数控技术第5章 计算机数控装置

1、返回主页返回主页退出退出第五章第五章 计算机数控装置计算机数控装置返回主页返回主页退出退出CNCComputerized Numerical Control定义：借助计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求定义：借助计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或者全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置的一的部分或者全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置的一种专用计算机系统。种专用计算机系统。也可解释为：也可解释为：一种控制系统，它能自动完成信息的输入、一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。运算，从而控制机床的运动和加工过程。主要任务：存储

2、程序、完成插补、将计算结果输出伺服系统，主要任务：存储程序、完成插补、将计算结果输出伺服系统，控制电机驱动机床执行机构。控制电机驱动机床执行机构。系统的组成与特点系统的组成与特点返回主页返回主页退出退出输入输入/输出输出装置装置数控数控装置装置驱动控制驱动控制装置装置机床电器机床电器逻辑控制逻辑控制装置装置机机床床本本体体数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出识别和解释数控程序，完成识别和解释数控程序，完成数据计算和逻辑判断处理数据计算和逻辑判断处理主轴和进给轴驱动控制主轴和进给轴驱动控制接受数控装置的开关命令，完成主轴

3、选速、起停和方向控制接受数控装置的开关命令，完成主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以功能，换刀功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能及其他机床辅助功能返回主页返回主页退出退出返回主页返回主页退出退出l灵活性大：可改变和扩展其功能。灵活性大：可改变和扩展其功能。l通用性强：硬件采用模块化设计，易于扩展，通用性强：硬件采用模块化设计，易于扩展，改变软件可适应不同需求。改变软件可适应不同需求。l可靠性高：采用大规模和超大规模集成电路；可靠性高：采用大规模和超大规模集成电路；程序被检查后才被调用，保证加工过程中的程序被检查后才被调用，保证加

4、工过程中的故障停机。故障停机。l功能强大：多功能、可以完成复杂零件的一功能强大：多功能、可以完成复杂零件的一次成形。次成形。l使用维修方便：内置自诊断程序，软件检查使用维修方便：内置自诊断程序，软件检查程序。程序。CNC系统的特点系统的特点返回主页返回主页退出退出l 数控系统的硬件由数控装置、输入输出装置、机床电器逻数控系统的硬件由数控装置、输入输出装置、机床电器逻辑控制装置和驱动装置等组成。辑控制装置和驱动装置等组成。l 数控装置：数控系统的核心数控装置：数控系统的核心l 输入输出装置：用于控制数据的输入输出，监控数控系统输入输出装置：用于控制数据的输入输出，监控数控系统的运行，进行机床操作

5、面板及机床机电控制的运行，进行机床操作面板及机床机电控制/监测机构的监测机构的逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关应答逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关应答信号。信号。l 机床电器逻辑控制装置：接受数控装置发出的数控辅助功机床电器逻辑控制装置：接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，实现数控机床的顺序控制。目前大多采用能控制命令，实现数控机床的顺序控制。目前大多采用PLC控制。控制。l 驱动装置：以轴为单位的独立体，用以控制各轴的运动。驱动装置：以轴为单位的独立体，用以控制各轴的运动。5.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构返回主页返回主页退出退出l 总线式模块化结构的

6、总线式模块化结构的CNC。采用。采用32位位RISC（精简指令（精简指令集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等。多用于多轴集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等。多用于多轴控制的高挡数控机床。控制的高挡数控机床。l 以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC。多用。多用于中档数控机床。于中档数控机床。l 基于通用计算机（基于通用计算机（PC或或IPC）基础上开发的）基础上开发的CNC。可。可充分利用通用计算机丰富的软件资源，可随计算机硬件充分利用通用计算机丰富的软件资源，可随计算机硬件进行升级。进行升级。l 前两种前两种CNC系统硬件需专门设计，通用性较差，第三

7、系统硬件需专门设计，通用性较差，第三种硬件无需专门设计，改变软件即可构成不同种硬件无需专门设计，改变软件即可构成不同CNC系系统，通用性好。统，通用性好。5.2.1 常规常规CNC的硬件结构的硬件结构返回主页返回主页退出退出l只有一个微处理只有一个微处理器，集中控制、器，集中控制、分时处理数控装分时处理数控装置的各个任务。置的各个任务。1. 单微处理器结构单微处理器结构5.2.2 单微处理器结构和多单微处理器结构和多微处理器结构微处理器结构返回主页返回主页退出退出l多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线、或主存储器进行工的微

8、处理器能控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。目前大多数作的系统结构。目前大多数CNC系统均采用多系统均采用多微处理器结构。微处理器结构。l紧耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的紧耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源。的操作系统，共享资源。l松耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的松耦合结构：两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合（具有相对独立性或相功能模块之间采用松耦合（具有相对独立性或相关性弱），有多重操作系统有效地实现并行处理。关性弱），有多重操作系统有效

