计算机数控系统(1)
计算机数控系统
计算机数控系统计算机数控系统3．1 计算机数控（CNC）系统的基本概念计算机数控（computerized numerical contro，简称CNC）系统是用计算机操纵加工功能，实现数值操纵的系统。
CNC系统根据计算机存储器中存储的操纵程序，执行部分或者全部数值操纵功能．由一台计算机完成往常机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时操纵。
CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置与进给（伺眼）驱动装置构成。
由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑操纵装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，同时具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
3．2 微处理器数控（MNC）系统的构成大多数CNC装置现在都使用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统（MNC）。
MNC通常由中央处理单元（CPU）与总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴操纵单元、速度进给操纵单元等构成。
图3 .2.1为MNC 的构成原理图。
3.2.1中央处理单元（CPU）与总线(BUS）CPU是微型计算机的核心，由运算器、操纵器与内寄存器组构成。
它对系统内的部件及操作进行统一的操纵，按程序中指令的要求进行各类运算，使系统成为一个有机整体。
总线（BUS）是信息与电能公共通路的总称，由物理导线构成。
CPU与存储器、I/O 接口及外设间通过总线联系。
总线按功能分为数据总线（DB）、地址总线（AB）与操纵总线（CB）。
３．２．２存储器(memory)(１)概述存储器用于存储系统软件（管理软件与操纵软件）与零件加工程序等，并将运算的中间结果与处理后的结果（数据）存储起来。
数控系统所用的存储器为半导体存储器。
（２）半导体存储器的分类①随机存取存储器（读写存储器）ＲＡＭ（random access memory）用来存储零件加工程序，或者作为工作单元存放各类输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息与堆栈用等。
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
数控系统试题及答案1
姜堰中等专业学校《机床数控系统》试题及答案1一、选择题（每题2分，共20分）1、数控机床的组成部分包括( B )A．输入输出装置、光电阅读机、PLC装置、伺服系统、多级齿轮变速系统、刀库B．输入输出装置、CNC装置、伺服系统、位置反馈系统、机械部件C．输入输出装置、PLC装置、伺服系统、开环控制系统、机械部件D．输入输出装置、CNC装置、多级齿轮变速系统、位置反馈系统、刀库2、计算机数控系统的优点不包括( C )A．利用软件灵活改变数控系统功能，柔性高B．充分利用计算机技术及其外围设备增强数控系统功能C．数控系统功能靠硬件实现，可靠性高D．系统性能价格比高，经济性好3、机床数控系统是一种( C )A．速度控制系统B．电流控制系统C．位置控制系统D．压力控制系统4、半闭环控制系统的传感器装在( A )A．电机轴或丝杠轴端B．机床工作台上C．刀具主轴上 D．工件主轴上5、步进电动机多相通电可以( A )A．减小步距角B．增大步距角C．提高电动机转速D．往往能提高输出转矩6、用光栅位置传感器测量机床位移，若光栅栅距为0.01mm，莫尔条纹移动数为1000个，若不采用细分技术则机床位移量为( C )A．0.1mm B．1mm C．10mm D．100mm7、所谓开环的数控伺服系统是指只有( B )A．测量实际位置输出的反馈通道B．从指令位置输入到位置输出的前向通道C．开放的数控指令D．位置检测元件8、FANUC 0i系列数控系统操作面板上用来显示图形的功能键为（ C ）。
A PRGRMB OPR/ALARMC AUX/GRAPHD OFFSET9．数控系统所规定的最小设定单位就是（ C ）。
A 数控机床的运动精度B 机床的加工精度C 脉冲当量D 数控机床的传动精度10、通常数控系统除了直线插补外，还有（ B ）。
A 正弦插补B 圆弧插补C 抛物线插补D 多义线插补二、填空题（每空2分，共20分）1、计算机数控系统的软件结构特点（1）多任务性（2）实时性。
计算机数控系统概念
计算机数控系统概念
一、概念
计算机数控系统简写为CNC（Computer Numerical Control）。
它是一种将数字或符号指令输送到机床来控制加工制造过程的自动化系统。
CNC系统主要作用是控制机床沿X、Y、Z等轴线运动，对工件进行加工，以达到所需形状尺寸和表面质量。
二、历史
数控技术起源于20世纪50年代，最初的数控机床使用的是齿轮和凸轮控制系统。
1960年代之后，随着微处理器和半导体技术的发展，数控机床的控制系统逐渐演变为以计算机为核心的数字控制系统。
三、组成
CNC系统主要由以下组成部分构成：
1.数控装置：包括数控主机、输入设备和行程控制板等。
2.执行机构：包括伺服电机、传动装置、机床工作台和工具刀具等。
3.感应器：包括接触式和非接触式两种，用于检测工件和机床的位置等信息。
4.辅助设备：包括冷却液系统、工件夹紧系统、刀库系统等。
四、应用
CNC系统广泛应用于机械加工、轻工制造、航空航天、汽车制造、电子制造等领域。
它的出现使得工件加工精度和效率得到了极大提
升，对于促进制造业的发展起到了重要作用。
数控系统原理图
数控系统原理图
数控系统原理图示如下：
[图 1]
该系统由主控制器、执行机构、传感器和输入设备等部分组成。
主控制器负责接收输入设备传来的指令，并根据设定的程序进行运算和控制。
执行机构则根据主控制器发出的信号，完成相应的运动和加工操作。
主控制器中包含算法处理单元、存储器和接口控制矩阵等部分。
算法处理单元负责根据输入指令和存储器中的程序，进行运算并生成控制信号。
存储器用于存储各类程序和数据，以供算法处理单元使用。
接口控制矩阵则负责将算法处理单元生成的信号转化为执行机构能够理解的形式。
执行机构主要包括主轴、刀具和工件夹持装置等。
主轴负责传动刀具进行加工操作，刀具则完成具体的切削或加工动作，工件夹持装置则固定工件，保证加工的稳定性和精度。
传感器用于检测执行机构的运动状态和加工过程中的参数，并将检测到的信号反馈给主控制器。
主控制器根据传感器反馈的信息，可以实时调整和控制执行机构的运动，保证加工的准确性和质量。
输入设备用于操作和输入加工程序。
例如数字显示屏、键盘和鼠标等。
用户可以通过输入设备选择程序、设定加工参数和操作方式等。
以上是数控系统的原理图说明。
数控技术第4章计算机数控系统(1)
位臵控制模块
6、可编程控制器（PLC） 代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关 量的控制。 分为两类： 一类是“内装型”PLC，为实现机床的顺序控制 而专门设计制造的。 另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功 能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。
三、多CPU结构 适合多轴控制、高进给速度、高精度的机床。 紧藕合：相同的操作系统 松藕合：多重操作系统
控制各类轴运动的功能，用能控制的轴数和能同时控制 的轴数来衡量。
准备功能：G指令功能，指定机床的运动方式。 插补功能：包括软件粗插补和硬件精插补。 进给功能：F指令功能。
切削进给速度(mm/min) 同步进给速度(mm/r) 快速进给速度 进给倍率
