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)
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微处理 机和多微处理机结构两大类。
单微处理机结构特点：
（l）CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、 CRT显示等功能集中控制分时处理。
（2）微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC 装置。
总 线 忙
总线优 先权输出
图2-15 串行总线仲裁连接方法
主模1
总
总线优
先权输入
线 忙
总线优 先权输出
主模2
总线优 先权输入
总 线 忙
总线优 先权输出
…
主模N
总线优 先权输入
总 线 忙
总线优 先权输出
优先权编码器 译码器
图2-16 并行总线仲裁框图
CNC管理 模块
（CPU）
主存储器 模块
对话式自 动编程
键盘
软驱
硬盘
显示器
ISA总线
主 CPU 及 主 板
显卡
网卡
多功能板
NC模板
输入板
输出板
位置控制
主轴 主轴编码器
开关量输入
（操作按钮、机床检 测输入）
伺服控制 电机驱动
图2-20 数控专用模板嵌入ＰＣ机结构
（2）通用PC加实时控制单元的递阶式结构 图2-21 递阶式PC数控系统体系结构框图
（3）数字化分布式结构 图2-22 分布式 PC数控系统体系结构框图
1）共享总线结构
以系统总线为中心的多微处理机CNC装置，把组成CNC装置的各个功能模 块划分为带有CPU或DMA器件的各种主模块和不带CPU和DMA器件的各种 RAM／ROM两大类。
主模1
主模2
主模N
总线优 先权输入
总 线 忙
总线优 先权输出
总线优 先权输入
总 线 忙
总线优 先权输出
…
总线优 先权输入
2. 新一代集成化PC数控系统的体系结构 图2-23 集成化PC数控系统体系结构框图
串口 并口 键盘 软驱 硬盘
主CPU
ISA总线
PMAC卡
视频 视频卡
DPRAM卡
I/O板1 控制面板
I/O板2
机床电床 强电柜 I/O信号
伺服信号中转板 XYZ轴伺服单元及变频
电机
A/D卡 仿形仪
图2-24 基于PMAC的开放式数控系统结构框图
伺服系统 电机驱动
数控机床
图2-13 计算机数控系统方框图
图
2-
14 微 处 理 器 数 控 系 统 方 框 图
2.3.2 CNC系统的硬件பைடு நூலகம்成特点
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。 特点：
整体式：结构紧凑，便于安装 ； 分体式：有利于更换。 从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的 结构，即大板式结构和模块化结构。 大板式结构：大板称为主板，大板式结构紧凑，体积小，可靠性 高，价格低，有很高的性能／价格比，也便于机床的一体 化设计。大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变 动，不利于组织生产。 模块化结构：积木式组成CNC系统，使设计简单，有良好的适 应性和扩展性，试制周期短，调整维护方便，效率高。
数控机床各组成部分结构及控制原理
F≥0，则进给＋x 若
F<0，则进给＋y
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用递推法简化计算方法
结论：第一象限
F 0 F 0
x y
F F ye F F xe
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3. 终点判别
总步长法：N X e Ye
单边计数法：N maxXe , Ye
坐标计数法 长边坐标计数法
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迹上伸长或缩短一个刀具半径。
刀具半径补偿进行：
❖ 维持所建立的刀补状态，直至撤消。刀具中心轨迹始 终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。
撤消刀具半径补偿： ❖ 刀具撤离工件，返回起刀点。用G40。
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3.刀具半径补偿计算
直线刀具补偿计算（考虑推导过程） X’＝X+△X Y’＝Y+△Y △X＝r.sinα △Y＝－r.cosα X’＝X+r.Y/（X2+Y2）0.5 Y’＝Y－r.Y/（X2+Y2）0.5
问题：当尖角过渡为内轮廓时，会出现工件的 过切现象。引入C功能刀具半径补偿。
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4. C功能刀具半径补偿
C刀补是为解决上述尖角过渡问题而设计的，专门处理 两个程序段间转接的各种情况。
在C刀补中，为了避免下一段加工轨迹对本段加工轨迹 的影响，在计算本程序段的刀具中心轨迹时，提前将下 一段程序读入，根据它们之间转换的具体情况，做出适 当地处理。
2 数控机床各组成部分的结构及其控制原理
课程内容
