数控机床概论

〖教学目的与要求〗

通过本章的教学，目的是使学生掌握数控机床的发展过程及现状、数控机床的组成、工作原理与特点、数控机床的分类、数控机床的典型结构、计算机数控系统（CNC）原理等。

2/3/2023

〖教学重点、难点〗

数控机床的组成、工作原理、典型结构、

2/3/2023第一节

数控机床的发展过程一、数控机床的产生

最早出现于二十世纪四十年代初期的美国北密执安的一个小公司，在制造飞机框架和直升机叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径精确地控制1952年研制成功了世界第一台数控机床———直线插补连续控制的三坐标立式铣床

2/3/2023第一代：1952至1959年，采用电子管、继电器元件；第二代：1959年开始，采用了晶体管分立元件；第三代：1965年开始，采用集成电路；第四代：1970年开始，采用大规模集成电路及小型计算机；第五代：1974年开始，采用微型计算机。2/3/20231958年开始研究1968年研制成功X53K--1立式铣床1975年研制成功第一台加工中心

我国数控机床的发展2/3/2023二、数控机床的发展趋势（数控系统）(一)高速度、高精度化(二)多功能化(三)高效化(四)智能化(五)先进制造系统2/3/2023数控机床的发展趋势

（伺服系统）（早期）电液脉冲马达----功率步进电动机----（60年代日本）小惯量直流伺服电动机----（70年代美）大惯量直流伺服电动机（宽调速直流伺服电动机）----（80年代美通用电气公司）异步交流伺服电动机2/3/2023数控机床的发展趋势（整体）数控机床加工中心（MachiningCenter)加工单元直接数控系统（DirectNC-DNC）柔性制造单元（Flexible）ManufacturingCell-FMC）

柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem-FMS）计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem-CIMS）2/3/2023加工中心（MachiningCenter）一次装夹可完成多道工序加工。它配备有装载多把刀具的刀具库，并具有自动更换刀具的功能。

返回2/3/2023返回加工单元由数控机床、工业机器人或工件交换机和工件台架组成的加工单元，工件装卸、加工实现了全自动化控制。2/3/2023三、先进制造系统柔性制造单元（FMC—FlexibleManufacturingCell）柔性制造系统（FMS---FlexibleManufacturingSystem）计算机集成制造系统2/3/2023作业字母缩写数控系统的发展趋势2/3/2023基本概念数字控制----（Numericalcontrol）NC.简称数控。是指利用数字化的代码构成的程序或对设备的工作过程实现自动控制的一种方法。数控系统----利用数字控制技术实现的自动控制系统。数控设备----采用数控系统进行控制的机械设备。其操作命令是数字代码的形式来描述。工作过程是按照指定的程序自动地进行。第二节数控机床的组成、工作原理与特点2/3/2023如：数控机床、数控切割机、数控绘图机、数控测量机、数控雕刻机、电脑绣花机、衣料开片机、数控插件机等。数控机床----装备了数控系统的机床称之为数控机床。2/3/2023内脏手脚头脑五官骨骼驱动装置伺服电动机检测装置数控系统机床传动链一、数控机床的组成从仿生学的观点来看，数控机床的组成类似于人的构造及功能

