不能访问存储器，是一种主从结构，故也被归入单微处理器结构中。
单微处理器结构的ＣＮＣ系统由计算机部分（ＣＰＵ及存储器）、位置控制部分、数据输入／输出等各种接口及外围设备组成。
ＣＮＣ系统硬件的组成框图可参见图６－３。
（１）计算机部分计算机部分由微处理器ＣＰＵ及存储器（ＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ）等组成。
微处理器执行系统程序，首先读取加工程序，对加工程序段进行译码、预处理计算等，然后根据处理后得到的指令，对该加工程序段进行实时插补和对机床进行位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（ＰＬＣ）发给机床，同时接收由ＰＬＣ返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。
数控系统的结构和工作原理
伺服放大器，则再从COP10A 到 COP10B。 FANUC 0iC I/O：I/O Link NC上的口为JD1A， 接I/O单元上JD1B，如再有一个I/O单元，从上一
单元JD1A接至下一个单元JD1B。CB104— CB107为4根扁平电缆,每根50芯,通向机床面板和
机床
FSSB和I/O Link体现 FANUC 公司硬件结构思想, 主运动信息和辅助运动信息分离
四、SIEMENS（西门子）802D系统结构
一、数控系统主要部件
数控控制器 伺服（主轴）放大器、电机（反馈） I/O装置 机床
二、数控机床装配过程
1、机床厂选型购置 2、电器、机械连接 3、PLC编程（辅助功能） 4、参数确定（主运动） 5、联调
三、FANUC 0iC 系统的结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FSSB 主运动信息
I/O Link 辅助运动信息
计算机数控装置概述
（1）CNC管理模 块
系统初始化、中断管理、总 线裁决、系统出错识别和处理、 系统软、硬件诊断等。
（2）CNC插补模块
译码、刀具半径补偿、 坐标位移量计算和进给速度处 理等预处理，插补运算。
（2）设置恒定线速度 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 为了提高加工工件的表面质量.
（3）主轴准停 主轴周向定位于特定位置控制的功能。---换刀
7、辅助功能(M)
主要用于指定主轴的正、反转 、停止、冷却液的打开或关闭，换 刀等动作。
8、刀具功能 T
用来选择刀具并且指定有效刀 具的几何参数的地址。
设备层
显示设备
其他设备
计算机系统 输入/出设备
接
口
人机控制 运动控制
PMC 其他I/O
机床 机器人 测量机 ...
计算机基本系统：
CPU
EPROM或 E2PROM
RAM
输入/输出接口
主轴控制 通信接口
MDI接口
PLC接口 CRT
或液晶显示接口 位置控制
纸带阅读机接口
2、CNC装置的软件框图
CNC装置系统软件
集成的要求。
12、自诊断功能 CNC自动实现故障预报
和故障定位的功能。 开机自诊断；
在线自诊断；
离线自诊断；
远程通讯诊断。
13、人机对话编程功能
➢ 菜单结构操作界面； ➢ 零件加工程序的编辑环境； ➢ 系统和机床参数、状态、故障信息的
显示、查询或修改画面等。
第二节 CNC装置的硬件结构
9、补偿功能
刀具长度及半径补偿； 丝杆的螺距误差和反向间隙误差
的补偿； 可以在加工前输入到机床的存储
单元里,
10、字符图形显示功能
计算机数控装置(CNC)
正确操作。
编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模
拟仿真功能。
维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关
键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅
速实现故障准确定位。
5. 易于实现机电一体化
数控系统控制柜的体积小（采用计算机，
硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，
7. 刀具功能和第二辅助功能
刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具 补偿功能使用；
刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期 时，CNC系统将提示更换刀具；
刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择
加工刀具。
8. 补偿功能
刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的 程序控制刀具中心轨迹的功能。 传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补
㈡单微处理器CNC装置的结构特点
特点 • 一个微处理器完成所有 的功能； • 采用总线结构； • 结构简单，易于实现； • 功能受限制。
多微处理器
多微处理器结构 多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上 的微处理器能控制系统总线、或主存储器进行工 作的系统结构。目前大多数CNC系统均采用多微 处理器结构。 紧耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的处 理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的 操作系统，共享资源。 松耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的功 能模块之间采用松耦合（具有相对独立性或相关 性弱），有多重操作系统有效地实现并行处理。
