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数控技术操作手册数控技术操作手册（2011-2012学年 第二学期） 班 级 09电Y2 姓 名 杨文学 学 号 09121034 指导老师 张建生 2012.6.112012.6.21摘 要 数控技术应用及数控系统开发是一门从事数控设备的安装、调试使用和后期维修的工作，能从事数控编程和数控加工工作、能从事模具数控加工工作、从事数控系统的技术改造工作、和数控设备的管理和营销工作、以及数控技术新成果的转化工作。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。九十年代以来，随着计算机技术的快速发展，数控技术发生了深刻变化，体现出一批一批高性能数控机床。数控机床正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展，并采用“PC运动控制器”的开放式数控系统，围绕着这理念，新一代的工业控制逐渐在世界上崭露头角，甚至将带来了第三次工业革命。 20世纪80年代以来，随着世界制造业转移，中国、印度等一些东南亚国家正在逐步成为世界加工厂。美国、德国、韩国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业正逐渐向发展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于重化工业发展中期。 未来10年将是中国机械装备业发展的最佳时期。我国相对而言处于落后的状态，但开放式数控为我国数控产业的发展提供良好的契机，加强和重点扶持开放性数控技术的研究和应用，将成为我国的数控产业才有发展壮最大可能，才有希望在未来的市场竞争中立于不败之地。目录第一章 绪论31.1数控机床的特点31.2 数控机床的组成31.3 机床数控系统的类型51.3.1按加工工艺方法分类51.3.2 伺服系统的控制原理61.3.3 按控制运动轨迹分类71.4 数控技术的应用与发展8第二章数控系统的插补工作原理92.1 插补的概念92.1.1 两种插补的定义92.2 逐点比较法102.2.1 逐点比较法直线插补112.2.2 逐点比较法圆弧插补162.3 数据采样插补18第三章 数控机床加工程序的编写193.1 编程步骤193.2 编程代码与指令格式203.3 编程实例25第四章 计算机数控装置原理274.1 计算机数控装置基本原理274.1.1 CNC装置的功能284.1.2 CNC数控装置工作过程284.2 CNC数控装置的原理及结构304.2.1 单CPU形式304.2.2 多CPU结构314.2.3 软件功能及组成324.3 显示及键盘工作原理33第一章 绪论 数控技术经过几十年的发展，已经广泛地应用于现代工业的诸多领域之中，成为制造业现代化的基础。本章将重点围绕数控技术的特点、分类、组成及各组成部分的作用，介绍有关数控技术的基本知识及发展趋势。1.1数控机床的特点1) 广泛的使用性。其主要体现在可扩展性好，可通过预留插入用户专用软件的 接口的方式或提供用户API和编程规范，供用户编制自己的专用模块的方式，简便地实现系统的扩展。2) 具有较高的生产效率。与普通机床相比，生产效率大致可提高23倍。3) 操作人员的劳动强度大为减轻。由于数控机床是按所编程程序自动完成零件 加工，操纵者只需装卸工件和更换刀具，按下自动件后，由机床自动加工。4) 构形式模块化。可方便地相互组合，适用于不同场合、不同功能的需求的控制系统，可缩短新产品的研制开发周期。5) 能加工普通机床所不能加工的复杂型面。 当然 ，数控机床也有些不足之处，比如提高了起始阶段的投资。增加了电子设备的维护。对操作人员的技术水平要求较高。1.2 数控机床的组成1、 数控机床配备有数控系统，可以按照事先编好的加工程序实现机床的运动和动作。 图 1-2 数控机床的组成框架2、 数控机床各组成部分的作用v 程序载体 数控机床是按照输入的工件加工程序运行的。加工程序存放在软、硬磁盘等程序载体中，通过数控机床的输入装置，将加工程序信息读入CNC装置中。v 输入装置 输入装置的作用是将加工程序的信息读入CNC装置内。v CNC装置CNC装置主要由信息的输入、处理和输出1三部分组成。