第二章数控系统[1]
数控系统的结构和工作原理
伺服放大器，则再从COP10A 到 COP10B。 FANUC 0iC I/O：I/O Link NC上的口为JD1A， 接I/O单元上JD1B，如再有一个I/O单元，从上一
单元JD1A接至下一个单元JD1B。CB104— CB107为4根扁平电缆,每根50芯,通向机床面板和
机床
FSSB和I/O Link体现 FANUC 公司硬件结构思想, 主运动信息和辅助运动信息分离
四、SIEMENS（西门子）802D系统结构
一、数控系统主要部件
数控控制器 伺服（主轴）放大器、电机（反馈） I/O装置 机床
二、数控机床装配过程
1、机床厂选型购置 2、电器、机械连接 3、PLC编程（辅助功能） 4、参数确定（主运动） 5、联调
三、FANUC 0iC 系统的结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FSSB 主运动信息
I/O Link 辅助运动信息
第二章 数控编程基础
第二章数控编程基础2.1 数控编程的方法数控加工程序的编制方法主要有手工编程和计算机自动编程。
手工编程主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。
一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。
自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成，见图2.1。
采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。
又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算，解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。
因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。
图2.1 计算机辅助编程的过程不同的数控机床，由于数控系统不同，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
本教程以FANUC系统为主来介绍加工程序的编制方法。
2.2 数控坐标系2.2.1机床坐标系机床坐标系是机床上固有的坐标系，机床坐标系的方位是参考机床上的主轴中心线、工作台面、机床立拄等机床上固定的基准线和基准面确定的。
在标准中，规定工件固定，刀具相对于工件运动，Z轴取平行于机床主轴的方向，且刀具远离工件的方向为正方向。
对刀具做旋转运动，Z轴为垂直方向的单立拄机床时，从主轴向立拄看，X轴的正方向指向右边。
Y轴的方向按右手直角坐标系确定：1. 伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。
则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。
2. 大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。
如图2.2。
因此立式铣床的坐标系如图2.3所示。
机床坐标系的原点位置是各坐标轴的正向最大极限处，如图2.4所示。
第二章数控系统及工作原理_图文
char G0；
//以标志形式存放G指令。
char G1；
char M0；
//以标志形式存放M指令。
char M1；
char T；
//存放本段换刀的刀具号。
char D；
//存放刀具补偿的刀具半径值。
}；
以标志形式存放G指令示例
在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都 是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构 组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息 送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程 序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。
• 6.位移与速度检测装置
• 位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在 机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴 的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数 控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机 床向消除该误差的方向移动。
• 速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动 单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。
• （7）I/O处理
• I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理 和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。
• （8）显示
• 显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息 等。
• 有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
• （9）诊断
• 联机诊断：是指CNC中的自诊断程序融合在各部分，随 时检查不正常的事件。
刀补处理的主要工作：
Y
• 根据G90/G91计算零件轮
廓的终点坐标值。
• 根据R和G41/42，计算本 段刀具中心轨迹的终点 （P’e/P〃e）坐标值。
• 根据本段与前段连接关 系，进行段间连接处理 。
Pe’ G41
数控 系统基本原理与结构
（4）正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据 宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。
多微处理机（紧耦合、松耦合）的结构特点：
1）性能价格比高。
2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。
3）可靠性高。
4）硬件易于组织规模生产。
多微处理机CNC装置的典型结构
输出至机床的
