第三节 数控系统的分类一、按运动轨迹分类点位控制系统直线控制系统轮廓控制系统（连续控制系统）
两轴联动二轴半联动三轴联动四轴联动五轴联动二、按伺服系统分类开环控制系统半闭环控制系统闭环控制系统三、按制造方式分类通用型数控系统专用型数控系统四、按功能水平分类经济型数控系统普及型数控系统高级型数控系统
第四节 数控系统的发展趋势
1952-1959年，采用电子管、继电器元件
1959年开始，采用晶体管元件
1965年开始，采用集成电路；
1970年开始，大规模集成电路及小型计算机应用
1974年开始，采用微型计算机一、高速高精度提高分辨率、提高位置检测精度和补偿技术等二、智能化应用自适应控制技术自动编程技术具有故障诊断功能应用模式识别技术三、高可靠性提高线路的集成度建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系增强故障自诊断功能和保护功能四、具有内装式可编程控制器（PLC）
五、基于网络的数控系统六、具有开放性七、几种典型数控系统结构计算机直接数控（DNC）
柔性制造单元FMC和柔性制造系统FMS
计算机集成制造系统CIMS
数控系统程序输入与通信程序编制方法：1）手工编程
2）自动编程第一节 程序编制的基础知识一、数控编程的概念分析零件图样，确定加工工艺；
刀具运动轨迹计算；
编写加工程序单；
程序输入；
程序校验和首件试切。
二、数控编程的代码数字码（0-9）、文字码（A-Z）和符号码三、准备功能G代码和辅助功能M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（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。
G代码有模态和非模态两种。
辅助功能M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令，主要完成加工操作时的辅助动作。
程序暂停指令：M00
程序计划暂停指令：M01
程序结束指令：M02
主轴正转、反转、停指令：M03、M04、M05
换刀指令：M06
四、数控程序结构与程序段格式程序的结构程序号、程序段和程序结束符组成程序段格式由表示地址的英文字母、特殊文字和数字集合而成。
N_G_X_Y_Z_…F_S_T_M_LF(NL.CR)
主程序和子程序
M98、M99
数控机床的坐标系统数控机床的坐标轴与运动方向刀具相对于静止的工件而运动的原则
图1.5 直角坐标系
标准（机床）坐标系的规定机床坐标系的规定运动方向的确定
Z坐标的确定
X坐标的确定
Y坐标的确定机床坐标系与工件坐标系工件坐标系：编程时用来确定编程尺寸机床坐标系：制造机床时用以确定各零部件相对位置而建立起来的。
绝对坐标系与增量（相对）坐标系统用U、V、W表示
信息输入数控系统的信息信息可分为：数字量和开关量数控系统的信息流程输入存储译码刀具补偿进给速度处理插补位置控制
I/O处理
数控加工程序的输入数控加工程序输入的特点整个零件程序可一次输入，输入方式可以手动或自动；先对输入数据进行预处理，再进行数控加工；采用解释或编译的方法将零件加工程序翻译为机器码。
零件加工程序的输入输入键盘输入和DNC方式输入缓冲器是原始零件加工程序进入系统的必经之路。
零件加工程序的存放形式连续存储 通过目录表进行存储存储形式一般采用ISO代码或EIA代码，当前则多用具有一定规律性的系统内部代码。
不同工作方式取数过程键盘（MDI）工作方式和存储器工作方式
数控加工程序的预处理数控加工程序的译码译码是将标准的数控代码翻译成本系统能够识别的代码形式，也就是说将存储在零件程序存储区中的内部代码转化为控制机床运动的专门信息后存放到译码结果缓冲存储单元中。
译码的主要工作为代码识别和功能码译码。
代码的识别代码的识别是将零件加工程序存储器或MDI缓冲器中的源程序与内部规定的代码格式相比较，作出相应处理，形成固定的格式，存入零件加工程序缓冲区BS中。
2、译码代码识别主要是为各种代码设立一个功能码标志，然后再对功能码进行处理。
译码本身包括对零件加工程序的整理和存放，常用以下两种方法：
不按字符格式的整理和存放；
保留字符格式的整理和存放。
刀具补偿刀具长度补偿是对编程的刀具与实际使用的刀具在长度上可能的差异进行补偿。
刀具半径补偿过程比较复杂，分为B功能刀具半径补偿和C功能刀具半径补偿。
速度处理开环控制系统
F=60×δ×f
获得频率f的方法有两种：一是软件模拟DDA的方法，利用定容量累加器积分输出；另一种方法就是采用实时时钟中断法。
