数控系统的构成、工作原理和功能
一、数控装置
数控（NC）装置是数控装备的控制核心，通常由一台专用计算机和输入输出设备构成，如下图所示。
▲数控（NC）装置的组成
1、信息
信息、程序可以通过键盘人工编程输入，也可以在专门的编程系统中完成程序编制，将信息、程序存储在移动硬盘、光盘、U盘上输入数控系统，在通信控制的数控机床上，程序还可以由计算机接口传送。
2、专用计算机
它由信息输入装置、运算器、控制器和输出装置组成。专用计算机对信息进行处理，如计算各执行元件的移动量，另外通过固定、内置的逻辑单元操作程序控制动作信息（如：电动机开停、电动机正反转、刀具更换、检测等）。
3、伺服系统
伺服系统控制驱动装备的执行元件，实现伺服电动机的起动、回转、编码检测、反馈、控制回转位置、减速、停止等。
通过上述组成部分可以看出，数控装置的工作过程是：将信息、程序通过专用计算机的输入装置，由控制器中的译码器对输入的信息进行识别，将识别结果向专用计算机的输出装置发出控制信号，执行规定的操作；最后由输出装置实现对伺服系统的数据输出，以实现对伺服系统的控制。
数控装置根据输入的指令进行译码、处理、计算和控制实现数控功能。该类装置是20世纪50～70年代随着计算机技术发展而产生的一种控制技术。从本质上讲，数控装置所具有的功能都是采用专用的硬件电路来实现的，因此也称为硬件数控装置。
从现代计算机技术和装备技术要求的角度来讲，这种专用数控装置结构复杂，功能扩展困难并受到一定限制，适应性及灵活性差，设计、制造周期长，制造成本高，稳定可靠性较差。现代数控装置已发展成为计算机数控装置，也称为软件数控装置。
二、计算机数控系统
以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，简称为计算机数控（CNC）。CNC系统是现代的主流数字控制系统。用CNC系统控制的数控机床，简称CNC机床。
CNC装置的组成
CNC装置由硬件和软件两大部分组成。
（1）硬件
由CPU、存储器、总线、输入/输出接口、MDI/CRT接口、位置控制、通信接口等组成。
（2）软件
指系统软件，包括管理软件和控制软件两大类。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号。
CNC装置控制机床动作的组成结构
如下图所示，主要组成部分如下：
▲CNC装置控制机床动作的组成结构
CNC装置
主要由微处理器、存储器及I/O接口组成，对指令、程序、信息进行处理。CNC装置的核心是微处理机。
（2）机床
CNC装置控制机床的各种动作，如：通过伺服系统控制进给电动机产生轨迹运动，控制主轴电动机产生回转运动等。同时安装在机床上的位置检测器（如用光栅、磁栅、球栅、光电编码器、同步感应器等检测）可反馈进给的位置信息到CNC装置中再进行处理。
（3）可编程序逻辑控制器（PLC）
CNC装置中的I/O接口对机床的逻辑动作进行处理。如电动机开停、电磁阀开停等。
（4）输出装置
对CNC装置的处理结果进行输出显示，自动编程输出或打印等。
3、CNC装置的主要功能
（1）控制功能
指CNC装置能控制的运动轴数及能同时控制的运动轴数，包括移动轴、转动轴、基本轴和附加轴等。一般用X、Y、Z、U、V、W等字母表示。
（2）G功能
用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动，程序暂停，平面选择，坐标设定，刀具补偿，基准点返回，固定循环，米制、寸制转换等。
（3）辅助功能
也称M功能，用来指令机床辅助功能，包括：程序停、主轴正/反转、切削液通/断、换刀等。辅助功能是通过PLC或I/O接口实现的。
（4）插补功能
用数字信息描述零件轮廓形状，通过数控装置有规律地控制机床各个轴的单位运动，从而实现刀具与工件的相对运动，完成零件廓形的加工。简言之，零件轮廓上的已知点之间，通过有规律地分配各个轴的单位运动而逼近零件廓形，即称为插补。下图所示为直线插补和圆弧插补。
▲直线插补和圆弧插补
a）直线段OP的插补b）圆弧段QP的插补
在数控加工中，根据给定的数学函数，诸如线性函数、圆函数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，确定一些中间点的一种方法，就称为插补。一般零件的轮廓，常由直线段和圆弧段组成，其他二次曲线或高次函数也均可以用直线段和圆弧段逼近，故一般数控装置中均有直线插补和圆弧插补功能。
直线插补方式是指给出两端点间的插补数字信息，借此信息控制刀具的运动，使其按照规定的直线加工出理想的表面。
圆弧插补方式是指给出圆弧的两端点、半径或圆心等插补数字信息，借此信息控制刀具的运动，使其按照规定的圆弧加工出理想的表面。
除了直线插补和圆弧插补外，还有二次曲线插补（如抛物线插补）、高次函数插补（如螺旋线插补）、极坐标插补、正弦插补、圆筒插补和样条插补等插补方式。处理这些插补的算法（包括