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第五章数控原理与系统数控技术第五章数控原理与系统第一节概述第二节CNC的轨迹控制原理第四节进给速度和加减速控制第五节CNC的输入输出与通信功能第三节刀具位置补偿和半径补偿第五章数控原理与系统数控技术第一节概述一、CNC系统的构成与功能二、CNC的硬件结构三、CNC的软件结构第五章数控原理与系统数控技术一、CNC系统的构成与功能1、数字控制的任务数控机床的任务，主要在于制造各种规定的几何形状。机械制造技术中，被加工零件的几何形状千变万化，主要有回转体零件和非回转体零件。从控制技术观点来分析各种加工方法时，主要着眼于几何规律方面的控制。第五章数控原理与系统数控技术机械制造工艺中的数字控制就是使工件与刀具的相对运动形成规定的几何轨迹，及一些辅助控制。机床数字控制的根本任务就是运动轨迹程量控制和开关量控制。总体采用G、M代码和S、T、F等。柔性自动化要求CNC具有通信和DNC功能。市场个性化和适应性要求CNC自身具有结构上的开放性和功能上的可重构性。第五章数控原理与系统数控技术2、CNC系统的组成。根据机床数字控制任务，CNC系统采用了计算机作为控制部件，通过常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而能对机床运动进行实时控制。只要改变计算机的控制软件就能实现一种新的控制方法，这是CNC的最大特点，其基本结构组成如图。第五章数控原理与系统数控技术图中给出了整个机床计算机数控系统的组成框图，是在通常总体考虑机床控制功能意义上的概念。实际的CNC可以不含伺服驱动和某些输入输出设备。第五章数控原理与系统数控技术3、CNC控制器一般的工作过程CNC的工作是在计算机硬件的支持下，执行软件控制功能的全过程。（1）输入：输入CNC控制器通常有零件程序、机床参数和补偿数据。机床参数和除刀具尺寸外的补偿数据一般在机床出厂或在用户安装调试时已设定好，所以主要是零件程序和刀具尺寸补偿数据的输入。输入形式有光电阅读机纸带输入、键盘输入、磁盘输入和连接上级计算机的DNC接口输入。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式，前者将整个零件程序全部输入再调出，后者边输入边加工。第五章数控原理与系统数控技术（2）译码译码处理是将零件程序的一个程序段作为单位进行处理。译码处理将零件轮廓信息、进给速度F和其他辅助信息（M、S、T）解释后，存放在指定的内存专用区域。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查，发现错误立即报警。（3）刀具补偿：刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。刀具补偿作用就是把零件轮廓轨迹按已定的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心轨迹。高档CNC刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判断，即C刀具补偿功能。第五章数控原理与系统数控技术（4）进给速度处理：数控加工程序给定的刀具相对工件的移动速度是在各坐标合成运动方向上的速度，即F代码指令值。速度处理先按合成速度来计算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准备。同时处理机床的最低和最高速度限制及自动加减速。（5）插补：要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”工作，此即所谓插补。插补是在规定的周期内执行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，经过若干插补周期后，完成一个程序段加工。第五章数控原理与系统数控技术（6）位置控制：位置控制是处在伺服回路的位置环上，如图。其主要工作是在每个采样周期内，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电动机。这部分工作可由硬件或软件来完成，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。第五章数控原理与系统数控技术（7）I/O处理：主要是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制。（8）显示：为操作者提供方便，包括：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息等显示。有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。（9）诊断：自动故障诊断是现代CNC所必须具备的功能，通常有联机诊断和脱机诊断两种功能。第五章数控原理与系统数控技术联机诊断是指CNC中的自诊断程序，融合在各个部分，随时检查不正常的事件。脱机诊断是在CNC不工作情况下的诊断，通过配备的各种脱机诊断程序对存储器、外围设备接口和I/O接口进行检查。脱机诊断也可采用远程通信方式进行，即所谓的远程诊断。远程诊断是把用户的CNC通过网络与远程通信诊断中心的计算机相连，由诊断中心计算机对CNC进行诊断、故障定位和修复第五章数控原理与系统数控技术CNC的工作内容和过程概括为如图表示。第五章数控原理与系统数控技术4、CNC控制器的功能CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。（1）轴控制功能：CNC可控制的和同时控制的轴数。对于数控机床运动的轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。控制轴数越多，尤其是同时控制的轴数越多，CNC控制器就越辅助，多轴联动的零件程序编制也越困难。（2）准备功能：也称G功能，用来指令机床运动方式，包括基本移动、平面选择、准备设定、刀具补偿、固定循环、米英制转换等指令。第五章数控原理与系统数控技术（3）插补功能：CNC通过软件插补实现刀具运动的轨迹。分为粗插补和精插补。粗插补时，软件每次插补一个小线段数据。精插补时，伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出。（4）进给功能：用F直接指令各轴进给速度，包括：①切削进给速度，以每分钟进给的毫米数指定。②同步进给速度，以主轴每转进给的毫米数规定，主轴需装位置编码器，目的是便于切螺纹。③快速进给速度，通过参数设定，用G00指令。④进给倍率，通过面板上的进给倍率开关给定。第五章数控原理与系统数控技术（5）主轴功能：就是指定主轴转速的功能，用S代码和其后的数字表示，多为S4位，单位为r/min。（6）辅助功能：用来指令主轴的启、停和转向；切屑液的开和关；刀库的启、停等，用M代码的2位数。（7）刀具功能和第二辅助功能：刀具功能用来选择所需刀具,用T的2位或4位数表示。第二辅助功能指定工作台分度，用B代码3位数表示。第五章数控原理与系统数控技术（8）补偿功能：一种是指刀具尺寸补偿和程序段自动转接，以简化程序。另一种是指丝杠的螺距误差和反向间隙或者热变形补偿等。