第二章计算机数控系统

1、 第二章 计算机数控系统第一节第一节 概概 述述n一、一、CNC数控机床数控机床nCNC是数控机床的核心。是数控机床的核心。 n 数控装置的主要是读入数控加工程序，将其转换成数控装置的主要是读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读

2、入机床位置检测装置发出的实际能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。移动，可以获得较高的位置控制精度。CNC数控机床的组成框图可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床加工程序输入/输出设备CNC装置nCNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入输入/输出设备、输出设备、CNC装置、可编程控制器（装置、可编程控制器（PLC）、）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。 机床I/O电路和装置测量装置主

3、轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数 控装 置操作面板PLC计计算算机机数数控控系系统统机机 床床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备二、二、CNC的组成的组成n从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置（轨迹）、系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件部件( (各运动轴各运动轴) )的位移量、速度为控制对象并使其协的位移量、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。计

4、算机控制系统。n从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬件（通用硬件和专用硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）硬件）和软件（专用）两大部分组成的。两大部分组成的。它们二者是它们二者是相互支持，不可分割的。相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。下，由软件来实现部分或大部分数控功能。n硬件是基础，软件是灵魂。硬件是基础，软件是灵魂。 CNC系统平台系统平台硬硬件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

5、量机测量机 .CNCCNC装置的组成装置的组成CNC系统平台系统平台硬硬件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 .CNC系统平台系统平台硬硬件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 .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

6、测量机 .n 该平台有以下两方面的含义：该平台有以下两方面的含义：q提供提供CNCCNC系统基本配置的必备功能；系统基本配置的必备功能；q在平台上可以根据用户的要求进行功能在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。设计和开发。CNCCNC装置的组成装置的组成n1CNC装置的一般硬件结构装置的一般硬件结构n 硬件由计算机基本系统、设备支持层、设备层三硬件由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。它是部分组成。它是CNC系统的物质基础。系统的物质基础。CNC的硬件系统组成框图的硬件系统组成框图CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控

7、制控制其它其它接口接口总线总线CNC的硬件系统组成框图的硬件系统组成框图n2CNC装置软件的功能性结构装置软件的功能性结构n 从本质特征来看，从本质特征来看，CNC系统软件是具有实系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由来看，该操作系统由CNC管理软件和管理软件和CNC控制控制软件两部分组成。它是软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。系统活的灵魂。n3CNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系nCNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理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，

8、实现各种数地组织、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要求，有条不紊控功能，使数控机床按照操作者要求，有条不紊地进行加工。地进行加工。 nCNC系统的硬件和软件构成了系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平系统的系统平台台 。该平台提供。该平台提供CNC系统基本配置的必备功能；系统基本配置的必备功能；在该平台上可以根据用户的要求进行功能控制和在该平台上可以根据用户的要求进行功能控制和开发开发 。操作系统操作系统管理软件管理软件控制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.CNC

9、的软件系统组成框图的软件系统组成框图CNC装置的工作原理装置的工作原理n首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。相对运动，自动完成

10、零件的加工。n1.1.逼近处理逼近处理n2.2.插补运算插补运算n3.3.指令输出指令输出三、三、CNC的工作过程的工作过程n工作过程工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。程。n包括：包括：n1加工程序的输入加工程序的输入n2译码译码n3刀具补偿刀具补偿 n4对进给速度进行处理对进给速度进行处理 n5插补插补 CNC单元 n6位置处理位置处理 n7/处理处理 n8显示显示 n9诊断诊断四、四、CNC的功能的功能nCNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。n基本功能基本功能数控系统基

11、本配置的功能，即必备功能；n选择功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能。1对轴数的控制功能n控制功能控制功能n CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 nCNC的进给轴分类：的进给轴分类：n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；n 基本轴和附加轴（U、V、W）。n联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。2点位运动与移动功能(G功能 ) 准备功能（准备功能（G G功能）功能） 指令机床动作方式的功能。如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。3插补功能n插补功能插补功能n插补功能插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能

