数控技术计算机数控装置课件

第4章

计算机数控装置4.1CNC简介计算机数控装置是指对机床进行自动化控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收零件的尺寸和工艺等信息，按照一定的算法将加工过程分解为各运动轴的位置控制指令，完成零件加工。数控系统

用数值数据的控制系统，在运行过程中，不断引入数值数据，从而实现机床加工过程的自动控制。数控系统的基本组成包括控制器和驱动装置(JB/T8832-2001)国际标准化组织ISO对计算机数控的定义为“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代码，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。1第4章计算机数控装置4.1CNC简介14.1.1CNC技术的发展（1）自从1952年世界上第一台数控机床在美国诞生以后，机床进入了数控时代。数控机床的诞生成为世界工业界一个重要的里程碑。随着电子元器件、计算机软、硬件技术的发展，计算机数控装置也发生了翻天覆地的变化，表现为硬件、软件的发展。（1）CNC硬件的发展计算机中二进制运算离不开电子元件的支持，最早的计算机是由电子管组成运算单元。24.1.1CNC技术的发展（1）自从1952年世界上第一台4.1.1CNC技术的发展（2）电子管是最早期的电信号放大器，其体积大、功耗高。晶体管、集成电路发明后代替了电子管的位置，成为新的运算器件。数控系统的硬件系统随着计算机硬件的发展和变革也进行了更新换代。1952年美国MIT利用电子管成功地研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。1959年，电子行业研制出晶体管器件，因为数控系统中广泛使用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。34.1.1CNC技术的发展（2）电子管是最早期的电信号放大4.1.1CNC技术的发展（3）1965年出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。1970年以前的数控装置被称为硬件数控（NC），主要经历了电子管、晶体管、集成电路三种时期。这一时期的特点是数控装置中的插补、轨迹控制等功能是由硬件元器件组成的电路实现的。1970年以后数控装置开始以计算机作为核心硬件实现数控装置的各种功能。由最初以小型计算机为主体发展为以微机、嵌入式微处理器等为核心组件的计算机数控系统。44.1.1CNC技术的发展（3）1965年出现了小规模集成4.1.1CNC技术的发展（4）这一时期的特点是数控装置的译码、轨迹规划、插补、位置控制由计算机软件实现。这一时期的数控装置被称作计算机数控装置或软件数控装置。数控装置发展到计算机数控装置时期后，逐渐形成单微处理器数控、多微处理器数控和开放式数控三种。前两种数控装置是由某一家生产企业独立研发和生产的专用数控装置，又称为封闭式数控系统。54.1.1CNC技术的发展（4）这一时期的特点是数控装置的4.1.1CNC技术的发展（5）不同品牌的封闭式数控系统标准不同，互换性差甚至根本不具备互换性。数控装置的生产也仅限制在自己企业内部完成。这都限制了数控系统的发展和普及。为了解决这些问题，1987年美国提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）计划和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划。这些计划旨在推动国际数控装置各功能元件的标准化，硬件系统组成也按照一定的体系标准进行划分。开放式数控具有明显的优越性，其推广是计算机数控装置发展的必然趋势。64.1.1CNC技术的发展（5）不同品牌的封闭式数控系统标4.1.1CNC技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的发展目前的数控装置编程几乎全部采用ISO6983G代码编程，这是一种面向过程的编程语言。比如G01是直线插补，G02是顺时针方向圆弧插补。机床加工过程中的每一条路径都需要采用程序指令编写。国际标准化组织1996年开始制定新的面向对象NC编程标准STEP-NC，2001年底成为国际标准草案，由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649。74.1.1CNC技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的4.1.1CNC技术的发展（7）STEP-NC基于制造特征进行编程，告诉CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步骤作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起。STEP-NC标准仅完成了一部分，相关的技术包括CAD、CAM、CNC一系列问题的研究，但其发展势头强劲。按照其发展趋势，STEP-NC将可能废弃沿用已久的G、M代码，代之以新的数控语言，使得现场编程方式大为改观84.1.1CNC技术的发展（7）STEP-NC基于制造特征4.1.2CNC系统的基本组成计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置)等组成，如图所示。94.1.2CNC系统的基本组成计算机数控(CNC)系统是一4.1.2CNC系统的基本组成CNC系统是指包括CNC装置和驱动控制两部分的整体。CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，根据加工程序生成各种控制指令，并将控制指令发送给驱动装置，实现机床的运动完成加工任务。驱动装置包括主轴驱动、进给轴控制、机床I/O（冷却液、照明、限位等功能）。CNC装置与驱动装置之间通过标准模拟控制量、高速脉冲串、离散开关量以及通过总线的数字信号等方式传递指令。104.1.2CNC系统的基本组成CNC系统是指包括CNC装置4.1.3CNC装置的组成CNC装置的组成包括硬件和软件两部分，实现对机床各驱动元件（伺服电机、继电器、气缸等）的控制以及各传感器（限位开关等）的信号采集和实时处理。（1）CNC装置的硬件组成不同品牌的CNC装置的硬件组成有所不同，但是大体包括计算机组件（CPU、内存、硬盘、显示器、键盘等）、系统总线、接口电路（模拟量输入/出、数字量输入/出、现场总线接口等）等几部分。