第3章-数控系统硬件与软件1
《数控原理与系统》授课教案
《数控原理与系统》授课教案第一章：数控技术概述1.1 课程介绍解释数控技术的定义和基本概念强调数控技术在制造业中的应用和重要性1.2 数控系统的组成与工作原理介绍数控系统的各个组成部分及其功能解释数控系统的工作原理和操作流程1.3 数控编程基础介绍数控编程的基本概念和常用指令讲解数控编程的格式和编程方法1.4 数控加工工艺介绍数控加工的基本工艺和特点探讨数控加工的适用范围和优势第二章：数控机床与数控系统2.1 数控机床的分类与结构解释数控机床的分类和特点介绍数控机床的主要结构和部件2.2 数控系统的硬件与软件讲解数控系统的硬件组成及其功能介绍数控系统的软件配置和编程系统2.3 CNC装置及其功能解释CNC装置的定义和作用探讨CNC装置的主要功能和性能指标2.4 数控系统的故障诊断与维修介绍数控系统故障诊断的方法和步骤讲解数控系统故障排除和维修技巧第三章：数控编程与操作3.1 数控编程的基本方法讲解数控编程的基本方法和步骤探讨数控编程中的坐标系和运动指令3.2 数控加工工艺参数的选择介绍数控加工工艺参数的选取方法和原则强调工艺参数对加工质量和效率的影响3.3 数控机床的操作与维护讲解数控机床的操作步骤和注意事项介绍数控机床的维护保养方法和技巧3.4 数控加工实例分析提供数控加工实例，分析其编程和操作过程讨论加工实例中的问题和解决方案第四章：数控系统的维修与调试4.1 数控系统的维修与故障诊断介绍数控系统维修的重要性和目的讲解数控系统故障诊断的方法和技巧4.2 数控系统的调试与优化解释数控系统调试的意义和目的探讨数控系统调试的方法和优化技巧4.3 数控系统的硬件故障维修讲解数控系统硬件故障的常见原因和维修方法强调硬件维修中的安全注意事项4.4 数控系统的软件故障排除介绍数控系统软件故障的常见原因和排除方法探讨软件故障排除的技巧和经验第五章：数控技术的发展与应用5.1 数控技术的历史与发展趋势回顾数控技术的发展历程和重要事件探讨数控技术的发展趋势和未来展望5.2 数控系统的应用领域介绍数控技术在制造业中的应用领域和实例强调数控技术对产业升级和智能制造的贡献5.3 数控技术的创新与研究讲解数控技术在科研和创新中的重要作用探讨数控技术的创新研究方向和技术挑战5.4 数控技术的产业化与市场需求分析数控技术的产业化进程和市场现状预测数控技术产业的发展前景和市场需求第六章：计算机数控（CNC）系统6.1 CNC系统的基本原理解释CNC系统的工作原理和核心功能探讨CNC系统与传统机床的区别6.2 CNC系统的硬件结构介绍CNC系统硬件的主要组成部分，如控制单元、驱动单元、检测单元等讲解各部分硬件的功能和相互之间的关系6.3 CNC系统的软件结构阐述CNC系统软件的组成和作用介绍常见的CNC系统软件及其特点6.4 CNC系统的参数设置与优化讲解CNC系统参数设置的方法和注意事项探讨CNC系统参数优化技巧及其对加工质量的影响第七章：数控编程语言与功能指令7.1 数控编程语言概述介绍数控编程语言的分类和特点解释数控编程语言的作用和重要性7.2 常用数控编程指令讲解数控编程中的常用指令及其功能探讨指令的使用方法和注意事项7.3 用户宏程序与子程序介绍用户宏程序和子程序的概念及其应用讲解宏程序和子程序的编写方法和调用方式7.4 数控编程实例解析提供典型数控编程实例，分析其编程思路和技巧讨论实例中的问题及其解决方法第八章：数控加工工艺与刀具选择8.1 数控加工工艺基础介绍数控加工工艺的概念和特点解释数控加工工艺的作用和重要性8.2 数控加工工艺参数选择讲解数控加工工艺参数的选择方法和原则强调工艺参数对加工质量、效率和成本的影响8.3 刀具选择与补偿介绍刀具选择的原则和注意事项讲解刀具补偿的概念和作用8.4 典型数控加工工艺分析分析典型数控加工工艺的特点和应用场景讨论加工工艺在实际生产中的应用经验第九章：数控仿真与编程软件9.1 数控仿真软件概述介绍数控仿真软件的功能和作用解释数控仿真软件在数控编程与培训中的应用价值9.2 常用数控仿真软件及其特点讲解常用数控仿真软件的界面、功能和操作方法探讨各软件的优势和适用场景9.3 数控编程软件与后处理介绍数控编程软件的功能和作用讲解后处理的概念及其在数控编程中的应用9.4 数控仿真与实际加工对比分析分析数控仿真与实际加工的差异及其原因探讨如何提高数控仿真与实际加工的吻合度第十章：数控技术的创新与应用案例10.1 数控技术在航空航天领域的应用介绍数控技术在航空航天制造中的应用案例强调数控技术在航空航天领域的重要作用10.2 数控技术在汽车制造业的应用讲解数控技术在汽车制造中的应用案例和优势探讨数控技术在汽车制造业的发展趋势10.3 数控技术在模具制造业的应用介绍数控技术在模具制造中的应用案例解释数控技术对模具制造业的影响和改变10.4 数控技术在能源行业的应用探讨数控技术在能源行业（如风力发电、石油化工等）的应用案例分析数控技术在能源行业中的重要作用和前景第十一章：数控系统的现代发展趋势11.1 精密加工与微细加工探讨数控技术在精密加工与微细加工领域的发展趋势分析精密加工与微细加工技术在现代制造业中的应用11.2 高速数控加工技术介绍高速数控加工技术的概念及其重要性讲解高速数控加工技术的关键技术和应用案例11.3 