12、。n精插补和粗插补；硬件插补和软件插补4固定循环加工功能n固定循环功能固定循环功能n固定循环功能固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。5进给功能 (F功能 )n进给功能进给功能n进给速度的控制功能。q进给速度进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。q同步进给速度同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r。q快速进给速度快速进给速度 一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速。 q进给倍率（进给修调率）进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。6主轴的转速功能n主轴功能（主轴功

13、能（S)S)n 数控系统的主轴的控制功能数控系统的主轴的控制功能。q主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能，单位为主轴转速的控制功能，单位为r/minr/min。q恒线速度控制恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。q主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。主轴周向定位于特定位置控制的功能。qC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。主轴周向任意位置控制的功能。q主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。人工实时修调预先设定的主轴转速。7刀具功能及工作台分度功能n刀具管理功能刀具管理功能n实现对刀具几何尺寸和寿命的管理

14、功能。实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。q刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；能使用；q刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNCCNC系统将提示用户更换刀具；系统将提示用户更换刀具；qCNCCNC系统都具有刀具号（系统都具有刀具号（T T）管理功能，用于标）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。8辅助功能(M功能 )n辅助功能（辅助功能（M M功能）功能）n 用于指令机床辅助操作的功能。n如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。9补偿功能

15、n补偿功能补偿功能q刀具半径和长度补偿功能：刀具半径和长度补偿功能： 实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。q传动链误差：传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。q非线性误差补偿功能：非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。10字符和图形显示功能n人机对话功能人机对话功能n在CNC装置中这类功能有：q菜单结构操作界面；q零件加工程序的编辑环境；q系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。11自诊断功能n自诊断功能自诊断功能nCNC自动实现故障预报和故障

16、定位的功能。q开机自诊断；q在线自诊断；q离线自诊断；q远程通讯诊断。12输入、输出和通信功能n通讯功能通讯功能n CNC与外界进行信息和数据交换的功能。nRS232C接口，可传送零件加工程序，qDNC接口，可实现直接数控，qMAP(制造自动化协议)模块，q网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。13程序编制功能n手工编程手工编程n背景（后台）编程背景（后台）编程 n自动编程自动编程n利用利用CAM系统，可以在线完成和修改系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。网络直接传给机床进行加工。外部设备功能外部设

17、备功能n键盘n纸带阅读机n外部存储设备n纸带穿孔机n操作面板n显示器机床控制部分功能机床控制部分功能n位置控制n速度控制n机床状态控制五、五、CNC的特点的特点n1具有比NC更高的柔性n2具有良好的通用性 n3数控功能不断增强和扩展 n4可靠性越来越高 n5方便了系统的维修和使用 n6易于实现机电一体化 第二节第二节 CNC的结构的结构n一、一、CNC的硬件结构的硬件结构nCNCCNC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。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

18、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的硬件结构的硬件结构nCNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为单机系统和多机系统：的多少来分，可分为单机系统和多机系统：n1.单机系统单机系统n 整个整个CNC装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控制和管理，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功功能。其优点在于投资小，结构简单，易于实现。但系能。其优点在于投资小，结构简单，易于实现。但系统功能受到统功能受到CP

19、U字长、数据宽度、寻址能力和运算速字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。结构所取代。 n2.多机系统多机系统 n CNC装置中有两个或两个以上的装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中，即系统中的某些功能模块自身也带有的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互，根据部件间的相互关系又可将其分为：主从结构关系又可将其分为：主从结构 、多主结构、多主结构 、分布式结、分布式结构构 。单机或主从结构模块的功能单机或主从结构模块的功能n模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功模块化设计方

20、法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路图线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路图2-4。n实现实现CNC系统模块化设计的条件是总线系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。标准化。 n1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线(