（9）字符、图形显示功能：CNC控制器可配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。（10）自诊断功能：为了防止孤残的发生或扩大和在故障出现后可迅速查明故障的类型及部位，以减少故障停止时间而设。诊断程序一般都可以包含在系统程序中，在运行过程中进行检查和诊断，也可作服务性程序脱机诊断。第五章数控原理与系统数控技术（11）通信功能：CNC控制器都具有RS232通信接口，有的还备有DNC接口，还有的CNC可与MAP相连，介入工厂通信网络。DNC设有缓冲存储器，可以数控格式输入，也可以二进制格式输入，进行高速传输。（12）人机交互图形编程功能：目的是进一步提高数控机床的开动率和编程效率。可以直接根据蓝图输入简单表示的几何尺寸生成程序；可以用对话式编程；可以用宏程序编程。第五章数控原理与系统数控技术二、CNC系统的硬件结构CNC的软件功能要有相应的硬件水准来支持。已有的或常规的CNC必须趋向开放式的CNC。1、常规CNC的硬件结构（1）常规CNC发展的主要形式，大体上有三种：一种是总线式模块化结构CNC，元器件采用了32位的RISC（精简指令集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等；用于多轴控制高档数控机床。第五章数控原理与系统数控技术第二种是以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC。大量用于中档和经济型数控机床。第三种是基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC。其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，而且可以随着计算机硬件的升级而升级。前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机，其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的，不具有通用性。第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC，通用性大，易于维修。第五章数控原理与系统数控技术（2）单微处理器结构：是CNC发展初期采用的结构，由于只有一个微处理器能控制系统总线，占有总线资源，CNC的各个任务都以集中控制、分时处理的方式完成。如图为单微处理器结构CNC框图，其中微处理器CPU是CNC的核心，主要由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。第五章数控原理与系统数控技术第五章数控原理与系统数控技术（3）多微处理器结构CNC的多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。具体有紧耦合和松耦合两种结构型式。所谓紧耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源。所谓送耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。第五章数控原理与系统数控技术1）多微处理器CNC的典型结构①共享总线结构，如图。第五章数控原理与系统数控技术②共享存储器结构，如图。第五章数控原理与系统数控技术2）多微处理器的CNC的基本功能模块主要有以下六种基本功能模块：①CNC管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。②CNC插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插补计算，给定各坐标轴的位置值。③位置控制模块。④PLC(PMC)模块。零件程序中的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。⑤命令与数据输入输出和显示模块。⑥存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。第五章数控原理与系统数控技术2、开放式CNC的硬件结构对数控系统的柔性和通用性的要求主要体现在：根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统；减少数控机床生产厂对控制系统供应商的高依赖性；大幅度降低维护和培训成本；改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间面向任务恶化订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。为此，必须重新审视原有控制系统的设计模式，建立新的开放型的系统设计框架，使数控系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展。第五章数控原理与系统数控技术国外，数控系统开放性在技术上体现为平台技术和面向应用功能单元的系统参考结构。美国1981年开始的NDD(NextGenerationalController)计划，最终形成了一份开放式系统体系结构规范SOSAS。1994年又开始了OMAC(OpenModularArchitectureSystems)项目的研究。欧共体于1992年在ESPRIT框架内，开始了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlsWithinAutomationSystems)项目的研究，1994年完成了定义，1996年完成了原型系统的开发。1990年日本的IMS中，对CNC要求标准化和智能化。第五章数控原理与系统数控技术（1）开放式CNC的定义参照IEEE对开放式系统的规定：一个真正意义上的开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面，具有以下特征：1）可互操作性（Interoperability）：指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，不同模块之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特征要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。第五章数控原理与系统数控技术2）可移植性（Portability）：指不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的系统平台之上。这一特征解决CNC软件的公用问题；要求设计的软件与设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制。3）可缩放性（Scalability）：指增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载和卸载。4）可相互替代性(Interchangeability)：指不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可相互替代。第五章数控原理与系统数控技术一个