v 伺服系统伺服系统由伺服电动机以及伺服驱动控制装置和有关软件构成。 v 位置反馈系统 位置反馈系统的作用是将机床运动部件的实际位置信息反馈给CNC装置。 v 机床的机械部件数控机床的机械部件，除了主运动系统以及辅助部分(如液压、气动、冷却和润滑部分)以外，尚有一些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置(ATC)和自动托盘交换装置等。 3、数控机床的主要组成部分与基本过程，一般由数控系统、伺服系统、主传动系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成图 1-2-1 数控机床的主要组成部分与基本工作过程的示意框图1.3 机床数控系统的类型 机床数控系统用不同的方法有不同的类型，以适应不同用途的需要。1.3.1按加工工艺方法分类 金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地 特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。1.3.2 伺服系统的控制原理 伺服系统的开环控制系统 图1-3-2 开环控制系统 闭环控制系统，根据检测装置安装的位置不同，闭环控制系统又可分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。图1-3-3 闭环控制系统1.3.3 按控制运动轨迹分类 点位控制数控机床 位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。1.4 数控技术的应用与发展1、 数控技术的应用 1946年世界上第一台电子计算机“ENIAC”的问世，成为产品制造由刚性自动化向柔性自动化方向发展奠定了基础。另外，经过三年的研究，于1952年试制成功了世界上第一台数控三坐标镗铣机床 数控机床从20世纪50年代发展以来，解决了一系列的困难，克服了机床价格昂贵，加工费用高，故障频繁等问题。与微电子及相关技术的结合，特别是微处理器技术，数控技术不断地展现它的社会重要性、经济推动性、产业多元化性。同时，也展现以下所述优点： a价格便宜 b可靠性高 c功能强、易于扩展 d编程方便 、故障诊断、维修方便 二、数控技术的发展 随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控技术领域日益扩大。按着对机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术发展的更高要求，当今数控技术正朝着以下几个方向不断发展： a高速化、高精度化 b多功能化 c智能化 d数控系统小型化 e数控编程自动化 f更高的可靠性 第二章数控系统的插补工作原理 插补运算是数控系统中最常用的操作功能，本章将介绍基准脉冲插补和数据采样插补。基准脉主要介绍逐点比较法。2.1 插补的概念 在数控加工中，一般已知运动轨迹的起始点坐标、终点坐标和曲线方程，但如何用数控技术加工零件呢？数控机床就可以利用以上的信息实现加工轮廓的动作，其中最主要的是运用到插补运算。 插补运算是数控装置的主要功能之一。具体来说，插补运算就是数控装置根据所要加工零件轮廓的特征，采用加工刀具的参数、进给速度和进给方向等相关要求，运用一定的算法，自动地在加工轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，然后自动地对各坐标进行脉冲驱动解决，完成整个轮廓的轨迹运行，这就是插补完成的任务。也就是说，插补是在一个线段的起点和终点进行“数据密化”的工作，用一个个脉冲的输出把起点和终点之间的空白填补起来的过程。2.1.1 两种插补的定义v 基准脉冲插补又称脉冲增量插补，这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，也叫脉冲当量，脉冲当量是脉冲分配的基本单位v 数据采样插补又称时间增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据编程进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给2.2 逐点比较法 逐点比较法类属基准脉冲插补，又称逐步逼近法，是在普通型数控系统中应用较多的一种插补算法。