數(shù)控系統(tǒng)的組成及工作原理

1、本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容 lCNC數(shù)控系統(tǒng)基本構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)基本構(gòu)成 l機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理 l刀具半徑補(bǔ)償原理刀具半徑補(bǔ)償原理 引言引言 l計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是一種包含計(jì)算機(jī)在內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它是一種 位置控制系統(tǒng)，主要用于控制刀具和工件之間的相對(duì)位置。 l數(shù)控系統(tǒng)的主要工作過(guò)程是根據(jù)輸入的信息（加工程序），進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理（刀具長(zhǎng)度和半徑補(bǔ)償）和插補(bǔ)運(yùn)算（確定刀具或工件的運(yùn) 動(dòng)軌跡），從而獲得理想的運(yùn)動(dòng)軌跡信息。 l為了適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的需要以及網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制的需要，CNC(分布 式數(shù)控)通常備有RS232、RS422串行通信接口，高檔CNC還具有DNC （分布式數(shù)

2、控）或MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）接口。有些生產(chǎn)廠家還 紛紛采用MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。 一一CNC數(shù)控系統(tǒng)基本構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)基本構(gòu)成 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成可以用下面的框圖表示：數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成可以用下面的框圖表示： 硬件系統(tǒng) 微機(jī)部分 外圍設(shè)備部分 機(jī)床控制部分 CNC數(shù)控系統(tǒng) 輸入數(shù)據(jù)處理程序 系統(tǒng)軟件 插補(bǔ)運(yùn)算程序 軟件系統(tǒng) 速度控制程序 管理程序 診斷程序 應(yīng)用軟件 硬件構(gòu)成（硬件構(gòu)成（1 1） ： l微機(jī)部分：是CNC的核心，主要由CPU、存儲(chǔ) 器和接口電路組成。 lCPU由運(yùn)算器和控制器組成。 l運(yùn)算器（ALU）主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和輯運(yùn)算。 硬件構(gòu)成（硬件構(gòu)成（2 2） ： l外圍設(shè)備主要包括操作面板、

3、鍵盤(pán)、顯示器、光電閱讀機(jī)、 紙帶穿孔機(jī)和外部存儲(chǔ)器等。 l操作面板：由于不同數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作不同，所配備的操作 面板是不同的。一般操作面板具有如下按鈕和開(kāi)關(guān)： l進(jìn)給軸手動(dòng)控制按鈕，用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)移動(dòng)各坐標(biāo)軸。 l主軸啟停與主軸倍率選擇按鈕：用于主軸的啟停與正、反 轉(zhuǎn)以及主軸調(diào)速。自動(dòng)加工啟停按鈕：用于自動(dòng)加工過(guò)程 的啟動(dòng)于停止。 l條件程序段選擇開(kāi)關(guān)：用于條件程序段是否執(zhí)行。 l倍率選擇開(kāi)關(guān)：用于選擇進(jìn)給速度的倍率及點(diǎn)動(dòng)量。 l另外還有一些狀態(tài)指示等、報(bào)警裝置等。 硬件構(gòu)成（硬件構(gòu)成（3 3） ： l機(jī)床數(shù)控系統(tǒng) 主要是通過(guò)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床移動(dòng) 部件的控制。包括速度和位移的控制以及

4、它們反 饋裝置的控制。 軟件構(gòu)成（軟件構(gòu)成（1 1）：）： l輸入數(shù)據(jù)處理程序：接受加工程序，對(duì)程序進(jìn)行 譯碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。加工程序給定的是待加 工工件的輪廓，而實(shí)際上，應(yīng)該控制刀具中心的 運(yùn)動(dòng)軌跡。這就存在一個(gè)輪廓轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。只要 告訴系統(tǒng)所使用的刀具并將刀具相應(yīng)的參數(shù)輸入 系統(tǒng)中，該轉(zhuǎn)換工作由輸入數(shù)據(jù)處理程序自動(dòng)完 成。 軟件構(gòu)成（軟件構(gòu)成（2 2）：）： l插補(bǔ)程序：根據(jù)加工程序所提供的加工信息，如 曲線的種類(lèi)（直線、圓弧或其它曲線）、起終點(diǎn) （直線的起點(diǎn)、終點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)及圓 心）、加工方向（順時(shí)針、逆時(shí)針），對(duì)這些信 息進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，決定每一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)的移動(dòng) 方向及步長(zhǎng)，