21、母板母板) n2、显示模块、显示模块(显示卡显示卡)n3、 输入输入/输出模块输出模块(多功能卡多功能卡) n4、电子盘、电子盘(存储模块存储模块) n5、设备辅助控制接口模块、设备辅助控制接口模块 n6、位置控制模块、位置控制模块n7、功能接口模块、功能接口模块 图图2-4 单机或主从结构模块单机或主从结构模块1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线(母板母板)计算机主板计算机主板 计算机主板是计算机主板是CNC装置的核心。它的主要作用：对输入到装置的核心。它的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种零件加工程序，各种I/O信息信息等等)

22、进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。 系统总线系统总线(母板母板) 系统总线系统总线(母板母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据总它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据总线、地址总线、控制总线。线、地址总线、控制总线。2、显示模块、显示模块(显示卡显示卡) 显示卡的主要作用：接收来自显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显

23、示用的控制命令和显示用的数据，经过的数据，经过CRT的扫描信号调制后产生的扫描信号调制后产生CRT显示器所需要显示器所需要的视频信号，在的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。它是人机交流的上产生所需要的画面。它是人机交流的重要媒介重要媒介 。3、 输入输入/输出模块输出模块(多功能卡多功能卡) 它是它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。装置中的数据送给输出设备。4、电子盘、电子盘(存储模块存储模块) 电子盘是电子

24、盘是CNC装置特有的存储模块。计算机的存储器件装置特有的存储模块。计算机的存储器件有三类：有三类：磁存储器件，如：软磁存储器件，如：软/硬磁盘；硬磁盘；光存储器件，如：光存储器件，如：光盘；光盘；半导体存储器件，如半导体存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。等。在在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器装置中，常采用电子存储器件作为外存储器 。 5、设备辅助控制接口模块、设备辅助控制接口模块 设备辅助控制接口模块是设备辅助控制接口模块是CNC装置实现顺序装置实现顺序控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、机床控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、

25、强电柜里的继电上的各行程开关、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应器件的运行。输出去控制相应器件的运行。 设备辅助控制接口必须完成两个任务：设备辅助控制接口必须完成两个任务： 即电平的转换和功率放大、电气隔离。即电平的转换和功率放大、电气隔离。 设备辅助控制接口的实现方式：设备辅助控制接口的实现方式： 简单简单I/O接口板；接口板； PLC控制。控制。(分内装型分内装型PLC和独立型和独立型PLC )图图2-5 简单简单I/O接口板接口板图2-6 PLC控制图 6、位置控制模块、位置控制模块 位置控制

26、模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实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，现轨迹控制时，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。 常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含半常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含半闭环）位置控制模块。闭环）位置控制模块。 7、功能接口模块、功能接口模块 该模块是实现用户特定功能要求的接口板，所有增加该模块是实现用户特定功能要求的接口板，所有增加的功能，必须在的功能，必须在CNC装置中增加相应的接口板才能实现。装置中增加相应的接口板才能实现。图图2-7 开环位置控制模块开环位置控制模块图图

27、2-8 闭环（含半闭环）位置控制模块闭环（含半闭环）位置控制模块1.单微处理器的单微处理器的CNCn单微处理器的单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器是指系统只有一个微处理器作为核心，这个作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。n单微处理器单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理

28、器和三总线结构、基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床的控制部分。口等；另外还包括了机床的控制部分。CPU外部存储设备接口RS-232接口人机交互接口选件接口ROMRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元位控单元速度控制单元D/A转换电路M、S、T微机系统机床的控制部分 X轴 Y轴 Z轴 主轴总线典型的单微处理器典型的单微处理器装置结构框图装置结构框图单微处理器单微处理器CNC特点特点n CNC装置内只有一个微处理器，对存储、装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入插补运算、输入/输出控制

29、、输出控制、CRT显示等功能显示等功能实现集中控制分时处理。实现集中控制分时处理。n 微处理器通过总线与存储器、输入微处理器通过总线与存储器、输入/输出输出控制等接口电路相连，构成控制等接口电路相连，构成CNC装置。装置。n 结构简单，易于实现。结构简单，易于实现。2.多微处理器的CNCn 多微处理器多微处理器CNC的的特点特点 能实现真正意义上的并行处理，处理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。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，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。 多微处理器