❖ 2.1 数控系统的控制原理 ❖ 2.2 计算机数控装置 ❖ 2.3数控机床的位置检测装置 ❖ 2.4 数控机床的进给伺服系统 ❖ 2.5 数控机床的主轴驱动及其机械结构 ❖ 2.6 可编程序控制器在数控机床上的应用
数控机床各个组成部分的工作原理及结构
数控机床各个组成部分的工作原理及结构第一节输入装置输入装置是整个数控系统的初始工作机构,它将准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言"、运算及操作指令等原始数据，转为数控装置能处理的信息，并同时输送给数控装置。
输入信息的方式分手动输入和自动输入。
手动输入简单、方便但输入速度慢容易出错。
现代数控机床普遍采用自动输入,其输入形式有光电阅读机、磁带阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式.其它输入方式：1。
无带自动输入方式在高档数控机床上，设置有自动编程系统和动态模拟显示器(CRT).将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相连接，自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无需经制控制介质后再另行输入。
2。
触针接触式阅读机输入方式又称为程控机头或电报机头,结构简单，阅读速度较慢,但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。
3。
磁带、磁盘输入方式磁带输入方式进行信息输入，其信息介质为“录音"磁带,只不过录制的不是声音，而是各种数据。
加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入”磁盘上进行储存，另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接口输入到机床数控装置中去。
第二节数控装置数控装置是数控机床的核心,数控机床几乎所有的控制功能（进给坐标位置与速度，主轴、刀具、冷却及机床强电等多种辅助功能）都由它控制实现。
因此数控装置的发展，在很大程度上代表了数控机床的发展方向。
数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信息，并经处理分配后，向驱动机构发出执行的命令,在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，经处理后,发出新的命令。
一、数控装置的组成1、数字控制的信息1)几何信息——是指通过被加工零件的图样所获得的几何轮廓的信息。
这些信息由数控装置处理后，变为控制各进给轴的指令脉冲,最终形成刀具的移动轨迹。
几何信息的指令，由准备功能G具体规定。
2）工艺信息———通过工艺处理后所获得的各种信息。
数控机床的结构组成及原理
数控机床的结构组成及原理数控机床是一种通过计算机控制的机床，可以实现多种复杂的加工操作。
它的结构组成及原理可以大致分为机床主体部分、控制系统部分和辅助装置部分。
一、机床主体部分1.床身：床身是整个数控机床的基础部分，承载整个机床的各个部件和装置，同时具有足够的刚性和稳定性。
床身通常由大型整体铸件制成，常见的有平面床、斜床和立式床等。
床身上设有导轨、滑块和滚珠丝杠等装置，用于支撑和导向主轴箱、工作台等。
2.主轴箱：主轴箱是数控机床的重要部件之一，通常由主轴、主轴动力装置、主轴箱座、电动机及其驱动装置等组成。
主轴箱用来传递动力，使主轴旋转，是实现机床加工功能的关键部分。
3.工作台：工作台是数控机床上用于夹持工件的装置，它可以沿各个方向进行移动和转动。
工作台通常由工作台体、刀架座、刀具变位装置等组成。
工作台的移动和转动由驱动装置控制，实现对工件的定位和加工。
二、控制系统部分1.数控装置：数控装置是整个机床的控制中心，由硬件部分和软件部分组成。
硬件部分包括主机、输入输出设备、接口电路等，软件部分是指数控机床的控制程序。
数控装置能够根据加工要求，自动生成加工程序，并控制机床的各个动作。
2.伺服系统：伺服系统是数控机床的动力系统，主要由伺服电机、传动机构和测量装置等组成。
伺服电机通过控制系统接收指令，根据要求实现各个轴向的运动。
传动机构将电机运动传递到工作台或刀架等部位，测量装置用于检测轴向运动的位置和速度。
三、辅助装置部分1.刀具变位装置：刀具变位装置是数控机床上用来实现刀具的换刀和夹紧的装置。
它能够实现快速的刀具换向和自动夹紧，提高机床的加工效率。
2.冷却液供给装置：冷却液供给装置是用于给切削过程提供冷却润滑的装置，它能够保持刀具的正常工作温度，延长刀具的使用寿命，并提高加工质量。
3.操作平台：操作平台是供操作人员进行操作和监控的地方，它通常设有显示屏、键盘、手柄等操作设备，用于输入指令、调整参数以及监控加工过程。
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
有关数控系统的一些基本概念
2023-11-06CATALOGUE目录•数控系统概述•数控系统的组成•数控系统的基本原理•数控系统的分类•数控系统的发展趋势和挑战•数控系统的应用实例01数控系统概述数控系统是一种采用数字控制方法的计算机控制系统。
