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数控技术. 数控（ Numerical Control ） 是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 数控机床 用数控技术实现加工控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 较好解决了复杂、精密、小批量、多品种的加工问题。 是一种柔性的、高效能的自动化机床。. 1952 年， Parsons & MIT 合作研制了第一台三座标数控铣床 发展至今，相继出现 加工中心 MC 、直接数值控制系统 DNC 、 | 自适应控制系统 AC 、柔性制造系统 FMS 、计算机集成制造系统 CIMS 等. 数控机床的控制原理. 测量 装置. 数控装置 CNC.
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数控技术 • 数控（Numerical Control）是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 • 数控机床用数控技术实现加工控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。较好解决了复杂、精密、小批量、多品种的加工问题。是一种柔性的、高效能的自动化机床。
1952年，Parsons & MIT 合作研制了第一台三座标数控铣床 • 发展至今，相继出现 加工中心MC、直接数值控制系统DNC、|自适应控制系统AC、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS等
数控机床的控制原理 测量 装置 数控装置 CNC 伺服系统 存储器 驱动 装置 执行 机构 图样 机床主机 程序载体 输入 输出 CPU 控制器 切削驱动装置
数控装置1）输入装置：键盘、磁盘、CAD/CAM通信、DNC……2）信息处理处理内容：轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度以及其他辅助加工信息（换刀、变速、冷却等）数据处理的目的：完成插补运算前的准备工作。具体处理程序应包括刀具半径补偿、速度计算及辅助动能的处理等数控装置1）输入装置：键盘、磁盘、CAD/CAM通信、DNC……2）信息处理处理内容：轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度以及其他辅助加工信息（换刀、变速、冷却等）数据处理的目的：完成插补运算前的准备工作。具体处理程序应包括刀具半径补偿、速度计算及辅助动能的处理等
伺服系统和测量反馈 • 用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。作用是把接收来自数控装置的指令，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的运动。
数控机床的分类 • 按加工功能分类：1）点位控制数控机床仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。2）直线控制数控机床3）轮廓控制数控机床具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。 a.平面轮廓b.空间轮廓
按所用进给伺服系统的类型分类1）开环:没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。按所用进给伺服系统的类型分类1）开环:没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。 2）闭环 直接对运动部件的实际位置进行检测3）半闭环采样点是从驱动装置或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。 • 按所用数控装置类型分1）硬线数控 2）计算机数控
数控编程步骤 • 分析零件图样和工艺处理：对零件图样进行分析以明确加工内容及要求，选择加工方案、确定加工顺序、走刀路线、选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的切削用量。 • 数学处理：根据零件的几何形状、尺寸、走刀路线及设定的坐标系，计算粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。 • 编写零件加工程序单按数控系统的指令代码和程序段格式，逐段编写 • 输入数控系统 • 程序检验和首件试工
数控编程的方法 • 手工编程：Manual Programming从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序输入、程序校验等各步骤都由人手工完成。整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（不仅要熟悉数控代码和编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力） • 自动编程：Automatic Programming是利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程。包括数控语言编程和图形交互式编程
数控编程的代码 • 准备功能G指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（规定插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。 • 辅助功能M指令程序启停、正负运动、夹紧松开、更换工件等 • F、S、T指令F指令为进给速度指令。S指令为主轴转速指令。T指令为刀具号指令。