30、的多微处理器的CNC主要功能模块主要功能模块n CNC管理模块 ；n CNC插补模块 ；n 位置控制模块 ；n PLC模块 ；n 人机接口模块 ；n 存储器模块 。 多微处理器的CNC结构 n共享总线结构共享总线结构n在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。功能。n共享存储器结构共享存储器结构n在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各在这种多微处

31、理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。降低系统效率。共享总线结构框图CNC管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线共享总线结

32、构具有结构简单、系统组配灵活、共享总线结构具有结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等优点。成本相对较低、可靠性高等优点。 共享存储器结构框图插补（CPU2）来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共 享存储器3.CNC的接口的接口n纸带的光电阅读机接口n输入/输出（I/O）接口n进行必要的信号隔离n进行电平转换和功率放大n数/模和模/数转换n通信接口n软件与硬件在实现各种功能的特点和关系软件与硬件在实现各种功能的特点和关系n关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实

33、现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。是等价的。n特点：特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。能困难。n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。n软件、硬件实现功能的分配就是软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功软件硬件功能界面划分。能界面划分。n功能界面划分的准则：系统的性能价格比功能界面划分的准则：系统的性能价格比二、二、CNC的软件结构的软件结构输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件

34、软件软件软件 软件和硬件的功能界面几种划分软件和硬件的功能界面几种划分 1CNC的软、硬件界面的软、硬件界面2CNC的软件结构特点的软件结构特点n CNC装置的多任务并行处理装置的多任务并行处理 CNC的任务并行处理示意图的任务并行处理示意图n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）n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 )译 码刀具补偿速度处理位置控制插 补输入显示控制I/O诊断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1 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 4t1 t2

35、t3 t4 t5 t6 t7 t8 时间 t1 t2 t3 t4 t5 t6 时间 a）顺序处理 b）并行处理空 间N3 N2 N1空间N2 N1输出输出 分时共享多任务处理方案分时共享多任务处理方案 时间重叠流水处理示意图时间重叠流水处理示意图 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(2)实时性和优先抢占调度机制实时性和优先抢占调度机制n实时性任务实时性任务:实时性是指任务的执行有严格时间要求（任务实时性是指任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或必须规定时间内完成或响应

36、），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。系统故障的特性。n 实时性任务分类实时性任务分类: 强实时性任务（实时突发性任务；实时周强实时性任务（实时突发性任务；实时周期性任务）和弱实时性任务。期性任务）和弱实时性任务。n优先抢占调度机制优先抢占调度机制 n 抢占式优先调度机制是指在抢占式优先调度机制是指在CPU正在执行某任务时，正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在将立即终止正在执行的任务转而响应优先级高任务的请求。优先抢占调度机执行的任务转而响应优先级高任务的请求。优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，硬件主要提供支持中断

37、功能制是由硬件和软件共同实现的，硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优的芯片和电路。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理（断点的保护于恢复、中断向先级定义方式、任务切换处理（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。量的保存与恢复等）等。 3.CNC系统软件结构模式系统软件结构模式n所谓结构模式是指系统软件的组织管理所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式要解决的问题统集成方

38、法等。结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足以满足CNC系统的各种控制要求。系统的各种控制要求。 前后台型软件结构前后台型软件结构 这种模式将这种模式将CNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分： 前台程序和后台程序。前台程序和后台程序。前台程序前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序后台程序(也称背景程序也称背景程序)则完

39、成显示、零件加工程序的编辑则完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前后台相互配合来完成零件的加工任务。 前后台型软件结构前后台型软件结构前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台程序运行关系图前后台型结构模式的特

40、点前后台型结构模式的特点任务调度机制任务调度机制: : 优先抢占调度和循环调度优先抢占调度和循环调度。前台。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。部各子任务采用的是顺序调度。信息交换信息交换: :缓冲区缓冲区。前台和后台程序之间以及内部。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。各子任务之间的。实时性差实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的期的CNCCNC系统大都采用这

