12计算机数控系统
CNC工作原理
CNC工作原理CNC（Computer Numerical Control，计算机数控）是一种先进的自动化控制技术，广泛应用于各种机械加工领域。
它通过计算机程序控制机床的运动和操作，实现高精度、高效率的加工过程。
本文将详细介绍CNC工作原理，包括数控系统、数控编程和机床控制等方面的内容。
一、数控系统数控系统是CNC工作的核心部分，它由硬件和软件两部分组成。
硬件包括主机、控制柜、操作面板、伺服电机等设备，软件则是运行在主机上的程序。
数控系统的主要功能是接收和解释用户输入的加工程序，并将指令转化为机床运动的控制信号。
数控系统的工作原理是将加工程序中的指令逐行读取，并按照预定的顺序执行。
每条指令包含了机床运动、刀具切削和加工参数等信息。
数控系统根据这些信息，控制伺服电机的转动，使机床按照预定的路径和速度进行加工。
二、数控编程数控编程是将零件的几何形状和加工要求转化为机床可识别的指令的过程。
数控编程语言有多种，常用的包括G代码和M代码。
G代码用于定义机床的运动轨迹，如直线、圆弧等；M代码用于定义机床的辅助功能，如切削液开关、主轴启停等。
数控编程的基本步骤包括：确定加工顺序、选择合适的刀具、绘制零件的几何图形、确定刀具路径、计算切削参数、生成加工程序等。
编写好的加工程序可以通过U盘、网络或直接输入到数控系统中。
三、机床控制机床控制是指数控系统对机床运动的控制。
数控系统根据加工程序中的指令，控制伺服电机的转动，使机床按照预定的路径和速度进行加工。
机床控制的主要参数包括进给速度、进给方式、切削速度、切削深度等。
机床控制的实现方式有多种，常见的包括点位控制和连续控制。
点位控制是指机床在每个加工点上停留一段时间，然后再移动到下一个加工点；连续控制则是机床在加工过程中连续运动，不停留在每个加工点上。
四、CNC工作流程CNC工作的基本流程包括：设计零件几何形状和加工要求、编写加工程序、设置机床和工件、调试和运行加工程序、检查加工结果。
数控知识点
1、机床数控技术：用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。
2、数控系统：是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。
3、计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC）：是以计算机为核心的数控系统。
4、数控机床的分类：1. 按运动控制轨迹分类1). 点位控制数控机床2). 直线控制数控机床3). 轮廓控制数控机床2.按伺服系统类型分类1）开环控制数控机床2）闭环控制数控机床3）半闭环控制数控机床3.按工艺方法分类1）金属切削数控机床2）金属成形数控机床3）特种加工数控机床5、柔性制造单元（FMC）柔性制造系统（FMS）柔性加工线(FML) 计算机集成制造系统(CIMS) 分布式数控（DNC）6、坐标轴的命名及方向标准规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。
7、模态代码：大多数G、M代码输入一次（一旦被指定），该功能持续有效，除非被同组其它任一代码替代或取消。
模态代码在编下一个程序段时不必重新输入。
8、刀具半径补偿过程分为三步：刀补的建立刀补的进行刀补的撤销9、数控加工工艺性分析采用统一的几何类型和尺寸内槽圆角半径不应过小槽底圆角半径r不应过大10、数控机床的夹具只需夹紧和定位的功能夹具结构应力求简单，加工部位要敞开多件装夹，以提高加工效率等。
11、对刀点是数控加工时刀具相对工件运动的起点，也是程序的起点。
也称程序起点或起刀点。
12、数控编程中的数学处理直线、圆弧类零件的数学处理基点：相邻几何元素间的交点或切点称之为基点节点：相邻逼近线段的交点或切点称为节点。
用直线段逼近非圆曲线时节点的计算：弦线逼近法;等间距法; 等步长法; 等误差法。
13、坐标系统机床原点：定义为主轴旋转中心线与车床端面的交点；工件原点：一般选在工件的回转中心与工件右端面或左端面的交点上。
14、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。
数控系统(CNC系统)
参考资料：/%C5%C9%BF%CB652/blog/item/040742fc5ab3e50eb17e c577.html一、ＣＮＣ系统的基本构成ＣＮＣ系统是一种用计算机执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能的数字控制系统。
由于采用了计算机，使许多过去难以实现的功能可以通过软件来实现，大大提高了ＣＮＣ系统的性能和可靠性。
ＣＮＣ系统的控制过程是根据输入的信息，进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。
ＣＮＣ系统由硬件和软件组成，软件和硬件各有不同的特点。
软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，但成本高。
ＣＮＣ的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分的数控功能。
二、ＣＮＣ系统的硬件结构ＣＮＣ系统的硬件结构可分为单微处理器结构和多微处理器结构两大类。
早期的ＣＮＣ系统和现有的一些经济型ＣＮＣ系统采用单微处理器结构。
随着ＣＮＣ系统功能的增加，机床切削速度的提高，单微处理器结构已不能满足要求，因此许多ＣＮＣ系统采用了多微处理器结构，以适应机床向高精度、高速度和智能化方向的发展，以及适应计算机网络化及形成ＦＭＳ和ＣＩＭＳ的更高要求，使ＣＮＣ系统向更高层次发展。
１．单微处理器结构图６－３ＣＮＣ系统硬件的组成框图所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时处理ＣＮＣ系统的各个任务。
某些ＣＮＣ系统虽然采用了两个以上的微处理器，但能够控制系统总线的只是其中的一个微处理器，它占有总线资源，其他微处理器作为专用的智能部件，不能控制系统总线，也不能访问存储器，是一种主从结构，故也被归入单微处理器结构中。
单微处理器结构的ＣＮＣ系统由计算机部分（ＣＰＵ及存储器）、位置控制部分、数据输入／输出等各种接口及外围设备组成。
ＣＮＣ系统硬件的组成框图可参见图６－３。
（１）计算机部分计算机部分由微处理器ＣＰＵ及存储器（ＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ）等组成。
