数控系统(一)

1、第第2 2章章 数控系统数控系统本章内容：本章内容：1.CNC1.CNC的组成的组成、工作过程、工作过程、功能与特点功能与特点2.CNC2.CNC的硬件结构的硬件结构3.CNC3.CNC系统系统的软件结构的软件结构4.CNC4.CNC系统系统的插补原理的插补原理2.12.1 数控系统的总体结构和各部分功能数控系统的总体结构和各部分功能2.1.1 2.1.1 数控系统的总体结构数控系统的总体结构 数控系统的工作过程数控系统的工作过程： 数控机床加工零件，首先必须将被加工零件的几何数据和工艺数据按规定的代码和程序格式编写加工程序，然后将所编写程序指令输入到机床的数控系统中，数控系统再将程序（代码）

2、进行译码、数据处理、插补运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信息和指令，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。这些信息和指令包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量、各状态的控制信号。 数控系统的结构（FANUC-6MB）CNCCNC系统的组成及特点系统的组成及特点CNC是在NC的基础上发展起来的，其部分或全部控制功能通过软件来实现。只要更改控制程序，无需更改硬件电路，就可改变控制功能。因此，CNC系统在通用性、灵活性、使用范围等诸方面具有更大的优越性。CNCCNC系统的组成系统的组成CNC数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制系统、可编程逻辑控

3、制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，习惯上称为CNC系统。 CNC系统由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，二者缺一不可。 CNCCNC系统的组成系统的组成（1 1）CNCCNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统设设备备层层设设备备支支持持层层接 口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机 床机器人测量机 .CNC系统硬件的层次结构CNCCNC系统的组成系统的组成（2） CNC系统软件的功能结构CNC系统软件是具有实时性和多任务性的

4、专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。其结构框图如图所示。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.3-2 CNC 软件系统功能框图CNCCNC系统的组成系统的组成（3 3）CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系CNC系统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，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图所示。CNCCNC系统的组成系统的

5、组成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 .CNCCNC系统的工作原理系统的工作原理 CNC系统在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码、刀具补偿、速度规划、插补、位置控制、IO口处理、显示和诊断等方面进行控制。（1）输入数据处理程序 输入数据处理程序接收输入的零件加工程序，将其用标准代码表示的加工指令和数据进行编译、整理，按所规定的格式存放。有些系统还要进一步进行刀具半径偏移的计算，或为插补运算和速度控制等进行一些预处理。CN

6、CCNC系统的工作原理系统的工作原理输入数据处理程序一般包括下面三项内容： 输入 译码 数据处理CNCCNC系统的工作原理系统的工作原理（2）插补运算及位置控制程序 插补运算程序完成CNC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配的功能。 脉冲分配包括点位、直线以及曲线三个方面。 插补运算的结果输出，经过位置控制部分(这部分工作既可由软件完成，也可由硬件完成)控制伺服系统运动，控制刀具按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期内，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电动机。CNCCNC系统的工作原理系统的工作原理（3）速度控制程序 编程所给的刀具移动速度是在各

7、坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度，即根据给定的速度代码(或其他相应的速度指令)，控制插补运算的频率，以保证按预定速度进给。 速度控制可以用两种方法实现：一种是用软件方法，如程序计数法实现；另一种用定时计数电路由外部时钟计数，运用中断方法来实现。CNCCNC系统的工作原理系统的工作原理（4）系统管理程序 为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由系统管理程序进行调度，因此，它是实现CNC系统协调工作的主体软件。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。水平较高的管理程序可

8、使多道程序并行工作。有的管理程序还安排进行自动编程工作，或对系统进行必要的预防性诊断。CNCCNC系统的工作原理系统的工作原理（5）诊断程序 诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示出故障的类型。也可以在运行前或发生故障后，检查各种部件(接口、开关、伺服系统)的功能是否正常，并指出发生故障的部位。还可以在维修中查找有关部件的工作状态，判别其是否正常，对于不正常的部件给予显示，便于维修人员能及时处珲。CNCCNC系统的特点系统的特点（1）具有灵活性和通用性CNC系统的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC系统其基本配置部分是通用的，不同的数

9、控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。（2）数控功能丰富插补功能：插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补补偿功能：补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误 差补偿等人机对话功能：人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。（3）可靠性高CNC系统采用集成度高的电子元件、芯片是可靠性的保证。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。（4）使用维护方便操作使用方便：操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确

10、操作。编程方便：编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。 （5）易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小(采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小)，使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。1 基本功能（数控系统都应具备） 控制功能，准备功能，插补功能，进给功能，主轴功能， 辅助功能，刀具管理功能，显示功能2 扩展功能 补偿功能，自诊断功能、固定循环功能，通信功能，人机对话编程功能，图形显示功能等

