第四章计算机数控装置

1、黑龙江大学机电工程学院黑龙江大学机电工程学院 刘国华刘国华 黑龙江大学机电工程学院 第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 装置硬件结构装置硬件结构 第三节第三节 装置软件结构装置软件结构 第四节第四节 装置的数据预处理装置的数据预处理 黑龙江大学机电工程学院 cnc系统系统 从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，cnc系统是一种系统是一种位置位置 （轨迹）控制系统（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件，其本质上是以多执行部件(各运各运 动轴动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控 制系统，是一种配

2、有专用操作系统的计算机控制系统。制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，从外部特征来看，cnc系统是由硬件（通用硬件系统是由硬件（通用硬件 和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。 黑龙江大学机电工程学院 第一节第一节 概述概述 一、一、cnc系统的组成系统的组成 程程 序序输入设备输入设备 数控装置数控装置 cnc 输出设备输出设备 可编程控制器可编程控制器 plc 主轴控制单元主轴控制单元 速度控制单元速度控制单元 主轴电机主轴电机 机床机床 进给电机进给电机 位置检测位置检测 cnc系统系统 cnc系统由系统由数控程序

3、、输入输出设备、数控程序、输入输出设备、 cnc装置、可编程装置、可编程 控制器（控制器（plc）、主轴驱动装置、进给驱动装置和检测装置）、主轴驱动装置、进给驱动装置和检测装置等等 组成。组成。 黑龙江大学机电工程学院 机床数控机床数控 运动控制运动控制 逻辑控制逻辑控制 位移控制位移控制 速度、加速度速度、加速度 轨迹控制轨迹控制 简单逻辑输入简单逻辑输入 输出控制输出控制 组合逻辑控制组合逻辑控制 主轴电机定位主轴电机定位 正反转、停止正反转、停止 冷却泵电机冷却泵电机 启动、停止启动、停止 其他辅助控其他辅助控 制制 定时润滑定时润滑 刀库控制刀库控制 主轴管理主轴管理 超程等超程等 机

4、床不同，运动控制轴数、联动轴数、机床不同，运动控制轴数、联动轴数、 逻辑控制的复杂程度都有所不同。逻辑控制的复杂程度都有所不同。 第一节第一节 概述概述 黑龙江大学机电工程学院 二、二、cnc装置的组成装置的组成 cnc系统的核心是系统的核心是cnc装置。装置。cnc 装置实质上是一种专用计算机，装置实质上是一种专用计算机，它除它除 了具有一般计算机的结构外，还有和了具有一般计算机的结构外，还有和 数控机床功能有关的功能模块结构和数控机床功能有关的功能模块结构和 接口单元。接口单元。cnc装置由硬件和软件两装置由硬件和软件两 大部分组成。大部分组成。 第一节 概述 硬件是基础，软件是灵魂。硬件

5、是基础，软件是灵魂。 cnc装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、 管理整个系统的各项工作。管理整个系统的各项工作。 cnc系统的硬件和软件构成了系统的硬件和软件构成了cnc系统的系统平台。系统的系统平台。 黑龙江大学机电工程学院 cnc系统平台系统平台 硬件硬件 操作系统操作系统 管理软件管理软件 应用软件应用软件控制软件控制软件 数控加工程序数控加工程序 接接口口 被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 . . 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 通过各种输入方式，通过各种输入方式，接受接受机床加工零件的各种数据信息

6、，经过机床加工零件的各种数据信息，经过 cnc装置装置译码译码，再进行计算机的，再进行计算机的处理、运算处理、运算，然后将各个坐标，然后将各个坐标 轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺驱动伺 服电动机服电动机，带动各轴运动。并进行实时，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制位置反馈控制，使各个，使各个 坐标轴能精确地走到所要求的位置。坐标轴能精确地走到所要求的位置。 1）输入：）输入： 输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、键盘输入，通讯穿孔纸带阅

7、读输入、磁盘输入、键盘输入，通讯 接口输入及连接上级计算机的接口输入及连接上级计算机的dnc接口输入。接口输入。 三、三、cnc装置的工作原理装置的工作原理 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 第一节 概述 2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻 译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放 在指定的内存专用区内。在指定的内存专用区内。 3）数据处理）数据处理：包括刀具补偿，速度计算及辅助功能处理等。：包括刀具补偿，速度计算及辅助功能处理等。 4）插补：）插补：