人的五大要素数控机床的五大要素2/3/2023对应关系内脏：建立了用能量来维持人的生命和活动的条件（动力）数控机床中的驱动装置和电源

返回2/3/2023对应关系五官：接受外界的信息（传感器）数控机床中位置和速度检测装置及压力、温度传感器

返回2/3/2023对应关系骨骼：用来把人体连成一体并规定其运动（机构）数控机床的机械传动链，如滚珠丝杠螺母副、导轨副、齿轮副及联轴器等

返回2/3/2023对应关系手脚：作用于外界（执行器）数控机床的主轴电动机、进给伺服电动机及各种液压缸和汽缸等

返回2/3/2023对应关系头脑：集中处理全部信息，并对其他要素和它们间的连接进行有机的统一控制（计算机）数控机床的数控系统

返回2/3/2023对应关系人体五大要素间的信息传递是靠神经网络对应于数控机床的各种控制信号、反馈信号及驱动线路

返回2/3/2023加工信息(加工程序)机床切削(机床)信息处理(数控系统)伺服执行(伺服系统)信息反馈(反馈系统)信息输入(输入装置)辅助控制装置二数控机床的（组成）加工过程2/3/2023（1）、加工程序：加工一个零件所需的数据及操作命令构成的零件加工程序。（2）、输入装置：在零件加工前，由操作人员输入数控机床加工程序才能根据加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。输入时需借助于键盘、（显示器）---输出等，是进行手动数据输入（MDI----ManualDataInput）的主要设备。此外，如：磁盘、磁带和穿孔纸带（存储程序的介质）也可输入；还可用串行通信的方式输入磁带阅读机、纸带阅读机。

返回2/3/2023（3）、数控系统：主功能是将输入装置传送的数据加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理等。译码时将程序区分为：几何数据：刀具相对工件运动路径的数据；利用它可加工出要求的几何形状。工艺数据：主轴转速S和进给速度F等辅助功能的数据。开关功能：对机床电器的开关命令；如：主轴启/停、刀具选择/交换、切削液的开关、润滑液的启/停等。·插补器：根据曲线已知的几何数据以及相关的工艺数据中速度信息，计算出曲线起、终点间的一系列中间点，分别向机床各坐标轴发出速度和位移信号，通过各个轴运动的合成，形成符合数控加工程序要求的工件轮廓的刀具的运动轨迹。

返回2/3/2023（4）、伺服系统：作用是接收数控系统插补的速度和位移的数字信号，转化为模拟信号后控制伺服电动机的运动速度（机床的进给运动）方向。一般由“驱动电路+伺服电机”组成，并与机床的机械传动部件组成数控机床的进给系统。（每个进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动装置：开、闭、半闭环之分）·常用的伺服电动机有：功率步进电动机、宽调速直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

返回2/3/2023（5）、反馈系统：它与伺服系统配套组成闭环和半闭环伺服驱动系统；通过直接或间接测量将执行部件的实际进给位移检测出来，反馈到数控系统并与指令位移比较，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动，以提高系统精度。（6）、机床：执行部件。如：机床工作台、刀具等。

返回2/3/2023三、加工特点数控加工与其他加工方法比较，数控机床有以下的特点：2/3/20231）优点具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工新零件·在切削速度和进给的全范围内均可保持精度、一致性好·生产周期较短·可以加工形状复杂的零件·易于调整机床，与其它制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，所需调整时间较少·操作者有空闲时间，空闲时可照料其它加工操作2/3/20232）、缺点·造价相对较高·维护比较复杂，需专门的维护人员·需高度熟练和经过培训的零件编程人员2/3/2023返回适合于数控机床加工的零件1、轮廓形状复杂、加工精度要求高或必须用数学方法解决的复杂曲线、曲面的小批量（100件左右）零件。2、试制中尚需多次改变设计的零件。3、加工工序较多的零件（如箱体类零件、航空附件壳体等）。4、价格昂贵的零件（如飞机大梁）。若加工中出现差错而使此类零件报废，将造成巨大的经济损失。5、要求精密复制的零件。2/3/2023作业数控机床由哪几部分组成？各部分的基本作用是什么？数控机床适用于加工哪些零件？与普通机床相比，数控机床加工有何特点？2/3/2023第三节数控机床的分类一、按工艺用途分二、按控制的运动轨迹分三、按控制方式分四、按硬件基础分五、按功能水平分六、按加工类型分七、按可联动的轴数分类2/3/2023一、按工艺用途分一般数控机床——有车、铣、钻、镗、磨等加工中心——在普通数控机床上加装了刀库和自动换刀装置而构成的数控机床。特点是工件经一次装夹能进行多工序加工。2/3/2023二、按控制的运动轨迹分1、点位控制系统（PositioningControl

）点位控制系统只控制刀具相对工件从一点移动到另一点的准确位置，而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不进行切削。应用：数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控测量机、数控弯管机。2/3/20232、直线控制系统（strainght-lineControl

）直线控制系统不仅控制点与点的准确位置，而且控制两点间刀具移动的轨迹是一条直线，且移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削。应用：数控铣床、数控车床、数控镗、铣床、加工中心。2/3/20233、轮廓控制系统（ContouringControl

