数控系统的组成课件

1、第5章 数控系统的组成 5.1 经济型数控系统 5.2 标准型数控系统 5.3 数控系统中的通信接口 5.4 FANUC数控系统 5.5 Siemens数控系统 5.6 开放式数控系统 思考与练习 5.1 经济型数控系统 5.1.1 经济型数控系统的组成 经济型数控系统根据其应用场合不同，功能有所区别， 但其总体结构大致相同。图5-1所示为经济型数控系统的一般结构， 主要由以下几个部分构成： 图 5-1 经济型数控系统一般结构 （1） 微机: 主要包括CPU、 EPROM、 RAM、 IO接口等电路。 （2） 驱动: 由步进驱动装置与步进电动机构成。 在经济型数控系统中步进电动机一般为功率式步

2、进电动机。 （3） 开关量控制电路: 负责机床侧I/O开关及机床操作面板与微机的连接，涉及到M、T、S指令的执行。 （4） 主轴控制：由主轴电动机及主轴驱动装置组成。 （5） 通信接口: 一般指RS232C接口，完成数控系统与微机的通信。 （6） 软件系统: 由系统软件与应用软件构成。 5.1.2 微机系统1. 微机机型的选取经济型数控系统常采用单片机为主控微机，如Intel公司的8031、8098等。就当前情况来看，经济型数控系统选择8098较为经济合理，因其运算速度是8031的56倍。但8031位处理功能很强，很适合于开关量控制。 2. 存储器的扩充存储器可分为数据存储器与程序存储器，一般

3、程序存储器主要存放系统的监控程序与控制程序，用户无需修改，常采用EPROM存储器， 如2764或27256等芯片。数据存储器用来存放用户程序、中间参数、运算结果等，常采用6264或62256等芯片。 3. IO接口电路常用并行接口芯片8255A来扩展系统IO口的点数，用8279来控制键盘显示，至于定时/计数器与中断系统，一般由单片机本身的资源提供。 4. 辅助电路辅助电路主要包括驱动电路、译码电路、复位电路等。 驱动电路主要采用单向驱动芯片244与双向驱动芯片245；译码电路主要包括三八译码器138；复位电路主要有上电复位与按钮复位或二者的组合复位电路。 5.1.3 外围电路1. IO通道IO

4、通道要充分考虑电平匹配、缓冲/锁存及信号隔离等因素，以防止信号的丢失及干扰的引入。一般对信号的隔离常采用光电隔离，该隔离方式设计简单，成本较低而且信号隔离也较为可靠，图5-2和图5-3所示为常用的带光电隔离的输入电路与输出电路。 图 5-2 开关量输入电路(a) 弱电接点输入电路; (b) 强电接点输入电路 图 5-3 开关量输出电路 (a) 继电器输出; (b) 大功率晶体管或双向晶闸管输出 2. 步进电动机的功率驱动步进电动机的驱动主要有高低压驱动、 恒流斩波驱动等形式。 3. 主轴驱动主轴驱动有直流驱动和交流驱动。数控系统中的微机根据数控程序中的S指令，求出主轴转速给定值，并将给定值传送

5、给主轴驱动装置。当采用交流变频方式时，频率给定主要有两种方式，一种为模拟量给定，另一种为数字量给定。当用模拟量给定转速时，可将微机输出的数字量经DA转换、隔离及放大滤波后送到变频器；当用数字量给定转速时，可直接经8255A输出， 经隔离后送至变频器。 5.1.4 软件结构1. 输入数据处理程序 (1) 输入: 主要是指由用户从操作面板上输入控制参数、 补偿数据及加工程序，一般均采用键盘直接输入，故软件的作用主要是字符的读取与存放。 (2) 译码: 在输入的加工程序中，含有零件的轮廓信息、 要求的加工速度及一些辅助信息(如主轴正、反转、停、换刀、 切削液开、 关等)， 这些信息在微机进行插补运算

6、与控制操作之前必须翻译成机器所能识别的代码，即译码，在软件设计时常采用编译方式来完成译码。 (3) 数据处理: 主要包括刀具补偿、 速度计算及辅助功能的处理等。 2. 插补运算程序插补运算是实时性很强的程序，而且算法较多，应根据系统的需要选择合适的算法，力争达到最优化地实现各坐标轴脉冲的分配。 3. 速度控制程序速度控制是和插补运算紧密相关的，在输入指令中所给的速度一般指各坐标轴的合成速度。速度处理首先要将合成速度分解成各运动坐标方向的分速度，然后再利用软件延时或定时器实现速度的控制。速度控制程序决定着插补运算的时间间隔，插补运算的输出结果控制着各坐标轴的进给。 4. 系统管理诊断程序 (1)

7、 管理程序: 其实质就是系统监控程序， 它主要负责键盘显示的监控，中断信号的处理及各功能模块的协调。 如能实现程序并行处理，则可在插补运算与速度控制的空闲时刻完成数据的输入处理，从而大大提高了程序的实时性。 (2) 诊断程序：主要包括系统的自诊断(如开机运行前， 检查系统上各种部件的功能正常与否)和运行诊断，并能在故障发生后， 给出相应的报警信息，帮助维修人员较快地找出故障原因， 以利故障诊断和维修。 图 5-4 单片机数控系统组成 目前系统选用最通用的MCS-51系列8031单片机， 并扩展一片2764EPROM，一片6264SRAM，一片8255A并行IO口和一片74HC244并行IO口。

