数控技术第八讲

1、金成柱 主讲联系电话：86878554第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.1 概概 述述4.1.1 CNC4.1.1 CNC系统的发展系统的发展数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件。4.1.2 CNCCNC系统的组成系统的组成 CNC CNC系统由除机床本体以外的程序输入输出设备、计算机数字控制系统由除机床本体以外的程序输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器装置、可编程控制器(PLC)(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动及位置检测装置、主轴驱动装置和进给驱动及位置检测装置等组成。等组成。4.1.3 CNC CNC装置的

2、组成和工作原理装置的组成和工作原理CNCCNC装置的简要工作过程装置的简要工作过程4.1.4 CNC CNC装置的主要功能和特点装置的主要功能和特点1)切削进给速度；2）同步进给速度；3）快速进给速度；4）进给倍率；常用的外设是纸带阅读机、纸带穿孔机、盒式磁带机、软磁盘驱动器，打印机。这些设备多数为串行方式传送信息，所以通常与CNC装置的RS-232接口连接。DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control的简称，意为直接数字控制或分布数字控制。DNC最早的含义是直接数字控制，其研究开始于本世纪六十年代。它指的是将若干台数控设

3、备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC程序的管理和传送。当时的研究目的主要是为了解决早期数控设备(NC)因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高计算成本等问题。七十年代以后，随着数控机床(CNC)技术的不断发展，数控系统的存贮容量和计算速度都大为提高，DNC的含义由简单的直接数字控制发展到分布式数字控制。它不但具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收集、系统状态监视以及系统控制等功能。八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和CIMS技术的发展，DNC的内涵和功能不断扩大，与六、七十年代的DNC相比已有很大区别，它开始着眼于车间的信息集成，针对车间的生产计

4、划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。而对物流等系统可以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境，提高了生产率，又节省了成本。2 CNC2 CNC装置的特点装置的特点4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构4.2.1 CNC4.2.1 CNC装置的硬件构成装置的硬件构成CNCCNC装置除了与普通计算机一样具有装置除了与普通计算机一样具有CPUCPU、存储器、总线、输入、存储器、总线、输入/ /输出接口外，输出接口外，还有专门适用于数控机床各执行部件运动位置控制的位置控制器。还有专门适用于数控机床各执行部件运动位置

5、控制的位置控制器。4.2.2 CNC4.2.2 CNC装置的体系结构装置的体系结构4.2.3 4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置的硬件结构1 1、微处理器和总线、微处理器和总线微处理器主要完成运算和控制两方面的任务。微处理器主要完成运算和控制两方面的任务。运算任务运算任务是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、轨迹计算、插补计算和是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、轨迹计算、插补计算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。控制任务控制任务主要包括：内部控制、对零件加工程序输入、输出的控制，对机床加工现场主要包括：内部控制

6、、对零件加工程序输入、输出的控制，对机床加工现场状况信息的记忆控制；内部控制功能，用于状况信息的记忆控制；内部控制功能，用于CNCCNC装置内各功能部件的动作以及各部件间装置内各功能部件的动作以及各部件间的协调；输入、输出控制，用于保持对外联系和机床的控制状态信息的输入和输出。的协调；输入、输出控制，用于保持对外联系和机床的控制状态信息的输入和输出。2 2、存储器、存储器CNCCNC装置中的存贮器包括只读存储器（装置中的存贮器包括只读存储器（ROMROM）和随机存储器（）和随机存储器（RAMRAM）两类。）两类。系统程序放在系统程序放在EPROMEPROM中，由中，由CNCCNC装置生产厂家固

7、化，即使断电，系统程序也不会丢失；装置生产厂家固化，即使断电，系统程序也不会丢失；该程序只能被该程序只能被CPUCPU读出，不能写入；必要时经删除后再重写。读出，不能写入；必要时经删除后再重写。运算中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器运算中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAMRAM中。中。它可以随时读出和写入，断电后信息就消失。它可以随时读出和写入，断电后信息就消失。加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池的加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池的CMOS RAMCMOS RAM中，或者存在中，或者存在磁泡存储器

8、中，这些信息在这种存储器中能被随机读出，还可以根据操作需要写入或磁泡存储器中，这些信息在这种存储器中能被随机读出，还可以根据操作需要写入或修改，断电后信息仍保留。修改，断电后信息仍保留。3 3、位置控制单元、位置控制单元4.2.4 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构多微处理机数控装置的硬件结构(2)(2)共享总线结构共享总线结构CRT/MDI操作面板，图形操作面板，图形显示模块显示模块（CPU)通讯模块通讯模块（CPU)自动编程模块自动编程模块（CPU)主存储器模块主存储器模块CNC插补模块插补模块（CPU)PLC功能模块功能模块（CPU)位置控制模块位置控制模块（CPU)主轴控制模块主

