计算机数控(CNC)系统

第2章计算机数控(CNC)系统早期的硬件数控（NC）系统的输入、运算、插补、控制功能是由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑控制电路，不同机床的控制系统都需要专门设计逻辑电路，这种靠硬件逻辑电路控制的系统，其通用性、灵活性、功能性方面都较差。

CNC（ComputerNumericalControl的缩写）即计算机数控。CNC是在早期硬件数控系统的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两个部分组成。

通过系统控制软件与硬件的配合，合理地组合、管理数据系统的输入，数据处理、插补运算和信息输出，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。2.1CNC系统的总体结构及各部分功能2.2数控系统的硬件2.3数控系统的软件功能及其实现

机床数控系统是一种位置控制系统。

数控机床的任务是依照操作者的意愿完成所要加工零件。操作者根据被加工零件的尺寸要求、外形要求、表面指令要求编制零件加工程序。2.1CNC系统的总体结构及各部分功能CNC在工作过程中完成的任务：1.加工程序的输入2.数据的译码和计算3.刀具补偿计算4.插补计算5.位置控制处理图2-1CNC对零件程序的处理流程图2.1.1CNC系统的总体结构CNC系统结构原理方框图

1.微机部分的功能：(1)固定循环功能(2)主轴速度功能(3)控制功能(4)辅助功能(5)刀具功能(6)准备功能(7)刀具补偿功能(8)通信功能(9)人机对话功能(10)字符图形显示功能(11)进给功能(12)自诊断功能(13)插补功能2.1.2CNC系统各部分的功能

（1）固定循环功能

CNC系统为典型的加工工序编写固定循环加工指令的功能，可以简化编程。如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等功能。

（2）主轴速度功能

指数控系统控制主轴转速的功能，一般由S和数值组成。

（3）控制功能指CNC系统能控制以及能同时联动的进给轴数。

移动轴和回转轴：X，Y，Z；A，B，C

基本轴和附加轴：U，V，W

二轴联动主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。

二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。

三轴联动一般分为两类，一类就是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等。球头铣刀铣切三维空间曲面

三轴联动另一类是除了同时控制X、Y、Z中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）联动。车削中心C轴功能示意图(a)

C轴定向时，在圆柱面或端面上铣槽(b)

C轴、Z轴进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽(c)

C轴、X轴进给插补，在端面上铣螺旋槽(d)

C轴、X轴进给插补，铣直线和平面

四轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，右图所示为同时控制x、Y、Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。

五轴联动除同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，这时刀具可以被定在空间的任意方向。

（4）辅助功能指定主轴的起停和转向，冷却液接通与断开等，用M指令指定。

（5）刀具功能

选择刀具，实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。

（6）准备功能也称为G功能，指定机床动作方式。

（7）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，利用模型实施在线补偿。

（8）通讯功能是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。FMS(FlexibleManufactureSystem)，柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成，在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystems)，直译就是计算机/现代集成制造系统。计算机集成制造----CIM的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的。

CIMS是通过计算机硬软件。并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术。将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。

（9）人机对话功能

在CNC装置中这类功能有：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。

（10）字符图形显示功能CNC系统可配置单色或彩色CRT,通过软件和接口实现字符和图形显示。

（11）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。

快速进给速度一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速。

进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。

（12）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

（13）插补功能一般有直线和圆弧插补功能，高档数控系统有抛物线插补、螺旋线插补等。数控系统加工二次曲线（零件轮廓节点图）。

（14）程序编制功能

利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。手工编程背景（后台）编程自动编程

2.外部设备部分的功能：

CNC系统的外部设备主要包括:①键盘、②纸带阅读机、③操作面板、④显示器（发光二极管LED或阴阳射线管显示器CRT）、⑤纸带穿孔机、⑥外部存储设备（例如磁带录音机等）。这些设备大部分是通用的外部I/O设备，对于具体的CNC系统，并不一定配置所有这些I/O设备，而是视系统的要求而定。（1）键盘通常安装在操作板上，主要功能是输入各种操作命令及采用手动输入方式（MCI）输入零件加工程序，也可用来对零件加工程序进行修改和编程。（2）光电式纸带阅读机的功能是阅读零件加工程序的穿孔纸带，插入零件加工程序。有的也用于系统控制软件的输入。（3）外部存储器（磁带录音机等）的功能是存放和读取零件加工程序和有关加工的数据。有时也用于系统控制软件的存取，并可取代光电阅读机和穿孔机作为输入输出设备。（4）穿孔机是将输入到控制系统中的零件加工程序重新制成穿孔纸带的输入设备。也可用于系统控制软件的穿孔纸带输出。（5）操作面板主要用来安装操作机床的各种控制开关、按键以及机床工作状态指示、报警信号等设备。（6）显示器的功能是零件加工程序的显示和编程。