微处理器执行系统程序，首先读取加工程序，对加工程序段进行译码、预处理计算等，然后根据处理后得到的指令，对该加工程序段进行实时插补和对机床进行位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（ＰＬＣ）发给机床，同时接收由ＰＬＣ返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。
计算机数控装置概述
（1）CNC管理模 块
系统初始化、中断管理、总 线裁决、系统出错识别和处理、 系统软、硬件诊断等。
（2）CNC插补模块
译码、刀具半径补偿、 坐标位移量计算和进给速度处 理等预处理，插补运算。
（2）设置恒定线速度 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 为了提高加工工件的表面质量.
（3）主轴准停 主轴周向定位于特定位置控制的功能。---换刀
7、辅助功能(M)
主要用于指定主轴的正、反转 、停止、冷却液的打开或关闭，换 刀等动作。
8、刀具功能 T
用来选择刀具并且指定有效刀 具的几何参数的地址。
设备层
显示设备
其他设备
计算机系统 输入/出设备
接
口
人机控制 运动控制
PMC 其他I/O
机床 机器人 测量机 ...
计算机基本系统：
CPU
EPROM或 E2PROM
RAM
输入/输出接口
主轴控制 通信接口
MDI接口
PLC接口 CRT
或液晶显示接口 位置控制
纸带阅读机接口
2、CNC装置的软件框图
CNC装置系统软件
集成的要求。
12、自诊断功能 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。
13、人机对话编程功能
➢ 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。
第二节 CNC装置的硬件结构
9、补偿功能
刀具长度及半径补偿； 丝杆的螺距误差和反向间隙误差
的补偿； 可以在加工前输入到机床的存储
单元里,
10、字符图形显示功能
计算机数控装置(CNC)
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。
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)
2计算机数控(CNC)系统
3.机床控制部分的功能： 机床控制部分包括位置控制、速度控制和机 床状态控制。位置控制是通过对机床伺服执行元件 的控制来实现的。伺服机构包括位置控制和速度控 制，一般构成闭环控制。 机床的逻辑状态检测部分的功能是控制机床 上有关状态传感元器件的输出信息，机床逻辑状态 控制部分的功能是控制机床主轴电机的起停，冷却 泵、油泵的开启与停止，换刀等。
直线线型 进给方向
偏差计算 Fm+1=Fm + xe
L1,L4 L2,L3
+X -X
L1,L2 L3,L4
+Y -Y
2.2 数控系统的硬件
3.偏差计算公式 偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以 第Ⅰ象限直线为例导出其偏差计算公式。
图2-11
直线插补过程
如图2-11所示动点与直线位置关系。第一象限直线 OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点 坐标E（Xe，Ye），直线方程为 Xe Y－ Ye X ＝0 (2-1) 直线OE 为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动 点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直 线上、直线下方。 （1） 若P1点在直线上方，则有： XeY－XYe>0 （2） 若P点在直线上，则有 ： XeY－XYe＝0 （3）若P2点在直线下方，则有 ： XeY－XYe<0 因此，可以构造偏差函数为 ：
∑=4+1=5<N
∑=5+1=6<N ∑=6+1=7<N ∑=7+1=8=N
7.四象限插补
y L2 F0 F<0 F<0 F0 L3
四象限直线偏差符号和进给方向
L1 F0 F<0 x F<0 F0 L4
8.四象限直线插补计算公式及进给方向
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。
1。
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二、 CNC装置的软件结构
10
1、 软件结构特点
1. CNC装置软件硬件的界面
纸 带
第一种 硬件
输
插补
入
准备
软件
插
位
补
控
硬件
纸
输
插补
插
位
速
电
带
入
准备
补
控
控
机
测量
第二种 硬件 第三种 硬件
软件 软件
硬件
硬件
三种典型的软硬件界面关系
11
2. 系统软件的内容及结构类型
系统软件的组成：（管理和控制）
管理
控制
输 I/ 显 诊 通 译 刀
O
具
处
补
入 理示断 讯码偿
速 插位
度
置
处
控
理 补制
CNC装置软件任务分解
输入
显示
位控
诊断
I/O
译码
插补
刀补
速度处理
位控
软件任务的并行处理
13
（2）并行处理
并行处理： 是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以 上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。
中断级别高
插补
输入
准备
键盘
中断级别低
资源（CPU）分时共享图
16➢ 资源分时共享技源自的特征✓ 在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； ✓ 在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行
V
了两个或两个以上的任S 务。
因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意 义，即从微
观上来看，各个任务还是逐一执行的。
3）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。
4）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。
（2）CNC系统中断结构模式