控制信号图2-18 双端口存储器结构框图
CRT （CPU2）
插补 （CPU3）
轴控制 （CPU4）
图2-19 多微处理机共享存储器结构框图
2.3.2 PC-based数控系统的硬件构成
1. PC-based数控系统的体系结构主要有以下3种形式 （1）专用数控加PC前端的复合式结构
串口
并口
模块 （CPU）
系统总线
操作面板 显示模块
CNC插补 模块
（CPU）
PC功能 模块
（CPU）
位置控制 模块
（CPU）
主轴控制 模块
图2-17 多微处理机共享总线结构框图
1）共享存储器结构
中断 控制
仲裁逻 辑控制
端口1 RAM
地址和数据多 路转换器
从机床来的 控制信号
I/O(CPU1) 共享存储器
端口2
第二章 数控系统基本原理与结构
2.3 计算机数控系统硬件结构
2.3.1 CNC系统的定义与结构
CNC系统: 是用一个存储程序的计算机，按照存储在 计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置 的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接 口。
CNC控制器
指令 输入
计算机 (CNC软件)
硬件电路 (CNC硬件)
发那科培训讲义第二章
1）系统在编辑状态（EDIT）。
2）按系统功能MENU/OFFSET刀补/坐标偏置键，选择刀 具补偿画面（T系列为刀具形状、磨损补偿；M系列为刀具 的长度、刀具的半径补偿）
B
25
B
26
B
27
B
28
（5）系统参数输入的操作
1）系统在编辑状态下。 2）系统参数写保护PWE=1。 3）按系统参数/诊断功能键（DGNOS/PARAM），选择系统 [参数]软键。 4）按系统的INPUT键。 5）系统出现“000”报警，系统断电再重新送电并把参数写保 护PWE=0。
停止位:则表示一个字符的结束，通常停止位为1位或2位。
数据位:通信的发送方和接收方之间数据信息的传输位,通常 为7位或8位。
奇偶校验位:用来检验数据的正确性 ，奇偶校验位为1位。
FANUC数控系统的异步串行通信数据格式为:
B
10
数据位为7位、停止位为2位、奇偶校验位为1位。
2.FANUC数控系统RS-232通信电缆
B
22
加工程序输入/输出操作画面
B
23
加工程序输入/输出操作画面（系统操作软件键）
B
24
（3）系统PMC参数输出的操作
1）系统在编辑状态（EDIT）。
2）按系统参数/诊断功能键（GNOS/PARAM），选择系统[诊 断]软键，把光标指定到D300的地址。
3）按系统的OUTPUT键。
（4）系统刀具补偿值输出的操作
如果输入值与口令（参数NO.3210）相同，则锁定状态被解除， 可以变更口令及参数NE9（NO.3202#4）的值。
B
52
第二章_数控加工编程基础
2.2 编程的基础知识
2.辅助功能M代码 M指令构成：
地址码M后跟2位数字组成，从M00-M99共100种。
(1) M00—程序停止。
(2) M01—计划（任选）停止。 程序运行前，在操作面板上按下“任选停止” 键时，
才执行M01指令，主轴停转、进给停止、冷却液关 断、程序停止执行。若“任选停止”处于无效状态 时，M01指令不起作用。利用启动按钮才能再次自 动运转，继续执行下一个程序段。
零件图纸
图纸工艺分析 确定工艺过程
数值计算
修
编写程序
改
制备控制介质
校验和试切 错误
4、制备控制介质
将程序单上的内容，经转 换记录在控制介质上，作为 数控系统的输入信息。 注意：若程序较简单，也可 直接通过键盘输入。
零件图纸
图纸工艺分析 确定工艺过程
数值计算
修
编写程序
改
制备控制介质
校验和试切 错误
5、程序的校验和试切
轴转动的圆进给坐标轴分别 用A、B、C表示。
坐标轴正向：由右手螺旋 法则而定。
右手直角笛卡尔坐标系
数控机2.床2的进编给程运动的是基相对础运动知。Y识
具体规定：
①坐标系是假定工件 不动，刀具相对于 工件做进给运动的 坐标系。
+B
X、Y、Z
Y
+A X
Z +C
②以增大工件与刀具
之间距离的方向为 坐标轴的正方向。 Z
a. 在刀具旋转的机床上（铣床、钻床、镗床）
Z轴水平时（卧式），则从刀具(主轴)向工件看时， X坐标的正方向指向右边。
＋X
Z轴垂直时（立式），对单立柱机床，面向刀具主轴 向立柱看时， X轴的正方向指向右边
数控系统
数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
是数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。
计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。
CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。
CNC系统的核心是CNC装置。
由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。
这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。
例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。
对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。
对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。
例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。
数控技术第二版课后答案完整版
数控技术第二版课后答案HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么？答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别？答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点？答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
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第二章数控系统[1]
2.4.2 数控插补方法 （逐点.积分.采样）
l 一、逐点比较插补法 所谓逐点比较插补法，就是机床每走到一个坐标
