数控系统的组成及工作原理

第二讲数控系统的组成及工作原理山西工程职业技术学院机械系姚瑞敏数控机床与使用维修本讲主要内容CNC数控系统基本构成机床数控系统的基本工作原理刀具半径补偿原理引言计算机数控系统是一种包含计算机在内的数字控制系统。它是一种位置控制系统，主要用于控制刀具和工件之间的相对位置。数控系统的主要工作过程是根据输入的信息（加工程序），进行数据处理（刀具长度和半径补偿）和插补运算（确定刀具或工件的运动轨迹），从而获得理想的运动轨迹信息。为了适应工业自动化的需要以及网络、远程控制的需要，CNC(分布式数控)通常备有RS232、RS422串行通信接口，高档CNC还具有DNC（分布式数控）或MAP（制造自动化协议）接口。有些生产厂家还纷纷采用MAP工业控制网络。一．CNC数控系统基本构成数控系统构成可以用下面的框图表示：硬件系统微机部分外围设备部分机床控制部分CNC数控系统输入数据处理程序系统软件插补运算程序软件系统速度控制程序管理程序诊断程序应用软件１．硬件构成（1）：微机部分：是CNC的核心，主要由CPU、存储器和接口电路组成。CPU由运算器和控制器组成。运算器（ALU）主要对数据进行算术和辑运算。１．硬件构成（2）：外围设备主要包括操作面板、键盘、显示器、光电阅读机、纸带穿孔机和外部存储器等。操作面板：由于不同数控机床的动作不同，所配备的操作面板是不同的。一般操作面板具有如下按钮和开关：进给轴手动控制按钮，用于手动调整时移动各坐标轴。主轴启停与主轴倍率选择按钮：用于主轴的启停与正、反转以及主轴调速。自动加工启停按钮：用于自动加工过程的启动于停止。条件程序段选择开关：用于条件程序段是否执行。倍率选择开关：用于选择进给速度的倍率及点动量。另外还有一些状态指示等、报警装置等。１．硬件构成（3）：机床数控系统主要是通过对伺服机构的控制来实现对机床移动部件的控制。包括速度和位移的控制以及它们反馈装置的控制。２．软件构成（1）：输入数据处理程序：接受加工程序，对程序进行译码，对数据进行处理。加工程序给定的是待加工工件的轮廓，而实际上，应该控制刀具中心的运动轨迹。这就存在一个轮廓转换的问题。只要告诉系统所使用的刀具并将刀具相应的参数输入系统中，该转换工作由输入数据处理程序自动完成。２．软件构成（2）：插补程序：根据加工程序所提供的加工信息，如曲线的种类（直线、圆弧或其它曲线）、起终点（直线的起点、终点，圆弧的起点、终点及圆心）、加工方向（顺时针、逆时针），对这些信息进行插补运算，决定每一个脉冲到来时的移动方向及步长，以及曲线与曲线之间如何过渡等。２．软件构成（3）：速度控制程序：根据给定的速度值控制插补运算的频率，保证预定的进给速度。并能根据反馈值的正与负自动地调节速度的大小。管理程序：负责对数据输入、数据处理、插补运算等各种程序进行调度管理；对诸如面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理；子程序的调用；共享资源的分时享用等。诊断程序：通过识别程序中的一些标志符来判断故障的类型和所在地。二．机床数控系统的基本工作原理1．数控系统工作原理框图：１．程序的输入：分为手动输入和自动输入两种方式。手动输入通常用键盘输入；自动输入可用穿孔纸带、磁带或用通讯的方式。２．译码：主要是将标准程序格式翻译成便于计算机处理数据的格式（高级语言→机器语言）。三、刀具半径补偿１．补偿的类型：分为左补偿和右补偿两种情形。刀具半径左补偿：沿着加工方向，当刀具位于工件左侧时，称刀具半径左补偿。加工时用G41指令调用。刀具半径右补偿：沿着加工方向，当刀具位于工件右侧时，称刀具半径右补偿。