数控系统基本组成

1、本节提要：本节提要： l本节主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、本节主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、分类及特点功能。分类及特点功能。数控系统的基本组成数控系统的基本组成 数控系统的组成数控系统的组成 数控系统是数控机床的数控系统是数控机床的核心核心部分，是整个数控机床的部分，是整个数控机床的运算中心和控制中心运算中心和控制中心，其性能的好坏直接决定了数控机床，其性能的好坏直接决定了数控机床的整体性能的整体性能, ,数控系统由硬件部分和软件部分组成。数控系统由硬件部分和软件部分组成。1.1.数控系统的硬件组成：数控系统的硬件组成： 数控系统的硬件：数控系统的硬件：1. 微机基本系统、

2、微机基本系统、2. 人机对话界面接口、人机对话界面接口、3. 通信接口、通信接口、4. 进给轴控制接口、进给轴控制接口、5. 主轴控制接口主轴控制接口6. 辅助控制接口等辅助控制接口等 。计算机数控系统组成框图微机基本系统微机基本系统 通常微机基本系统：通常微机基本系统：CPUCPU、（数据运算、（数据运算存储器、存储器、I/OI/O接口、接口、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。定时器、中断控制器等几个主要部分组成。存储器存储器 图 2-6 半导体存储器的分类I/O接口（输入接口（输入/输出接口）输出接口）人机界面接口人机界面接口 数控系统的人机界面包括以下四部分：数控系统的人机界面包括以

3、下四部分：l键盘键盘(MDl)(MDl)：用于加工程序的编制以及参数的输入等。：用于加工程序的编制以及参数的输入等。l显示器显示器(CRT)(CRT)：用于显示程序、数据以及加工信息等。：用于显示程序、数据以及加工信息等。l操作面板：用于对机床进行操作。操作面板：用于对机床进行操作。l手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器(MPG)(MPG)：通过手摇控制机床运动。：通过手摇控制机床运动。 华中数控系统操作面板华中数控系统操作面板广州数控系统操作面板广州数控系统操作面板手摇脉冲发生手摇脉冲发生器器通信接口通信接口 通常数控系统均具有标准的通常数控系统均具有标准的RS232CRS232C串行通信串行通信接

4、口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。接口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。进给轴控制接口进给轴控制接口 实现进给轴的位置控制包括三方面的内实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：容：进给速度控制进给速度控制、插补运算插补运算和和位置闭环位置闭环控制控制。插补方法分为基准脉冲法与数据采。插补方法分为基准脉冲法与数据采样法。基准脉冲法就是数控系统系统每次样法。基准脉冲法就是数控系统系统每次插补的结果以脉冲的形式提供给位置控制插补的结果以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法进给速度与控制精度单元，这种插补方法进给速度与控制精度较低，主要应用于开环数控系统。较低，主要应用于开环数控系统。主

5、轴控制接口主轴控制接口 主轴主轴S S功能可分为无级变速、有级变速和分段功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需用无级变速，否则需用MSTMST接口实现有级变速。为接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。主轴准停功能以及主轴转速监控等。

6、MSTMST控制接口控制接口 数控系统的数控系统的MSTMST功能是通过开关量输入输出接功能是通过开关量输入输出接口完成口完成( (除除S S模拟量输出外模拟量输出外) )。数控系统所要执行的。数控系统所要执行的MSTMST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电侧的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。因电侧的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。因为为MSTMST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中大量采用中大量采用PLCPLC可编程控制器来实现可编程控制器来实现MSTMST功能。功能。 现

7、代数控系统中采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外PLC能够控制的开关量数量要比RLC多，能实现复杂的控制逻辑。由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。 6数控装置中的PLC 数控装置中的PLC有两种类型：内装型P

8、LC和独立型PLC。内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。 上：内置型PLC右：独立型PLC2.2.数控系统的软件组成数控系统的软件组成 数控系统系统软件是为实现数控系统系统各数控系统系统软件是为实现数控系统系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件。项功能所编制的专用软件，也叫控制软件。 1.1. 输入数据处理程序输入数据处理程序、2.2.插补运算程序插补运算程序、3.3.速度控制程序速度控制程序、4.4.管理程序管理程序5.5.诊断程序诊断程序。输入数据处理程序输