3.机床控制部分的功能：机床控制部分包括位置控制、速度控制和机床状态控制。位置控制是通过对机床伺服执行元件的控制来实现的。伺服机构包括位置控制和速度控制，一般构成闭环控制。机床的逻辑状态检测部分的功能是控制机床上有关状态传感元器件的输出信息，机床逻辑状态控制部分的功能是控制机床主轴电机的起停，冷却泵、油泵的开启与停止，换刀等。

1．插补的概念在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。{逐点比较插补法数值积分插补法数据采样插补法方法2.1.3

插补基本知识

2.逐点比较插补法所谓逐点比较插补法，就是机床每走到一个坐标位置，都要和给定的轨迹上的坐标值比较一次，看实际加工点在给定轨迹的什么位置，判断其偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。

逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧的。最大偏差不超过一个脉冲当量，因此，只要把脉冲当量控制的足够小，就能达到加工精度的要求。

3.偏差计算公式

偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以第Ⅰ象限直线为例导出其偏差计算公式。图2-11直线插补过程如图2-11所示动点与直线位置关系。第一象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为

XeY－YeX＝0(2-1)直线OE为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。（1）若P1点在直线上方，则有：XeY－XYe>0（2）若P点在直线上，则有：XeY－XYe＝0（3）若P2点在直线下方，则有：XeY－XYe<0因此，可以构造偏差函数为：

F＝XeY－YeX对于第一象限直线，其偏差符号与进给方向的关系为：

①当F＝0时，表示动点在OE上，如点P，可向＋X向进给，也可向＋Y向进给。

②当F>0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向＋X向进给。

③当F<0时，表示动点在OE下方，如点P2，应向＋Y向进给。这里规定动点在直线上时，可归入F>0的情况一同考虑。插补工作从起点开始，走一步，算一步,判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时，停止插补。下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Pi(Xi，Yi)的Fi值为：

Fi＝XeYi－YeXi(1)若Fi≥0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上，应沿＋X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi,新点偏差为：(2-3)(2)若Fi<0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE的下方，应向＋Y方向进给一步，新点坐标值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi,Yi+1＝Yi＋1，新点的偏差为：即：(2-4)在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。设置一个长度计数器，从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给步数总和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即∑＝N时，停止插补，到达终点。

4．终点判断5．插补计算过程（1）偏差判别：根据偏差值确定刀具位置是在直线的上方（或线上），还是在直线的下方。（2）坐标进给：根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。（3）偏差计算：计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据。根据式（2-3）及式（2-4）来计算新加工点的偏差，使运算大大简化。但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差推算出来的，并且一直递推下去，这样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点，这一点当然没有偏差，所以开始加工点的F＝0。（4）终点判别：在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。6.逐点比较法直线插补流程