智能数控系统与解释智能数控系统的定义和特点探讨在数控系统中的应用和发展趋势11.4 网络化数控与远程加工讲解网络化数控技术的概念和应用探讨远程加工技术的原理和实际应用案例第十二章：数控系统的安全操作与维护12.1 数控系统的安全操作规程讲解数控系统的安全操作规程和注意事项强调操作人员应具备的安全意识和技能12.2 数控系统的日常维护与保养介绍数控系统的日常维护保养内容和方法讲解维护保养对数控系统性能和寿命的影响12.3 数控系统的故障预防与处理探讨数控系统故障的预防措施和处理方法讲解故障处理的一般步骤和注意事项12.4 数控系统的安全管理与培训解释数控系统安全管理的重要性探讨数控系统培训的内容和方式，以及培训效果的评估第十三章：数控技术在教育与培训中的应用13.1 数控技术教育的目标与内容讲解数控技术教育的目标及其在现代教育中的重要性介绍数控技术教育的主要内容和教学方法13.2 数控技术培训与认证解释数控技术培训的作用和重要性介绍数控技术培训的类型、方法和认证体系13.3 数控技术教育与实际应用的结合探讨数控技术教育与实际应用之间的联系和差距讲解如何提高数控技术教育与实际应用的结合程度13.4 数控技术教育的发展趋势与挑战分析数控技术教育的发展趋势及其面临的挑战探讨数控技术教育的发展策略和应对措施第十四章：数控技术在国内外的发展现状与展望14.1 数控技术在国外的发晨现状分析国外数控技术的发展现状及其优势介绍国外数控技术的主要发展国家和研究机构14.2 数控技术在我国的发展现状分析我国数控技术的发展现状及其特点介绍我国数控技术的主要发展地区和龙头企业14.3 数控技术的发展展望探讨数控技术在未来制造业发展中的重要作用讲解数控技术的发展趋势和潜在应用领域14.4 我国数控技术发展的政策与措施分析我国政府对数控技术发展的支持政策和措施介绍我国数控技术发展的重要计划和项目第十五章：综合实践与案例分析15.1 数控技术综合实践项目提供一个或多个数控技术综合实践项目，让学生动手操作强调实践项目的设计原则和实施方法15.2 数控技术案例分析与讨论提供典型数控技术应用案例，进行案例分析与讨论强调案例分析对理解和掌握数控技术的重要性15.3 数控技术实践与创新的结合探讨数控技术实践与创新的联系和相互作用讲解如何将实践经验转化为技术创新和实际应用15.4 数控技术发展的机遇与挑战分析数控技术发展面临的机遇与挑战探讨数控技术发展方向和策略，以应对未来的挑战重点和难点解析1. 数控技术的基本概念、组成、工作原理和应用领域2. 数控编程的基本方法、格式和编程技巧3. 数控系统的硬件结构、软件结构和功能指令4. 数控机床的分类、结构和主要部件5. CNC装置的功能、性能指标和故障诊断与维修6. 计算机数控（CNC）系统的基本原理、硬件结构和软件结构7. CNC系统的参数设置与优化方法8. 数控加工工艺参数的选择、刀具选择与补偿9. 数控仿真与编程软件的功能、操作方法和应用价值10. 数控技术的创新与应用案例，包括航空航天、汽车制造、模具制造和能源行业等领域11. 数控系统的现代发展趋势，如精密加工、高速数控加工、智能数控系统和网络化数控等12. 数控系统的安全操作与维护，包括操作规程、日常维护保养、故障预防与处理以及安全管理与培训13. 数控技术在教育与培训中的应用，包括教育目标、培训类型、认证体系以及实践与创新的结合14. 数控技术在国内外的发展现状与展望，包括国外数控技术发展现状、我国数控技术发展现状和发展趋势、政策与措施等15. 数控技术综合实践项目、案例分析与讨论以及实践与创新的结合。
机床数控技术-第3章习题及答案(2015.9新增)
国家精品资源共享课新增习题及答案第3章 数控系统控制原理1.在数控采样插补中插补周期与插补运算时间有什么关系？插补周期与插补运算时间有密切的关系，一旦选定了插补算法，完成插补运算的最大指令条数也就确定了，则此算法占用计算机CPU的时间也就确定了。
一般来说，插补周期T必须大于插补运算时间，因为在一个插补周期内，计算机除了要完成插补运算外，还要执行显示、监控甚至精插补等任务，插补周期等于插补运算时间与完成其它任务所占用的时间之和。
另外，插补周期还会对圆弧的插补误差产生一定的影响。
2.试分析在弦线逼近圆弧数据采样插补中， 逼近误差与速度、插补周期和圆弧半径的关系。
答：对于圆弧插补，动点在一个插补周期运动的直线段以弦线逼近圆弧时，逼近误差与速度、插补周期的平方成正比，与圆弧半径成反比，即2()18rTVer =，T-插补周期，V-刀具移动速度，r-圆弧半径，e r-逼近误差。
在一台数控机床上，允许的插补误差是一定的，它应小于数控机床的分辨率，即应小于一个脉冲当量。
那么，较小的插补周期，可以在小半径圆弧插补时允许较大的进给速度。
从另一角度讲，在进给速度、圆弧半径一定的条件下，插补周期越短，逼近误差就越小但插补周期的选择要受计算机运算速度的限制。
首先，插补计算比较复杂,需要较长时间。
此外，计算机除执行插补计算之外，还必须实时地完成其它工作，如显示、监控、位置采样及控制等。
所以，插补周期应大于插补运算时间与完成其它实时任务所需时间之和。
3.在数据采样插补中，粗插补和精插补一般怎样实现？答：粗插补，一般用软件实现；精插补，一般用硬件实现。