）轮廓控制系统（连续控制系统）能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制（坐标联动），连续控制系统是多坐标同时控制，信息处理比较复杂，需进行插补计算（据给定的运动代码指令和进给速度计算刀具相对工件的运动轨迹…）然后进行相应的速度和位移控制，将零件加工成一定形状。应用：（功能完善的）数控车床、数控铣床、数控磨床、数控火焰机及数控线切割机、数控加工中心等。2/3/20233、轮廓控制系统（ContouringControl

）轮廓控制系统（连续控制系统）能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制（坐标联动），连续控制系统是多坐标同时控制，信息处理比较复杂，需进行插补计算（据给定的运动代码指令和进给速度计算刀具相对工件的运动轨迹…）然后进行相应的速度和位移控制，将零件加工成一定形状。应用：（功能完善的）数控车床、数控铣床、数控磨床、数控火焰机及数控线切割机、数控加工中心等2/3/2023三、按控制方式分1、开环控制系统（OpenLoopControl）不带位置反馈的控制系统。一般用功率步进电动机、电液脉冲马达（由步进电动机和液压扭矩放大器组成）作为执行元件。特点：

a、结构简单，运行工作稳定，调试、维修方便，价格低廉。

b、精度较低（取决于步进电动机以及传动机构的精度。

c、应用于精度要求不高的经济型数控系统中。2/3/20232/3/20232、闭环控制（CloseLoopControl）数控机床这类系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将工作台的实际位置检测出来并与CNC装置的指令进行比较，用差值进行控制，如上图结构。特点：·可矫正全部传动环节造成的误差，精度很高；（取决于检测装置的精度）·不稳定因素多，调试困难；·用于高精度设备的控制。如：镗、铣床，超精车床，磨床等；2/3/20233、半闭环控制系统（Semi-ClosedLoopControl）这类系统位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，通过角位移的测量间接得出机床工作台的实际位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。以交、直流伺服电机作为驱动元件。特点：·可矫正部分环节造成的误差，精度比开环的高；·反馈过程中不稳定因素少，调试较方便，稳定性好；·机械环节（反向间隙、丝杠螺距累积误差）等通过数控系统的参数设置进行补偿，以提高其精度。2/3/20232/3/2023四、按硬件基础分1、硬件数控：早期的数控系统采用的是数字逻辑电路，故叫NC系统。功能少，线路复杂、可靠性低，逐渐被淘汰。2、计算机数控：也称微机数控，可完成复杂功能，速度快，性价比高。2/3/2023五、按功能水平分类型性能指标CPU（位）显示器执行元件脉冲当量（mm）快进速度（m/min）1、低档数码管/简单CRT步进电动机0.01-0.0054-102、中档16/32较齐全CRT半闭环直流/交流伺服系统0.005-0.00115-243、高档32/64CRT（三维图形显示）闭环直流/交流伺服系统0.001-0.000115-1002/3/2023六、按加工方式分类1、金属切削类数控机床此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。2、金属成型类数控机床此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。3、特种加工类数控机床此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。4、其他类数控机床如数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。2/3/2023七、按可联动的轴数分类1、两轴控制2、2.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）3、多轴控制2/3/2023七、按可联动的轴数分类1、两轴控制2、2.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）3、多轴控制2/3/2023第四节数控机床的典型结构2/3/2023数控机床与普通机床的区别数控机床是典型的机电一体化产品；其结构与普通机床有许多相似之处，但不是简单地将传统机床配备上数控系统，也不是在传统机床的基础上仅对局部加以改进。传统机床存在的弱点：刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件间存在间隙等。数控机床的特点对结构的影响：自动化、高精度大功率、多功能多工序、高可靠性等推动了其结构的改变。数控机床无论是基础大件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，同还是整体布局、外部造型等都与传统机床相比有独特的机械结构2/3/2023数控机床的机床本体的组成（1）机床基础件；