闭环、半闭环控制系统
数控系统的通信接口与网络数控系统的数据通信设备和接口数据输入/输出设备外部机床控制面板手摇脉冲发生器进给驱动线路和主轴驱动线路数据通信的基本概念数据通讯系统的组成
数据通信的模型数据通讯系统分为模拟传输系统和数字传输系统两类。
数控通信系统的组成数据通信的连接方式点-----点联接分支式联接集线式联接数据通讯系统的通信方式单工通信半双工通信全双工通信数据通信的传输方式并行数据传输：传送距离通常小于10米，成本较高，适用于近距离、高速度的数据传输串行数据传输：逐位传输，是远距离通信的唯一手段数据通信协议异步通信：～协议比较简单，速度较低同步通信：接口复杂，速度较高，在数控系统中应用较为广泛。
数据通信的传输媒体（通信线路或物理信道）
双绞线：安装方便可靠，抗干扰能力强，适用于短距离传输，特别是局域网。
同轴电缆：用于点到点连接和多点联结，抗干扰能力强，通信容量大，适用范围宽。
光缆：由纤芯和包层两种光学性质不同的介质构成。
三、异步串行通信接口
RS-232C/20mA主要用于连接输入输出设备
RS-422/RS-449
四、通信网络第三章 插补原理与刀具补偿原理概述所谓插补就是指数据密化的过程。
脉冲增量插补相对于控制系统发出的每个脉冲信号，机床移动部件对应坐标轴的位移量大小，称之为脉冲当量。
数字脉冲乘法器、逐点比较法、数字积分法以及一些相应的改进算法。
数据采样插补（“时间分割法”插补）
～就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线。
微小直线段的分割过程是粗插补——由软件实现。
后续进一步的密化过程是精插补——既可用软件实现也可由硬件实现。
位置控制周期（Tc）是数控系统中伺服位置环的采样控制周期。
对于给定的某个数控系统而言，插补周期（Ts）和位置控制周期（Tc）是两个固定不变的时间参数。
通常Ts≥Tc
微小直线段
选择Ts时主要从插补精度方面考虑；
选择Tc时则从伺服系统稳定性和动态跟踪误差两方面考虑。
逐点比较法
“靠近曲线，指向终点”
第一节拍——偏差判别第二节拍——坐标进给第三节拍——偏差计算第四节拍——终点判别逐点比较法既可实现平面直线插补，也可实现圆弧插补。其特点是运算简单，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，调节方便，但不易实现两坐标以上的插补。
逐点比较法第一象限直线插补基本原理现假设点T正好处于直线OE上，则有下式成立：
设点T处于直线OE上方，则直线OT斜率大于直线OE的斜率，则有下式成立：
设点T处于直线OE下方，则直线OT斜率小于直线OE的斜率，则有下式成立：
取偏差函数为,
现假设第i次插补后，刀具位于点T（Xi,Yi）,偏差函数为：
若Fi≥0，刀具沿+X方向进给一步，
则T`点坐标为：Xi+1=Xi+1,Yi+1=Yi
若Fi<0，刀具沿+Y方向进给一步，
则T``点坐标为：Xi+1=Xi,Yi+1=Yi+1
终点判别方法：
总步长法：
终点坐标法：Xi－Xe=0?
Yi－Ye=0?
硬件实现使用数字逻辑电路来实现逐点比较法第一象限逆圆插补基本原理描述刀具位置与被加工圆弧之间的相对位置关系，可用动点到圆心的距离大小来反映。
当点T正好落在圆弧AE上时，则有下式成立：
当点T正好落在圆弧AE外侧时，则有下式成立：
当点T正好落在圆弧AE内侧时，则有下式成立：
取偏差函数为：
当F≥0时，动点在圆外或圆上，刀具沿－X方向近给一步；
当F<0时，动点在圆弧内，刀具沿＋Y方向近给一步。
若Fi≥0时，Xi+1=Xi－1,Yi+1=Yi
则：
若Fi<0时，Xi+1=Xi,Yi+1=Yi+1
则：
终点判别，总步长：
软件实现象限处理
不同象限直线进给
不同象限圆弧进给逐点比较法进给速度脉冲的频率高低决定了机床进给速度的大小，其关系如下式所示：
数据采样插补法数据采样插补适用于以直流或交流伺服电动机作为驱动元件的闭环数控系统中。
由于插补周期与插补精度、速度等有直接关系，因此，数据采样插补最重要的是正确选择插补周期。
插补周期的选择插补周期与插补运算时间的关系通常插补周期Ts必须大于插补运算时间与CPU执行其他实时任务
数控系统把编程时的工件轮廓数据自动转换成相应的刀具中心轨迹数据的过程叫做刀具补偿。
象教学过程中，教师与学生的关系一点就通
它标志着数控机床的加工精度
δ＝0.01
0.005、0.0025、或0.001等
插补周期（Ts）
对系统稳定性没有影响，但对被加工轮廓的轨迹精度有影响；
对系统稳定性和轮廓误差均有影响
