数控技术第4章课件

第第 4 章章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置(CNC)(CNC)6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.1 CNC系统的组成及特点系统的组成及特点 EIA(EIA(美美国国电电子子工工业业协协会会)所所属属的的数数控控标标准准化化委委员员会会的的定定义义:“CNC“CNC是是用用一一个个存存储储程程序序的的计计算算机机，按按照照存存储储在在计计算算机机内内的的读读写写存存储储器器中中的的控控制制程程序序去去执执行行数数控控装装置置的的部部分分或或全全部部功功能能，在在计计算算机机之之外外的的唯唯一一装装置是接口置是接口”。ISO(ISO(国国际际标标准准化化组组织织)的的定定义义:“数数控控系系统统是是一一种种控控制制系系统统，它它自自动动阅阅读读输输入入载载体体上上事事先先给给定定的的数数字字，并并将将其其译译码码，从从而而使使机机床床移移动动和和加工零件加工零件”。4.1.1 CNC系统的定义与结构系统的定义与结构6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 从从自自动动控控制制的的角角度度来来看看，CNCCNC系系统统是是一一种种位位置置（轨轨迹迹）控控制制系系统统，其其本本质质上上是是以以多多执执行行部部件件(各各运运动动轴轴)的的位位移移量量、速速度度为为控控制制对对象象并并使使其其协协调调运运动动的的自自动动控控制制系系统统，是是一一种种配配有有专专用用操操作作系系统统的的计计算算机机控制系统控制系统。从外部特征来看从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬件硬件（通用硬（通用硬件和专用硬件）和件和专用硬件）和软件软件（专用）两大部分组成的。（专用）两大部分组成的。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕控制单元控制单元主轴电机主轴电机进给进给伺服电机伺服电机电子手轮电子手轮I/OI/O模块模块机床控制面板机床控制面板CNCCNC键盘键盘驱动系统驱动系统6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 CNCCNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 美国艾伦美国艾伦 勃兰特雷公司二十世纪勃兰特雷公司二十世纪7070年代中期生年代中期生产的产的73607360系统，是世界上第一个系统，是世界上第一个CNCCNC系统，是该系统，是该公司于公司于19711971年公布的。年公布的。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕73607360系统的硬件结构系统的硬件结构键盘键盘CRTCRT阅读机阅读机穿孔机穿孔机DNCDNC主控主控计算机计算机主控制主控制面板面板辅助控辅助控制面板制面板工业工业处理机处理机I/OI/O多多路接口路接口位位 置置反反 馈馈直流开关直流开关输入接口输入接口直流电磁直流电磁驱动接口驱动接口主轴伺服主轴伺服入出接口入出接口机机 床床伺服伺服输出输出调速调速环节环节M MR RI IRAMRAM处理处理机前机前面板面板6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕操作面板操作面板w它是操作人员与数控装置进行它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。信息交流的工具。w组成：按钮站、状态灯、按键组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；和显示器；w它是数控机床特有部件。它是数控机床特有部件。安装形式：吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式安装形式：吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.1.2 CNC系统的软件系统的软件输输入入数数据据处处理理程程序序插插补补运运算算及及位位置置控控制制程程序序速速度度控控制制程程序序系系统统管管理理程程序序诊诊断断程程序序 方法方法 1 1 运行中诊断运行中诊断:1 1）代码和检查内存）代码和检查内存 2 2）格式检查（奇、偶、补偿指令、数）格式检查（奇、偶、补偿指令、数据超限）据超限）3 3）双向传递检查）双向传递检查 4 4）清单检验，用打印机、）清单检验，用打印机、CRTCRT 5 5）电压温度、速度检测监控电压温度、速度检测监控2 2 停机诊断停机诊断 有自诊断程序有自诊断程序 3 3 通讯诊断通讯诊断 由诊断中心进行，发出诊断程序。由诊断中心进行，发出诊断程序。接收输入的零件加工程序，对用标接收输入的零件加工程序，对用标准代码表示的加工指令和数据进行准代码表示的加工指令和数据进行翻译翻译/整理，按所规定的格式存放。整理，按所规定的格式存放。w输入输入w译码译码w数据处理数据处理根据合成速度计算各运动坐根据合成速度计算各运动坐标方向的分速度。控制脉冲标方向的分速度。控制脉冲分配的速度，即控制插补运分配的速度，即控制插补运算的频率。算的频率。对数据输入、处理对数据输入、处理及加工过程服务等及加工过程服务等各个子程序进行调各个子程序进行调度度商业化的商业化的CNCCNC装置多数配有装置多数配有自诊断自诊断程序。程序。