位置，都要和给定的轨迹上的坐标值比较一次，看实 际加工点在给定轨迹的什么位置，判断其偏差，然后 决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了， 那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里 面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。逐 点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧的。最大偏 差不超过一个脉冲当量，因此，只要把脉冲当量控制 的足够小，就能达到加工精度的要求。
C装置的功能
1）控制功能 2）准备功能 3）插补功能和固定循环功能 4）进给功能、进给速度的控制功能 5）主轴功能 6）辅助功能 7）刀具管理功能 8）补偿功能 9）人机对话功能 10）自诊断功能 11）通讯功能
第二章数控系统[1]
2.1.2 CNC装置的工作过程
机床数控系统是一种位置控制系统。数控 机床的任务是依照操作者的意愿完成所要加工 零件。操作者根据被加工零件的尺寸要求、外 形要求、表面指令要求编制零件加工程序。
在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终 点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。
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第二章数控系统[1]
逐点比较法直线插补流程
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第二章数控系统[1]
例2-1 加工第一象限直线OE，如图2-35所示，起 点为坐标原点O(0,0)，终点坐标为E（5,3）。
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第二章数控系统[1]
CNC在工作过程中完成以下的任务
l 1.加工程序的输入 l 2.数据的译码和计算 l 3.刀具补偿计算 l 4.插补计算 l 5.位置控制处理
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第二章数控系统[1]
2.1.3 CNC装置的特点
l 1.灵活性 l 2.通用性 l 3.可靠性 l 4.易于实现许多复杂的功能 l 5.使用维修方便
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第二章数控系统[1]
3．存储器
•
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图 2-6 半导体存储器的分类
第二章数控系统[1]
4．I/O接口（输入/输出接口）
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第二章数控系统[1]
二、多微处理器系统的组成
l 多微处理器系统的CNC装置中有两个或两个 以上带CPU的功能部件可对系统资源（存储器、 总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结 构和分布式结构。多主结构是指带CPU的功能 部件之间采用紧耦合方式联结，有集中的操作 系统用总线仲裁器解决总线争用通过公共存储 器交换系统信息。
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第二章数控系统[1]
1．多微处理器系统特点
l （1）计算处理速度高 l （2）可靠性高 l （3）有良好的适应性和扩展性 l （4）硬件易于组织规模生产
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第二章数控系统[1]
2. 多微处理器系统的基本功能模块
l （1) CNC管理模块 l （2）存储器模块 l （3）CNC插补模块 l （4）位置控制模块 l （5）操作和控制数据输入输出和显示模块 l （6） PLC模块
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第二章数控系统[1]
2.3.2 CNC系统软件的功能特点
l CNC系统软件的功能 l 1、输入 l 2、译码 l 3、预计算 l 4、插补计算 l 5、输出 l 6、管理与诊断软件
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第二章数控系统[1]
2.4 数控插补原理
l 2.4.1 数控插补原理 1．插补的概念 在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点
Xe Y－ Ye X ＝0
(2-1)
直线OE 为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关 系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。
（1） 若P1点在直线上方，则有：
XeY－XYe>0
（2） 若P点在直线上，则有 ：
XeY－XYe＝0
（3）若P2点在直线下方，则有 ：
XeY－XYe<0
4．四象限插补
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•四象限直线偏差符号和进给方向
第二章数控系统[1]
5．四象限直线插补计算公式及进给方向
Fm≥0 直线线型 进给方向
偏差计算
Fm≤0 直线线型 进给方向
偏差计算
L1,L4 +X L2,L3 -X
Fm+1=Fm - ye
L1,L2 +Y L3,L4 -Y
Fm+1=Fm - xe
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第二章数控系统[1]
（一）逐点比较法直线插补
l 1．偏差计算公式 偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面
以第Ⅰ象限直线为例导出其偏差计算公式。
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第二章数控系统[1]
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•图2-33直线插补过程
第二章数控系统[1]
•
l 如图2-33所示动点与直线位置关系。第一象限直线OE，起点O为坐标原 点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为
2．终点判断
l