8、插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起 点和终点之间进行点和终点之间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。 5）位置控制：）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与 实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6）i/o处理：处理：处理处理cnc装置与机床间信号输入、输出和控制。装置与机床间信号输入、输出和控制。 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：）诊断：检查

9、一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 黑龙江大学机电工程学院 四、四、cnc装置的功能装置的功能 控制功能控制功能 准备功能准备功能 插补功能插补功能 固定循环功能固定循环功能 进给功能进给功能 主轴功能主轴功能 辅助功能辅助功能 刀具功能刀具功能 补偿功能补偿功能 显示功能 显示功能 通讯功能通讯功能 自诊断功能 自诊断功能 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnc装置硬件结构装置硬件结构 cnc装置体系结构装置体系结构 cnc装置的工作过程装置的工作过程是在硬件的支持下，执行系统软件的过程，是在硬件的支持下，执行系统软件的过程，

10、 数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。cnc装置按装置按 体系结构可以分为体系结构可以分为专用体系结构和开放式体系结构专用体系结构和开放式体系结构两大类。两大类。 cnc装置的硬件结构装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为按照控制功能的复杂程度可分为单微处理单微处理 机硬件结构和多微处理机硬件结构机硬件结构和多微处理机硬件结构。 初期的初期的cnc机床和现有的一些经济型机床和现有的一些经济型cnc机床采用单微处理机床采用单微处理 机硬件结构。多微处理机硬件结构多用于高档的、全功能型的机硬件结构。多微处理机硬件结构多用于高档的、全功能型

11、的 cnc机床，可实现机床的复杂功能，满足高进给速度和高加工精机床，可实现机床的复杂功能，满足高进给速度和高加工精 度的要求。度的要求。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 一、单微处理机结构的一、单微处理机结构的cnc装置装置 单微处理机硬件结构的单微处理机硬件结构的cnc装置特点：装置特点： cnc装置内有一个微处理器，对存储、插补计算、输入输装置内有一个微处理器，对存储、插补计算、输入输 出控制、出控制、crt显示等功能实现显示等功能实现集中控制分时处理集中控制分时处理； 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，微处理器通过总线与存储

12、器、输入输出控制等接口电路相连， 构成构成cnc装置；装置； 结构简单，容易实现。结构简单，容易实现。 单微处理机硬件结构因为只有一个微处理器集中控制，对实单微处理机硬件结构因为只有一个微处理器集中控制，对实 时性要求较高的插补计算受到微处理器字长、数据宽度、寻址时性要求较高的插补计算受到微处理器字长、数据宽度、寻址 能力和运算速度等因素的影响和限制。为了提高处理速度，增能力和运算速度等因素的影响和限制。为了提高处理速度，增 强数控功能，可以采用带微处理器的强数控功能，可以采用带微处理器的plc等智能部件，甚至采等智能部件，甚至采 用多微处理机硬件结构。用多微处理机硬件结构。 黑龙江大学机电工

13、程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 单微处理机结构的单微处理机结构的cnc装置框图装置框图 d/a cpu 纸带机纸带机 接口接口 rs232 接口接口 crt/m di接口接口 手摇轮手摇轮 接口接口 rom 接口接口 ram 接口接口 plc 接口接口 位控位控 单元单元 位控位控 单元单元 位控位控 单元单元 主轴主轴 单元单元 d/ad/ad/a 速度速度 单元单元 速度速度 单元单元 速度速度 单元单元 速度速度 单元单元 mmmm mst 功能功能 总总 线线 进给电机进给电机主轴电机主轴电机 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装

14、置硬件结构 (1)微处理器和总线微处理器和总线 微处理器微处理器（cpu）是是cnc装置的核心，主要有装置的核心，主要有运算器和运算器和 控制器控制器两部分组成。两部分组成。运算器运算器刀补计算、插补运算、位置控刀补计算、插补运算、位置控 制计算及其它数据的计算和逻辑运算。制计算及其它数据的计算和逻辑运算。控制器控制器从存储器中从存储器中 依次取出程序指令，经过译码，向依次取出程序指令，经过译码，向cnc装置各部分按顺序装置各部分按顺序 发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接受执发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接受执 行部件发回来的反馈信息，决定下一步命令操作。行部件发回来