9、地实现并行处理。2. 多微处理器结构多微处理器结构返回主页返回主页退出退出1）多微处理器）多微处理器CNC的典型结构的典型结构（1）共享总线结构：通过总线连接系统内的各个模块。）共享总线结构：通过总线连接系统内的各个模块。主模块控制系统总线，某一时刻只能有一个主模块占用主模块控制系统总线，某一时刻只能有一个主模块占用总线，各模块通过仲裁电路判别各模块的优先级，进而总线，各模块通过仲裁电路判别各模块的优先级，进而共享总线资源。共享总线资源。返回主页返回主页退出退出l采用多端口存储器来采用多端口存储器来实现各微处理器之间实现各微处理器之间的相互连接和通信，的相互连接和通信，每个端口都配有一套每个端

10、口都配有一套数据、地址、控制线，数据、地址、控制线，以供端口访问。以供端口访问。（2）共享存储结构）共享存储结构返回主页返回主页退出退出lCNC管理模块管理模块lCNC插补模块插补模块l位置控制模块位置控制模块lPLC（PMC）模块）模块l命令与数据输入输出和显示模块命令与数据输入输出和显示模块l存储器模块存储器模块2）多微处理器）多微处理器CNC的基本功能模块的基本功能模块返回主页返回主页退出退出l 定义：开放式定义：开放式CNC系统必须具备不同应用程序能协调地运行于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，同时提供统系统平台上的能力，提供面向功能地

11、动态重构工具，同时提供统一标准化地应用程序用户界面。并具有以下特征。一标准化地应用程序用户界面。并具有以下特征。l 可互操作性：不同应用程序模块通过标准化地应用程序接口运行可互操作性：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互操作能力。于系统平台，不同模块之间保持平等地相互操作能力。l 可移植性：不同应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同系可移植性：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。统平台上。l 可缩放性：增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块单元的装载可缩放性：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。与卸载。l 可相

12、互替代性：不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可可相互替代性：不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可以相互替代。以相互替代。1. 开放式开放式CNC的定义的定义5.2.3 开放式开放式CNC的硬件结构的硬件结构返回主页返回主页退出退出2. 基于基于PC（或（或IPC）开放）开放式式CNC的硬件配置形式的硬件配置形式结构：结构：CNC与与PC通过串行线连接。通过串行线连接。特点：容易实现，特点：容易实现，已有已有CNC几乎几乎不需改动即可应不需改动即可应用。用。1）基于）基于PC的有限开放的有限开放CNC（1）PC连接型连接型CNC返回主页返回主页退出退出l结构：结构：CNC内部加装内部

13、加装PC，PC与与CNC之间通过之间通过总线连接。总线连接。l特点：保持了特点：保持了CNC原有的性能、可靠性和功能，原有的性能、可靠性和功能，并且数据传送快，系统响应快。并且数据传送快，系统响应快。（2） PC内藏型内藏型CNC返回主页返回主页退出退出l结构：通用结构：通用PC机的扩展槽中加入专用机的扩展槽中加入专用CNC卡。卡。l特点：特点：CNC卡完成包括加工轨迹生成等几卡完成包括加工轨迹生成等几乎所有乎所有CNC处理功能。充分保证系统性能，处理功能。充分保证系统性能，软件通用性强，编程处理灵活。软件通用性强，编程处理灵活。2）基于）基于PC的可开放的可开放CNC返回主页返回主页退出退出

14、l包括应用软件和系统软件。包括应用软件和系统软件。l应用软件：包括零件数控加工程序或其他辅助应用软件：包括零件数控加工程序或其他辅助软件。软件。l系统软件：为实现系统软件：为实现CNC系统各项功能所编制的系统各项功能所编制的专用软件。也称为控制软件。专用软件。也称为控制软件。l系统软件通常包括输入数据处理程序、插补运系统软件通常包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。5.3.1 CNC系统软件的组成系统软件的组成软件软件返回主页返回主页退出退出l 功能：接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加功能：接收输入的零件加工程序

15、，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按照规定格式存工指令和数据进行译码、数据处理，并按照规定格式存放。主要包括输入程序、译码程序和数据处理程序等组放。主要包括输入程序、译码程序和数据处理程序等组成，有些成，有些CNC系统还具有补偿计算、为插补运算和速系统还具有补偿计算、为插补运算和速度控制等进行的预计算。度控制等进行的预计算。（1）输入程序）输入程序l 将加工程序读入存放在程序存储器中，或将加工程序从程序存储将加工程序读入存放在程序存储器中，或将加工程序从程序存储器中读出，送入缓冲区，以便译码用。器中读出，送入缓冲区，以便译码用。（2）译码程序）译码程序l 数控加工程序按零件