在每一插补周期中，调用一次插补程序，用软件粗插补计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（而不是单个脉冲），然后送到硬件插补器内，经过硬件插补器精插补后，再控制电机驱动运动部件达到相应的位置。
4.试述刀具半径补偿的过程。
答：刀具半径补偿过程分为以下三个步骤:(1)刀具半径补偿的建立；(2)刀具半径补偿进行；(3)刀具半径补偿注销（G40）。
数控系统调试与维护-数控系统硬件连接课件
电机运行中切断主回路电源，伺服电机使
用 动态制动，主轴电机减速停止。
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FANUC
直流母线P、N LED
数控系统调试与维护
伺服单元的连接
通讯异常会产生 ALM926/5136等报 警
内置 电池槽
CX5X 电池连接端
CXA2B/CXA2A 级间串行通讯入/出
SVM2
COP10B/COP10A FSSB串行通讯入/出
数控系统调试与维护 Bi-SVPM（主轴、伺服一体型）
控制电源
动力输入 主轴动力输出
直流母线端，不 要接
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数控系统调试与维护
3.3主轴伺服系统连接
C与主轴放大器、主轴电机的连接
数控系统将串行主运动指令通过JA41接口传递给主轴放大器如SPM的JA7B接 口，主轴放大器经过变频调速控制给主轴电动机输出动力电源。
CX1A （3） 200R 200S （2） （1）
SPM/SVM
CX3（左侧）：MCC CX4（右侧）：*ESP
L1 L2 L3
三相动力输入
无相序要求
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数控系统调试与维护
CXA2A~CXA2B
使用内置电池时 不要连接此端
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数控系统调试与维护
CX3（MCC）控制外部主回路上 电 CX4（*ESP）用于切断主回路电源
接口名称
功
MDI面板接口 RS-232C串行口2 RS-232C串行口1 扩展板接口 系统的直流24 V电源的输入接口 视频信号接口
能
JA2 JD36A JD36B JGA CP1 CA79A
CA88A
CA122 CA121 CD38A COP10A JA40 JD51A JA41
第3章 数控系统的硬件组成
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3.2.1
数控系统的结构特点
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3.2.2
微机系统
Байду номын сангаас
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3.2.3
数控系统的软件结构类型
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3.3 数控装置的技术特征
• • • • 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 数控装置的特点 数控装置的功能 NC、CNC、SV与PMC的概念 现代数控技术的特征
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图3—1 华中Ⅰ型数控系统硬件结构图
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3－ —11 2 FANUC0i-B FANUCoi 数控系统 图1 数控系统
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图3－3 SIN840C系统
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• 由此可知，设备辅助控制接口的功能必须能完成上述两 个任务：① 即电平的转换和功率放大；② 电气隔离。
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3.1.3．数字逻辑控制模块
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图3—4 PLC 系统基本结构图
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3.1.4．位置控制模块（伺服系统）
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• • • • •
2．位置控制模块组成原理 位置控制模块由三部分组成，其原理框图如图所示。 （1）速度指令转换部分 （2）位置反馈脉冲回收部分 （3）速度反馈电压转换部分
图3－5 闭环位置控制模块原理框图