（2）主传动系统；（3）进给系统；（4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置；（5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台；（6）刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）；（7）自动托盘交换装置（APC）；（8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等；（9）为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。2/3/2023本节内容一、数控机床的主传动系统及主轴部件二、数控机床进给系统的机械传动机构三、数控机床导轨四、回转工作台2/3/2023一、数控机床的主传动系统及主轴部件(一)数控机床主传动系统与普通机床比较特点：1.所选用电机的区别2.转速高，功率大3.变速范围大4.主轴速度的变换迅速可靠2/3/2023（二）数控机床主轴变速的传动方式

主传动要求较大的调速范围

1.带有变速齿轮的主传动（图a）2.通过带传动的主传动（图b）3.由伺服电动机直接驱动的主传动（图c）2/3/2023（三）主轴部件1.数控机床的主轴轴承配置的三种主要形式

⑴前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（a）

⑵前轴承采用高精度角接触球轴承，后支承的球轴承具有较好的高速性能

（b）⑶双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承（c）

2/3/20232.主轴结构

⑴刀具的自动夹紧机构

主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。

⑵主轴的准停装置

2/3/2023二、数控机床进给系统的机械传动机构（一）对进给系统机械传动机构的要求

包括齿轮传动副（或蜗杆蜗轮副）、丝杠螺母副等及其支承部件（轴承座等）

1.高传动刚度2.抗振性 3.低摩擦4.低惯量5.无间隙2/3/2023（二）滚珠丝杠螺母副

1.工作原理和特点滚珠丝杠螺母副由于在丝杠和螺母之间放入了滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。图为滚珠丝杠螺母副的结构示意图。丝杠１和螺母２上均有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠在其间既自转又循环滚动。

滚珠丝杠螺母副示意图

１-丝杠;２-螺母;３-滚珠2/3/2023滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副比具有优点：（1）传动效率高，摩擦损失小。（2）运动平稳无爬行。（3）传动精度高，反向时无空程。（4）磨损小。（5）运动具有可逆性。滚珠丝杠螺母副的缺点：（1）由于结构复杂，故制造成本高。（2）由于不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自会因部件的自重而自动下降。当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。2/3/20232.结构类型

滚珠丝杠螺母副按其中的滚珠循环方式可分为两种：外循环和内循环。（1）外循环：滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。图示为常用的一种形式：在螺母外圆上装有螺旋形的插管，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。也可用于重载传动系统中。2/3/2023滚珠的外循环结构

2/3/2023（2）内循环：靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器的数目与滚珠圈数相等。这种形式结构紧凑，刚性好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较难。适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。滚珠的内循环结构2/3/20233.滚珠丝杠螺母副的预紧

滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧实现的。通过预紧可以消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙并提高轴向刚度。（1）双螺母垫片式预紧

2/3/2023（2）双螺母螺纹式预紧2/3/2023三、数控机床导轨（一）对导轨的基本要求（1）导向精度

（2）精度保持性

（3）低速运动平稳性

（4）结构简单、工艺性好

即：高速进给时不振动，低速进给时不爬行；有高的灵敏度，能在重载下长期连续工作；耐磨性要高，精度保持性要好等2/3/2023（二）数控机床导轨的分类和特点

1、滑动导轨

⑴聚四氟乙烯导轨软带

以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成；具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等优点；缺点是承载能力低、尺寸稳定性较差；该种软带可在原有滑动导轨面上用粘接剂粘结，加压固化后进行精加工，故一般称之为贴塑导轨。2/3/2023⑵环氧型耐磨涂料

以环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨以及铁粉等混合而成，再配以固化剂调匀涂刮或注入导轨面，故一般称之为“涂塑导轨”或“注塑导轨”。具有良好的摩擦特性和耐磨性，它与铸铁导轨副的摩擦系数较低，为0.1—0.2mm，在无润滑油的情况下仍有较好润滑和防止爬行的效果。其抗压强度比导轨软带高，尺寸稳定。2/3/20232、滚动导轨

在导轨工作面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面间成为滚动摩擦，可以大大降低摩擦系数，提高运动灵敏度。[直线运动导轨（滚动直线导轨副）]滚动导轨的特点：优点摩擦系数小，为0.0025—0.005mm；动、静摩擦系数很接近；精度保持性好；低速运动时，不易出现爬行现象，定位精度高。缺点是结构较复杂，制造较困难，成本较高；滚动导轨对脏物较敏感，必须要有良好的防护装置。2/3/20232/3/20232/3/2023直线滚动轨导轨2/3/2023直线滚动导轨