CNC装置的优点
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，对设计和开发者而言，系统功能 的修改、扩充变得较为灵活。
CNC数控系统的基本结构
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第一节 概述
(2)传动链误差包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能， 即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入到CNC系 统相应的存储单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补 偿;在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。
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第一节 概述
计算机数控(CNC)与传统的硬线数控(NC)相比有很多的优 点，其中最根本的一点就是，CNC的许多数控功能是由软件 实现的，因而较硬线数控具有更大的柔性，即它很容易通过 软件的改变来实现数控功能的更改或扩展。今天，硬线数控 已被计算机数控所取代。
由上述讨论可知，从外部特征来看，CNC系统是由硬件 (通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。
构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作; .编程方便:现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且
都具有程序自动校验和模拟仿真功能; .维护维修方便:数控机床的许多日常维护工作都由数控系
统承担(润滑、关键部件的定期检查等)，另外，数控机床的 自诊断功能，可迅速确定故障位置，方便维修人员。
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第一节 概述
8.刀具管理功能 刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功
能。 加工中心都应具有此功能，刀具几何尺寸是指刀具的半径
和长度，这些参数供刀具补偿功能使用;刀具寿命一般是指 时间寿命，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用 户更换刀具;另外，CNC系统都具有T功能即刀具号管理功能， 它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控 装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置 和进给(伺服)驱 动装置(包括检测装置)等组成。
cnc系统的硬件结构
CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，中断类型有： ①外部中断。 ②内部定时中断。 ③硬件故障中断。 ④程序性中断。
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3、常规CNC的软件结构 CNC的软件结构决定于系统采用的中断结构。 常规的CNC中，已有的结构模式有中断型结构和前 后台型结构。
6
1〕多微处理器CNC的典型结构 ①共享总线结构，如图。
7
②共享存储器结构，如图。
8
2〕多微处理器的CNC的根本功能模块 主要有以下六种根本功能模块：
①CNC管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、 系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。 ②CNC插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插 补计算，给定各坐标轴的位置值。 ③位置控制模块。 ④PLC(PMC)模块。零件程序中的开关量〔S、M、T〕 和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。 ⑤命令与数据输入输出和显示模块。 ⑥存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是 功能模块间数据传送用的共享存储器。
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2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理
CNC的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两 大任务。
系统管理包括：输入、I/O处理、显示、诊断。
系统控制包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补、
位置控制。如图。
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CNC的各项任务必须协调工作，在许多情况下，管 理和控制的某些工作必须同时进行。如图。
〔1〕中断型结构模式
此类型的结构特点是除了初始化程序之外，整个系 统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断 效劳程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。