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数控机床的主传动系统
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
第3章 轨迹控制原理及数控系统
第三节
一、概述
数据采样插补
1．数据采样插补的基本原理 它是根据编程的进给速度将零件轮廓曲线按时间分割为采 样周期的直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数 据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。 数据采样插补一般分为粗、精插补两步完成。 第一步是粗插补：它在给定的曲线起、终点之间插入若干 个中间点，将曲线分割为若干个微小直线段，即用一系列直 线段来逼近曲线 第二步是精插补：将粗插补中产生的微小直线段再进行数 据点的密化工作，该步相当于对直线的脉冲增量插补。精插 补可以由软件实现，也可以由硬件实现。 数据采样插补中的插补一般指粗插补，通常由软件实现， 常用的有时间分割法、扩展DDA法和双DDA法。
第二节
脉冲增量插补
2）直线插补实例 设有一直线，起点为原点Ｏ，终点Ａ坐标为（8，10），试用数
字积分法进行插补计算并画出走步轨迹图。
选累加器和寄存器的位数为４位，判终计数器JΣ=24 =16 。为加快 插补速度，累加器的初值置为累加器容量的一半值，插补计算过程 如表3.5所示，走步轨迹如图3.12所示。
第二节
脉冲增量插补
2）圆弧插补实例 【例题3-2】设加工第一 象限逆圆,已知起点A(4,0）, 终点B(0,4）。试进行插补 计算并画出走步轨迹。计 算过程如表3.3所示，根 据表3.3作出的走步轨迹 如图3.6所示。
第二节
脉冲增量插补
第二节
脉冲增量插补
3）象限处理与插补软件流程 圆弧所处的象限不同、逆顺不同，则进给方向和插补偏差计 算公式也不相同。四个象限的进给方向如图3.7所示，共有八 种情况。
第二节
脉冲增量插补
脉冲增量插补是通过向各个坐标轴分配进给脉冲，控
制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零 件轮廓的方法。常用的有逐点比较插补法和数字积分法 。
数控技术 第三章 插补原理
一.逐点比较法直线插补算法
⑴判别函数及判别条件 如图所示，对XY平面第一象限直线段进 行插补。直线段起点位于坐标原点O，终点位 于A（Xe,Ye）。设点P（Xi，Yi）为任一动点。 若P点在直线OA上，则： Y XeYi – XiYe = 0 A (X Y ） 若P点在直线OA上方，则： F＞0 P (X Y ） XeYi – XiYe > 0 若P点在直线OA下方，则： F＜0 XeYi – XiYe < 0 X
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Y E(Xe,Ye) ) O X
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四个象限直线的偏差符号和插补进给方向如下图所示， 用L1、L2、L3、L4分别表示第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限的直线。 为适用于四个象限直线插补，插补运算时用∣X∣， ∣Y∣代替X，Y，偏差符号确定可将其转化到第一象限， 动点与直线的位置关系按第一象限判别方式进行判别。
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脉冲增量插补法比较适用于步进电机作 为驱动电机的系统。有下列常见的几种：
（ 1 ）数字脉冲乘法器 （ 2 ）逐点比较方法 （ 3 ）数字积分方法 （ 4 ）比较积分方法 （5）最小偏差方法 （ 6 ）直接函数方法
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（二）数字增量（数据采样）插补算法
1.数字增量插补的特点 数字增量插补也称数据采样插补，它为时间标量插 补，这类插补算法的特点是插补运算分两步完成：第 一步是粗插补：计算出插补周期内各坐标轴的增量值。 第二步是精插补：根据采样得到的实际位置增量值， 计算跟随误差，得到速度指令，输出给伺服系统，通 常称为精插补。这种方法比较适用于伺服电机作为驱 动电机的系统 ⑴粗插补 它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点， 即用若干条微小直线段来逼近给定的曲线，这些微小 直线段的长度ΔL相等且与给定的进给速度有关。由于 粗插补在每个插补周期内之计算一次，因此每一微小 直线段的长度ΔL与进给速度F和插补周期T的关系如下： ΔL=FT。粗插补在每个插补周期内计算出坐标位置增 量值。
第三章 计算机数控装置
第三章计算机数控装置第一节概述一、CNC装置软件的功能结构如图3-2所示。
二、CNC装置的功能控制功能（轴数）、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能。