均假设所有坐标值的单位是脉冲当量
现场可编程逻辑门阵列来实现
两轴联动二轴半联动三轴联动四轴联动五轴联动二、按伺服系统分类开环控制系统半闭环控制系统闭环控制系统三、按制造方式分类通用型数控系统专用型数控系统四、按功能水平分类经济型数控系统普及型数控系统高级型数控系统
第四节 数控系统的发展趋势
1952-1959年，采用电子管、继电器元件
1959年开始，采用晶体管元件
1965年开始，采用集成电路；
1970年开始，大规模集成电路及小型计算机应用
1974年开始，采用微型计算机一、高速高精度提高分辨率、提高位置检测精度和补偿技术等二、智能化应用自适应控制技术自动编程技术具有故障诊断功能应用模式识别技术三、高可靠性提高线路的集成度建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系增强故障自诊断功能和保护功能四、具有内装式可编程控制器（PLC）
五、基于网络的数控系统六、具有开放性七、几种典型数控系统结构计算机直接数控（DNC）
柔性制造单元FMC和柔性制造系统FMS
计算机集成制造系统CIMS
数控系统程序输入与通信程序编制方法：1）手工编程
2）自动编程第一节 程序编制的基础知识一、数控编程的概念分析零件图样，确定加工工艺；
刀具运动轨迹计算；
编写加工程序单；
程序输入；
程序校验和首件试切。
二、数控编程的代码数字码（0-9）、文字码（A-Z）和符号码三、准备功能G代码和辅助功能M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（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。
G代码有模态和非模态两种。
辅助功能M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令，主要完成加工操作时的辅助动作。
程序暂停指令：M00
程序计划暂停指令：M01
程序结束指令：M02
主轴正转、反转、停指令：M03、M04、M05
换刀指令：M06
四、数控程序结构与程序段格式程序的结构程序号、程序段和程序结束符组成程序段格式由表示地址的英文字母、特殊文字和数字集合而成。
N_G_X_Y_Z_…F_S_T_M_LF(NL.CR)
主程序和子程序
M98、M99
数控机床的坐标系统数控机床的坐标轴与运动方向刀具相对于静止的工件而运动的原则
图1.5 直角坐标系
标准（机床）坐标系的规定机床坐标系的规定运动方向的确定
Z坐标的确定
X坐标的确定
Y坐标的确定机床坐标系与工件坐标系工件坐标系：编程时用来确定编程尺寸机床坐标系：制造机床时用以确定各零部件相对位置而建立起来的。
绝对坐标系与增量（相对）坐标系统用U、V、W表示
信息输入数控系统的信息信息可分为：数字量和开关量数控系统的信息流程输入存储译码刀具补偿进给速度处理插补位置控制
I/O处理
数控加工程序的输入数控加工程序输入的特点整个零件程序可一次输入，输入方式可以手动或自动；先对输入数据进行预处理，再进行数控加工；采用解释或编译的方法将零件加工程序翻译为机器码。
零件加工程序的输入输入键盘输入和DNC方式输入缓冲器是原始零件加工程序进入系统的必经之路。
零件加工程序的存放形式连续存储 通过目录表进行存储存储形式一般采用ISO代码或EIA代码，当前则多用具有一定规律性的系统内部代码。
不同工作方式取数过程键盘（MDI）工作方式和存储器工作方式
数控加工程序的预处理数控加工程序的译码译码是将标准的数控代码翻译成本系统能够识别的代码形式，也就是说将存储在零件程序存储区中的内部代码转化为控制机床运动的专门信息后存放到译码结果缓冲存储单元中。
译码的主要工作为代码识别和功能码译码。
代码的识别代码的识别是将零件加工程序存储器或MDI缓冲器中的源程序与内部规定的代码格式相比较，作出相应处理，形成固定的格式，存入零件加工程序缓冲区BS中。
2、译码代码识别主要是为各种代码设立一个功能码标志，然后再对功能码进行处理。
译码本身包括对零件加工程序的整理和存放，常用以下两种方法：
不按字符格式的整理和存放；
保留字符格式的整理和存放。
刀具补偿刀具长度补偿是对编程的刀具与实际使用的刀具在长度上可能的差异进行补偿。
刀具半径补偿过程比较复杂，分为B功能刀具半径补偿和C功能刀具半径补偿。
速度处理开环控制系统
F=60×δ×f
获得频率f的方法有两种：一是软件模拟DDA的方法，利用定容量累加器积分输出；另一种方法就是采用实时时钟中断法。
闭环、半闭环控制系统