16、加工顺序记载着机床加工所需的各种信息，数控加工程序按零件加工顺序记载着机床加工所需的各种信息，其中包括零件加工的轨迹信息（如几何形状和几何尺寸等）其中包括零件加工的轨迹信息（如几何形状和几何尺寸等）(几几何数据何数据）、工艺信息（如进给速度和主轴转速等）（）、工艺信息（如进给速度和主轴转速等）（工艺数据工艺数据）和开关命令（如换刀、冷却液开和开关命令（如换刀、冷却液开/关等）（关等）（开关功能开关功能）。）。1. 输入数据处理程序输入数据处理程序返回主页返回主页退出退出l 译码定义：将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成译码定义：将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成为为数控数控装置中计算机能

17、识别的数据形式，并按约定的格装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。式存放在指定的译码结果缓冲器中。l 译码功能：代码的识别和功能代码的解释。译码功能：代码的识别和功能代码的解释。 （3）数据处理程序）数据处理程序l 包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理等。包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理等。l 刀具半径补偿：将工件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。刀具半径补偿：将工件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。l 速度计算：解决该加工数据段以什么样的速度运动。速度计算：解决该加工数据段以什么样的速度运动。返回主页返回主页退出退出2. 插补计算程序插补计算程序CNC

18、系统是一种实时控制系统，一边插补运算，系统是一种实时控制系统，一边插补运算，一边进行加工。插补运算的速度直接影响着机床一边进行加工。插补运算的速度直接影响着机床的进给速度。的进给速度。3. 速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，确保预根据给定的速度值控制插补运算的频率，确保预定的进给速度。定的进给速度。4. 管理程序管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等服务程序进负责对数据输入、处理、插补运算等服务程序进行调度管理。行调度管理。5. 诊断程序诊断程序在程序中发现故障，并指出故障问题。在程序中发现故障，并指出故障问题。返回主页返回主页退出退出1. CNC中软、硬件界面与数

19、据转换中软、硬件界面与数据转换l CNC系统中，软件设计灵活，适应性强，但处理速度系统中，软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，但成本高，适应性差。慢；硬件处理速度快，但成本高，适应性差。CNC中中硬、软件的分配比例由性能价格决定。硬、软件的分配比例由性能价格决定。l CNC中硬、软件界面随着硬、软件的水平和成本以及中硬、软件界面随着硬、软件的水平和成本以及CNC所具有的性能不同而不同。所具有的性能不同而不同。l CNC软件势必发展成为以操作系统为基础的多层次的软件势必发展成为以操作系统为基础的多层次的软件结构。软件结构。l 面向对象的程序设计方法，面向对象的程序设计方法，CN

20、C软件更稳定，并且具软件更稳定，并且具有可重用性。有可重用性。5.3.2 CNC的软件结构的软件结构返回主页返回主页退出退出2. CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理系统的多任务并行处理与实时中断处理l CNC系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控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。制两大任务。l 系统管理包括输入、系统管理包括输入、I/O处理、显示、诊断；系统控制处理、显示、诊断；系统控制包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制。包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制。l CNC系统的并行性表现在其多任务必须协调工作。系统的并行性表现在其多任务必须协调工作

21、。返回主页返回主页退出退出（1）并行处理）并行处理l 定义：计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或定义：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相同或不同的工作。常采用资源重复、时间重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等方法。叠和资源分时共享等方法。l 资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。或不同的任务。l 时间重叠：根据流水处理技术，使得多个处理过程在时时间重叠：根据流水处理技术，使得多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分，也称间上相互错开，轮流使用同一套设

22、备的几个部分，也称为资源重叠流水处理。为资源重叠流水处理。l 资源共享：多个用户按照时间顺序使用同一套设备。资源共享：多个用户按照时间顺序使用同一套设备。l 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。l CNC软件设计主要采用资源重叠的流水线处理和资源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。分时共享的并行处理方法。返回主页返回主页退出退出时间重叠流水处理时间重叠流水处理CPU分时共享并行处理分时共享并行处理返回主页返回主页退出退出l CNC中断管理主要由硬件完成，系统的中断结构决定中断管理主要由硬件完成，系统的中断结构决定了系统软件的结

23、构。了系统软件的结构。CNC系统的中断类型有以下几种。系统的中断类型有以下几种。l 外部中断：主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断外部中断：主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断和键盘及操作面板中断。和键盘及操作面板中断。l 内部定时中断：主要有插补周期定时中断和位置采样定内部定时中断：主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。时中断。l 硬件故障中断：各种硬件故障检阅装置发出的中断。硬件故障中断：各种硬件故障检阅装置发出的中断。l 程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断。程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断。（2）实时中断处理）实时中断处理返回主页返回主页退出退出CNC软