第二节CNC装置的硬件结构一、概述1、单机系统；采用分时处理来实现各种数控功能2、多机系统：有两个或两个以上CPU有一个主CPU有控制和使用系统存储器和系统总结权，其它CPU只能接受主CPU的控制命令或数据二、功能：如图3-5所示1、特点：采用模块化结构，良好的适应性和扩展性、结构紧凑、更换方便2、模块之间的通信a、共享总线：图3-14特点：易实现、经济、效率低b、共享存贮器：图3-15特点：避免防冲突、但扩展较困难三、各模块的作用1、计算机主板和系统总线主板：对输入到CNC装置中的各种数据、信息，进行相应的算术和逻辑运算，CPU芯片及其外围芯片，内存单元、通信接口、软、硬驱动器接口。
系统总线：如图3-7所示，有数据总线、地址总线、控制总线。
2、显示模块：VGA、SVGA3、输入/输出模块（多功能卡）通信接口，RS2324、电子盘（存储模块）作用：如存放系统程序、零件加工程序。
通常采用电子存储器件，即半导体存储器件。
5、设备辅助控制接口模块：如图3-9所示CNC对设备控制：1、轨迹控制：坐标轴的速度和位置；2、顺序控制：对设备动作。
交换的信息：1、开关量信号：行程开关；2、模拟量信号：传感器；3、脉冲量信号。
输入：状态信息→数字信息→计算机输出：满足各种有关执行元件的输入要求。
功率放大（功率匹配）、电气隔离PLC的定义：是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。
6、位置控制模块作用：接受CNC插补运算后输出的位置控制命令，经调节运算输出速度控制指令，然后进行相应的变换后（D/A转换），输出速度指令电压给速度控制单元，去控制伺服电机运行，对于闭环控制或半闭环控制，它还要回收实际位置信号和实际速度信号。
第三讲 机床数控系统的硬件
２．多微处理器的基本功能模块（２） 多微处理器的基本功能模块（
PLC模块 对加工程序中的开关功能和来自机床的信号 模块 进行逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，如 机床电气设备的起动与停止、刀具交换、回转台分度、 工件数量和运行时间的计算等。 数据输入输出和显示模块 包括加工程序、参数和数据、 各种操作命令的输入（如通过纸带阅读机、键盘或上级 计算机等）和输出（如通过打印机、纸带穿孔机等）以 及显示（如通过CRT、液晶显示器等）所需要的各种接 口电路。 存储器模块 既可以是存放程序和数据的主存储器，也 可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。
３．多微处理器结构的特点（２） 多微处理器结构的特点（
有良好的适应性和扩展性 多微处理机的CNC装置大都 采用模块化结构。可将微处理机、存储器、输入输出控 制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模 块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定 的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的 接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此 可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC装置，使 设计简单，有良好的适应性和扩展性。 硬件易于组织规模生产 一般硬件是通用的，容易配置， 只要开发新软件就可构成不同的CNC装置，便于组织硬 件规模生产，保证质量，形成批量。
FANUC15系统共享总线结构框图： 系统共享总线结构框图： 系统共享总线结构框图
装置的典型结构(2) ４．多微处理器CNC装置的典型结构 多微处理器 装置的典型结构
共享存储器结构 是面向公共存储器来设计的，即采用 多端口来实现各主模块之间的互联和通讯，同共享总线 结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一主模块对 多端口存储器进行访问（读／写），所以，也必须有一 套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多 端口存储器设计较复杂，而目对两个以上的主模块，会 因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，降低系 统效率，给扩展功能造成困难，所以一般采用双端口存 储器（双端口RAM）。
机床数控技术第三章
第二节 CNC系统的硬件结构
三、开放式数控系统结构 1．美国的NGC和OMAC计划及其结构 2．欧共体的OSACA计划及其结构 3．日本的OSEC计划及其结构
第三节 CNC系统的软件结构
一、 CNC系统的软件结构 CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控加工系 统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。 在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可 以由软件来完成。但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适应性 差；软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。因此，CNC系统中软、硬件的 分配比例是由性能价格比决定的。
