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机床CNC 基础知识
北京发那科机电有限公司 王玉琪 2006 2
此文是本人对GM（中国厂）培训时的讲义。目的是对初学者对 CNC 有基本的综合概念。以便于更深入地学习诸如：加工编程， PMC 和系统维修等课程。 3
机床CNC 基础知识
一． CNC 机床与CNC 系统 CNC 的含义是计算机数值控制。 1． CNC 机床 ⑴．金属切削用
孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削、切螺纹、切平面、轮廓加工、平面磨削、外圆磨 削、内圆磨削等。 ⑵．线电极切割机。
⑶．冲床、步冲、冲压、金属成型、弯管等机床。 ⑷．产业机器人。 ⑸．注塑机。
⑹．检测、测量机。 ⑺．木工机械。
⑻．特殊材料加工机械：如加工石材、玻璃、发射性矿料等。 ⑼．特种加工机械
激光加工机、气体切割机、焊接机、制图机、印刷机等。
随着电子技术和计算机技术以及IT 技术的发展，目前，这些机床与加工设备都可用数值计算
机用数值数据进行控制，称为CNC 控制。
下图是一台金属加工机床------立式加工中心的一般结构。 4
2． CNC 系统
CNC 系统的含义是计算机数值控制系统。 下图是一台CNC 系统的基本配置图。 FANUC LTD FS0 i - 6 系统配置 FSSB
βis 伺服电机 αis 伺服电机
I/O Link βi 伺服放大器 7.2 “ LCD/MDI(单色) 8.4 “ LCD /MDI(彩色) αi 伺服放大器 Series 0i-C
以太网10 base T/100 base TX PC Internet
αi 主轴电机 FANUC I/O Link DI/DO 1024/1024
操作面板I/O 模块I/O 单元 系统在LCD后面
CNC 系统的基本配置
机床的CNC 控制是集成多学科的综合控制技术。
上图是一台典型的CNC 控制系统。从图中可见，一台CNC 系统包括：⑴．CNC 控制单元（数
值控制器部分）。⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。⑷．PMC
（PLC）控制器。⑸．机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。⑹．机床的位
置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。⑺．外部轴（机械）控制单元。如：刀库、交
换工作台、上下料机械手等的驱动轴。⑻．信息的输入/输出设备。如电脑、磁盘机、存储卡、键
盘、专用信息设备等。⑼．网络。如以太网、HSSB（高速数据传输口）、RS-232C 口等和加工现场 的局域网。
上图右下方的I/O Link βi 伺服放大器与电动机用于外部机械的驱动与控制。上方画出了以太 网。
CNC 单元（控制器部分）的硬件实际上就是一台专用的微型计算机。是CNC 设备制造厂自己
设计生产的专门用于机床的控制的核心。下面的几张图表示出其基本硬件模块；基本的控制功能模
块和一台实际的控制器硬件。 5
CNC 单元的基本模块 CNC 单元内的基本模块 6
CNC 功能框图 7
下面是一台控制器部件装在LCD 显示器画面的CNC 单元硬件图。 二．机床的运动坐标及进给轴
一台机床有几个运动轴执行加工时的切削进给，因此称其为进给轴。机床开机后以机床零点为
基准建立了机床的机械坐标系（直角坐标系）。每个轴对应于其中的一个相应的坐标。轴有直线运
动的，有回转运动的。国际标准ISO 对坐标轴的方向与名称是有规定的。如下图。
根据规定，按直角坐标系右手法则定义各坐标轴，Z 轴正方向一般为机床主轴的方向。X、Y、
Z 定义为直线运动轴；U、V、W 为分别平行于X、Y、Z 的直线运动轴；A、B、C 为回转运动轴，
分别围绕X、Y、Z 运动，其正方向符合右手螺旋规则。
CNC 控制时用程序命令X、Y、Z、U、V、W、A、B、C 等指令被控的坐标轴，用数值指令
其运动的距离，正负号指令移动方向，F 指令运动速度。例如： G01 X120 Y-300 F1000；
意义是G01：X 轴与Y 轴协调运动，加工一条直线；X120，Y-300：X 轴走120mm；Y 轴走
－300mm；F：进给速度为1000mm/分。 power supply
SERVO CARD CPU CARD LCD UNIT LATつCHめ Screws
LCD 一体型CNC 单元 8
实际的机床上各进給轴的定义如下图所示。 图4 机床的进给轴 9
进给轴的坐标方向
三．CNC 插补与位置控制指令的输出
CNC 对机床的坐标运动进行控制。在控制原理上这是位置量控制系统。需要控制的是：几个
轴的联动，运动轨迹（加工轮廓）的计算：最重要的是保证运动精度和定位精度（动态的轮廓几何