5、以及曲線與曲線之間如何過(guò)渡等。 軟件構(gòu)成（軟件構(gòu)成（3 3）：）： l速度控制程序：根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的 頻率，保證預(yù)定的進(jìn)給速度。并能根據(jù)反饋值的正 與負(fù)自動(dòng)地調(diào)節(jié)速度的大小。 l管理程序：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算 等各種程序進(jìn)行調(diào)度管理；對(duì)諸如面板命令、時(shí)鐘 信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理；子程序的 調(diào)用；共享資源的分時(shí)享用等。 l診斷程序：通過(guò)識(shí)別程序中的一些標(biāo)志符來(lái)判斷故 障的類(lèi)型和所在地。 二機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理二機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理 1 數(shù)控系統(tǒng)工作原理框圖：數(shù)控系統(tǒng)工作原理框圖： 程序的輸入：程序的輸入： l分為手動(dòng)輸入和自動(dòng)輸入兩種方式。手動(dòng)

6、輸入通 常用鍵盤(pán)輸入；自動(dòng)輸入可用穿孔紙帶、磁帶或 用通訊的方式。 譯碼：譯碼： l主要是將標(biāo)準(zhǔn)程序格式翻譯成便于計(jì)算機(jī)處理數(shù) 據(jù)的格式（高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言）。 三、三、刀具半徑補(bǔ)償?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償 補(bǔ)償?shù)念?lèi)型：補(bǔ)償?shù)念?lèi)型： l分為左補(bǔ)償和右補(bǔ)償兩種情形。 l刀具半徑左補(bǔ)償：沿著加工方向，當(dāng)?shù)毒呶挥诠?件左側(cè)時(shí)，稱刀具半徑左補(bǔ)償。加工時(shí)用G41指 令調(diào)用。 l刀具半徑右補(bǔ)償：沿著加工方向，當(dāng)?shù)毒呶挥诠?件右側(cè)時(shí)，稱刀具半徑右補(bǔ)償。加工時(shí)用G42指 令調(diào)用。 刀具半徑補(bǔ)償圖例：刀具半徑補(bǔ)償圖例： 刀具補(bǔ)償?shù)牟襟E：刀具補(bǔ)償?shù)牟襟E： l刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕ⅲ旱毒哂善鸬饵c(diǎn)以進(jìn)給速度接近工 件，刀具中心在法線方

7、向與待加工工件偏離一刀具半徑。 偏置方向由G41及G42確定。 l刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行：一旦建立刀補(bǔ)，刀具始終偏離工 件輪廓一定距離，直到取消刀補(bǔ)為止。 l刀具半徑補(bǔ)償?shù)娜∠旱毒叱冯x工件，回到退刀點(diǎn)，取 消刀具半徑補(bǔ)償。退刀點(diǎn)應(yīng)位于零件輪廓之外，可以與 起刀點(diǎn)相同，也可以不相同。 l 刀具半徑補(bǔ)償圖例：刀具半徑補(bǔ)償圖例： 刀具半徑補(bǔ)償示例：刀具半徑補(bǔ)償示例： l %0010 l N20 T0101； （轉(zhuǎn)1號(hào)刀，執(zhí)行1號(hào)刀補(bǔ)） l N30 M03 S1000； （主軸按1000rrain正轉(zhuǎn)） l N40 G00 X00 Z100； （快速點(diǎn)定位） l N50 G42 G01 X00 Z00

8、F100 （刀補(bǔ)建立） l N60 X400； l N70 Z-180； （刀補(bǔ)進(jìn)行） l N80 X800； l N90 G40 G00 X850 Z100； （刀補(bǔ)取消） l N100 G28 U0 W0； （返回參考點(diǎn)） l N110 M30； 3刀具半徑補(bǔ)償原理（刀具半徑補(bǔ)償原理（1）：）： l基本思想：刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算就是根據(jù)零件輪廓和刀 具半徑值計(jì)算出刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，工件輪廓主要是直線和圓弧或?qū)⑵渌喞脴O限的 方法轉(zhuǎn)換成直線或圓弧。對(duì)直線輪廓而言，刀補(bǔ)中心軌 跡是一條平行于工件輪廓且與輪廓等長(zhǎng)的直線，用兩點(diǎn) （起點(diǎn)、終點(diǎn)）即可決定其直線方程；對(duì)圓弧輪廓而