例2-1利用逐点比较插补法加工第一象限直线OE，如图2-12所示，起点为坐标原点O(0，0)，终点坐标为E（5，3）。图2-12

直线插补轨迹过程实例(1)初始点O(0,0)，终点（5,3），应用递推公式（2-3）、（2-4）进行偏差计算。(2)终点判断：∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣=5+3=8，N=8,插补需要七个循环。插补循环偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0,Xe=5,Ye=3∑=0,N=81F0=0+ＸF1=F0－Ye=0－3=－３∑=0+1=1<N2F1=－3<0+ＹF2=F1+Xe=-3+5=2∑=1+1=2<N3F2=2>0+XF3=F2－Ye=2－3=－1∑=2+1=3<N4F3=－1<0+YF4=F3+Xe=－1+5=4∑=3+1=4<N5F4=4>0+XF5=F4－Ye=4－3=1∑=4+1=5<N6F5=1>0+XF6=F5－Ye=1－3=－2∑=5+1=6<N7F6=－2<0+YF7=F6+Xe=－2+5=3∑=6+1=7<N8F7=3>0+XF8=F7－Ye=3－3=0∑=7+1=8=N插补循环偏差判别进给方向偏差计算坐标计算0F0=0,Xe=5,Ye=3P0（0，0）1F0=0+ＸF1=F0－Ye=0－3=－３P1（1，0）2F1=－3<0+ＹF2=F1+Xe=-3+5=2P2（1，1）3F2=2>0+XF3=F2－Ye=2－3=－1P3（2，1）4F3=－1<0+YF4=F3+Xe=－1+5=4P4（2，2）5F4=4>0+XF5=F4－Ye=4－3=1P5（3，2）6F5=1>0+XF6=F5－Ye=1－3=－2P6（4，2）7F6=－2<0+YF7=F6+Xe=－2+5=3P7（4，3）8F7=3>0+XF8=F7－Ye=3－3=0P8（5，3）图2-12直线插补坐标分解过程例2-2利用逐点比较插补法加工第一象限直线OE，如图2-13所示，起点为坐标原点O(0，0)，终点坐标为E（3，5）。图2-13直线插补轨迹过程实例(1)初始点O(0,0)，终点E（3,5），应用递推公式（2-3）、（2-4）进行偏差计算。(2)终点判断：∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣=3+5=8，N=8,插补需要七个循环。插补循环偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0,Xe=3,Ye=5∑=0,N=81F0=0+ＸF1=F0-Ye=0-5=-5∑=0+1=1<N2F1=-5<0+ＹF2=F1+Xe=-5+3=-2∑=1+1=2<N3F2=-2<0+ＹF3=F2+Xe=-2+3=+1∑=2+1=3<N4F3=+1>0+ＸF4=F3-

Ye=1-5=-4∑=3+1=4<N5F4=-4<0+ＹF5=F4+Xe=-4+3=-1∑=4+1=5<N6F5=-1<0+ＹF6=F5+Xe=-1+3=+2∑=5+1=6<N7F6=+2>0+ＸF7=F6-

Ye=2-5=-3∑=6+1=7<N8F7=-3<0+ＹF8=F7+Xe=-3+3=0∑=7+1=8=N7.四象限插补图2-14

四象限直线偏差符号和进给方向8.四象限直线插补计算公式及进给方向Fm≥0Fm<0直线线型进给方向偏差计算直线线型进给方向偏差计算L1,L4+XFm+1=Fm-yeL1,L2+YFm+1=Fm+xeL2,L3-XL3,L4-Y[本节作业]P232-12.2数控系统的硬件

2.2.1CNC系统中计算机的组成

CNC系统中的计算机分为两类。一类是由单一微处理器构成的单微处理器系统，另一类是由多个微处理器构成的多微处理器系统。

1.单处理器系统的组成单处理器的计算机系统由输入/输出接口、中央处理单元（CPU）、存储器三个子系统及将这三部分连接起来的信号线（称为总线）组成。典型的单微处理器数控系统方框图(1)I/O接口子系统主要任务：提供数据的缓冲，完成信息形式的转换，实现微处理器和各种外部设备间数据传送的同步，并能有效地隔离计算机与被控制对象，防止外界干扰进入计算机，使计算机安全可靠地工作。分类有两种：

①数字量接口：传输二进制形式的数据。

②模拟量接口：面对的是电流、电压等连续变化的外部信号。

模拟量输入接口：模/数（A/D）转换，变为二进制形

式数据，送入计算机。

模拟量输出接口：数/模（D/A）转换，控制伺服电动机的运行。{①逻辑部件（ALU）：完成算术和逻辑运算。②内部寄存器：存放参加运算的操作数据和中间结果。③控制器：控制机器指令的取出、译码、产生所要求的时序控制信号。④总线：连接上述部件，是数据和控制的通路。（P12）(2)CPU子系统{地址线：数据线：控制线：地址线：是单向的，有微处理器送出，它传送的信息代表一个内存储器单元或一个I/O接口的地址。数据线：是双向的，在执行读操作指令时，方向向内，数据送入微处理器；在执行写操作指令时，方向向外，数据从微处理器送出。

数据线越宽，处理数据的能力就越强。控制线：控制线的方向有的为输入，如中断请求线；有的为输出，如读写控制等。（3）存储器子系统

存储器是计算机系统的重要组成部件。计算机所执行的程序以及程序所处理的数据均是以二进制的形式保存在存储器中的。

①二进制位（Bit）：0和1

②字（Word）：

③字长：一个字所包含的二进制位的位数。

④字节（Byte）:一个字节由8个二进制位组成。

存储器的容量用KB来衡量。

1K

=

1024，64K

=

2=

6553616

2.多微处理器系统的组成多微处理器系统由两个或两个以上通过某种连接线路连接在一起的微处理器组成。

在这样的系统中，每个微处理器承担CNC的一部分功能，能独立运行程序，又能通过通信线路或共享的存储器与其他处理器交换信息，协调工作，共同完成机床的控制。2.2.2CNC系统中计算机的实现

