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第二章数控系统及其应用 第一节 数控系统的基本硬件结构 第二节 数控系统控制软件的功能与结构 第三节 经济型数控系统的组成
第一节 数控系统的基本硬件结构 第二节 数控系统控制软件的功能与结构 第三节 经济型数控系统的组成 第四节 数控系统的选用
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第一节 数控系统的基本硬件结构 一、基本硬件构成
第一节 数控系统的基本硬件结构 一、基本硬件构成 数控系统(CNC)通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能控制接口等部分组成，如图2－1所示。
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二、微机基本系统 (1)CPU CPU是整个数控系统的核心。
通常微机基本系统是由CPU、存储器(EPROM、RAM)、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。 (1)CPU CPU是整个数控系统的核心。 (2)EPROM 用于固化系统控制软件，数控系统的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。 (3)RAM RAM中存放可能改写的信息。 (4)定时器与中断控制器 用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。
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三、接口 1．人机界面接口 数控系统的人机界面包括以下四部分： 键盘(MDI)：用于加工程序的编制以及参数的输入等。
显示器(CRT)：用于显示程序、数据以及加工信息等。 操作面板(OPERATOR PANEL)：用于对机床进行操作。 手摇脉冲发生器(MPG)：用于手动控制机床坐标轴的运动，类似普通机床的摇手柄。 键盘显示器 手 脉
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2．通信接口 通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，因此与外设以及上级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其它各种网络接口，从而能够实现柔性生产线FMS以及计算机集成制造系统CIMS。 RS232
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3．进给轴的位置控制接口 实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制，二是插补运算，三是位置闭环控制。插补方法有基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法就是CNC系统每次插补以脉冲的形式提供 给位置控制单元。采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量，同时接收机床的实际位置反馈，根据插补所得到的命令位置与反馈位置的差来控制机床运动。 进 给 轴
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4．主轴控制接口 主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要S、M、T接口实现有级变速。
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第二节 数控系统控制软件的功能与结构 一、控制软件的结构
第二节 数控系统控制软件的功能与结构 一、控制软件的结构 数控系统控制软件常采用两种结构，一种是前后台型结构，另一种是中断型结构。对于前后台型软件结构，其软件可划分为两类，一类是与机床控制直接相关的实时控制部分，其构成了前台程序。前台程序又称实时中断服务程序，它是以一定周期定时发生的，中断周期一般小于10ms。另一类是循环执行的主程序，称为后台程序，后台程序又称背景程序。
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前后台程序的结合构成了数控系统的控制软件，见图2－5。
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二、数控系统的功能 1．系统管理功能 用于系统各功能模块的管理与调度。 2．加工程序的管理与编辑
数控系统RAM区中存有所有加工程序的目录，通过目录区可以对加工程序进行管理。可以对零件加工程序进行删除、更名、复制、编辑等操作。 3．参数设置 在参数设置模块中，可以对各种参数进行设置。
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4．手动操作与调整 (1)坐标轴的移动控制 (2)手动MST功能的控制 (3)机床坐标系的建立与返回参考点 5．零件的自动加工 通过键盘和通信接口将准备好的零件加工程序送入数控系统，然后就可启动零件的自动加工功能。 6．空运行与加工图形模拟 该功能用于验证加工程序的正确性。 7．数控系统的自诊断与开关I／O诊断功能。
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第三节 经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述
第三节 经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述 经济型数控系统，是相对标准型数控系统而言。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统，以降低产品成本。在我国，把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。经济型数控系统功能适当，价格低廉，特别适合中小企业对原有机床进行数控化、自动化技术改造，以提高生产效率。 数控车床
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二、数控系统的硬件组成 构成经济型CNC的基本硬件由MPU、存储器、输入／输出(I／O)接口电路组成。单片计算机是在一片芯片上集成了CPU、 、定时器／计数器及各种I／O接口等构成了一个完整的数字处理系统。单片机的主要特点是抗干扰性强，可靠性高，速度快，指令系统效率高，体积小，性能价格比高。
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1．MCS－51系列单片机的基本特性 ①CPU为8位；②片内有时钟振荡器；③具有4KB ROM和128 RAM；④具有21个特殊功能寄存器；⑤具有4个8位I／O端口，32根I／O线；⑥具有16根地址线(与I／O线共用)，可直接寻址64KB(64KB外部程序存储器，64KB外部数据存储器)；⑦具有两个16位定时／计数器；⑧可有5个中断源，两级优先权的向量中断结构；⑨具有一个全双工串行I／O口；⑩具有位寻址能力，适于逻辑运算。
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2．MCS－51单片机常用系统扩展芯片 (1) 程序存储器(ROM) 主要是紫外线擦抹的可编程只读存储器EPROM。 (2) 数据存储器(RAM) 1)静态RAM无需刷新，但功耗大成本高。 2)动态RAM功耗小、成本低，但需刷新。
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1) 专用I／O扩展芯片 这类芯片专用于扩展I／O口，如8255。
