数控机床(第三单元)(第10章)

第三单元计算机数控系统（CNC）

目录第十章CNC数控系统的组成及其特点第十一章CNC数控装置的插补原理及刀具补偿原理第十二章常见数控厂家的数控产品第十三章进给伺服系统第十章CNC数控系统的组成及其特点第一节CNC数控系统；第二节计算机数控装置（CNC）；第三节CNC数控装置的特点及其功能；第一节CNC数控系统计算机数控(ComputerizedNumericalControl,简称CNC)系统是用计算机控制加工的并实现数字控制的系统，简称CNC数控系统。CNC数控系统由数控程序、输人装置、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，见图10-1所示。CNC系统的组成输入/输出装置数控装置驱动控制装置机床电器逻辑控制装置机床本体数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出识别和解释数控程序，完成数据计算和逻辑判断处理主轴和进给轴驱动控制接受数控装置的开关命令，完成主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能。内部：程序编辑器数据输入外部：磁盘，穿孔纸带，计算机通信

数控加工程序数控加工程序译码（或解释）开关命令（M,T）几何数据，工艺数据插补可编程控制器PLC（刀具交换、切削液开/关等）机床反馈信息进给脉冲或插补数据序列数控系统的主要工作过程CNC数控系统的结构框图图10-1CNC数控系统的组成第一节CNC数控系统CNC系统的核心是CNC数控装置装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通讯的功能，它比传统的NC硬件数控装置更具灵活性和通用性，控制功能灵活多样并易于实现机电一体化产品的控制。第一节CNC数控系统现代数控系统采用可编程控制器(PLC)取代了传统的机床电器逻辑控制装置，即继电器控制线路。用PLC控制程序实现数控机床的各种继电器控制逻辑。PLC位于数控装置之外，称独立PLC，也可以和数控装置合为一体，称为内装型PLC。第二节计算机数控装置（CNC）一、CNC数控装置的组成1.CNC数控装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。CNC装置的硬件除具有一般计算机所具有的微处理器（CPU）、存储器（ROM,RAM),输人输出(I/O)接口外，还具有数控装置要求的专用接口和部件，即位置控制器、数据输入/输出接口（纸带阅读机接口）、手动数据输人(MDI)接口和显示(CRT)接口。CNC装置硬件的组成如图10-2所示。CNC数控装置硬件的组成结构图10-2CNC装置硬件的组成框图第二节计算机数控装置（CNC）一、CNC数控装置的组成2.CNC装置的软件是为了实现CNC系统各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装置对输人的加工程序自动进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件由管理软件和控制软件两部分组成。CNC装置软件的组成如图10-3所示。硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。以计算机标准硬件为基础，软件取代专有硬件（软件化数控）是发展趋势。CNC数控装置的系统软件结构图10-3CNC装置软件的组成工作过程：CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行软件的过程。CNC装置的工作原理是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、计算机的处理、运算，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，驱动伺服电机，带动坐标轴运动，同时进行实时位置反馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要求的位置。71、输入功能通过输入设备完成加工零件各种数据信息的输入，信息：零件程序、控制参数和补偿数据。方式：光电阅读机纸带、键盘、磁盘、通信接口、DNC接口等存贮：内存存储器

72）译码：数控加工程序按零件加工顺序记载着机床加工所需的各种信息，其中包括零件加工的轨迹信息（如几何形状和几何尺寸等）（几何数据）、工艺信息（如进给速度和主轴转速等）（工艺数据）和开关命令（如换刀、冷却液开/关等）（开关功能）。以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻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内。过程中，完成对程序段语法检查，如有错误立即报警显示。

译码定义：将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成为数控装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。译码功能：代码的识别和功能代码的解释。

73）刀具补偿：通常安装零件加工轮廓轨迹编程，实际控制刀具中心轨迹，不是刀尖轨迹，需要补偿既是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。是实时插补钱要完成的一项准备工作。

74）进给速度数据处理

编程指令给定的是刀具移动速度轴各坐标合成方向的速度，处理要根据合成速度计算出各坐标方向分速度，同时还要对机床允许最大和最高速度限制进行判别处理。

75）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。6）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。需要完成位置电路的调整，各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，提供定位精度。