114.1.3CNC装置的组成CNC装置的组成包括硬件和软件两4.1.3CNC装置的组成CNC装置是数控系统的核心，是一台专用计算机，具有CPU、存储器、总线、外设等。其外设通常是指输出接口及后续装置，最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。124.1.3CNC装置的组成CNC装置是数控系统的核心，是一4.1.3CNC装置的组成I/O主板显卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位控板n位控板1PLC模块主轴控制机床I/O面板速度控制1速度控制n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统134.1.3CNC装置的组成I/O主板显卡功能模板m功能4.1.3CNC装置的组成（2）CNC装置的软件组成CNC装置的软件分为管理软件和控制软件两部分。其中管理软件是CNC装置作为一个系统进行各元件之间协同工作必须的软件环境，并完成CNC装置的文件处理、人机交互、显示、输入输出管理、故障诊断等任务。控制软件特指CNC装置对机床进行运动控制实时性要求较高的软件模块，这是CNC装置所特有的功能模块。控制软件是CNC装置软件的核心部分。控制软件必须具备并进行以下内容的计算：轨迹规划、插补运算、主轴控制、刀具补偿计算等。144.1.3CNC装置的组成（2）CNC装置的软件组成144.1.3CNC装置的组成154.1.3CNC装置的组成154.1.4CNC装置的主要功能和特点1.CNC装置的工作过程和功能CNC系统是一个位置控制系统，其主要任务是根据输入的加工程序和数据，进行刀具与工件之间的相对运动的控制，完成零件的自动加工，下图所示为CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程。16图CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程4.1.4CNC装置的主要功能和特点1.CNC装置的4.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC装置的特点（1）具有丰富的数控功能CNC装置具备机床加工中所需要的直线、圆弧、样条等插补功能；车、铣等的刀补功能；G代码译码功能；丝杠误差补偿功能。并且CNC装置针对机床控制具有丰富的接口，包括电机控制指令接口、编码器反馈接口、机床回零及限位开关接口等。CNC装置能够满足机床自动控制中所有功能要求。174.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC装置的特4.1.4CNC装置的主要功能和特点（2）封闭性一般的CNC装置都不允许用户更改其中的程序代码，控制算法等。CNC装置的灵活性不足，一般只能用在机床的控制中。位置控制算法一般采用带前馈的PID算法，用户无法更改其中的控制算法。（3）可靠性高CNC装置作为工业自动化产品，具有高可靠性特点。主要是由于目前CNC装置的市场主要是国外西门子、法达科等其广泛的用户群以及产量使得这些公司能够在质量控制、可靠性控制方面投入足够的研究费用和人员。目前，国内的CNC装置的市场占有率低的主要原因就是可靠性相对较低，这也是由于国内CNC装置起步较晚，难以与国际成熟的竞争对手相比。184.1.4CNC装置的主要功能和特点（2）封闭性184.2CNC装置的硬件结构计算机数控装置的硬件可以认为是一台“计算机”加外部接口电路，它是整个CNC装置的“躯体”，是CNC软件运行的基础平台。根据其计算机类型的不同，可以分为单微处理器型、多微处理器型和开放式数控装置。目前广泛使用的CNC装置的硬件没有统一标准，不同生产企业生产的CNC装置在结构、外形、接口电路等方面都存在很大的差别。开放式数控装置的核心内容是制定统一的CNC装置硬件、软件标准。194.2CNC装置的硬件结构计算机数控装置的硬件可以认为是4.2CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、标准型和高档型三类数控装置；按微处理器的数目可分为：单微处理器和多微处理器结构按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构204.2CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是4.2.1单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以一个中央处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工中的各种任务。由于单微处理器数控装置只有一个中央处理器（CPU），其功能受到CPU字长、数据宽度、处理速度、寻址能力等因素的限制，为提高处理能力，人们常采用增加协处理器以提高运算速度，采用带CPU的PLC和CRT智能部件等。这种系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个主微处理器能控制总线，其它的CPU只是附属的专用智能部件，它们组成的是主从结构，故仍被归类为单微处理器结构。214.2.1单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：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，通过系统重组仍可断继续工作结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型224.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块多微处理机数控装置把机床数字控制这个总任务划分成多个子任务，硬件系统和软件系统一般均采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元、即功能模块。各功能单元之间可采用紧耦合，有集中的操作系统；也可采用松耦合，用多重操作系统有效地实现并行处理。模块化结构的多微处理机数控装置中的基本功能模块一般有以下6种，如下图所示。234.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）①CNC管理模块，这是实现管理和组织整个CNC系统的功能模块，如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统出错的识别和处理、系统软硬件的诊断等功能由该模块完成。