《数控原理与系统》教案

第一章数控系统概述1.1基本概念1、数控系统的基本概念数控系统，就是利用数字化信息进行控制的系统，被控制的对象可以是各种生产过程，在本书中讨论的数控系统特指利用数字化信息对机床进行控制的系统。

1）数字化信息——数字信息构成的控制程序2）控制对象——各种生产过程数控系统组成框图2、数字控制的基本原理原理：首先将被加工零件的有关信息（几何信息、工艺信息等）表示成数字控制装置所能接受的指令信息，然后由数字控制装置对指令信息和反馈信息进行处理，计算出机床各坐标运动的控制信息，最后将控制信息转换为机床各坐标部件的实际运动，加工出符合设计要求的零件。

几何机床实质：机床数字控制是一种信息变换与处理的过程，其基本原理可以用“分解与合成”进行概括。

1）零件表面信息的分解；2）刀具轨迹信息的分解；3）基本曲线信息的分解；4）坐标运动的实现；5）刀具轨迹的合成；6）加工路径的合成；3、数控系统的分类1）按运动轨迹分类➢点位数控系统这种数控系统仅控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，在移动过程中不进行加工，对移动部件的移动速度和运动轨迹没有严格要求。

➢直线数控系统这类数控系统除了控制机床运动部件从一点到另一点的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和运动轨迹。

➢轮廓数控系统这类数控系统能对两个以上机床坐标轴的移动速度和运动轨迹同时进行连续相关的控制，能够进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。

2）按伺服系统分类➢开环数控系统无检测反馈，信号流程单向，结构简单，成本较底，调试简单，精度、速度受到限制，执行元件通常采用步进电机。

➢半闭环数控系统有检测反馈，但不包含机械传动元件的误差，精度较高，稳定性高，调试方便，执行元件通常采用伺服电机。

➢闭环数控系统有检测反馈，包含机械传动元件误差，精度高，稳定性不易保证，调试复杂，执行元件通常采用伺服电机。

2）按功能水平分类➢经济型数控系统这类数控系统通常采用8位CPU或单片机控制，分辨率一般为0.01mm，进给速度达6~8m/min，联动轴数在3轴以下，具有简单的CRT字符显示或数码管显示功能。

➢普及型数控系统这类数控系统通常采用16位的CPU，分辨率可达0.001mm，进给速度达10~24m/min，联动轴数在4轴以下，具有平面线性图形显示功能。

➢高级型数控系统这类数控系统通常采用32位的CPU，分辨率高达0.0001mm，进给速度可达100m/min，联动轴数在5轴以上，具有3维动态图形显示功能。

4、机床数控技术的发展1）1952年，电子管数控系统，第一代2）1959年，晶体管数控系统，第二代3）1963年，集成电路数控系统，第三代4）1970年，小型计算机数控系统第四代5）1974年，微型计算机数控系统，第五代6）20世纪80年代，基于PC的数控系统，第六代1.2计算机数控系统1、 CNC系统的功能1）基本功能➢控制功能➢G功能➢插补功能➢主轴功能➢M功能➢刀具功能➢补偿功能➢显示功能2）先进功能➢模拟加工功能➢监测和诊断功能➢动力刀具和C轴功能➢虚拟轴功能➢DXF图形文件支持功能➢循环加工功能➢测量检验功能➢自适应控制功能2、 CNC系统的软件构成CNC系统的这些子软件并不是完全独立的，很多情况下它们必须交叉运行。

从CNC系统的外部硬件构成上看，一般可以分为键盘、显示器、主机单元、控制单元和功率模块几个部分。

从CNC系统的内部硬件结构上看，CNC系统的硬件构成一般可分为单CPU结构和多CPU结构两大类。

单CPU结构的CNC系统硬件构成图多CPU结构的CNC系统硬件构成图单CPU结构的CNC系统的特点是：CNC系统的所有功能都是通过一个CPU进行集中控制、分时处理来实现的；该CPU通过总线与存储器和各种接口电路相连。

这种结构简单、易于实现，但由于只有一个CPU，系统功能受到CPU字长、运算频率等因素的限制，难以满足一些复杂功能的要求。

多CPU结构的CNC系统的特点是结构模块化，这样缩短了设计制造周期，具有良好的适应性和扩展性。

由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出现了故障，其他模块仍能正常工作，并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小，提高了可靠性。

1.3现代机械制造系统1）计算机直接数控系统（DNC ）计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。

早期的DNC 系统，其中的数控机床不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。

现代的DNC 系统中，各台数控机床的数控装置全部保留，并与DNC 系统的中央计算机组成计算机网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS 的发展提供了基础。

因此现代的DNC 系统又被称为分布式数字控制系统。

2）柔性制造系统（FMS ）带有自动换刀装置的数控加工中心是FMS 的基本级别。

其后出现的柔性制造单元生产率柔性（FMC）是较高的一个级别，它一般由一台单元控制计算机、多台加工中心和自动更换工件的托盘站或工业机器人组成。

在多台加工中心和FMC的基础上，增加刀具和工件在加工设备和仓储之间的流通和自动化立体仓库的存储，以及工件检测，并由高一级计算机对整个系统进行控制和管理，这样就构成了FMS，它可以实现对多品种零件的全部机械加工或部件装配。

3）计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造系统是指将制造工厂全部生产经营活动（市场需求、设计、制造、管理和销售等）中所涉及的子系统通过计算机和网络有机集成在一起的自动化系统。