具体来说是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，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。这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲当量。 它能实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高，能达到工业生产要求。 在逐点比较法中，每进给一步都要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较四个节拍的处理： Step 1： 偏差判别是根据偏差值确定刀具当前位置是处在轮廓的上方、下方，还是轮廓上，以此决定刀具进给方向。 Step 2： 坐标进给是根据偏差判别结果，控制相应坐标轴进给每一步，是加工点向轮廓靠拢，从而减小期间偏差。 Step 3： 新偏差计算是刀具进给一步后，计算新的加工点与规定轮廓之间的新偏差，作为下一步偏差的判断依据。 Step 4： 终点比较是每进给一步都要修正总步数，并比较判别刀具是否到达被加工零件轮廓的终点。若已到达，就不在进行运算，并发出停机或者转换新程序段的信号，否则继续循环以上四节拍，直到终点为止。2.2.1 逐点比较法直线插补 一般象限偏差计算 如图 3 l 所示设直线 oA 为第一象限的直线，起点为坐标原点。 o(0 ， 0) ，终点坐标为， A( ) ， P( ) 为加工点。 如图 3 l 所示设直线0A为第一象限的直线若 P 点正好处在直线 oA 上，由相似三角形关系则有即 点在直线 oA 上方 ( 严格为直线 oA 与 y 轴正向所包围的区域 ) ，则有即 若 P 点在直线 oA 下方 ( 严格为直线 oA 与 x 轴正向所包围的区域 ) ，则有 图 3 1 逐点比较法第一象限直线插补即 令 (3-1)则有：如 ，则点 P 在直线 oA 上，既可向 +x 方向进给一步，也可向 +y 方向进给一步；如 ，则点 P 在直线 oA 上方，应向 +x 方向进给一步，以逼近oA直线；如 ，则点 P 在直线 oA 下方，应向 +y 方向进给一步 ，以逼近 oA直线一般将 及 视为一类情况，即 时，都向 +x 方向进给一步。 当两方向所走的步数与终点坐标相等时，停止插补。这即逐点比较法直线插补的原理。 对第一象限直线 oA 从起点 ( 即坐标原点 ) 出发，当 F 0 时， +x 向走一步；当 F0 时，y 向走一步。 特点：每一步都需计算偏差，这样的计算比较麻烦。 递推的方法计算偏差： 每走一步后新的加工点的偏差用前一点的加工偏差递推出来。 采用递推方法，必须知道开始加工点的偏差，而开始加工点正是直线的起点，故 。下面推导其递推公式。 设在加工点 P( ) 处， ，则应沿 +x 方向进给一步，此时新加工点的坐标值为 新加工点的偏差为即 若在加工点 P( ) 处， ，则应沿 +y 方向进给一步，此时新加工点的坐标值为 新加工点的偏差为即 综上所述，逐点比较法直线插补每走一步都要完成四个步骤 ( 节拍 ) ，即：(1) 位置判别 根据偏差值 大于零、等于零、小于零确定当前加工点的位置。(2) 坐标进给 根据偏差值 大于零、等于零、小于零确定沿哪个方向进给一步。(3) 偏差计算 根据递推公式算出新加工点的偏差值。(4) 终点判别 用来确定加工点是否到达终点。若已到达，则应发出停机或转换新程序段信号。一 般用 x 和 y 坐标所要走的总步数 J 来判别。令 J= ，每走一步则 J 减 1 ，直至 J=0 。 四象限直线插补 假设有第三象限直线OE（图3-6），起点坐标在原点O，终点坐标为E（Xe，Ye），在第一象限有一条和它对称于原点的直线，其终点坐标为E（Xe，Ye），按第一象限直线进行插补时，从O点开始把沿X轴正向进给改为X轴负向进给，沿Y轴正向改为Y轴负向进给，这时实际插补出的就是第三象限直线，其偏差计算公式与第一象限直线的偏差计算公式相同，仅仅是进给方向不同，输出驱动，应使X和Y轴电机反向旋转。 