第二章计算机数控系统和数控机床编程及加工

1面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块I：INPUT，输入，指输入设备。O：OUTPUT，输出，指输出设备。机床控制面板CNC键盘驱动系统２.1概述2第一节CNC系统的基本组成NC:电子管,晶体管,集成电路为特征CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的软件数控系统.1.数控系统的基本组成：CNC装置,PLC,输入\输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置.接收信息并数字化,进行运算和处理,然后发出指令,使刀具实现相对运动,完成加工过程.3ＣＮＣ系统的基本配置4CNC装置与传统的数控装置ＮＣ相比，具有下述一些特点：1）灵活性：改变相应程序即可补充和开发新的功能．2）可靠性：许多功能由软件来实现，硬件系统元件大为减少，系统可靠性大大改善．3）通用性：硬件系统采用模块结，依靠软件变化来满足大部分数控机床的要求．4）易于实现许多复杂的功能：刀具偏移，公英制转换，固定循环，插补功能，刀具补尝等．5）使用维修方便制转换：具有诊断程序，减少维修时间；具有数控软件检查程序，给编程带来方便；具有对话编程、蓝图编程功能，使编程简便；可空运行检验程序是否正确．二、CNC系统的特点：5第二节ＣＮＣ装置的组成及功能一、CNC装置的组成及作用１.CNC装置的组成：

１）CNC系统主要由数控程序、输入输出设备、CNC装置、PLC、主轴驱动和伺服驱动装置等组成。其核心是CNC装置。２）CNC装置由硬件和软件组成，CNC装置硬件除了具有一般计算机的微处器(ＣＰＵ)、可编程只读存储器(ＥＰＲＯＭ)、随机存储器(ＲＡＭ)、总线、输入输出(Ｉ/Ｏ)接口外，还具有专用接口和部件，即位置控制器、信接口、手动数据输入(ＭＤＩ)接口和视频显示(ＣＲＴ)接口．因此，ＣＮＣ装置是一种专用计算机．6第二节ＣＮＣ装置的组成及功能１）中央处理单元(ＣＰＵ)是ＣＮＣ的核心，是实施对整个系统的运算、控制和管理．２）存储器：存放数据、参数和程序等．只读存储器(ＲＯＭ、EPROM、EEPROM)和随机存储器(ＲＡＭ)．３）总线(ＢＵＳ):内部总线：Ｓ-100、ＭＵＬＴＩＢＵＳ、ＶＭＥ等；外部总线：串行总线(ＥＩＡＲＳ-２３２Ｃ)和并行总线(ＩＥＥＥ-４８８)两种．7第二节ＣＮＣ装置的组成及功能按信息线的性质分为以下三种：(１）数据总线ＤＡ:ＣＰＵ与外界传送数据的通道，是双向线;(2)地址总线ＡＢ:确定传输数据的存放地址，是单向总线；(３）控制总线ＣＢ：管理、控制信号的传送，是单向总线．４）输入／输出接口：主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息．8第二节ＣＮＣ装置的组成及功能交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、数字信号．其目的是：电平转换，功率放大；电气隔离；５）位置控制器：主要完成对数控机床进给运动坐标轴的位置控制．６）ＭＤＩ/ＣＲＴ接口：完成手动数据输入和将信息显示在ＣＲＴ上．７）ＰＬＣ接口：完成ＰＬＣ与ＣＮＣ装置的信息交换．9二．ＣＮＣ装置的工作过程CNC系统的工作流程10

二．ＣＮＣ装置的工作过程（1）程序输入；（2）译码；（3）刀具补偿；（4）进给速度处理；（5）插补运算处理；（6）I/O处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；（7）位置处理；（8）显示；（9）自诊断处理。CNC系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。11三．ＣＮＣ装置的功能CNC系统的功能包括：基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统的必备功能；选择功能可由供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择。12

主要功能如下：1.CNC系统的基本功能⑴控制功能指CNC能够控制和能够联动控制的进给轴数目。控制轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。控制轴特别是联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。13

⑵准备功能即G功能，用来指令机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。14

⑶插补功能所谓插补功能指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。即以最小的逼近误差，沿着指定线段的起点和终点在其之间进行数据点的密化工作。一般CNC系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为高档的CNC系统备有抛物线插补、极坐标插补、正弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。15

⑷进给功能即F功能，用来指令各轴的进给速度，主要有以下三种：①切削进给速度每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为mm/min；②同步进给速度实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转的进给量，单位为mm/r，主要用于加工螺纹；16

③进给倍率

用于人工实时修调进给速度。即通过操作面板上的进给倍率波段开关以每档10%的间隔在0～200%之间对预先设定的进给速度实现实时修调。⑸主轴功能即S功能，用于指定主轴的转速，单位是r/min。17

⑹辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的启停、正反转、冷却液泵的通、断，刀库的起、停等。⑺刀具功能及工作台分度功能刀具功能即T功能，用来选择刀具；工作台分度功能即B功能，用于分度工作台的分度。18

⑻人机对话功能CNC系统可配置9in单色或14in彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。19

