新数控技术 第2版 教学课件 朱晓春 C装置的硬软件结构

机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述。 以增大工件与刀具之间距离的方向(即增大工件尺寸的方向)为 坐标轴的正方向。
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第二节 编程的基础知识
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第二节 编程的基础知识
（2）机床坐标系的确定方法 顺序：先确定Z轴，再确定X轴，最后确定Y轴。 1）Z坐标
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第二节 编程的基础知识
2）X坐标
X轴为水平面方向，且垂直于Z轴并平行于工件装夹面。 对于不同类型的机床，X轴及其方向有具体的规定： 对于刀具旋转的机床，如铣床、钻床等，若Z轴是水平的 （卧式），则X轴规定为从刀具主轴后端向工件方向看向右为 正；若Z轴是垂直的（立式），则X轴规定为从刀具向立柱 (若有两个立柱则选左侧立柱)方向看向右为正。 对于工件旋转的机床，如车床，X轴在工件的径向，并平行
对于平面轮廓零件可在机床上用笔代替刀具、坐标纸代替工 件进行空运转空运行绘图。 对于空间曲面零件，可用蜡块、塑料或木料或价格低的材料 作工件，进行试切，以此检查程序的正确性。 在具有图形显示功能和动态模拟功能的机床上，用图形模拟 刀具与工件切削的方法进行检验。 首件试切(在允许的条件下)方法不仅可查出程序单和控制介 质是否有错，还可知道加工精度是否符合要求。 当发现错误时，应分析错误的性质，或修改程序单，或调整 刀具补偿尺寸，直到符合图纸规定的精度要求为止。
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第一节 概述 二.数控编程的内容和步骤
分 析 零 件 图 纸
工 艺 处 理
数 值 计 算
编 写 程 序 单
制 作 控 制 介 质
程首 序件 校试 验切
数 控 机 床
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第一节 概述

第一章 数控技术基础知识
第一节 第二节 第三节 第四节
数控技术基本概念 数控机床分类及数控加工特点 数控机床的基本工作原理和坐标系 数控加工编程概述
第二章 数控车削加工
第一节 第二节 第三节
数控车床操作 数控车削指令 数控车床零件加工
第三章 数控铣削加工
第一节 第二节 第三节
数控铣床/加工中心操作 数控铣削指令 数控铣床/加工中心零件加工
（2）工件坐标系
工件坐标系是以工件原点作为坐标原点建立的坐标系，其各坐标轴方向与机床坐标系相应坐标轴方向一 致。工件坐标系是编程人员在编程时使用，其坐标原点位置根据加工图样要求来选择，一般与零件图样的尺 寸基准相一致。
数控程序是在工件坐标系下编制的，而刀具的正确移动是依靠机床坐标系实现的，只有两者间建立确定 的位置关系，数控系统才能正确地按照加工程序要求的插补指令及坐标值控制刀具的运动轨迹。其位置关系 的建立及相关参数的设置则由加工人员通过对刀操作来完成。
第四节 数控加工编程概述
一、数控编程基础知识
1 ．数控编程及其步骤
用数控系统规定的代码和格式来描述根据被加工零件图样所制定的工艺方案，并进行编辑、校验的全过 程称为数控编程，其中，数学处理的目的，是根据工艺路线及工件坐标系，得到加工所用刀具的刀位点数据。
2．零件加工程序的格式
（1）程序的组成 程序由程序号、程序段（程序内容）、程序结束三部分组成，程序号是零件程序的存储代号，与文件名 的作用相似，它一般以特殊符号开头，后续数字码，以 FANUC系统为例，其程序号以字母“O”开头，后续 4位数字“0000～9999”，例如，“O1234”；程序内容包括初始化指令及描述工艺方案的指令（如加工路线 等），程序的主要部分；程序结束部分位于程序的最后一段，FANUC系统常用M30指令，表示加工完毕，机 床运动停止，数控系统复位，并返回至程序段开始。

第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
图1-6 可控六轴加工中心的示意图
第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
图1-7 五坐标联动加工原理示意图
2.数控机床的运动性能指标 数控机床的运动性能指标主要包括如下方面。
第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
(1)主轴转速 数控机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电 动机驱动，选用高速精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范 围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。 (2)进给速度 数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产率 以及刀具寿命的主要因素，它受数控装置的运算速度、数控机床 动态特性及工艺系统刚度等因素的限制。 (3)坐标行程 数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机 床的空间加工范围，即加工零件的大小。 (4)摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，其摆角大小也直接影响 到数控机床加工零件空间部位的能力。 (5)刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产 率有直接的影响。
第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
图1-1 数控加工过程示意图
二、数控机床的组成及工作原理
第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
数控机床是一种利用信息处理技术进行自动加工控制的金属切削 机床，主要由信息载体、人机交互设备、计算机数控装置、进给 伺服驱动系统、主轴伺服驱动系统、辅助控制装置、可编程序控 制器（PLC，Programmable Logic Controller）、反馈装置、适应控 制装置和机床本体等部分组成，如图1⁃2所示。
第一节 数控机床的组成、工作原理及主要性能指标
数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相 比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦系数要 小，进给传动部分之间的间隙要小。因此其设计要求比普通机床 更严格，加工制造要求更精密，并采用加强刚性、减小热变形、 提高精度的设计措施。 三、数控机床的主要性能指标 1.数控机床的可控轴数与联动轴数 数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目，即 数控机床有几个运动方向采用了数字控制。数控机床的可控轴数 与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。国外 最高级数控装置的可控轴数已达到24轴，我国目前最高级数控装 置的可控轴数为6轴。图1⁃6所示为可控六轴加工中心的示意图。