四个象限直线的偏差符号和插补进给方向如图3-2所示，用L1、L2、L3、L4分别表示第、象限的直线。为适用于四个象限直线插补，插补运算时用X，Y代替X，Y，偏差符号确定可将其转化到第一象限，动点与直线的位置关系按第一象限判别方式进行判别。 由图3-2可见，靠近Y轴区域偏差大于零，靠近X轴区域偏差小于零。F0时，进给都是沿X轴，不管是X向还是X向，X的绝对值增大；F0，表示加工点位于圆外； 若Fi0，表示加工点位于圆内 （1）偏差函数的递推计算 1） 逆圆插补 若F0，规定向-X方向 走一步 若Fi0，规定向+Y方向 走一步 2） 顺圆插补 若Fi0，规定向-Y方向 走一步 若Fi0，规定向+y方向 走一步 （3）终点判别 1） 判断插补或进给的总步数： 2） 分别判断各坐标轴的进给步数； （4）分别处理法 四个象限的直线插补，会有4组计算公式，对于4个象限的逆时针圆弧插补和4个象限的顺时针圆弧插补。 （5）四象限直线插补 用第一象限逆圆插补的偏差函数进行第三象限逆圆和第二、四象限顺圆插补的偏差计算，用第一象限顺圆插补的偏差函数进行第三象限顺圆和第二、四象限逆圆插补的偏差计算。 2.3 数据采样插补 数字积分法又称数字微分分析法。是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补算法。数字积分法的优点是，易于实现多坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快，应用广泛等特点。由于运用不是很多，本册不做详细运算。第三章 数控机床加工程序的编写零件加工程序是用规定代码来详细描述整个零件加工工艺过程和机床的每个动作步骤。本章将对指令代码的格式和功能、加工程序的编写经行详细的介绍，并结合实例经行详细说明3.1 编程步骤1 在线编程与离线编程 由于微电子技术的发展，目前一块很小的存储芯片，其存储容量可能很大，微处理机数控系统内的软件存储容量已得到极大的提高，因此，一些编程软件克很大方便地直接存入CNC系统内，即可实现所谓的在线编程，使得编程和控制一体化，操作者可在机床操作台上直接通过键盘进行编程，并利用CRT显示实现人机对话。也可实现刀具轨迹动态模拟显示，便利于检查和修改程序，对调试和加工带来了极大的方便。 相比之下，以前硬线联接的控制进行编程，得到程序后，再通过计算机软件内的主信息处理软件处理后输出，并制作成控制介质 程序纸带由程序纸带再来实时控制数控机床加工。 当然，现代的计算机辅助编程也应属于离线编程，但它与以前硬线联接的数控系统只能用离线编程的方法是有本质区别的。2 手工编程 从零件样图分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、键盘输入程序直至程序校验等各步骤均由人工完成，即为手工程序编制的过程，称为手工编程。 对于几何形状复杂，尤其是需用三轴以上联动加工的空间曲面组成的零件，编程时数值计算繁琐，需较多时间，且易出错，程序校验困难，用手工编程难以完成，这时需要提高数控机床的利用率，有效地去解决各种模具及复杂零件的加工问题。3 数控程序编制的一般过程与步骤 ：手工在线编程是目前数控编程中最常用的方法之一。具体流程如下图： 图3-1 数控程序编制的过程框图 按照上示流程能够有效地去解决一些问题，手工编程已能满足要求，若碰到十分复杂的工件，可利用计算机编程来辅助。3.2 编程代码与指令格式代码是表示信息的符号体系。其中，数控加工所用的信息代买（如字母、数字和符号）代表数控加工的二进制数编码，可用纸带上的一行孔来表示。随着数控技术的发展，纸带的使用的代码与穿孔纸带上规定的代码相同。以前数控加工程序编制的过程中编写零件加工程序单，就是用规定的指令代码和固定格式来描述零件加工的整个过程。通过数控系统自动执行程序，控制各个机床执行部件的顺序来动作，完成对工件的加工。1 数控程序的指令代码 零件程序所用的代码，主要有准备功能G指令、进给功能F指令、主轴速度S指令、刀具功能T指令、辅助功能M指令。 1 准备功能G指令：用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即直线插补指令）、机床坐标系、插补坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。