②CNC插补模块，该模块完成零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算，为各坐标轴提供位移给定值。244.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）①CNC管理模4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）③PLC模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。④位置控制模块，该模块将插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，求出差值，然后通过系统增益调整，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移及误差补偿。在此之前还要得到并输出速度控制的模拟电压（或数字信号），用于控制伺服进给电机运行。254.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）③PLC模块，4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）⑤操作控制数据输入、输出和显示模块，该模块包括零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入、输出以及显示所需的各种接口电路和程序。⑥存储器模块，该模块存放程序和数据的主存储器，是各功能模块间数据传送得共享存储器。每个CPU控制模块中还有局部存储器。随着CNC装置的功能与结构的不同，功能模块的划分和多少也不同。如果要进一步扩充功能，可再增加相应的模块。264.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）⑤操作控制数据4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2）通信方式多微处理器的CNC置一般采用总线互联方式，典型的结构有共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构等。1）共享总线型结构274.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2）通信方式4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）2）共享存储器结构采用多端口存贮器来实现多微处理器之间的互连和通信、即数据交换，每个端口都配备有一套数据、地址和控制线，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问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。28图

多微处理机数控装置共享存贮器结构图4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）2）共享存储器4.2.3开放式数控装置的体系结构(1)目前，大多数商品化数控系统，如FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、A-B数控系统、NUM数控系统及我国的一些数控系统生产厂家生产的数控系统多数都属于专用型系统。专用型CNC装置，由于大批量生产和保密的需要，其硬件和软件是由制造厂专门设计和制造的，一般具有布局合理，结构紧凑，专用性强等优点，但所形成的是封闭式体系的数控系统，具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、多种实时操作系统、非标准接口、五花八门的人机界面等，不仅带来了使用上的复杂性，也给车间物流的集成带来了很多困难。294.2.3开放式数控装置的体系结构(1)目前，大多数商品化4.2.3开放式数控装置的体系结构(2)为解决封闭式的体系结构数控系统所存在的问题，西方工业发达国家相继提出了设计开放式体系结构数控系统的问题，使数控系统向规范化、标准化方向发展。1987年美国提出了NGC(theNextGenerationwork-station/machineController)计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）计划和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划。这些计划的实施推动了开放式体系结构数控系统的研究。304.2.3开放式数控装置的体系结构(2)为解决封闭式的体系4.2.3开放式数控装置的体系结构(3)（1）开放式体系结构的定义目前尚有不同说法，但可以肯定其应该具有下列特点:①以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应是可移植的和透明的。②根据需要可实现重构和编辑，以便实现一个系统的多种用途，即可实现CNC、PLC、RC（RobotControl）或CC（CellControl）等在内的控制功能。314.2.3开放式数控装置的体系结构(3)（1）开放式体系结4.2.3开放式数控装置的体系结构(4)③各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂和最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中。通过初始化系统设置实现功能分配，保证机床厂、用户厂对系统实施补充、扩展、裁减或修改。④要具有一种较好的通信和接口协议，以便使各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，并满足实时控制要求。324.2.3开放式数控装置的体系结构(4)③各模块相互独立，4.2.3开放式数控装置的体系结构(5)（2）开放式体系结构CNC系统的优点①向未来技术开放。由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，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。②标准化的人机界面和编程语言，方便用户使用，提高操作效率。③向用户特殊要求开放，方便更新产品、扩充能力和融入用户自身的技术诀窍，创造自己的名牌产品。④可减少产品品种，便于批量生产，提高可靠性和降低成本。