第3章 数控加工工艺与图形的数学处理
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第3章 数控加工工艺与图形的数学处理
202110823第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理图片中红色的为工件图片中红色的为工件202110824第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理316316数控加工刀具及对刀数控加工刀具及对刀数控刀具材料数控刀具材料高速钢高速钢硬质合金硬质合金涂层硬质合金涂层硬质合金陶瓷材料陶瓷材料立方氮化硼立方氮化硼cbncbn聚晶金刚石聚晶金刚石pcdpcd202110825第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理涂层硬质合金刀具涂层硬质合金刀具202110826第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理陶瓷刀片陶瓷刀片pcbnpcbn刀片刀片202110827第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理pcdpcd刀片刀片202110828第第33章章数控加工工艺与图形的数学处理数控加工工艺与图形的数学处理数控加工刀具数控加工刀具车削加工刀具
先粗后精的原则 先面后孔的原则 刀具集中的原则
第3章 数控加工工艺与图形的数学处理
3.1.5 零件的定位与安装
定位安装的基本原则
1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一。 2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹中加工出全部
待加工面。
3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案 4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。
2.考虑生产率和经济性的要求，以及工厂的生产设备等实 际情况。
常用加工方法的经济加工精度及粗糙度可查阅有关工艺手册。

（2）插补模块 该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标 位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置 值。
（3）位置控制模块 对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行 比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补 偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。
CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、 控制柜式、控制台式等多种。
2、从组成CNC系统的电路板的结构看，有大板式结构和模块化结构
(1)大板式结构
特点: 一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各 轴的位置控制电路等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心 部分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的 性能／价格比，也便于机床的一体化设计，大板结构虽有上述优点，但它的 硬件功能不易变动，不利于组织生产。
3.3 CNC系统的软件结构
CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控加 工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。
在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上 也可以由软件来完成。但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适 应性差；软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。因此，CNC系统中软、硬 件的分配比例是由性能价格比决定的。
输入
键盘
2）时间重叠流水并行处理方法
当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插 补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1、 Δt2、Δt3、Δt4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。 如果以顺序方式处理每个零件的程序段，则第一个零件程序段处理完以后再处理第 二个程序段，依次类推。图3-13 a）表示了这种顺序处理时的时间空间关系。从图 中可以看出，两个程序段的输出之间将有一个时间为t的间隔。这种时间间隔反映 在电动机上就是电动机的时停时转，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这种情况 在加工工艺上是不允许的。消除这种间隔的方法是用时间重叠的流水处理技术。采 用流水处理后的时间空间关系如图

（2）中档数控机床
其技术指标常为：脉冲当量0.005～0.001 mm，快进速度15～24 m/min，伺 服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可以显示字符 和图形，人机对话，自诊断等，主CPU一般为16位或32位。
（3）高档数控机床
其技术指标常为：脉冲当量0.001～0.0001 mm，快进速度15～100 m/min， 伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还 具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。
1.4 数控机床和数控系统的发展
1．高速、高精度化 2．开放式 3．智能化
（1）在数控系统中引进自适应控制技术 （2）设置故障自诊断功能 （3）具有人机对话自动编程功能 （4）应用图像识别和声控技术
4．复合化 5．高可靠性 6．多种插补功能
7．友好的人机界面 （1）现代数控机床具有丰富的显示功能。 （2）丰富的编程功能。 （3）方便的操作。 （4）多种方便编程的固定循环。 （5）系统具有多种管理功能 （6）PLC程序编制方法的增加。 （7）帮助功能。
目前，选用数控设备主要考虑3种因素：即单件、中小批量 的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁， 生产周期要求短的加工。
A 图纸
C
D
E
B
F
控制
伺服
数控
计算机
机构
设备
数控设备的一般形式
1.1.2 数控机床及其加工原理
数字控制机床（Numerical Control Machine Tools） 简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控 制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的 数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数 控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求 的形状和尺寸自动地将零件加工出来。

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三. 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。
主要用于指定主轴的正转、反转、停止、冷却泵的打开和 关闭、换刀等动作。
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三. CNC装置的功能
7、刀具管理功能
——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。
刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用； 刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提 示用户更换刀具； CNC装置都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀 具和自动选择加工刀具。
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第二节 CNC装置的硬件结构
（二）、多微处理机结构 CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块 自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为： 1、多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系 统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合（关联与依赖）， 有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公 共存储器进行交换信息。 2、分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各 模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯 方式交换信息。
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第二节 CNC装置的硬件结构
一、分类： （一）、单微处理机结构的数控装置 1、单机系统: 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系
统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。该CPU既要对 键盘输入和CRT显示处理，又要进行译码、刀补计算以及插补等 实时处理，这样进给速度显然受到影响。 2、主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制 和使用权。其它带CPU的功能部件只能接受主CPU的控制命令或数 据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以 从属地位的，故称之为主从结构，也归类于单微处理机结构

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第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原返理回课件首页
如图2-3所示的数控系统带有4个CPU。目前使用的多微处理器 系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPU结构和分 布式结构。
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第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原返理回课件首页
三、CNC系统的软件结构 （一）CNC系统软件的组成 CNC软件分为应用软件和系统软件。 CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软
资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，资源重叠流水并行
处理是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。由
于两种技术处理方式不同，相应的CNC软件也可设计成不同的结构
形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也
不同。
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第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原返理回课件首页
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三、CNC进给伺服系统 CNC进给伺服系统是指用于CNC机床的伺服系统，它与前面 介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点，其结构 框图如图2-11所示。由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬 件，因而使得硬件线路简单。在CNC进给伺服系统中还可用计算 机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而提高整个系统的 性能。
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第二章 数控机床各组成部分的结构及其控返回制课原件首理页
第一节 计算机数控系统 一、CNC系统的组成与特点 计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控（NC）系统 的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功 能。CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-1所示。