计算机数控装置(CNC)

操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行
正确操作。
编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模
拟仿真功能。
维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关
键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅
速实现故障准确定位。
5. 易于实现机电一体化
数控系统控制柜的体积小（采用计算机，
硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，
7. 刀具功能和第二辅助功能
刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具 补偿功能使用；
刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期 时，CNC系统将提示更换刀具；
刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择
加工刀具。
8. 补偿功能
刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的 程序控制刀具中心轨迹的功能。 传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补
㈡单微处理器CNC装置的结构特点
特点 • 一个微处理器完成所有 的功能； • 采用总线结构； • 结构简单，易于实现； • 功能受限制。
多微处理器
多微处理器结构 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。目前大多数CNC系统均采用多微 处理器结构。 紧耦合结构：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（相关性强），有集中的 操作系统，共享资源。 松耦合结构：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（具有相对独立性或相关 性弱），有多重操作系统有效地实现并行处理。
CNC装置的优点
1. 具有灵活性和通用性
CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用
模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能 的修改、扩充变得较为灵活。
CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控
机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定
的控制功能。
2. 数控功能丰富
插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补 补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误 差补偿等
开机自诊断； 在线自诊断； 离线自诊断； 远程通讯诊断。
11. 通讯功能
—— CNC与外界进行信息和数据交换的功能
RS232C接口，可传送零件加工程序，
DNC接口，可实现直接数控，
MAP(制造自动化协议)模块， 网卡
适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。
CNC装置的软件结构
面或空间)加工轨迹运算的功能。
—— 固定循环功能 数控系统实现典型加
工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深
孔钻削和切螺纹等）的功能
4. 进给功能
同步进给速度 快速进给速度 进给倍率 切削进给速度
5. 主轴功能
主轴切削速度、周向位置控制功能。 主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。 恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速 的控制功能。单位：（m/min）
偿功能。
非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变 形、空间误 差以及由刀具磨损所引起的加工误差
等。
9. 人机对话功能
在CNC装置中这类功能有：
菜单结构操作界面；
零件加工程序的编辑环境；
系统和机床参数、状态、故障信息的
显示、查询或修改画面等。
10. 自诊断功能
——
CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。
一、 CNC装置软件和硬件的功能界面 合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的
软件和硬件的功能界面划分的概念。
在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，
即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完
成。
硬件和软件在实现各种功能时的特点：
– 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的
功能困难。 – 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。
主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控 制的功能。 C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴 转速。
6. 辅助功能：M功能
• 功能：控制机床及其辅助装置的通断的指令。 如开、停冷却泵；主轴正反转、停转；程序 结束等 。 • 组成：M后带二位数字组成，共有100种 （M00～M99）。 • 有模态（续效）指令与非模态指令之分。 • 示例：M02、M03、M08等
硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合 在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。
CNC装置的功能
1. 轴控制功能 CNC可同时控制的轴数，联动轴数。
– CNC的进给轴分类：
移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；
基本轴和附加轴（U、V、W）。 – 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困 难。
功能界面划分的准则：系统的性能价格比
•
为满足制造业不断发展的需要，大多数 数控系统厂商多用相对较少且标准化程度 较高的硬件，配以功能丰富且可以不断升 级的软件模块。 • 下图为CNC装置三种典型的软硬件界 面关系。
程 序
输 入
预 处 理
插 补 运 算
位 置 控 制
速 度 控 制
伺 服 电 机
软件 硬 件 软件 软件
③数据处理程序 刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理。 包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理等。 刀具半径补偿：将工件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。 速度计算：解决该加工数据段以什么样的速度运动。 另外，诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在 此程序中处理。
硬件 硬件
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
位置检测
硬件 硬件
软件
CNC系统软件的组成
• 组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
CNC系统软件的工作过程：
• ①输入程序 • 把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。 • ②译码程序 • 将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和 辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存 放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法 错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即 接 口 位置 控制 其它 接口
MDI CRT 接口
图3-1 CNC装置硬件构成
单微处理器
CNC装置硬件结构一般分为单微处理器结构 和多微处理器结构。 在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个 微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方 式完成数控机床的各项任务。有的CNC装置虽然 有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个 微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理 器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能 成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构， 故也属于单微处理器结构。单微处理器CNC装置 组成框图如下图所示。
5. 位置控制
CNC装置中的位置控制模块和速度控制单元、 位置检测及反馈控制等组成位置环。位置环主要 用于轴进给的坐标位置控制，包括工作台的前后 左右移动、主轴箱的上下移动及绕某一直线坐标 轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床 的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。
6. I/O接口
由继电器，接触器组成的机床电气控制设备是 强电设备，CNC装置和它们一般不直接连接，需 要通过I/O接口电路连接，接口电路的主要任务： ⑴进行电平转换和功率放大。 ⑵为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的 信号进行电气隔离。 ⑶采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之 间要接入D/A和A/D转换电路。
㈡存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程 序以及运算的中间结果等。
㈢位置控制 主要完成对主轴驱动的控制，以便完成 速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施 控制。
㈣输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间 的往来信息。
㈤MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示 在CRT上。
输入 EPROM RAM 接口
2. 总线
总线是由物理导线构成，从功能上说，一般 可以分为三组。 (1)数据线：数据总线为各部件之间传输数据。 (2)地址线：地址总线传送的地址信号，与地址总 线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源 或目的地，采用单向线。 (3)控制线：管理总线的某些控制信号，如数据传 输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用 单向线。
4. PLC PLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。 通过程序进行逻辑运算来实现M、S、T功能的译 码与控制。 PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC是 CNC装置的一个部件，可以共享CNC装置的CPU， 也可以配置单独的CPU。独立型PLC完全独立于 CNC装置，本身具有完备的硬件（CPU、ROM、 RAM等）和软件，可以独立完成规定的控制任务。
从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和 专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。硬件除具 有一般计算机所具有的微处理（CPU),内存储器 （ROM.RAM)，输入输出（I/O)接口外，还具有数控要 求的专用接口和部件。即位置控制器，手动数据输入 （MDI）接口和显示（CRT)接口。 各组成部分作用如下： ㈠ 中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整 个系统的运算、控制和管理。
3.存储器 存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器 EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用 的EPROM有：2716、2732、2764、27128、 27256、27010等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中， 它可以随机读写，但断电后信息随即消失。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池 的 RAM中，能随机读取，操作或修改并且断电后， 信息仍保存。
1）多微处理器CNC的典型结构
（1）共享总线结构：
通过总线连接系统内的各个模块。 主模块控制系统总线，某一时刻只能有一 个主模块占用总线，各模块通过仲裁电路 判别各模块的优先级，进而共享总线资源。
（2）共享存储结构 采用多端口存储器来实现各微处理器之间 的相互连接和通信，每个端口都配有一套 数据、地址、控制线，以供端口访问。