(4) 其它功能芯片 MCS-51还可使用下列具有各种专用功能的外围芯片：可编程中断控制器8259、可编程键盘／显示控制器8279、可编程通用定时器8253、可编程通信控制器8251等。
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3．单片机构成的经济型数控装置硬件框图 用8031单片机组成CNC系统，其数控装置硬件框图如图2－13所示。
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三、数控系统的软件组成 (一)监控与操作程序
监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。
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1．系统的初始化 开机或人工复位后，数控系统要进行必要的初始化处理。初始化程序框图如图2－14所示。
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2．命令处理循环在完成初始化工作以后，程序进入命令处理循环。在这个循环过程中，程序扫描键盘或操作面板输入的操作命令，对命令进行识别分析，然后，根据识别分析的结果转向相应的处理程序模块。
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经济型数控一般采用两种键盘处理方式，一种是键盘扫描中断方式，其程序框图如图2－15所示；一种是采用专用可编程键盘显示芯片8279管理方式，其程序框图如图2－16所示。
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3．零件加工程序 的输入程序 经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐段输入的。输入程序框图如图2－17所示。
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4．零件加工程序的编辑修改程序 编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。编辑修改程序框图如图2－18所示。
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5．指令分析和 执行 数控系统要对输入指令进行识别，识别指令功能并执行相应操作。G功能分析程序框图如图2－19所示。
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6．系统诊断程序 该程序检测CNC系统各个硬件功能的正确性，指示可能存在故障的位置和性质，辅助维修人员确定故障部件，缩短系统维修时间，提高系统的可靠性。诊断原理就是用软件对数控系统中某一环节或某一预设状态进行检验，发现非正常情况，给出错误信息。
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(二)步进电动机控制软件 1．软件环形分配用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活地改变步进电动机的控制方案，而驱动功率放大功能仍由硬件完成。 2．微机控制步进电动机的升降速方法生产实际中，微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制，使脉冲频率开始时较低，步进电动机不“丢步”地启动，然后逐渐升高到较高的连续运行频率。同理，在要求停止转动时，为防止“过冲”，使脉冲频率逐渐降到零。
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(三) 数控机床误差及其软件补偿 在编程中正确地引人修正量，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用，这就是误差的软件补偿。 1．编程误差δ1 编程误差由三部分组成： (1) 逼近误差δ1a (2) 插补误差δ1b (3) 圆整误差δ1c
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2．间隙误差δ2数控机床机械传动部件间存在一定的间隙，由此产生的加工误差称为间隙误差。机械传动间隙通常有：丝杠轴承轴向间隙；丝杠螺母副之间的传动间隙；联轴节的扭转间隙；齿轮传动的齿侧间隙等。
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第四节 数控系统的选用 一、数控系统和机床的配合 1．加工功能的配合
第四节 数控系统的选用 一、数控系统和机床的配合 1．加工功能的配合 数控钻、镗、冲机床的数控系统只需点位或直线控制系统，而数控车床需两轴联动的轮廓控制数控系统，对于数控铣床一般控制三轴两联动。
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2．加工精度的配合 数控机床加工精度较高，但随机床精度的提高，机床的制造成本会大大地提高，所以要恰当选择机床精度和与之相配套的数控系统。
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3．机电配合 选择进给电动机时，不仅要考虑机床切削加工时电动机的输出功率(或转矩)和转速，还应重点考虑起动和停止时机床的惯性负载，以及升降速率和最高进给速度都必须满足电动机的起动矩频特性和工作矩频特性。
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二、数控机床的精度 机床精度是机床性能的一项重要评价指标。它是影响工件加工精度的重要因素。机床的精度主要有几何精度、定位精度、工作精度等。
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(一) 机床定位精度的定义 数控机床的定位精度是指机床的移动部件如工作台、刀架等在调整和加工过程中，根据指令信号，由传动系统驱动，沿某一坐标轴方向向目标位置移动一段距离时，实际位置与给定位置的接近程度。
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(二)数控机床定位精度的评定 1．定位精度的评定项目和评定方法 按国家标准“数字控制机床位置精度的评定方法”——GB 规定，数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项： ①轴线的重复定位精度R； ②轴线的定位精度A； ③轴线的反向差值B。
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2．机床定位精度的其他测定项目 (1) 坐标轴的原点复归精度 (2) 微量位移精度
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1．影响定位精度的因素 机床的定位精度受到机床电气或机械装置以及机床使用过程中的负载变化、振动、热变形等因素的影响，其中主要影响因素有：
(三) 经济型数控机床影响定位精度的因素和提高定位精度的措施 1．影响定位精度的因素 机床的定位精度受到机床电气或机械装置以及机床使用过程中的负载变化、振动、热变形等因素的影响，其中主要影响因素有： (1) 步进电动机的误差。 (2) 机械传动部分的误差。
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2．提高系统定位精度的措施 1) 从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差。 2) 采用误差补偿的方法提高定位精度。
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