77）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。例如：换到、换挡冷却等。8）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警显示等。还有刀具加工轨迹和动态图形显示。9）诊断：具有联机和脱机诊断功能。联机诊断是指系统空运转条件下诊断。脱机诊断用于检测存储器、外围设备和接口等。可以远程诊断，通过电话线连接，检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。

7CNC装置的功能

CNC装置的功能是指它满足不同控制对象各种要求的能力，通常包括基本功能和选择功能。1.基本功能是数控系统必备的功能，如控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能和自诊断功能等。

2.选择功能是供用户根据不同机床的特点和用途进行选择的功能，如补偿功能、固定循环功能、通信功能和人机对话编程功能等。

功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。二.CNC装置的功能1.控制功能——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。如数控车床一般为两轴联动，数控铣床及加工中心一般需要三轴或三轴联动。功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。二.CNC装置的功能

2.准备功能（G功能）

——指令机床动作方式的功能。主要有基本移动、程序暂停、坐标平面的选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环、基准点返回、公英制转换、绝对值与相对值的转换等。ISO标准对准备功能从G00-G99的100中指令中的大部分进行了统一的标准定义，部分可由系统生成厂家根据特定的控制需要来定义。G代码有模态（绩效特性）和非模态（一次有效）两种3.插补功能和固定循环功能——插补功能数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。——固定循环功能数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能4.进给功能——进给速度的控制功能。进给速度（每分钟进给量）以每分钟进给距离的形式指定刀具切削进给速度，用F字母和后续数字表示。ISO规定F后续用1-5位数表示。对于直线坐标轴，如F15000表示进给速度为15000mm/min。对于回转轴，F120表示进给速度是120r/min。4.进给功能——进给速度的控制功能。同步进给速度每转进给量，同步进给速度即以机床主轴每转进给量规定的进给速度。如0.01mm/r。只有主轴上装有位置编码器的机床才能指定同步进给速度。快速进给速度—它通过参数设定，制定G00指令采用此速度，还可通过操作面板上的快速倍率开关调节此速度。进给倍率——操作面板上设置了进给倍率开关，倍率一般在10%-200%之间，使用倍率开关不修改程序中的F代码，就可以改变机床的进给速度，对每分钟进给量和每转进给量都有效。5.主轴功能——主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。单位：（m/min）主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。6.辅助功能（M功能）

——用于指令机床辅助操作的功能。用字母M和它后续的2位数字表示，ISO标准中规定了一部分M功能的意义。负载功能可以用于规定主轴的转向、切削液的开关、刀库旋转的启停、刀具的自动交换、工件的夹紧与放松、工作台的上升、下降和旋转等。7.刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。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偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。

9.字符、图形显示功能（人机对话功能）在CNC装置中这类功能有：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。10.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。11.通讯功能——CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP(制造自动化协议)模块，网卡适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。12.人机交互图形编程功能——计算机辅助编程功能2、选择功能1）补偿功能CNC装置可以对加工过程中由于刀具磨损或损坏，以及机械传动中的丝杆螺距误差和反向间隙所引起的加工误差予以自动补偿。CNC装置的存贮器中存放着刀具长度和半径的响应的补偿量，加工时按补偿量计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。2)附加固定循环功能除了固定循环功能外，用户根据需要还可以选择一些特殊的固定循环功能，如阶梯深钻孔循环、刚性攻螺纹循环等。3）扩大显示功能CNC装置一般可配置12in彩色CRT显示器，能显示人机对话编程菜单、零件图形、对话刀具轨迹等，用户可根据需要选择更大一些的CRT显示器。4）人机对话编程功能人机对话有助于编程复杂零件的程序，如蓝图编程，只要输入图形表示几何尺寸的简单命令，通过编程软件就能自动生成加工程序，对话式编程可根据引导图进行示教编程，并具有工序、刀具、切削条件等自动选择的智能功能。5）宏程序功能用户若编制适合于某一特定加工过程的固定循环，可选择宏程序来编制需要的加工程序，可使编程工作简化。第二节计算机数控装置（CNC）二、CNC数控装置的微处理器结构自学1．单微处理器结构；

在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控的各个任务。而有的CNC系统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，占有总线资源；而其它微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成主从垂直结构，也被归于单微处理器结构。2．多微处理器结构；