具体G指令功能在下表体现。 表 3-2 准备功能G指令 代码（1）功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替(2)功能仅在所出现的程序段内有作用(3)功能(4)G00a点定位G01a直线插补G02a顺时针方向圆弧插补G03a逆时针方向圆弧插补G04*暂停G05#不指定G06a抛物线插补G07#不指定G08*加速G09*减速G10-G16#不指定G17cXY平面选择G18cXZ平面选择G19cYZ平面选择G20-G32#不指定G33a螺纹切削，等螺距G34a螺纹切削，等螺距G35a螺纹切削，等螺距G36-G39#永不指定G40d刀具补偿/刀具偏置注销G41d刀具补偿-左G42d刀具补偿-右G43#(d)#刀具偏置-正G44#(d)#刀具偏置-负G45#(d)#刀具偏置+/+G46#(d)#刀具偏置+/-G47#(d)#刀具偏置-/-G48#(d)#刀具偏置-/+G49#(d)#刀具偏置0/+G50#(d)#刀具偏置0/-G51#(d)#刀具偏置+/0G52#(d)#刀具偏置-/0G53f直线偏移，注销G54f直线偏移XG55f直线偏移YG56f直线偏移ZG57f直线偏移XYG58f直线偏移XZG59f直线偏移YZG60h准确定位1（精）G61h准确定位2（中）G62h快速定位（粗）G63*攻丝G64-G67#不指定G68#(d)#刀具偏置，内角G69#(d)#刀具偏置，外角G70-G79#不指定G80e固定循环注销G81-G89e固定循环G90j绝对尺寸G91j增量尺寸G92*预置寄存G93k时间倒数进给率G94k每分钟进给G95k主轴每转进给G96i恒线速度G97i每分钟转数（主轴）G98-G99#不指定注：1.#号表示：如选作特殊用途，必须在程序格式说明中说明。2.如在直线切削控制中没有刀具补偿，则G43到G52可指定作其它用途。3.栏括号中的字母（d）表示：可以被同栏中没有括号的字母d所注销或代替，亦可被有括号的字母（d）所注销或代替。4.G45到G52的功能科用于机床上任意两个预定的坐标。5.控制机上没有G53到G59、G63功能时，可以指定作其他用途。6.*号表示功能仅在所出现的程序段内有效。 2. 进给功能F指令 用来指定各运动坐标轴及其任意组合的进给量或螺纹导成。该指令是续效代码，它们一般有两种表示方法。 代码法：即F后跟两个在、数字，这些数字不直接表示进给速度的大小，而是机床进给速度数列序号，进给速度数列可以是算术级数，也可以是几何级数。 直接指定法：即F后跟的数字就是进给速度的大小 3. 主轴控制M指令及速度S指令 该指令是也是续效代码，用来指定主轴转速，用S和它后继的24位数字表示（如表3-3）。表 3-3 辅助功能M指令 代码（1）功能开始时间功能保持到被注销或被适当程序指令代替（4）功能仅在所出现的程序段内有作用（5）功能（6）与程序段指令运动同时开始（2）在程序段指令运动完成后开始（3）M00*程序停止M01*计划停止M02*程序结束M03*主轴顺时针方向M04*主轴逆时针方向M05*主轴停止M06#*换刀M07*2号冷却液开M08*1号冷却液开M09*冷却液关M10#*夹紧M11#*松开M12#不指定M13*主轴逆时针方向，冷却液开M14*主轴顺时针方向，冷却液开M15*正运动M16*负运动M17M18#不指定M19#*主轴定向停止M20M29#永不指定M30*纸带结束M31#*互锁旁路M32M35#不指定M36*进给范围1M37*进给范围2M38*主轴进给范围1M39*主轴进给范围2M40M45#如果需要作为齿轮换挡，此外不指定M4647#不指定M48*注销M49M49*进给率修正旁路M50*3号冷却液开M51*4号冷却液开M5254#不指定M55*刀具直线位移，位置1M56*刀具直线位移，位置2M5759#不指定M60*更换工作M61*工作直线位移，位置1M62*工作直线位移，位置2M6370#不指定M71*工作角度位移，位置1M72*工作角度位移，位置2M73M89#不指定M90M99#永不指定注：#号表示:如选作特殊用途，必须在程序格式说明中说明。 