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.2 4.2 计算机数控系统的硬件结构计算机数控系统的硬件结构 CNCCNC装置的体系结构分为：装置的体系结构分为：单微处理机结构单微处理机结构 PCPC数控系统数控系统 多微处理机结构多微处理机结构 w主从结构主从结构w多主结构多主结构w分布式结构分布式结构4.2.1 CNC4.2.1 CNC系统的硬件构成特点系统的硬件构成特点系统中只有一个系统中只有一个CPU(CPU(主主CPU)CPU)处于主导处于主导地位，对系统资源有控制和使用权，地位，对系统资源有控制和使用权，其他其他CPUCPU处于从属地位，只能接受主处于从属地位，只能接受主CPUCPU的控制命令或数据，或向主的控制命令或数据，或向主CPUCPU发发出请求信息以获得所需的数据。出请求信息以获得所需的数据。整个系统有两个或两个以上的带整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制和使用的功能部件对系统资源有控制和使用权。模块间采用紧耦合。权。模块间采用紧耦合。整个系统有两个或两个以上的带整个系统有两个或两个以上的带CPU的功的功能模块，每个模块有独立的运行环境，模能模块，每个模块有独立的运行环境，模块间采用松耦合。块间采用松耦合。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.2.2 4.2.2 单微处理机结构单微处理机结构CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图以一个以一个CPUCPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为核心，CPUCPU通过总通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务微处理器、存储器、总微处理器、存储器、总线、接口等。线、接口等。接口包括接口包括I/O接口、串接口、串行接口、行接口、CRT/MDI接接口、数控技术中的控制口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编如位置控制单元、可编程控制器（程控制器（PLC）、主）、主轴控制单元、穿孔机和轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及纸带阅读机接口，以及其它选件接口等其它选件接口等6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕微微处处理理器器CPU总总线线EPROMRAM程序输入程序输入/输出输出I/O接口接口位置控制器位置控制器MDI/CRT可编程控制器可编程控制器通信接口通信接口经济型数控系统常用结构经济型数控系统常用结构6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.2.3 4.2.3 多微处理机结构多微处理机结构多微处理机多微处理机CNC装置结构的特点装置结构的特点 （1）性能价格比高）性能价格比高 （2）可靠性高）可靠性高 （3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产在多微处理机组成的在多微处理机组成的CNC装置中可以根据装置中可以根据具体情况合理划分功能模块：具体情况合理划分功能模块：1）CNC管理模块管理模块2）存储器模块）存储器模块 3）CNC插补模块插补模块4）位置控制模块）位置控制模块5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块6）PLC模块模块 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕其其 他他 外外 围围 设设 备备I/OI/O接口接口辅助功能辅助功能CPUCPU|输入端输入端|输出端输出端可编程控制器可编程控制器 CNCCNC插补模块插补模块|位置控制位置控制模块模块|几何处理几何处理其其 他他功功 能能管理模块管理模块存储器存储器多多微处理机微处理机CNCCNC系统并联数据总线系统并联数据总线4.2.3 4.2.3 多微处理机结构多微处理机结构6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕典型的结构典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结共享总线型、共享存储器型及混合型结构构4.2.3 4.2.3 多微处理机结构多微处理机结构多微处理机共享总线结构框图多微处理机共享总线结构框图 所有主、从模块都插在所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，配有总线插座的机柜内，共享严格设计定义的标共享严格设计定义的标准系统总线。系统总线准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的系统，实现各种预定的功能。的功能。总线：总线：STD bus（支持（支持8位和位和16位字长）位字长）Multi bus（型支持型支持16位字长，位字长，型支持型支持32位字长）位字长）S-100 bus（可支持（可支持16位字长）位字长）VERSA bus（可支持（可支持32位字长）位字长）VME bus （可支持（可支持32位字长）位字长）只有主模块有权控制使用系统总线。只有主模块有权控制使用系统总线。由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决。由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决。结构与仲裁结构与仲裁总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按连接位置确定。串行总线仲裁方式：优先权的排列是按连接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案模块之间的通讯模块之间的通讯：公共存储器：公共存储器6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式主主模块模块1主主模块模块2主主模块模块3总线优总线优总线优总线优先权入先权入先权入先权入总线优总线优总线优总线优先权出先权出先权出先权出总线总线总线总线忙忙忙忙入入忙忙出出入入忙忙出出优先权的排列是按连接位置决定的。