8、 在系统中，一片2764EPROM用来存放系统软件；一片6264SRAM用来存放加工程序和数据，并具有掉电保护，保证数据不丢失；8031片内的SRAM作数据缓冲和椎栈等用；74HC244用于手动开关输入；8255A用于开关命令、步进电动机控制、 状态检测和刀架转位等； P1口具有较强的位选功能，作为声光报警， 中断扩展查询等辅助IO功能。 在人机接口方面，采用Intel8279芯片作为键盘显示器接口。8279用硬件自动完成键盘与显示器控制。 在系统中断处理方面，外部中断入口INT1用于8279键盘输入中断；INT0用于实现实时处理紧急停车、暂停、限位报警功能。系统采用三输入端与非门74HC10

9、的输出端作为一个共用的中断信号源接至INT0。 在步进电动机控制方面，8255A的PA口输出的信号至功放电路后，分别控制X轴、Z轴的步进电动机。步进电动机的环形分配采用软件来实现，其控制方式采用三相六拍制，当三相绕组按A-AB-B-BC-C-CA的顺序通电时，就可实现电动机的正转，反之，若按A-AC-C-CB-BA的顺序通电，则可实现电动机的反转。 利用TO进行频率控制，从而实现对电动机的转速控制。 在通信接口方面，系统能与微机(PC)实现通信，它们之间采用RS-232C串行标准通信。单片机串行口上的TTL电平信号经MC1488/1489芯片转变为RS-232C电平后接至PC机。若编制较复杂的

10、零件加工程序，手工编程的工作量大而且易出错，则可采用PC机进行自动编程，然后再通过串行口传送给单片机数控系统。另外， 系统采用单稳态电路CC4098实现硬件“看门狗”功能，它的输出通过与上电按钮复位电路经74HC32和8031的复位端RST相连。在系统软件方面，主要由操作管理程序、步进电动机输出控制程序及诊断程序等部分组成， 其程序框图如图5-5所示。 图 5-5 系统程序框图 5.2 标准型数控系统 5.2.1 标准型数控系统的基本组成1. 组成标准型数控系统一般是由程序的I/O设备、通信设备、 微机系统、可编程控制器、主轴驱动装置、进给驱动装置及位置检测等组成，如图5-6所示。 图 5-6

11、 标准型数控系统基本组成 2. 模块功能 (1) 微机控制系统。微机控制系统是CNC的核心，数控系统的主要信息均由它进行实时控制。随着计算机技术的不断发展，微机控制系统的CPU芯片也逐步由8086发展到80586、P等，而且由单微处理器系统向多微处理器系统方向发展。 (2) 可编程控制器(PLC)。可编程控制器主要作用是用来实现辅助功能，如M、S、T等，其控制方式主要是开关量控制。 按数控系统中PLC的配置方式可分为内装型PLC和外装型PLC，现代CNC系统一般均采用内装型PLC。 (3) 主轴控制模块。主轴控制模块主要任务就是控制主轴转速和主轴定位。现代数控机床主轴电动机大多采用交流电动机，

12、相应的驱动装置为变频器。CNC只需要输出相应的控制信号到变频器，就能实现主轴转速、定位的控制。 (4) 进给伺服控制模块。数控机床对进给轴的控制要求很高，它直接关系到机床位置控制精度。进给伺服系统一般由速度控制与位置控制两个控制环节组成，CNC根据位置控制单元的信息，处理并输出控制信号通过速度控制单元完成速度控制。 (5) 检测模块。检测模块完成主轴和进给轴的位置检测。 检测装置主要有光电编码器及光栅尺等，其作用就是配合主轴控制模块、进给轴控制模块完成位置的控制。 (6) 输入、输出及通信模块。输入、输出模块完成程序的输入与输出，通信模块传递人机界面所需的各种信息。 5.2.2 标准型数控系统

13、的硬件结构 1. 单微处理器数控系统的结构在单微处理器结构中，整个系统只有一个CPU，它采用集中控制、分时处理方式进行控制，其结构框图如图5-7所示。 该结构的主要特点为： (1) CNC装置内只有一个CPU，系统对存储器、插补运算、 I/O控制、程序输入、CRT显示等控制均由该CPU进行分时处理来完成。 (2) CPU通过地址、数据和控制(AB、DB、CB)三大总线与各个控制单元相连，完成信息交换。 (3)由于系统为单CPU结构，因此其功能、速度等受微处理器本身性能的影响而有一定的局限性。 图 5-7 单微处理器结构框图 2. 多微处理器结构多微处理器结构的CNC是将数控机床的总任务划分为各

14、个子任务，每一子任务均由一个独立的微处理器来控制。 系统通过各子任务之间相互协调来完成对机床的控制。 1) 多微处理器结构的特点多微处理器结构与单微处理器结构相比，主要有以下优点： （1） 性能价格比高。 （2） 模块化结构。 2) 多微处理器数控系统的结构多微处理器CNC装置主要由CNC管理模块、CNC插补模块、 位置控制模块、PLC模块、存储器模块、数据I/O及显示模块等部分组成。结构类型主要有共享总线结构与共享存储器结构两大类。 （1） 共享总线结构。在以系统总线为中心的多微处理器结构中，所有主、从模块均插在总线槽内，共享严格定义的总线标准，系统总线将各模块有效地连接在一起，按照要求交换