图3-2 CNC系统的系统平台
第一节 概述
一、CNC系统的工作过程
1．输入 2．译码处理 3．数据处理(刀具长度补偿、半 径补偿、反向间隙补偿、丝杠 螺距补偿、过象限及进给方向 的判断、进给速度换算、加减 速控制及机床辅助功能处理等) 4．插补运算与位置控制 5．输入/输出（I/O）处理 6．显示 7．诊断
零件 程序
第一种: 硬件 第二种：硬件 第三种：硬件
输入
软件
插补 准备
插补
硬件
位置 控制
速度 控制 位置 检测
硬件
执行 电机
机床
软件 软件
硬件
CNC中三种典型的软硬件功能界面
第三节 CNC系统的软件结构
二、 CNC软件结构特点
1．CNC系统的多任务性
CNC系统的任务
管理
控制
输 入
I/O 处 理
显 示
第二节 CNC系统的硬件结构
二、大板式结构和功能模块式结构
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
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3.5 速度与加减速控制
3.6 数控机床参数
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3.1 CNC装置的硬件结构
3.1.1 CNC装置的硬件组成及连接
CNC装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行 工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。
根据机床控制、安装要求和经济性要求不同、随着电子 技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形 式的CNC装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不 尽相同。
数控技术
第三章 数控系统的硬件与软件
3.1 CNC装置的硬件结构 3.2 CNC装置的软件结构 3.3 插补原理与算法 3.4 刀具补偿原理
3.5 速度与加减速控制
3.6 数控机床参数
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第三章 数控系统的硬件与软件
3.1 CNC装置的硬件结构 3.2 CNC装置的软件结构 3.3 插补原理与算法 3.4 刀具补偿原理
脉冲输出 接口电路 驱动器 步进 电机
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总 线
3.1 CNC装置的硬件结构
2. 直流伺服电机的控制 CPU
DAC
本 地 总 线
伺服 驱动器
直流 伺服电机 测速发电机
位置 反馈
编码器/光栅
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3.1 CNC装置的硬件结构
直流伺服数控系统的特点：
1）功率（扭矩）大、位置分辨率高。 2）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。 3）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。 4）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。
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3.1 CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件组成及连接
显示器/ 编程键盘 操作面板 键盘、显示 接口 PLC
机床
I/O 光栅
CNC
通信接口
运动控制
伺服 驱动
电机
程序输入 输出接口
打孔机/纸带阅读机 磁带/磁盘 U盘/网络
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3.1 CNC装置的硬件结构
CNC装置的人机接口（HMI）
编程键盘： 用于程序编辑、参数设置、 界面操作等。 不产生机床运动，可用缓 冲键盘。 操作面板： 用于操作机床所有运动。所 有按钮接入PLC ，部分按钮还 有响应指示灯，通过机床厂家 的梯形图实现机床的操作。
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3.1 CNC装置的硬件结构
3. 交流伺服电机的控制 CPU
采用数模转换； 一个模拟接口只能连接一个驱动器； 模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递； 模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。
