第3章计算机数控装置(CNC)

一． 二． 三． 四． 五． 六． 七．
模块化设计方法？ 主机板和系统总线 显示模块（显示卡） 输入/输出模块（多功能卡） 电子盘（存储模块） 设备辅助控制接口模块 位置控制模块 功能接口模块
实时性 逻辑上：多任务 时间上：时序问题？
第四节 CNC装置的插补原理
一、概述 二、脉冲增量插补 三、数字增量插补 四、自动升降速控制的概念
特点： 每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）。 以一个一个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是：用折线 来逼近曲线（包括直线）。 插补速度与进给速度密切相关。因而进给速度指标难以提高，当 脉冲当量为10μm时，采用该插补算法所能获得最高进给速度是 3-4 m/min。 脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和移位运算方法 就可完成插补。因此它比较容易用硬件来实现，而且，用硬件实 现这类运算的速度很快的。但是也有用软件来完成这类算法的。
四、 CNC装置的功能
6. 辅助功能（M功能） —— 用于指令机床辅助操作的功能。 已在第二章介绍。
四、 CNC装置的功能
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。 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。
对插补算法的要求
2. 评价插补算法的指标 ① 稳定性指标 插补运算是一种迭代运算，存在着算法稳定性问题。 插补算法稳定的充必条件：在插补运算过程中，对计 算误差和舍入误差没有累积效应。 插补算法稳定是确保轮廓精度要求的前提。
②
插补精度指标 插补精度：插补轮廓与给定轮廓的符合程度，它可用 插补误差来评价。 插补误差分类： 逼近误差（指用直线逼近曲线时产生的误差）； 计算误差（指因计算字长限制产生的误差）； 圆整误差（指计算结果取整产生的误差）
四、 CNC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。
四、 CNC装置的功能
2. 准备功能（G功能） —— 指令机床动作方式的功能。 已在第二章介绍。
λ =
F − Fc * 100 % F
F－－给定的进给速度 Fc－－实际合成进给速度 Fc 和F差别过大会影响零件的加工质量和生产率。 合成速度均匀性系数应满足： λmax ≤ 1 %
④ 插补算法要尽可能简单，要便于编程 因为插补运算是实时性很强的运算，若算法太复 杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制 进给速度指标和精度指标的提高。
11. 通讯功能 —— CNC与外界进行信息和数据交换的功能 RS232C接口，可传送零件加工程序， DNC接口，可实现直接数控， MAP（制造自动化协议）模块， 网卡 适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。
第二节 CNC装置的硬件结构
单机系统：只有一个CPU集中控制和管理整个的系统资 源。分时处理； 多机系统：有两个或者两个以上的CPU: (1)主从结构； (2)多主结构系统（紧耦合）。 (3)分布式结构系统（松耦合） 。
其中，逼近误差和计算误差与插补算法密切相关，因此 应尽量采用上述两误差较小的插补算法。上述三误差的综合 效应一般要求小于系统的最小运动指令或脉冲当量。
③ 合成速度的均匀性指标
合成速度的均匀性：插补运算输出的各轴进给量，经运动合成 的实际速度（Fc）与给定的进给速度（F ）的符合程度。 速度不均匀性系数：
四、 CNC装置的功能
9. 人机对话功能 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。
四、 CNC装置的功能
10. 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。
四、 CNC装置的功能
三、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。 CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控 机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定 的控制功能。
三、 CNC装置的优点
2. 数控功能丰富 插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补 补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误 差补偿等 人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人 机对话窗口 编程功能：G代码、蓝图编程、部分自动编程功 能。
四、 CNC装置的功能
5. 主轴功能 ——主轴切削速度、周向位置控制功能。 主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。 恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速 的控制功能。单位：（m/min） 主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功 能。 C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。
一、 CNC装置的组成
数控加工程序
应用软件 管理软件
控制软件 接 口
操作系统 硬件
被控设备 机 床 机器人 测量机
......
图3-3 CNC系统平台
一、 CNC装置的组成
平台有以下两方面的含义： 平台提供CNC系统基本配置的必备功能； 在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开 发。
二、CNC装置的工作过程
首先将加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工 件的相对运动轨迹，用代码规定的规则和格式编成加工程序，数控系统 则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各 坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运 动，自动完成零件的加工。 CNC装置对输入加工程序的运算和处理的核心部分有三部： 1.逼近处理：将待加工曲线分割成若干短直线。 2.插补处理：将各短直线段分解为x轴及y轴移动分量 3.指令输出：将计算出的x轴及y轴移动分量作为指令输出给x轴及y轴， 以控制它们连动。
一. 概述 1.插补的概念 2.评价插补算法的指标 3.插补方法的分类
加工直线的程序
N3G01X-45000Y-75000F150
1.插补的概念 插补(Interpolation)：根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求， 在轮廓的已知点之间，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。 数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据（直线起点、终点 坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速度等）运用一定的算法， 自动的在有限坐标点之间形成一系列的坐标数据，从而自动的对各坐 标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹分析，以满足加工精度的要 求。 插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实现算法。 插补功能是轮廓控制系统的本质特征。
三、 CNC装置的优点
3. 可靠性高 采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就 是可靠性的保证。 许多功能由软件实现，硬件的数量减少。 丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从 而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复 时间降低。
三、 CNC装置的优点
4. 使用维护方便 操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可 进行正确操作。 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。
四、 CNC装置的功能
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偿 功能。 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，利用模型实时 在线补偿。
故 障 诊 断 处 理
...
编 译 处 理
刀 具 半 径 补 偿
速 度 处 理
插 补 运 算
位 置 控 制
机 床 输 入 输 出
主 轴 控 制
...
图 3-2 CNC 软件系统功能框图
一、 CNC装置的组成
（三）CNC硬件软件的作用和相互关系
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。
四、 CNC装置的功能
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
四、 CNC装置的功能
4. 进给功能 —— 进给速度的控制功能。 进给速度—— 控制刀具相对工件的运动速度，单 位为mm/min。 同步进给速度—— 实现切削速度和进给速度的同 步，单位为 mm/r ，用于螺纹加工 进给倍率（进给修调率-Override）——人工实时 修调预先给定的进给速度。
三、 CNC装置的优点
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，硬件的不断减小）， 使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面 积，方便操作。
四、CNC装置的功能
功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。 基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备 的功能； 选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功 能。
（二）CNC系统软件的功能性结构 本质特征: CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专 用操作系统， 功能特征: 该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件 两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。