在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常
用终点判别方法有两种，一种是设置一个长度计数器，
从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，
沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给
步数总和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，当X或Y坐标进给时，
计数长度减一，当计数长度减到零时，即∑＝0时，停
l 2．由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器 完成精插补的CNC系统；
l 3．带有完全用软件实施的插补器的CNC系统。
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第二章数控系统[1]
二、CNC装置软件结构的特点
l 1．多任务并行处理 (1) CNC系统的多任务性 (2) 并行处理
l 2．实时中断处理 （1）实时性 （2） CNC装置的中断类型 （3） CNC装置中断结构模式
从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统 的硬件结构一般分为单一微处理器和多微处理器结构 两大类。
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第二章数控系统[1]
2.2 CNC系统硬件
l 2.2.2 CNC系统中的微处理器 1．单微处理器系统的组成和特点
单微处理器系统的CNC装置的特点是整个CNC装置中只有一 个CPU，通过该CPU来集中管理和控制整个系统的资源（包括 存储器、总线），并通过分时处理的方法，实现各种数控功能。 有些CNC装置中，虽然有两个或两个以上的CPU，但只有一个 CPU对系统的资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU， 其它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只能接受 主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求信号以获取所需 要的数据，从而完成某一辅助功能，该结构称为主从结构，也可 归为单机结构。
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第二章数控系统[1]
l 这里规定动点在直线上时，可归入F>0的情况一同考 虑。插补工作从起点开始，走一步，算一步, 判别一次， 再走一步，当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和 Ye时，停止插补。下面将F的运算采用递推算法予以 简化，动点Pi(Xi，Yi)的Fi值为：
l 若Fi≥0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上， 应沿＋X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量， 走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1， Yi+1=Yi , 新点偏差为：
+Y F4=F3+XA=－1+5=4
∑=3+1=4<N
+X F5=F4－YA=4
+X F6=F5－YA=1－3=－2 ∑=5+1=6<N
+Y F7=F6+XA=－2+5=3
∑=6+1=7<N
+X F8=F7－YA=3－3=0
∑=7+1=8=N
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第二章数控系统[1]
的下方。
l （2）坐标进给 根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。
l （3）偏差计算 计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据。根据式
（2-3）及式（2-4）来计算新加工点的偏差，使运算大大简化。但是每 一新加工点的偏差是由前一点偏差 推算出来的，并且一直递推下去，这 样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以 人工方式将刀具移到加工起点，这一点当然没有偏差，所以开始加工点 的 F＝0。 l （4）终点判别
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第二章数控系统[1]
3．多微处理机CNC装置的典型结构
l （1）共享总线结构 l （2）共享存储器结构
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第二章数控系统[1]
2.3.1 CNC系统软件结构与分类
l 一、CNC系统软硬件组合类型
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第二章数控系统[1]
l 1．不用软件插补器，插补完全由硬件完成的 CNC系统；
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第二章数控系统[1]
2.2 CNC系统硬件
l 2.2.1 CNC系统硬件结构与分类 l 1．CNC系统的结构
随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展， CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统 的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。 l 2．CNC 系统的分类
第二章数控系统
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2020/12/10
第二章数控系统[1]
2.1 CNC装置
l CNC（ Computer Numerical Control的缩写） 即计算机数控。CNC是在早期硬件数控系统 的基础上发展起来的。早期的硬件数控（NC） 系统的输入、运算、插补、控制功能是由电子 管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑控 制电路，不同机床的控制系统都需要专门设计 逻辑电路，这种靠硬件逻辑电路控制的系统， 其通用性、灵活性、功能性方面都较差。