主轴功能: 指令主轴转速 S指令功能，指定主轴转速(r/min, mm/min)。 转速编码，恒切削速度切削，主轴定向准停 辅助功能： M指令功能，指定主轴的起停转向（M03、M04）、冷却 泵的通和断、刀库的起停等。 刀具功能：T指令，选择刀具。 字符和图形显示功能： 显示程序、参数、补偿量，坐标位臵、故障信息等。 自诊断功能： 故障的诊断，查明故障类型及部位。
4、进给速度处理 编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方 向上的速度，进给速度处 理要根据合成速度计算 出各坐标方向的分速度。 此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的 限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行 自动加减速处理。
5、插补计算 插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和 终点之间进行“数据点的密化”工作。
三. CNC系统的工作过程
基本过程： CNC装臵的工作过程是在硬件的支持下，执行软 件的过程。 通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据 信息，经过译码和运算处理（包括刀补、进给速 度处理、插补），将每个坐标轴的移动分量送到 其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服 电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位臵反 馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要 求的位臵。
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。
什么是数控系统
什么是数控系统
数控系统是数字掌握系统简称，英文名称为NumericalControlSystem，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（HardNC），1970年月以后，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（Computerizednumericalcontrol,简称CNC）系统是用计算机掌握加工功能，实现数值掌握的系统。
CNC系统依据计算机存储器中存储的掌握程序，执行部分或全部数值掌握功能，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）、可编程规律掌握器（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规律掌握装置，使系统更小巧，其敏捷性、通用性、牢靠性更好，易于实现简单的数控功能，使用、维护也便利，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
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7．刀具功能及工作台分度功能
n 刀具管理功能 n ——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。 刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功 能使用； 刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时， CNC系统将提示用户更换刀具； CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标 识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
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8．辅助功能(M功能 )
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2020/12/7
计算机数控系统(1)
第一节 概 述
n 一、CNC数控机床 n CNC是数控机床的核心。 n CNC数控机床由以下几部分组成：加工
程序、输入/输出设备、CNC装置、可编 程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进 给驱动装置和机床。
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CNC数控机床的组成框图
n 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。它们二者是相 互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下， 由软件来实现部分或大部分数控功能。
n 硬件是基础，软件是灵魂。
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CNC装置的组成
数控加工程序
CNC系统平台
应用软件
控制软件
关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从 实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。
特点： n 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 n 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。
n 软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划 分。
n 功能界面划分的准则：系统的性能价格比
同步进给速度—— 实现切削速度和进给速度的同步， 单位为 mm/r。
快速进给速度—— 一般为进给速度的最高速度，它 通过参数设定，用G00指令执行快速。
进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定
的进给速度。
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6．主轴的转速功能
n 主轴功能 n —— 数控系统的主轴的控制功能。
断
断
断
服
服
服
务
务
务
程
程
程
序
序
序
……
级 中 断 服 务 程 序
……
中断型软件系统结构图
计算机数控系统(1)
中断型结构模式的特点
➢任务调度机制：抢占式优先调度。 ➢信息交换：缓冲区。 ➢实时性好。由于中断级别较多（最多可达8
级），强实时性任务可安排在优先级较高的 中断服务程序中。 ➢模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系 统的维护和扩充。
n 辅助功能（M功能） n —— 用于指令机床辅助操作的功 能。 n 如：主轴起停、主轴转向、切削 液的开关或刀库的起停等。
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9．补偿功能
n 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 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， 采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实 施在线补偿。
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2．点位运动与移动功能(G功能 )
准备功能（G功能）
—— 指令机床动作方式的功能。
如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐
标设定、刀具补偿、基准点返回和固定
循环等。
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3．插补功能
n 插补功能
n —— 插补功能是数控系统实现零件 轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功 能。
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10．字符和图形显示功能
n 人机对话功能 n 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。
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11．自诊断功能
n 自诊断功能 n —— CNC自动实现故障预报和故障定位 的功能。 开机自诊断； 在线自诊断； 离线自诊断； 远程通讯诊断。
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4．固定循环加工功能
n 固定循环功能
n —— 固定循环功能是数控系统实现 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。
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5．进给功能 (F功能 )
n 进给功能 n —— 进给速度的控制功能。 进给速度—— 控制刀具相对工件的运动速度，单位 为mm/min。
M、S、T
位位位位 控控控控 单单单单 元元元元
D/A转换电路
典型的单微处理器 装置结构框图
速度控制单元 X轴 Y轴 Z轴计算机主数控轴系统(1)
单微处理器CNC特点
n ⑴ CNC装置内只有一个微处理器，对存 储、插补运算、输入/输出控制、CRT显 示等功能实现集中控制分时处理。
n ⑵ 微处理器通过总线与存储器、输入/ 输出控制等接口电路相连，构成CNC装 置。
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
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CNC装置的组成
n 该平台有以下两方面的含义：
提供CNC系统基本配置的必备功能； 在平台上可以根据用户的要求进行
功能设计和开发。
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CNC的硬件系统组成框图
ROM
RAM
IN接口
OUT接口
CPU
n 单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的 基本结构为基础，微处理器和三总线结构、 I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接 口等；另外还包括了机床的控制部分。
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外部存储 设备接口
RS-232 接口
人机交互 接口
选件 接口
总
CPU
线
ROM RAM
PLC 接口
微机系统 机床的控制部分
n ⑶ 结构简单，易于实现。
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2.多微处理器的CNC n ⑴ 多微处理器CNC的优点
n ① 较高的性价比； n ② 适应能力强； n ③ 可靠性高； n ④ 易于组织规模化生产。
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⑵ 多微处理器的CNC主要功能模块
n ① CNC管理模块 ； n ② CNC插补模块 ； n ③ 位置控制模块 ； n ④ PLC模块 ； n ⑤ 人机接口模块 ； n ⑥ 存储器模块 。
n 1.输入过程
外存或通信接口
零件程序存储区
MDI键盘
零件程序缓冲区
MDI缓冲区
显示
控制
刀具补偿
诊断
I/O
速度处理
位置控制
CNC的任务并行处理示意图
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⑵前后台型软件结构
中断执行
前台程序 故障处理 位置控制 插补运算
……
后台程序 译码
刀补处理 速度预处理 输入/输出
显示
循环执行
前后台程序运行关系图
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前后台型结构模式的特点
➢ 任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度。前台 程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内 部各子任务采用的是顺序调度。
能，即必备功能；
n 选择功能——用户可根据实际要求选
择的功能。
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1．对轴数的控制功能
n 控制功能 n —— CNC能控制和能联动控制的进给轴 数。 n CNC的进给轴分类： n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、 C）； n 基本轴和附加轴（U、V、W）。 n 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂， 编程也越困难。
加工程序
C N
可编程 控制器
主轴驱 动装置
机
C
输入/输出 设备
装 置
进给驱 动装置
床
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CNC数控机床的组成
计算机数控系统(1)
二、CNC的组成
n 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、 速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部 件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运 动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机 控制系统。
➢ 信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部 各子任务之间的。
➢ 实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。
该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早 期的CNC系统大都采用这种结构。
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⑶ 中断型软件结构
初始化
中断管理系统（硬件 + 软件）
……
n
0
1
2
级
级
级
中
中
中
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12．输入、输出和通信功能
n 通讯功能 n —— CNC与外界进行信息和数据交换的功能。 n 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。
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80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。
计算机数控系统(1)
第三节 CNC的信息处理过程
刀补缓冲区
运行缓冲区
位置反馈
加
工
译
程
序
码
刀 补 处 理
速 度 预 处 理
插 补 处 理
位 控 处 理
伺 服 驱 动
PLC控制
译码缓冲区