第五章 计算机数控系统

1、典型数控系统典型数控系统 CNC系统的软件结构系统的软件结构 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 数控系统的基本结构及工作原理数控系统的基本结构及工作原理 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.1 CNC1.1 CNC系统的组成系统的组成 数控装置数控装置 计算机数控系统计算机数控系统 计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控（NC）系统的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功能。计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处

2、理后去控制机床的具体动作。 数控装置是数控系统的核心，其主要功能是正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.1 CNC1.1 CNC系统的组成系统的组成 根据组成部分的性质，CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如下图所示。 图5-1 CNC系统的组成框图 硬件部分除计算机外，其外围设备主要包括CRT、键盘、面板、机床接口等。 第五章第五章 计算机数控系统计算

3、机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 输入 CNC装置的工作过程是在硬件支持下执行软件的全过程。下面从输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I /O处理、显示和诊断等方面来说明CNC的工作原理。译码 刀具补偿 插补 位置控制 进给速度处理 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 输入 输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿数据。输入形式有光电阅读

4、机纸带输入、键盘输入、磁盘输入、通信接口输入及连接上级计算机的DNC（直接数控）接口输入。 存储工作方式输入按CNC装置工作方式分 NC工作方式输入手动输入方式按零件程序输入方式分 自动输入方式第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 译码 不论系统工作在NC方式还是存储器方式，译码处理都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释成计算

5、机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 刀具补偿 CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹的数据转换成刀具中心轨迹的数据。刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿，主要是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹或在刀具长度上进行处理。1）刀具长度补偿2）刀具半径补偿第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第

6、一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 插补 根据给定的曲线类型(如直线、圆弧)、起点、终点，以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现。 指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。 目前，在一般的CNC中，都有直线、圆弧及螺旋线插补。根据需要，在某些较高档的CNC中还可配置椭圆、抛物线、正弦线和一些专用曲线的插补。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节

7、数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环上，它的主要工作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。这部分工作可以由软件来完成，也可由硬件完成。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.2 CNC1.2 CNC装置的工作原理装置的工作原理 进给速度处理 编

8、程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。另外，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、某些CNC装置中软件的自动加减速功能等也在此处理。进给速度与加工精度、表面粗糙度和生产率有密切的关系。 在零件数控程序中，F指令设定了进给速度。由于各种CNC系统采用的插补法不同，所以速度控制计算方法也不相向。1）脉冲增量插补方式的速度计算 2）数据采样法插补的速度计算第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第一节第一节 数控系统的基本结构及工作原数控系统的基本结构及工作原理理 1.3 CNC1.3 CNC装置的功能装置的功能 轴控制功能

9、CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户按数控机床特点和用途可进行选择的功能。CNC通常有如下主要功能：准备功能 插补功能 进给功能 主轴功能 辅助功能 刀具功能和第二辅助功能 补偿功能 字符、图形显示功能 自诊断功能 通信功能 人机交互图形编程功能 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.1 2.1 大板结构和功能模板结构大板结构和功能模板结构 数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和

10、个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。大板结构按印制电路板的插接方式分 功能模块（小板）结构第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.2 2.2 单微处理器结构和多微处理器结构单微处理器结构和多微处理器结构 单微处理器按微处理器的个数分 多微处理器单微处理器结构多微处理器结构总线式多主CPU结构 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3 2.3 CNC装置的输入装置的输入输出接口输出接口 输入接口 相应接口 键盘输入输入设备输入设备 手

11、动输入（MDI）方式一般用于在加工过程中对程序段进行修改、插入和删除，以及数控机床的调试。在MDI方式下，操作者可以一边输入数据，一边通过CRT显示的信息进行观察判断，并做相应的处理。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3 2.3 CNC装置的输入装置的输入输出接口输出接口 I/O接口 CNC装置与外部设备连接时，其输入/输出接口芯片一般不能与外部设备直接相连，常需要附加I/O接口电路，负责与外部设备的连接。I/O接口电路的主要任务是：进行电平转换和功率放大隔离干扰 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的