它通过接收输入的程序信息，对信息进行计算、比较、处理等操作，控制各种机械运动，实现自动化加工。
数控系统主要由输入、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、伺服驱动装置、检测装置等组成。
数控系统的定义数控系统的特点数控系统具有高精度的控制能力，能够实现精确的加工和测量。
高精度高效性灵活性可靠性数控系统能够实现自动化加工，提高生产效率，降低人工成本。
数控系统具有多种控制模式和编程语言，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。
数控系统具有稳定的性能和可靠性，能够保证长时间连续工作的稳定性和安全性。
数控系统的应用范围数控系统广泛应用于机床、刀具、夹具等制造设备的控制，能够实现高效、高精度的加工和测量。
机械制造业数控系统用于半导体制造、电子组装等领域的控制和监测，能够实现精密的加工和检测。
电子制造业数控系统用于飞机、火箭等航空器的制造和维修，能够实现高精度、高效率的加工和检测。
航空航天业数控系统还广泛应用于汽车制造、医疗器械、食品加工等领域，能够实现自动化、智能化的生产和加工。
其他领域02数控系统的组成数控装置是数控系统的核心，也称为CNC装置或NC装置。
它由计算机、输入/输出设备、可编程控制器等组成，负责处理各种加工数据，如零件的几何尺寸、工艺参数、加工轨迹等，并将其转化为控制机床运动的指令。
数控装置一般采用高性能的微处理器和计算机硬件，具备强大的计算和控制能力，能够实现高精度、高效率的加工控制。
数控装置伺服系统是数控系统的重要组成部分，负责将数控装置的电信号转换为机床的运动。
它由伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。
伺服驱动器根据数控装置发出的指令，驱动伺服电机转动，实现机床的移动和转动。
反馈装置将机床的实际运动状态反馈给数控装置，形成闭环控制系统。
数控机床的组成与基本工作原理
1．2 数控机床的组成及基本工作原理一、数控机床组成数控机床由：程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。
1、程序的存储介质，又称程序载体1)穿孔纸带（过时、淘汰）；2)盒式磁带（过时、淘汰）；3)软盘、磁盘、U盘；4)通信。
2、输人/输出装置1)对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）；2)对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）；3)对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；4)现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)；5)DNC网络通讯、RS232串口通讯。
3、CNC单元CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。
CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。
其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。
准备功能：G00,G01,G02,G03,辅助功能：M03，M04刀具、进给速度、主轴：T，F，S4、伺服系统由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。
每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。
如三轴联动的机床就有三套驱动系统。
脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。
常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。
5、位置反馈系统（检测反馈系统）伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。
包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。
（作业：让同学们网上查找反馈元件，下节课用5分钟自述所查容）反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。
数控机床的组成及基本原理
数控机床的组成及基本原理数控机床是指采用数字计算机控制系统控制的机床。
它具有高度自动化、精度高、柔性化加工等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具制造、机械加工等领域。
下面将介绍数控机床的组成和基本原理。
一、数控机床的组成数控机床主要由数控系统、工作台和运动系统等组成。
1.数控系统：数控系统是整个数控机床的核心部分，它由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括操作面板、中央处理器、驱动器等，软件部分包括数控编程软件、运动控制软件等。