优先权的排列是按连接位置决定的。某个主模块只有在前面优先权更高的某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线，主模块不占用总线时，才可使用总线，同时通知它后面优先权较低的主模块同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。不得使用总线。FANUC系系统统6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式主模块主模块主模块主模块1 1总线优总线优 总线总线 总线优总线优先权入先权入 忙忙 先权出先权出主模块主模块主模块主模块3 3入入 忙忙 出出译译 器器 码码主模块主模块主模块主模块2 2入入 忙忙 出出优先权编器码优先权编器码要配置专用逻辑电路来解决主模块的判要配置专用逻辑电路来解决主模块的判优问题，通常采用优先权编码方案优问题，通常采用优先权编码方案6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 多多CPUCPU共享存储共享存储器框图器框图端口端口1 1存储存储控制逻辑控制逻辑地址和数据地址和数据多路转换器多路转换器RAMRAM共享存共享存储器储器I/OI/O(CPU)(CPU)CRTCRT(CPU2)(CPU2)轴控制轴控制（COU4COU4）插补插补(CPU3)(CPU3)端口端口2 2中断中断控制控制从机床来的从机床来的 控制信号控制信号至机床的至机床的控制信号控制信号共享存储器结构共享存储器结构解决访问冲突解决访问冲突美国美国GE公司的公司的MTC1-CNC系统系统采用多端口存储器来实现采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互各微处理机之间的互联和通信联和通信6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕7 7M M系统的硬件结构系统的硬件结构CRT/MDICRT/MDI操作面板操作面板模块模块(CPU)(CPU)通信通信模块模块(CPU)(CPU)自动编程自动编程模块模块(CPU)(CPU)主存储主存储器器模块模块通信通信模块模块(CPU)(CPU)I/OI/O单元单元驱动伺服单元驱动伺服单元主轴单元主轴单元PLCPLC模块模块(CPU)(CPU)位置控制位置控制模块模块(CPU)(CPU)主轴控主轴控制制模块模块FANUC BUSFANUC BUS6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.2.4 PC4.2.4 PC数控系统（开放式数控系统）数控系统（开放式数控系统）随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系统。数控系统。数控功能数控功能应用程序应用程序NCNC构件库构件库开放式数控开放式数控装置的概念装置的概念结构结构6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕国内外开放式数控系统的研究进展国内外开放式数控系统的研究进展 几大研究计划几大研究计划n美国：美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计计划划n欧共体：欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划计划n日本：日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划计划n华中华中I I型型基于基于IPCIPC的的CNCCNC开放体系结构开放体系结构n航天航天I I型型CNCCNC系统系统基于基于PCPC的多机的多机CNCCNC开放体系结构开放体系结构开放程度：开放程度：1 1）CNCCNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件可以直接地或通过网络运行各种应用软件2 2）用户操作界面的开放。）用户操作界面的开放。3 3）NCNC内核的深层次开放内核的深层次开放(PC+(PC+实时硬插件；实时硬插件；PC+PC+实时软中断实时软中断)。开放式数控系统的发展趋势：开放式数控系统的发展趋势：1 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件 技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数 控系统。控系统。2 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的 需求。需求。3 3）网络化）网络化6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕SKY数控铣床系统框图数控铣床系统框图6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕I/O设备设备计算机主板计算机主板显显 示示 卡卡功能模板功能模板m功能模板功能模板1存储器存储器多功能卡多功能卡位置控制板位置控制板n位置控制板位置控制板1PLC模块模块主轴控制模板主轴控制模板机床机床I/O控制面板控制面板速度控制单元速度控制单元1速度控制单元速度控制单元n功能驱动功能驱动1功能驱动功能驱动m系系 统统 总总 线线（BUS）标准标准PC计算机计算机华中数控华中数控I型型CNC系统系统6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕运动控制卡运动控制卡运动控制运动控制 是控制技术与运动系统相结合的产物，是控制技术与运动系统相结合的产物，它以微处理器、它以微处理器、DSPDSP为核心，综合硬件设计、软件为核心，综合硬件设计、软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺服编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺服驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以及家制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以及家用电气等众多领域。