其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信 安排来实现。
数控加工工艺系统的组成
数控加工工艺系统的组成一、引言数控加工技术是现代制造业中不可或缺的重要组成部分，它能够实现高精度、高效率、高质量的加工过程。
数控加工工艺系统是数控加工技术的关键支撑，其包括了多个部分组成。
本文将详细介绍数控加工工艺系统的组成及其各个部分的功能。
二、数控机床数控机床是数控加工技术中最核心的设备之一，它能够实现对零件进行高精度、高效率的切削加工。
数控机床由机床本体、CNC系统和驱动系统三部分组成。
1. 机床本体机床本体是指固定在地面上的整体结构，包括了主轴箱、滑枕箱、床身等部分。
机床本体需要具备足够的刚性和稳定性，以保证在高速切削时不会发生振动和变形。
2. CNC系统CNC系统是指计算机数字控制系统，它通过对程序进行解释和执行来实现对数控机床运动轴的精确控制。
CNC系统需要具备良好的稳定性和可靠性，并且需要支持多种编程方式。
3. 驱动系统驱动系统是指将CNC系统发出的指令转化为电气信号，控制数控机床各个运动轴的运动。
驱动系统需要具备高精度、高速度和高可靠性，以保证数控机床的稳定运行。
三、刀具系统刀具系统是指数控机床上用于进行切削加工的刀具及其附件。
刀具系统包括了主轴、夹头、刀柄、切削刃等部分。
1. 主轴主轴是指数控机床上用于安装和转动刀具的部件，它需要具备足够的承载能力和旋转精度，以保证加工过程中不会发生偏差或抖动。
2. 夹头夹头是指用于固定和夹紧刀柄或工件的部件，它需要具备良好的夹紧力和稳定性，并且需要支持快速换刀功能。
3. 刀柄刀柄是指连接主轴和切削刃之间的部件，它需要具备足够的强度和稳定性，并且需要适配不同类型的主轴和夹头。
4. 切削刃切削刃是指用于进行实际切削的部件，它需要具备足够的硬度、耐磨性和切削性能，以保证加工过程中能够保持高效率和高质量。
四、工艺规划系统工艺规划系统是数控加工工艺系统中重要的辅助部分，它能够对加工过程进行优化和规划，提高加工效率和质量。
工艺规划系统包括了CAD/CAM软件、NC程序生成器等部分。
数控 系统基本原理与结构
（4）正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据 宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。
多微处理机（紧耦合、松耦合）的结构特点：
1）性能价格比高。
2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。
3）可靠性高。
4）硬件易于组织规模生产。
多微处理机CNC装置的典型结构
输出至机床的
控制信号图2-18 双端口存储器结构框图
CRT （CPU2）
插补 （CPU3）
轴控制 （CPU4）
图2-19 多微处理机共享存储器结构框图
2.3.2 PC-based数控系统的硬件构成
1. PC-based数控系统的体系结构主要有以下3种形式 （1）专用数控加PC前端的复合式结构
串口
并口
模块 （CPU）
系统总线
操作面板 显示模块
CNC插补 模块
（CPU）
PC功能 模块
（CPU）
位置控制 模块
（CPU）
主轴控制 模块
图2-17 多微处理机共享总线结构框图
1）共享存储器结构
中断 控制
仲裁逻 辑控制
端口1 RAM
地址和数据多 路转换器
从机床来的 控制信号
I/O(CPU1) 共享存储器
端口2
第二章 数控系统基本原理与结构
2.3 计算机数控系统硬件结构
2.3.1 CNC系统的定义与结构
CNC系统: 是用一个存储程序的计算机，按照存储在 计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置 的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接 口。
CNC控制器
指令 输入
计算机 (CNC软件)
硬件电路 (CNC硬件)
2计算机数控(CNC)系统
3.机床控制部分的功能： 机床控制部分包括位置控制、速度控制和机 床状态控制。位置控制是通过对机床伺服执行元件 的控制来实现的。伺服机构包括位置控制和速度控 制，一般构成闭环控制。 机床的逻辑状态检测部分的功能是控制机床 上有关状态传感元器件的输出信息，机床逻辑状态 控制部分的功能是控制机床主轴电机的起停，冷却 泵、油泵的开启与停止，换刀等。
直线线型 进给方向
偏差计算 Fm+1=Fm + xe
L1,L4 L2,L3
+X -X
L1,L2 L3,L4
+Y -Y
2.2 数控系统的硬件
3.偏差计算公式 偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以 第Ⅰ象限直线为例导出其偏差计算公式。
图2-11
直线插补过程
如图2-11所示动点与直线位置关系。第一象限直线 OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点 坐标E（Xe，Ye），直线方程为 Xe Y－ Ye X ＝0 (2-1) 直线OE 为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动 点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直 线上、直线下方。 （1） 若P1点在直线上方，则有： XeY－XYe>0 （2） 若P点在直线上，则有 ： XeY－XYe＝0 （3）若P2点在直线下方，则有 ： XeY－XYe<0 因此，可以构造偏差函数为 ：
∑=4+1=5<N
∑=5+1=6<N ∑=6+1=7<N ∑=7+1=8=N
7.四象限插补
y L2 F0 F<0 F<0 F0 L3
四象限直线偏差符号和进给方向
L1 F0 F<0 x F<0 F0 L4
8.四象限直线插补计算公式及进给方向
数控技术第4章计算机数控系统(1)