41、种结构。系统大都采用这种结构。中断型软件结构中断型软件结构 这种结构是将除了初始化程序之外，这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。各级中断服务程序实施调度管理。 中断型软件结构中断型软件结构初始化中断管理系统（硬件 + 软件）0级中断服务程序 1 级中断服务程序 2 级中断服务程序级中断服务程序中断型软件系统结构图n中断型中断型结构模式的特点结构模式的特点任务调度机制：

42、任务调度机制：抢占式优先调度抢占式优先调度。信息交换：信息交换：缓冲区缓冲区。实时性好实时性好。由于中断级别较多（最多可达。由于中断级别较多（最多可达8 8级），强实时性任务可安排在优先级较高的级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充统的维护和扩充。 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。 这部分的中断服务程序也全部由主这部分的中断服务程序也全部由主CPU完成。对于从完成。对于从CPU引起的中断，主引起的中断，主CPU只要负责必要的参数及状态值传送给从只要负责必要的参数

43、及状态值传送给从CPU即可返回，从即可返回，从CPU根据主根据主CPU的简单的状态、参数，结的简单的状态、参数，结合从合从CPU系统自身数据进行独立完成任务。这样大大加快了系统自身数据进行独立完成任务。这样大大加快了CNC的总体运行速度。的总体运行速度。 n从硬件的角度说，对于多从硬件的角度说，对于多CPU系统，后台程序、中断型系统，后台程序、中断型中的主程序一般由主中的主程序一般由主CPU完成；前台程序、中断型中的完成；前台程序、中断型中的中断信号就直接由硬件向中断信号就直接由硬件向CPU 申请中断。申请中断。基于实时操作系统的结构模式基于实时操作系统的结构模式nPTOS是操作系统的一个重要

44、分支，它除了具是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制、任务间的通信机制等多种实时任务调度机制、任务间的通信机制等功能。功能。n基于实时操作系统的结构模式的优点：基于实时操作系统的结构模式的优点： n弱化功能模块间的耦合关系弱化功能模块间的耦合关系 n系统的开放性和可维护性好系统的开放性和可维护性好 n减少系统开发的工作量减少系统开发的工作量 n基于实时操作系统开发基于实时操作系统开发CNC系统的方法系统的方法 加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位

45、控处理位置反馈PLC控制第三节第三节 CNC的信息处理过程的信息处理过程 CNC装置数据转换流程示意图装置数据转换流程示意图n输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断 n1.输入过程输入过程 零件程序的输入过程流程图零件程序的输入过程流程图n输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘 n输入方式：中断，有相应的中断服务程序输入方式：中断，有相应的中断服务程序 n功能：奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、功能：奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、 字地址格字地址格式、信息完整性、输入设备控制、将零式、信息完整性

46、、输入设备控制、将零 件程序存入零件程序件程序存入零件程序存储器存储器送出译码外存或通信接口零件程序缓冲区MDI键盘MDI缓冲区零件程序存储区一、输入一、输入二、存储二、存储 目录区 零件程序区程序号零件程序1程序首址程序终址程序号零件程序2程序首址程序终址空白目录区零件程序1零件程序2零件程序3零件程序I零件程序n空白程序区零件程序存储器的结构示意图零件程序存储器的结构示意图三、译码三、译码n定义：定义：将输入的零件程序数将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能识别据翻译成数控系统所能识别 的语言，有硬件译码（并行，的语言，有硬件译码（并行，快）和软件译码（串行、快）和软件译码（串行、 相对慢

47、一些）。相对慢一些）。n 功能功能:是把程序段中的各数是把程序段中的各数据根据前后文字地址送据根据前后文字地址送 到到相应的缓冲寄存器中。相应的缓冲寄存器中。n每个字符译码过程：每个字符译码过程： n建立格式标志建立格式标志 n确定存放地址确定存放地址n 确定调用确定调用 “数码转换次数数码转换次数” n1.代码的识别代码的识别n2.功能码译码功能码译码开始读取缓冲器中的字符处理数字代码处理N代码处理G代码处理X代码处理Y代码10H?=10H?=11H?=12H?=13H?无法识别、错误处理结束YNNNNYNYYY软件识别代码的流程图软件识别代码的流程图四、译码后的数据处理四、译码后的数据处理

