1、1第二講第二講 數控系統的組成及工作原理數控系統的組成及工作原理武漢船舶職業技術學院機械系 周蘭數控機床與使用維修2本講主要內容本講主要內容lCNC數控系統基本構成數控系統基本構成 l機床數控系統的基本工作原理機床數控系統的基本工作原理 l刀具半徑補償原理刀具半徑補償原理3引言引言l計算機數控系統是一種包含計算機在內的數字控制系統。它是一種位置控制系統，主要用于控制刀具和工件之間的相對位置。l數控系統的主要工作過程是根據輸入的信息（加工程序），進行數據處理（刀具長度和半徑補償）和插補運算（確定刀具或工件的運動軌跡），從而獲得理想的運動軌跡信息。l為了適應工業自動化的需要以及網絡、遠程控制的需要

2、，CNC通常備有RS232、RS422串行通信接口，高檔CNC還具有DNC或MAP接口。有些生產廠家還紛紛采用MAP工業控制網絡。4一一CNC數控系統基本構成數控系統基本構成 5數控系統構成可以用下面的框圖表示：數控系統構成可以用下面的框圖表示： 硬件系統 微機部分 外圍設備部分 機床控制部分CNC數控系統 輸入數據處理程序 系統軟件 插補運算程序 軟件系統 速度控制程序 管理程序 診斷程序 應用軟件6硬件構成（硬件構成（1 1） ：l微機部分：是CNC的核心，主要由CPU、存儲器和接口電路組成。lCPU由運算器和控制器組成。l運算器（ALU）主要對數據進行算術和輯運算，其電路結構如圖所示。

3、7運算器工作原理圖：運算器工作原理圖：8硬件構成（硬件構成（2 2） ：l寄存器用于存放操作數，累加器除存放運算操作數外，在連續運算中，還用于存放中間結果和最后結果。寄存器和累加器中的部分數據均從存儲器中取得；累加器的最后結果也存放到存儲器中。l現代計算機的運算器有多個寄存器，如8個、16個、32個等。稱為通用寄存器組。設置通用寄存器組可以減少訪問存儲器的次數，提高運算速度。l控制器從存儲器中依次取出組成程序的指令，經過譯碼后向數控系統各部分按順序發出執行操作的控制信號，使指令得以執行。它一方面向各部件發出執行任務的命令，另一方面又接受執行部件的反饋信息。其電路結構如圖示9控制器結構簡圖：控制

4、器結構簡圖：10硬件構成（硬件構成（3 3） ：l外圍設備主要包括操作面板、鍵盤、顯示器、光電閱讀機、紙帶穿孔機和外部存儲器等。l操作面板：由于不同數控機床的動作不同，所配備的操作面板是不同的。一般操作面板具有如下按鈕和開關：l進給軸手動控制按鈕，用于手動調整時移動各坐標軸。l主軸啟停與主軸倍率選擇按鈕：用于主軸的啟停與正、反轉以及主軸調速。自動加工啟停按鈕：用于自動加工過程的啟動于停止。l條件程序段選擇開關：用于條件程序段是否執行。l倍率選擇開關：用于選擇進給速度的倍率及點動量。l另外還有一些狀態指示等、報警裝置等。11硬件構成（硬件構成（4 4） ：l機床數控系統 主要是通過對伺服機構的控

5、制來實現對機床移動部件的控制。包括速度和位移的控制以及它們反饋裝置的控制。12軟件構成（軟件構成（1 1）：）： l輸入數據處理程序：接受加工程序，對程序進行譯碼，對數據進行處理。加工程序給定的是待加工工件的輪廓，而實際上，應該控制刀具中心的運動軌跡。這就存在一個輪廓轉換的問題。只要告訴系統所使用的刀具并將刀具相應的參數輸入系統中，該轉換工作由輸入數據處理程序自動完成。13軟件構成（軟件構成（2 2）：）： l插補程序：根據加工程序所提供的加工信息，如曲線的種類（直線、圓弧或其它曲線）、起終點（直線的起點、終點，圓弧的起點、終點及圓心）、加工方向（順時針、逆時針），對這些信息進行插補運算，決定

6、每一個脈沖到來時的移動方向及步長，以及曲線與曲線之間如何過渡等。14軟件構成（軟件構成（3 3）：）： l速度控制程序：根據給定的速度值控制插補運算的頻率，保證預定的進給速度。并能根據反饋值的正與負自動地調節速度的大小。15軟件構成（軟件構成（3 3）：）： l速度控制程序：根據給定的速度值控制插補運算的頻率，保證預定的進給速度。并能根據反饋值的正與負自動地調節速度的大小。l管理程序：負責對數據輸入、數據處理、插補運算等各種程序進行調度管理；對諸如面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理；子程序的調用；共享資源的分時享用等。l診斷程序：通過識別程序中的一些標志符來判斷故障的類型和所在地

