数控编程的原理是什么

数控系统是数字控制系统的简称,根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。计算机数控（CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。基本构成目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。数控系统的基本原理和构成都是十分相似。数控系统一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、 *** 作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。硬件结构：数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。（1）大板结构和功能模板结构数控系统1）大板结构大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。2）功能模块结构（2）单微处理器结构和多微处理器结构1）单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。2）多微处理器结构随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。软件结构：CNC软件分为应用软件和系统软件。CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。（1）输入数据处理程序：它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。（2）插补计算程序：CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。(3)速度控制程序：速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。(4)管理程序：管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。(5)诊断程序：诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。基本分类运动轨迹分类：（1）点位控制数控系统：数控系统控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。（2）直线控制数控系统：不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工，其辅助功能要求也比点位控制数控系统多，如它可能被要求具有主轴转数控制、进给速度控制和刀具自动交换等功能。此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。（3）轮廓控制数控系统：这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。伺服系统分类；按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：（1）开环控制数控系统：这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电／断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱，丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。（2）半闭环控制数控系统：位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，其控制框图如图4所示。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。（3）全闭环控制数控系统：位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态很难达到。功能水平分类：（1）经济型数控系统：又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：经济型数控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等。（2）普及型数控系统：通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。（3）高档型数控系统：指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。工作流程：1、输入：零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。2、译码：不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。3、刀具补偿：刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。4、进给速度处理：编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。5、插补：插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。6、位置控制：位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。7、I/0处理：I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等)。8、显示：CNC装置的显示主要为 *** 作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。9、诊断：对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。数控系统所控制的是位置、角度、速度等机械量和开关量。

常规加工程序由开始符（单列一段）、程序名（单列一段）、程序主体和程序结束指令（一般单列一段）组成。程序的最后还有一个程序结束符。程序开始符与程序结束符是同一个字符：在ISO代码中是%，在EIA代码中是ER。程序结束指令可用M02（程序结来）或M30（纸带结束）。数控机床一般都使用存储式的程序运行，此时M02与M30的共同点是：在完成了所在程序段其它所有指令之后，用以停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统复位。M02与M30在有些机床（系统）上使用时是完全等效的，而在另一些机床（系统）上使用有如下不同：用M02结束程序场合，自动运行结束后光标停在程序结束处；而用M3O结束程序运行场合，自动运行结束后光标和屏幕显示能自动返回到程序开头处，一按启动钮就可以再次运行程序。虽然M02与M30允许与其它程序字合用一个程序段，但最好还是将其单列一段，或者只与顺序号共用一个程序段。

程序名位于程序主体之前、程序开始符之后，它一般独占一行。程序名有两种形式：一种是以规定的英文字（多用O）打头、后面紧跟若干位数字组成。数字的最多允许位数由说明书规定，常见的是两位和四位两种。这种形式的程序名也可称作程序号。另一种形式是，程序名由英文字、数字或英文、数字混合组成，中间还可以加入“—”号。这种形式使用户命名程序比较灵活，例如在LC30型数控车床上加工零件图号为215的法兰第三道工序的程序，可命名为LC30-FIANGE-215-3，这就给使用、存储和检索等带来很大方便。程序名用哪种形式是由数控系统决定的。

%

O1001

N0 G92 X0 Y0 Z0

N5 G91 G00 X50 Y35 S500 MO3

N10 G43 Z-25 T0101

N15 G01 G007 Z-12

N20 G00 Z12

N25 X40

N30 G01 Z-17

N35 G00 G44 Z42 M05

N40 G90 X0 Y0

N45 M30

% 程序段中字、字符和数据的安排形式的规则称为程序段格式(block format）。数控历史上曾经用过固定顺序格式和分隔符(HT或TAB)程序段格式。这两种程序段格式己经过时，国内外都广泛采用字地址可变程序段格式，又称为字地址格式。在这种格式中，程序字长是不固定的，程序字的个数也是可变的，绝大多数数控系统允许程序字的顺序是任意排列的，故属于可变程序段格式。但是，在大多数场合，为了书写、输入、检查和校对的方便，程序字在程序段中习惯按一定的顺序排列。