用电气等众多领域。高性能运动控制卡高性能运动控制卡 是各类专用数控系统快速开发是各类专用数控系统快速开发的支撑技术。的支撑技术。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕DeltaTauDeltaTau PMAC I PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PCI)(PCI)数控系统数控系统DeltaTauDeltaTau PMAC I PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PC104)(PC104)6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.3 4.3 CNC系统的软件结系统的软件结构构4.3.1 4.3.1 CNC软硬件组合类型软硬件组合类型纸纸 带带输输 入入插补插补准备准备插插 补补位位 控控软软 件件硬硬 件件硬硬 件件第一种第一种介介 质质输输 入入插补插补准备准备插插 补补位位 控控硬件硬件硬件硬件介介 质质输输 入入插补插补准备准备插插 补补位位 控控速速 控控电电 机机测测 量量软软 件件硬硬 件件软软 件件硬硬 件件第二种第二种第三种第三种6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5 CNC系统的输入及数据处理系统的输入及数据处理 1.1.零件程序的输入零件程序的输入 零件程序的输入包括两方面的内容零件程序的输入包括两方面的内容:1 1）从）从U U盘、键盘输入到零件程序存储器。盘、键盘输入到零件程序存储器。2 2）从从零零件件程程序序存存储储器器将将零零件件程程序序的的程程序序段段送送入入缓缓冲冲器器（缓缓冲冲存存储储区）。区）。4.5.1 CNC系统的输入系统的输入6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕存数过程存数过程取数过程取数过程磁盘（磁盘（U U盘盘）零件程序零件程序零件程序零件程序缓冲器缓冲器零件程序零件程序存储器存储器零件程序零件程序存储器存储器零件程序零件程序缓冲器缓冲器译译 码码6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕阅读机阅读机零件程序存储器零件程序存储器MDI键盘键盘零件程序缓冲区零件程序缓冲区MDI缓冲区缓冲区译码译码磁盘磁盘6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5.2 输入数据处理输入数据处理输入数据处理程序又叫插补准备程序，主要任务有输入数据处理程序又叫插补准备程序，主要任务有3项：译码、项：译码、刀具补刀具补偿偿（运动轨迹计算）和进给速度计算。另外，还包括（运动轨迹计算）和进给速度计算。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。译码程序是一个翻译，即把零件程序段的信息按一译码程序是一个翻译，即把零件程序段的信息按一定规则翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按定规则翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式存放在译码结果缓冲器（系统规定的格式存放在译码结果缓冲器（DS）中）中 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿，目的是刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿，目的是将零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，减轻程编工作将零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，减轻程编工作量。刀具补偿后刀具中心轨迹的数据存放在刀补缓冲量。刀具补偿后刀具中心轨迹的数据存放在刀补缓冲器（器（CS）中）中 速度计算主要解决加工运动中的速度问题。速度速度计算主要解决加工运动中的速度问题。速度处理因插补方式而异，对于脉冲增量插补方式主处理因插补方式而异，对于脉冲增量插补方式主要是计算输出脉冲的频率；对于数字采样插补方要是计算输出脉冲的频率；对于数字采样插补方式则需根据程编速度计算出采样周期内的位移量式则需根据程编速度计算出采样周期内的位移量(L)。这部分数据处理的结果存放在系统工作缓。