计算机数控系统

计算机数控系统4.1概述一、CNC数控机床CNC是数控机床的核心。CNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。第2页,共45页，2024年2月25日，星期天CNC数控机床的组成框图加工程序输入/输出设备CNC装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床第3页,共45页，2024年2月25日，星期天

CNC数控机床的组成第4页,共45页，2024年2月25日，星期天二、CNC的组成从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。它们二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。硬件是基础，软件是灵魂。第5页,共45页，2024年2月25日，星期天

CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

......CNC装置的组成CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

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......CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

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......CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

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......第6页,共45页，2024年2月25日，星期天

该平台有以下两方面的含义：提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。CNC装置的组成第7页,共45页，2024年2月25日，星期天CNC的硬件系统组成框图CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口总线第8页,共45页，2024年2月25日，星期天CNC的软件系统组成框图系统软件管理软件程序输入输出显示诊断控制软件刀具补偿速度控制插补运算位置控制译码第9页,共45页，2024年2月25日，星期天三、CNC的工作过程工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。包括：1．加工程序的输入2．译码3．刀具补偿4．对进给速度进行处理5．插补6．位置处理7．Ｉ/Ｏ处理8．显示9．诊断CNC单元

第10页,共45页，2024年2月25日，星期天四、CNC的功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。第11页,共45页，2024年2月25日，星期天1．对轴数的控制功能控制功能

——

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。第12页,共45页，2024年2月25日，星期天2．点位运动与移动功能(G功能)准备功能（G功能）

——

指令机床动作方式的功能。如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。第13页,共45页，2024年2月25日，星期天3．插补功能插补功能——

插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。第14页,共45页，2024年2月25日，星期天4．固定循环加工功能固定循环功能——

固定循环功能是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。第15页,共45页，2024年2月25日，星期天5．进给功能(F功能)进给功能——进给速度的控制功能。进给速度——

控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。同步进给速度——

实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r。快速进给速度——

一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速。

进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定的进给速度。第16页,共45页，2024年2月25日，星期天6．主轴的转速功能主轴功能——

数控系统的主轴的控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为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。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。第17页,共45页，2024年2月25日，星期天7．刀具功能及工作台分度功能刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。第18页,共45页，2024年2月25日，星期天8．辅助功能(M功能)辅助功能（M功能）——

用于指令机床辅助操作的功能。如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。第19页,共45页，2024年2月25日，星期天9．补偿功能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。第20页,共45页，2024年2月25日，星期天10．字符和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。第21页,共45页，2024年2月25日，星期天11．自诊断功能自诊断功能——

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。第22页,共45页，2024年2月25日，星期天12．输入、输出和通信功能通讯功能——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。第23页,共45页，2024年2月25日，星期天13．程序编制功能手工编程背景（后台）编程自动编程利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。第24页,共45页，2024年2月25日，星期天五、CNC的特点1．具有比NC更高的柔性2．具有良好的通用性3．数控功能不断增强和扩展4．可靠性越来越高5．方便了系统的维修和使用6．易于实现机电一体化

第25页,共45页，2024年2月25日，星期天硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。4.2CNC的硬件结构第26页,共45页，2024年2月25日，星期天分类：

1.按电路板的插接方式可分为大板式结构和功能模块式结构；

2.按微处理器的个数可分为单微处理器结构和多微处理器结构；

3.按CNC装置的开放程度可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。

第27页,共45页，2024年2月25日，星期天2.3.2CNC结构

1、大板式结构

CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成，插在大印刷电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。大板式结构示意图

一、大板式结构和功能模块式结构第28页,共45页，2024年2月25日，星期天FANUC6MB结构示意图

第29页,共45页，2024年2月25日，星期天2.3.2CNC结构将整个CNC装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，用户只需按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的CNC系统控制装置。特点：可以积木式组成CNC，设计简单、有良好的适应性和扩展性，试制周期短、调整维护方便、效率较高。

2、模块式结构第30页,共45页，2024年2月25日，星期天功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图

第31页,共45页，2024年2月25日，星期天1.单微处理器的CNC单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床的控制部分。二、单微处理器结构和多微处理器结构第32页,共45页，2024年2月25日，星期天CPU外部存储设备接口RS-232接口人机交互接口选件接口ROMRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元位控单元速度控制单元D/A转换电路MMMMM、S、T微机系统机床的控制部分

X轴Y轴Z轴主轴总线典型的单微处理器装置结构框图第33页,共45页，2024年2月25日，星期天单微处理器CNC特点⑴CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。⑵微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。⑶结构简单，易于实现。第34页,共45页，2024年2月25日，星期天2.多微处理器的CNC⑴多微处理器CNC的优点

①较高的性价比；②适应能力强；③可靠性高；④易于组织规模化生产。第35页,共45页，2024年2月25日，星期天⑵多微处理器的CNC主要功能模块①CNC管理模块；②CNC插补模块；③位置控制模块；④PLC模块；⑤人机接口模块；⑥存储器模块。第36页,共45页，2024年2月25日，星期天⑶多微处理器的CNC结构共享总线结构在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。第37页,共45页，2024年2月25日，星期天共享总线结构框图CNC管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线第38页,共45页，2024年2月25日，星期天共享存储器结构框图插补（CPU2）来自机床的控制信号输到机床的控制信号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共享存储器第39页,共45页，2024年2月25日，星期天三、CNC的接口⑴纸带的光电阅读机接口⑵输入/输出（I/O）接口①进行必要的信号隔离②进行电平转换和功率放大③数/模和模/数转换⑶通信接口第40页,共45页，2024年2月25日，星期天软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划分。功能界面划分的准则：系统的性能价格比4