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。
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CNC数控系统的结构框图,,图10-1 CNC数控系统的组成,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(MDI)接口和显示(CRT)接口CNC装置硬件的组成如图10-2所示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,CNC数控装置的系统软件结构,,图10-3 CNC装置软件的组成,,第二节 计算机数控装置（CNC）,二、CNC数控装置的微处理器结构1．单微处理器结构； 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控的各个任务。
而有的CNC系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源；而其它微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器它们组成主从垂直结构，也被归于单微处理器结构 2．多微处理器结构； 在一个系统中有两个或两个以上的微处理器，则该系统结构称多微处理器型结构目前使用的多微处理器结构有三种不同的结构形式，即分布式、主从式和总线式多主CPU结构，见图10-5，10-6，10-7所示第二节 计算机数控装置（CNC）,,图10-5分布式多微处理器结构,图10-6 主从式多微处理器结构,图10-7总线式多微处理器结构,第二节 计算机数控装置（CNC）,三、PLC在数控系统中的应用 PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间的中间环节，根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算，并完成输入／输出控制功能，PLC用在CNC系统中有内装型和独立型之分1. 内装型PLC 内装型PLC与CNC其它电路通常装在一个机箱内，共用一个电源布和地线，它的硬件和软件部分被作为CNC系统的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配能力强等优点见图10-8所示。
2. 独立型PLC 独立型PLC处于CNC装置和机床之间，用PLC程序代替以往的继电器线路实现M、S、T功能的控制和译码独立型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内I/O点数可通过I／0模块或者插板的增减灵活配置，使得PLC与CNC的I／0信号连接变得简单 见图10-9所示第二节 计算机数控装置（CNC）,,图10-8 内装型PLC的CNC数控系统结构图,图10-9 独力型PLC的CNC系统结构图,第三节 CNC数控装置的特点及其功能,一、CNC装置的特点 1.灵活通用； 2.控制功能的多样化； 3.使用可靠、维修方便；4.易于实现机电一体化； 二、 CNC数控装置的功能 1.控制轴功能； 2.准备功能（G功能）； 3.插补功能； 4.进给功能； 5.刀具选择功能； 6.刀具补偿功能；7.主轴功能；,第三节 CNC数控装置的特点及其功能,8.辅助功能；9.字符显示功能 ；10.自诊断功能； 11.固定循环功能； 12.通信功能； 13.刀具磨损补偿功能；14.人机对话编程功能；15.宏程序功能 第十一章 CNC数控装置的插补原理及刀具补偿原理,第一节 概述第二节 逐点比较法直线插补第三节 刀具补偿原理,第一节 概述,在机械加工中，零件的轮廓形状是由各种线形（如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、自由曲线）构成的，其中最主要的是直线和圆弧。
为满足零件几何尺寸精度要求，必须在刀具（或工件）运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点（在起点和终点之间）这就是数控技术中插补的概念(Interpolation) 所谓插补，就是根据进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理而对每种方法（原理）又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称为插补算法插补计算就是对数控系统输人基本数据（如直线的起点和终点，圆弧的起点、终点、圆心坐标等），运用一定的算法进行计算，并根据计算结果向相应的坐标发出进给指令数控系统中常用的插补算法有逐点比较法和数字积分法第二节 逐点比较法直线插补,一、概念 逐点比较法就是刀具（或工件）每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧，其最大误差一般不超过一个设定单位（脉冲当量）二、逐点比较法工作节拍1.偏差判别判别加工点对规定图形的偏离位置，决定拖板进给的走向；2.进给控制某个坐标工作台进给一步，向规定的图形靠拢，缩小偏差；3.偏差计算计算新的加工点对规定图形的偏差，作为下一步判别的依据；4.终点判别。
