数控机床(第三单元)(第10章))教材

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1、第三单元 计算机数控系统（ CNC） 目录 第十章 CNC数控系统的组成及其特点 第十一章 CNC数控装置的插补原理及刀具补偿原 理 第十二章 常见数控厂家的数控产品 第十三章 进给伺服系统 第十章 CNC数控系统的组成及其特点 第一节 CNC数控系统； 第二节 计算机数控装置（CNC）； 第三节 CNC数控装置的特点及其功能； 第一节 CNC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的 并实现数字控制的系统，简称CNC数控系统。 CNC数控系统由数控程序、输人装置、输出装置 、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑

2、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，见图10-1所示。 CNC系统的组成 输入/ 输出 装置 数控 装置 驱动控制 装置 机床电器逻 辑控制装置 机 床 本 体 数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出 识别和解释数控程序，完成 数据计算和逻辑判断处理 主轴和进给轴驱动控制 接受数控装置的开关命令，完成主轴选速、起停和方向控制功能 ，换刀功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机 床辅助功能。 内部：程序编辑器 数据 输入 外部：磁盘，穿孔纸带， 计算机通信 数控加工程序 数控加工程序译 码（或解释） 开关命令 （M,T） 几

3、何数据，工艺数据 插补 可编程控制器 PLC（刀具交换、 切削液开/关等） 机床 反馈信息 进给脉冲或插补数据序列 数控系统的主要工作过程 CNC数控系统的结构框图 图10-1 CNC数控系统的组成 第一节 CNC数控系统 CNC系统的核心是CNC数控装置装置。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 进行远程通讯的功能，它比传统的NC硬件数控装置 更具灵活性和通用性，控制功能灵活多样并易于实 现机电一体化产品的控制。 第一节 CNC数控系

4、统 现代数控系统采用可编程控制器(PLC)取代 了传统的机床电器逻辑控制装置，即继电器 控制线路。用PLC控制程序实现数控机床的各 种继电器控制逻辑。PLC位于数控装置之外， 称独立PLC，也可以和数控装置合为一体，称 为内装型PLC。 第二节 计算机数控装置（CNC） 一、 CNC数控装置的组成 1.CNC数控装置由硬件和软件组成，软件在硬件的 支持下工作，二者缺一不可。CNC装置的硬件除具有 一般计算机所具有的微处理器（CPU）、存储器（ ROM,RAM),输人输出(I/O)接口外，还具有数控装置要 求的专用接口和部件，即位置控制器、数据输入/输 出接口（纸带阅读机接口）、手动数据输人(M

5、DI)接 口和显示(CRT)接口。CNC装置硬件的组成如图10-2 所示。 CNC数控装置硬件的组成结构 图10-2 CNC装置硬件的组成框图 第二节 计算机数控装置（CNC） 一、 CNC数控装置的组成 2.CNC装置的软件是为了实现CNC系统各功能 而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软 件的控制下，CNC装置对输人的加工程序自动 进行处理，并发出相应的控制指令。系统软件 由管理软件和控制软件两部分组成 。 CNC装 置软件的组成如图10-3所示。 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地 组织、管理整个系统的各项工作。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系

6、统的系统平台 。 以计算机标准硬件为基础，软件取代专有硬件（ 软件化数控）是发展趋势。 CNC数控装置的系统软件结构 图10-3 CNC装置软件的组成 工作过程：CNC装置的工作过程是在硬件的支 持下，执行软件的过程。CNC装置的工作原理是 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、计算机的处理、运算，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，驱动伺服电机，带动坐标 轴运动，同时进行实时位置反馈控制，使每个 坐标轴都能精确移动到指令所要求的位置。 7 1、输入功能 通过输入设备完成加工零件各种数据信息的输入， 信息：零件程序、控制参数和补偿数据。 方式：

7、光电阅读机纸带、键盘、磁盘、通信接口、 DNC接口等 存贮：内存存储器 7 2）译码：数控加工程序按零件加工顺序记载着机床加工 所需的各种信息，其中包括零件加工的轨迹信息（如几何形状 和几何尺寸等）（几何数据）、工艺信息（如进给速度和主轴 转速等）（工艺数据）和开关命令（如换刀、冷却液开/关等 ）（开关功能）。 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。过程中，完成对程序段语法检查，如有错误立即 报警显示。 译码定义：将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成为数控装置中计算机能 识别的数据形式，并按约定的格式存放在

