数控系统的组成
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数控机床与使用维修
第二讲 数控系统的组成及工作原理
武汉船舶职业技术学 院机械系 周兰
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本讲主要内容
CNC数控系统基本构成 机床数控系统的基本工作原理 刀具半径补偿原理
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引言
计算机数控系统是一种包含计算机在内的数字控制系统。 它是一种位置控制系统，主要用于控制刀具和工件之间 的相对位置。
数控系统的主要工作过程是根据输入的信息（加工程 序），进行数据处理（刀具长度和半径补偿）和插补运 算（确定刀具或工件的运动轨迹），从而获得理想的运 动轨迹信息。
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刀具半径补偿图例：
-
刀具半径补偿示例：
O0010
N10 G98 G40 G21；
（程序初始化）
N20 T0101；
（转1号刀，执行1号刀补）
N30 M03 S1000；
（主轴按1000r／rain正转）
N40 G00 X0．0 Z10．0；
（快速点定位）
N50 G42 G01 X0．0 Z0．0 F100 （刀补建立）
-
２．软件构成（2）：
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）：
控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码后 向数控系统各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指 令得以执行。它一方面向各部件发出执行任务的命令，另 一方面又接受执行部件的反馈信息。其电路结构如图示
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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。
刀具半径补偿的建立：刀具由起刀点以进给速度接近工 件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径。 偏置方向由G41及G42确定。
刀具半径补偿的进行：一旦建立刀补，刀具始终偏离工 件轮廓一定距离，直到取消刀补为止。
刀具半径补偿的取消：刀具撤离工件，回到退刀点，取 消刀具半径补偿。退刀点应位于零件轮廓之外，可以与 起刀点相同，也可以不相同。
-
１．硬件构成（4） ：
机床数控系统 主要是通过对伺服机构的控制来实现对机床移动 部件的控制。包括速度和位移的控制以及它们反 馈装置的控制。
-
２．软件构成（1）：
输入数据处理程序：接受加工程序，对程序进行 译码，对数据进行处理。加工程序给定的是待加 工工件的轮廓，而实际上，应该控制刀具中心的 运动轨迹。这就存在一个轮廓转换的问题。只要 告诉系统所使用的刀具并将刀具相应的参数输入 系统中，该转换工作由输入数据处理程序自动完 成。
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
转以及主轴调速。自动加工启停按钮：用于自动加工过程 的启动于停止。 条件程序段选择开关：用于条件程序段是否执行。 倍率选择开关：用于选择进给速度的倍率及点动量。 另外还有一些状态指示等、报警装置等。
为了适应工业自动化的需要以及网络、远程控制的需要， CNC通常备有RS232、RS422串行通信接口，高档CNC 还具有DNC或MAP接口。有些生产厂家还纷纷采用MAP 工业控制网络。
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一．CNC数控系统基本构成
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数控系统构成可以用下面的框图表示：
硬件系统
微机部分 外围设备部分 机床控制部分
CNC数控系统
N60 X40．0；
N70 Z-18．0；
（刀补进行）
N80 X80．0；
N90 G40 G00 X85．0 Z10．0； （刀补取消）
N100 G28 U0 W0；
（返回参考点）
N110 M30；
-
3．刀具半径补偿原理（1）：
基本思想：刀具半径补偿的计算就是根据零件轮廓和刀 具半径值计算出刀具中心的运动轨迹。对于数控系统来 说，工件轮廓主要是直线和圆弧或将其它轮廓用极限的 方法转换成直线或圆弧。对直线轮廓而言，刀补中心轨 迹是一条平行于工件轮廓且与轮廓等长的直线，用两点 （起点、终点）即可决定其直线方程；对圆弧轮廓而言， 刀补中心轮廓应是一条与工件轮廓同心且包角相同的一 段圆弧，用刀补圆弧的起点、终点坐标及圆弧半径即可 决定该圆弧方程。
-
１．硬件构成（2） ：
寄存器用于存放操作数，累加器除存放运算操作数外，在 连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。寄存器和 累加器中的部分数据均从存储器中取得；累加器的最后结 果也存放到存储器中。
现代计算机的运算器有多个寄存器，如8个、16个、32个 等。称为通用寄存器组。设置通用寄存器组可以减少访问 存储器的次数，提高运算速度。
系统软件 软件系统
应用软件
输入数据处理程序 插补运算程序 速度控制程序 管理程来自百度文库 诊断程序
-
１．硬件构成（1） ：
微机部分：是CNC的核心，主要由CPU、存储 器和接口电路组成。
CPU由运算器和控制器组成。 运算器（ALU）主要对数据进行算术和辑运算，
其电路结构如图所示。
-
运算器工作原理图：
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）。
-
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：
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。
-
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。
管理程序：负责对数据输入、数据处理、插补运算 等各种程序进行调度管理；对诸如面板命令、时钟 信号、故障信号等引起的中断进行处理；子程序的 调用；共享资源的分时享用等。
第二讲 数控系统的组成及工作原理
武汉船舶职业技术学 院机械系 周兰
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本讲主要内容
CNC数控系统基本构成 机床数控系统的基本工作原理 刀具半径补偿原理
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引言
计算机数控系统是一种包含计算机在内的数字控制系统。 它是一种位置控制系统，主要用于控制刀具和工件之间 的相对位置。
数控系统的主要工作过程是根据输入的信息（加工程 序），进行数据处理（刀具长度和半径补偿）和插补运 算（确定刀具或工件的运动轨迹），从而获得理想的运 动轨迹信息。
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刀具半径补偿图例：
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刀具半径补偿示例：
O0010
N10 G98 G40 G21；
（程序初始化）
N20 T0101；
（转1号刀，执行1号刀补）
N30 M03 S1000；
（主轴按1000r／rain正转）