15、数据及控制信息。在系统中，某一时刻只能有一个主模块占据总线，从而会造成各主模块发生总线竞争， 通常利用仲裁电路来解决这一问题。多微处理器共享总线结构通用结构框图如图5-8所示。 图 5-8 多微处理器共享总线结构框图 （2） 共享存储器结构。 在这种结构中， 通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图5-9所示。 图5-10是一个双端口存储器结构，它配有两套数据、地址与控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好。当两个端口同时访问时， 由内部硬件电路裁决其中一个端口优先访问。 图5-9 多微处理器共享存储器结构框图 图5-10

16、 双端口存储器结构框图 5.2.3 标准型数控系统的软件结构 1. 多任务并行处理 1) CNC系统的多任务性 CNC系统作为一个独立控制单元，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务，系统的管理软件主要包括输入、IO处理、 通信、显示和诊断等程序，这类程序的实时性要求不高，通常作为后台程序。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制、开关量控制等软件，这类程序的实时性要求非常高， 通常作为前台程序。 图5-11为CNC系统的软件功能分解图， 它反映了数控系统软件的多任务性。 图 5-11 CNC系统的任务分解 在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。例如，为了使操作人员

17、能及时地了解CNC系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行；当插补加工运行时， 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，刀具在各程序段之间不停顿，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。这均说明了CNC系统的多任务在执行过程中有着并行处理的关系。 2) CNC系统的多任务并行处理 （1） 资源分时共享。资源共享是根据“分时共享”的原则， 使多个用户按时间顺序使用同一套设备。通常在此种方式中， 各任务何时占用CPU及各任务占用CPU

18、时间的长短是首先要解决的两个问题。 在CNC系统中，各任务使用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决的，图512所示为某CNC系统各任务共享CPU的时间分配图。 图 5-12 CPU分时共享和中断优先级(a) CPU分时共享； (b) 中断优先级 系统在完成初始化任务后，自动进入时间分配循环中， 在环中依次处理各任务。对实时要求较高的任务，则根据实时性的要求进行优先级排队，分别放到不同的中断优先级上进行服务。在这种结构中，环内的任务作为背景程序，在无中断时始终执行，而环外的任务，即中断服务程序可随时中断环内各任务，并得到执行。每个任务允许占有CPU的时间要受到一定的限制，一般对于某些占

19、有CPU时间较多的任务，如插补准备， 可以在程序的某些地方设置断点，当程序运行到断点处，自动让出CPU供其他任务占用，等到下一运行时间里再自动跳到断点处继续执行。 （2） 资源重叠流水处理。资源重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。CNC系统处在自动工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备(包括译码、刀具补偿和速度处理)、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为t1、t2、t3、t4，那么一个零件程序段的数据转换时间T将是： T=t1+t2+t3+t4 假设以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个零件程序段处理完

20、以后再处理第二个程序段，依此类推，这种顺序处理时的时间空间关系如图5-13(a)所示。从图上可以看出， 如果等到第一个程序段处理以后再对第二个程序段进行处理，那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为T的间隔。同样在第二个程序段与第三个程序段的输出之间也会有时间间隔， 依此类推。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的时转时停，反映在刀具上就是刀具的时走时停。不管这种时间间隔多么小，这种状态在加工工艺上都是不允许的。消除这种间隔的方法就是用流水处理技术，采用流水处理后的时间关系如图5-13(b)所示。 图 5-13 资源重叠流水处理(a) 顺序处理； (b) 流水处理 2. 实时中断处理 1)

21、 CNC系统的中断源（1） 外部中断: 主要有纸带阅读机中断、外部监控中断(急停， 测量仪到位等)和键盘操作、面板输入中断。前两种中断的实时性要求较高，通常将它们放在中断优先级较高的中断上，而后两种则放在较低的中断优先级上。 （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中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算定时等。 （4） 程序性中断: 是程序中出现的各种异常情况报警中断， 如计算溢出、 除零等。 2) CNC系统中断结构模式（

22、1） 前、后台软件结构中的中断模式。在此种软件结构中，整个控制软件分为前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，它完成全部的实时功能，如插补、位置控制等； 后台程序即背景程序，其实质是一个循环运行程序， 它完成管理及插补准备等功能。在背景程序的运行过程中， 前台实时中断程序不断插入，与背景程序相配合，共同完成零件的加工任务。二者之间的关系如图5-14所示。 图 5-14 前、 后台软件结构（2） 中断型软件结构中的中断模式。中断型结构的特点是除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被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。 其管理的功能主要通过各级中断服务程

23、序之间的相互通信来完成。表5-1所示为某CNC系统各级中断的主要功能。 该中断优先级共7级，其中0级为最低优先级，实际上是初始化程序； 1级为主控程序，当没有其他中断时，该程序循环执行； 7级为最高级。除了第4级为硬件中断完成报警功能之外，其余均为软件中断。 表5-1 CNC系统各级中断的主要功能 0级中断程序: 是初始化程序，是为整个系统的正常工作做准备的。 主要完成： a. 清除RAM工作区； b. 设置有关参数和偏移数据； c. 初始化有关电路芯片。 1级中断程序: 是主控程序，即背景程序。当没有其他中断时，1级程序始终循环运行。主要完成： a. CRT显示控制； b. ROM奇偶校验。