15、的反馈信息，决定下一步命令操作。 总线总线是将微处理器、存储器和输入是将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立输出接口等相对独立 的装置或部件联系起来，并传送信息的公共通道。的装置或部件联系起来，并传送信息的公共通道。 u数据总线数据总线 u地址总线地址总线 u控制总线控制总线 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 (2)存储器存储器 存储器用于存放数据、参数和程序等，包括存储器用于存放数据、参数和程序等，包括只读存储器只读存储器 （rom）和和随机存储器（随机存储器（ram）两类。两类。 只读存储器只读存储器(rom)专门存放系统软件（控制程序、管理

16、程专门存放系统软件（控制程序、管理程 序、表格和常数），使用时其存储单元的内容不可改变，即不序、表格和常数），使用时其存储单元的内容不可改变，即不 可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。 随机存储器（随机存储器（ram）用来存储零件加工程序，或作为工作用来存储零件加工程序，或作为工作 单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果等，其存储单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果等，其存储 单元的内容既可以读出又可写入或改写。单元的内容既可以读出又可写入或改写。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 (3)

17、i/o接口接口 cnc装置和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输装置和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输 入和输出入和输出i/o接口电路连接。接口电路连接。 接口电路的主要作用有：接口电路的主要作用有： 一是进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作一是进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。主。主 要用光电耦合器或继电器将要用光电耦合器或继电器将cnc装置和机床之间的信号在电装置和机床之间的信号在电 气上加以隔离。气上加以隔离。 二是进行电平转换和功率放大二是进行电平转换和功率放大。一般。一般cnc装置的信号是装置的信号是 ttl电平，而机床控制的信号通常不是电平，而机床控制的

18、信号通常不是ttl电平，负载较大，电平，负载较大， 需要进行必要的信号电平转换和功率放大。需要进行必要的信号电平转换和功率放大。 三是进行模拟量与数字量之间转换。三是进行模拟量与数字量之间转换。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 (4) mdi/crt接口接口 mdi手动数据输入手动数据输入通过数据面板上的键盘进行操作。通过数据面板上的键盘进行操作。 当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经数当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经数 据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监 控处理。控处理。

19、 crt接口在接口在cnc装置软件的控制下，在单色或彩装置软件的控制下，在单色或彩 色色crt上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参 数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行 实时显示。实时显示。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 (5) 位置控制模块位置控制模块 位置控制模块的主要功能是对数控机床的进给运动坐标轴位置控制模块的主要功能是对数控机床的进给运动坐标轴 的位置进行控制。进给坐标轴的位置控制硬件一般采用大规的位置进行控制。进给坐标轴的位置控制硬件一般

20、采用大规 模专用集成电路位置控制芯片和位置控制模板。模专用集成电路位置控制芯片和位置控制模板。 位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨 迹控制时，迹控制时，cnc装置与伺服驱动系统连接的接口模块。装置与伺服驱动系统连接的接口模块。 q 常用的位置控制模块：常用的位置控制模块： 开环位置控制模块开环位置控制模块：cnc装置与步进电机驱装置与步进电机驱 动电源的接口；动电源的接口； 闭环（含半闭环）位置控制模块闭环（含半闭环）位置控制模块： cnc装置装置 与直流、交流伺服驱动装置的接口。与直流、交流伺服驱动装置的接口。 黑龙江大学机电

21、工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 (6) 可编程控制器（可编程控制器（plc） 可编程控制器（可编程控制器（plc）的功能是代替传统机床的继电器逻辑的功能是代替传统机床的继电器逻辑 控制来实现控制来实现各种开关量的控制各种开关量的控制。数控机床中使用。数控机床中使用plc可以分为可以分为 两类：一类是两类：一类是“内装型内装型”plc，它是为实现机床的顺序控制而它是为实现机床的顺序控制而 专门设计制造的。另一类是专门设计制造的。另一类是“独立型独立型”plc，它是在技术规范、它是在技术规范、 功能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。功能和参数上均可满足数控机床要