数控加工程序的结构 • 程序的组成一个完整的加工程序，由若干程序段组成；一个程序段由若干代码组成。 • 主程序和子程序作用：用于指定子程序名和在主程序中调用子程序指令组成：子程序名字符Q后带两位数字，如Q01,Q21，因此子程序在一 个程序最多只100个。子程序调用字符<后带四位数字。其中，前两 位数字被调用和子程序名后两位数字为调用次数。 • 程序段格式目前广泛采用字-地址可变程序段格式就是在一个程序段内数据字的数目以及字的长度（位数）都是可变化的格式
●. 数控加工程序的结构 程序的组成： 对刀点选为,刀具半（D01）=5mm 程序名：O2000 程 序 段 N01 G91 G17 G00 G42 D01 X85 Y-25* N02 Z-15 S400 M03 M08 * N03 G01 X85 F300 * N04 G03 Y50 I25 * N05 G01 X-75 * N06 Y-60 * N07 G00 Z15 M05 M09 * N08 G40 X75 Y35 M02 *
数控机床的坐标系 • 直线进给和圆周进给运动坐标系规定直线进给运动用右手直角笛卡尔坐标系XYZ表示，称基本坐标系Z坐标：规定平行于主轴轴线的坐标。正方向是使刀具离开工件的方向。X坐标：规定为水平方向，垂直于Z轴且平行于工件的装夹面。
机床坐标系与工件坐标系 • 机床坐标是机床上固有的坐标系，并设有固定的坐标原点。 • 工件坐标系是编程人员在编程时所使用的，由编程人员以工件图纸上的某一定点为原点（工件原点）所建立的坐标系
分辨率（Resolution）分辨率：两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔。分辨率对控制系统而言，它是可以控制的最小位移量。数控机床的最小位移量（最小设定单位，最小编程单位，最小指令增量，脉冲当量（步进电机））是指数控机床的最小移动单位，它是数控机床的一个重要技术指标。一般为0.0001~0.01mm，视具体机床而定。）脉冲发量——对应于每一个指令脉冲（最小位移指令）机床位移部件的运动量。分辨率（Resolution）分辨率：两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔。分辨率对控制系统而言，它是可以控制的最小位移量。数控机床的最小位移量（最小设定单位，最小编程单位，最小指令增量，脉冲当量（步进电机））是指数控机床的最小移动单位，它是数控机床的一个重要技术指标。一般为0.0001~0.01mm，视具体机床而定。）脉冲发量——对应于每一个指令脉冲（最小位移指令）机床位移部件的运动量。
程序编制中的数学处理 • 非圆曲线的节点计算数控系统一般都只有直线和圆弧插补功能，对于非圆曲线轮廓，只有用直线和圆弧去逼近。“节点”就是逼近线段与非圆曲线的交点。一个已知曲线方程的节点数主要取决于所用逼近线段的形状、曲线方程的特性以及允许的逼近误差。求得一系列的节点坐标后，就按节点划分程序段
一、等间距的直线逼近的节点计算 计算简单，但由于取定步长应保证曲线曲率最大处的逼近误差小于允许值，所以程序可能过多
二、等弦长直线逼近的节点计算1）确定允许的弦长：由于曲线各处的曲率不等，等弦长逼近后，最大误差必在曲率半径最小处。2）求出最小曲率半径3）以起点为圆心，做半径为选定弦长的圆，和原曲线交点，就是新的节点。再从这个新节点依次重复以上。等弦长法对于曲线各处的曲率较大时，所求得的节点数过多，所以适合曲率变化不大的曲线节点计算。二、等弦长直线逼近的节点计算1）确定允许的弦长：由于曲线各处的曲率不等，等弦长逼近后，最大误差必在曲率半径最小处。2）求出最小曲率半径3）以起点为圆心，做半径为选定弦长的圆，和原曲线交点，就是新的节点。再从这个新节点依次重复以上。等弦长法对于曲线各处的曲率较大时，所求得的节点数过多，所以适合曲率变化不大的曲线节点计算。
三、等误差的直线逼近的节点计算即使所有的逼近线段误差都相等曲率变化小大时，节点数少，计算量稍大三、等误差的直线逼近的节点计算即使所有的逼近线段误差都相等曲率变化小大时，节点数少，计算量稍大 • 四、圆弧逼近的节点计算圆弧逼近有曲率圆法、三点圆法和相切圆法等方法。三点圆法是通过已知三个点求圆作为一个圆程序段。相切法是通过已知四个节点分别作两个相切的圆，编出两个圆程序段。都先用直线法求出节点，再求圆。曲率圆法，是一种等误差圆弧逼近法。
列表曲线的数学计算 • 当只给出很少几点时，为了保证精度，就要增加新的节点。一般方法是根据已知列表点推导出插值方程（第一次曲线拟合），再根据插值方程进行插值点加密求新的节点（第二次曲线拟合）。
样条曲线拟合样条是指模拟弹性梁弯曲变形的方法模拟出曲线方程。所拟合的曲线通过所有给定的列表点，而且具有连续的曲率。三次样条函数一阶二阶导数都连续，拟合效果好，整体光滑。样条曲线拟合样条是指模拟弹性梁弯曲变形的方法模拟出曲线方程。所拟合的曲线通过所有给定的列表点，而且具有连续的曲率。三次样条函数一阶二阶导数都连续，拟合效果好，整体光滑。 • 圆弧样条圆弧样条曲线是指用圆弧这一简单的二次曲线和样条的思路来拟合而产生的曲线。 • NURBSISO推荐描述自由曲线曲面的唯一工具
计算机数控装置 • CNC装置的组成从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。
CNC系统硬件的层次结构 • 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。