48、( (预计算）预计算）n减轻插补程序的负担，提高系统实时性。n包括：包括： 刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算、象限、进给算、象限、进给 方向判断、进给速度换算、方向判断、进给速度换算、机床辅助功能判断等。机床辅助功能判断等。 n1刀具补偿刀具补偿n定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。中心轨迹数据。n种类：长度补偿和半径补偿。种类：长度补偿和半径补偿。2速度处理n（1）进给速度计算）进给速度计算n开环系统开环系统:n速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。n速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。n半闭

49、环和闭环系统半闭环和闭环系统:n采用数据采样方法进行插补加工n速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。（2）进给速度控制）进给速度控制VSVS常用的常用的控制控制方法方法：计时法计时法 用于脉冲增量插补。时钟中断法时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达到速度控制的目的。积分法积分法 LV五插补五插补n根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；n计算新的坐标位置；n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。n插补程序的实时性 。n1计算新的指令坐标位置n X2新 = X2旧 + x2n Y2新 = Y2旧 + y2n2计算实际坐标位置n

50、X1新 = X1旧 + x1n Y1新 = Y1旧 + y1n3计算位置控制输出值n x3 = X2新 - X1新 n y3 = Y2新 Y1新n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。六、 位置控制位置控制计算位置控制计算V VS SV VS S+-插补输出插补输出X X2 2Y Y2 2指令位置指令位置X X2 2新新Y Y2 2新新位控输出位控输出X X3 3Y Y3 3实际位置实际位置X X1 1新新Y Y1 1新新反馈位置增量反馈位置增量X X1 1、Y Y1 1X X2 2旧旧Y Y2 2旧旧X

51、X1 1旧旧Y Y1 1旧旧+ 第四节第四节 PLC与数控机床的辅助功能与数控机床的辅助功能n一、一、PLC 的基本组成和工作原理的基本组成和工作原理 微处理器微处理器(CPU)、存储器、用户输人输出部分、存储器、用户输人输出部分、输入输出扩展接口、外围设备以及电源等。对于内输入输出扩展接口、外围设备以及电源等。对于内装型装型PLC，CPU、存储器、外围设备、电源等部分一、存储器、外围设备、电源等部分一般与般与CNC装置共用。装置共用。接收现场信号输入部件外设接口扩展接口输出部件电源运算器控制器微处理器RAM用户程序EPROM系统程序盒式磁带机驱动受控元件I/O扩展单元存储器打印机EPROM写

52、入器PLC或上位计算机编程器通用型PLC的硬件结构框图n(1)CPU(1)CPU与通用微机与通用微机CPUCPU一样，它是一样，它是PLCPLC的核心。的核心。n(2)PLC(2)PLC有系统存储器和用户存储器，前者用作存储监有系统存储器和用户存储器，前者用作存储监控程序、模块化应用子程序和各种系统参数等。后者控程序、模块化应用子程序和各种系统参数等。后者用作存放用户程序。用作存放用户程序。 n(3)(3)用户输入输出部分包括输入输出接口，输入用户输入输出部分包括输入输出接口，输入输出控制电路及隔离电路等，用作输出控制电路及隔离电路等，用作PLCPLC与外部输入输与外部输入输出设备进行连接。出

53、设备进行连接。n(4)(4)当主机默认的当主机默认的I IO O点数不够时，可选配点数不够时，可选配I IO O扩展模扩展模块，但不能单独使用。块，但不能单独使用。n(5)(5)外围设备根据外围设备根据PLCPLC的型号与厂家的不同，可配置编的型号与厂家的不同，可配置编程设备、程序写入器、用户程序卡、磁带机、打印机、程设备、程序写入器、用户程序卡、磁带机、打印机、A AD D、D DA A、高速计数器、高速计数器、RS232RS232485485通信接口、光通信接口、光纤通信接口等。纤通信接口等。输 入 端 器 件输 入 映 象元 件 映 象 寄 存输 出 锁 存输 入 端 器 件输 入输 出

