第四章 计算机数控装置的软、硬件结构

第一节

概 述

数控系统的组成 数控系统是数控机床的重要部分， 数控系统是数控机床的重要部分，它是由数 控程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控 控程序、输入输出设备、CNC装置、 装置 制器(PLC) 制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置 (PLC)、 (包括监测装置)等组成，有时也称作计算 包括监测装置)等组成， 机数控装置(CNC装置)。 机数控装置(CNC装置)。 装置

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一.

CNC装置的组成 CNC装置的组成

数控系统的核心是数控装置。 数控系统的核心是数控装置。随着计算机技术的 发展，数控装置性能越来越高，价格越来越低。 发展 ， 数控装置性能越来越高 ， 价格越来越低 。 从外部特征来看，CNC装置是由硬件 装置是由硬件( 从外部特征来看，CNC装置是由硬件(通用硬件和 专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的， 专用硬件 ) 和软件 ( 专用 ) 两大部分组成的 ， 软 件在硬件的支持下运行，离开软件， 件在硬件的支持下运行 ， 离开软件 ， 硬件便无法 工作，二者缺一不可。 工作，二者缺一不可。

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一.⒈

CNC装置的组成 CNC装置的组成

CNC装置硬件的层次结构 CNC装置硬件的层次结构

CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构， CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，还有数控 装置的硬件具有一般计算机的基本结构 功能模块与接口单元。 机床所特有的功能模块与接口单元 机床所特有的功能模块与接口单元。计 算 机 基 本 系 统 设备支持层人人人人其他设备

设备层

机

床

口

运运人人

显示设备 PMC

机器人 测量机 ...

输入/出设备

接

计算机系统

其其I/O

图4-1 CNC系统硬件的层次结构 CNC系统硬件的层次结构下午2 33分 下午2时33分 现代数控技术 3

一.

CNC装置的组成 CNC装置的组成

2、CNC装置软件的功能结构 CNC装置软件的功能结构 从本质特征来看，CNC装置软件是具有 从本质特征来看，CNC装置软件是具有实时性和多任务 装置软件是具有实时性和多任务 性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC 性的专用操作系统 ， 从功能特征来看 ， 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 管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵 控制软件两部分组成 CNC系统活的灵 魂 。 其结构框图如图 4-2所示 。为了提高机床的进给速度 其结构框图如图4 所示。 控制，一些实时控制可以由硬件来完成，如硬件插补器。 控制，一些实时控制可以由硬件来完成，如硬件插补器。 这样CPU作些插补前的准备工作， 这样 CPU

作些插补前的准备工作 ，而位置控制由硬件电路 CPU作些插补前的准备工作 完成。 完成。下午2 33分 下午2时33分 现代数控技术 4

一.

CNC装置的组成 CNC装置的组成操作系统

管理软件

控制软件

零件 程 序 管 理

显 示 处 理

人 机 交 互

输 入 输 出 管 理

故 障 诊 断 处 理

...

刀 编 具 译 半 处 径 理 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 4-2 CNC 软件系统功能框图

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一.

CNC装置的组成 CNC装置的组成

3、CNC装置硬件软件的作用和相互关系 CNC装置硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础， 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， CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合 装置的系统软件在系统硬件的支持下 理地组织、管理整个系统的各项工作， 理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种 数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条 数控功能，使数控机床按照操作者的要求， 不紊地进行加工。 不紊地进行加工。 CNC装置的硬件和软件构成了 CNC系统的系统 CNC 装置的硬件和软件构成了 CNC 系统的系统 装置的硬件和软件构成了CNC 平台，如图4 所示。 平台，如图4-3所示。下午2 33分 下午2时33分 现代数控技术 6

一.

CNC装置的组成 CNC装置的组成

数控加工程序

CNC系统平台 图4-3 CNC系统平台

应用软件 管理软件

控制软件 接 口 被控设备 机 床 机器人 测量机......

操作系统 硬件

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二.