精度和静态的位置几何精度）；各轴的移动量（mm）；移动速度（mm/分）；移动方向；起/制动过
程（加速/降速）；移动的分辨率。
现代的CNC 系统是纯电气的控制系统。进给轴的移动是由伺服电动机执行的。通常，一个进
给轴由一个伺服电动机驱动。电动机由伺服放大器供给动力。伺服放大器的工作由CNC 的插补器
的分配输出信号控制。 10
1．轨迹运动的插补计算--插补器 CNC的插补运算
CNC 对机床进给轴的控制，是执行事先编制好的加工程序指令。程序指令是按零件的轮廓编
制的加工刀具运动轨迹（如上图）。程序是根据零件轮廓分段编制的。一个程序段加工一段形状的
轮廓。轮廓形状不同，使用不同的程序指令（零件轮廓形状元素）。例如：G01---直线运动
指令；
G02---顺时针圆弧运动指令；G03---逆时针运动圆弧指令；G32（G33）---螺纹加工…… 但是，在一段加工指令中，只是编写此段的走刀终点。如：下面一个程序段要加工X-Y 平面
上一段圆弧，程序中只指令了终点的坐标值X100；Y-200： G90 G17 G02 X100. Y-200. R50. F500；
此段的起点已在前一段编写，就是前段的终点。因此，加工此段时，如上图所示，CNC 控制器即
计算机处理器只知道该段的起点和终点坐标值。段中的刀具运行轨迹上其它各个点的坐标值必须由
处理器计算出来。处理器是依据该段轮廓指令（G02）和起点和终点的坐标值计算的，即必须算出
希望加工的工件轮廓，算出在执行该段指令过程中刀具沿X 轴和Y 轴同时移动的中间各点的位置。
X 轴和Y 轴的合成运动即形成了刀具加工的工件轮廓轨迹。 除此之外，在程序中必须指令运动速度（加工速度），如：F500（mm/min）。在位置计算时， 要根据轮廓位置算出对应点的刀具运动方向速度。此例中是分别算出沿X 轴各点的对应速度和沿Y
轴各点的对应速度。
实现上述运算的机构称之为插补器。
插补器每运算一次称为一个插补周期，一般为8ms；计算复杂型面的插补器使用高速CPU，插
补周期可缩短，目前可达2ms。一个程序段分多个插补周期，取决于轮廓形状和轮廓尺寸。 执行上例程序段的指令是进行顺时针圆弧的插补。是执行以圆弧计算公式为基础的插补子程 序。计算时的判断条件是：不断地执行刀具沿X 轴向和Y 轴向的进给，每进给一个脉冲当量即判
断是否到达终点，是否超差，计算方向是顺时针，进给当量是1μm/脉冲，速度是500mm/min。 CNC 的系统控制软件中包括了多个插补子程序，工件形状的每一种几何元素均对应着刀具的
一种几何运动，因此就要求CNC 有相应的插补子程序。这就是CNC 系统控制软件中控制坐标轴运 新的铣削指令 &#; 螺锥 &#; 螺旋 &#; 3 维圆弧
&#; 刀具中心点控制
Circular interpolation in 3-D by specifying intermediate and end points of arc 3 维圆弧插步器 X Y
Z Intermediate point End point
Start (X2, Y2, Z2) point
G02.4 XX1 YY1 ZZ1 ; (Intermediate)
XX2 YY2 ZZ2 ; (End) 11
动的G 代码。如：G01，G02，G03，G32，G33，G05，G08……。还有一些子程序是考虑加工工
艺的要求控制刀具运动的。G 代码越多，CNC 的功能也就越强。用这些G 代码编制零件的加工程 序。
CNC 的系统控制软件是用汇编语言编制的。不同类型的机床使用不同的CNC 系统。当然，这
些系统的控制软件是完全不同的。
插补器的硬件是CNC 的主CPU。当然，还有用纯硬件的插补器。 2．插补脉冲的分配输出
经过插补运算，算出了加工所要求的工件形状在同一时间周期（插补周期）内各个坐标轴移动
的距离（移动量），它是以脉冲数表示的，如：在本插补周期内X 轴进給25 个脉冲；Y 轴进給50
个脉冲，分别送给对应的坐标轴，作为相应轴的位置移动指令。脉冲序列有正负号，指令对应轴的
运动方向；脉冲序列按一定的频率输出，指令该轴的运动速度。这一装置叫做脉冲分配器，如下图 所示。
为了防止产生加工运动的冲击、提高加工精度和光洁度，在脉冲分配给各进给轴之前，对进给
速度都进行加/减速。如下图所示，CNC 可实现两种加/减速控制：插补前加/减速和插补后加/减速。
插补后通常用直线型或指数型加减速方法：指数型加/减速的速度变化比较平滑，因而冲击小，
但是速度指令的滞后较大。相反，直线型加减速的速度变化迅速，时间常数设得较小时会造成冲击，
引起机床的震动。但是，加工出的零件轮廓可能与裎编的轮廓接近。
插补前用直线型加减速方法，这样可以减小加工的形状误差。除此之外，为了提高加工精度和
加工速度，还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等CNC 软件。 CNC 插补器 脉冲分配器 X Y Z V
fanuc数控机床入门教程
