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)基本構成數(shù)控系統(tǒng)基本構成 l機床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理機床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理 l刀具半徑補償原理刀具半徑補償原理 引言引言 l計算機數(shù)控系統(tǒng)是一種包含計算機在內(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位置。 l數(shù)控系統(tǒng)的主要工作過程是根據(jù)輸入的信息（加工程序），進行數(shù) 據(jù)處理（刀具長度和半徑補償）和插補運算（確定刀具或工件的運 動軌跡），從而獲得理想的運動軌跡信息。 l為了適應工業(yè)自動化的需要以及網(wǎng)絡、遠程控制的需要，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。 一一CNC數(shù)控系統(tǒng)基本構成數(shù)控系統(tǒng)基本構成 數(shù)控系統(tǒng)構成可以用下面的框圖表示：數(shù)控系統(tǒng)構成可以用下面的框圖表示： 硬件系統(tǒng) 微機部分 外圍設備部分 機床控制部分 CNC數(shù)控系統(tǒng) 輸入數(shù)據(jù)處理程序 系統(tǒng)軟件 插補運算程序 軟件系統(tǒng) 速度控制程序 管理程序 診斷程序 應用軟件 硬件構成（硬件構成（1 1） ： l微機部分：是CNC的核心，主要由CPU、存儲 器和接口電路組成。 lCPU由運算器和控制器組成。 l運算器（ALU）主要對數(shù)據(jù)進行算術和輯運算。 硬件構成（硬件構成（2 2） ： l外圍設備主要包括操作面板、

3、鍵盤、顯示器、光電閱讀機、 紙帶穿孔機和外部存儲器等。 l操作面板：由于不同數(shù)控機床的動作不同，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關： l進給軸手動控制按鈕，用于手動調整時移動各坐標軸。 l主軸啟停與主軸倍率選擇按鈕：用于主軸的啟停與正、反 轉以及主軸調速。自動加工啟停按鈕：用于自動加工過程 的啟動于停止。 l條件程序段選擇開關：用于條件程序段是否執(zhí)行。 l倍率選擇開關：用于選擇進給速度的倍率及點動量。 l另外還有一些狀態(tài)指示等、報警裝置等。 硬件構成（硬件構成（3 3） ： l機床數(shù)控系統(tǒng) 主要是通過對伺服機構的控制來實現(xiàn)對機床移動 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。 軟件構成（軟件構成（1 1）：）： l輸入數(shù)據(jù)處理程序：接受加工程序，對程序進行 譯碼，對數(shù)據(jù)進行處理。加工程序給定的是待加 工工件的輪廓，而實際上，應該控制刀具中心的 運動軌跡。這就存在一個輪廓轉換的問題。只要 告訴系統(tǒng)所使用的刀具并將刀具相應的參數(shù)輸入 系統(tǒng)中，該轉換工作由輸入數(shù)據(jù)處理程序自動完 成。 軟件構成（軟件構成（2 2）：）： l插補程序：根據(jù)加工程序所提供的加工信息，如 曲線的種類（直線、圓弧或其它曲線）、起終點 （直線的起點、終點，圓弧的起點、終點及圓 心）、加工方向（順時針、逆時針），對這些信 息進行插補運算，決定每一個脈沖到來時的移動 方向及步長，

5、以及曲線與曲線之間如何過渡等。 軟件構成（軟件構成（3 3）：）： l速度控制程序：根據(jù)給定的速度值控制插補運算的 頻率，保證預定的進給速度。并能根據(jù)反饋值的正 與負自動地調節(jié)速度的大小。 l管理程序：負責對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補運算 等各種程序進行調度管理；對諸如面板命令、時鐘 信號、故障信號等引起的中斷進行處理；子程序的 調用；共享資源的分時享用等。 l診斷程序：通過識別程序中的一些標志符來判斷故 障的類型和所在地。 二機床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理二機床數(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分為手動輸入和自動輸入兩種方式。手動

6、輸入通 常用鍵盤輸入；自動輸入可用穿孔紙帶、磁帶或 用通訊的方式。 譯碼：譯碼： l主要是將標準程序格式翻譯成便于計算機處理數(shù) 據(jù)的格式（高級語言機器語言）。 三、三、刀具半徑補償?shù)毒甙霃窖a償 補償?shù)念愋停貉a償?shù)念愋停?l分為左補償和右補償兩種情形。 l刀具半徑左補償：沿著加工方向，當?shù)毒呶挥诠?件左側時，稱刀具半徑左補償。加工時用G41指 令調用。 l刀具半徑右補償：沿著加工方向，當?shù)毒呶挥诠?件右側時，稱刀具半徑右補償。加工時用G42指 令調用。 刀具半徑補償圖例：刀具半徑補償圖例： 刀具補償?shù)牟襟E：刀具補償?shù)牟襟E： l刀具半徑補償?shù)慕ⅲ旱毒哂善鸬饵c以進給速度接近工 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刀具半徑補償?shù)倪M行：一旦建立刀補，刀具始終偏離工 件輪廓一定距離，直到取消刀補為止。 l刀具半徑補償?shù)娜∠旱毒叱冯x工件，回到退刀點，取 消刀具半徑補償。退刀點應位于零件輪廓之外，可以與 起刀點相同，也可以不相同。 l 刀具半徑補償圖例：刀具半徑補償圖例： 刀具半徑補償示例：刀具半徑補償示例： l %0010 l N20 T0101； （轉1號刀，執(zhí)行1號刀補） l N30 M03 S1000； （主軸按1000rrain正轉） l N40 G00 X00 Z100； （快速點定位） l N50 G42 G01 X00 Z00