组成：导轨体1,滑块7、滚珠4、保持器3、端盖6等

2/3/2023⒊静压导轨

在导轨工作面间通入具有一定压强的润滑油，使运动件浮起，导轨面间充满润滑油形成的油膜，因而始终处于纯液体摩擦状态。静压导轨优点：由于导轨面处于纯液体摩擦状态，摩擦系数极低，约为0.0005mm，因而驱动功率大大降低，低速运动时无爬行现象。导轨面不易磨损，精度保持性好。由于油膜有吸振作用，因而抗振性好、运动平稳。缺点是静压导轨结构复杂，而且需要一套过滤效果良好的供油系统，制造和调整都较困难，成本高。2/3/2023四、回转工作台回转工作合是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件。作用:是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

2/3/20232/3/2023（一）数控回转工作台数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用机床的分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。功能:使工作台作连续回转进给，以完成切削工作，同时能完成00－3600围内的任意角度的分度。作用:既能作为数控机床的一个回转坐标轴，用于加工各种圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度头完成工件的转位换面。实现：由于数控回转工作台的功能要求连续回转进给并与其他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位类型：有开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台。2/3/2023（二）分度工作台

数控机床（主要是钻床、镗床和镗铣床）的分度工作台与数控回转工作台不同，它只能完成分度运动，而不能实现圆周进给。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度，如900、600或450等。

功能:是完成回转分度运动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。作用:在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。2/3/20232/3/2023作业1．

数控机床的主传动系统有何特点？2．

数控机床对机械传动系统有何要求？3．

滚珠丝杠副有何优点？4．

对数控机床的导轨有何要求？2/3/2023第五节计算机数控系统原理2/3/2023一、CNC数控系统的基本概念二、CNC数控装置的组成三、CNC系统的工作流程四、CNC系统的硬件结构五、CNC系统软件结构六、软件的主要功能七、运动轨迹的插补原理2/3/2023一、CNC数控系统的基本概念(ComputerNumericalControl)是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统是一种位置控制系统。CNC系统的核心是CNC装置。2/3/2023二、CNC数控装置的组成CNC装置主要由硬件和软件两大部分组成。2/3/2023返回CNC装置硬件组成框图2/3/2023硬件组成CNC装置硬件：具有一般计算机具有的微处理器(CPU)及总线、可编程只读存储器(EPROM)、随机存储器(RAM)、输入／输出(1／O)接口还具有数控要求的专用接口和部件，即位置控制器、，纸带阅读机接口、手动数据输入(MDl)接口和视频显示(CRT)接口。2/3/2023返回CNC装置软件框图CNC软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，又称系统软件，分管理软件和控制软件两大部分2/3/2023软件组成系统软件：管理软件、控制软件管理软件用来管理零件程序的输入、输出及I/O接口、信息处理、管理各类通信外设的连接与信息传递、显示零件程序、刀具位置、系统参数、机床状态及报警、诊断、CNC装置是否正常并检查出现故障的原因。控制软件即数控机床的自动加工控制软件，它所完成的是数控系统的基本任务，也是核心任务。因此，其核心控制软件包括预处理、插补计算、位置控制和PLC控制等等。2/3/2023CPUCPU是CNC装置的核心，具有执行计算的能力和控制能力。CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂存寄存器组成。CPU在CNC装置中工作时，其控制单元从存储器中依次取出组成程序的指令，进行译码后，向CNC装置的各部分按顺序发出执行操作的控制信号；同时接收执行部件发出的反馈信号，与程序中的指令信号比较后，决定下一步应执行的操作。2/3/2023返回总线总线是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信号的渠道。总线通常可以分为片总线、内总线和外总线。2/3/2023片总线片总线为元件级总线，是组成一个小系统或CPU插件各芯片间的连接总线。片总线包括地址总线、数据总线和控制总线，即所谓三总线结构。2/3/2023内总线内总线又称系统总线，为板级总线，用于CNC装置中各插件板之间的连接和通信。如S—100总线、PC总线、Multi总线、STD、IBM—AT标准总线等。2/3/2023返回外总线外总线又称通信总线，它用于系统与系统之间的通信。这类总线有RS—232C、RS—422、IEEE—488等。2/3/2023存储器存储器用来存放程序、数据和参数。在CNC装置中一般有三种用途的内存储器和一些外存储器(视需要而配置)。①系统软件存储器，通常为只读存储器EPROM