11、数控系统的功能 硬件 软件 几种典型的软硬件界面的划分程序输入数据处理插补位控速控伺服电机测量计算机数控系统由硬件和软件组成，数控系统软件和硬件的功能界面： 哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控系统中所承担的任务。 四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控系统产品。数控系统发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。 2. 2

12、 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 1、单处理器结构 单微处理器数控系统由于其结构简单，价格低，在经济型数控系统中应用广泛。在单微处理器结构中，整个系统由一个微处理器来完成数据存储和处理、插补运算、输入输出控制、显示等功能,并对其进行控制和处理。采用集中控制、分时处理的控制方式。单个微处理器通过总线与存储器、输入输出接口及其它接口相连，构成整个CNC系统。某些CNC系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占用总线资源，而其他微处理器只作为专用控制部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构，故也归于单微处理器结构中。2. 2 数控系统的硬件数控系

13、统的硬件CPUEPROMRAMIN接口接口OUT接口接口纸带纸带阅读机阅读机MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总总线线1、单微处理机数控系统 用80C31单片机组成的简易数控系统的硬件系统图CPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROM接口RAM接口PLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能单微处理机数控系统的结构 单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制 微处理器 微处理器CPU是CNC系统的核心，主要由运算器和控制器两部分组成。 运算器含算术逻辑运算、寄存器和堆栈等部件，对数

14、据进行算术和逻辑运算。 控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码，向CNC系统各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接收执行部件发回来的反馈信息，控制器根据程序中的指令信息及这些反馈信息，决定下一步命令操作。单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制 总线 总线是由赋予一定信号意义的物理导线构成，按信号的物理意义，可分为数据总线、地址总线、控制总线三组。数据总线为各部件之间传送数据，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，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源地或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是管理总线的某些控制

15、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。单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制存储器 存储器用于存放数据、参数和程序等。系统控制程序存放在可擦写只读存储器(EPROM)中，即使系统断电控制程序也不会丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入，必要时可用紫外线擦除EPROM，再重写监控程序。常用的EPROM有2732、2764、27128、27256、27512、27010等。 运算的中间结果存放在随机存储器(RAM)中，常用的RAM有6264、62256等。存放在RAM中的数据能随机地进行读写，但如不采取适当的措施，断电后存放信息会丢失。单处理器计算机数字控制单处

16、理器计算机数字控制 IO(输入输出)接口 CNC系统和机床之间的信号一般不直接连接，而通过输入(Input)和输出(Output)接口(IO)电路连接。接口电路的主要任务如下： 1）进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。 2）进行电平转换和功率放大。 单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制 MDICRT接口 MDI手动数据输入是通过数控面板上的键盘操作。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，并进行相关的监控处理。 CRT(阴极射线管)接口在CNC软件控制下，在单色或彩色CRT(或LCD)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、

17、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。 单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制位置控制模块 速度控制、位置反馈等单元组成位置环控制模块。机床数控系统对位置环的控制要求是无超调、无滞后、特性硬、抗干扰能力强；对速度环的要求是大惯性、大调速比(一般大于1：2000)、特性硬。下图是位置环与速度环示意图。 单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制 可编程控制器 可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，替代传统机床强电继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。 CNC系统和PLC的数据交换和处理过程如

18、下：1）CNC系统将要PLC处理的数据写到DPRAM中；2）PLC从DPRAM中读取数据，并进行相关逻辑检测、逻辑 运算和处理；3）一方面PLC用处理的结果通过输出接口控制机床电气，另一方面将处理的状态通过DPRAM反馈给CNC系统；4）CNC系统根据反馈结果，进行相关处理和显示。单处理器计算机数字控制单处理器计算机数字控制 通信接口 当CNC系统用作设备层和工作层控制器组成分布式数控系统DNC或柔性制造系统FMS时，还要与上级计算机或直接数字控制器DNC进行数字通信。 2、多微处理器结构 多微处理器数控系统可以满足现代数控机床高速度、高精度、多功能的要求。在多微处理器结构中有两个或两个以上微

19、处理器。多微处理器CNC系统采用模块化技术，由多个功能模块组成。有管理模块、插补模块、位置控制模块、存储器模块、操作面板管理和显示模块以及PLC模块等。多微处理器CNC系统在结构上可分为共享存储器结构和共享总线结构 （1）多微处理器CNC系统的基本功能模块 多微处理器结构的CNC系统，一般由六种功能模块组成，通过增加相应的功能模块，可实现一些特殊功能。CNC管理模块 该模块组织和管理整个CNC系统各功能协调工作。CNC插补模块该模块 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个坐标提供位置给定值。 位置控制模块 插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相

