计算机数控装置硬件结构与软件结构

1、计算机数控装置硬件结构与软件结构4.1 4.1 概述概述 从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件( (各运动轴) )的位移量、速度位移量、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计算机控制系统。2 从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由硬件（通用硬件和专系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。CNCCNC系统平台系统平台3PC+CNC+PLC4CNCCNC系统工作过程系统工作过程 输入输入译码译码数据处理数据处理插补插补将各个坐标

2、轴的分量送到将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动动各轴运动实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。所要求的位置。1 1）输入）输入输入内容输入内容: :零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式输入方式: :磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的上位计算机的DNCDNC接口输入接口输入2 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释

3、、翻译）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。定的内存专用区内。53 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4 4）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置

4、与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6 6）I/OI/O处理：处理处理：处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。制。7 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。64.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 按其中含有按其中含有CPUCPU的多少可分为：的多少可分为： 单微处理机结构和多微处理机结构；单微处理机

5、结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为： 大板结构和模块化结构。大板结构和模块化结构。7单微处理器结构单微处理器结构 以一个以一个CPUCPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为核心，CPUCPU通过总线与存储器和各种接口相通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。8v 一个微处理器完成所有的功能；一个微处理器完成所有的功能；v 采用总线结构；采用总线结构；v 结构简单，易于实现；结构简单，易于实现；v 功能受限制。功能受限制。特点：特点：组成：组成

6、：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；91 1微处理器微处理器 微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。2 2总线总线 采用总线结构。分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。3 3存储器存储器 只读存储器（ROM）：系统程序 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息； CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数；4 4输入输入/ /输出（输出（I IO O）接口）接口5 5位置控制器位置控制器 对进给运动的坐标轴位置进行控制（

7、包括位置和速度控制） 对主轴控制：一般只包括速度控制 C轴位置控制：包括位置和速度控制 刀库位置控制（简易位置控制）6 6MDIMDICRTCRT接口接口7 7可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC）8 8通信接口通信接口10多微处理器结构多微处理器结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。现相应的数控功能。特点特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现：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。容错能力强，在某模块出了故障后，通过较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出

8、了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。系统重组仍可断继续工作。典型结构典型结构: :共享总线型、共享存储器型及混合型结构共享总线型、共享存储器型及混合型结构11共享总线结构共享总线结构12结构特征结构特征v 功能模块分为带有功能模块分为带有CPUCPU的主模块和从模块（的主模块和从模块（RAM/ROMRAM/ROM，I/OI/O模块）；模块）；v 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；标准系统总线上；v 采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争

9、问题。系统总线的竞争问题。13共享存储器结构共享存储器结构14结构特征结构特征v 面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；和通讯；v 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存

10、储器（双端口端口RAMRAM）。）。15开放式数控系统结构开放式数控系统结构v 可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。平台，仍然保持原有特性。v 可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。v 可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。交换数据。v 规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。按照需要调整。开放的含义开放的含义: :161

11、7 软数控：软数控：Soft CNCSoft CNC 以以PCPC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。通过接口机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。 PC PC内嵌入运动控制卡内嵌入运动控制卡: :把多轴运动控制卡插入传统的把多轴运动控制卡插入传统的PCPC中，实现以坐标轴运动为主的中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。实时控制（作为数控功能运行）。PCPC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。作为人机接口平台。

12、易实现，研究单位和高校。 PC PC内嵌入专用数控模块：专业厂家认为内嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNCCNC系统最主要功能是高速、高系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，精加工和可靠性，PCPC的死机现象是不允许的。已生产的大量的死机现象是不允许的。已生产的大量CNCCNC系统在体系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PCPC板，提供键盘，板，提供键盘，使使PCPC与与CNCCNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNCCNC系统厂家（如系统厂家

13、（如fanucfanuc，siemenssiemens等）现在都这样做。等）现在都这样做。开放式数控系统结构形式开放式数控系统结构形式: :184.3 CNC4.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 组成：由组成：由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软件两部分组成。控制软件两部分组成。19CNCCNC系统软件的工作过程：系统软件的工作过程：输入程序输入程序 把加工程序、控制参数和补偿数据输入到把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。装置中。译码程序译码程序 将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计

14、算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。误检查，发现错误立即报警。20数据处理程序数据处理程序 刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理。刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理。刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：v 根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。v 根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。v 根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。21速度处理：速度处

15、理： 加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。速加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。v 开环系统开环系统: :通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的算的方法是根据程编的F F值来确定该频率值。值来确定该频率值。v 半闭环和闭环系统半闭环和闭环系统: :采用数据采样方法进行插补加工，采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据程编的速度计算是根据程编的F F值，将轮廓曲线分割为采样周期的值，

16、将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。轮廓步长。22插补计算程序插补计算程序 在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间点位置坐标的运算过程。点位置坐标的运算过程。 中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。件或硬件自动完成。23位置控制软件位置控制软件 每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比较，用差值去控制电机。行比较，用差值去控制电机。24CNCCNC系统的软件结构特点系统的软件结构特点v 多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插

17、补处理、位多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、置控制、v 并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。上任务处理。并行处理的实现方式并行处理的实现方式： 资源分时共享（单资源分时共享（单CPU） 资源重叠流水处理（多资源重叠流水处理（多CPU）多任务性与并行处理技术多任务性与并行处理技术特点特点: :25v在单在单CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，可采用系统中，可采用“资源分时共享资源分时共享”并并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，根行处理技术。即：在规定的时间长度（时间

18、片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用据各任务实时性的要求，规定它们占用CPUCPU的时间，使的时间，使它们分时共享系统的资源。它们分时共享系统的资源。v“资源分时共享资源分时共享”的技术关键：的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用其二：各任务占用CPUCPU的时间长度，即时间片的分配问题。的时间长度，即时间片的分配问题。资源分时共享并行处理资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）（对单一资源的系统）26资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图27并发处理和流水处理并发处理和流水处理（对多资源的系统）（对多资源的系统） 在多在

19、多CPU结构的结构的CNC系统中，根据各任务之间的关系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：联程度，可采用以下两种并行处理技术：v 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行上同时执行 并发处理；并发处理；v 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。行处理。28流水处理技术示意图流水处理技术示意图29分类分类: :v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