M90M99可指定为特殊用途。 4. 刀具功能T指令 在自动换刀的数控机床中，该指令是用来选择所需的刀具，同时也用来表示选择刀具偏置和补偿。 5. 辅助功能M指令 该指令有M00M99共计100种，也有有续效指令与非续效指令之分。3.3 编程实例 实例1：车间加工编程实例 零件如图3-3所示，毛坯外径24mm，卡盘爪外长度40mm，试绘制其数控加工程序。 解：确定工艺路线，倒角车削10外圆倒角车削16切削圆弧部分。 选择刀具、确定切削用量、编写程序单。 N010 G92 X55 Z47 N020 G00 X4 Z34 S630 M03 T11 M08 N030 G01 X10 Z31 F15 N040 X10 Z17 N050 X14 Z17 N060 G01 X16 Z16 N070 G01 X16 Z4 N080 G02 X24 Z0 I8 I0 N090 G00 X55 T11 M05 N100 M02图 3-3 数控车削零件轮廓图实例2：铣加工编程实例如图3-4所示，坯件加工前已有5mm深、25mm宽、65mm长的长槽，现编程将槽周边精铣一边，使长槽宽30mm，长70mm，深5mm不变，如图所示。工件材料：45钢；刀具：5立铣刀。解：走刀路线op1p2p3p4p5p2p6o选择刀补、数字处理、编制程序O/0002#N010 G92 X0 Y0 Z50N020 G90 G01 X-5 Y0 F100 M03 S700N030 G01 Z-5 F500N35 G41 D01N040 G03 X-20 Y15 I-15 J0 F100N050 G03 X-20 Y-15 I0 J-15N060 G01 X20 Y-15N070 G03 X20 Y15 I0 J15N080 G01 X-20 Y15N090 G03 X-35 Y0 I0 J-15N100 G00 X0 Y0 Z50 M05N110 M02图 3-4 数控铣削零件轮廓图 第四章 计算机数控装置原理 计算机数控装置数控机床的核心。它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置。它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置。这种数控装置替代了早期的纯硬件式数控装置。以前，我们称数控装置为MNC，现在我们统称为CNC，即Computer Numerically Controlled system.4.1 计算机数控装置基本原理 计算机数控装置（CNC）是由电子计算机来承担用户程序的输入、预处理、插补运算及输出控制、反馈控制、参数显示等任务的装置。4.1.1 CNC装置的功能 l 主要功能： 1.承担加工程序的输入及编辑。 2.能识别和运行多种国际上标准化的指令代码C随着CNC的发展，这些加工指令代码越来越多。 3.能提供高性能的进给控制功能。 4.人机对话相当方便。 5.能进行多机通讯及DNC的加工。 6.具备一定的故障诊断、反馈控制功能。 以上这些功能仅仅是CNC功能的主要部分。随着现代数控的发展，很多新的功能将不断增加及完善。 CNC装置的特点即主要由计算机来承担数控机床的控制部分。 4.1.2 CNC数控装置工作过程 20世纪70年代开始，随着计算机技术不断发展，计算机数控装置从硬件结构上发生了一系列的变化，但它的组成原理基本相似，如图5-1。下面将各部分的作用简介如下： 1）显示器是在数控装置运行时用来显示坐标值参数及指令代码、功能码 等。在一些高中档数控装置上可以作加工零件的图形显示等。 2）计算机板是数控装置的核心。通常是由高速CPU组成的计算机系统或由多CPU构成的分布式系统。主要承担数控装置的基本控制及用户程序的译码、插补、反馈控制、输出控制等任务。 3）键盘、开关。键盘通常用来编程及操作。开关为功能开关，用于转换数控装置的工作状态。 4）I/O接口主要作为数控装置的基本输入输出接口，用于进给轴伺服控制的输出、机械手的控制信号输出、主轴变速的控制信号的输出、刀架控制信号的输出及进给反馈信号的输入及刀架机械手到位信号的输入等。 5）机内PLC为机内的可编程控制器。它通过数控装置的键盘进行编程，主要用来对复杂的数控机床的开关量深入输出进行控制。 