20、应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。PLC模块 零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。 操作面板监控和显示模块 零件程序、参数、各种操作命令和数据的输入(如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等)、输出(如通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机)、显示(如通过LED、CRT、LCD等)所需要的各种接口电路。 存储器模块该模块 指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。(2)多微处

21、理器CNC系统的典型结构 多微处理器结构的CNC系统多为模块化结构，通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实现模块间的互联与通信。 共享总线结构 以系统总线为中心的多微处理器CNC系统，把组成CNC系统的各个功能部件划分为带有CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块(如各种RAM、ROM模块、IO模块)两大类。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照标准协议交换各种数据和控制信息，构成完整的系统，实现各种预定的功能。共享总线结构的特点：1、在系统中只有主模块有权控制和使用系统总线。2、同一时刻只能由一个主模块占有总线，通过仲裁电路裁决各主模块同时请求系统总线的竞争，

22、按负担任务的重要程度预先安排好各主模块的优先级别或高低顺序。3、这种结构模块之间的通信主要依靠存储器来实现，大部分系统采用公共存储器方式。 多微处理器结构的计算机多微处理器结构的计算机数字控制系统数字控制系统 共享存总线结构CNC硬件结构 FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构共享存储器结构 结构特征：结构特征： 面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯， 采用多端

23、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。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阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。 共享存储器结构CNC硬件结构 基于网络的数控系统结构图2.2.3 基于网络的数控系统和开放式数控系统 基于网络的数控系统 数控系统各功能模块间的通讯是按照SERCOS（Serial Communication System）协议进行的。图4-7表示了SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循环的时间可设定为62s、125s、250s或其整

24、数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步通讯为前提。图中的Master表示运动控制器，Slave i表示连接在控制环路中的第i个伺服驱动器，MST表示同步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为控制器发送到网络上的数据。开放式结构开放式结构 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。 系统构件（软件和硬件）具有标准化系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化与多样化( Diversification)和互换性和互换性(In

25、terchangeability)的特征的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统统“积木式积木式”的集成。构造应该是可移植的和的集成。构造应该是可移植的和透明的；透明的； 数控系统的软件结构数控系统管 理控 制输入I/O处理显示诊断通讯速度处理刀具补偿译码插补位置控制2.3 2.3 数控系统的软件数控系统的软件2.3.1 数控系统的软件的基本任务CNC的功能输入输入、译码、译码刀具刀具补偿、进给补偿、进给速度处理速度处理插插补、补、位置控制位置控制I/OI/O接口接口显示显示、诊断、诊断1. 输入 将编写好的数控加工程序输入给CNC系统。方式有：纸

26、带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的DNC(Direct Numerical Control)接口输入。 CNC系统在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作，输入的全部信息都放到CNC系统的内部存储器中。 CNC软件的基本任务 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，把输入的零件加工程序翻译成数控系把输入的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式统要求的数据格式。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。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

27、（或圆弧等）、加工速度信息（F F代码）和其它辅助信息代码）和其它辅助信息（M M、S S、T T代码等）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，并以一定的数据格式存放在指定的内存单元，准备为后续程序使用。 译码后的数据有两种存放格式。 1 不按字符格式的存放方法 2 保留字符格式的存放方法2. 2. 译码高4位 低4位 说 明 1 3 G 03 2 3 M 03 100 X值 50 Y值 0 Z值 0 I值 50 J值 0 K值 100 F值 不按字符格式的译码数据存放格式M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.； 刀具长度补偿和半径补偿 刀具半径

28、补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编程，减轻了工作量。刀具半径补偿处理程序主要进行以下几项工作： 1 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。3. 3. 数据预处理合成速度、坐标方向的分速度 速度预处理程序主要完成以下几步计算： 1计算本程序段总位移量 2计算每个插补周期内的合成进给量 L=Ft/60（m） 式中，F 进给速度值（mm/min）； t 数控系统的插补周期（ms）。4. 4. 插补和位置控制插补和位置控制 插补的任务是通过插补计算程序在已知有限

29、信息的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。 1 根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量； 2 计算新的坐标位置； 3 将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。 插补程序要实时性 插补 图 位置控制原理 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。位置控制是强实时性任务强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等

30、于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。 指令位置 +插补输出 +x2，y2- -位控输出x3，y3 + X2新，Y2新实 际 位 置 增量x1，y1 实际位置X1新，Y1新 X2旧，Y2旧 X1旧，Y1旧 + + -位置控制1 计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + x2 Y2新 = Y2旧 + y22 计算实际坐标位置 X1新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y13 计算位置控制输出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。 CNC系统是一个独立的控制单元，在数控加工中，CNC系统要完成管理和控制两大任务。管理软件要完成的任务包括输入输出处理、显示、通信、和诊断等。控制软件要完成的任务包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制、辅助功能控制等。 这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如： （1） 显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态； （2） 在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补