CNC系统软件的功能结构 • 从本质特征来看，CNC系统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管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。 操作系统 管理软件 控制软件 零 人 输 故 刀 机 ... ... 件 显 机 入 障 编 具 速 插 位 床 主 程 示 交 输 诊 译 半 度 补 置 输 轴 序 处 互 出 断 处 径 处 运 控 入 控 管 理 交 管 处 理 补 理 算 制 输 制 理 互 理 理 偿 出
数控加工程序 被控设备 机 床 机器人 测量机 ...... 应用软件 控制软件 接 口 管理软件 操作系统 硬件 CNC硬件软件的作用和相互关系 • CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、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，有条不紊地进行加工。 硬件是基础，软件是灵魂。
CNC装置的优点 • 具有灵活性和通用性 • 数控功能丰富：插补功能、补偿功能、人机对话功能、编程功能 • 可靠性高 • 使用维护方便 • 易于实现机电一体化
CNC装置的功能 • 控制功能：CNC能控制和能联动控制的进给轴数 • 准备功能（G功能）：指令机床动作方式的功能。 • 插补功能和固定循环功能 • 进给功能：进给速度、同步进给速度、进给倍率。 • 主轴功能：主轴转速、恒线速度控制、主轴定向控、C轴控制、主轴修调率。 • 辅助功能（M功能）：用于指令机床辅助操作的功能。 • 刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能 • 补偿功能：刀具半径和长度补偿功能、传动链误差、 非线性误差补偿功能 • 人机对话功能 • 自诊断功能 • 通讯功能：CNC与外界进行信息和数据交换的功能
CNC装置的硬件体系结构 • 单机系统：整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。 • 主从结构：系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。 • 多机系统：CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。细分为：多主结构、分布式结构
标准PC计算机 控制面板 系 统 总 线（BUS） 机床I/O PLC模块 计算机主板 主轴控制模板 显 示 卡 位置控制板1 速度控制单元1 … … 多功能卡 I/O设备 位置控制板n 速度控制单元n 功能模板1 功能驱动1 存储模块 … … 功能驱动m 功能模板m CNC系统 CNC装置 单机或主从结构模块的功能介绍 • CNC装置是按模块化设计的方法构造的 实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化
CRT/MDI 操作面板 图形显示 模块(CPU) 通讯模块 (CPU) 自动编程模块 (CPU) 主存储 器模块 FANUC BUS 插补模块 (CPU) PLC模块 (CPU) 位置控制模块 (CPU) 主轴控 制模块 I/O单元 伺服驱动单元 主轴单元 共享总线结构 多主结构的CNC系统硬件简介 多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。结构形式有：共享总线和共享存储器 • 特点： • 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上 • 采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。
RAM/EPROM EPROM RAM 512 512 RAM EPROM 键盘 显示CPU 中央CPU 插补CPU 串口和收发器 字符 发生器 CTRC 并 行 接 口 反馈脉冲和处理 模拟量输出 机床接口 反馈信号收发器 CRT XYZCW 共享存储器结构CNC系统硬件结构 • 面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯 • 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾
输 入 预处理 插补运算 位置控制 速度控制 伺服电机 程序 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 软件 硬件 位置检测 硬件 软件 硬件 硬件 软件 硬件 软件 软件和硬件的功能界面 CNC装置软件和硬件的功能界面
CNC装置的软件系统特点 • CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。
CNC装置的插补原理 • 插补(Interpolation)：根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。 • 插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实现算法。 • 评价插补算法的指标:稳定性指标、合成速度的均匀性指标 • 插补运算是实时性很强的运算，若算法太复杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制进给速度指标和精度指标的提高，所以插补算法要尽可能简单，要便于编程
插补方法的分类 • 脉冲增量插补(行程标量插补)特点：每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）。以一个一个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是：用折线来逼近曲线（包括直线）。这类插补算法有：逐点比较法；最小偏差法；数字积分法；目标点跟踪法；单步追综法等 • 数字增量插补(时间标量插补)特点：插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。这类插补方法有：数字积分法(DDA)、二阶近似插补法、双DDA插补法、角度逼近插补法、时间分割法等。这些算法大多是针对圆弧插补设计的。