DAC
本 地 总 线
伺服 驱动器
交流 伺服电机 测速发电机
位置 反馈
编码器 光栅
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3.2.1 数控系统软件功能模块
3.1 CNC装置的硬件结构
4）采用全数字化控制 各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其CPU 广 泛采用高速DSP，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、 直接转矩控制等复杂算法的实现； 原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在 伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数(包括电流环、 速度环、位置环参数)由数控系统HMI 设置管理，便于各轴伺服 匹配。 5）实时网络接口 各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻 烦。总线协议复杂，没有统一标准。
CPU
DAC 位置 反馈
编码器
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CNC
3.1 CNC装置的硬件结构
二、进给运动控制 进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口 不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、 数字量总线通信控制方式。 1. 步进电机的控制
CPU
特点： 1）结构简单，成本低。 2）扭矩较小 3）分辨率低，精度不高。 4）开环控制，容易产生“丢步”。
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3.1 CNC装置的硬件结构
按硬件的设计与制造方式
传统专用型数控系统
开放式数控系统 一、传统专用型数控系统
硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性；
经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着 大量市场；
为了保护各自的权益，CNC 具有不同的编程语言、非标准的 人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等；
大板式 ，模块化
大板式结构
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3.1 CNC装置的硬件结构
模块化结构
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3.1 CNC装置的硬件结构
模块化结构数控系统
西门子840D数控系统
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3.1 CNC装置的硬件结构
按装置中微处理器的数量分
单微处理器结构的CNC装置
多微处理器结构的CNC装置
一、单微处理器结构的CNC装置 单微处理器结构的CNC装置，由一个微处 理器CPU通过数据地址总线与存储器、PLC、
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3.1 CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件组成及连接
显示器/ 编程键盘 操作面板 键盘、显示 接口 PLC
机床
I/O 光栅
CNC
通信接口
运动控制
伺服 驱动
电机
程序输入 输出接口
打孔机/纸带阅读机 磁带/磁盘 U盘/网络
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3.1 CNC装置的硬件结构
I/O控制（PLC）
早期的数控系统，只有简单的I/O控制，主要实现主轴、冷 却等启停，机床操作、运动限位等功能。 随着微机和PLC技术的发展，PLC成为了数控系统必不可 少的一个重要组成部分。 数控系统的PLC有两种形式，一种是嵌入式PLC，一种是 独立式PLC。 有关PLC原理及应用，在第四章详细介绍。
3.1 CNC装置的硬件结构
HMI
操作面板
主CPU 数 据 地 址 总 线
串口 双端口 RAM
串口
电气柜
PLC I/O
CPU
伺服系统
双端口 RAM CPU 运动控制 模块
伺服系统
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共享存储器多微处理器结构的CNC装置 b
3.1 CNC装置的硬件结构
3. 多微处理器数控系统的特点
1）计算处理速度高。
PLC
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3.2.1 数控系统软件功能模块