24、件结构由系统采用的中断结构决定。1）中断型结构模式）中断型结构模式l 除初始化程序外，将除初始化程序外，将CNC的各功能模块分别安排在不同级别的的各功能模块分别安排在不同级别的中断程序中，无前后台之分。通过中断程序的优先级由中断程序中，无前后台之分。通过中断程序的优先级由CPU响应响应中断。中断。2）前、后台型结构模式）前、后台型结构模式l 将整个将整个CNC软件分为前台程序和后台程序。软件分为前台程序和后台程序。l 前台程序为实时中断程序，承担几乎全部实时任务，实现插补、前台程序为实时中断程序，承担几乎全部实时任务，实现插补、位置控制和数控机床开关逻辑控制等实时功能。位置控制和数控机床开关逻

25、辑控制等实时功能。l 后台程序，也称为背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加后台程序，也称为背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入、预处理和管理等任务。工程序的输入、预处理和管理等任务。在后台程序的循化运行过程中，前台实时中断程序不断的定时插在后台程序的循化运行过程中，前台实时中断程序不断的定时插入，两者密切配合，共同完成零件的加工任务。入，两者密切配合，共同完成零件的加工任务。3. 常规常规CNC的软件结构的软件结构返回主页返回主页退出退出l 开放式开放式CNC系统软件应采用平台技术、同一的标准规系统软件应采用平台技术、同一的标准规范和面向功能元（对象）拓扑结构的应用软件，以

26、保证范和面向功能元（对象）拓扑结构的应用软件，以保证系统具有开放的基本特征。系统具有开放的基本特征。1）开放式）开放式CNC总体结构总体结构l 分为两部分：统一的系统平台和由各功能结构单元对象分为两部分：统一的系统平台和由各功能结构单元对象组成的应用软件模块（或系统参考结构）。组成的应用软件模块（或系统参考结构）。4. 开放式开放式CNC的软件结构的软件结构返回主页返回主页退出退出2）系统平台）系统平台l 系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统平台由系统硬件和系统软件组成。l 系统硬件由机床的功能需求决定。系统硬件由机床的功能需求决定。l 系统软件分为系统核心（如操作系统、通信系统、实时系统软

27、件分为系统核心（如操作系统、通信系统、实时配置系统等）、可选的系统软件（如数据库系统等）和配置系统等）、可选的系统软件（如数据库系统等）和标准的应用程序界面。标准的应用程序界面。l 操作系统、通信系统、实时配置系统构成了整个控制系操作系统、通信系统、实时配置系统构成了整个控制系统运行的基础。统运行的基础。（1）操作系统）操作系统（2）通信系统）通信系统（3）配置系统）配置系统返回主页返回主页退出退出l系统参考结构是用来精系统参考结构是用来精确描述功能元对象和功确描述功能元对象和功能模块之间的关系，以能模块之间的关系，以及各模块之间的关系；及各模块之间的关系；精确定义各模块和各功精确定义各模块和

28、各功能元对象的行为和属性，能元对象的行为和属性，以及模块和功能元对象以及模块和功能元对象与系统平台之间的界面，与系统平台之间的界面，以保证不同供应商提供以保证不同供应商提供的功能模块在不同平台的功能模块在不同平台之上的协调工作。之上的协调工作。5. 系统参考结构系统参考结构返回主页返回主页退出退出1. 零件程序的输入零件程序的输入手动输入和自动输入两种。手动输入和自动输入两种。2. 译码译码l 具体地说，译码是将零件程序中的零件轮廓信息（如起具体地说，译码是将零件程序中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、进给速度信息（点、终点、直线或圆弧等）、进给速度信息（F代码）代码）和其他辅助信

29、息（和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规代码等）按照一定的语法规则解释为计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据则解释为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域。格式存放在指定的内存专用区域。5.4 CNC系统的控制原系统的控制原理与功能理与功能5.4.1 CNC系统的控制原理系统的控制原理返回主页返回主页退出退出3. 刀具补偿刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。1）刀具长度补偿）刀具长度补偿l 在数控立式铣镗床上，当刀具磨损或更换刀具使得在数控立式铣镗床上，当刀具磨损或更换刀具使得Z向刀尖不在原初始加工的程编位置时

30、，必须在向刀尖不在原初始加工的程编位置时，必须在Z向进向进给中，通过伸长或缩短给中，通过伸长或缩短1个偏置值个偏置值e的方法来补偿其尺的方法来补偿其尺寸变化，以保证加工的深度仍然达到原设计的要求。寸变化，以保证加工的深度仍然达到原设计的要求。2）刀具半径补偿）刀具半径补偿l 数控装置使得刀具中心偏移零件轮廓一个指定的刀具数控装置使得刀具中心偏移零件轮廓一个指定的刀具半径值。半径值。返回主页返回主页退出退出4. 插补插补l 在一条已知起点和终点的曲线上自动进行数据点的密化在一条已知起点和终点的曲线上自动进行数据点的密化工作。工作。5. 位置控制位置控制l 在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值控制进给电