22、求的独立部件。 qplc模块：模块：cnc装置实现顺序控制的模块。装置实现顺序控制的模块。 qplc模块的作用模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行：接收来自操作面板、机床上的各行 程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴 控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相 应器件的运行。应器件的运行。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 二、多微处理机结构的二、多微处理机结构的cnc装置装置 在多微处理机结构的在多微处理机结构的cnc装置中，由于有两个或两

23、个以上的装置中，由于有两个或两个以上的 微处理机构成的处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中微处理机构成的处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中 的操作系统，资源共享，或者有两个或者两个以上的微处理机的操作系统，资源共享，或者有两个或者两个以上的微处理机 结构的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统结构的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统 有效地实现并行处理，所以能克服单微处理机结构的不足，使有效地实现并行处理，所以能克服单微处理机结构的不足，使 cnc装置的性能有较大提高。装置的性能有较大提高。 在单微处理机结构的在单微处理机结构的cnc装置中，因为只有一个装置中

24、，因为只有一个cpu，只能，只能 采用集中控制，该采用集中控制，该cpu既要对键盘输入和既要对键盘输入和crt显示处理，又要显示处理，又要 进行译码、刀补计算以及插补等实时控制处理，这样进给速度进行译码、刀补计算以及插补等实时控制处理，这样进给速度 显然受影响。显然受影响。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 多微处理机共享总线结构框图多微处理机共享总线结构框图 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 1. cnc管理模块管理模块 该模块管理和组织整个该模块管理和组织整个cnc装置个功能协调工作，如系统的装置个功能协调

25、工作，如系统的 初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软 硬件诊断等。还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具补硬件诊断等。还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具补 偿和进给速度处理等插补前的预处理。偿和进给速度处理等插补前的预处理。 2. 存储器模块存储器模块 该模块存放程序和数据，为主存储器。每个该模块存放程序和数据，为主存储器。每个cpu控制模块中控制模块中 还有局部存储器。主存储器模块是各功能模块间数据传送的共还有局部存储器。主存储器模块是各功能模块间数据传送的共 享存储器。享存储器。 3. cnc插补模块插补模块

26、该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的 插补类型通过插补计算为各坐标轴提供位置给定值。插补类型通过插补计算为各坐标轴提供位置给定值。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 4. 位置控制模块位置控制模块 该模块根据插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的的位该模块根据插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的的位 置是机制进行比较，经过一定的控制算法，最后得到速度控制的置是机制进行比较，经过一定的控制算法，最后得到速度控制的 模拟电压，去驱动进给伺服电动机，实现无超调、无滞后、高性模拟电压，去

27、驱动进给伺服电动机，实现无超调、无滞后、高性 能的闭环位置控制。能的闭环位置控制。 5. 指令、数据的输入输出及显示模块指令、数据的输入输出及显示模块 该模块包括零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入该模块包括零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入/ 输出及显示等所需要的各种接口电路，如纸带阅读机接口、穿孔输出及显示等所需要的各种接口电路，如纸带阅读机接口、穿孔 机、键盘、机、键盘、crt接口、通信接口等。接口、通信接口等。 6. plc功能模块功能模块 该模块将零件程序中的开关功能和由机床来的信号等进行逻辑该模块将零件程序中的开关功能和由机床来的信号等进行逻辑 处理，实现各功能和

28、操作方式之间的连锁，机床电器设备的启、处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电器设备的启、 停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 2. 多微处理机多微处理机cnc装置的典型结构装置的典型结构 （）共享总线型结构（）共享总线型结构 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 （）共享存储器型结构（）共享存储器型结构 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 3. 多微处理机多微处理机c

29、nc装置的优点装置的优点 （）运算速度快、性能价格比高（）运算速度快、性能价格比高 （）适应性强、扩展容易（）适应性强、扩展容易 （）可靠性高（）可靠性高 （）硬件易于组织规模化生产（）硬件易于组织规模化生产 黑龙江大学机电工程学院 第二节第二节 cnccnc装置硬件结构装置硬件结构 三、开放式体系结构系统三、开放式体系结构系统 开放式开放式cnc系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系 统平台上的能力，提供面向功能地动态重构工具，同时提供统平台上的能力，提供面向功能地动态重构工具，同时提供 统一标准化地应用程序用户界面。具有以下特征统一标准化地应用程序