24、 2级中断服务程序: 主要工作是对系统所处的各种工作方式进行处理。 包括： a. 自动方式； b. MDI方式； c. 点动增量方式； d. 手动连续进给或手轮方式； e. 示教方式； f. 编辑方式。 3级中断服务程序: 主要完成： a. IO映像处理， 用于PLC开关量信号的控制;b. 键盘扫描和处理; c. M、S、T处理, 将辅助功能， 如主轴正、 反转(M03、 M04)，切削液的开、 关(M08、 M09)，主轴转速(S指令)以及换刀(M06及T指令)等控制信号输出，以控制机床的动作。 4级中断程序:当数控系统硬件出现故障时，由系统诊断程序进行检测，并将出错信息以指示灯或CRT显示

25、的形式表示出来。 5级中断服务程序: 主要完成： a. 插补运算； b. 坐标位置修正； c. 间隙补偿； d. 加减速控制。 6级中断服务程序: 这是一种软件定时方法。通过这种定时，可以实现2级和3级的16 ms定时中断，并使其相隔8 ms。 当2级或3级中断还没有返回时，不再发出中断请求信号。 7级中断服务程序: 当纸带通过光电阅读机输入时， 光电阅读机每读到纸带上一排孔的信息，立即向数控系统发出一个中断请求信号， 要求处理所读到的一个字符。 以上是一个典型的单处理器数控系统的软件结构，该系统的位置控制由硬件处理。当位置控制用软件来处理时，则位置控制程序应安排在插补程序同一级或更高级的中断

26、服务程序中。 在多微处理器系统中，软件将以上控制任务分配到各个处理器，流水作业并行处理。处理器之间的协调仍可用中断的方式，只是有的中断源变为由其他处理器申请的外部中断。 3. CNC系统软件的工作过程1) 输入CNC系统中的零件加工程序，一般是通过键盘、 磁盘或纸带阅读机等方式输入的，在软件设计中， 这些输入方式大都采用中断方式来完成，且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序。如在键盘输入时，每按一个按键，硬件就向主机CPU发出一次中断申请，若CPU响应中断， 则就调用一次键盘服务程序，完成相应键盘命令的处理，键盘中断服务程序的流程图如图5-15所示。 图 5-15 键盘中断服务程序 在CN

27、C系统中，无论哪一种输入方法，其存储过程总是要经过零件程序的输入，然后将输入的零件程序先存放到缓冲器中，再经缓冲器到达零件程序存储器。零件程序的存储和读取过程如图5-16所示。 图 5-16 程序的存取 (a) 零件程序存储； (b) 零件程序读取 2) 译码译码就是将输入的零件程序翻译成本系统所能识别的语言。 译码的结果存放在指定的存储区内，通常称为译码结果寄存器。 译码程序的功能就是把程序段中的各个数据根据其前后的文字地址送到相应的缓冲寄存器中， 图5-17为译码程序流程图。 图 5-17 译码程序流程图 译码可在正式加工前一次性将整个程序翻译完，并在译码过程中对程序进行语法检查，若有语法

28、错误则报警，这种方式可称之为编译；另一种处理方式是在加工过程中进行译码，即数控系统进行加工控制时，利用空闲时间来对后面的程序段进行译码， 这种方式可称之为解释。用解释方式，系统在运行用户程序之前通常也对用户程序进行扫描，进行语法检查， 有错报警。用编译方法可以节省时间，使加工控制时数控系统不致太忙，并可在编译的同时进行语法检查，但需要占用的内存较大。一般数控代码比较简单，用解释方式占用的时间也不多，所以CNC系统常用解释方式。 3) 数据处理（1） 进给速度控制。在开环系统中，坐标轴运动的速度是通过控制步进电动机的进给脉冲频率来实现的。开环系统的速度计算是根据程序的F值来确定步进电动机进给脉冲

29、频率的。 步进电动机走一步，相应的坐标轴移动一个脉冲当量，进给速度F(mmmin)与进给脉冲频率的关系为 两轴联动时，各坐标轴的进给速度分别为 Fx=60fXFy=60fY 式中Fx、Fy分别为X轴、Y轴的进给速度(mmmin)；fx、fy分别为X轴、Y轴步进电动机的进给脉冲频率。合成的进给速度为 在闭环或半闭环系统中，由于采用数据采样插补法进行插补计算，因此进给速度是根据编程的F值，计算出每个采样周期的轮廓步长来获得的。 （2） 加减速控制。为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必须对送到伺服驱动装置的进给脉冲频率或电压进行加减速控制。即在机床加速启动时，保证加在驱动电动机

30、上的进给脉冲频率或电压逐渐增大；而当机床减速停止时，保证加在驱动电动机上的进给脉冲频率或电压逐渐减小。在CNC系统中，加减速控制多数采用软件来实现。加减速控制可以在插补前进行，称为前加减速控制；也可以在插补后进行， 称为后加减速控制， 如图5-18所示。 图 5-18 前加减速和后加减速控制 前加减速控制仅对程编指令速度F进行控制，其优点是不会影响实际插补输出的位置精度，缺点是需要预测减速点， 而预测减速点的计算量较大。后加减速控制是对各轴分别进行加减速控制，不需要预测减速点，由于对各轴分别进行控制， 因此实际各坐标轴的合成位置就可能不准确，但这种影响只是在加减速过程中才存在，进入匀速状态时这