12、硬件结构系统的硬件结构 2.3 2.3 CNC装置的输入装置的输入输出接口输出接口 I/O接口 输入接口电路是CNC装置接收输入信号的电路，如机床操作面板开关信号、按钮信号和机床的各种限位开关信号等。 图5-8 触点输入接口电路图5-9 电压输入接口电路第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3 2.3 CNC装置的输入装置的输入输出接口输出接口 I/O接口 输出接口电路用于CNC装置与机床传送信号，如将机床各种工作状态指示灯的信号送到操作面板和把控制机床动作的信号送到强电电路，即驱动指示灯和继电器。 图5-10 输出接口电路第五章第五章

13、 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.4 2.4 开放式开放式CNC的硬件结构的硬件结构能根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统 逐渐减少数控机床生产厂家对控制系统供应商的高依赖性 大幅度降低维护和培训成本 改变目前数控系统的封闭型设计，以适应车间面向任务和定单的生产组织模式 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.4 2.4 开放式开放式CNC的硬件结构的硬件结构开放式CNC的定义 开放式系统的开放式系统的 特征特征可移植性可移植性（Portability） 可相互替代性

14、可相互替代性（Interchangeability） 可互操作性可互操作性（Interoperability） 可缩放性可缩放性（scalability） 参照IEEE对开放式系统的规定：一个真正意义上的开放式数控系统，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，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.4 2.4 开放式开放式CNC的硬件结构的硬件结构基于PC（或IPC）开放式CNC的硬件配置形式 这种CNC大多通过改造原有CNC系统的接口，使CNC系统能与PC互

15、连，由PC承担CNC人机界面功能，原来的CNC系统不做结构上的根本改变，这一形式综合了PC和原来CNC系统的特点，构成了一种有限开放的CNC系统。具体有PC连接型CNC和PC内藏型CNC。 图5-11 PC连接型CNC 图5-12 PC内藏型CNC例 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第二节第二节 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.4 2.4 开放式开放式CNC的硬件结构的硬件结构基于PC（或IPC）开放式CNC的硬件配置形式 这种CNC结构形式是在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而组成的，也称CNC内藏型。专用CNC卡完成包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。其优点是

16、能充分保证系统性能，软件的通用性强且编程处理灵活。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.1 3.1 CNC系统软件的组成系统软件的组成应用软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件，如CAD/CAM软件。 CNC系统软件 应用软件应用软件 系统软件系统软件 系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.1 3.1 CNC系统软件的组成系统软件的组成输入数据处理程序 系统软件程序系统软件程序插补计算

17、程序 接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。 速度控制程序 管理程序 诊断程序 CNC系统根据工件加工程序中的数据，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，这个过程称为插补运算。 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以确保预定的进给速度。 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。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。 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生后，检查系统各主要部件的功能是否正常，并

18、指出发生故障的部位。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.2 3.2 CNC的软件结构的软件结构CNC中软、硬件界面与数据转换 设计灵活、适应性强，但处理速度慢 软件特点软件特点 处理速度快，造价相对较高，适应性差 硬件特点硬件特点 计算机技术的发展，计算机运算处理能力不断增强，软件的运行效率大大提高，为用软件实现数控功能提供了技术支持 由于数控技术的发展，对数控功能的要求越来越高，若用硬件来实现这些功能，不仅结构复杂，而且柔性差，甚至不可实现 用相对较少且标准化程度较高的硬件，配以功能丰富的软件模块的CNC系统是当今数控技术的发展趋

19、势 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.2 3.2 CNC的软件结构的软件结构CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理 图5-14 CNC的任务分解 图5-14 CNC的任务并行处理关系需求 CNC系统是个专用的实时多任务计算机系统，其软件必然融合现代计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.3 3.3 CNC软件结构模式软件结构模式中断型结构模式 所谓结构模式就是软件的组织管理方式，即任务的划分方式、任