这部分数据处理的结果存放在系统工作缓冲器（冲器（AS）中）中 数据流动过程数据流动过程 零件程序零件程序 缓冲器缓冲器 BS 零件结果零件结果 缓冲器缓冲器 DS 刀补处理刀补处理 缓冲器缓冲器 CS 系统工作系统工作 缓冲器缓冲器 AS 插补工作插补工作 寄存器寄存器 OS 译码译码 刀具刀具补补 偿偿 速度速度计算计算 传送传送 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕加加工工程程序序译译 码码刀刀 补补 处处 理理速速度度预预处处理理插插 补补 处处 理理位位 置置 处处 理理伺伺 服服 驱驱 动动刀补刀补缓冲区缓冲区CSCS运行运行缓冲区缓冲区OSOSPLCPLC控制控制译码译码缓冲区缓冲区DSDS位置位置反馈反馈插补插补缓冲区缓冲区ASAS6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（1）译码）译码 定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度、加工速度F和其它辅助信息（和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。若发现语法错误立即报警。方法：解释和编译。方法：解释和编译。内容：代码识别、各功能代码的译码内容：代码识别、各功能代码的译码字符字符EIA码ISO码内部代内部代码字符字符EIA码ISO码内部代内部代码020H30H00HX37HB9H12H101HB1H01HY38H59H13H202HB2H02HZ29H5AH14H313H33H03HI79HC9H15H404HB4H04HJ51HCAH16H515H35H05HK52H4BH17H616H36H06HF76HC6H18H707HB7H07HM54H4DH19H808HB8H08HLF/CR80H0AH20H919H39H09H40H2DH21HN45H4EH10HDEL7FHFFHFFHG67H47H11H0BHA5H22H6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕经代码识别设立了各功能代码的标志后，就可以分别对各功能码进经代码识别设立了各功能代码的标志后，就可以分别对各功能码进行处理了。行处理了。对于不同的对于不同的CNC系统来说，编程格式是有各自的规定的。可将译码系统来说，编程格式是有各自的规定的。可将译码结果缓冲器设计与零件程序段格式相对应。结果缓冲器设计与零件程序段格式相对应。对于对于16位字长的计算机来说：功能地址码只要一个单元就够了。坐位字长的计算机来说：功能地址码只要一个单元就够了。坐标值等以二进制数存放数据的功能字，需准备二个单元。标值等以二进制数存放数据的功能字，需准备二个单元。MAMC，GAGG是考虑到了是考虑到了CNC系统允许一个程序段中同时出系统允许一个程序段中同时出现不止一个准备功能（现不止一个准备功能（G代码）和辅助功能（代码）和辅助功能（M代码）而设置的。在代码）而设置的。在此没有必要为每一种此没有必要为每一种G代码或代码或M代码准备一个单元，因为某些代码准备一个单元，因为某些G代码代码或或M代码是不允许同时出现在一个程序段中的，即是互相排斥的。代码是不允许同时出现在一个程序段中的，即是互相排斥的。例如，例如，G00，G01，G02，G03和和G33是不可能在同一程序段中出现是不可能在同一程序段中出现的，否则将是编程出错。如果将的，否则将是编程出错。如果将G代码（代码（M代码）整理分组，把不能代码）整理分组，把不能同时出现在同一程序段的同时出现在同一程序段的G代码（代码（M代码）归为一组，就可以缩小缓代码）归为一组，就可以缩小缓冲器容量，还能查出编程错误。冲器容量，还能查出编程错误。地址地址码字字节数数数据存放形式数据存放形式N1二二十十进制制X2二二进制制Y2二二进制制Z2二二进制制I2二二进制制J2二二进制制K2二二进制制F2二二进制制S2二二进制制T1二二二二进制制MA1特征字特征字MB1特征字特征字GA1特征字特征字GB1特征字特征字GC1特征字特征字GD1特征字特征字GE1特征字特征字GF1特征字特征字GG1特征字特征字组 号号G 代代 码功功 能能GAG00定位（快速进给）定位（快速进给）G01直线插补（切削进给）直线插补（切削进给）G02顺时针圆弧插补顺时针圆弧插补G03逆时针圆弧插补逆时针圆弧插补G33(G32)螺纹切削螺纹切削GBG04暂停暂停GDG40取削刀具补偿取削刀具补偿G41刀具半径补偿（刀具在工刀具半径补偿（刀具在工件左侧）件左侧）G42刀具半径补偿（刀具在工刀具半径补偿（刀具在工作右侧）作右侧）GCG28自动返回参考点自动返回参考点G29自动离开参考点自动离开参考点GEG80取消固定循环取消固定循环G8189固定循环固定循环GFG90绝对值输入方式绝对值输入方式G91增量值输入方式增量值输入方式GGG92工作坐标系设立工作坐标系设立6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5 4.5 刀具补偿原理刀具补偿原理编制零件加工程序时，零件的尺寸信息取自零件轮廓线，但是实际切削编制零件加工程序时，零件的尺寸信息取自零件轮廓线，但是实际切削时，时，CNC系统通过控制刀具中心实现加工轨迹，切削时是使用刀尖或刀系统通过控制刀具中心实现加工轨迹，切削时是使用刀尖或刀刃边缘完成，这样就需要在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置，刃边缘完成，这样就需要在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象由刀具中心变换到刀尖或刀刃边缘。这种变从而使数控系统的控制对象由刀具中心变换到刀尖或刀刃边缘。这种变换的过程就称之为刀具补偿。换的过程就称之为刀具补偿。