31、种影响就没有了。 加减速实现的方式有线性加减速(匀加减速)、 指数加减速和sin曲线(S)加减速，图519为三种加减速的特性曲线。 其中， 线性加减速常用于点位控制系统中；指数和S曲线加减速常用于轮廓控制系统中。 图 5-19 加减速特性曲线(a) 线性加减速; (b) 指数加减速; (c) S曲线加减速 （3） 反向间隙及丝杠螺距补偿。位置精度是数控机床最重要的一项指标。在点位、直线控制系统中，位置精度中的定位精度影响工件的尺寸精度； 在轮廓控制系统中，定位精度影响工件轮廓的加工精度，产生轮廓失真。通过反向间隙补偿及位置补偿可提高数控机床的位置精度。 反向间隙又称失动量，是由进给机械传动链中

32、的导轨副间隙、丝杠螺母副间隙及齿轮副齿隙、丝杠及传动轴的扭转、 压缩变形,以及其他构件的弹性变形等因素综合引起的。由于反向间隙的存在，因此当进给电动机转向改变时，会引起电动机空转一定角度而工作台不移动的现象。反向间隙补偿是在电动机改变转向时，让电动机多转动一个角度， 消除间隙后才正式计算坐标运动的值，即空走不计入坐标运动。各轴的反向间隙值可以离线测出，如激光干涉仪等测距装置，补偿数据作为机床参数存入数控系统中， 供补偿时取用。 丝杠螺距累积误差是在丝杠制造和装配过程中产生的， 呈周期性的变化规律。在闭环控制系统中， 由于在机床工作台上安装了位置检测装置，定位精度主要取决于位置检测装置的系统误差

33、，如分辨率、线性度及安装、调整造成的误差。 位置误差补偿是通过对机床全行程的离线测量，得到定位误差曲线，在误差达到一个脉冲当量的位置处设定正或负的补偿值。 当机床坐标轴运动到该位置时，系统将坐标值加或减一个脉冲当量，从而将实际定位误差控制在一定的精度范围内。位置误差补偿数据作为机床参数存入数控系统中。图5-20所示为数控机床一坐标轴位置误差补偿前后的定位误差曲线。 图 5-20 定位误差曲线(a) 补偿前； (b) 补偿后 4) 插补运算插补运算是CNC系统中最重要的计算工作之一。在实际的CNC系统中，常采用粗、精插补相结合的方法，即把插补功能分成软件插补与硬件插补两部分， 数控系统控制软件把

34、刀具轨迹分割成若干段， 而硬件电路再在各段的起点和终点之间进行数据的“密化”， 使刀具轨迹在允许的误差之内，即软件实现粗插补， 硬件实现精插补。 5) 输出输出控制主要完成伺服控制及M、S、T等辅助功能。伺服控制包括数控系统向驱动装置发出的模拟速度控制信号或一串脉冲指令， 同时接受位置反馈信号， 实现位置控制。S功能的信息用于主轴转速控制，数控系统将译码后的S信息传送给主轴控制系统，由主轴控制系统对主轴进行控制。M、T功能主要涉及到开关量的逻辑控制，用可编程控制器来处理。 数控系统只需将译码后的M、T信息适时地传送给可编程控制器， 就可完成诸如主轴、冷却和润滑、刀库选刀及机械手换刀、工作台交换

35、等控制。 6) 管理与诊断CNC系统的管理软件主要包括CPU管理与外设管理。如前后台程序的合理安排与协调工作，中断服务程序之间的相互通信，控制面板与操作面板上各种信息的监控等。 诊断程序可以防止故障的发生或扩大，而且在故障出现后，可以帮助用户迅速查明故障的类型与部位，减少故障停机时间。在设计诊断程序时，诊断程序可以包括在系统运行过程中进行检查与诊断，也可以作为服务程序在系统运行前或故障发生停机后进行诊断。 5.3 数控系统中的通信接口 5.3.1 异步串行通信接口数据在设备之间传送可以采用并行方式或串行方式。串行通信接口需要有一定的控制逻辑，发送端将机内的并行数据转换成串行信号再发送出去，接收

36、端要将串行信号转换成并行数据再送至机内处理。常用的串行通信功能芯片有8251A、 MC6850及6852等。 为了保证数据传送的正确性和一致性，接收和发送双方对数据的传送应确定一致的且共同遵守的约定，包括定时、控制、 格式化和数据表示方法等，这些约定称之为通信规则或通信协议。串行通信协议分为同步协议和异步协议。异步串行通信协议比较简单，但速度不快；同步串行通信协议传送速度比较高， 但接口比较复杂。 异步串行通信接口在机床数控系统中应用比较广泛，主要的接口标准有RS-232C20mA电流环和RS-422RS-449，此外RS-485串行接口也得到了广泛应用。 RS-232C逻辑“0”电平规定为5

37、15 V之间，逻辑“1”电平为-5-15 V之间。RS-232C 共有25条线，大多采用DB-25型25针连接器或9针连接器。RS-232C每秒所传送的数据位用波特率表示， 常用的有9600、4800、2400、1200、600、300、150、 110、 75、 50。 20 mA电流环通常与RS-232C接口一起配置，其接点是由电流控制的，以20 mA电流作为逻辑“1”，以零作为逻辑“0”。 电流环对共模干扰有抑制作用， 并可采用隔离技术消除接地回路引起的干扰。RS-232C接口的最大传输距离为15 m； 20 mA电流环接口传输距离可达100 m。 RS-422规定了双端口电气接口形式，