包括管理信息系统（MIS）、工程设计系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）、质量保证系统（QAS）、制造自动化系统（MAS）、数据库（DB）和通讯网络（NET）。

CIMS示范工程2、数控机床与现代机械制造系统的关系现代机械制造系统的一个共同特点是都以数控机床作为其基本组成单元和技术基础。

因此，现代数控机床必须具备有单元功能和通信功能。

1）单元功能：单元功能是数控机床能够作为一个独立的机械制造单元而必须具备的功能，包括任务管理、托盘管理和刀具管理。

2）通信功能：数控机床作为现代机械制造系统中的制造执行单元，对上需要与上级控制计算机进行通信，接收控制信息和反馈现场情况；对下需要与执行机构和传感器进行通信，发出控制指令和接收反馈信号；中间要与其它制造单元进行通信，进行相互任务的协调。

第二章数控加工程序输入及预处理2.1数控加工程序输入1、数控加工程序的输入方式1）键盘方式输入键盘是数控机床上常用的人机对话输入设备，通过键盘可以向数控装置输入加工程序、机床参数和系统信息。

键盘分为全编码键盘和非编码键盘两种类型。

键盘输入方式要求操作者必须了解数控加工程序的编制规则，对操作者的专业性要求较高。

为了降低对操作者的要求，已有数控系统生产厂家（德国HEIDENHAIN 公司）开发了“对话式编程方法”。

2）存储器方式输入数控加工程序存放在内部存储器中，称为内存储器方式；存放在外部存储器中，称为外存储器方式。

内存储器，容量较小，只有几百KB到几个MB。

CF卡、U盘和移动硬盘等外存储设备，存储容量大、交换速度快，弥补了部分数控系统内部存储器容量较小的不足。

3）通信方式输入现代数控系统一般都配置了标准通信接口，使数控系统可以与其他计算机或外部设备之间进行信息交换。

串行通信接口RS-232C，以太网络接口Ethernet，现场总线接口Profibus。

2、数控加工程序的存储按输入代码的先后次序直接存储按先后次序转换成内码后存放内码的使用可加快译码的速度数控加工程序存储举例：N05 G90 G01 X203 Y-17 F46 M03 LF常用数控加工代码及对应内码数控加工程序存储器内码存储情况表2.2数控加工程序的译码与诊断1、 数控加工程序的译码译码就是将标准代码编写的数控加工程序翻译成数控系统内部易于处理的形式，也就是将数控加工程序存储器中存储的内码转化成能够控制机床运动的专门信息后，存放到相应的译码结果缓冲存储单元中。

1）代码识别代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器或MDI 缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。

如果是数字码，即设置相应的标志并转存。

如果是字母码，则进一步判断该码的具体功能，然后设置代码标志并转入相应的处理。

代码识别流程图开始从数控加工程序缓冲器读取数据〈10H ？=10H ？=11H ？=12H ？设置数字码标志并存数…字符无法识别，报错单个代码识别结束Y 设置N 代码标志并处理Y设置G 代码标志并处理Y设置X 代码标志并处理Y N N NNN2）代码翻译代码识别为各功能代码设立了一个特征标志，对各功能码的相应处理由代码翻译来完成。

每一个程序段的译码结果存放在相应的译码结果缓冲器内。

译码结果缓冲器的存储格式❖由于有些代码的功能属性相同或相近，它们不可能出现在同一个程序段中，也就是说这些代码具有互斥性。

❖将G代码、M代码按功能属性分组，每一组代码只需要设置一个独立的内存单元，并以特征字来区分本组中的不同代码。

常用G代码分组常用M代码分组2、 数控加工程序的诊断数控加工程序的诊断是指在译码过程中，对不规范的指令格式进行检查并提示操作者修改的功能。

诊断一般包括语法错误诊断和逻辑错误诊断两种类型。

语法错误是指程序段格式或程序字格式不规范的错误；逻辑错误是指整个程序或一个程序段中功能代码之间相互排斥、互相矛盾的错误。

1）语法错误➢ 程序段的第一个代码不是N 代码；➢ N 代码后的数值超过了数控系统规定的取值范围； ➢ 在程序中出现了系统没有约定的字母代码； ➢ 坐标代码后的数值超越了机床的行程范围； ➢ S 、F 、T 代码后的数值超过了系统约定的范围； ➢ 出现了数控系统中没有定义的G 代码； ➢ 出现了数控系统中没有定义的M 代码。

2）逻辑错误➢ 在同一个程序段中先后出现两个或两个以上同组的G 代码； ➢ 在同一个程序段中先后出现两个或两个以上同组的G 代码； ➢ 在同一个程序段中先后出现相互矛盾的尺寸代码； ➢ 在同一个程序段中超量出现M 代码。

译码与诊断流程图从数控加工程序缓冲器中读取一个字符是功能字符吗？是数字字符吗？是结束字符吗？有逻辑错误吗？开始结束设置该字符相应标志设置数字码标志并转存有语法错误吗？置错误标志并报警提示输入非法字符置错误标志并报警YN YYNN Y N NY2.3刀具补偿原理1、刀具补偿在数控加工中的意义数控加工编程一般是按照零件的轮廓进行的，而数控系统通常是通过控制刀具特殊的中心点来实现加工轨迹的，二者并不统一，需要计算它们之间的偏差量，以满足加工的要求。

由数控系统自动将工件轮廓数据转换成相应刀具中心轨迹数据，这个过程就称之为刀具补偿。