第四章 计算机数字控制

1、第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置本章内容本章内容 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNC装置的软件结构装置的软件结构 可编程控制器可编程控制器（PLC） 典型的典型的CNC系统简介系统简介CNC装置装置数控指令输入计算机硬件电路伺服系统数控机床第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4. 1 概述概述 从从自动控制自动控制的角度来看，的角度来看，CNC系统是一种位置、速度系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件（还包括电流）控制系统，

2、其本质上是以多执行部件(各运各运动轴动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配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。 从从外部特征外部特征来看，来看，CNC系统是由硬件（通用硬件系统是由硬件（通用硬件和专用和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。硬件）和软件（专用）两大部分组成的。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.1 概述概述数控加工程序数控加工程序被控设备被控设备管理软件管理软件控制软件控制软件机机 床床操

3、作系统操作系统硬硬件件接接口口机器人机器人测量机测量机.CNC系统平台系统平台第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNCCNC键盘键盘第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置I/O模块等模块等PC+CNC+PLC驱动系统驱动系统 电子手轮电子手轮机床控制面板机床控制面板主轴电机主轴电机进给伺服电机进给伺服电机第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.1概述概述CNC系统工作过程系统工作过程输入输入译码译码数据处理数据处理插补插补将各个坐标轴的分量送到各控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

4、驱动伺服电动机，带动各制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动轴运动 实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。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。输入方式输入方式磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的入及连接上位计算机的DNC接口输入接口输入第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的

5、语法规则解释、翻译成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在指定的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。内存专用区内。3）数据处理：）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：）插补：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“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实际在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反

6、馈位置相比较，用其差值去反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。控制进给伺服电机。6）I/ O处理：处理：处理处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。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。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构CNC装置的硬件结构装置的硬件结构按其中含有按其中含

7、有CPU的多少可分为：的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。大板结构和模块化结构。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口总线总线可编程可编程控制控制MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置微微处处理理器器CPU总总 线线EPROM存储

8、器存储器RAM存储器存储器存储器存储器输入输入/输出输出I/O接口接口位置控制器位置控制器MDI/CRT可编程控制器可编程控制器通信接口通信接口1微处理器微处理器微处理器是微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在运算过程由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在运算过程中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对

9、运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和反馈信息

10、，决定下一步的指令操作。反馈信息，决定下一步的指令操作。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置目前目前CNC装置中常用的有装置中常用的有8位、位、16位、位、32位和位和64位的微处理器，可以根据机床位的微处理器，可以根据机床实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的最新成果选用适当的微处理器。如日本的技术发展的最新成果选用适当的微处理器。如日本的FANUC-1516 CNC系统系统选用选用Motorola公司的公司的32位微处理器位微处理器68020作为其控制作为其控制CPU

11、。2总线总线在单微处理器的在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的

12、读写控制、中断复位及各种确认信号，采传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。用单方向线。3存储器存储器CNC装置的存储器包括只读存储器（装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（）和随机存储器（RAM）两类。）两类。ROM一般采用可擦除的只读存储器（一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），存储器的内容由），存储器的内容由CNC装置的生装置的生产厂家固化写入，即使断电，产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变中信息也不会丢失。若要改变EPROM中中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。

13、RAM中的信息可以随时被中的信息可以随时被CPU读或读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。池。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4输入输入/输出（输出（IO）接口）接口CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时定时读取寄存器状态，经数

14、据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。5位置控制器位置控制器CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对置进行控制。坐标轴控制是数

15、控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的在某些高性能的CNC机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主轴在某一给定角度位置停止转动。轴在某一给定角度位置停止转动。第四章第四章计算机数字控

16、制装置计算机数字控制装置6MDICRT接口接口MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口接口是在是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴极射线管（极射线管（CRT），也可以是平板式液晶显示器（），也可以是平板式液晶显示器（LCD）。）。7可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（开关量（S、M、T）的控制。如主轴正转、反转及

17、停止，刀具交换，工）的控制。如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。主轴驱动以及机床报警处理等。8通信接口通信接口通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字控制器控制器DNC等进行数字通信，一般采用等进行数字通信，一般采用RS232C串口。串口。单微处理器结构由于单微处理器结构由于CPU通过总线与各个控制单元相连，完成信息交通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换，结构比