刀具长度补偿刀具长度补偿 刀具半径补偿刀具半径补偿 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5.1 4.5.1 刀具长度补偿刀具长度补偿 假设刀头半径假设刀头半径RS=0，这时可采用刀，这时可采用刀具长度测量装置测出理论刀尖点具长度测量装置测出理论刀尖点P相相对于刀架参考点的坐标对于刀架参考点的坐标XPF和和ZPF，并存入刀具参数表中并存入刀具参数表中 XPF=XP X ZPF=ZP Z 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5.2 4.5.2 刀具半径补偿刀具半径补偿 将编程时工件轮廓数据转换成刀将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据具中心轨迹数据,刀具半径补偿刀具半径补偿方法主要分：方法主要分：B刀具半径补偿刀具半径补偿C刀具半径补偿刀具半径补偿 B功能刀具半径补偿不能处理尖角过渡问题功能刀具半径补偿不能处理尖角过渡问题ABC外轮廓加工内轮廓加工转接轮廓加工ABC”C刀具6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况 CSASOSDSCNCASOSNCASOSDS改进NCC C刀具补偿的设计思想刀具补偿的设计思想缓冲寄存器：缓冲寄存器：DSDS存放再下一个程序段存放再下一个程序段刀补缓冲区：刀补缓冲区：CSCS存放下一个的程序段存放下一个的程序段工作寄存器：工作寄存器：ASAS存放正在加工的程序段存放正在加工的程序段输出寄存器：输出寄存器：OSOS存放运算结果为伺服系统的控制信息存放运算结果为伺服系统的控制信息6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 刀具半径补偿是在译码之后进行，译码译出一刀具半径补偿是在译码之后进行，译码译出一 段并不立即进行刀补，译出的若是下一段，则段并不立即进行刀补，译出的若是下一段，则 对本段进行刀补，而正在插补加工的是上一段。对本段进行刀补，而正在插补加工的是上一段。r rr rP Pi iP Pi-1i-1 r rr rP Pi+1i+1 CNCCNC系统专门设立了刀补缓冲区系统专门设立了刀补缓冲区CS.CS.刀补过程刀补过程:6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕刀具半径补偿的执行过程分为三个步骤：刀具半径补偿的执行过程分为三个步骤：1）刀补建立）刀补建立刀具从起刀点接近工件过程中，根据刀具从起刀点接近工件过程中，根据G41或或G42所指所指定的刀补方向，控制刀具中心轨迹相对原来的编程轨迹的法线方定的刀补方向，控制刀具中心轨迹相对原来的编程轨迹的法线方向伸长或缩短一个刀具半径值的距离。向伸长或缩短一个刀具半径值的距离。2）刀补进行）刀补进行控制刀具中心轨迹始终垂直偏移编程轨迹一个刀具控制刀具中心轨迹始终垂直偏移编程轨迹一个刀具半径值的距离。半径值的距离。3）刀补撤消）刀补撤消在刀具撤离工作表面返回到起刀点的过程中，根据在刀具撤离工作表面返回到起刀点的过程中，根据刀补撤消前刀补撤消前G41或或G42的情况，控制刀具中心轨迹相对原来的编程的情况，控制刀具中心轨迹相对原来的编程轨迹法线方向伸长或缩短一个刀具半径值的距离。轨迹法线方向伸长或缩短一个刀具半径值的距离。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕180 36090 180 0 90 直线与直线直线与直线直线与圆弧直线与圆弧圆弧与圆弧圆弧与圆弧转接方式：转接方式：依据前后两段轨迹的连接方式分为依据前后两段轨迹的连接方式分为缩短型缩短型伸长型伸长型插入型插入型据据前后两段轨迹的矢量前后两段轨迹的矢量 夹角夹角 和刀补方向分为和刀补方向分为转接类型转接类型：转接角转接角 为两个相邻零件轮廓段交点为两个相邻零件轮廓段交点处在工件侧的夹角处在工件侧的夹角 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕刀补建立示意图刀补建立示意图a）缩短型）缩短型 b）伸长型）伸长型 c）插入型）插入型 刀补进行示意图刀补进行示意图 a）缩短型）缩短型 b）伸长型）伸长型 c）插入）插入型型 刀补撤消示意图刀补撤消示意图a）缩短型）缩短型 b）伸长型）伸长型 c）插入型）插入型6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕方向矢量和刀具半径矢量方向矢量和刀具半径矢量 为了便于对各种编程情况进行综合分析，为了便于对各种编程情况进行综合分析，从中找出内在规律来，从中找出内在规律来，C刀补计算过程中均刀补计算过程中均采用矢量方法进行采用矢量方法进行（1）方向矢量）方向矢量 与运动方向一致的与运动方向一致的单位矢量单位矢量，用用ld表示表示 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 刀具半径矢量与方向矢量刀具半径矢量与方向矢量a a）左刀补）左刀补 b b）右刀补）右刀补（2 2）刀具半径矢量）刀具半径矢量指加工过程中始终垂直于编程轨迹，指加工过程中始终垂直于编程轨迹，且大小等于刀具半径值，且大小等于刀具半径值，方向指向刀具中心的矢量。用方向指向刀具中心的矢量。用设运动轨迹相对于设运动轨迹相对于X X轴的倾轴的倾角为角为，直线的方向矢量为，直线的方向矢量为l ld d，刀具半径为，刀具半径为r r，刀具半径，刀具半径矢量为矢量为 rd=Xd i+Yd j，sin =Yl cos =Xl 规定左刀补（规定左刀补（G41）时）时r0，右刀补（，右刀补（G42）时）时r0：6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕C伸长伸长型转接：型转接：OKJBDAFYGXC插入型转接：插入型转接：JBCDOFKXYAG缩短缩短型转接：型转接：OBADCFJKGYX6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕转接类型的判别转接类型的判别XYA(X0,Y0)B(X1,Y1)C(X2,Y2)sin=sgn(r)(Y2X1X2Y1)/(d1d2)cos=(Y2Y1+X2X1)/(d1d2)缩短型条件：缩短型条件：伸长型条件：伸长型条件：插入型条件：插入型条件：6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.5.3 刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算 运用矢量方法求出刀补轨迹上的运用矢量方法求出刀补轨迹上的各个转接点坐标值。