(9)自诊断功能CNC系统中设置有故障诊断程序，以防止故障的发生和扩大，在故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。20

2.选配功能⑴补偿功能包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。21

⑵固定循环功能在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先将这些典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，用G代码进行定义形成固定循环功能，在加工时可直接使用这类G代码，完成这些典型的动作循环，大大简化编程工作。22

⑶通讯功能它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。通常CNC系统都配有RS232C接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序，有的还备有DNC接口，以利实现直接数控，更高档的系统还可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。23

⑷自动在线编程功能有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。有的CNC系统可进行在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。

24思考题

1．何谓数控系统?NC系统与CNC系统有何区别?NC:电子管,晶体管,集成电路为特征的硬件数控系统．CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的软件数控系统.

2CNC系统的基本组成有哪些?

CNC装置,PLC,输入\输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置

．25思考题3CNC系统的功能有哪些?1）CNC系统的基本功能

⑴控制功能

⑵准备功能

⑶插补功能⑷进给功能

⑸主轴功能

⑹辅助功能⑺刀具功能及工作台分度功能⑻人机对话功能

(9)自诊断功能2）CNC系统的选配功能⑴补偿功能

⑵固定循环功能

⑶通讯功能

⑷自动在线编程功能26思考题4简述CNC系统的工作过程。

1）程序输入；（2）译码；（3）刀具补偿；（4）进给速度处理；（5）插补运算处理；（6）I/O处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的

输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；（7）位置处理；（8）显示；（9）自诊断处理。27

第三节CNC系统的硬件结构CNC系统的基本硬件结构通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能(MST)控制接口等部分组成．28292、多微处理机结构⑴在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。⑵特点：

能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。

容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作⑶结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。第三节CNC系统的硬件结构30从机床来的控制信号输出到机床的控制信号Ｉ/Ｏ(ＣＰＵ１)共享储存器插补(ＣＰＵ３)轴控制(ＣＰＵ４)ＣＲＴ(ＣＰＵ２)31FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC15系统硬件结构第三节CNC系统的硬件结构②共享总线型结构32第四节CNC系统的软件结构一、ＣＮＣ装置软件与硬件的功能界面１.ＣＮＣ装置由软件与硬件组成．２.硬件能完成的功能用软件也可以完成．３.硬件处理速度快，但造价较高，实现复杂控制功能比较困难．４.软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢．５.较少且标准化程度较高的软件，配以功能丰富的软件构成ＣＮＣ装置，硬件设计好后基本不变，而；软件功能不断升级．33第四节CNC系统的软件结构二、CNC系统软件的组成

CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理输入输出管理机床输入输出位置控制故障诊断处理插补运算主轴控制编译处理刀具补偿......34第四节

CNC系统的软件结构三．ＣＮＣ装置软件的特点和结构分类１.ＣＮＣ装置软件的特点：１）多任务并行处理２）多重实时中断处理35

２、CNC装置软件的结构分类目前CNC系统软件的结构有以下几种：⑴前后台型结构

这种模式将系统软件划分为前台程序和后台程序.前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断、PLC控制等实时性很强的任务，它是个实时中断服务程序，以一定周期定时发生，中断周期一般小于10ms。

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后台程序也称背景程序，用来完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、插补预处理(译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性任务，它是一个循环运行的程序，在其运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断。前后台程序的运行关系见图２-3所示

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图２-3前后台程序运行关系图38

前后台型结构的特点:这种结构的任务调度机制在前后台程序之间，前台程序是优先抢占式的。在前、后台程序内部，各子任务则采用顺序调度，无抢占机制，因而该结构实时性差，早期的CNC系统大都采用这种结构。39

⑵中断型结构

这种结构除初始化程序外，整个系统的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理，如图２-４所示。40

图２-４中断型软件系统结构图41

中断型结构的特点:该结构中任务的调度机制均采用优先抢占调度，因此系统的实时性好，但中断级别较多(最多可达8级)，模块关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪80至90年代初的CNC系统大多采用这种结构。３）功能模块软件结构

每一模块都是一个微处理器系统，可以互相通信．42作业：１.ＣＮＣ系统的核心是()．Ａ.程序Ｂ.输入／输出设备Ｃ.ＣＮＣ装置Ｄ.可编程控制器２．()是ＣＮＣ的核心．Ａ.ＣＰＵＢ.存储器Ｃ.总线Ｄ.ＰＬＣ接口３.()属于ＣＮＣ装置的基本功能．Ａ.插补功能Ｂ.补尝功能Ｃ.固定循环功能Ｄ．通信功能４.()属于ＣＮＣ装置的辅助功能．Ａ.控制功能Ｂ.准备功能Ｃ.进给功能Ｄ.补尝功能43作业：二班５.对加工中心自动换刀的管理是用()来控制．Ａ.PLCB.ATCC.APCD.CAM6.数据总线ＤＢ是()，地址总线ＡＢ是()．Ａ双向总线Ｂ单向总线Ｃ双向总线或单向总线Ｄ以上都不是７.低速辅助信息由()处理和输出．Ａ、CNCB、PLCC、NCD、以上都不是8.刀具补偿包括刀具()Ａ长度补偿Ｂ半径补偿Ｃ长度补偿和半径补偿Ｄ以上都不是９.刀具功能用来选择刀具，用字母Ｔ及其后续的()数字来表示．Ａ两位Ｂ两位或四位Ｃ四位Ｄ六位