判断是否到达终点，若到达则停止插补，如没有到达终点，再回到第一拍，如此不断重复上述循环过程，就能加工出所需要的轮廓形状逐点比较法工作节拍见图11-1所示逐点比较法工作节拍,,图11-1逐点比较法的工作节拍,第二节 逐点比较法直线插补,三、逐点比较法偏差计算公式： 1.设在某加工点处，有Fm≥0，则:,,,,,,2.设在某加工点处，有Fm< 0，则:,,图11-2逐点比较法直线插补,第二节 逐点比较法直线插补,,图11-3 第一象限逐点比较法直线插补的运算流程,第三节 刀具补偿原理,一、概述根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具补偿功能应用刀具补偿功能，NC系统可对刀具半径进行自动校正，使编程人员可以直接根据零件图纸进行编程，而不必考虑刀具的尺寸因素它的优点体现在以下两个方面：第一，当刀具的磨损或因换刀而引起的刀具半径变化时，不必重新编程，只需修改相应的偏置参数即可；第二，当轮廓加工需要多个工序完成时，在粗加工时要为精加工工序预留加工余量，加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序，即粗、精加工程序一样，只需输人新的刀具参数即可。
第三节 刀具补偿原理,二、刀具半径补偿的工作过程和常用方法1.刀具半径补偿的工作过程（图11-5，11-6所示）（1）刀补建立； （2）刀补进行；（3）刀补撤消2.刀具半径补偿的常用方法 （1）B刀补法；（2）C刀补法 ；,刀具半径补偿及其工作过程,,第十二章 常见数控厂家的数控产品,第一节 FANUC公司数控系统介绍第二节 SIEMENS公司数控系统介绍第三节 国产数控系统介绍,第一节 FANUC公司数控系统介绍,日本FANUC公司是专门从事生产数控装置及工业机器人的著名厂家，也是世界上最有影响的专业厂家之一该公司自20世纪50年代末期生产数控系统以来，已开发出40多种数控系统，特别是20世纪70年代中期开发出FS5、FS7系统以后，所生产的数控系统都是CNC数控系统我国是由北京机床研究所最先引进FANUC数控系统，目前FANUC公司的产品在我国占据着很广阔的市场20世纪80年代，FANUC公司较有代表性的系统是F6和F11,目前主要产品有F0、F15、F16/F18和F20等系列 FANUC公司 的产品一般采用大板式、模块化、多总线式结构，在插补功能上除具有直线、圆弧、螺旋线插补之外，还具有假想轴插补、极坐标插补、圆柱面插补、指数函数插补、渐开线插补等多种插补算法。
在补偿功能方面，具有螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿、坡度补偿、线性度补偿以及各种刀具补偿在切削进给加／减速功能方面，具有插补前直线加／减速、插补后直线加／减速以及插补后钟形加／减速等多种在故障诊断方面除了具备基本的自诊断功能外，还引进了专家系统，即采用了人工智能进行故障诊断第二节 SIEMENS公司数控系统介绍,西门子公司（SIEMENS）是生产数控系统的著名厂家，该公司的产品在我国也拥有广阔的市场，同日本FANUC公司产品一样，在我国的数控机床制造业中占有重要的地位，由于它们的技术的优越性和可靠的产品质量，在我国的数控机床制造业中占据着半壁江山SIEMENS公司的CNC数控装置主要有SIEMENS810/820/850/805/840等系列 SIEMENS数控系统主要由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储模块、文字图形处理模块、接口模块、1/O模块、CRT显示器及操作面板组成其基本功能有：可控制2-31个坐标轴，任意两坐标的直线和圆弧插补，任意三坐标的螺旋线插补，三坐标的直线插补可用屏幕的对话、图形功能、使用软键及软键菜单操作系统的功能，并可用图形模拟来调试程序可用极坐标、圆弧半径编程及轮廓描述编程。
诊断功能完善，有内部安全监控、主轴监控和接口诊断等，在屏幕上可以显示机床参数、机床报警信息以及PLC的接口状态目前开发的全数字式数控系统，整个CNC（包括集成式PLC）缩小为剿模块并集成于驱动系统中，中英文操作显示，最多可控制31个轴，独立型PLC控制可达128点输入/256点输出第三节 国产数控系统介绍,一、华中数控系统华中数控系统（HNC-21M）是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一它以通用的工业PC机(IPC)和DOS、Windows操作系统为基础，采用开放式的体系结构，使华中数控系统的可靠性和质量得到了保证它适合多坐标(2～5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也能适应于其它类型的数控机床(如数控磨床、数控车床等)以及特种加工机床(如激光加工机、线切割机等)系统的硬件有工业PC机（IPC）、交流主轴驱动单元和交流进给伺服单元等几个部分组成系统的软件结构包括底层控制软件和上层控制软件系统的硬件结构和软件结构见图12-1，12-2所示华中数控系统的硬件结构,,华中数控系统的软件结构,,图12-2 华中数控系统的软件结构,第三节 国产数控系统介绍,二、BEIJING—FANUC 0系统介绍 BEIJING—FANUC 0系统是北京发那科机电有限公司通过购买FANUC公司印制板并组装生产CNC单元而开发的，目前在国内有一定的市场份额，主要适用于数控车床、数控铣床、加工中心等机床。
BEIJING—FANUC 0系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的芯片，系统的CNC单元为大板结构，基本配置有主印制电路板(PCB)、存储器板、I／0板、伺服轴控制板和数控电源板各板插在主板上，与CPU的总线相连BEIJING一FANUC0系统全部用数字式交流伺服控制，4-6轴(最大配置)控制，4轴联动显示器可用CRT，也可用液晶显示器(LCD)，标准为9英寸黑白CRT，高密度字符显示，也可配彩色显示器系统有两个串行口(RS一232C)，分4个通道，用于系统与外部设备的数据交换。