1.CPU子系统的实现实现CNC系统CPU的微处理器主要有三类：（1）位片式逻辑芯片（2）通用微处理器（3）单片微计算机

2.存储器子系统的实现

由于我们今天使用的计算机都是基于存储程序（StoredProgram）原理的，每执行一条指令，CPU都至少要访问1次或数次存储器以获得指令，因此，存储器性能的优劣直接关系到整个计算机系统的性能。

（1）存储器的分类：存储器由只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM）两大部分组成。①只读存储器ROM可分为掩膜ROM、可编程ROM（PROM）、紫外光可擦除可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM或称EPROM）。

PROM可以由用户编程，比如熔丝型PROM中熔丝烧断与否表示“0”或“1”。但信息一旦写入就不能再修改，因此用户编程只能进行一次。

EPROM是一种可以反复多次编程的器件。不同的型号和容量的EPROM编程电压有所不同。

E

PROM可以在线用电擦除无须芯片从线路板上拔下用紫外光照射，使用更为方便。它的擦除次数为一万次左右。EPROM经常用于存储那些需在线修改的信息，如CNC系统中可设置的系统参数、PIC中的用户程序等。尽管EPROM能在线修改，但写入时间长，典型值为10ms，因此也无法像真正的随机存储器那样使用。2222

②读写存储器RAM(随机存储器)

根据工艺RAM可分为双极型和MOS型两大类。

双极型RAM的特点是速度高。但它集成度低、功耗大。

MOS型RAM又可以分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。

动态RAM的基本存储单个MOS管，利用电容存储存储信息。它的基本特点是破坏性的读出，即读出信息的同时也破坏了存储内容，因此需根据读出内容再生被访问的存储单元。此外，由于电容的泄漏，即使不访问。信息也不能长久保持，需要周期性地根据存储内容对电容再充电，这个过程叫“刷新”。刷新周期一般为2～4ns，即每隔2～4ns必须将所有存储单元刷新一遍。动态存储的特点是集成度高，功耗低，典型存取速度为100～200ns价格也便宜。（2）常用半导体存储器芯片①常用ROM芯片②常用RAM芯片不论是动态还是静态RAM，一旦关掉电源，其中的信息便丢失了，这是半导体随机存储器的弱点。但静态RAM可以利用电池作为后备电源，在系统掉电时，保持原存储的信息不丢失。

3.I/O接口子系统的实现

4.IntelMCS-51系列单片微机(1)类型(2)结构特点(3)定时器、计算器和中断[本节作业]P232-22.3数控系统的软件功能及其实现

2.3.1数控系统的软件功能

2.3.2数控系统的软件功能实现

数控系统的各功能分别由不同的软件来实现。一般数控系统软件主要由以下几部分组成:系统总控程序，零件加工程序的输入输出管理程序，译码程序，零件加工程序的编辑程序，机床手动控制程序，零件加工程序的解释执行程序，伺服控制及开关控制程序和系统自检程序。

（1）前后台型

前台程序：是一个中断服务程序，它几乎承担了系统的全部实时功能（如插补、位控、逻辑控制等）。

后台程序：即背景程序，是一个循环运行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，共同完成数控加工任务。调度管理和人机交互则在背景程序中完成。

2.3.3数控系统控制软件的结构

（2）中断驱动型除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统，由中断管理系统对各级中断服务程序按照中断优先级的高低实施调度管理。

在数控系统中，中断优先级共分8级，0级最低，7级最高，除了第4级为用硬件中断来完成报警功能外，其余均为软件中断。

表2.1数控系统各级中断及其主要功能

[本节作业]

P232-3.什么是数控系统的软件管理功能和控制功能？[本节作业]1.简述用数控机床进行零件加工的一般过程。答：1)用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成NC程序；2)数控系统读入NC程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令；再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，从而完成零件的加工。2．什么是数控系统的软件？它由哪些基本部分组成？

答：CNC系统软件是为了实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，即存放于计算机内存中的系统程序。它一般由输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等子程序组成。

3.简述CNC系统精插补和粗插补相结合进行插补的基本过程。答：在实际的CNC系统中，通常由软件进行粗插补，再由硬件进行精插补。即：由CNC系统软件将刀