N40 G00 X0．0 Z10．0；
（快速点定位）
N50 G42 G01 X0．0 Z0．0 F100 （刀补建立）
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２．软件构成（2）：
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。
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２．软件构成（3）：
控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码后 向数控系统各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指 令得以执行。它一方面向各部件发出执行任务的命令，另 一方面又接受执行部件的反馈信息。其电路结构如图示
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控制器结构简图：
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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。
刀具半径补偿的建立：刀具由起刀点以进给速度接近工 件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径。 偏置方向由G41及G42确定。
刀具半径补偿的进行：一旦建立刀补，刀具始终偏离工 件轮廓一定距离，直到取消刀补为止。
刀具半径补偿的取消：刀具撤离工件，回到退刀点，取 消刀具半径补偿。退刀点应位于零件轮廓之外，可以与 起刀点相同，也可以不相同。
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１．硬件构成（4） ：
机床数控系统 主要是通过对伺服机构的控制来实现对机床移动 部件的控制。包括速度和位移的控制以及它们反 馈装置的控制。
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２．软件构成（1）：
输入数据处理程序：接受加工程序，对程序进行 译码，对数据进行处理。加工程序给定的是待加 工工件的轮廓，而实际上，应该控制刀具中心的 运动轨迹。这就存在一个轮廓转换的问题。只要 告诉系统所使用的刀具并将刀具相应的参数输入 系统中，该转换工作由输入数据处理程序自动完 成。
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
转以及主轴调速。自动加工启停按钮：用于自动加工过程 的启动于停止。 条件程序段选择开关：用于条件程序段是否执行。 倍率选择开关：用于选择进给速度的倍率及点动量。 另外还有一些状态指示等、报警装置等。
为了适应工业自动化的需要以及网络、远程控制的需要， CNC通常备有RS232、RS422串行通信接口，高档CNC 还具有DNC或MAP接口。有些生产厂家还纷纷采用MAP 工业控制网络。
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一．CNC数控系统基本构成
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数控系统构成可以用下面的框图表示：
硬件系统
微机部分 外围设备部分 机床控制部分
CNC数控系统
N60 X40．0；
N70 Z-18．0；
（刀补进行）
N80 X80．0；
N90 G40 G00 X85．0 Z10．0； （刀补取消）
N100 G28 U0 W0；
（返回参考点）
N110 M30；
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3．刀具半径补偿原理（1）：
基本思想：刀具半径补偿的计算就是根据零件轮廓和刀 具半径值计算出刀具中心的运动轨迹。对于数控系统来 说，工件轮廓主要是直线和圆弧或将其它轮廓用极限的 方法转换成直线或圆弧。对直线轮廓而言，刀补中心轨 迹是一条平行于工件轮廓且与轮廓等长的直线，用两点 （起点、终点）即可决定其直线方程；对圆弧轮廓而言， 刀补中心轮廓应是一条与工件轮廓同心且包角相同的一 段圆弧，用刀补圆弧的起点、终点坐标及圆弧半径即可 决定该圆弧方程。
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１．硬件构成（2） ：
寄存器用于存放操作数，累加器除存放运算操作数外，在 连续运算中，还用于存放中间结果和最后结果。寄存器和 累加器中的部分数据均从存储器中取得；累加器的最后结 果也存放到存储器中。
现代计算机的运算器有多个寄存器，如8个、16个、32个 等。称为通用寄存器组。设置通用寄存器组可以减少访问 存储器的次数，提高运算速度。
系统软件 软件系统
应用软件
输入数据处理程序 插补运算程序 速度控制程序 管理程来自百度文库 诊断程序
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１．硬件构成（1） ：
微机部分：是CNC的核心，主要由CPU、存储 器和接口电路组成。
CPU由运算器和控制器组成。 运算器（ALU）主要对数据进行算术和辑运算，
其电路结构如图所示。
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运算器工作原理图：
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。
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二．机床数控系统的基本工作原理
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1 ．数控系统工作原理框图：
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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。
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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）。
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三、刀具半径补偿
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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。
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刀具半径补偿图例：
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２．刀具补偿的步骤：
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。
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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。
管理程序：负责对数据输入、数据处理、插补运算 等各种程序进行调度管理；对诸如面板命令、时钟 信号、故障信号等引起的中断进行处理；子程序的 调用；共享资源的分时享用等。