1）前后台软件结构中的中断模式 2）中断型软件结构中的中断模式
初始化 背景程序
实施中断 程序
20
三、 CNC系统的硬件构成
21
1、 CNC系统的外部硬件构成
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。
并行处理的分类：
V
“资源重叠的流水处理”和“资S 源分时共享” 资源共享：
根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。 时间重叠：
根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用 同一套设备的几个部分。
14
1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系 统）
➢ 在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时 共享”并行处理技术。
管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理
等程序。
V
S
控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。
管理方式：
单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元
12
3. 多任务并行处理
（1）CNC装置的多任务性
CNC装置
录放
系统控制软件 管理软件 控制软件
输
输显
诊译
补速插
位
入
出示
断码
偿度补
控
程
程程
程程
计控程
程
序
序序
序序
算制序
序
图4.1 CNC软件的构成
4
3、简要工作过程：
1）输入： 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输
入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的 DNC接口输入 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解 释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的 数据格式存放在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的 处理等。
➢ 资源分时共享——在规定的时间长度（时间片） V 内，根据各任务实S 时性的要求，规定它们占用 CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。
➢ “资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。
其二：各任务占用CPU的时间长度，即
时间片的分配问题。 15
初始化
显示
诊断
I/O V 处理 S
插补 位控
17
➢ 流水处理技术的涵义
流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大 的任务分成若干个子任务(V 任务的分法与资源重复的多
S
少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺 序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分 不同工序加工零件的流水作业一样。
18
空 间
空
输输输
间
出出出
输
输
出
出V
2
CNC装置的组成和工作原理
数控加工程序
应用软件
控制软件
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC系统平台
3
1. 硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。
2. 软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称
专用的）计算机操作系统。
初始化
编辑
存储
系统 程序管理
S
CPU1 1 2 3 1 2 3
t
2t
时间
CPU3
333
CPU2
222
CPU1 1 1 1
t t+△t 时间
顺序处理
并行处理
流水处理技术示意图
19
4. 实时中断处理
（1）CNC系统的中断类型
1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入
中断。 V
2）内部定时中断：插补周期定时S 中断和位置采样定时中断。
5
4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲 线的已知起点和终点之 间进行“数据点的密化工作”。
5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的 理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。
6）PLC处理：处理CNC装置与机床之间的信息。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误
22
2、 CNC装置的体系结构
CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理 机系统，中 高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 ■ 单微处理机结构:见下图 ■ 多微处理机CNC装置的结构：分为紧耦合和松耦 合 紧耦合主要指共享总线、共享存储器； 松耦合主要有分布式结构
状态。
6
零件加 工程序
输入
译码
M、S、T 等辅助信息
PLC
G、F等几何、 工艺信息
预处理
机床电气
插补运算
伺服控制 电机
检测 反馈
7
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
CNC系统的功能
8
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
计算机数控系统
1
一、 CNC系统的组成
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。
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。