第三章 计算机数控系统

1、第三章第三章 计算机数控系统简称CNC系统，是一种用计算机执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 CNC系统能接受输入的加工程序信息，经过译码、运算和逻辑处理，输出各种脉冲指令，从而控制机床的主运动、进给运动及辅助运动，自动地完成零件加工。 CNC系统是一种位置控制系统。其控制过程是根据输入的信息（加工程序）进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的零件。一 CNC系统的组成CNC系统是有硬件和软件两大部分组成其核心是计算机数字控制装置，它通过系统控制执行部件，合理地组织，管理思考系统输入、数据处理、插补和输出

2、信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行加工。二 CNC系统的功能和一般工作过程(一）CNC系统的功能 基本功能和选择功能 基本功能是系统必备的功能 选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能1.控制功能 控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。2.准备功能 准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定

3、循环等指令。它用地址G和它后续的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00G99共100种。3.插补功能 CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。 粗插补和精插补，粗插补，插补软件每次插补一个小线段的数据，伺服系统根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。 进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。4.进给功能进给功能用F直接指令各轴的进给速度 进给速度表示刀具每分钟移动的距离,单位是mm/min 同步进给速度为主轴每转时进给轴的进给量,单位是mm/r。 快

4、速进给速度它是通过参数设定的，用G00指令指定，同时可以通过操作面板上的快速倍率开关修正。 进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，可以对程序中指定的F值进行修正。倍率可在0%200%之间变化。5.主轴功能主轴功能就是指定主轴转速的功能（1）主轴的编码方式一般用地址符s后加二位数字或加四位数字，单位是r/min和mm/min（2）指定恒定线速度该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径外圆的加工具有相同的切削速度。（3）主轴定向准停该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。6.辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启，停，和转向，切削液的开和关，

5、刀库的启和停等，指令M代码表示。7.刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，用T表示8.补偿功能 加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具长度、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，它就按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。9.字符、图形显示功能。 CNC装置可以配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀

6、具运动轨迹等。10.自诊断功能。 CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。11.通信功能 通常具有RS232C接口，有还备有DNC接口。现在部分数控机床还具有网卡，可以接入互联网。12.人机交互图形编程功能（二）CNC系统的一般工作过程1.输入 输入方式纸袋输入、键盘输入、磁盘输入、上级计算机DNC通讯输入等 输入的工作方式有存储方式和NC方式，存储方式将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个个程序调出。NC方式是一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的内

7、容。2.译码 将输入的数控加工程序翻译成CNC装置能识别的代码形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。 如果是数字码，则立即设置相应的标志并转存。如果是字母码，则进一步判断该码的具体功能，然后设置代码标志并转入相应的处理。3、刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。 采用刀具补偿功能，可简化数控加工程序的编写工作，主要表现如下： 1）由于刀具磨损、更换等原因引起的刀具相关尺寸变化不必重新编写程序，只须修改相应的刀补参数即可。 2）当被加工零件在同一机床上，经历粗加工、半精加工、精加工多道工序时，不必编写

8、三种加工程序，可将各工序预留的加工余量加入刀补参数即可。4.进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，F代码指令值。5.插补6.位置控制7.输入/输出处理8.显示 第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构一 CNC系统的硬件构成特点1.CNC系统的总体安装结构及特点整体式：把CRT面板和MDI面板、操作面板及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。优点，结构紧凑，便于安装，但是也会造成某些信号连线过长。分体式：把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接，有利于安

9、装和更换。2. CNC系统操作面板的安装形式及特点安装形式一般有吊挂式、床头式、控制柜式和控制台式等结构，大板式，模块化。第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构1、单CPU结构CNC系统 整个CNC装置只有一个CPU，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NC功能。 主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。单CPU结构特点 CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、

10、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置； 结构简单，容易实现； 单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。 第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构三、多CPU结构CNC系统 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。 为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代CNC装置多采用多微处理器（CPU）结构，其主要特

11、点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。 多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。 能够进行多种语言显示。结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构1.多CPU的CNC系统的典型结构 多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。共享总线结构在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把

12、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，实现各种预定的功能。2.共享存储器结构 在这种多微处理器结构，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。第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构2.多CPU的CNC系统基本功能模块1)管理模块 该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理等。 2)插补模块 该模块是在完成插补前，进行零件程

13、序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置。3）位置控制模块 对坐标给定值与由位置检测到的实际位置值进行比较获得差值、进行自动加减速、回基准点、对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压，去驱动进给电动机。4）PLC模块 零件程序开关量和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度等。第二节第二节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构5）命令与输入输出模块 指零件程序、参数和数据、各种操作命令的输入、输出，以及显示所需要的各种接口电路。6）存储器模块 指程序和数据的主存储器，或是

14、功能模块数据传送用地共享存储器。第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构 CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。 不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。现代数控机床的功能大都采用软件来实现，所以，系统软件的设计及功能是CNC系统的关键。 数控系统是按照事先编制好的控制程序来实现各种控制的，而控制程序是根据用户对数控系统所提出的各种要求进行设计的。第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构 在CNC系统中，软件和硬件在逻辑

15、上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。 CNC系统中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。 随着软、硬件的水平和成本，以及CNC系统所具有性能不同，现代CNC系统中软、硬件界面也在变化。第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构2 2、CNCCNC装置软件结构特点装置软件结构特点1）CNC系统的多任务性CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统C N C系 统 的 任 务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管 理控 制第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构 数控加工时，CNC装置要完成许多任务，在多数情况下，管理和控制的某些工作必须

16、同时进行。例如，为使操作人员能及时来了解CNC装置的工作状态，显示模块必须与控制软件同时运行；当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行，例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。 第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构 同时，CNC系统的这些功能必须协调工作。也就是在许多情况下，管理和控制某些工作必须同时运行。输入显示诊断控制I/O速度处理位置控制译码刀具补偿插补第三节第三节 CNCCN

17、C系统的软件结构系统的软件结构并行处理同一时间内完成两种或两种以上相同或不同性质的工作同一时间内完成两种或两种以上相同或不同性质的工作有“资源重复资源重复”法法、 “时间重叠时间重叠”法法和“资源共享资源共享”法法等方法。在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”和“资源重叠的流水处理”方法CPU分时共享的并行处理插 补准 备诊 断初 始 化显 示输 入 I/O处 理中断优先级键 盘位 控插 补第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构时间重叠流水处理1 2 3 41432143214321432N1N2N3N1N2N3t1t3t5 t7 t3 t1t5输 出输 出输 出输 出

18、输 出时 间时 间空 间空 间第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构三、常规CNC系统的软件结构实时中断处理数控软件中一些子程序的实时性很强，决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要由硬件完成，系统的中断结构决定了软件结构。 第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构系统的中断结构决定了软件结构。在常规的CNC系统中一般采用两种典型结构：中断型结构前后台型结构 1 1、中断型结构模式、中断型结构模式 中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。 管理功能通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。第三节第三节 CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构(1) 外部中断主要有光电阅读机中断、外部监控中断（如紧急停、量仪到位等）和键盘、操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，将它们放在较高的优先级上。 (2) 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。在有些系统中这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是先处理位置控制， 然后处理插补运算。 (3) 硬件故障中断是各种硬件故障检测装置发出的