第一章 数控系统概述

数控系统及仿真技术李宗学第一章数控系统概述第一章数控系统概述数控系统的基本概念及特点1数控系统的组成2数控系统的工作过程3数控系统的分类4数控系统的功能5数控系统的发展方向6开放式数控系统7第一章数控系统概述1.1数控系统的基本概念及特点数字控制（NumericalControl）技术，是一种借助数字或数字代码对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动控制技术，简称NC技术。其控制对象一般是位移、角度、速度等机械量，也可以是压力、流量、温度等物理量。采用数控技术的系统成为数控系统（NCsystem），它是一种程序控制系统，它能逻辑的处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。第一章数控系统概述1.1数控系统的基本概念及特点数控技术给机械制造业带来了革命性的变化现代数控技术成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术数控机床是发展现代机械制造技术必需的基础设备数控技术水平的高低，数控机床拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志第一章数控系统概述1.1数控系统的基本概念及特点易于实现机电一体化灵活性和通用性数控功能丰富可靠性高使用维护方便第一章数控系统概述1.2数控系统的组成数控系统机床本体辅助装置程序输入设备输出设备数控装置（CNC）主轴伺服单元进给伺服单元主轴电机进给电机强电控制装置检测装置PLC第一章数控系统概述1.2数控系统的组成CNC装置的组成

计算机主板显示卡多功能卡电子盘I/O设备系统总线PLC模块位置控制板1位置控制板n功能模板1功能模板m控制面板机床I/O主轴控制模块速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动n显示器第一章数控系统概述1.输入输出设备：键盘、纸带、磁带、磁盘、显示器、打印机。是数控系统和操作者交流的人机界面。数控系统的组成2.数控装置：数控机床的核心，本质是一台专用计算机，它接收输入的加工程序或操作信号并进行运算处理，发出相应的控制信号对机床加工过程进行控制。主要功能：多坐标控制、运算插补、程序输入编辑修改、故障自诊断、加工过程补偿、信息转换、工作方式选择、辅助功能控制、显示功能、通信网络等。3.伺服系统：接收数控装置的速度、位置指令，通过电机驱动机床主轴、进给机构运动，完成零部件加工。包括伺服控制电路、放大电路、伺服电机。第一章数控系统概述数控系统的组成4.测量反馈装置：通过检测为数控系统提供机床运动部件的速度、位移信号，以供数控装置进行位置速度比较控制（闭环伺服控制）,磁栅、光栅等。5、机床本体：机床的机械结构部分，与普通机床相比数控机床机械部件有它特殊结构特点，主要表现在主轴、床身结构、导轨、刀架、传动机构、附加装置等。第一章数控系统概述1.3数控系统的工作过程刀具偏置I/O处理将工件轮廓的轨迹转换成CNC系统认定的轨迹加工程序将标准代码翻译成CNC系统能识别的代码形式译码运动轨迹计算插补刀具长度补偿速度计算第一章数控系统概述1.3数控系统的工作过程

1.输入

输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机DNC通讯输入等。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。存储方式是将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。NC方式是CNC一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的内容。2.译码

译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，

主要包括零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等）、X、Y、Z等坐标值、进给速度、主轴转速、G代码、M代码、刀具号以及子程序处理和循环调用处理等数据信息按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域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。第一章数控系统概述1.3数控系统的工作过程

3.刀具补偿

刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。

刀具补偿包括B功能和C功能刀具补偿。在较高档次的CNC中一般应用C功能刀具补偿，C功能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。

4.插补运算

数控装置对于刀具运动轨迹的控制是通过短直线逼近拟合成轮廓曲线的，轮廓描述只给出曲线的类型、起点、终点。中间点的位置计算由计算机计算后密化插入。5.进给速度处理

数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即F代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量做准备；另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。有的数控机床的CNC软件的自动加速和减速也放在这里。第一章数控系统概述1.3数控系统的工作过程6.位置控制、机床加工