334.2.3开放式数控装置的体系结构(5)（2）开放式体系结4.2.3开放式数控装置的体系结构(6)（3）基于通用个人计算机（PC机）的数控系统鉴于NGC等计划过于庞大与复杂，以及个人计算机性能和质量的提高、数量的增加、价格的下降、人们对通用PC机熟悉程度的深化，因此有不少厂家开发了基于通用个人计算机式CNC系统如总部位于意大利的FIDIA公司，华中理工大学数控技术研究所等这种系统可以充分利用微机工业所提供的先进技术和PC机十分丰富的软硬件资源，可使设计任务大大减轻，并能方便地实现产品的更新换代，进而提高产品性能和降低成本，并极大地方便使用与维修。344.2.3开放式数控装置的体系结构(6)（3）基于通用个人4.2.3开放式数控装置的体系结构(7)如在硬件方面可充分利用PC机固有的CPU、BIOS、协处理器、存储器、软硬盘驱动器、串行和并行端口及中断、显示、键盘控制器和扩展插槽等；在软件方面可充分利用PC机的操作系统技术、图形技术、数据库技术、网络技术等；良好的人机界面会使操作更加方便；开放式体系结构更便于在企业内外实现集成。354.2.3开放式数控装置的体系结构(7)如在硬件方面可充分4.3CNC装置的软件结构现代数控机床的功能大都采用软件来实现，因此，系统软件的设计及功能是CNC装置的关键。计算机数控装置的软件是整个系统的“灵魂”，是控制机床完成加工任务的核心内容。CNC装置的软件又称为系统软件，是数控加工的一种专用软件，是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。本节主要介绍CNC软件的特点、数据转换过程以及CNC故障诊断程序。364.3CNC装置的软件结构现代数控机床的功能大都采用软件来4.3.1CNC装置软件结构的特点（1）多任务性和实时性CNC装置是机床的控制系统，在硬件支持下，由软件来完成管理和控制两大任务。系统的管理任务包括通信、显示、诊断、零件程序的输入以及人机界面管理，这类程序的实时性要求不高；系统的控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量I/O控制等，这类程序要完成实时性很强的控制任务。数控系统的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。374.3.1CNC装置软件结构的特点（1）多任务性和实时性34.3.1CNC装置软件结构的特点在多数情况下，CNC要完成数控加工任务，必须同时进行几个任务的处理，即所谓的并行处理。例如，为使操作人员及时了解CNC系统的工作状态，软件中的显示模块必须与控制软件同时执行等；针对数控系统软件的多任务性和实时性两大特点，有多种并行处理技术。从硬件出发，可以采用设备重复的并行处理技术，如采用多微处理器并行处理CNC系统，各个微处理器并行地执行各自的实时任务。从软件出发，可采用设备分时共享并行处理技术、时间重叠流水处理技术和多重中断的并行处理技术。384.3.1CNC装置软件结构的特点在多数情况下，CNC要完4.3.1CNC装置软件结构的特点（2）设备分时共享并行处理在单CPU的CNC系统中，或在多CPU数控系统的某个需要处理多任务的CPU中，一般采用分时共享的原则来解决多任务的同时运行。在使用分时共享并行处理的计算机系统中，必须将各个任务按其所需时间的长短分割成一个个子任务，一个微处理器用时间片轮转的方式处理完成多任务，即按照某种轮换次序给每个子任务分配CPU时间，进行各子任务的处理，从微观上看各子任务分时占用CPU，从宏观上看，在一段时间内，CPU并行地完成了各子任务，如同自动线的流水作业。394.3.1CNC装置软件结构的特点（2）设备分时共享并行处4.3.1CNC装置软件结构的特点在设备分时共享并行处理中，要充分地利用计算机的高速数据计算和处理能力，保证每个任务的合理响应时间。每个任务允许占用CPU的时间要受到一定限制，通常是这样处理的，如在加工程序的译码、数据处理中，可在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点时，自动让出CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。404.3.1CNC装置软件结构的特点在设备分时共享并行处理中4.3.1CNC装置软件结构的特点（3）时间重叠流水处理当CNC处在零件加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码和数据处理）、插补和位置控制四个子过程组成。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将是t=t1+t2+t3+t4。如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个程序段处理完后再处理第二个程序段，依次类推，这种顺序处理的时间关系如图4-5a所示。414.3.1CNC装置软件结构的特点（3）时间重叠流水处理44.3.1CNC装置软件结构的特点从图中可以看出，此时在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t的间隔，同样在第二个和第三个程序段的输出之间也会有这种时间间隔。由于这种时间间隔较大，会导致电机时转时停，进而使刀具时走时停，这种刀具时走时停在加工工艺上是不允许的。424.3.1CNC装置软件结构的特点从图中可以看出，此时在两4.3.1CNC装置软件结构的特点消除这种时间间隔的方法是时间重叠流水处理技术，采用这种技术的时间关系如图4-5b所示。其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。这样以来，每个零件程序段的输出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。434.3.1CNC装置软件结构的特点消除这种时间间隔的方法是4.3.1CNC装置软件结构的特点（4）实时中断处理CNC控制软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为成个系统必不可少的重要组成部分。对于有实时要求，且各种任务互相交错并发的多任务控制系统，可采用多重中断的并行处理技术，这时实时任务被按排成不同优先级别的中断服务程序，或在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行。CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定于系统软件的结构，其中断类型有下列几种：444.3.1CNC装置软件结构的特点（4）实时中断处理444.3.1CNC装置软件结构的特点①外部中断。主要有外部监控终端（如急停、检测仪器到位等）和操作面板键盘输入中断。前一种中断的实时性要求很高，通常把这种中断安排在较高的优先级上，而操作面板输入中断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。这是各种硬件故障检测装置产生的中断，如：存储器出错，定时器出错，插补运算器超时等。④程序性中断。它是程序中出现的各种异常情况而引起的报警中断，如各种溢出，运算中出现零作除数等。454.3.1CNC装置软件结构的特点①外部中断。主要有外部监4.3.2CNC装置的数据转换（1）CNC装置的数据转换是数控机床控制机床进行工作过程中位置、速度、主轴转速等信息的传递和变换过程。这一过程包含计算机数控的几个核心功能，且都采用软件完成。CNC装置的数据转换包括以下几个核心内容：（1）数控程序输入数控程序输入是计算机数控读入由用户编写的加工程序的过程。一般有文本程序和图形程序两种。文本程序读入是数控机床普遍采用的方式。文本程序以文件形式保存在U盘等存储介质中，数控系统读取指定路径中的文本程序。图形程序编程方法在一些特种机床或专用机床上普遍采用464.3.2CNC装置的数据转换（1）CNC装置的数据转换是4.3.2CNC装置的数据转换（2）（2）译码译码是从数控程序中获得加工所需的各种信息的过程。这里所指的各种信息包括零件轮廓信息（如直线的起点和终点，圆弧的圆心、半径、起始角和终止角等），速度信息（主轴转速、进给速度等）以及刀具补偿、刀库控制、冷却液启停等辅助信息。图形程序译码是从Dxf文件中获取加工轮廓信息的过程。一个DXF文件包括6个段：标题段、类别段、表段、块段、实体段、对象段。在每段的开始和结束处有起始段标记和段中止标记，文件结尾有文件结束标志EOF474.3.2CNC装置的数据转换（2）（2）译码474.3.2CNC装置的数据转换（3）（3）轨迹规划轨迹规划的作用是根据译码得到的用户设定速度指令重新规划适合机床加工的速度指令。轨迹规划主要进行加减速控制和速度连接。加减速控制的原因是由于机床不能瞬时达到用户设定速度，并且一般要求机床运行到指定位置点时速度为零。速度连接是根据相邻两段运动指令将两段运动连接，而不需要机床先从第一段速度减速到静止，再加速运行到第二段速度。484.3.2CNC装置的数据转换（3）（3）轨迹规划484.3.2CNC装置的数据转换（4）（4）插补所谓插补是根据译码后得到的零件轮廓特征点尺寸，结合速度指令信息、刀具补偿等参数在已知的特征点之间插入一些中间点的过程。换言之，就是“数据点的密化过程”。插补之所以是计算机数控装置必备的功能，是因为驱动传动部件运行的伺服电机必须在一个“很小”的时间间隔内给定一个位置指令才能保证多个轴按照指定的路径协调运动，这个时间间隔叫做“插补周期”。在机床运动的整个过程中，计算机数控装置不断地发送位置指令给每个伺服驱动单元的，插补周期一般为1-10毫秒内的一个固定值。494.3.2CNC装置的数据转换（4）（4）插补494.3.2CNC装置的数据转换（5）（5）位置控制位置控制环节由计算机数控装置、驱动单元、伺服电机、位置（角度）传感器共同组成。位置控制一般是以周期为“插补周期”一半的固定时间为周期运行的。这个周期成为“位控周期”。在一个位控周期内，计算机数控装置对每个“位置环”进行两次PID校正运算，根据当期插补模块生成的位置指令进行控制，输出为伺服电机的速度指令。伺服驱动单元本身可以进行速度环和电流环的控制。因此，数控机床的位置控制是一个三环串级控制。一般为了防止机床出现过切，位置控制都是一个过阻尼系统，即实际位置值总是滞后与位置指令的。504.3.2CNC装置的数据转换（5）（5）位置控制504.3.3CNC装置的故障诊断数控系统的软、硬件组成复杂，故障排查工作比较复杂。故障自诊断包括开机自诊断、运行自诊断、通信诊断、离线诊断等几种。（1）开机自诊断

指计算机数控装置从开始通电到进入正常运行准备状态为止，由其内部诊断程序自动执行的系统诊断，是检查整个数控系统是否具备正常的工作条件。（2）运行自诊断

指计算机数控装置在运行过程中，对数控装置中所允许的程序及与之连接的外部设备，如伺服驱动单元等进行的实时自动诊断。运行自诊断包括检测进给轴电机过载，程序编制错误等。514.3.3CNC装置的故障诊断数控系统的软、硬件组成复杂，4.3.3CNC装置的故障诊断（3）离线诊断离线诊断是指采用专门工具和设备对计算机数控系统进行硬件故障排查，这些设备包括逻辑分析仪，测试用计算机，模拟操作面板以及专用的工程师面板和便携式测试仪器等。（4）通信诊断用户CNC系统经过通信电缆与生产企业的诊断中心通信，由诊断中心的发出诊断程序，CNC进行某种运行，同时收集数据，分析系统的状态，从而完成对CNC系统的故障诊断。524.3.3CNC装置的故障诊断（3）离线诊断524.4CNC装置的接口与通信CNC装置的接口与通信是将CNC装置与其他元器件连接起来的通道。4.4.1概述计算机数控装置需要与操作面板、数控键盘、人机界面、伺服驱动单元、手摇脉冲发生器等外部设备连接，组成控制机床所需的系统。这些接口包括CNC装置的输入输出接口和通信接口两种接口是保证信息快速、正确传送的关键部分，现代CNC装置都具有完备的数据传送和通信接口。据CNC装置的型号和价格定位，一般分为总线型、模拟量型和高速脉冲型。534.4CNC装置的接口与通信CNC装置的接口与通信是将CN4.4.2输入/输出接口根据国际标准ISO4336-1981（E）机床电气设备设备之间的接口规范”的规定，计算机数控装置接口分为四类。第一类是与驱动命令有关的连接电路。这类信号包括CNC装置到伺服驱动单元的指令信号，主轴驱动指令等。第二类是与检测系统和测量传感器间的连接电路。这类信号包括光栅尺、编码盘等之间的信号连接。第三类是电源及保护电路。这类接口包括计算机数控装置、伺服驱动单元的工作电源，电机电枢电路等。第四类是通断信号和代码信号连接电路。这类信号包括“急停”，“进给保持”，“NC准备好”，“行程极限”，“复位”，“NC报警”等。544.4.2输入/输出接口根据国际标准ISO4336-1984.4.3串行通信接口串行通信因其所需电线数量少，相距较远的设备数据交换非常具有优势，在工业广泛应用。目前应用最广的串行通信为RS485总线。要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准，最简单的485总线可以用两根双绞线即可实现两台设备的互联。RS-485是为了弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而指定的。554.4.3串行通信接口串行通信因其所需电线数量少，相距较远4.4.4网络通信接口计算机网络通信协议通常采用以ISO开放式互连系统参考模型的七层结构为基础的有关协议。近年来，制造自动化协议MAP（ManufacturingAutomationProtocal）已成为应用于工厂自动化的标准工业局部网络协议。西门子、FANUC、A-B等公司生产的计算机数控装置中可以配置MAP2.1或MAP3.0的网络通信接口。MAP是美国GM公司发起和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信标准。564.4.4网络通信接口计算机网络通信协议通常采用以ISO开第4章