18、较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，换，结构比较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，CNC的功的功能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器数控装置单微处理器数控装置:以一个以一个CPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为核心，CPU通过总线与通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成

19、数控加工各个任务。作方式，完成数控加工各个任务。 一个微处理器完成所有的功能一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构采用总线结构 结构简单，易于实现结构简单，易于实现 功能受限制功能受限制单微处理器结构组成：单微处理器结构组成：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；口；第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2CNC装置的硬件结构装置的硬件结构存储器存储器只读存储器（只读存储器（ROM）：系统程序）：系统程序随机存储器（随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、）：运算的

20、中间结果、需显示的数据、运行中的状态、运行中的状态、标志信息标志信息CMOSRAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数刀具参数第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构位置控制单元位置控制单元对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）和速度控制）对主轴控制，一般只包括速度控制对主轴控制，一般只包括速度控制C轴位置控制：包括位置和速度控制轴位置控制：包括位置和速度控制刀库位置控制（简易位置控制）

21、刀库位置控制（简易位置控制）第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理器结构多微处理器结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。别实现相应的数控功能。特点：特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。通过系统重组仍可断继续工作。第

22、四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 多微处理器结构多微处理器结构1CNC管理模块管理模块 管理和组织整个管理和组织整个CNC系统的工作，包括系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。软硬件诊断等功能。2CNC插补模块插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。以

23、及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。3位置控制模块位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。压，去驱动进给电机。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4存储器模块存储器模块 主要用于存放程序和数据，也可以是各功主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。能模块间进行数据传送的共享存储

24、器。5操作面板监控和显示模块操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。电路。6PLC模块模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。换、回转工作台的分度、工件数

25、量和运转时间的计数等。根据根据CNC装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。展功能。4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 多微处理器结构多微处理器结构第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置多微处理器结构的特点多微处理器结构的特点为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代代CNC装置多采用多微处理器结构，装置多采用多微处理器结构，其主要特点是：其主要特点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。展性。 多微处理器

26、结构的多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能装置可提供多种选择功能,可可以配置多种控制软件以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力具有很强的通信能力,能很方便地进入能很方便地进入FMS、CIMS。 能够进行多种语言显示。能够进行多种语言显示。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机结构多微处理机结构结构形式：可分：结构形式：可分：分布式、主从式、总线式。分布式、主从式、总线

27、式。分布式：分布式：各各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。主从式：主控主从式：主控CPU、从控、从控CPU，主控，主控CPU才能控制和访问才能控制和访问总线，通过总线对从控总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。控制、监视、协调。总线式（多主式）：主总线连接多个总线式（多主式）：主总线连接多个CPU，可直接访问，可直接访问所有系统资源，解决总线争用问题。所有系统资源，解决总线争用问题。典型结构典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构共享总线型、共享存储器型及混合型结

28、构第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构共享总线结构共享总线结构CRT/MDI操作面板操作面板图形显示图形显示模块模块(CPU)通信模块通信模块(CPU)自动编程模块自动编程模块(CPU)主存储主存储器模块器模块FANUC BUS插补模块插补模块(CPU)PLC模块模块(CPU)I/O单元单元位置控制模块位置控制模块(CPU)伺服驱动单元伺服驱动单元主轴控制模块主轴控制模块(CPU)主轴单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构系统硬件结构第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC

29、第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构结构特征：结构特征：o功能模块分为带有功能模块分为带有CPU的主模块和从模块（的主模块和从模块（RAM/ROMRAM/ROM，I/OI/O模块）；模块）；o以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；的标准系统总线上；o采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。用系统总线的竞争问题。共享总线结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总共享总线

30、结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总线一旦出现故障，会影响整个线一旦出现故障，会影响整个CNC装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、实现容易等优点而被广泛采用。实现容易等优点而被广泛采用。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置I/OCNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构共享存储器结构共享存储器结构从机床来的控制信号从机床来的控制信号(CPU)至机床的控制信号至机床的控制信号CRT(CPU)多多CPU共享存储器框图共享存储器框图公共存公共存储器储器插