②工作参数存储器，一般采用随机存取存储器RAM

③工件加工程序存储器，可以采用带后备电源的CMOSRAM

内存储器一般位于主机内部，可与CPU直接联系，存取速度高，存储容量有限。外存储器大多放在主机外面，一般只与内存储器交换信息，存取速度低，但存储容量大2/3/2023①系统软件存储------EPROM

程序只能被读出而不能随机写入。

②工作参数存储器-------RAM

堆栈、参数保存和运算的中间结果保存。

RAM能随机读写，断电后，信息消失。

③工件加工程序存储器-------CMOSRAM

互补型场效应存储器，只需要极小的能量就能维持内部的信息。

既能随机读出，又能根据操作需要写入或修改，并且断电后，CMOSRAM中存放的数据信息能妥善保存，恢复供电后能马上运行。2/3/2023三、CNC系统的工作流程CNC系统的工作过程是在硬件的支持下执行软件的全过程。其工作过程主要是输入、译码处理、数据处理、插补运算、位置控制、I/O处理、显示和诊断控制等。2/3/2023(1)输入数控系统首先接受输入数控系统的数据或指令。接受的数据和指令主要是零件加工程序、控制参数、补偿数据。输入的方式有纸带阅读机输入、键盘手动输入(MDI)、磁盘输入、通信接口输入以及接受上一级计算机的DNC(DirectNumericalControl)接口输入，输入的全部信息都存放在CNC装置的内部存储器中。2/3/2023（2）译码处理译码程序是以零件程序段为单位的处理用户加工程序，将其中的轮廓信息(如起点、终点、直线、圆弧等)，加工速度和辅助功能信息翻译成便于计算机处理的信息，存放在指定的内存专用空间。2/3/2023（3）数据处理数据处理程序的任务就是将经过预处理后存放在指定的存储区的数据进行处理。数据处理程序一般包括刀具半径补偿，速度计算以及辅助功能处理。2/3/2023（4）插补运算CNC系统的插补运算是由实时控制软件完成的。插补程序是在每个插补周期运行一次，在每个插补周期中，根据指令速度计算出一个微小的直线段，通常经过若干个插补周期加工完成一个程序段。即从数据段的起点走到终点，计算机数控系统是一边插补，一边加工.本次采样周期内插补程序的作用是计算下一个采样周期的位置增量。2/3/2023（5）位置控制插补的结果是产生了一个采样周期内的位置增量，位置控制的主要任务是在每一个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制数控机床工作台(或刀具)的位移。2/3/2023（6）输入/输出(I/O)处理输入、输出处理主要是处理装置与机床之间的来往信号的输入、输出和控制。2/3/2023（7）显示控制CNC装置显示主要是为操作者提供方便。通常应有：零件程序显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图像显示、报警显示等。2/3/2023（8）诊断诊断程序主要是指CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断。有联机诊断和脱机诊断两种2/3/2023四、CNC系统的硬件结构按照电路板的结构特点分：大板结构、模块化结构。按CNC装置中微处理器的个数分：单微处理器结构、多微处理器结构2/3/20231.大板结构和功能模块结构大板结构由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路板，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。2/3/2023大板式结构特点：CNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高，价格低。其缺点是硬件功能不易变动，柔性低。

模块结构将CPU、存储器、输入输出控制、{成插件板，又称硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化一个特定的功能单元，称功能模块。功能模块间有明确定义的接口，形成总线。

模块化结构特点：CNC装置可采用积木形式组成，使CNC装置设计简单，试制周期高，适应性好，扩展性强。

2/3/20232.单微处理器结构和多微处理器结构单微处理器结构

CNC装置中只有一只微处理器(CPU)，工作方式是集中控制、分时处理数控系统的各项任务，如存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等。特点：其结构简单，容易实现，性能有限。