位臵控制模块
6、可编程控制器（PLC） 代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关 量的控制。 分为两类： 一类是“内装型”PLC，为实现机床的顺序控制 而专门设计制造的。 另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功 能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。
三、多CPU结构 适合多轴控制、高进给速度、高精度的机床。 紧藕合：相同的操作系统 松藕合：多重操作系统
控制各类轴运动的功能，用能控制的轴数和能同时控制 的轴数来衡量。
准备功能：G指令功能，指定机床的运动方式。 插补功能：包括软件粗插补和硬件精插补。 进给功能：F指令功能。
切削进给速度(mm/min) 同步进给速度(mm/r) 快速进给速度 进给倍率
主轴功能: 指令主轴转速 S指令功能，指定主轴转速(r/min, mm/min)。 转速编码，恒切削速度切削，主轴定向准停 辅助功能： M指令功能，指定主轴的起停转向（M03、M04）、冷却 泵的通和断、刀库的起停等。 刀具功能：T指令，选择刀具。 字符和图形显示功能： 显示程序、参数、补偿量，坐标位臵、故障信息等。 自诊断功能： 故障的诊断，查明故障类型及部位。
4、进给速度处理 编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方 向上的速度，进给速度处 理要根据合成速度计算 出各坐标方向的分速度。 此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的 限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行 自动加减速处理。
5、插补计算 插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和 终点之间进行“数据点的密化”工作。
三. CNC系统的工作过程
基本过程： CNC装臵的工作过程是在硬件的支持下，执行软 件的过程。 通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据 信息，经过译码和运算处理（包括刀补、进给速 度处理、插补），将每个坐标轴的移动分量送到 其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服 电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位臵反 馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要 求的位臵。
数控技术练习题(有答案)
数控技术练习题一、填空题1.数控加工中心是具有自动刀具交换装置并能进行多种工序加工的数控机床。
2.NC机床是用数控技术实现加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床,是一种柔性的、高效能的自动化机床。
3、数控机床一般是由数控装置、伺服系统、机床本体和检测反馈装置组成，其中数控装置是数控机床的核心，伺服系统是数控系统的执行部分。
4.数控机床是由程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床本体和其它辅助装置共同组成的。
3. 数控装置是数控机床的核心，主要由输入、处理、和输出三个基本部分构成。
4.驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。
5、数控系统的插补精度是以脉冲当量的数值来衡量的。
6.柔性制造系统是制造模块的主体，主要包括：零件的数控加工、生产调度、刀具管理、质量检测和控制、装配、物料储运等。
7.切削用量主要包括以下数据：主轴转速、进给速度、背吃刀量等。
8.程序送入数控机床后，还需要经过试运行和试加工两步检验后，才能进行正式加工。
9.一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
10.对于数控机床的进给指令F100表示进给速度为 100mm/min 对于回转轴的进给指令F12表示每分钟进给速度为 12011.对于刀具功能字T指令，T0102中的 01 表示刀号、02表示刀补号。
12.在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点称之为起刀点、对刀点或程序起点。
13. 数控机床加工过程中需要换刀时，刀架转位换刀时的位置称之为：换刀点。
14. 在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。
15. 在圆弧插补指令中， G02 为顺时针圆弧插补指令， G03 为逆时针圆弧插补指令。
16.主轴控制指令中 M03 指令为控制主轴顺时针方向转动的指令、 M04 指令为控制主轴逆时针方向转动的指令、M05 指令为控制主轴停止转动的指令。
17.自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，分为以数控语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。
数控系统的组成
三、刀具半径补偿
１．补偿的类型：
分为左补偿和右补偿两种情形。 刀具半径左补偿：沿着加工方向，当刀具位于工
件左侧时，称刀具半径左补偿。加工时用G41指 令调用。 刀具半径右补偿：沿着加工方向，当刀具位于工 件右侧时，称刀具半径右补偿。加工时用G42指 令调用。
刀具半径补偿图例：
２．刀具补偿的步骤：
控制器结构简图：
１．硬件构成（3） ：