30、用户界面。具有以下特征: 可互操作性：可互操作性：不同应用程序模块通过标准化地应用程不同应用程序模块通过标准化地应用程 序接口运行于系统平台，不同模块之间保持平等地相序接口运行于系统平台，不同模块之间保持平等地相 互操作能力。互操作能力。 可移植性：可移植性：不同应用程序模块可运行于不同供应商提不同应用程序模块可运行于不同供应商提 供的不同系统平台上。供的不同系统平台上。 可缩放性：可缩放性：增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块 单元的装载与卸载。单元的装载与卸载。 可相互替代性：可相互替代性：不同性能与可靠性和不同功能能力的不同性能与可靠性和不同功能能力的

31、 功能模块可以相互替代。功能模块可以相互替代。 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 一、一、 cnc装置软件硬件的分工装置软件硬件的分工 三种典型的软硬件界面关系三种典型的软硬件界面关系 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 速速 控控 电电 机机 测量测量 第一第一 种种 第二第二 种种 第三第三 种种 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 黑龙江大学机电工程学院 软件和硬件在逻辑上等价

32、，由硬件完成的工作同软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的工作同 样可以由软件完成。在样可以由软件完成。在cnc系统中，软硬件的分配系统中，软硬件的分配 比例，随微电子、计算机技术的发展而不断变化。比例，随微电子、计算机技术的发展而不断变化。 1952年到年到1970年，年，“硬联接硬联接”数控时代；数控时代； 70年代后，进入了年代后，进入了“软联接软联接”的数控时代；的数控时代； 80年代后期：计算机数控（年代后期：计算机数控（cnc）系统。）系统。 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 二、二、cnc

33、装置的软件组成装置的软件组成 cnc装置的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计装置的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计 和编制的专用软件，通常称为系统软件。和编制的专用软件，通常称为系统软件。cnc装置的系统软装置的系统软 件由管理软件和控制软件两大部分组成的。件由管理软件和控制软件两大部分组成的。管理软件管理软件包括：包括： 输入输入/输出、显示、诊断等；输出、显示、诊断等；控制软件控制软件包括：译码、刀具补偿、包括：译码、刀具补偿、 速度控制、插补运算和位置控制等。速度控制、插补运算和位置控制等。 cnc装置的数据转换流程：装置的数据转换流程：将将 由零件加工程序表达的加工信由零

34、件加工程序表达的加工信 息，变换成各进给轴的位移指息，变换成各进给轴的位移指 令、主轴转速指令和辅助动作令、主轴转速指令和辅助动作 指令，控制加工设备的轨迹运指令，控制加工设备的轨迹运 动和逻辑动作，加工出符合要动和逻辑动作，加工出符合要 求的零件。求的零件。 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 三、三、 cnc装置软件结构的特点装置软件结构的特点 cnc系统是一个系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统专用的实时多任务计算机控制系统，它的控，它的控 制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。cnc系统系

35、统 的软件结构，无论其硬件是采用单微处理器结构还是多微处理的软件结构，无论其硬件是采用单微处理器结构还是多微处理 器结构，都具有两个特点：器结构，都具有两个特点：多任务并行处理和多重实时中断多任务并行处理和多重实时中断两两 项技术的运用。项技术的运用。 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 cnc系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控制两大任系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控制两大任 务。在数控加工过程中，多数情况下以上两项工作须同时进行。务。在数控加工过程中，多数情况下以上两项工作须同时进行。 1.多任务并行处理多任务并行处理 (1) cnc

36、装置的多任务性装置的多任务性 系统任务系统任务 管理管理控制控制 输输 入入 输输 出出 显显 示示 i/o 处处 理理 诊诊 断断 译译 码码 刀刀 补补 速速 度度 处处 理理 插插 补补 位置控制位置控制 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 并行处理是指计算机在并行处理是指计算机在 同一时间间隔内完成两同一时间间隔内完成两 种或两种以上的性质相种或两种以上的性质相 同或不同的工作同或不同的工作。 (2)并行处理并行处理 并行处理的分类：并行处理的分类： 资源共享：资源共享：根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使的原则，使多个用户