加工时用G42指令调用。刀具半径补偿图例：２．刀具补偿的步骤：刀具半径补偿的建立：刀具由起刀点以进给速度接近工件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径。偏置方向由G41及G42确定。刀具半径补偿的进行：一旦建立刀补，刀具始终偏离工件轮廓一定距离，直到取消刀补为止。刀具半径补偿的取消：刀具撤离工件，回到退刀点，取消刀具半径补偿。退刀点应位于零件轮廓之外，可以与起刀点相同，也可以不相同。刀具半径补偿图例：刀具半径补偿示例：%0010N20T0101；（转1号刀，执行1号刀补）N30M03S1000；（主轴按1000r／rain正转）N40G00X0．0Z10．0；（快速点定位）N50G42G01X0．0Z0．0F100（刀补建立）N60X40．0；N70Z-18．0；（刀补进行）N80X80．0；N90G40G00X85．0Z10．0；（刀补取消）N100G28U0W0；（返回参考点）N110M30；3．刀具半径补偿原理（1）：基本思想：刀具半径补偿的计算就是根据零件轮廓和刀具半径值计算出刀具中心的运动轨迹。对于数控系统来说，工件轮廓主要是直线和圆弧或将其它轮廓用极限的方法转换成直线或圆弧。对直线轮廓而言，刀补中心轨迹是一条平行于工件轮廓且与轮廓等长的直线，用两点（起点、终点）即可决定其直线方程；对圆弧轮廓而言，刀补中心轮廓应是一条与工件轮廓同心且包角相同的一段圆弧，用刀补圆弧的起点、终点坐标及圆弧半径即可决定该圆弧方程。3．刀具半径补偿原理（2）：切直线时刀补的计算：设上段程序加工完成后，刀具中心位于O’，现需计算刀补后直线终点的坐标（X‘，Y‘）。设终点刀具半径偏置矢量投影坐标为（ΔX，ΔY），则有左边的表达式。此为第一象限的公式，其它象限公式仅为符号差别。22222222cossinYXXRYYYXYRXXYXXRRYYXYRRXYYYXXX3．刀具半径补偿原理（3）：切圆弧刀补计算：设上段程序加工完成后，刀具中心位于，设在两坐标轴上的投影为（ΔX，ΔY），则有左边的表达式。实际上，无论是直线加工，还是圆弧加工，对于具备刀具半径功能的系统，这种复杂的计算都由数控系统自动完成，用户只需根据工件轮廓进行编程即可。22222222ooooooooooeeeeeeeeeeeeeeYXYRYYYXXRXXYXYRYYYXXRXXYYYXXX４．C刀具补偿原理（1）上面讨论的是单段轮廓的刀补情况，通常工件轮廓由多段曲线组成，如直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧、圆弧与直线等，这就存在一个轮廓交接处如何过渡的问题。C刀具补偿能自动地处理两段程序之间的刀具中心轨迹的转接，编程人员完全按工件轮廓编程。４．C刀具补偿原理（2）图例给出了左刀补和右刀补时轮廓过渡处的处理情形。从图可以看出：轮廓过渡时，为了避免过切或间断，需要采用缩短、延长或插入的方式。C刀具补偿原理图（1）C刀具补偿原理图（2）４．C刀具补偿原理（3）数控系统的工作方式C刀具补偿是在插补和控制的间隙进行刀补计算的，通过设置多个缓存，采用流水作业的方式才能提高计算速度，满足高速加工的需要。如图所示。C功能刀补计算流水作业框图：思考与练习：数控系统的硬件由哪些部分构成？各部分的作用是什么？数控系统在进行插补运算之前为什么一定要进行数据处理？数据处理包括哪些方面的内容？各自的原理是什么？在进行数据处理时，直线段的B刀补和圆弧段的B刀补分别解决什么问题？基本思路是什么？为了避免过切或使加工能够持续进行，在处理曲线与曲线之间转接时（C刀补），通常有几种方式？