外围设备主要包括操作面板、键盘、显示器、光电阅读机、 纸带穿孔机和外部存储器等。
操作面板：由于不同数控机床的动作不同，所配备的操作 面板是不同的。一般操作面板具有如下按钮和开关：
进给轴手动控制按钮，用于手动调整时移动各坐标轴。 主轴启停与主轴倍率选择按钮：用于主轴的启停与正、反
插补程序：根据加工程序所提供的加工信息，如 曲线的种类（直线、圆弧或其它曲线）、起终点 （直线的起点、终点，圆弧的起点、终点及圆 心）、加工方向（顺时针、逆时针），对这些信 息进行插补运算，决定每一个脉冲到来时的移动 方向及步长，以及曲线与曲线之间如何过渡等。
２．软件构成（3）：
速度控制程序：根据给定的速度值控制插补运算 的频率，保证预定的进给速度。并能根据反馈值 的正与负自动地调节速度的大小。
诊断程序：通过识别程序中的一些标志符来判断故 障的类型和所在地。
二．机床数控系统的基本工作原理
1 ．数控系统工作原理框图：
１．程序的输入：
分为手动输入和自动输入两种方式。手动输入通 常用键盘输入；自动输入可用穿孔纸带、磁带或 用通讯的方式。
２．译码：
主要是将标准程序格式翻译成便于计算机处理数 据的格式（高级语言→机器语言）。
3．刀具半径补偿原理（2）：
X X X
切直线时刀补的计算：设上段
数控系统的构成、工作原理和功能
数控系统的构成、工作原理和功能一、数控装置数控（NC）装置是数控装备的控制核心，通常由一台专用计算机和输入输出设备构成，如下图所示。
▲数控（NC）装置的组成1、信息信息、程序可以通过键盘人工编程输入，也可以在专门的编程系统中完成程序编制，将信息、程序存储在移动硬盘、光盘、U盘上输入数控系统，在通信控制的数控机床上，程序还可以由计算机接口传送。
2、专用计算机它由信息输入装置、运算器、控制器和输出装置组成。
专用计算机对信息进行处理，如计算各执行元件的移动量，另外通过固定、内置的逻辑单元操作程序控制动作信息（如：电动机开停、电动机正反转、刀具更换、检测等）。
3、伺服系统伺服系统控制驱动装备的执行元件，实现伺服电动机的起动、回转、编码检测、反馈、控制回转位置、减速、停止等。
通过上述组成部分可以看出，数控装置的工作过程是：将信息、程序通过专用计算机的输入装置，由控制器中的译码器对输入的信息进行识别，将识别结果向专用计算机的输出装置发出控制信号，执行规定的操作；最后由输出装置实现对伺服系统的数据输出，以实现对伺服系统的控制。
数控装置根据输入的指令进行译码、处理、计算和控制实现数控功能。
该类装置是20世纪50～70年代随着计算机技术发展而产生的一种控制技术。
从本质上讲，数控装置所具有的功能都是采用专用的硬件电路来实现的，因此也称为硬件数控装置。
从现代计算机技术和装备技术要求的角度来讲，这种专用数控装置结构复杂，功能扩展困难并受到一定限制，适应性及灵活性差，设计、制造周期长，制造成本高，稳定可靠性较差。
现代数控装置已发展成为计算机数控装置，也称为软件数控装置。
二、计算机数控系统以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，简称为计算机数控（CNC）。
CNC系统是现代的主流数字控制系统。
用CNC系统控制的数控机床，简称CNC机床。
1、CNC装置的组成CNC装置由硬件和软件两大部分组成。
（1）硬件由CPU、存储器、总线、输入/输出接口、MDI/CRT接口、位置控制、通信接口等组成。
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第一节 概述
9.主轴功能 数控系统的主轴的控制功能，主要有以下几种: ·切削速度(主轴转速):刀具切削点切削速度的控制功能，
单位为m/min (r/min); .恒线速度控制:刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，
如端面车削的恒速控制;
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第一节 概述
mm/min ; ·同步进给速度:实现切削速度和进给速度的同步，单位为
mm/r，用于加工螺纹; ·进给倍率(进给修调率):人工实时修调进给速度，即通过
面板的倍率波段开关在0 % ~ 200%对预先设定的进给速度实 现实时修调。
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第一节 概述
4.辅助功能 辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能。 5.补偿功能 (1)刀具半径和长度补偿功能该功能按零件轮廓编制的程序
且有
由于△Li的斜率是不断变化的，因此进给速度在X方向及 Y方向的分量Fx与Fy以及它们之间的比值Fx/Fy 几乎都在不断 变化。
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第一节 概述
3.指令输出 将计算出在△ t时间内的△xi和△yi作为指令输出给X轴和
Y轴，以控制它们联动。由此可知，只要能连续地自动控制 X, Y两个进给轴在△t时间内的移动量，就可以实现曲线轮廓 零件的加工。
图2-4为将要加工的零件，其形状用曲线L描述。加工该零件 就是要控制刀具T相对于该零件按轨迹曲线L运动。CNC系统 对输入加工程序的运算和处理的核心部分有以下三步。
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第一节 概述
1.逼近处理
首先对曲线L进行逼近处理，即按系统的插补时间△t和加
工所要求的进给速度F，将L分割成若干短直线△L1， △L2,…，△Li，…，这里
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第一节 概述
8.刀具管理功能 刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功