计算机数控装置4.1CNC简介计算机数控装置是指对机床进行自动化控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收零件的尺寸和工艺等信息，按照一定的算法将加工过程分解为各运动轴的位置控制指令，完成零件加工。数控系统

用数值数据的控制系统，在运行过程中，不断引入数值数据，从而实现机床加工过程的自动控制。数控系统的基本组成包括控制器和驱动装置(JB/T8832-2001)国际标准化组织ISO对计算机数控的定义为“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代码，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。57第4章计算机数控装置4.1CNC简介14.1.1CNC技术的发展（1）自从1952年世界上第一台数控机床在美国诞生以后，机床进入了数控时代。数控机床的诞生成为世界工业界一个重要的里程碑。随着电子元器件、计算机软、硬件技术的发展，计算机数控装置也发生了翻天覆地的变化，表现为硬件、软件的发展。（1）CNC硬件的发展计算机中二进制运算离不开电子元件的支持，最早的计算机是由电子管组成运算单元。584.1.1CNC技术的发展（1）自从1952年世界上第一台4.1.1CNC技术的发展（2）电子管是最早期的电信号放大器，其体积大、功耗高。晶体管、集成电路发明后代替了电子管的位置，成为新的运算器件。数控系统的硬件系统随着计算机硬件的发展和变革也进行了更新换代。1952年美国MIT利用电子管成功地研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。1959年，电子行业研制出晶体管器件，因为数控系统中广泛使用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。594.1.1CNC技术的发展（2）电子管是最早期的电信号放大4.1.1CNC技术的发展（3）1965年出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。1970年以前的数控装置被称为硬件数控（NC），主要经历了电子管、晶体管、集成电路三种时期。这一时期的特点是数控装置中的插补、轨迹控制等功能是由硬件元器件组成的电路实现的。1970年以后数控装置开始以计算机作为核心硬件实现数控装置的各种功能。由最初以小型计算机为主体发展为以微机、嵌入式微处理器等为核心组件的计算机数控系统。604.1.1CNC技术的发展（3）1965年出现了小规模集成4.1.1CNC技术的发展（4）这一时期的特点是数控装置的译码、轨迹规划、插补、位置控制由计算机软件实现。这一时期的数控装置被称作计算机数控装置或软件数控装置。数控装置发展到计算机数控装置时期后，逐渐形成单微处理器数控、多微处理器数控和开放式数控三种。前两种数控装置是由某一家生产企业独立研发和生产的专用数控装置，又称为封闭式数控系统。614.1.1CNC技术的发展（4）这一时期的特点是数控装置的4.1.1CNC技术的发展（5）不同品牌的封闭式数控系统标准不同，互换性差甚至根本不具备互换性。数控装置的生产也仅限制在自己企业内部完成。这都限制了数控系统的发展和普及。为了解决这些问题，1987年美国提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）计划和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划。这些计划旨在推动国际数控装置各功能元件的标准化，硬件系统组成也按照一定的体系标准进行划分。开放式数控具有明显的优越性，其推广是计算机数控装置发展的必然趋势。624.1.1CNC技术的发展（5）不同品牌的封闭式数控系统标4.1.1CNC技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的发展目前的数控装置编程几乎全部采用ISO6983G代码编程，这是一种面向过程的编程语言。比如G01是直线插补，G02是顺时针方向圆弧插补。机床加工过程中的每一条路径都需要采用程序指令编写。国际标准化组织1996年开始制定新的面向对象NC编程标准STEP-NC，2001年底成为国际标准草案，由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649。634.1.1CNC技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的4.1.1CNC技术的发展（7）STEP-NC基于制造特征进行编程，告诉CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步骤作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起。STEP-NC标准仅完成了一部分，相关的技术包括CAD、CAM、CNC一系列问题的研究，但其发展势头强劲。按照其发展趋势，STEP-NC将可能废弃沿用已久的G、M代码，代之以新的数控语言，使得现场编程方式大为改观644.1.1CNC技术的发展（7）STEP-NC基于制造特征4.1.2CNC系统的基本组成计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置)等组成，如图所示。654.1.2CNC系统的基本组成计算机数控(CNC)系统是一4.1.2CNC系统的基本组成CNC系统是指包括CNC装置和驱动控制两部分的整体。CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，根据加工程序生成各种控制指令，并将控制指令发送给驱动装置，实现机床的运动完成加工任务。驱动装置包括主轴驱动、进给轴控制、机床I/O（冷却液、照明、限位等功能）。CNC装置与驱动装置之间通过标准模拟控制量、高速脉冲串、离散开关量以及通过总线的数字信号等方式传递指令。664.1.2CNC系统的基本组成CNC系统是指包括CNC装置4.1.3CNC装置的组成CNC装置的组成包括硬件和软件两部分，实现对机床各驱动元件（伺服电机、继电器、气缸等）的控制以及各传感器（限位开关等）的信号采集和实时处理。（1）CNC装置的硬件组成不同品牌的CNC装置的硬件组成有所不同，但是大体包括计算机组件（CPU、内存、硬盘、显示器、键盘等）、系统总线、接口电路（模拟量输入/出、数字量输入/出、现场总线接口等）等几部分。674.1.3CNC装置的组成CNC装置的组成包括硬件和软件两4.1.3CNC装置的组成CNC装置是数控系统的核心，是一台专用计算机，具有CPU、存储器、总线、外设等。其外设通常是指输出接口及后续装置，最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。684.1.3CNC装置的组成CNC装置是数控系统的核心，是一4.1.3CNC装置的组成I/O主板显卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位控板n位控板1PLC模块主轴控制机床I/O面板速度控制1速度控制n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统694.1.3CNC装置的组成I/O主板显卡功能模板m功能4.1.3CNC装置的组成（2）CNC装置的软件组成CNC装置的软件分为管理软件和控制软件两部分。其中管理软件是CNC装置作为一个系统进行各元件之间协同工作必须的软件环境，并完成CNC装置的文件处理、人机交互、显示、输入输出管理、故障诊断等任务。控制软件特指CNC装置对机床进行运动控制实时性要求较高的软件模块，这是CNC装置所特有的功能模块。控制软件是CNC装置软件的核心部分。控制软件必须具备并进行以下内容的计算：轨迹规划、插补运算、主轴控制、刀具补偿计算等。704.1.3CNC装置的组成（2）CNC装置的软件组成144.1.3CNC装置的组成714.1.3CNC装置的组成154.1.4CNC装置的主要功能和特点1.CNC装置的工作过程和功能CNC系统是一个位置控制系统，其主要任务是根据输入的加工程序和数据，进行刀具与工件之间的相对运动的控制，完成零件的自动加工，下图所示为CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程。72图CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程4.1.4CNC装置的主要功能和特点1.CNC装置的4.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC装置的特点（1）具有丰富的数控功能CNC装置具备机床加工中所需要的直线、圆弧、样条等插补功能；车、铣等的刀补功能；G代码译码功能；丝杠误差补偿功能。并且CNC装置针对机床控制具有丰富的接口，包括电机控制指令接口、编码器反馈接口、机床回零及限位开关接口等。CNC装置能够满足机床自动控制中所有功能要求。734.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC装置的特4.1.4CNC装置的主要功能和特点（2）封闭性一般的CNC装置都不允许用户更改其中的程序代码，控制算法等。CNC装置的灵活性不足，一般只能用在机床的控制中。位置控制算法一般采用带前馈的PID算法，用户无法更改其中的控制算法。（3）可靠性高CNC装置作为工业自动化产品，具有高可靠性特点。主要是由于目前CNC装置的市场主要是国外西门子、法达科等其广泛的用户群以及产量使得这些公司能够在质量控制、可靠性控制方面投入足够的研究费用和人员。目前，国内的CNC装置的市场占有率低的主要原因就是可靠性相对较低，这也是由于国内CNC装置起步较晚，难以与国际成熟的竞争对手相比。744.1.4CNC装置的主要功能和特点（2）封闭性184.2CNC装置的硬件结构计算机数控装置的硬件可以认为是一台“计算机”加外部接口电路，它是整个CNC装置的“躯体”，是CNC软件运行的基础平台。根据其计算机类型的不同，可以分为单微处理器型、多微处理器型和开放式数控装置。目前广泛使用的CNC装置的硬件没有统一标准，不同生产企业生产的CNC装置在结构、外形、接口电路等方面都存在很大的差别。开放式数控装置的核心内容是制定统一的CNC装置硬件、软件标准。754.2CNC装置的硬件结构计算机数控装置的硬件可以认为是4.2CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、标准型和高档型三类数控装置；按微处理器的数目可分为：单微处理器和多微处理器结构按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构764.2CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是4.2.1单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以一个中央处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工中的各种任务。由于单微处理器数控装置只有一个中央处理器（CPU），其功能受到CPU字长、数据宽度、处理速度、寻址能力等因素的限制，为提高处理能力，人们常采用增加协处理器以提高运算速度，采用带CPU的PLC和CRT智能部件等。这种系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个主微处理器能控制总线，其它的CPU只是附属的专用智能部件，它们组成的是主从结构，故仍被归类为单微处理器结构。774.2.1单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：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，通过系统重组仍可断继续工作结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型784.