总线式数控系统 的运动控制
译码 预处理 刀具补偿 加减速控制 位置 指令
插 补
位置前馈
误差补偿
速度前馈 位置环 PID控制器 位置反馈
扭矩前馈
伺服系统
电流 控制 电流反馈
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速度 控制
速度反馈
3.1 CNC装置的硬件结构
4. 总线式控制 特点： 1）总线式数控系统采用分布式计算和控制，使连接简单 及扩展灵活、方便。 2）通过高可靠性和高实时性网络进行通信与协调，可以 最大限度地发挥各子系统的功能，并尽可能地减轻PC 主机的负担，易于提高数控系统的性能。 3）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的 特点。 4）现场总线式的数控系统代表着数控系统硬件未来的发 展方向。
位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与
分时处理的方式，完成数控各项任务。
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Hale Waihona Puke 3.1 CNC装置的硬件结构
Nand flash （硬盘） CPU 键盘/显示 接口 LCD
接口
EEPROM RAM 串行通信接口 网络接口 程序 输入/输出 接口
数
据 地
编程键盘
I/O 接口
数控面板
址
总 线
FPGA 位置反馈
运动控制
译码 预处理 刀具补偿 加减速控制 位置 指令
插 补
位置前馈
误差补偿
速度前馈 位置环 PID控制器 位置反馈
扭矩前馈
伺服系统
电流 控制 电流反馈
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速度 控制
速度反馈
3.1 CNC装置的硬件结构
4. 交流伺服电机的脉冲控制 特点： 1）接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。 2）解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。 3）由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动 态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。
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3.1 CNC装置的硬件结构
1. 多微处理器数控系统的功能模块 1）CNC 管理模块 2）CNC 插补模块 3）PLC 功能模块
4）位置控制模块
5）主轴控制模块 6）操作面板控制及显示模块 7）主存储器模块
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3.1 CNC装置的硬件结构
2. 多微处理器数控系统的结构形式 1）共享总线结构 2）共享存储器结构
系统（如Windows、WinCE、Linux等）平台，构建数控系
统的HMI，通过串行通信、现场总线与NC系统相连。 利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放
性。
便于和其它软件连接（如CAM、网络等）。 与NC的连线简单，安装方便。
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3.1 CNC装置的硬件结构
2）操作面板具有CPU 机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于 很多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到NC（或PLC） 的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机 控制，通过串行通信和NC相连。大大节约了连线成本，提高了运 行的可靠性。 3）PLC采用独立CPU 嵌入式PLC采用系统CPU，通过分时软件，实现I/O控制功能。 结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间 不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。 因此，对于高性能加工中心，PLC控制点数多，程序量大， PLC采用独立的CPU，设计成独立的PLC(模块)，通过串行通信或 双端口RAM和系统CPU实现数据通信和数据共享，进而实现NC和 PLC的协调工作。 38
滞留脉冲 = 接收的指令脉冲数 – 电机旋转脉冲数 n = （滞留脉冲/电机每转脉冲数）* 位置环增益 (r/s)
脉冲输出 接口电路 交流伺服 驱动器
CPU
电机
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3.1 CNC装置的硬件结构
5. 总线式控制 CPU 伺服 驱动器 伺服 电机