数控系统接收操作者输入的加工程序，进行解析和处理，然后将指令发送给运动系统，控制机床运动。
2.工作台：工作台是数控机床上进行加工的平台，可以固定和夹持工件。
通常有立式工作台和卧式工作台两种形式，可以根据加工需要进行选择。
3.运动系统：运动系统由伺服驱动器和伺服电机组成，用于控制机床各个轴线（如X轴、Y轴、Z轴）的运动。
伺服驱动器接收数控系统发出的脉冲信号，通过控制伺服电机的转速和方向，使机床实现定位、定位速度和加工进给。
二、数控机床的基本原理1.数学模型：数控机床的运动控制是通过坐标系来实现的，其中最常用的是直角坐标系。
在直角坐标系中，将工件的加工轨迹抽象为函数或曲线，通过数学模型来描述。
根据加工要求，可以将工件的几何图形抽象为线段、圆弧、椭圆等数学模型。
2.几何模型：在数控编程中，几何模型是描述加工要求的重要依据。
几何模型包括点、直线、圆弧等基本图形，它们可以通过坐标方式或向量方式描述。
通过几何模型，机床可以控制各个轴线的运动，实现工件在空间中的加工。
3.程序和指令：数控机床的加工程序由一系列指令组成，这些指令可以通过编程软件进行编写。
在加工程序中，可以定义初始状态、加工轨迹、进给速度、刀具位置等。
数控机床的数控系统解析和处理这些指令，将其转化为机床运动的控制信号。
4.运动控制：数控机床通过数控系统将指令传递给伺服驱动器和伺服电机，控制各个轴线的运动。
伺服驱动器根据接收到的脉冲信号，控制伺服电机的转速和方向，实现机床的定位和进给。
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。
数控系统的组成及工作原理
3．刀具半径补偿原理（2）： ．刀具半径补偿原理（ ）：
X ′ = X + ∆X Y ′ = Y + ∆Y Y ∆X = R ⋅ sin α = R X 2 +Y 2 X ∆Y = − R ⋅ cos α = − R X 2 +Y2 Y X′= X +R X 2 +Y 2 X Y ′ = Y − R X 2 +Y 2
上面讨论的是单段轮廓的刀补情况，通常工件轮 廓由多段曲线组成，如直线与直线、直线与圆弧、 圆弧与圆弧、圆弧与直线等，这就存在一个轮廓 交接处如何过渡的问题。C刀具补偿能自动地处 理两段程序之间的刀具中心轨迹的转接，编程人 员完全按工件轮廓编程。
刀具补偿原理（ ） ４．C刀具补偿原理（2） 刀具补偿原理
图例给出了左刀补和右刀补时轮廓过渡处的处理 情形。从图可以看出：轮廓过渡时，为了避免过 切或间断，需要采用缩短、延长或插入的方式。
C刀具补偿原理图（1） 刀具补偿原理图（ ） 刀具补偿原理图
C刀具补偿原理图（2） 刀具补偿原理图（ ） 刀具补偿原理图
刀具补偿原理（ ） ４．C刀具补偿原理（3） 刀具补偿原理
速度控制程序：根据给定的速度值控制插补运算的 频率，保证预定的进给速度。并能根据反馈值的正 与负自动地调节速度的大小。 管理程序：负责对数据输入、数据处理、插补运算 等各种程序进行调度管理；对诸如面板命令、时钟 信号、故障信号等引起的中断进行处理；子程序的 调用；共享资源的分时享用等。 诊断程序：通过识别程序中的一些标志符来判断故 障的类型和所在地。
数控机床与使用维修
第二讲 数控系统的组成及工作原理
山西工程职业技术学 院机械系 姚瑞敏
本讲主要内容
数控机床的基本组成与工作原理
数控机床的基本组成与工作原理数控机床是一种通过计算机控制的自动化机械设备，它在现代制造业中起着至关重要的作用。
本文将介绍数控机床的基本组成和工作原理。
一、数控机床的基本组成1. 主机部分：数控机床的主机部分由机床本体、主轴和伺服系统组成。
机床本体是数控机床的主体结构，包括床身、工作台、滑枕等。
主轴是机床用来转动刀具或工件的主要部件。
伺服系统则负责控制主轴和工作台的运动。
2. 数控系统：数控机床的核心部分是数控系统，它由硬件和软件两部分组成。
硬件包括数控装置、输入输出设备和传感器等，而软件则是指数控程序和数控编程软件。
数控系统负责接收和处理指令，控制机床的运动。
3. 刀具系统：数控机床的刀具系统包括刀具、刀柄和刀库等。
刀具是用来加工工件的工具，刀柄则负责固定刀具。
刀库是用来存放刀具的地方，可以根据需要自动更换刀具。
4. 辅助设备：数控机床还需要一些辅助设备来完成加工任务。
常见的辅助设备有冷却液系统、夹具和自动送料装置等。
冷却液系统用来冷却刀具和工件，夹具用来固定工件，而自动送料装置则负责将工件送入机床。
二、数控机床的工作原理数控机床的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 编写数控程序：操作人员首先需要编写数控程序，该程序包含了加工工件所需的各种指令和参数。
数控程序可以通过专门的数控编程软件编写，然后通过输入设备输入到数控系统中。
2. 加工准备：在开始加工之前，操作人员需要进行加工准备工作。
这包括选择合适的刀具和夹具，调整机床的工作台和主轴位置，以及设置好冷却液系统和自动送料装置等。
3. 启动数控系统：当加工准备完成后，操作人员可以启动数控系统。
数控系统将根据编写的数控程序，控制机床的运动。
它会发送指令给伺服系统，控制主轴和工作台的运动，同时监测加工过程中的各种参数。
4. 加工工件：一旦数控系统启动，机床就会开始自动加工工件。
数控系统会根据编写的数控程序，控制刀具的进给速度、切削深度和切削速度等。