31、补插补(CPU)轴控制轴控制（CPU）第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构结构特征：结构特征：o 面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；块之间的互连和通讯；o 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的

32、阻主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。）。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构所谓大板结构所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷电路块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。大大板板式式结结构构第四

33、章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构功能模块式结构功能模块式结构将将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成接，以积木方式构成CNC装置。装置。第四章第四章计算机数字控制装

34、置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构开放式数控系统结构开放式数控系统结构开放的含义开放的含义可移植性：可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。于另一平台，仍然保持原有特性。可扩展性：可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。不同应用模块可在同一平台上运行。可协同性：可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。交换数据。规模可变：规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按应用模块的功能

35、和性能以及硬件的规模可按照需要调整。照需要调整。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构开放式数控系统概念结构开放式数控系统概念结构软件软件配置配置单元单元数控功能数控功能应用程序应用程序应用程序接口应用程序接口实时多任务操作系统实时多任务操作系统NC构件库构件库硬件硬件 数控系统数控系统配置配置 基本硬件基本硬件DOS(WINDOWS)单元单元标准计算机硬件标准计算机硬件第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CCNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系

36、统的硬件结构系统的硬件结构开放式数控系统结构形式开放式数控系统结构形式软数控：软数控：SoftCNC以以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决定实时性的机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决定实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。机。全方位开放。 PC内嵌入运动控制卡：内嵌入运动控制卡：把多轴运动控制卡插入传统的把多轴运动控制卡插入传统的PC中，实中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人作为人机接口平台机接口平

37、台 。易实现，研究单位和高校。易实现，研究单位和高校。 PC内嵌入专用数控模块：专业厂家认为内嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNC系统最主要功能是系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，高速、高精加工和可靠性，PC的死机现象是不允许的。已生产的大的死机现象是不允许的。已生产的大量量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块加一块PC板，提供键盘，使板，提供键盘，使PC与与CNC联系在一起的方案。可界面开联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如系统厂家（如fanu

38、c，siemens等）现在都这样做。等）现在都这样做。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构ARM+DSP嵌入式数控系统结构嵌入式数控系统结构第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构ARM微处理器：接受指令、编译；并行多任务调度和资源微处理器：

39、接受指令、编译；并行多任务调度和资源管理等。配备多种接口。管理等。配备多种接口。DSP数字信号处理器：采用哈佛结构，处理速度快；运算数字信号处理器：采用哈佛结构，处理速度快；运算能力强；方便用户设计和调试能力强；方便用户设计和调试等。在高性能数控系统中有等。在高性能数控系统中有重要的应用价值。重要的应用价值。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件4.3.1CNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能组成：由组成：由CNC管理软件和管理软件和CNC控制软件两部分组成。控制软件两部分组成。管理软件管

40、理软件操作系统操作系统控制软件控制软件零零显显输输故故机机件件程程序序示示处处理理入入输输出出障障诊诊断断.编编译译处处刀刀具具补补插插补补运运位位置置控控床床输输入入主主轴轴控控.管管管管处处理理偿偿算算 制制输输制制理理理理理理出出第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件输入程序输入程序把加工程序、控制参数和补偿数据输入到把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。装置中。译码程序译码程序将将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信

41、息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件序序程程程序程序缓冲缓冲存储存储区区译码译码译码译码缓冲缓冲存储存储区区插补插补准备准备插补插补缓冲缓冲存储存储区区交换交换插补插补工作工作存储存储区区插补插补插补插补输出输出存储存储区区数

42、据处理程序数据处理程序刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC装置的软件组成装置的软件组成CNC装置的软件构成如图装置的软件构成如图4-4所示，包括管理软件和控制软件两大部所示，包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件主要包括输入、分。管理软件主要包括输入、IO处理、通信、诊断和显示等功能。控处理、通信、诊断和显示等功能。控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量控制制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量控制等功能。等功能。第四章第四章计算机数字控制装置计