数控机床的编程说明书中用详细格式来分类规定程序编制的细节：程序编制所用字符、程序段中程序字的顺序及字长等。例如：

/ NO3 G02 X+053 Y+053 I0 J+053 F031 S04 T04 M03 LF

上例详细格式分类说明如下：N03为程序段序号；G02表示加工的轨迹为顺时针圆弧；X+053、Y+053表示所加工圆弧的终点坐标；I0、J+053表示所加工圆弧的圆心坐标；F031为加工进给速度；S04为主轴转速；T04为所使用刀具的刀号；M03为辅助功能指令；LF程序段结束指令；/为跳步选择指令。跳步选择指令的作用是：在程序不变的前提下， *** 作者可以对程序中的有跳步选择指令的程序段作出执行或不执行的选择。选择的方法，通常是通过 *** 作面板上的跳步选择开关扳向ON或OFF，来实现不执行或执行有“/”的程序段。 编制加工程序有时会遇到这种情况：一组程序段在一个程序中多次出现，或者在几个程序要使用它。我们可以把这组程序段摘出来，命名后单独储存，这组程序段就是子程序。子程序是可由适当的机床控制指令调用的一段加工程序，它在加工中一般具有独立意义。调用第一层子程序的指令所在的加工程序叫做主程序。调子程序的指令也是一个程序段，它一般由子程序调用指令、子程序名称和调用次数等组成，具体规则和格式随系统而别，例如同样是“调用55号子程序一次”，FANUC系统用“M98 P55。”，而美国A-B公司系统用“P55x”。

子程序可以嵌套，即一层套一层。上一层与下一层的关系，跟主程序与第一层子程序的关系相同。最多可以套多少层，由具体的数控系统决定。子程序的形式和组成与主程序大体相同：第一行是子程序号（名），最后一行则是“子程序结束”指令，它们之间是子程序主体。不过，主程序结束指令作用是结束主程序、让数控系统复位，其指令已经标准化，各系统都用M02或M30；而子程序结束指令作用是结束子程序、返回主程序或上一层子程序，其指令各系统不统一，如FANUC系统用M99、西门子系统用M17，美国A—B公司的系统用M02等。

在数控加工程序中可以使用用户宏（程序）。所谓宏程序就是含有变量的子程序，在程序中调用宏程序的指令称为用户宏指令，系统可以使用用户宏程序的功能叫做用户宏功能。执行时只需写出用户宏命令，就可以执行其用户宏功能。

用户宏的最大特征是：

●可以在用户宏中使用变量；

●可以使用演算式、转向语句及多种函数

●可以用用户宏命令对变量进行赋值。

数控机床采用成组技术进行零件的加工，可扩大批量、减少编程量、提高经济效益。在成组加工中，将零件进行分类，对这一类零件编制加工程序，而不需要对每一个零件都编一个程序。在加工同一类零件只是尺寸不同时，使用用户宏的主要方便之处是可以用变量代替具体数值，到实际加工时，只需将此零件的实际尺寸数值用用户宏命令赋与变量即可。

CNC三菱系统程序结构和程序段格式

（1）程序结构

一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成，下面就以加工程序为例,

具体说明程序结构、程序代码的样式与含义：

%88

N001

G59

X0

Z60

N002

G90

N003

G92

X40

Z20

N004

M03S1000

N005

M06T1

////

（2）程序段格式

程序段的格式是指程序段书写规则，它包括机床所要求执行的功能和运动所需要的所有几何数据和工艺数据。一个零件的加工程序由若干以段号大小次序排列的程序段组成，每个程序段由以下几部分组成：

N

程序段号

G

准备功能

X、Y、Z

坐标或增量值

F

进给速度

M

辅助功能

S

主轴转速

T

刀具号

从车床实例可看出：程序段由若干程序字组成，其中程序字包括由英文字母表示的地址符和跟随其后的数字、字符组成。

////

G指令

又称G功能指令、准备功能指令、G功能、G代码。主要是指定数控机床的加工方式，为数控装置的插补运算、刀补运算、固定循环等做好准备，如加工平面的选择、刀具的补偿、插补方式的选择等任务。

G指令由字母G和其后跟两位数字组成，即从G00到G99共100种。

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M指令

又称辅助功能指令、M功能、M代码。主要是控制机床或系统的辅助功能动作。如切削液的开关、主轴的正反转、程序的结束等功能。

M指令由字母M和其后的两位数字组成，即从M00到M99共100种。

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F、S、T功能

利用字母F、S、T指令后面跟一个数值，分别指定进给速度、主轴转速和所用刀具与刀具补偿号，在一个程序段中，F、S、T均只能有一个，并将接受的代码信息传送给机床。

F功能也称进给功能，数控系统不同，F功能的表示方法也不同，用字母F后面跟一位、二位、三位、四位或五位数字表示，如跟两位时的表示方式即为F××，其数值有的代表具体的进给数值，有的代表某种进给速度的编码号。单位一般为mm/min，当进给速度与主轴转速有关时（如车削螺纹）单位为mm/r

。

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