9、言， 刀補(bǔ)中心輪廓應(yīng)是一條與工件輪廓同心且包角相同的一 段圓弧，用刀補(bǔ)圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)及圓弧半徑即可 決定該圓弧方程。 3刀具半徑補(bǔ)償原理（刀具半徑補(bǔ)償原理（2）：）： l切直線時(shí)刀補(bǔ)的計(jì)算：設(shè)上段 程序加工完成后，刀具中心位 于O，現(xiàn)需計(jì)算刀補(bǔ)后直線終 點(diǎn)的坐標(biāo)（X，Y）。設(shè)終點(diǎn) 刀具半徑偏置矢量投影坐標(biāo)為 （X，Y），則有左邊的表 達(dá)式。 l此為第一象限的公式，其它象 限公式僅為符號(hào)差別。 22 22 22 22 cos sin YX X RYY YX Y RXX YX X RRY YX Y RRX YYY XXX 3刀具半徑補(bǔ)償原理（刀具半徑補(bǔ)償原理（3）：）： l切圓弧刀補(bǔ)計(jì)算：設(shè)

10、上段程 序加工完成后，刀具中心位 于，設(shè)在兩坐標(biāo)軸上的投影 為（X，Y），則有左邊的 表達(dá)式。 l 實(shí)際上，無(wú)論是直線加工， 還是圓弧加工，對(duì)于具備刀 具半徑功能的系統(tǒng)，這種復(fù) 雜的計(jì)算都由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng) 完成，用戶只需根據(jù)工件輪 廓進(jìn)行編程即可。 22 22 22 22 oo o oo oo o oo ee e ee ee e ee ee ee YX Y RYY YX X RXX YX Y RYY YX X RXX YYY XXX C刀具補(bǔ)償原理（刀具補(bǔ)償原理（1） l上面討論的是單段輪廓的刀補(bǔ)情況，通常工件輪 廓由多段曲線組成，如直線與直線、直線與圓弧、 圓弧與圓弧、圓弧與直線等，這就存在一

11、個(gè)輪廓 交接處如何過(guò)渡的問(wèn)題。C刀具補(bǔ)償能自動(dòng)地處 理兩段程序之間的刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接，編程人 員完全按工件輪廓編程。 C刀具補(bǔ)償原理（刀具補(bǔ)償原理（2） l圖例給出了左刀補(bǔ)和右刀補(bǔ)時(shí)輪廓過(guò)渡處的處理 情形。從圖可以看出：輪廓過(guò)渡時(shí)，為了避免過(guò) 切或間斷，需要采用縮短、延長(zhǎng)或插入的方式。 C刀具補(bǔ)償原理圖（刀具補(bǔ)償原理圖（1） C刀具補(bǔ)償原理圖（刀具補(bǔ)償原理圖（2） C刀具補(bǔ)償原理（刀具補(bǔ)償原理（3） l數(shù)控系統(tǒng)的工作方式 C刀具補(bǔ)償是在插補(bǔ)和控制的間隙進(jìn)行刀補(bǔ)計(jì)算 的，通過(guò)設(shè)置多個(gè)緩存，采用流水作業(yè)的方式才 能提高計(jì)算速度，滿足高速加工的需要。如圖所 示。 C功能刀補(bǔ)計(jì)算流水作業(yè)框圖：功能刀

12、補(bǔ)計(jì)算流水作業(yè)框圖： 思考與練習(xí)：思考與練習(xí)： l數(shù)控系統(tǒng)的硬件由哪些部分構(gòu)成？各部分的作用 是什么？ l數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算之前為什么一定要進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理？數(shù)據(jù)處理包括哪些方面的內(nèi)容？各自 的原理是什么？ l在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，直線段的B刀補(bǔ)和圓弧段的B 刀補(bǔ)分別解決什么問(wèn)題？基本思路是什么？為了 避免過(guò)切或使加工能夠持續(xù)進(jìn)行，在處理曲線與 曲線之間轉(zhuǎn)接時(shí)（C刀補(bǔ)），通常有幾種方式？ 硬件構(gòu)成（硬件構(gòu)成（1 1） ： l微機(jī)部分：是CNC的核心，主要由CPU、存儲(chǔ) 器和接口電路組成。 lCPU由運(yùn)算器和控制器組成。 l運(yùn)算器（ALU）主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和輯運(yùn)算。 硬件構(gòu)成（硬件構(gòu)成（3 3） ： l機(jī)床數(shù)控系統(tǒng) 主要是通過(guò)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床移動(dòng) 部件的控制。包括速度和位移的控制以及它們反 饋裝置的控制。 軟件構(gòu)成（軟件構(gòu)成（3 3）：）： l速度控制程序：根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的 頻率，保證預(yù)定的進(jìn)給速度。并能根據(jù)反饋值的正 與負(fù)自動(dòng)地調(diào)節(jié)速度的大小。 l管理程序：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算 等各種程序進(jìn)行調(diào)度管理；對(duì)諸如面板命令、時(shí)鐘 信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理；子程序的 調(diào)用；共享資源的分時(shí)享用等。 l診斷程序：通過(guò)