43、算机数字控制装置CNC系统软件的工作过程系统软件的工作过程1输入输入CNC系统的输入内容包括零件数控加工程序、控制参数和补偿数据。系统的输入内容包括零件数控加工程序、控制参数和补偿数据。一般通过键盘、一般通过键盘、RS232C接口等方式输入，这些输入方式采用中断方接口等方式输入，这些输入方式采用中断方式来实现，且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。其工作式来实现，且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。其工作过程是先输入零件加工程序，然后将程序存放到缓冲器中，再经缓冲过程是先输入零件加工程序，然后将程序存放到缓冲器中，再经缓冲器将程序存储在零件程序存储器单元内。对于控制参数和补偿数据

44、等器将程序存储在零件程序存储器单元内。对于控制参数和补偿数据等可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器内。可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器内。2译码译码译码处理是以一个程序段为单位对零件数控加工程序进行处理。在译码处理是以一个程序段为单位对零件数控加工程序进行处理。在译码过程中，首先对程序段的语法进行检查，若发现错误，立即报警。译码过程中，首先对程序段的语法进行检查，若发现错误，立即报警。若没有错误，则把程序段中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线或若没有错误，则把程序段中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其它辅助信息（代码）和其它辅助

45、信息（M、S、T代码代码等）按照一定的语法规则解释成微处理器能够识别的数据形式，并以等）按照一定的语法规则解释成微处理器能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定存储器的内存单元。一定的数据格式存放在指定存储器的内存单元。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置3数据处理数据处理数据处理通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠数据处理通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向判断、进给速度换算、加减速控制及机床辅螺距补偿、过象限及进给方向判断、进给速度换算、加减速控制及机床辅助功能处理等。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具

46、中心轨迹，助功能处理等。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，一些较好的一些较好的CNC装置中，还能实现装置中，还能实现C刀具补偿，即程序段之间的自动转接刀具补偿，即程序段之间的自动转接和过切判别等。进给速度处理是根据程序中所给的刀具移动速度计算各运和过切判别等。进给速度处理是根据程序中所给的刀具移动速度计算各运动在坐标方向的分速度，对机床允许的最低速度和最高速度的限制也要处动在坐标方向的分速度，对机床允许的最低速度和最高速度的限制也要处理。理。4插补插补插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲线上进行插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲线上进行“数据点的密化数据点的密化”。根据给

47、定的进给速度和曲线形状，计算一个插补周期内各坐标轴进给的长根据给定的进给速度和曲线形状，计算一个插补周期内各坐标轴进给的长度。数控系统的插补运算是一项精度要求较高、实时性很强的运算。插补度。数控系统的插补运算是一项精度要求较高、实时性很强的运算。插补精度直接影响工件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加精度直接影响工件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度。通常插补分为粗插补和精插补，精插补的插补周期一般取伺服系工速度。通常插补分为粗插补和精插补，精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期，而粗插补的插补周期是精插补的插补周期的若干倍。一般统的采样周期，而粗插补的插补周

48、期是精插补的插补周期的若干倍。一般的的CNC装置中，能对直线、圆弧和螺旋线进行插补。一些较专用或高级装置中，能对直线、圆弧和螺旋线进行插补。一些较专用或高级的的CNC装置还能完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。装置还能完成椭圆、抛物线、正弦线的插补工作。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置5位置控制位置控制位置控制是在伺服系统的每个采样周期内，将精插补计算出的理论位位置控制是在伺服系统的每个采样周期内，将精插补计算出的理论位置与实际反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服调节的输入，经伺服置与实际反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机。在位置控制中通常

49、还要完成位置回路的增益调整、驱动器控制伺服电机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。6诊断诊断诊断程序包括在系统运行过程中进行的检查与诊断，和作为服务程序诊断程序包括在系统运行过程中进行的检查与诊断，和作为服务程序在系统运行前或故障发生停机后进行的诊断。诊断程序一方面可以防止在系统运行前或故障发生停机后进行的诊断。诊断程序一方面可以防止故障的发生，另一方面在故障出现后，可以帮助用户迅速查明故障的类故障的发生，另一方面在故障出现后，可以帮助用户迅速查明故障的类型和发生部位。