20、务调度机制、任务间的信息交换机制，以及系统集成方法。结构模式主要有中断型和前、后台型结构模式。 中断型软件结构的系统软件除初始化程序外，将CNC的各功能模块按照实时性强弱分别安排在不同级别的中断程序中，无前后台程序之分。 前、后台型结构模式 前、后台型软件结构将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序；后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入、预处理和管理的各项任务。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.4 3.4 开放式开放式CNC的软件结构的软件结构 一个开放式CNC系统的结构可以分

21、为两个部分：统一的系统平台和由各功能结构单元对象 （Architecture Object，AO，简称功能元对象）组成的应用软件模块或称系统参考结构，如图5-21所示。 开放式CNC总体结构 图5-21 开放式CNC总体结构图第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.4 3.4 开放式开放式CNC的软件结构的软件结构系统平台 系统硬件 系统软件 系统核心 可选的系统软件 API 系统平台系统平台由机床的功能需求决定 如操作系统、通信系统、实时配置系统等 数据库系统、图形系统等 标准的应用程序界面（API） 第五章第五章 计算机数控系统计算机

22、数控系统第三节第三节 CNC系统的软件结构系统的软件结构 3.5 3.5 系统参考结构系统参考结构 系统的参考结构就是用来精确描述功能元对象和功能模块之间的关系，以及各模块之间的关系的；精确定义各模块和各功能元对象的行为和属性，以及模块和功能元对象与系统平台之间的界面，以保证不同供应商提供的功能模块在不同平台之上的协调工作。 图5-22 功能模块与功能元层次划分 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第四节第四节 典型数控系统典型数控系统 国外的产品国外的产品 ：1、日本FANUC公司生产的FANUC系列数控系统；2、德国SIEMENS公司生产的SINUMERIK系列数控系统；3、西斑牙F

23、AGOR公司生产的FAGOR系列数控系统等。国内的产品国内的产品 ：1、华中I型和中华I型 ；2、航天I型和蓝天I型 。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第四节第四节 典型数控系统典型数控系统 4.1 4.1 日本日本FANUC系列数控系统系列数控系统 1FS0系列。系列。它是可组成面板装配式的CNC系统，易于组成机电一体化系统。FS0系列CNC有许多规格，如FS0T、FS0TT、FS0M、FS0ME、FS0G、FS0F等型号。 2FS10/11/12系列。系列。此系列有很多品种，可用于各种机床。规格型号有：M型、T型、TT型、F型等。 3FSl5系列。系列。它是FANUC公司较新的3

24、2位CNC系统，被称为AI（人工智能）CNC系统。 4FSl6系列。系列。是在FSl5系列之后开发的产品，其性能介于FSl5系列和FS0系列之间。在显示方面，FSl6系列采用了薄型TET（薄膜晶体管）彩色液晶显示等新技术。 5FSl8系列。系列。此系列CNC系统是紧接着FS16系列CNC系统推出的32位CNC系统。其功能在FSl5系列和FS0系列之间，但低于FSl6系列。 6FS21/210系列。系列。该系列CNC系统是FANUC公司最新推出的系统，适用于中小型数控机床。 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第四节第四节 典型数控系统典型数控系统 4.2 4.2 德国德国SIEMENS公

25、司的公司的SINUMERIK系列系列CNC系统系统 1SINUMERIK8系列。系列。SINUMERIK 8MC/8MCE/8MCEC主要用于大型镗铣床。SINUMERIK8T/Sprint8T主要用于车床，其中Sprint系列具有蓝图编程功能。 2SINUMERIK 3系列。系列。该系列的产品生产于20世纪80年代初。有M型、T型、TT型、G型和N型等，适用于各种机床的控制。 3SINUMERIK 810/820系列。系列。该系列的产品生产于20世纪80年代中期，在体系结构和功能上相近。4SINUMERIK 850/880系列。系列。该系列的产品生产于20世纪80年代末。有850M、850T、880M、880T等规格。5SINUMERIK 840D系列。系列。该系列具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在1cm2的空间中，便于操作、编程和监控。 6SINUMERIK 810D系列。系列。该系列产品生产于1996年。810D数控系统是在840D数控系统的基础上开发的新CNC系统，该系统配备了功能强大的软件。第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统第四节第四节 典型数控系统典型数控系统 4.