8、F100 （刀補建立） l N60 X400； l N70 Z-180； （刀補進行） l N80 X800； l N90 G40 G00 X850 Z100； （刀補取消） l N100 G28 U0 W0； （返回參考點） l N110 M30； 3刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（1）：）： l基本思想：刀具半徑補償?shù)挠嬎憔褪歉鶕?jù)零件輪廓和刀 具半徑值計算出刀具中心的運動軌跡。對于數(shù)控系統(tǒng)來 說，工件輪廓主要是直線和圓弧或將其它輪廓用極限的 方法轉換成直線或圓弧。對直線輪廓而言，刀補中心軌 跡是一條平行于工件輪廓且與輪廓等長的直線，用兩點 （起點、終點）即可決定其直線方程；對圓弧輪廓而

9、言， 刀補中心輪廓應是一條與工件輪廓同心且包角相同的一 段圓弧，用刀補圓弧的起點、終點坐標及圓弧半徑即可 決定該圓弧方程。 3刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（2）：）： l切直線時刀補的計算：設上段 程序加工完成后，刀具中心位 于O，現(xiàn)需計算刀補后直線終 點的坐標（X，Y）。設終點 刀具半徑偏置矢量投影坐標為 （X，Y），則有左邊的表 達式。 l此為第一象限的公式，其它象 限公式僅為符號差別。 22 22 22 22 cos sin YX X RYY YX Y RXX YX X RRY YX Y RRX YYY XXX 3刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（3）：）： l切圓弧刀補計算：設

10、上段程 序加工完成后，刀具中心位 于，設在兩坐標軸上的投影 為（X，Y），則有左邊的 表達式。 l 實際上，無論是直線加工， 還是圓弧加工，對于具備刀 具半徑功能的系統(tǒng)，這種復 雜的計算都由數(shù)控系統(tǒng)自動 完成，用戶只需根據(jù)工件輪 廓進行編程即可。 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刀具補償原理（刀具補償原理（1） l上面討論的是單段輪廓的刀補情況，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、個輪廓 交接處如何過渡的問題。C刀具補償能自動地處 理兩段程序之間的刀具中心軌跡的轉接，編程人 員完全按工件輪廓編程。 C刀具補償原理（刀具補償原理（2） l圖例給出了左刀補和右刀補時輪廓過渡處的處理 情形。從圖可以看出：輪廓過渡時，為了避免過 切或間斷，需要采用縮短、延長或插入的方式。 C刀具補償原理圖（刀具補償原理圖（1） C刀具補償原理圖（刀具補償原理圖（2） C刀具補償原理（刀具補償原理（3） l數(shù)控系統(tǒng)的工作方式 C刀具補償是在插補和控制的間隙進行刀補計算 的，通過設置多個緩存，采用流水作業(yè)的方式才 能提高計算速度，滿足高速加工的需要。如圖所 示。 C功能刀補計算流水作業(yè)框圖：功能刀

12、補計算流水作業(yè)框圖： 思考與練習：思考與練習： l數(shù)控系統(tǒng)的硬件由哪些部分構成？各部分的作用 是什么？ l數(shù)控系統(tǒng)在進行插補運算之前為什么一定要進行 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在進行數(shù)據(jù)處理時，直線段的B刀補和圓弧段的B 刀補分別解決什么問題？基本思路是什么？為了 避免過切或使加工能夠持續(xù)進行，在處理曲線與 曲線之間轉接時（C刀補），通常有幾種方式？ 硬件構成（硬件構成（1 1） ： l微機部分：是CNC的核心，主要由CPU、存儲 器和接口電路組成。 lCPU由運算器和控制器組成。 l運算器（ALU）主要對數(shù)據(jù)進行算術和輯運算。 硬件構成（硬件構成（3 3） ： l機床數(shù)控系統(tǒng) 主要是通過對伺服機構的控制來實現(xiàn)對機床移動 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。 軟件構成（軟件構成（3 3）：）： l速度控制程序：根據(jù)給定的速度值控制插補運算的 頻率，保證預定的進給速度。并能根據(jù)反饋值的正 與負自動地調節(jié)速度的大小。 l管理程序：負責對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補運算 等各種程序進行調度管理；對諸如面板命令、時鐘 信號、故障信號等引起的中斷進行處理；子程序的 調用；共享資源的分時享用等。 l診斷程序：通過