数控装置计算出的位置后向控制系统发出指令，控制进给电机工件或工作台产生的运动，通过刀具切削形成轮廓。同时，检测装置对运动过程检测，将信号反馈给数控装置进行比较，形成差值，用差值信号对运动过程精确控制。

8.显示

CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有CRT显示器或LCD数码显示器，一般位于机床的控制面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。有的CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图形显示。7.I/O处理

CNC的I/O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中；另一方面是将CNC的输出命令（如换刀、主轴变速换档、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。

数控机床的坐标系1、数控机床坐标系的定义

根据图1.5所示，标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90º。则大拇指代表X坐标轴，食指代表Y坐标轴，中指代表Z坐标轴。其中，大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

根据图1.7所示的数控车床结构图，确定X、Z直线坐标如下（请按图中按钮观察机床运动的方向）：

2、数控车床坐标轴方向的确定

（1）Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。（2）X坐标：工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。（3）Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。3、数控铣床坐标轴方向的确定

根据图1.8所示的数控立式铣床结构图，试确定X、Y、Z直线坐标。（1）Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。（2）X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。（3）Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。（请点击观察机床运动的方向）（1）准备工作：机床回参考点，确认机床坐标系；（2）装夹工件毛坯：通过夹具使零件定位，并使工件定位基准面与机床运动方向一致；（3）对刀测量：使用直径为Φ10的标准测量棒、塞尺对刀。（4）计算设定值：将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。（5）在机床上设定：将开关放在MDI方式下，进入加工坐标系设定页面输入数据。（6）校对设定值：对于初学者，在进行了加工原点的设定后，应进一步校对设定值，以保证参数的正确性。4、加工坐标系的设置方法：5、预置寄存指令G92

预置寄存指令是按照程序规定的尺寸字值，通过当前刀具所在位置来设定加工坐标系的原点。这一指令不产生机床运动。编程格式：G92X～Y～

Z～

试用G92指令建立图1.21所示的加工坐标系：当前的刀具位置点在A点时：G92X10Y12

当前的刀具位置点在B点时：G92X30Y37

注意：这种方式设置的加工原点是随刀具当前位置（起始位置）的变化而变化的。6、直线插补指令

直线插补指令用于产生按指定进给速度F实现的空间直线运动。程序格式：G01X～Y～Z～F～

例：实现右图所示从A点到B点的直线插补运动,其程序段为：

绝对方式编程G90G01X10Y10F100增量方式编程G91G01X-10Y-20F100

7、圆弧插补指令

G02为按指定进给速度的顺时针圆弧插补。G03为按指定进给速度的逆时针圆弧插补。

圆弧顺逆方向的判别：沿着不在圆弧平面内的坐标轴，由正方向向负方向看，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03，如下图所示。

XY平面圆弧插补指令程序格式

：

G17G02X～

Y～

I～

J～

(R～)F～

或

G17G03X～

Y～

I～

J～

(R～)F～其中：

X、Y的值是指圆弧插补的终点坐标值；

I、J是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与G90,G91无关；

R为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角≤180o时，R值为正，当圆弧的圆心角＞1800时，R值为负。

程序格式：ZX平面圆弧插补指令程序格式

：G18G02X～

Z～

I～

K～

(R～)F～G18G03X～

Z～

I～

K～

(R～)F～其中：X、Z的值是指圆弧插补的终点坐标值；I、K是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与G90,G91无关；R为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角≤180o时，R值为正，当圆弧的圆心角＞1800时，R值为负。

YZ平面圆弧插补指令程序格式

：G19G02Z～

Y～

J～

K～

(R～)F～G19G03Z～

Y～

J～

K～

(R～)F～其中：Y、Z的值是指圆弧插补的终点坐标值；J、K是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与G90,G91无关；R为指定圆弧半径，当圆弧的圆心角≤180o时，R值为正，当圆弧的圆心角＞1800时，R值为负。

