数控原理 4数控系统及插补原理

第4章 计算机数控系统第一节 CNC系统的组成与功能 第二节 CNC系统的硬件结构 第三节 CNC系统的软件结构 第四节 逐点比较法插补原理与实现 第五节 数字积分法插补原理与实现 第六节 数据采样(数字增量)插补原理与实现 第七节 数控系统的刀具补偿

第一节 CNC系统的组成与功能CNC系统和CNC装置 CNC系统：数控装置、 PLC 、伺服系统

CNC系统的组成

CNC装置硬件组成：CPU、存储器、I/O接口

程序输入/输出设备——交换信息通道 通信设备——交换信息通道 计算机数字控制装置——各种信息处理 可编程控制器(PLC)——开关量控制 主轴驱动装置——控制主轴转速，实现主轴定 位 进给驱动装置——进给轴的速度、位置控制

CNC装置应该具备以下一些功能：(1)控制坐标轴运动/联动的功能。 (2)准备功能，也称G功能。 (3)插补功能。 (4)进给控制功能。 (5)主轴控制功能。 (6)辅助控制功能。。 (7)选刀及工作台分度功能。 (8)固定循环功能。 (9)补偿功能。 (10)字符、图形显示功能。 (11)诊断功能。 (12)通信功能。 (13)在线自动编程功能。

核心功能

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非核心功能

CNC系统的功能基本功能– 控制功能——轴运动、联动轴 – 准备功能——插补线形等(G功能： G00点定位；G01直线插补) – 插补功能——运行数据计算 – 进给功能——进给速度控制(F100: 100mm/min) – 刀具功能——刀具参数、换刀(T01: 第1号刀) – 主轴功能——转速(S800:主轴转速 为800r/min) – 辅助功能——起停、转向、冷却液通断、 刀库起停等(M功能：M02程序结束； M05主轴停止) – 字符显示功能——人机对话的信息显示 – 自诊断功能——查明故障，减少停机 – 安全功能——通过PLC,控制限制各坐 标在安全区内运动

选择功能 – 补偿功能——刀 具长度、半径补 偿 – 固定循环功能— —如钻孔等可借 助宏程序功能完 成 – 通信功能——如 借助RS232串口 等进入通信FMS 通信网络 – 人机对话编程功 能——CAD/CAM 功能

CNC装置的工作过程

第二节 CNC装置的硬件结构一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装 置 二、 专用CNC装置与开放式CNC装置

CNC装置的硬件构成CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、 输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。 各组成部分的作用如下： ㈠ 中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整个系统的运 算、控制和管理。 ㈡ 存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序 以及运算的中间结果等。 ㈢ 位置控制 主要完成与伺服系统之间的信息交换。 ㈣ 输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的 往来信息。 ㈤ MDI/CRT接口

完成手动数据输入和将信息显示在CRT 上。

输入 EPROM RAM 接口

输出 接口

CPU磁带或 磁盘机 接 口MDI CRT 接口

总线

位置 控制 接口

其它 接口

CNC装置硬件构成

一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置

(一)单微处理器结构CNC装置在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器， 因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各 项任务。

有的CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处 理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一 个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处 理器结构。

单微处理机数控系统结构组成

CPUEPROM 纸带阅读机接口 纸带阅读机

RAM数控面板 MDI/CRT 接口 PLC

穿孔机、电 传机接口

纸带穿孔机电传机 机床

CRT

I/O接口

通信接口

位置控制

速度控制单元

M

总线

图3-5 单微处理器CNC装置组成框图

1、 单微处理器CNC装置组成硬件的作用1)微处理器 微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能 都由一个 CPU 来完成，因此 CNC 装置的功能受微处理 器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素 的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采 用以下措施： ⑴采用协处理器； ⑵由硬件完成一部分插补工作； ⑶采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。 经济型 CNC 装置常采用 8 位的微处理器芯片或采 用单片机芯片 (8 位或 16 位 ) 作为微处理器，一般 CNC 装置通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的CNC 装置都采用64位微处理器芯片。

2) 总线 总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为 三组。 (1) 数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根 数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送 n位宽 度的一个字，采用单向线。 (2) 地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线 结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地， 采用单向线。 (3) 控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制 信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号， 采用单向线。

3) 存储器 存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使 断电，程序也不会丢失。常用的EPROM有：2716、2732、 2764、27128、27256、27010等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随 机读写，但断电后信息随即消失。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM 中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断

电后，信息仍保存。

4) PLC

PLC用以代替

传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序实现M、S、T功能的控制。

PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC是CNC装置的一个部件，可以共享CNC装置的CPU,也可以配置单独的 CPU。独立型PLC完全独立于CNC装置，本身具有完备的硬 件(CPU、ROM、RAM等)和软件，可以独立完成规定的控 制任务。

5) 位置控制模块

CNC装置中的位置控制模块与伺服驱动装置的速度控制单元、位置检测元件组成位置闭环控制系统。 位置环主要用于单个轴运动的位置控制。 轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面 粗糙度和加工效率影响极大。

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