图 4-1 数控装置的基本组成 6）通讯口为数控装置联系及传送加工程序，同时也满足DNC和FMS的要求。它一般以串行方式进行通讯。 7）位控驱动器通常不属于数控装置本身。但随着高可靠性数控装置的不断发展，制造商为了提高整体的可靠性，向免维修方向发展，也把位控驱动器功放部分包括在数控装置的范围内。 8）反馈传感器ID、执行电机、反馈链、刀架机械手、主轴均不属数控装置的范围。但它们与数控装置一起构成数控系统。 4.2 CNC数控装置的原理及结构 CNC的硬件结构一般分为两类：一类是单CPU结构；另一类为多CPU结构。CNC的软件结构一般也分为两大类：一类是前后台型；另一类为中断型。 硬件和软件的结合才能真正构成CNC装置 ，才能发展CNC的各项功能。（有人把硬件比作躯体，把软件比作灵魂。）下面从硬件和软件两个方面来介绍CNC的基本结构。 4.2.1 单CPU形式 单CPU形式（如图5-2所示）各部分作用如下： （1）CPU组件是整个数控装置的核心，包括CPU、时钟、总线驱动及地址译码，它是一个最基本的单元。 图 4-2 单微机处理器结构CNC框图 （2）显示、键盘是CNC人机对话的基本部件。它的特点是显示器与键盘往往做在一个面板上，并且键盘较标准键盘少，只用一些数控语言所用的键。对于现代化CNC，一些产品的键盘采用了触摸屏键，提高了可靠性。 （3）控制器接口，实际上是对CNC的控制、检测对象专门设置的接口。 （4）RAM、ROM为CNC的系统组件。RAM存放各种数据及用户软件（加工程序等） （5）开关量/数据量输入是一个开关量及数字量输入的匹配器，它把机床的各种开关量信号（如刀架回答信号）及各种数字信号（如装置反馈信号）转换成符合控制器接口的输入电压的工作范围。 （6）开关量输出是把控制器接口信号转换成机床开关量输入信号的各种范围 （7）速控单元在这里是指进给电机、主轴电机的控制转换器。它对不同的进给电机、主轴电机采用不同的速控单元。 （8）位换单元是进给电机的驱动部件。也可以作为带准停功能主轴电机的驱动部件。对于不同的伺服电机及驱动部件是不一样的。在订购CNC装置时，必须说明是何种驱动装置。 4.2.2 多CPU结构 多CPU主要根据各部分的工作特征而设计成多个CPU控制。这种方式的优点为：在同样的性能下降低了CPU的负担，既可以用较低档的CPU完成高性能的控制。从便于分块开发的生产经营的角度看便于边生产边改进。适于多人开发，可以快出产品。 多CAN结构的一般形式如图4-3所示，下面分别介绍如下： 图 4-3 多CPU硬件结构 (1) 主CPU板 主要是完成系统的管理及实时插补运算，它是整个数控装置的核心，对于不同档次的CNC，其插补形式多可以在这里逐步深入进行。 (2) 从CPU（I）板 专门用来作显示、键盘的管理。对于不同形式的显示、键盘等。可以通过单独开发这一部分，形成多种形式的显示，键盘形式如CRT显示，液晶显示，触摸屏等功能。 (3) 从CPU（II）板 其给定是主CPU板的输出，误差计算是通过给定与反馈量之差求得。用于直接控制位控出控单元。 (4) 从CPU（III）板 主要是负责开关量的输入输出，实际上它可以是一个PLC。一般却要256点以上的PLC才采用独立的CPU（III）板。 多CPU结构中，CPU之间的通讯根据实际需要和量串行。也可以量并行通讯。如主CPU与CPU（III）之间采用并行通讯。而主CPU与从CPU（I）之间采用串行通讯。 4.2.3 软件功能及组成 软件的形式比硬件要多，但比较典型的为前后型和中断型。着两种软件结构都有各自的特点。下面作一些简单介绍。 1.前后台型 前后台型软件分为前台程序和后台程序两部分。前台程序为中断服务程序。主要用于实时的输入输出。后台程序（亦称背景程序）用于系统管理、加工程序的预处理、显示等。前后台型程序结构框图如图5.3所示。此结构框图只是反映了前后台型软件的基本思路。实际前后台程序编制时因人而异，细节上差别较大。因此我们只能从总体上加以说明。 (1) 后台程序主要完成硬件的初始化，系统运行管理，包括编辑、运算、回、手动、MDI等运行管理，并不断的设定前台程序、中断参数。如两次中断的时间间隔等。 (2) 前台程序分随机中断和参数定时中断两个程序。参数定时中断为输出程序，原则上按运行管理所确定的中断参数产生中