54、输入采样阶段输出刷新阶段程序执行阶段 PLC的基本控制原理PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时钟周期执行一条的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时钟周期执行一条指令。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过指令。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。PLC 程序执行过程图 PLC的基本控制原理的基本控制原理n(1)输入采样阶段。输入采样阶段。PLC在输入采样阶段以扫描方式顺在输入采样阶段以扫描方式顺序读人所有输入端子的状态，存人输人寄存器

55、，接着序读人所有输入端子的状态，存人输人寄存器，接着转入程序执行阶段。转入程序执行阶段。 n(2)程序执行阶段。程序执行阶段。PLC在程序执行阶段中顺序对每条在程序执行阶段中顺序对每条指令进行扫描。先从输人寄存器读人所有输入端子的指令进行扫描。先从输人寄存器读人所有输入端子的状态。若程序中规定要读人某输出状态，则也在此时状态。若程序中规定要读人某输出状态，则也在此时读入。然后进行逻辑运算，最后将结果送人输出寄存读入。然后进行逻辑运算，最后将结果送人输出寄存器。器。n(3)输出刷新阶段。所有指令执行完毕后，将输出寄存输出刷新阶段。所有指令执行完毕后，将输出寄存器中所有的输出状态送到输出电路，成为

56、器中所有的输出状态送到输出电路，成为PLC的实际的实际输出。输出。nPLC执行完上述的三个阶段称为一个扫描周期。执行完上述的三个阶段称为一个扫描周期。扫扫描描过过程程2PLC的特点：(1)PLC是一种专用于工业顺序控制的微机系统。是一种专用于工业顺序控制的微机系统。(2)PLC是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的，所是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的，所以具有很强的抗干扰能力。以具有很强的抗干扰能力。(3)结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱结构紧凑、体积小，很容易装入机床内部或电气箱内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一内，便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化

57、。体化。(4)采用梯形图编程方式。采用梯形图编程方式。(5)PLC可与编程器、个人计算机等连接，可以很方便可与编程器、个人计算机等连接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。 2PLC的特点：n 可靠性高 n 编程简单，使用方便 n 灵活性好 n 直接驱动负载能力强 n 便于实现机电一体化 n 网络通信 3数控机床用PLCn 数控机床PLC的控制对象CNC系统数 控 装 置可编程控制器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑.数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图CNC、PLC、机床之

58、间的信号处理过程、机床之间的信号处理过程n CNC装置机床：CNC装置CNC装置的RAM PLC的RAM中。PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。处理后的数据仍在PLC的RAM中，对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床；对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。机床CNC装置 对于内装型对于内装型PLC，信号传送处理如下：，信号传送处理如下：从机床输入开关量数据从机床输入开关量数据CNC装置的装置的RAM PLC的的RAM。PLC的软件进行逻辑运算处理。的软件进行逻辑运算处理。处理后的数据仍在处理后的数据仍在PLC的的RAM中，

59、同时传送到中，同时传送到CNC装置的装置的RAM中。中。 CNC装置软件读取装置软件读取RAM中数据。中数据。 对于独立型对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口的输入接口送到送到PLC的的RAM中，然后进行上述的第中，然后进行上述的第2步，以下均相同。步，以下均相同。PLC 、CNC 、机床间的信息交换、机床间的信息交换n PLC CNC的信号的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号等。n PLC 机床的信号机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。n

60、机床机床 PLC的信息的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。 数控机床PLC的形式n 按结构形式分类按结构形式分类：内装型内装型（Built-in TypeBuilt-in Type）PLCPLC（或称集成式、内含（或称集成式、内含式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLCPLC。独立型独立型（Stand-alone TypeStand-