多微处理器结构

在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。类型：主从式结构、总线式多主CPU结构、分布式结构。特点：性价比高，可靠性高，采用模块化结构故具有良好的适应性和可扩展性。2/3/2023五、CNC系统软件结构CNC系统是一个多任务的实时控制系统，即能对信息快速处理和反应。一个实时系统包括受控系统和控制系统：受控系统由硬件设备组成，如数控机床中的电动机及驱动部分；控制系统(这里为CNC装置)由软件及其支持硬件组成，数控的基本功能由控制系统完成，即由软件和硬件共同完成2/3/2023（一）计算机数控系统软件的组成CNC装置的软件是为了实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下,CNC装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令。系统软件主要由管理软件和控制软件两部分组成，管理软件用来管理零件程序的输入、输出及I/O接口、信息处理、管理各类通信外设的连接与信息传递、显示零件程序、刀具位置、系统参数、机床状态及报警、诊断、CNC装置是否正常并检查出现故障的原因。控制软件即数控机床的自动加工控制软件，它所完成的是数控系统的基本任务，也是核心任务。因此，其核心控制软件包括预处理、插补计算、位置控制和PLC控制等等。2/3/2023（二）计算机数控系统软件的结构和特点1.前后台型软件结构

前后台型软件结构将整个CNC系统软件分为:

前台程序和后台程序前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时任务，实现插补、位置控制及数控机床开关逻辑控制等实时功能。后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入、预处理和管理.在背景程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断定时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。这种前后台型软件结构一般适用于单微处理器系统集中控制。

2/3/2023程序执行过程是：程序启动，经过初始化程序后就进入后台程序，同时开放定时中断，每10ms定时中断发生一次，执行一次中断服务程序，即前台程序。此时，后台程序停止运行；定时中断程序执行完毕以后又返回后台程序；以后过10ms定时中断又发生，如此循环往复，共同完成数控系统的全部功能。值得注意的是，在执行中断处理程序时，若后台程序未作好准备工作时，插补程序和伺服控制等都跳过去，不予执行，仅执行一些例行的扫描、监控等功能。2/3/2023特点：1、对处理机的要求较高因为所有的实时处理功能均要求在定时中断服务程序中一次完成。该中断服务程序的运行时间不能太长，还要给后台程序留一部分时间，因而对处理机的运行速度及指令功能要求较高。2、适用该结构比较适合单微处理器集中式的数控系统。2/3/20232.中断型软件结构

在这种结构中，除了初始化程序以外，整个系统是一个中断控制系统。所有各种功能的子程序（如工件程序的输入、编辑、译码、数据处理、插补和伺服控制等功能）均被安排成优先级别不同的中断服务程序。级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序，系统软件本身就是一个大的多重中断服务程序，通过各级中断服务程序之间的通信来进行管理。各中断服务程序的优先级别与其作用和执行时间密切相关。2/3/2023该系统的中断优先级是从0级到7级。0级优先级别最低，7级最高。在正常加工时，第7级不使用，这样伺服控制被安排成最高级别。因为机床伺服控制实时性要求最高，不能耽误。开机→初始化→0级CRT显示，经过4ms，时钟请求第6级中断，在第6级中断服务程序中，设置第1级、第2级（16ms)和第4级（8ms）中断请求（软件中断）。2/3/2023特点：1、采用模块化结构因此中断型软件结构便于修改和扩充，编制程序较为方便2、适用更重要的是，这种结构便于向多微处理器数控系统发展

2/3/20233.CNC系统的特点

⑴

高的速度。⑵

高的精度和更高的生产率。⑶

灵活通用，数控功能多样化。⑷

用维修方便，易于实现机电一体化。2/3/2023六、软件的主要功能CNC系统的功能：基本功能、选择功能基本功能是系统必备的功能，包括：控制轴功能、准备功能(G功能)、进给速度功能(F功能)、刀具功能(T功能)、主轴转速功能(S功能),辅助功能(M功能),显示功能,自诊断功能等。选择功能是供用户根据需要进行选择的功能。2/3/2023选择功能补偿功能