9、入数据处理程序 它接收它接收输入输入的零件加工程序，将标准代码表示的的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行加工指令和数据进行译码译码、数据处理数据处理，并按规定的格，并按规定的格式存放式存放。 插补运算程序插补运算程序 数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲，这个过程称结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲，这个过程称为为插补运算插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完

10、成程序规定的加工任务。刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。 速度控制程序速度控制程序 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动要进行自动加减速控制加减速控制，以避免因速度突变而造成驱，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。动系统失步。管理程序管理程序 管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟

11、信号、故障信号等引起的中序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。断进行处理。 诊断程序诊断程序 诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件生后，检查系统各主要部件（CPUCPU、存储器、接口、存储器、接口、开关、伺服系统等）开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故的功能是否正常，并指出发生故障的部位。障的部位。 CNC系统中的微处理器系统中的微处理器 1单微处理器单微处理器系统的组成和特点系统的组成和特点 单微处理

12、器系统的单微处理器系统的CNC装置的特点是整个装置的特点是整个CNC装装置中只有一个置中只有一个CPU，通过该，通过该CPU来集中管理和控制整来集中管理和控制整个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处理的方法，实现各种数控功能。有些理的方法，实现各种数控功能。有些CNC装置中，虽装置中，虽然有两个或两个以上的然有两个或两个以上的CPU，但只有一个，但只有一个CPU对系统对系统的资源拥有控制权和使用权，该的资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主称为主CPU，其，其它它CPU（称为从（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只）无权控制和使用系统资

13、源，只能接受主能接受主CPU的控制命令和数据，或向主的控制命令和数据，或向主CPU发请求发请求信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，该结构称为主从结构，也可归为单机结构。该结构称为主从结构，也可归为单机结构。多微处理器系统的组成多微处理器系统的组成l多微处理器系统的CNC装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件可对系统资源（存储器、总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结构和分布式结构。多主结构是指带CPU的功能部件之间采用紧耦合方式联结，有集中的操作系统用总线仲裁器解决总线争用通过公共存储器交换系统信息。 1多微处理器系统特点多微处理器系

14、统特点l（1）计算处理速度高 l（2）可靠性高l（3）有良好的适应性和扩展性l（4）硬件易于组织规模生产2. 多微处理器系统的基本功能模块多微处理器系统的基本功能模块 l（1) CNC管理模块 l（2）存储器模块l（3）CNC插补模块 l（4）位置控制模块l（5）操作和控制数据输入输出和显示模块l（6） PLC模块3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l（1）共享总线结构l（2）共享存储器结构 数控软件的特点及关键技术 1.多任务与并行处理技术（1） 数控装置的多任务性图4-11 数控装置的任务及分类框图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

15、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、插补和位置控制模快也必须同时进行。优先级顺序显示其它译码I/ O刀补位置控制插补运算背景程序背 景 程序 初始化（2） 多任务并行处理的实现 1） 资源分时共享图4-12 分时共享多任务处理方案2.2 2.2 数控系统的分类、性能指标及功能数控系统的分类、性能指标及功能l2.2.1 2.2.1 数控系统的分类数控系统的分类 就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界的各种数控系统大致可分为以下的各种数控系统大致可分为以下四种类型四种类型: :

16、1.1.传统专用型数控系统传统专用型数控系统 这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠。但由于其采用一种完性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：l 用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高；系统维护费用较高；l 系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；系统功能的扩充

17、以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；l 大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。2.PC2.PC嵌入嵌入NCNC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这类数控系统与传统专用型数控系统相比，这类数控系统与传统专用型数控系统相比，（优点）（优点）结构上具备一些开放性，功能十分强大，结构上具备一些开放性，功能十分强大，（缺点）（缺点）但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。一般的中小型数控机床生产厂家没有

18、经济能力去购买。3.NC3.NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与制卡与PCPC机构成，具有很强的运动控制和机构成，具有很强的运动控制和PLCPLC控制能力。控制能力。开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。 4.4.全软件型的开放式数控系统全软件型的开放式数控系统 这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能的数控功能( (包括插补、位置控制等包括插补、位置控制等) )全部都是由计算机软全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比，全软件