8、指定的译码结果缓冲器中。 译码功能：代码的识别和功能代码的解释。 7 3）刀具补偿：通常安装零件加工轮廓轨迹编 程，实际控制刀具中心轨迹，不是刀尖轨迹，需要 补偿既是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。是 实时插补钱要完成的一项准备工作。 7 4）进给速度数据处理 编程指令给定的是刀具移动速度轴各坐标合成方 向的速度，处理要根据合成速度计算出各坐标方向 分速度，同时还要对机床允许最大和最高速度限制 进行判别处理。 7 5）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”。 6）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

9、其差值去 控制进给伺服电机。需要完成位置电路的调整，各 坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，提供定位精 度。 7 7）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号 输入、输出和控制。例如：换到、换挡冷却等。 8）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态 、报警显示等。还有刀具加工轨迹和动态图形显示。 9）诊断：具有联机和脱机诊断功能。联机诊断是 指系统空运转条件下诊断。脱机诊断用于检测存储器 、外围设备和接口等。可以远程诊断，通过电话线连 接，检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 7 CNC装置的功能 CNC装置的功能是指它满足不同控制对象各 种要求的能力，通常包括基本功能和选择功 能。

10、 1. 基本功能是数控系统必备的功能，如控制功 能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功 能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能和自 诊断功能等。 2. 选择功能是供用户根据不同机床的特点和 用途进行选择的功能，如补偿功能、固定循环 功能、通信功能和人机对话编程功能等。 功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。 q 基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能； q 选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。 二二. . CNC CNC装置的功能装置的功能 1. 控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 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

11、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。 如数控车床一般为两轴联动，数控铣床及加工中心一般需要三轴或 三轴联动。 功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。 q 基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能； q 选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。 二二. . CNC CNC装置的功能装置的功能 2. 准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。主要有基本移动、程序暂停、坐 标平面的选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环、基准点返回、 公英制转换、绝对值与相对值的转换等。ISO标准对准备功能从 G00-G99的100中指令中的大部分进行了统一的标准定义，

12、部分可 由系统生成厂家根据特定的控制需要来定义。G代码有模态（绩效 特性）和非模态（一次有效）两种 3. 插补功能和固定循环功能 插补功能 数控系统实现零件轮廓(平面或空间 )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 进给速度的控制功能。 q进给速度（每分钟进给量）以每分钟进给距离的形式指定刀具切削进给 速度，用F字母和后续数字表示。ISO规定F后续用1-5位数表示。对于直 线坐标轴，如F15000表示进给速度为15000mm/min。对于回转轴，F120 表示进给速度是120r/min。 4. 进给功能

13、进给速度的控制功能。 q同步进给速度每转进给量，同步进给速度即以机床主轴每转进给量规定 的进给速度。如0.01mm/r。只有主轴上装有位置编码器的机床才能指定 同步进给速度。 q快速进给速度它通过参数设定，制定G00指令采用此速度，还可通过 操作面板上的快速倍率开关调节此速度。 q进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，倍率一般在10%-200%之 间，使用倍率开关不修改程序中的F代码，就可以改变机床的进给速度 ，对每分钟进给量和每转进给量都有效。 5. 主轴功能 主轴切削速度、周向位置控制功能。 q 主轴转速主轴转速的控制功能，单位：r/min。 q 恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速 的

14、控制功能。单位：（m/min） q 主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。 q C轴控制主轴周向任意位置控制的功能。 q 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） 用于指令机床辅助操作的功能。用字母M和它后续的2位数字表示 ，ISO标准中规定了一部分M功能的意义。负载功能可以用于规定主轴的转向 、切削液的开关、刀库旋转的启停、刀具的自动交换、工件的夹紧与放松、 工作台的上升、下降和旋转等。 7. 刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。 q 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； q 刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到

15、期时，CNC系统将提示 更换刀具； q 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 q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。 q传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。 q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。 9. 字符、图形显示功能（人机对话功能） 在CNC装置中这类功能有： q菜单结构操作界面； q零件加工程序的编辑环境； q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。 q开机自诊断；在线自诊断； q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 qRS232C接口，可传送零件加工程序， qDNC接口，可实现直接数控， qMAP(制造自动化协议)模块， q网卡 适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。 12.人机交互图形编程功能 计算机辅助编程功能 2、选择功能 1）补偿功能 CNC装置可以对加工过程中由于刀具磨损或损坏 ，以及机械传动中的丝杆螺距误差和反向间隙所引起的加工误差予 以自动补偿。