9、轴控制模块主轴放大器主轴放大器及电机及电机伺服放大器伺服放大器及电机及电机I/O单元单元多CPU共享总线结构框图并行总线仲裁方式中，要配备专用逻辑电路来解决主模块的优先权问题，并行总线仲裁方式中，要配备专用逻辑电路来解决主模块的优先权问题，通常采用优先权编码器。这种结构模块之间的通讯，主要依靠存储器来通常采用优先权编码器。这种结构模块之间的通讯，主要依靠存储器来实现。大部分采用公共存储器方式，公共存储器直接插在系统总线上，实现。大部分采用公共存储器方式，公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块能访问。有总线使用权的主模块能访问。共享总线结构的优点：共享总线结构的优点：系统配置灵活，结

10、构简单，容易实现，造价低，系统配置灵活，结构简单，容易实现，造价低，不足之处：不足之处：会引起竞争，使信息传输效率低，总线一旦出现故障，会影响全局。会引起竞争，使信息传输效率低，总线一旦出现故障，会影响全局。 CPU1 CPU1为中央处理器，其任务是数控程序的编制、译码、刀具和机床参数的为中央处理器，其任务是数控程序的编制、译码、刀具和机床参数的输入。此外，作为主处理器，它还控制输入。此外，作为主处理器，它还控制CPU2CPU2和和CPU3CPU3，并与之交换信息。，并与之交换信息。 CPU2CPU2为为CRTCRT显示处理器，它的任务是根据显示处理器，它的任务是根据CPU1CPU1的指令和显

11、示数据，在显示的指令和显示数据，在显示缓冲区中组成一副画面数据，通过缓冲区中组成一副画面数据，通过CRTCRT控制器、字符发生器和移位寄存器，将显控制器、字符发生器和移位寄存器，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外它还定时扫描键盘和倍率开关状态，并示数据串行送到视频电路进行显示。此外它还定时扫描键盘和倍率开关状态，并送送CPU1CPU1进行处理。进行处理。 CPU3CPU3为插补处理器。插补控制程序，存储在为插补处理器。插补控制程序，存储在16K16K的的EPROMEPROM存储器中，它完成的存储器中，它完成的工作是插补运算、位置控制、机床输入工作是插补运算、位置控制、机床输入/ /输出接

12、口和输出接口和RS232CRS232C接口控制。接口控制。 MTC1MTC1数控装置中的公用存储器，是通过数控装置中的公用存储器，是通过CPU1CPU1分别向分别向CPU2CPU2（或（或CPU3CPU3）发出总线）发出总线请求保持信号请求保持信号HOLDHOLD，才被占用的。此时，才被占用的。此时CPU2CPU2或或CPU3CPU3处于保持状态，处于保持状态，CPU1CPU1与公用与公用存储器进行信息交换。信息交换结束，存储器进行信息交换。信息交换结束，CPU1CPU1撤销撤销HOLDHOLD信号，信号，CPU1CPU1释放公用存储器释放公用存储器，CPU2CPU2和和CPU3CPU3回复对

13、公用存储器的控制权。回复对公用存储器的控制权。CPU1CPU1对对CPU2CPU2和和CU3CU3的控制是通过中断实现的。的控制是通过中断实现的。4.2.5 4.2.5 开放式数控装置的体系结构开放式数控装置的体系结构一、开放式数控系统的产生一、开放式数控系统的产生 随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩 展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系统。数控系统。体系开放化体系开放化定义（定义（IEEE）：）： 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与

14、其它的系统具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统 应用进行互操作的系统。应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：开放式数控系统特点： 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)(Standardization)与多样与多样 化化( Diversification)( Diversification)和互换性和互换性(Interchangeability)(Interchangeability)的特征的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式积木式”的集成的集成 构

15、造，应该是可移植的和透明的；构造，应该是可移植的和透明的；二、开放体系结构二、开放体系结构CNC的优点的优点向未来技术开放：向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；于长生命周期；标准化的人机界面标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户

16、使用，：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；向用户特殊要求开放：向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种可减少产品品种，便于批

17、量生产、提高可靠性和降低成本，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。增强市场供应能力和竞争能力。第一种是以第一种是以PC作为传统作为传统CNC的前端接口。的前端接口。在在CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板，原来的上插入一块专门开发的个人计算机模板，原来的CNC进行实时控制，进行实时控制，而由而由PC进行非实时性控制，这种模式的柔性有限，而且进行非实时性控制，这种模式的柔性有限，而且NC的内核也不开放。的内核也不开放。第二种是将整个第二种是将整个CNC单元（或运动控制模板）包括集成的单元（或运动控制模板）包括集成的PLC插入到个人计算机的插入到个人计算机的标准槽中。标准槽中。CNC单元单元（或运动控制模板）作实时控制；而个人计算机作实时处理。（或运动控制模板）作实时控制；而个人计算机作实时处理。开放式数控系统的两种模式开放式数控系统的两种模式4.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构4.3.1 4.3.1 软件结构特点软