固定循环功能

图形通信功能显示功能图形编程功能

人机对话编程功能2/3/2023补偿功能CNC系统可以备有补偿功能包括：刀具长度补偿,刀具半径补偿,刀尖圆弧补偿,三维刀具补偿,丝杠螺距误差补偿,反向间隙所引起的加工误差补偿等等2/3/2023固定循环功能固定循环功能：指数控系统为常见的加工工艺所编制的,可以多次循环加工的功能,固定循环的使用,要严格按照固定循环的指令格式编制加工程序,用户要选择合适的切削用量和重复次数等参数,然后,按固定循环约定的功能进行加工。

2/3/2023图形通信功能图形显示功能一般需要高分辨率的显示器,某些CNC系统可配置14英寸彩色显示器,能显示人机对话编程菜单,零件图形,动态模拟刀具轨迹等。

2/3/2023显示功能CNC系统通常备有RS23—2C接口,有的还备有RS422接口,设有缓冲存储器,可以实现一般的数据传送DNC控制等功能,有的CNC系统还能与自动制造协议MAP相连,进入工厂通信网络,以适应FMS,CIMS的要求。2/3/2023图形编程功能图形编程功能是指CNC系统不仅可以对由G指令和M指令编制的加工程序进行处理,同时还具备CAD(计算机辅助设计)的功能,即能够在CNC系统中进行零件的图形设计。CNC系统可以直接处理零件的图形,将其转换成由G指令和M指令组成的加工代码,然后加工出符合要求的零件2/3/2023人机对话编程功能人机对话功能不但有助于编制复杂零件的程序,而且可以方便编程。例如:蓝图编程,只要输入图样上表示几何尺寸的简单命令,就能自动生成加工程序,对话式编程可根据引导图和说明进行示教编程,并具有工序,刀具,切削条件等自动选择的智能功能。

2/3/2023七、运动轨迹的插补原理所谓插补，就是在所需的路径或轮廓上的起点坐标、终点坐标已知的情况下，据所需的路径或轮廓轨迹的曲线方程由数控系统实时地算出各个中间点的位置坐标值的运动过程。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标。数控系统根据这些坐标值控制刀具或工件的运动，实现数控加工。插补的实质是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。2/3/2023插补的实现形式

插补器---数控系统中完成插补工作的装置。插补工作可以由硬件或软件完成，故有：硬件插补器、软件插补器现代数控系统大多采用软件插补或软、硬件插补相结合的方法（软件粗插补—将加工轨迹分割为线段，硬件进行精插补—将粗插补分割的线段进一步密化数据点）

2/3/2023硬件插补器由专用集成电路组成的适用于早期的数控系统中其特点是运算速度快，但灵活性差；软件插补器利用微处理器通过系统程序完成各种插补功能其特点是灵活易变，但速度较慢。2/3/2023插补的方法：据数控系统输出的信号为脉冲和数值信号可有：

基准脉冲插补、数据采样插补基准脉冲插补：逐点比较插补法、数字积分插补法（也称“一次插补法”）数据采样插补法：时间分割法、扩展DDA法（也称“二次插补法”）2/3/2023基准脉冲插补法基准脉冲插补法就是通过向各个运动轴分配脉冲，控制数控机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。

逐点比较插补法，就是每走一步都要将加工点和规定的图形轨迹相比较，判断实际加工点在给定轨迹的什么位置，从而决定下一步的进给方向。这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹。最大偏差不超过一个脉冲当量2/3/2023零件轮廓与插补轨迹2/3/2023模拟硬件插补的原理，在插补计算过程中不断地向各个坐标轴发出互相协调的进给脉冲，驱动各坐标轴进给电动机的运动。插补结果产生单位行程增量，即工作台移动一个脉冲当量δ（数控系统一个脉冲所产生的坐标轴移动量）。普通精度的数控机床δ=0.01mm，精密数控机床取δ=1μm或0.5μm。其特点是进给速度取决于执行脉冲的时间，受到一定限制，故用于进给速度不高的数控系统或开环系统。可以由硬件来实现，也可以由软件来实现。2/3/2023逐点比较插补法----直线插补1、偏差计算公式设在X-Y平面第一象限中有一加工直线OA，起点为坐标原点O，终点坐标为A（xe，ye），P（xi，yi）