圆弧插补指令的应用

例：在右图中，当圆弧A的起点为P1，终点为P2，圆弧插补程序段为

G02X321.65Y280I40J140F50

或：G02X321.65Y280R-145.6F50

当圆弧A的起点为P2，终点为P1时，圆弧插补程序段为

G03X160Y60I-121.65J-80F50

或：G03X160Y60R-145.6F508、刀具半径补偿指令a、左偏刀具半径补偿

b、右偏刀具半径补偿

c、工作过程

d、过切

在零件轮廓铣削加工时，由于刀具半径尺寸影响，刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致。为了避免计算刀具中心轨迹，直接按零件图样上的轮廓尺寸编程，数控系统提供了刀具半径补偿功能。刀具半径补偿的使用见右图，半径补偿所涉及的问题有：

a、左偏刀具半径补偿

G41为左偏刀具半径补偿，定义为假设工件不动，沿刀具运动方向向前看，刀具在零件左侧的刀具半径补偿，见右图。

b、右偏刀具半径补偿

G42为右偏刀具半径补偿，定义为假设工件不动，沿刀具运动方向向前看，刀具在零件右侧的刀具半径补偿，见右图。

c、工作过程

刀具半径补偿建立时，一般是直线且为空行程，以防过切。以G42为例，图1.31表示建立刀具半径补偿的过程。

图1.32表示的刀具半径补偿的工作过程。刀具半径补偿结束用G40撤销，撤销时同样要防止过切，图1.33表示撤消刀具半径补偿的过程。上述各图中，实线表示编程轨迹；点划线表示刀具中心轨迹；r等于刀具半径，表示偏移向量。

建立刀具半径补偿的过程刀具半径补偿的过程撤消刀具半径补偿的过程d、过切

通常过切有以下两种情况：（1）刀具半径大于所加工工件内轮廓转角时产生的过切，如左图所示。（2）刀具直径大于所加工沟槽时产生的过切，如右图所示。

第一章数控系统概述特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。切削加工类：如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮

加工机床、FMC等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。1.4数控系统的分类1.按加工方式分类：成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。第一章数控系统概述2.按刀具与工件的相对运动轨迹分类：点位控制（PointtoPointControl）或位置控制（PositioningControl）数控机床1.4数控系统的分类第一章数控系统概述轮廓控制（ContouringControl）数控机床2.按刀具与工件见相对运动轨迹分类：1.4数控系统的分类第一章数控系统概述1.4数控系统的分类开环进给伺服系统闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统按有无反馈分3.按伺服系统的控制方式分类第一章数控系统概述4.按功能水平分类：1.4数控系统的分类

经济型普及型

高级型CPU8位1~2个16位32位联动轴数≤3≤5≥5分辨率0.005~0.011um≤1um进给速度6~8m/min≤24m/min≥24m/min伺服驱动开环，步进式交流/直流半闭/全闭数字化交流/直流，全闭显示LCD，LEDCRT，字符/图形CRT，图形通信RS232简单通信RS232DNC通信接口高性能通信接口，联网第一章数控系统概述1.5数控系统的功能控制功能准备功能（G功能）插补功能和固定循环功能进给功能主轴功能——数控系统的主轴的控制功能辅助功能（M功能）刀具管理功能补偿功能人机对话功能自诊断功能通讯功能第一章数控系统概述1.6数控系统的发展方向加工高精化运行高速化功能复合化控制智能化交互网络化体系开放化第一章数控系统概述第一章作业：p113和5CompanyLogoContentsClicktoaddTitle1ClicktoaddTitle2ClicktoaddTitle3ClicktoaddTitle4CompanyLogoHotTipHowdoIincorporatemylogotoaslidethatwillapplytoalltheotherslides?Onthe[View]menu,pointto[Master],andthenclick[SlideMaster]or[NotesMaster].Changeimagestotheoneyoulike,thenitwillapplytoalltheotherslides.CompanyLogoDiagramThemeGallery

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