分：各个转接点坐标值。分：w直线接直线直线接直线w直线接圆弧直线接圆弧w圆弧接直线圆弧接直线w圆弧接圆弧圆弧接圆弧 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（1）直线接直线）直线接直线 Xsl=X1 rYl2 Ysl=Y1+rX l2刀刀补补建建立立Xsl=X1 rYl1 Ysl=Y1+rX l1刀刀补补撤撤销销刀刀补补进进行行（）缩短型缩短型 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（）伸长）伸长型型 Xsl=X1 rYl1 Ysl=Y1+rX l1刀刀补补建建立立Xs2=X1 rYl2 Ys2=Y1+rX l2刀刀补补撤撤销销刀刀补补进进行行6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（）插入型插入型 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（2）直线接圆弧）直线接圆弧（）缩短型缩短型（）伸长型伸长型（）插入型插入型 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（3）圆弧接直线）圆弧接直线（）缩短型缩短型（）伸长型伸长型（）插入型插入型 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕（4）圆弧接）圆弧接圆弧圆弧6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕改变刀补方向改变刀补方向 改变刀补半径改变刀补半径 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕N3 G91 X150 LFN4 M08 LF（雾状冷却）（雾状冷却）N5 M09 LF（关切削液）（关切削液）N6 Y-50 LFN7 X50 LF N3 G91 X150 LFN4 X0 LFN5 Y-50 LF 6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕OAHGAFefghijkl6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕4.6 PLC在在CNC系统中的应用系统中的应用 PLCPLC的典型结构的典型结构完成电信号电平完成电信号电平转换、处理器电转换、处理器电路与外界的隔离、路与外界的隔离、数数/模和模模和模/数转数转换以及故障指示换以及故障指示等功能。等功能。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 内装型内装型PLC 独立型独立型PLC CNC系统的生产厂家系统的生产厂家为实现数控机床的顺为实现数控机床的顺序控制，而将序控制，而将CNC和和PLC综合起来设计。综合起来设计。w内装型内装型PLC是是CNC装置的一部分装置的一部分w内装型内装型PLC不能独立不能独立工作工作6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕在硬件上，内装型在硬件上，内装型PLCPLC与与CNCCNC装置共用一个装置共用一个CPUCPU西门子公司的 SINUMERIK 810、820等数控系统在硬件上，内装型在硬件上，内装型PLCPLC也可是单独的也可是单独的CPUCPU FANUC的0系统和15系统 美国A-B公司的8400系统和8600系统这种这种PLCPLC的硬件和软件整体结构上合理、实用，的硬件和软件整体结构上合理、实用，性能价格比高，适用于类型变化不大数控机床。性能价格比高，适用于类型变化不大数控机床。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕独立型独立型PLCPLC由专业化生产厂家生产的由专业化生产厂家生产的PLCPLC产品来实现产品来实现顺序控制，称为独立型顺序控制，称为独立型PLCPLC。独立型独立型PLC的特点的特点 独立于独立于CNCCNC装置，具有完备的硬件和软件装置，具有完备的硬件和软件 功能，能够独立完成规定的控制任务。功能，能够独立完成规定的控制任务。独立型独立型PLCPLC的生产厂家较多，品种、类型的生产厂家较多，品种、类型 丰富，使用户有较大的选择余地。丰富，使用户有较大的选择余地。6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕具有独立型具有独立型 PLC 的的 CNC 系统结构系统结构6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕主要功能主要功能例如例如西门子公司的SIMATIC S5、S7系列产品 FANUC公司的PMC-J系列产品A-B公司的PLC系列产品输入/输出信号接口技术规范程序存储容量运算和控制功能 Canada Entertron公司SK-1600PLC系列产品6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕用户程序的循环扫描过程用户程序的循环扫描过程输入采样阶段：通常在扫描周期的开始或结束时，以扫描方式顺序读入所有输入端的状态，并将此状态存入输入映像区，供用户程序执行时取用。程序执行阶段：在无中断或跳转指令的情况下，根据梯形图程序从首地址开始按自左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条。输出刷新阶段：CPU将输出映像区的内容集中转存到输出锁存器，然后传送到各相应的输出端子，最后再驱动实际输出负载。