38、其标准是双端线传送信号。如果其中的一条线为逻辑“1”状态，则另一条就为逻辑“0”状态。因电压回路是双向的，用差分接收器接收信号， 故可大大改善通信性能，最大传输距离可达1200 m。RS-449是对通信接口功能的补充规定，包括插头、插座等。RS-485串行接口常用于现场总线的通信系统中。 5.3.2 网络通信接口在直接数控(DNC)、柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)中， 数控系统作为DNC、FMS和CIMS结构中的一个基础层次，用作设备层或工作站的控制器时，可以是FMS或CIMS的有机组成部分，一般与工业局域网络相连。现代CNC系统一般具有与上级计算机或连入工厂局域网络进

39、行网络通信的功能。以CNC为基础的自动化制造系统，信息传送量很大，远远多于CNC单机运行的信息量。工业局域网络有距离限制， 要求有较高的传输速率，较低的误码率， 可以采用多种传输介质，如双绞线、同轴电缆及光纤等，也可以通过调制解调器用电话线进行传输。 5.4 FANUC数控系统 5.4.1 系统简介1. FS6系列数控系统1979年推出的FS6系列数控系统，是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC系统。其中，6M适用于铣、镗床和加工中心；6T适用于车床。系统使用了大容量磁泡存储器、专用大规模集成电路， 还备有由用户自行制作的变量型子程序的用户宏功能。 2. F101112系列数控系统1984

40、年推出的F10、F11和F12系列数控系统为多微处理器控制系统，其主CPU采用68000，在图形控制、对话式自动编程控制、轴控制等方面也都有各自的CPU。 F101112在硬件方面作了较大的改进，其中包括专用大规模集成电路四种， 厚膜电路22种，4 Mb的磁泡存储器等。 由于该系统采用光导纤维，使过去数控装置与机床以及操作板之间的数百根电缆数大幅度减少， 提高了抗干扰性和可靠性。 该系统在工厂自动化DNC方面能够实现主计算机与机床、 工作台、机械手、搬运车等之间各种数据的双向传递。它的PLC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路，简化了强电控制柜。此外,PLC的编程不仅可以

41、使用梯形图语言， 还可使用PASCAL等高级语言，便于用户开发软件。F101112系列数控系统还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理、彩色图形显示CRT等。 该系列数控系统有很多规格，可用于各种机床， 规格型号有M形、T形、TT形和F形。其中，M形用于加工中心、铣床和镗床；T形用于车床； TT形用于双刀架车床；F形是具有对话功能的数控系统。F101112系列数控系统适用于大、 中型数控机床。 3. F0系列数控系统1985年FANUC公司推出F0系列数控系统，它的主要特点是体积小、价格低，适用于机电一体化的小型数控机床。该系列数控系统是一个多微处理器系统。0A系列主C

42、PU为80186，0B系列主CPU为80286，0C系列主CPU为80386。F0系列在已有的RS-232C串行接口之外，又增加了具有高速串行接口的远程缓冲器， 以便实现DNC运行。在硬件组成上以最少的元件数发挥最高的效能为宗旨，采用了最新型高速和高集成度微处理器， 共有专用大规模集成电路六种，其中四种为低功耗CMOS专用大规模集成电路，专用的厚膜电路有九种。三轴控制系统的主控制电路包括输入、输出接口， PMC(Programmable Machine Control)和CRT电路等都装在一块大型印制电路板上，与操作面板、CRT组成一体。 其主要功能有： 彩色图形显示、会话菜单式编程、 专用宏

43、功能、 录返功能等。自FANUC公司推出F0系列数控系统以来，得到了各国用户的高度评价， 从而成为广泛采用的数控系统之一。 F0系列数控系统有多种规格，其中，F0-MAMBMEAMCMF用于加工中心、 铣床和镗床；F0-TATBTEATCTF用于车床； F0-TTATTBTTC用于一个主轴双刀架或两个主轴双刀架的四轴控制车床； F0-GAGB用于磨床；F0-PB用于回转头压力机。 4. FS15系列数控系统1987年FANUC公司推出了新的FS15系列数控系统，称之为AI-CNC系统(人工智能数控系统)。该系列采用模块式多主总线结构，是多微处理器控制系统，主CPU为68020， 还有一个子CP

44、U，在轴控制、图形控制、通信和自动编程等功能中也有各自的CPU。FS15系列可构成最小至最高系统， 可控制215根轴，适用于大型数控机床、多轴控制和多系统控制。 并使用了高速信号处理器(DSP)，应用现代控制理论的各种控制算法在系统中进行在线控制。同时，FS15系列采用了高速度、高精度、高效率的数字伺服单元及绝对位置检测脉冲编码器(每周可分辨10万个等份)，能使用在10 000 r/min的高速运转系统中。 并且还增加了制造自动化协议(MAP, Manufacturing Automatic Protocol)和窗口功能等。 5. FS16系列数控系统FS16系列是在功能上位于FS15系列和F

45、0系列之间的最新CNC系统，在作为控制用的32位复合指令集计算机(CISC, Complex Instruction Set Computer)上又增加了32位精减指令集计算机(RISC, Reduced Instruction Set Computer)， 用于高速计算， 执行指令速度可达到2030 MIPS(Million Instruction Per Second，100万条指令每秒)，处理一个程序段的时间可缩短到0.5 ms， 在连续1 mm的移动指令下能实现的最大进给速度可达120 mmmin。FS16系列采用了三维安装技术， 使电子元器件得以高密度地安装，大大缩小了系统的占有空间