37、按时间顺序使 用同一套设备。用同一套设备。 时间重叠：时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互 错开，轮流使用同一套设备的几个部分。错开，轮流使用同一套设备的几个部分。 资源重复：资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的 任务。任务。 黑龙江大学机电工程学院 资源分时共享（对单一资源的系统）资源分时共享（对单一资源的系统） 在单在单cpu结构的结构的cnc系统中，可采用系统中，可采用“资源分时资源分时 共享共享”并行处理技术。并行处理技术。 资源分时共享资源分时共享在规定

38、的时间长度（时间片）在规定的时间长度（时间片） 内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用cpu 的时间，使它们分时共享系统的资源。的时间，使它们分时共享系统的资源。 技术关键：技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用其二：各任务占用cpu的时间长度，的时间长度，即即时间片的分时间片的分 配问题。配问题。 黑龙江大学机电工程学院 译码译码 刀补刀补 i/o 显示显示 初始化初始化 位置控制位置控制 插补运算插补运算 背景程序背景程序 4ms 8ms 16ms 中断级别高中断级别高 中断级别低中断级别低 资源

39、（资源（cpu）分时共享图分时共享图 黑龙江大学机电工程学院 0ms 4ms 8ms 12ms 16ms 位置控制 插补运算 背景程序 各任务占用各任务占用cpu 时间示意图时间示意图 黑龙江大学机电工程学院 q 并发处理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多在多cpu结构的结构的cnc系统中，根据各任务之间的关联系统中，根据各任务之间的关联 程度，可采用以下两种并行处理技术：程度，可采用以下两种并行处理技术： 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同 的的cpu上同时执行上同时执行 并发处理；并发处理； 若任务间的关

40、联程度较高，即一个任务的输出是若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是 另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来 实现并行处理。实现并行处理。 黑龙江大学机电工程学院 流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义 利用重复的资源（利用重复的资源（cpu），），将一个大的任务分成若干个子将一个大的任务分成若干个子 任务任务(任务的分法与资源重复的多少有关任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此，这些小任务是彼此 关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象 在一条生产线上分不同工序加工

41、零件的流水作业一样。在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。 时间时间 t+t tt 空间空间 111 333 2 22 输输 出出 输输 出出 输输 出出 cpu1 cpu2 cpu3 并行处理并行处理 123123 2tt 空间空间 时间时间 顺序处理顺序处理 输输 出出 输输 出出 cpu1 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 ()并行处理中的信息交换和同步并行处理中的信息交换和同步 加工程序加工程序 译译 码码 刀刀 补补 预预 处处 理理 插插 补补 处处 理理 位位 置置 控控 制制 伺服驱动伺服驱动 plc控制控制 位置反馈位置反馈

42、 在在cnc装置中信息交换主要通过各种装置中信息交换主要通过各种缓冲存储区缓冲存储区来实现。来实现。 黑龙江大学机电工程学院 2. 实时中断处理实时中断处理 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 cnc装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可 少的组成部分。少的组成部分。cnc装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中 断结构决定了断结构决定了cnc装置软件的结构。装置软件的结构。 cnc系统的中断类型：系统的中断类型： 外部中断：外部中断：主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断和键盘及

43、主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断和键盘及 操作面板中断。操作面板中断。 内部定时中断：内部定时中断：主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。 硬件故障中断：硬件故障中断：各种硬件故障检阅装置发出的中断。各种硬件故障检阅装置发出的中断。 程序性中断：程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断。程序中出现的各种异常情况的报警中断。 黑龙江大学机电工程学院 第三节第三节 cnccnc装置软件结构装置软件结构 cnc软件结构模式有：前后台型软件结构和中断型软件结构。软件结构模式有：前后台型软件结构和中断型软件结构。 1. 前后台型软件结构前后台型软

44、件结构 前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器cnc系系 统。前台程序为实时中断程序，后台程序主要用来完成准备工统。前台程序为实时中断程序，后台程序主要用来完成准备工 作和管理工作。作和管理工作。 四、四、cnc系统的软件结构系统的软件结构 2. 中断型软件结构中断型软件结构 中断型软件结构没有前后中断型软件结构没有前后 台之别，除初始化程序外，台之别，除初始化程序外， 根据各控制模块实时要求不根据各控制模块实时要求不 同，将控制程序安排成不同同，将控制程序安排成不同 级别的中断服务程序。级别的中断服务程序。 黑龙江大学机电工程学院 第四节