能。 加工中心都应具有此功能，刀具几何尺寸是指刀具的半径
和长度，这些参数供刀具补偿功能使用;刀具寿命一般是指 时间寿命，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用 户更换刀具;另外，CNC系统都具有T功能即刀具号管理功能， 它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
通信，传送零件加工程序，有的还备有DNC(直接数字控制/ 分布式控制)接口，以利实现直接数控。更高档的系统还可 与MAP(制造自动化协议)相连，以适应FMS、 CIMS、 IMS(整体维修解决方案)等大制造系统集成的要求。
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第一节 概述
11.人一机对话功能 在CNC系统中配有单色或彩色CRT(阴极射线管)、
其实现复杂的数控功能成为可能，如: .插补功能:二次曲线插补、样条插补、空间曲面插补; ·补偿功能:运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿等; .人-机对话功能:加工的动、静态跟踪显示，高级人-机对话
窗口; .编程功能:G代码、蓝图编程、部分自动编程功能。
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第一节 概述
2.使用维护方便 .操作使用方便:现在大多数数控机床的操作采用了菜单结
第一节 概述
3.易于实现机电一体化 由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件的
集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也 相应减小。因此，数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结 合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。
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第一节 概述
4.灵活性和通用性 与早期的硬线数控系统相比，CNC系统在功能的修改和扩
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第一节 概述
1.数控系统的一般硬件结构 广义数控系统的结构框图如图2 -1所示，即由计算机基本
系统、设备支持层、设备层三部分组成，它是CNC系统的物 质基础。
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第一节 概述
2. CNC系统软件的功能性结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性
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第一节 概述
5.可靠性高 CNC系统的高可靠性可以从以下儿方面看出: ·CNC系统总是采用集成度高的电子元件、芯片，采用
VLSI(超大规模集成电路)本身就是可靠性的保证; .许多功能由软件实现，使硬件的数量减少; ·丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使
第一节 概述
在CNC机床上，加工过程中的人工操作均被数控系统所取 代。其工作过程如下:首先要将被加工零件图上的几何信息和 工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按 规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求， 进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主 轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动， 自动完成零件的加工。
构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作; .编程方便:现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且
都具有程序自动校验和模拟仿真功能; .维护维修方便:数控机床的许多日常维护工作都由数控系
统承担(润滑、关键部件的定期检查等)，另外，数控机床的 自诊断功能，可迅速确定故障位置，方便维修人员。
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系统故障发生的频率降低，发生故障后的修复时间缩短。
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第二节 CNC系统的硬件结构
CNC系统的硬件结构按含有CPU的多少来分，可分为单机 系统和多机系统。
一、CNC系统的硬件结构分类
充、适应性方面都具有较大的灵活性和通用性。这是由于 CNC系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件的支持 下来实现的，因此，若要改变、扩充其功能，均可通过对软 件的修改和扩充来实现。
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第一节 概述
另一方面，CNC系统的硬件和软件大多是采用模块化的结 构，使系统的扩充、扩展变得较方便和灵活。不仅如此，按 模块化方法组成的CNC系统基本配置部分(软件和硬件)是通 用的，不同的数控机床(如车床、铣床、磨床、加工中心、 特殊机床)只要配置相应的功能模块(软件和硬件)，就可满足 这些机床的特定控制功能。这种通用性对数控机床的培训、 学习以及维护维修也是相当方便的。