44第五节ＰＬＣ在ＣＮＣ中的应用一．可编程控制器：是一种用于工业环境，可储存和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程的可编程数字控制系统．ＰＬＣ:可编程逻辑控制器ＰＩＣ:可编程接口控制器三班ＰＭＣ:可编程机器控制器ＰＳＣ:可编程顺序控制器在数控领域内人们习惯称其为可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）或可编程机器控制器（ＰＭＣ）。45第五节ＰＬＣ在ＣＮＣ中的应用１．ＰＬＣ在数控领域内的分类：

１）内装型ＰＬＣ:是为数控设备顺序控，制而设计制造的专用ＰＬＣ，一般不能独立工作．

主轴驱动单元强电电路机床操作面板ＭＤＩ/ＣＲＴ面板辅助动作主轴驱动单元伺服驱动单元伺服驱动单元Ｉ/Ｏ电路ＰＬＣＣＮＣ46一班２）独立型ＰＬＣ:又称通用型ＰＬＣ，是独立于ＣＮＣ装置的，其具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务．47二．ＰＬＣ在数控系统中的应用１.ＰＬＣ、ＣＮＣ、机床间的信息交换１）ＣＮＣＰＬＣ的信号;2）ＰＬＣＣＮＣ的信号;3）ＰＬＣ机床的信号；４）机床ＰＬＣ的信号;１）主轴Ｓ功能;2)刀具Ｔ功能；３）辅助Ｍ功能．48第六、七节开放式数控系统和典型ＣＮＣ系统简介从1952年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展日趋完善，已由最初的硬件数控（NC）经过计算机数控（CNC），发展到以微型计算机为基础的数控（MNC)、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS)等，并朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，对制造商所生产的产品不但要求价格低,质量好，而且要求交货时间短，售后服务好，好要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。新的环境要求CNC进一步向开放式控制系统转化。49开放式数控系统和典型ＣＮＣ系统简介一．什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为认为开放式数控系统应具有下列特征：模块化：具有高度模块化的特征。采用分布式控制原则。采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的。标准化：“开放”是在一定规范下的开放，并非毫无约束的开放。需要制定一个标准来约束各类机床控制器的研发。可再次开发：应当允许用户进行第二次开发。根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途。台无关性：开放时体系结构中各模块相互独立，系统厂、机床厂及最终用户都能够很容易地独立开发一系列专用功能和其他有个性的模块。为此要有方便的支持工具，控制程序设计按系统—子系统¬—模块三级进行，各模块接口协议要明确。50开放式数控系统和典型ＣＮＣ系统简介适应网络操作方式：作为开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用。要具有一种较好的通信和接口协议，一边各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制需要。总之所谓开方式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统．51开放式数控系统和典型ＣＮＣ系统简介二．开放式数控系统的特点：１.可互操作性：２.可移植性：３.档次皆谊性：４.可互补性：三．典型ＣＮＣ系统简介１．ＦＡＮＵＣ数控系统２．SIEMENS数控系统3．华中数控系统４．广州数控系统52１．ＦＡＮＵＣ数控系统日本FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。（1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。字串5

（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75％。（3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。（5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。（6）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。（7）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。531、最优速度控制——缩短加工时间;2、极高的生产效率;3、加工方便，快捷;

4、快速安装;5、数据处理快;6、在线诊断——缩短时间‘7、快捷调试工具：（1）文本管理器和WinPC-IN（2）PLC编程工具（3）伺服调试工具SimoCom;8、功能强大的PLC

9、零件加工程序可以备份在PC卡上10、丰富的用户加工循环（1）车削循环(2)铣削循环（3）钻削循环;11、一体化的步进/伺服驱动控制系统;12、全球服务机构;

13、标准的PROFIBUS总线通讯;14、完备的网上培训和信息支持;15、程序产生方便易行——不需要任何数控的知识，从简单到复杂的零件处理方法一致．54课堂练习：１.加工中心自动换刀的管理是用（）来控制的．A.PLCB.ATCC.APCD.CAM２.低速辅助信息由（）处输出．ＡＣＮＣＢＰＬＣＣＮＣＤ以上都不是３．刀具补偿包括刀具（）。Ａ长度补偿Ｂ半径补偿Ｃ长度补偿和半径补偿Ｄ以上都不是４.（）属于ＣＮＣ装置的辅助功能．Ａ控制功能Ｂ准备功能Ｃ进给功能Ｄ补偿功能55本章小结一一三班 完CNC系统的工作过程和功能CNC硬件结构中典型的2大结构—单微处理器和多微处理器结构CNC系统的软件结构PLC在数控机床中的应用56数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02