45、第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 cnc装置控制刀具相对于工件作出符合零件轮廓装置控制刀具相对于工件作出符合零件轮廓 轨迹的相对运动通过插补实时控制实现，而插补所需轨迹的相对运动通过插补实时控制实现，而插补所需 信息（如曲线种类、起点终点坐标、进给速度等），信息（如曲线种类、起点终点坐标、进给速度等）， 需要通过预处理得到。需要通过预处理得到。 预处理包括预处理包括零件程序的输入、译码、刀具（半径、零件程序的输入、译码、刀具（半径、 长度）补偿计算和坐标转换等。长度）补偿计算和坐标转换等。 黑龙江大学机电工程学院 零件程序的输入包括两方面的内容零件程序的输入包括两方面的内容

46、: 1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。 2）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓 冲存储区）。冲存储区）。 一、零件程序的输入一、零件程序的输入 第四节第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 阅读机阅读机零件程序存储器零件程序存储器mdimdi键盘键盘 零件程序缓冲区零件程序缓冲区mdimdi缓冲区缓冲区 译码译码 黑龙江大学机电工程学院 二、译码二、译码 译码程序又称翻译程序，它译码程序又称翻译程序，它把零件程序段的各种工件轮廓信息把零件程序段的各种工件轮廓信息 (如起点、

47、终点、直线或圆弧等如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度、加工速度f和其它辅助信息和其它辅助信息(m 、s、t)按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按 系统规定的格式放在译码结果缓冲器中系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要。在译码过程中，还要 完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。 方法方法：解释和编译。：解释和编译。 内容：内容：整理和存放。整理和存放。 1）不按字符格式的整理与存放方法。）不按字符格式的整理与存放方法。 2）保留字符格式的整理与存放。）保留字

48、符格式的整理与存放。 第四节第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 黑龙江大学机电工程学院 第四节第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 三、刀具补偿三、刀具补偿 刀补处理程序主要进行以下刀补处理程序主要进行以下几项工作几项工作： 1. 计算本段零件轮廓的终点坐标值；计算本段零件轮廓的终点坐标值； 2. 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心 轨迹的终点位置；轨迹的终点位置； 3. 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。 建立刀补建立刀补 撤消刀补撤消刀补 工件轮

49、廓工件轮廓 起刀点起刀点起刀点起刀点 建立刀补建立刀补 撤消刀补撤消刀补 工件轮廓工件轮廓 a）左刀补）左刀补g41 b）右刀补）右刀补g42 黑龙江大学机电工程学院 第四节第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 1. b功能刀具半径补偿计算功能刀具半径补偿计算 根据零件尺寸和刀具半径值计算直线或圆弧的起点根据零件尺寸和刀具半径值计算直线或圆弧的起点 和终点的刀具中心值，以及圆弧刀补后刀具中心轨迹和终点的刀具中心值，以及圆弧刀补后刀具中心轨迹 的圆弧半径值。的圆弧半径值。 刀具半径矢量：在加工过程中始终垂直于编程轨迹，刀具半径矢量：在加工过程中始终垂直于编程轨迹， 大小等于刀具半

50、径，方向指向刀具中心的矢量。大小等于刀具半径，方向指向刀具中心的矢量。 黑龙江大学机电工程学院 第四节第四节 cnccnc装置的数据预处理装置的数据预处理 ()直线刀具半径补偿计算直线刀具半径补偿计算 被加工直线段被加工直线段oeoe起点在坐标原点，终点起点在坐标原点，终点e e的坐标为的坐标为(x(x，y)y)。 设刀具半径为设刀具半径为r r，刀具偏移后，刀具偏移后e e点移动到了点移动到了ee点。点。e e点刀具半径矢量点刀具半径矢量 分量分量 、 为：为： ee点的坐标点的坐标( ( ， ) )为：为： y r x r + + - -= = + + = = 22 22 yx rx r yx ry r y x + + - -= =+ += = + + + += =+ += = 22 22 yx rx yryy yx