CNC系统软硬件结构

1、第二章第二章 计算机数控系统计算机数控系统教学内容教学内容认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程2.1计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构2.3CNC系统的软件结构系统的软件结构2.4数控系统的插补原理数控系统的插补原理2.5辅助功能与辅助功能与PLC2.62.1认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程数控车床的计算机数控系统数控车床的计算机数控系统 2.1认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程加工中心的计算机数控系统加工中心的计算机数控系统 2.2计算机数控系统的基本组成及

2、其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.1 计算机数控系统的组成计算机数控系统的组成 2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 CNC对零件程序的处理流程图对零件程序的处理流程图 2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （1）零件程序的输入）零件程序的输入输入方式输入方式:光电阅读机输入、磁盘输入、手动键盘输入（即光电阅读机输入、磁盘输入、手动键盘输入（即MDI输入方式）、上级计算机的输入方式）、上级计算机的DN

3、C接口输入接口输入 。输入设备主要有输入设备主要有2个任务个任务 ：任务任务1：输入：输入任务任务2：读出：读出2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （2）译码）译码译码：译码：就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。码结果缓冲器中。译码主要包括译码主要包括代码识别代码识别和和功能解释功能解释2大部分。大部分。在译码过程中，还要完成对程序段的

4、语法检查，若发现语法在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误系统立即报警。错误系统立即报警。2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （3）刀具补偿）刀具补偿（4）进给速度处理）进给速度处理（5）插补）插补（6）位置控制）位置控制（7）I/O处理处理（8）显示）显示（9）诊断）诊断2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.3CNC系统系统的功能的功能控制功能控制功能准备功能准备功能 插补功能插补功能 主轴功能主轴功能 进给功能进给功能 辅助功能辅助功能 刀

5、具功能刀具功能 字符显示功能字符显示功能 自诊断功能自诊断功能 补偿功能补偿功能 固定循环功能固定循环功能 图形显示功能图形显示功能 通信功能通信功能 人机对话编程功能人机对话编程功能 基本功能基本功能选择功能选择功能2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 1单微处理器结构单微处理器结构 指在指在CNC装置中只有装置中只有1个微处理器（个微处理器（CPU），工作），工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存储、插补运算、输入输出控制、储、插补运算、输入输出控制、CRT显示

6、等。显示等。2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 1单微处理器结构单微处理器结构 单微处理器结构框图单微处理器结构框图 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置中有装置中有2个或个或2个以上微处理器。个以上微处理器。 多微处理器多微处理器CNC装置一般采用装置一般采用2种结构形式，即紧耦合结构和松种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。在前一种结构中，由各微处理器构成处理部件，处理部耦合结构

7、。在前一种结构中，由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在后一种件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在后一种结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （1）多微处理器）多微处理器CNC装置的功能模块装置的功能模块 CNC管理模块。 CNC插

8、补模块。 PLC模块。 位置控制模块。 存储器模块。 操作面板监控和显示模块。 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （2）多微处理器）多微处理器CNC装置的装置的2种典型结构种典型结构 共享总线结构。共享总线结构。 以系统总线为中心的多微处理器以系统总线为中心的多微处理器CNC装置，把组成装置，把组成CNC装置的装置的各个功能部件划分为带有各个功能部件划分为带有CPU或或DMA器件的主模块和不带器件的主模块和不带CPU或或DMA器件的从模块（如各种器件的从模块（如各种RAM、ROM模块，模块，

9、I/O等）两大类。等）两大类。 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （2）多微处理器）多微处理器CNC装置的装置的2种典型结构种典型结构 共享存储器结构。共享存储器结构。 采用多端口存储器来实现采用多端口存储器来实现CPU之间的互连和通信，每之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问，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。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3

10、.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （2）多微处理器）多微处理器CNC装置的装置的2种典型结构种典型结构 共享存储器结构。共享存储器结构。 多微处理器共享存储器结构多微处理器共享存储器结构 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （2）多微处理器）多微处理器CNC装置的装置的2种典型结构种典型结构 共享存储器结构。共享存储器结构。 共享存储器多共享存储器多CPU典型系统框图典型系统框图 2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 2.3.3 个人

11、计算机式个人计算机式结构的数控系统结构的数控系统 工业工业PC机机为技术平台的为技术平台的数控系统框图数控系统框图2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.1 CNC系统的软硬件界面系统的软硬件界面 4种典型种典型CNC系统的软硬件界面系统的软硬件界面2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.2 CNC系统系统2种典型的软件结构种典型的软件结构 CNC系统软件是为实现系统软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用系统各项功能而编制的专用软件，又称为系统软件，分管理软件和控制软件软件，又称为系统软件，分管理软件和控制软件2大部大部分。分。 CNC系统软件构成框图系统软件构成框

12、图 2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.2 CNC系统系统2种典型的软件结构种典型的软件结构 1前后台型软件结构前后台型软件结构 对于前后台型软件结构，其软件可划分为对于前后台型软件结构，其软件可划分为2类：类： 一类是与机床控制直接相关的实时控制部分，其构一类是与机床控制直接相关的实时控制部分，其构成了成了前台程序前台程序。前台程序又称实时中断服务程序，它是。前台程序又称实时中断服务程序，它是在一定周期内定时发生的，中断周期一般小于在一定周期内定时发生的，中断周期一般小于10 ms。 另一类是循环执行的主程序，称为另一类是循环执行的主程序，称为后台程序后台程序，又称，又称背景