46、，同时采用高速32位FANUCBUS和TFT彩色液晶薄型显示器等新技术，使CNC系统进一步小型化，可更方便地将他们装到机械设备上。 6. FS18系列数控系统FS18系列是紧接着FS16系列推出的最新32位CNC系统，在功能上也是位于FS15系列和FS0)系列之间，但低于FS16系列。 FS18系列采用了高密度三维安装技术，与FS0系列比较，其安装密度提高了三倍。该系列采用四轴伺服控制、双轴主轴控制。在操作性能、机床接口、编程等方面与FS16系列之间有互换性。 5.4.2 功能特点 (1) 插补功能除了直线、圆弧插补外，还有极坐标插补和样条(NURBS)插补等。 (2) 切削进给的自动加减速功

47、能，除了插补后加减速之外， 还有插补前加减速，有些系统可对零件程序进行多段预读控制， 实现切削速度的最佳加减速度。 (3) 补偿功能除了螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿、 刀具补偿外，还有坡度补偿、线性度补偿等功能。如FS15系列可进行非线性补偿、静动态惯性补偿值的自动设定和更新等， 在一定精度的要求下，可使响应速度大幅度提高。 (4) 编程功能除了常规的G、M、S、T指令外，利用用户宏程序，用户可以进行个性化的作业，编制适合于机床专用加工和测量的循环程序，有些系统还可进行交互式图样直接编程。 (5) 图形显示功能除了程序显示、梯形图显示、机床数据显示外，还有伺服波形显示，即将各种伺服数据，如位

48、置误差、 指令脉冲、 转矩指令用波形在系统的CRT上显示。 (6) 通信功能除了通过RS-232C接口与微机进行通信外， 有些系统还具备网络通信接口，如F101112及FS15系统具有MAP2.1和MAP3.0接口板及配套产品，MAP2.1接口的调制系统是宽带(AMPSK)，传输介质是CATV的75 同轴电缆， 传输速率为10 Mbs。MAP3.0接口适用于10 Mbs宽带技术和5 Mbs窄带技术两种传输方法， 窄带调制解调器已做在MAP3.0接口板上。 (7) 控制功能实现平滑高增益(SHG, Smooth High Gain)的速度控制，同时大大降低位置指令的延时，缩短了定位时间。 在系统

49、内部装有能进行顺序控制的PMC，简化外部强电箱的配置，在MDICRT上进行梯形图的编辑和监控。 (8) 诊断功能采用人工智能(专家系统)，系统所具有的推理软件， 以知识库为根据，分析查找故障原因。 5.4.3 系统构成1. FANUC 0系统FANUC 0系统是大板结构的数控系统。一般由主电路板、 PLC板、附加IO板、图形控制板和电源组成。主电路板是大印制电路板， 其他电路板为小板并插在大电路板上的插槽内， 图 5-21是FANUC 0系统结构示意图， 图5-22为FANUC OM系统构成框图。 图 5-21 FANUC 0系统结构示意图 图 5-22 FANUC OM系统构成框图 电网输入

50、电压经强电柜中的变压器输出交流200 V电压至电源单元，获得直流24 V稳压电源，供CRTMDI和IO控制用。主印制电路板上有主CPU、RAM、ROM及外设接口，并带有一个手摇脉冲发生器接口，通过MB87103位置控制用大规模集成电路完成位置控制；PMC印制电路板通过IO电路与机床外部输入、输出开关及机床操作面板实现开关量控制， 并通过接口与系统总线进行数据交换；图形控制及PMC接口印制电路板实现CRT显示及两个手摇脉冲发生器的控制，并通过接口与系统总线进行数据交换；通过增设IO印制电路板，实现第4轴位置控制的扩展。 图5-23所示为FANUC 0系统与系列交流驱动单元的连接示意图。 图 5-

51、23 连接示意图 2. FANUC 11系统 图 5-24 FANUC 11数控系统硬件结构 FANUC 11系统除能实现多坐标控制外，还能实现在线(后台)的自动编程、加工过程和编程零件的图形显示以及与主机的通信等。该系统采用共享总线和共享存储器的结构形式， 具有并行多任务实时处理的数控功能。按功能可划分为基本的数控会话式自动编程功能、CRT图形显示功能和机床控制器等功能，各功能有各自的CPU和存储器。功能模块包括如下部分： 1) 中央处理单元(CPU)系统共有四个CPU，主CPU为68000，自动编程部分(CAP)为8086加上协处理器8087，图形显示为8086，可编程序机床控制器(PMC

52、)为68000， 这些CPU都是16位机。 2) 总线仲裁控制器(BAC)在多微处理器控制系统中，各CPU并行工作，CPU之间交换信息或CPU与系统的IO设备、内存等资源交换信息时，都经过系统的总线，通过总线仲裁控制器(BAC)分配总线的使用权。 BAC的主要功能为对总线的请求使用者进行裁决，按优先级分配总线的使用权，同时使没有得到总线使用权的CPU处于等待状态，这是一般总线控制器的功能。此外，BAC还具有位操作功能、并行直接存储器存取(DMA)控制和串行DMA控制等特殊功能。 3) 接口(SSU)SSU是CNC装置与机床和机器人等设备的接口。功能部件有： 位置控制芯片MB87103的读/写控