数控系统的通信接口与网络数控系统的数据通信设备和接口数据输入/输出设备外部机床控制面板手摇脉冲发生器进给驱动线路和主轴驱动线路数据通信的基本概念数据通讯系统的组成
数据通信的模型数据通讯系统分为模拟传输系统和数字传输系统两类。
数控通信系统的组成数据通信的连接方式点-----点联接分支式联接集线式联接数据通讯系统的通信方式单工通信半双工通信全双工通信数据通信的传输方式并行数据传输：传送距离通常小于10米，成本较高，适用于近距离、高速度的数据传输串行数据传输：逐位传输，是远距离通信的唯一手段数据通信协议异步通信：～协议比较简单，速度较低同步通信：接口复杂，速度较高，在数控系统中应用较为广泛。
数据通信的传输媒体（通信线路或物理信道）
双绞线：安装方便可靠，抗干扰能力强，适用于短距离传输，特别是局域网。
同轴电缆：用于点到点连接和多点联结，抗干扰能力强，通信容量大，适用范围宽。
光缆：由纤芯和包层两种光学性质不同的介质构成。
三、异步串行通信接口
RS-232C/20mA主要用于连接输入输出设备
RS-422/RS-449
四、通信网络第三章 插补原理与刀具补偿原理概述所谓插补就是指数据密化的过程。
脉冲增量插补相对于控制系统发出的每个脉冲信号，机床移动部件对应坐标轴的位移量大小，称之为脉冲当量。
数字脉冲乘法器、逐点比较法、数字积分法以及一些相应的改进算法。
数据采样插补（“时间分割法”插补）
～就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线。
微小直线段的分割过程是粗插补——由软件实现。
后续进一步的密化过程是精插补——既可用软件实现也可由硬件实现。
位置控制周期（Tc）是数控系统中伺服位置环的采样控制周期。
对于给定的某个数控系统而言，插补周期（Ts）和位置控制周期（Tc）是两个固定不变的时间参数。
通常Ts≥Tc
微小直线段
选择Ts时主要从插补精度方面考虑；
选择Tc时则从伺服系统稳定性和动态跟踪误差两方面考虑。
逐点比较法
“靠近曲线，指向终点”
第一节拍——偏差判别第二节拍——坐标进给第三节拍——偏差计算第四节拍——终点判别逐点比较法既可实现平面直线插补，也可实现圆弧插补。其特点是运算简单，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，调节方便，但不易实现两坐标以上的插补。
逐点比较法第一象限直线插补基本原理现假设点T正好处于直线OE上，则有下式成立：
设点T处于直线OE上方，则直线OT斜率大于直线OE的斜率，则有下式成立：
设点T处于直线OE下方，则直线OT斜率小于直线OE的斜率，则有下式成立：
取偏差函数为,
现假设第i次插补后，刀具位于点T（Xi,Yi）,偏差函数为：
若Fi≥0，刀具沿+X方向进给一步，
则T`点坐标为：Xi+1=Xi+1,Yi+1=Yi
若Fi<0，刀具沿+Y方向进给一步，
则T``点坐标为：Xi+1=Xi,Yi+1=Yi+1
终点判别方法：
总步长法：
终点坐标法：Xi－Xe=0?
Yi－Ye=0?
硬件实现使用数字逻辑电路来实现逐点比较法第一象限逆圆插补基本原理描述刀具位置与被加工圆弧之间的相对位置关系，可用动点到圆心的距离大小来反映。
当点T正好落在圆弧AE上时，则有下式成立：
当点T正好落在圆弧AE外侧时，则有下式成立：
当点T正好落在圆弧AE内侧时，则有下式成立：
取偏差函数为：
当F≥0时，动点在圆外或圆上，刀具沿－X方向近给一步；
当F<0时，动点在圆弧内，刀具沿＋Y方向近给一步。
若Fi≥0时，Xi+1=Xi－1,Yi+1=Yi
则：
若Fi<0时，Xi+1=Xi,Yi+1=Yi+1
则：
终点判别，总步长：
软件实现象限处理
不同象限直线进给
不同象限圆弧进给逐点比较法进给速度脉冲的频率高低决定了机床进给速度的大小，其关系如下式所示：
数据采样插补法数据采样插补适用于以直流或交流伺服电动机作为驱动元件的闭环数控系统中。
由于插补周期与插补精度、速度等有直接关系，因此，数据采样插补最重要的是正确选择插补周期。
插补周期的选择插补周期与插补运算时间的关系通常插补周期Ts必须大于插补运算时间与CPU执行其他实时任务
数控系统把编程时的工件轮廓数据自动转换成相应的刀具中心轨迹数据的过程叫做刀具补偿。
象教学过程中，教师与学生的关系一点就通
它标志着数控机床的加工精度
δ＝0.01
0.005、0.0025、或0.001等
插补周期（Ts）
对系统稳定性没有影响，但对被加工轮廓的轨迹精度有影响；
对系统稳定性和轮廓误差均有影响
均假设所有坐标值的单位是脉冲当量
现场可编程逻辑门阵列来实现