△Li=F△t (i=1，2，…)
则当△t→0时，折线段之和接近曲线L,即
当F为常数时，由于△ t对于一个数控系统而言恒为常数， 故△Li的长度也为常数，只不过其斜率与在L上的位置有关。
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第一节 概述
2.插补运算 在计算出△Li后，必须将其分解为x轴及Y轴移动分量△xi
和△yi(在△ti时间内)，它们将随着△Li在L上位置的不断变 化而变化，但它们满足:
轨迹运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，而 现在较为高档的数控系统还备有抛物线、椭圆、极坐标、正 弦线、螺旋线以及样条曲线插补等功能。
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第一节 概述
7.自诊断功能 一般的CNC系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代
的CNC系统，这些自诊断功能主要是用软件来实现的。具有 此功能的CNC系统可以在故障出现后迅速查明故障的类型及 部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。 通常不同的CNC系统所设置的诊断程序不同，可以包含在 系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，也可以作为服 务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障 的部位。有的CNC系统可以进行远程通信诊断。
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第一节 概述
计算机数控(Computerized Numerical Control, CNC)系统 是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统 根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值 控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系 统。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控 装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置 和进给(伺服)驱 动装置(包括检测装置)等组成。
(3)智能补偿功能对诸如机床几何误差造成的综合加工误差、 热变形引起的误差、静态弹性变形误差以及由刀具磨损所带 来的加工误差等，都可采用现代先进的人工智能、专家系统 等技术建立模型，利用模型实施在线智能补偿，这是数控技 术正在研究开发的技术。
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第一节 概述
6.插补功能和固定循环功能 所谓插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工
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系统的灵魂， 其结构枢图如图2 -2所示。 CNC系统平台的构筑方式就是CNC系统的体系结构。体 系结构为系统的分析、设计和建造提供框架。在下一节里将 分别按硬件和软件两方面对CNC系统的体系结构进行讨论。
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第一节 概述
一、CNC系统的组成
把计算机技术应用于机床的控制系统，是数控机床发展史 上的一个重要里程碑，这是因为它综合了现代计算机技术、 自动控制技术、传感器及测量技术、机械制造技术等领域的 最新成就，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。从自动 控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，即本质上 是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象，并使其协 调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机 控制系统。
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第一节 概述
计算机数控(CNC)与传统的硬线数控(NC)相比有很多的优 点，其中最根本的一点就是，CNC的许多数控功能是由软件 实现的，因而较硬线数控具有更大的柔性，即它很容易通过 软件的改变来实现数控功能的更改或扩展。今天，硬线数控 已被计算机数控所取代。
由上述讨论可知，从外部特征来看，CNC系统是由硬件 (通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。
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第一节 概述
二、CNC系统的工作过程
一般来说，让我们来回顾一下在普通机床上加工零件时， 机床操作者总是根据工序卡的要求，在加工过程中不断地操 作机床改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数(位置、 速度等)，使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的 合格零件。