53、制，其输出接坐标轴的进给驱动装置或主轴驱动装置，输入是位置测量元件的位置反馈信号；与机器人、DNC主机等设备相连的RS-232C和RS-422接口；传递高速信息的高速I/O口及2 ms的插补定时器。 4) 操作板控制器(OPC)OPC用于和各种操作外设相连。主要包括键盘信号的接收与驱动；CRT的控制接口；与纸带阅读机、穿孔机等外设相连的RS-232C接口和20 mA电流回路接口； 手摇脉冲发生器接口； 操作开关和显示灯接口。 5) 输入输出控制器(I/OC) I/OC用于和机床的输入输出开关量信号相连，可接收或传送机床可编程控制器(PMC)与机床侧按钮、限位开关、继电器等之间的信号。 6) 存

54、储器系统使用多种存储器，且每个CPU都有自己的存储器。大容量磁泡存储器可达到4 MB，可存储约4 km纸带的零件程序； PMC的ROM为128 KB，顺序逻辑程序可达16 000 步；系统控制程序ROM容量为256 KB。 7) 位置控制器位置控制器是和伺服系统连接的位置控制芯片MB87103。 该芯片内部功能电路包括： DDA插补器， 用于实现细插补， 给各坐标轴分配进给脉冲； 位置误差的比较与寄存； 误差的脉宽调制，把位置误差转换成相应的脉冲宽度； CMR、 DMR比例倍乘，使指令当量、进给脉冲当量与进给传动比一致起来； 位置测量信号的处理，当使用脉冲编码器时， 对相位差为90的两相信号进

55、行辨向与倍频，当使用感应同步器或旋转变压器时，产生正弦和余弦两相励磁信号等。 5.5 Siemens数控系统5.5.1 系统简介1. SINUMERIK 8系列数控系统20世纪80年代初期， Siemens公司推出了SINUMERIK 8系列数控系统，该系列产品适用于各种机床， 按其用途可分为8M8ME/8MECSprint 8MSprint 8MESprint 8MEC， 用于钻床、铣床和加工中心，其中Sprint系列具有蓝图编程功能； 8MC/8MCE/8MCEC用于大型镗铣床； 8TSprint 8T用于车床。 SINUMERIK 8系列CNC系统主要由主控制模板、电源模板、 存储模板、

56、各种位置控制模板、测量接口模板、操作面板、 电源模板和译码电路模板、PLC与CNC接口模板(适用于外部用PLC)、 PLC和CNC信号传递模板(适用于集成PLC)及系统软件模板等组成, 是一个多微处理器控制系统，所用主CPU为8086， 各种位置控制模板上的CPU也是8086。 SINUMERIK 8系列CNC系统最多可扩展到控制12个坐标轴， 可实现数个坐标轴联动，它带有SIMATIC S5 PLC。可编程控制器PLC不仅能完成刀具管理和刀具寿命监控的功能，还能进行工件监控和控制工件输送设备。 2. SINUMERIK 3系列数控系统 SINUMERIK 3系列CNC系统主要由中央处理单元、

57、 存储器模块、操作面板接口、外部连接接口、PLC中央处理单元、PLC存储模块、编程器接口、逻辑模块及各种I/O模块等组成。其中央处理单元的主CPU为8086，内设或外设两个PLC。NC和PLC之间设有很宽的窗口，可满足机床的各种自动加工功能的要求。这些要求包括换刀控制、数据传送控制、刀具寿命监控、 刀具和工件的测量和补偿及计算机通信功能等。通过配置相应的软件， 可使SINUMERIK 3进入柔性制造系统(FMS, Flexible Manufacture System)。 3. SINUMERIK 810820系列数控系统20世纪80年代中期，Siemens公司推出了810、820系列数控系统

58、。 810和820在体系结构和功能上相似。 该系列产品分为M、T、G形等。M形用于镗床、铣床和加工中心，T型用于车床，G形用于磨床。SINUMERIK 810820系列数控系统一般适用于中小型机床。 SINUMERIK 810820系列数控系统由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储器模块、文字图形处理模块、接口模块、 IO模块、CRT显示器及操作面板组成。 其中央单元的主CPU为80186，采用通道式结构，有主通道和辅助通道。用RS-232C接口进行数据传输和通信联网，可使编程和操作简便、 运行可靠、维修方便。 操作者可利用软功能键在CRT上调用软件菜单内容， 输入加工程序， 还可以快速模拟

59、程序。 20世纪90年代中期，Siemens公司推出了全数字式数控系统SINUMERIK 810DDE，该系统最明显的标志就是采用ASIC芯片将控制和驱动集成在一块电路上。紧凑型控制单元(CCU)负责处理CNC、PLC的通信和闭环控制任务，控制器和驱动器组成一个整体，它们之间没有接口。 810DDE采用32位微处理器， 内装高性能的SIMATIC S7 PLC， 最多可控制5个进给轴，分辨力为110-4 mm。CCU单元中包括了三个进给轴的功率模块(也可组合成2个进给轴和1个主轴)，利用这一特点，只要配置一个电源模块， 就可以组成一台数控车床所需的驱动装置。 4. SINUMERIK 8508

60、80系列数控系统20世纪80年代后期，Siemens公司相继推出了SINUMERIK 850、 880系列数控系统，850和880在体系结构上相似，但在功能强度上有明显的差别。该系列产品适用于高度自动化水平的机床及柔性制造系统，有850M、 850T、 880M和880T等规格。 SINUMERIK 850880最多可控制30个主、辅坐标轴和6个主轴， 可实现16个工位联动控制。 SINUMERIK 850880为紧凑型通道结构、多微处理器数控系统，其主CPU为80386，除了数控用CPU之外，还有伺服用CPU、 通信用CPU及PLC用CPU。上述CPU除通信用CPU外均可扩展至24个CPU。