50、型和发生部位。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置XCNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件刀具半径刀具半径补偿补偿刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：o根据根据G90/G91计算零件轮廓计算零件轮廓的终点坐标值。的终点坐标值。o根据根据R和和G41/42，计算本段，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。刀具中心轨迹的终点坐标值。o根据本段与前段连接关根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。系，进行段间连接处理。YRB（XB，YB）G41G42A（XA，YA）第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置BBCNC第四章第四章计算

51、机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件刀具半径补偿的方法刀具半径补偿的方法oB刀补刀补对加工轮廓的连接都是以圆对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。弧进行的。刀具刀具编程轨迹编程轨迹oC刀补刀补采用直线作为轮廓之间的过采用直线作为轮廓之间的过C”G41刀具刀具渡，因此，它的尖角性好，渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报并且它可自动预报(在内轮廓在内轮廓加工时加工时)过切，以避免产生过切，以避免产生过切。过切。ACA CG42刀具中心轨迹刀具中心轨迹第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系

52、统的软件系统的软件速度处理速度处理加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。的分速度。开环系统：开环系统：通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。值来确定该频率值。半闭环和闭环系统：采用数据采样方法进行插补加工，半闭环和闭环系统：采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据程编的速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周

53、期值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。的轮廓步长。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件插补计算程序插补计算程序在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间点位置坐标的运算过程。点位置坐标的运算过程。中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。件或硬件自动完成。Y3 45687910AYA(5,3)XO12X第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控

54、制装置计算机数字控制装置 4.3 CNC系统的软件系统的软件 位置控制软件位置控制软件每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比较，用差值去控制电机。较，用差值去控制电机。速度控制单元速度控制单元电机电机插补插补位控位控速检速检位检位检第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件输出程序输出程序进行伺服控制进行伺服控制反向间隙补偿反向间隙补偿丝杠螺距误差补偿丝杠螺距误差补偿M、S、T辅助功能输出辅助功能输出管理程序管理程序诊断程序诊断程序第四章第四章

55、计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件4.3.2 CNC系统软件的特点和结构系统软件的特点和结构特点特点:多任务性与并行处理技术多任务性与并行处理技术o多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、位置控制、o并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理或两个以上任务处理。o并行处理的实现方式：并行处理的实现方式：资源分时共享（单资源分时共享（单CPU）资源重叠流水处理（多资源重叠

56、流水处理（多CPU）第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）资源分时共享并行处理（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“资源分时共资源分时共享享”并行处理技术。即：在规定的时间长度并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片（时间片）内，）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使的时间，使它们分时共享系统的资源。它们分时共享系统的资源。 “资源分时共享资源分时共享”

57、的技术关键：的技术关键：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，即时间片的分的时间长度，即时间片的分配问题。配问题。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置并行处理并行处理 定义：定义：计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上相同或不同的工作。常采用资源重复、时间重叠和资源分时共享相同或不同的工作。常采用资源重复、时间重叠和资源分时共享等方法。等方法。 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

58、不同的任务。任务。 时间重叠：时间重叠：根据流水处理技术，使得多个处理过程在时间上相互根据流水处理技术，使得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，也称为资源重叠流水处错开，轮流使用同一套设备的几个部分，也称为资源重叠流水处理。理。 资源共享：资源共享：多个用户按照时间顺序使用同一套设备。多个用户按照时间顺序使用同一套设备。 CNC硬件通常采用资源重复并行处理方法。硬件通常采用资源重复并行处理方法。 CNC软件设计主要采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的软件设计主要采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的并行处理方法。并行处理方法。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数

59、字控制装置CNC初始初始化化第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件显示显示插补插补中断级中断级别高别高诊诊断断I/O V处理处理 S位控位控插补插补准备准备输入输入键盘键盘中断级中断级别低别低资源（资源（CPU）分时共享图）分时共享图第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置CNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置4.3 CNC系统的软件系统的软件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程度，可系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以

60、下两种并行处理技术：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的若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CUP上上同时执行同时执行 并发处理；并发处理； 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任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实现并行处理。务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。第四章第四章计算机数字控制装置计算机数字控制装置空空空空间间t 2tCNC第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置间间输输 输输 输输出出 出出 出出输输出出输输出出CPU3CPU22323231 2 3 1