CNC装置的优点 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， CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的 装置的功能大多由软件实现 结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 CNC装置其基本配置部分是通用的， CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配 装置其基本配置部分是通用的 相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。 置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。

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二. CNC装置的优点 CNC装置的优点2、数控功能丰富 插补功能：二次曲线、样条曲线、 插补功能：二次曲线、样条曲线、空间曲面插补 补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、 补偿功能：运动精度补偿、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 人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示， 编程功能：G代码、篮图编程、部分自

动编程功能。 编程功能： 代码、篮图编程、部分自动编程功能。

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二. CNC装置的优点 CNC装置的优点3、 可靠性高 CNC装置采用集成度高的电子元件 芯片、 CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、可靠性得 装置采用集成度高的电子元件、 以保证。 以保证。 许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。 许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。 丰富的故障诊断及保护功能( 大多由软件实现) 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。 时间降低。下午2 33分 下午2时33分 现代数控技术 10

二. CNC装置的优点 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 操作使用方便 ： 用户只需根据菜单的提示， 操作。 操作。 编程方便：具有多种编程的功能、 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。 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 维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑， 件的定期检查等) 数控机床的自诊断功能， 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。 障准确定位。

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二. CNC装置的优点 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， 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，硬件不断减小), 电子元件的集成度越来越高，硬件不断减小) 使其与机床在物理上结合在一起成为可能， 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。 面积，方便操作。

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法 CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法 和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能 和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。不管用 基本功能和选择功能。 于什么场合的CNC装置，基本功能使必备的数控功能； 于什么场合的 CNC 装置 ， 基本功能使必备的数控功能 ； 选择 CNC装置 功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。 功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。 基本功能——数控系统基本配置的功能 即必备功能； 基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能； 数控系统基本配置的功能， 选择功能——用户可根据实际

要求选择的功能 选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。 用户可根据实际要求选择的功能。

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三. CNC装置的功能 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 ， 它是数控 CNC能 控制和能 联动控制的进给轴数 和能联动控制 的进给轴数， 装置的重要性能指标。 装置的重要性能指标。CNC的控制轴分有：移动轴( CNC的控制轴分有：移动轴(X、Y、Z)和回转轴(A、B、C); 和回转轴( 的控制轴分有 基本轴和附加轴( 基本轴和附加轴(U、V、W)。 数控车床一般只需X 数控车床一般只需X 、 Z两轴联动控制。 数控铣床 、 钻床以及加 两轴联动控制。数控铣床、 工中心等需要三轴控制以及三轴以上联动控制。 工中心等需要三轴控制以及三轴以上联动控制。 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂 编程也越困难。 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。 系统就越复杂，

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能2、准备功能(G功能) 准备功能( 功能) —— 指令机床动作方式的功能。

它包括基本移动、 程序暂停、 平面选择、 它包括基本移动 、 程序暂停 、 平面选择 、 坐 标设定、刀具补偿、镜像、固定循环加工、 标设定、刀具补偿、镜像、固定循环加工、公 英制转换、子程序等指令。 英制转换、子程序等指令。

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能3、 插补功能和固定循环功能—— 插补功能是数控装置实现零件轮廓(平面或空间)加工 插补功能是数控装置实现零件轮廓 平面或空间) 是数控装置实现零件轮廓( 空间 轨迹运算的功能。实现插补功能的方法有逐点比较法、 轨迹运算的功能。实现插补功能的方法有逐点比较法、数字 积分法、直接函数法和双DDA法等 DDA法等 积分法、直接函数法和双DDA —— 固定循环功能 是数控装置实现典型加工循环(如 ： 钻 固定循环功能是数控装置实现典型加工循环 是数控装置实现典型加工循环( 孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等)的功能 攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等)

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能4、进给功能—— 进给速度的控制功能。 进给速度的控制功能。 mm/min。 进给速度—— 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min 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， 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。 mm/r。只有主轴装有位置编码器的机床才能指令同步进给速度 进给倍率(进给修调率)——人工实时修调预先给定的进给速度 进给倍率(进给修调率)——人工实时修调预先给定的进给速度。 人工实时修调预先给定的进给速度。 使用倍率开关不用修改零件加工程序就改变进给速度。 使用倍率开关不用修改零件加工程序就改变进给速度。

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能5、主轴功能—— 数控系统的主轴的控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能 单位为r/min 主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为r/min。 主轴转速的控制功能， 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。 恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。该功能主要 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能 用于车削和磨削加工中，使工件端面质量提高。 用于车削和磨削加工中，使工件端面质量提高。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。 人工实时修调预先设定的主轴转速 主轴准停——该功能使主轴在径向的某一位置准确停止 主轴准停——该功能使主轴在径向的某一位置准确停止。加工中心必须有 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止。 主轴准停功能，主轴准停后实施卸刀和装刀动作。 主轴准停功能，主轴准停后实施卸刀和装刀动作。

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三. CNC装置的功能 CNC装置的功能6、辅助功能(M功能) 辅助功能( 功能)—— 用于指令机床辅助操作的功能。 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、 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。 关闭、换刀等动作。

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