偏差判别 进给输出 偏差计算 终点判别 终点到退出 脉冲增量插补算法 逐点比较法工作过程图（四节拍）
Y (Xe，Ye) (Xm，Ym) X 直线 脉冲增量插补算法 • 逐点比较法加工的原理（直线） • 直线: Fm = Xe*Ym- Ye* Xm • Fm＞0 在直线上方，+X向输出一步Fm＝0 在直线上 +X向输出一步Fm＜0 在直线下方，+Y向输出一步
Y (Xm，Ym) R X 圆 弧 脉冲增量插补算法 • 逐点比较法加工的原理（圆弧） • 圆弧: Fm = Xm2 +Ym2 - R • Fm＞0 在圆外， -Y向输出一步 • Fm＝0 在圆上， +X向输出一步 • Fm＜0 在圆内， +X向输出一步
. 插补周期的选择 插补周期Δt 与精度δ、速度F 的关系 Y δ △L ρ X 数字增量插补
Y Pe (Xe,Ye) Pi+1 (Xi+1,Yi+1) △Yi △L Pi (Xi,Yi) △Xi β X α O 数字增量插补 直线插补算法 • 在设计直线插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补直线的起点，如图所示，设有一直线OPe，O(0,0)为起点，Pe (Xe,Ye)为终点，要求以速度F(mm/min)，沿OPe 进给。
Y G02 Pi(Xi,Yi) A △L Pi+1(Xi+1,Yi+1) δ R O X 数字增量插补 • 园弧插补算法 • 采用时间分割插补法进行园弧插补的基本方法是用内接弦线逼近圆弧。设计圆弧插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补圆弧的圆心上 顺圆插补（G02）和逆圆插补（G03）所用的公式不同，查表
刀具 编程轨迹 G41 刀具 C” A G42 B C A’ B’ 刀具中心轨迹 C’ 刀具半径补偿原理 • 基本概念：根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。
刀具半径补偿的常用方法 • B刀补：有R2 法，比例法，该法对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。如图示，其缺点是： • 在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。 • 在内轮廓尖角加工时，由于C”点不易求得(受计算能力的限制)编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧，这样才能避免产生过切。 • 这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。因此现在用得较少，而用得较多的是C刀补。
刀具半径补偿的常用方法 C刀补 它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时) 过切，以避免产生过切。
刀具中心轨迹 编程轨迹 刀补撤销 刀补进行 刀补建立 起刀点 刀具半径补偿的工作原理 • 刀具半径补偿的工作过程 1．刀补建立 2．刀补进行 3．刀补撤销
CNC系统 可编程控制器 数 控 装 置 操作面板 主轴控制 辅助动作 换刀动作 冷却排屑 ...... 数控系统中的可编程控制器 • 可编程控制器(Programmable Controller)是一种用于工业环境、可存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令、并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程的可编程数字控制系统。
CNC系统故障自诊断功能 • CNC系统故障自诊断的概念系统故障：指系统的组成单元处于非正常状态或劣化状态，并可导致系统相应功能丧失、或系统性能和品质下降，使系统的行为（输出）超出允许范围、或不能在规定的时间内和条件下完成预定功能的事件在CNC系统中编程错误也是故障。当用户编制的零件加工程序发生错误（语法错误、非法代码、精度超差、过切削预报等）时，CNC系统在运行前或运行中也会发出报警，从广义上来讲，也可称其为故障。
故障的诊断包括两方面的内容：诊和断。 诊：对是客观状态作检测或测试。 断：确定故障的性质、程度、类别、部位，并指明故障产生的原因，提供相应的处理对策等。 故障自诊断技术：在硬件模块、功能部件上各状态测试点（在系统设计制造时设置的）和相应诊断软件的支持下，利用数控系统中计算机的运算处理能力，实时监测系统的运行状态，并在预知系统故障或系统性能、系统运行品质劣化动向时，及时自动发出报警信息的技术。
总工作时间 总故障停机时间 MTBF= MTTR = 总故障次数 总故障次数 平均无故障时间：指CNC系统在可修复的相领两次故障间能正常工作的时间的平均值。也可视为在CNC系统寿命范围内总工作时间和总故障次数之比： 显然，MTBF越长越好。 • 平均修复时间是指CNC系统从出现故障开始直到能正常工作所用的平均修复时间： 显然，MTTR越短越好。
CNC系统故障诊断的基本要求 • 故障诊断方法对故障的覆盖率应尽可能高，即系统的故障应能尽可能多的被其诊断系统检测出来。 • 诊断出的故障定位应尽可能准确，范围应尽可能小，通常要求定位到容易快速更换的模块或印刷线路板这一级，以缩短修理时间。 • 故障诊断所需时间应尽可能短。尤其对那些破坏性严重的故障，更应快速诊断快速响应，以尽量减少故障对系统的破坏程度。 • 进行故障诊断所需的附加设备尽可能减少，尽量利用软件实现诊断功能，以降低数控系统的诊断成本。