7、。16二機床數控系統的基本工作原理二機床數控系統的基本工作原理171 數控系統工作原理框圖：數控系統工作原理框圖：18程序的輸入：程序的輸入： l分為手動輸入和自動輸入兩種方式。手動輸入通常用鍵盤輸入；自動輸入可用穿孔紙帶、磁帶或用通訊的方式。19譯碼：譯碼： l主要是將標準程序格式翻譯成便于計算機處理數據的格式（高級語言機器語言）。20三、三、刀具半徑補償刀具半徑補償21補償的類型：補償的類型：l分為左補償和右補償兩種情形。l刀具半徑左補償：沿著加工方向，當刀具位于工件左側時，稱刀具半徑左補償。加工時用G41指令調用。l刀具半徑右補償：沿著加工方向，當刀具位于工件右側時，稱刀具半徑右補償。加

8、工時用G42指令調用。 22刀具半徑補償圖例：刀具半徑補償圖例：23刀具補償的步驟：刀具補償的步驟： l刀具半徑補償的建立：刀具由起刀點以進給速度接近工件，刀具中心在法線方向與待加工工件偏離一刀具半徑。偏置方向由G41及G42確定。l刀具半徑補償的進行：一旦建立刀補，刀具始終偏離工件輪廓一定距離，直到取消刀補為止。l刀具半徑補償的取消：刀具撤離工件，回到退刀點，取消刀具半徑補償。退刀點應位于零件輪廓之外，可以與起刀點相同，也可以不相同。l 24刀具半徑補償圖例：刀具半徑補償圖例：25刀具半徑補償示例：刀具半徑補償示例：lO0010l N10 G98 G40 G21； （程序初始化）l N20

9、T0101； （轉1號刀，執行1號刀補）l N30 M03 S1000； （主軸按1000rrain正轉）l N40 G00 X00 Z100； （快速點定位）l N50 G42 G01 X00 Z00 F100 （刀補建立）l N60 X400；l N70 Z-180； （刀補進行）l N80 X800；l N90 G40 G00 X850 Z100； （刀補取消）l N100 G28 U0 W0； （返回參考點）l N110 M30；263刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（1）：）：l基本思想：刀具半徑補償的計算就是根據零件輪廓和刀具半徑值計算出刀具中心的運動軌跡。對于數控系統來說，工件

10、輪廓主要是直線和圓弧或將其它輪廓用極限的方法轉換成直線或圓弧。對直線輪廓而言，刀補中心軌跡是一條平行于工件輪廓且與輪廓等長的直線，用兩點（起點、終點）即可決定其直線方程；對圓弧輪廓而言，刀補中心輪廓應是一條與工件輪廓同心且包角相同的一段圓弧，用刀補圓弧的起點、終點坐標及圓弧半徑即可決定該圓弧方程。273刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（2）：）：l切直線時刀補的計算：設上段程序加工完成后，刀具中心位于O，現需計算刀補后直線終點的坐標（X，Y）。設終點刀具半徑偏置矢量投影坐標為（X，Y），則有左邊的表達式。l此為第一象限的公式，其它象限公式僅為符號差別。 22222222cossinYXXRY

11、YYXYRXXYXXRRYYXYRRXYYYXXX283刀具半徑補償原理（刀具半徑補償原理（3）：）：l切圓弧刀補計算：設上段程序加工完成后，刀具中心位于，設在兩坐標軸上的投影為（X，Y），則有左邊的表達式。l 實際上，無論是直線加工，還是圓弧加工，對于具備刀具半徑功能的系統，這種復雜的計算都由數控系統自動完成，用戶只需根據工件輪廓進行編程即可。22222222ooooooooooeeeeeeeeeeeeeeYXYRYYYXXRXXYXYRYYYXXRXXYYYXXX29C刀具補償原理（刀具補償原理（1）l上面討論的是單段輪廓的刀補情況，通常工件輪廓由多段曲線組成，如直線與直線、直線與圓弧、圓

12、弧與圓弧、圓弧與直線等，這就存在一個輪廓交接處如何過渡的問題。C刀具補償能自動地處理兩段程序之間的刀具中心軌跡的轉接，編程人員完全按工件輪廓編程。30C刀具補償原理（刀具補償原理（2）l圖例給出了左刀補和右刀補時輪廓過渡處的處理情形。從圖可以看出：輪廓過渡時，為了避免過切或間斷，需要采用縮短、延長或插入的方式。31C刀具補償原理圖（刀具補償原理圖（1）32C刀具補償原理圖（刀具補償原理圖（2）33C刀具補償原理（刀具補償原理（3）l數控系統的工作方式 C刀具補償是在插補和控制的間隙進行刀補計算的，通過設置多個緩存，采用流水作業的方式才能提高計算速度，滿足高速加工的需要。如圖所示。34C功能刀補計算流水作業框圖：