集集中中采采样样集集中中输输出出6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕电动机的起动与停止控制程序停止优先停止优先起动优先起动优先输入信号输出信号停止按钮SB1I0.1接触器KMQ0.1起动按钮SB2I0.26/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕F FA AN NU UC C 数数控控系系统统6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 FANUC数控系统FANUCFANUC数控系统的系列与特点数控系统的系列与特点（1 1）FANUC 0iFANUC 0i系统与系统与FANUCl6/18/21FANUCl6/18/21等系统的结构相似，均为模块化等系统的结构相似，均为模块化结构。其集成度较结构。其集成度较FANUC 0FANUC 0系统的集成度更高，因此系统的集成度更高，因此0i0i控制单元控制单元的体积更小，便于安装排布。的体积更小，便于安装排布。（2 2）采用全字符键盘，可用）采用全字符键盘，可用B B类宏程序编程，使用方便。类宏程序编程，使用方便。（3 3）用户程序区容量比）用户程序区容量比0MD0MD系统大一倍，有利于较大程序的加工。系统大一倍，有利于较大程序的加工。（4 4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便。）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便。（5 5）使用存储卡存储或输入机床参数、）使用存储卡存储或输入机床参数、PMCPMC程序以及加工程序，操作程序以及加工程序，操作简单方便。简单方便。（6 6）系统具有）系统具有HRV(HRV(高速矢量响应高速矢量响应)功能，伺服增益设定比功能，伺服增益设定比0MD0MD系统高系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。宏程序包含：宏程序包含：w数控程序段数控程序段w算术或逻辑运算算术或逻辑运算(=)的程序段。的程序段。w控制语句程序段。控制语句程序段。w宏程序调用指令宏程序调用指令 w调用指令格式：调用指令格式：G65P（宏程序号）（宏程序号）L（重复次数）（变量分配）（重复次数）（变量分配）改变了改变了0系统大板结构模块形式，改系统大板结构模块形式，改为主板和为主板和I/O板的竖式结构板的竖式结构wFlash存储模块（存梯形图）存储模块（存梯形图）wPCMCIA存储卡存储卡wHSSB串行总线（与上位机连接）串行总线（与上位机连接）FANUC数控系统二、二、FANUCFANUC数控系统的系列与特点数控系统的系列与特点（7 7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参数自动补偿。不同的间隙补偿参数自动补偿。（8 8）0i0i系统可预读系统可预读1212个程序段，比个程序段，比0MD0MD系统多。系统多。（9 9）与与0MD0MD系系统统相相比比，0i0i系系统统的的PMCPMC程程序序基基本本指指令令执执行行周周期期短短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。容量大，功能指令更丰富，使用更方便。（1010）0i0i系统的界面、操作、参数等与系统的界面、操作、参数等与18i18i、16i16i、21i21i基本相同。基本相同。（1111）0i0i系系统统比比0M0M、0T0T等等产产品品配配备备了了更更强强大大的的诊诊断断功功能能和和操操作作信信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。（1212）在软件方面）在软件方面0i0i系统比系统比0 0系统也有很大提高，特别在数据传系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进。输上有很大改进。机床操作面板按键可自由定义机床操作面板按键可自由定义改变了改变了0系统由用户进行功能配置的方法，改系统由用户进行功能配置的方法，改为功能打包形式，分为：为功能打包形式，分为：A，B两种形式，从两种形式，从而减轻用户的负担而减轻用户的负担FANUC数控系统FANUC数控系统FANUC数控系统FANUC数控系统单元二 FANUCFANUC数控系统的部件连接数控系统的部件连接一、控制单元的连接一、控制单元的连接(FANUC 0i)(FANUC 0i)控制单元的构成控制单元的构成控制单元各部位的名称控制单元各部位的名称控制单元的连接原理图控制单元的连接原理图1 1项目一 数控系统概述控制单元的连接原理图控制单元的连接原理图2 2I/OI/O板插座配置图板插座配置图手摇脉冲发生器可增至手摇脉冲发生器可增至3个个在同步和异步方式中，在同步和异步方式中，0i系统使系统使用了异步方式用了异步方式机床操作面板和机床机床操作面板和机床I/O信号均通信号均通过过4个插头进入个插头进入0i系统内置的系统内置的I/O卡卡西西门门子子系系统统6/23/20246/23/2024南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院 黄新燕黄新燕 西门子数控系统-组成单元一 西门子数控系统概述802S 802CeeApr.97Apr.03May 03Oct.03基本系列价格功能系列810D810D840D840D802D802DV2.1V2.1 802S base line802S base line 802C base line 802C base line&SimoDriveSimoDrive Base line Base line802D802DBase lineBase line性能SINUMERIK 802 S base lineSINUMERIK 802 C base line单元一 西门子数控系统概述单元一 西门子数控系统概述单元一 西门子数控系统概述PCU（Panel Control）是核心，集成了：）是核心，集成了：w Profibus接口接口w 手轮接口手轮接口w 用于