13、程序。背景程序。2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.2 CNC系统系统2种典型的软件结构种典型的软件结构 1前后台型软件结构前后台型软件结构 前后台型结构图前后台型结构图 2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.2 CNC系统系统2种典型的软件结构种典型的软件结构 1前后台型软件结构前后台型软件结构 背景程序结构图背景程序结构图 实时中断服务程序流程图实时中断服务程序流程图2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.2 CNC系统系统2种典型的软件结构种典型的软件结构 2中断型软件结构中断型软件结构v 中断型结构的系统软件除初始化程序之外，将中断型结构的系统

14、软件除初始化程序之外，将CNC的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，无前后台程序之分。无前后台程序之分。v 级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。2.5 数控系统的插补原理数控系统的插补原理 2.5.1 概述概述 “插补”即通过数控系统的计算“插入”、“补上”运动轨迹各个中间点的坐标。 常用的插补算法有逐点比较法、数字积分法、数据采样插补法。2.5 数控系统的插补原理数控系统的插补原理 2.5.2 逐点比较法逐点比较法定义：定义：刀具每走一步计算一次，并比较刀具与工刀具每走一步计算一次，

15、并比较刀具与工件轮廓的相对位置，使刀具向减小误差的方向件轮廓的相对位置，使刀具向减小误差的方向进给进给 。逐点比较法的原理逐点比较法的原理：计算机在控制加工过程中，：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要工件给，按规定图形加工出所需要工件 。2.5 数控系统的插补原理数控系统的插补原理 2.5.2 逐点比较法逐点比较法逐点比较法四个工作节拍：逐点比较法四个工作节拍：v 偏差判别：偏差判别：判别加工点对规定图形的偏离位置，决定进给方向。判别加工点对规定图形的偏离位置，决定进给方向。v 进给：进给：控制工作

16、台沿某个坐标进给一步，向规定的图形靠拢，缩控制工作台沿某个坐标进给一步，向规定的图形靠拢，缩小偏差。小偏差。v 偏差计算：偏差计算：计算新的加工点对规定图形的偏差，作为下一步判别计算新的加工点对规定图形的偏差，作为下一步判别偏差的依据。偏差的依据。v 终点判别：终点判别：判别是否到达终点，若到达终点，发出插补完成信号；判别是否到达终点，若到达终点，发出插补完成信号；若未到达终点，返回到第若未到达终点，返回到第1拍，继续循环过程。拍，继续循环过程。逐点比较法的工作节拍逐点比较法的工作节拍 2.6 辅助功能与辅助功能与PLC v 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制技术的基础上发展起来的一种新可

17、编程控制器是在继电器控制和计算机控制技术的基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置型工业自动控制装置v 早期的可编程控制器在功能上只能实现简单的早期的可编程控制器在功能上只能实现简单的逻辑控制逻辑控制，称为可编程逻辑控，称为可编程逻辑控制器（制器（Programmable Logic Controller，PLC）。）。v 随着电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器除实现逻辑控制外，还可随着电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器除实现逻辑控制外，还可实现实现模拟量、运动和过程的控制及数据处理模拟量、运动和过程的控制及数据处理等。等。v 1908年，美国电气制造协会将它正式命名为可编程控制器

18、年，美国电气制造协会将它正式命名为可编程控制器（Programmable Controller，PC）。）。 v 作用作用：控制包括机床主轴运动部件的变速、换向、启动和停止指令，刀具的：控制包括机床主轴运动部件的变速、换向、启动和停止指令，刀具的选择、交换指令，冷却液的开和停，润滑装置的启动和停止，工件和机床部选择、交换指令，冷却液的开和停，润滑装置的启动和停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等辅助动作及防护、照明等各种辅助件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等辅助动作及防护、照明等各种辅助装置。装置。 2.6 辅助功能与辅助功能与PLC 2.6.1 PLC在数控机床中的应用在数

19、控机床中的应用1内装型内装型PLC 专为数控机床顺序控制而设计制造专为数控机床顺序控制而设计制造 。 内装型内装型PLC从属于数控装置，从属于数控装置，PLC与与NC之间的信号之间的信号传送在传送在CNC内部即可实现。内部即可实现。 PLC与机床之间通过与机床之间通过CNC输入输入/输出接口电路实现输出接口电路实现信号传送。信号传送。 特别适用于单机数控设备。特别适用于单机数控设备。 2.6 辅助功能与辅助功能与PLC 2.6.1 PLC在数控机床中的应用在数控机床中的应用2独立型独立型PLC v 输入输入/输出信号接口规范，输入输出信号接口规范，输入/输出点数、程序输出点数、程序存储容量以及

20、运算和控制功能均能满足数控机床控制要求。存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床控制要求。v 独立型独立型PLC又称通用型又称通用型PLC，其，其PLC独立于独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。控制任务。 2.6 辅助功能与辅助功能与PLC 2.6.2 M、S、T功能的实现功能的实现可编程控制器在数控机床上主要完成可编程控制器在数控机床上主要完成M、S、T功能，即除功能，即除了主运动以外的辅助功能。了主运动以外的辅助功能。1主轴主轴S功能功能主轴主轴S功能的处理过程功能的处理过程 2.6 辅助功能与辅助功能与PLC 2.6.2 M、S、T功能的实现功能的实现2刀具刀具T功能功能 对于刀套编码的对于刀套编码的T功能处理过程是：功能处理过程是：CNC装置送出装置送出T代码指令给代码指令给PLC，PLC经过译码，在数据表内检索，找到经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号所代码指定的新刀号所在的数据表的表地址，并与现行刀号进行判别比较，如不符合，则将在的数据表的表地址，并与现行刀