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块多微处理机数控装置把机床数字控制这个总任务划分成多个子任务，硬件系统和软件系统一般均采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元、即功能模块。各功能单元之间可采用紧耦合，有集中的操作系统；也可采用松耦合，用多重操作系统有效地实现并行处理。模块化结构的多微处理机数控装置中的基本功能模块一般有以下6种，如下图所示。794.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）①CNC管理模块，这是实现管理和组织整个CNC系统的功能模块，如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统出错的识别和处理、系统软硬件的诊断等功能由该模块完成。②CNC插补模块，该模块完成零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算，为各坐标轴提供位移给定值。804.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）①CNC管理模4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）③PLC模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。④位置控制模块，该模块将插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，求出差值，然后通过系统增益调整，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移及误差补偿。在此之前还要得到并输出速度控制的模拟电压（或数字信号），用于控制伺服进给电机运行。814.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）③PLC模块，4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）⑤操作控制数据输入、输出和显示模块，该模块包括零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入、输出以及显示所需的各种接口电路和程序。⑥存储器模块，该模块存放程序和数据的主存储器，是各功能模块间数据传送得共享存储器。每个CPU控制模块中还有局部存储器。随着CNC装置的功能与结构的不同，功能模块的划分和多少也不同。如果要进一步扩充功能，可再增加相应的模块。824.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）⑤操作控制数据4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2）通信方式多微处理器的CNC置一般采用总线互联方式，典型的结构有共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构等。1）共享总线型结构834.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2）通信方式4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）2）共享存储器结构采用多端口存贮器来实现多微处理器之间的互连和通信、即数据交换，每个端口都配备有一套数据、地址和控制线，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问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。84图

多微处理机数控装置共享存贮器结构图4.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）2）共享存储器4.2.3开放式数控装置的体系结构(1)目前，大多数商品化数控系统，如FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、A-B数控系统、NUM数控系统及我国的一些数控系统生产厂家生产的数控系统多数都属于专用型系统。专用型CNC装置，由于大批量生产和保密的需要，其硬件和软件是由制造厂专门设计和制造的，一般具有布局合理，结构紧凑，专用性强等优点，但所形成的是封闭式体系的数控系统，具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、多种实时操作系统、非标准接口、五花八门的人机界面等，不仅带来了使用上的复杂性，也给车间物流的集成带来了很多困难。854.2.3开放式数控装置的体系结构(1)目前，大多数商品化4.2.3开放式数控装置的体系结构(2)为解决封闭式的体系结构数控系统所存在的问题，西方工业发达国家相继提出了设计开放式体系结构数控系统的问题，使数控系统向规范化、标准化方向发展。1987年美国提出了NGC(theNextGenerationwork-station/machineController)计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）计划和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划。这些计划的实施推动了开放式体系结构数控系统的研究。864.2.3开放式数控装置的体系结构(2)为解决封闭式的体系4.2.3开放式数控装置的体系结构(3)（1）开放式体系结构的定义目前尚有不同说法，但可以肯定其应该具有下列特点:①以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应是可移植的和透明的。②根据需要可实现重构和编辑，以便实现一个系统的多种用途，即可实现CNC、PLC、RC（RobotControl）或CC（CellControl）等在内的控制功能。874.2.3开放式数控装置的体系结构(3)（1）开放式体系结4.2.3开放式数控装置的体系结构(4)③各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂和最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中。通过初始化系统设置实现功能分配，保证机床厂、用户厂对系统实施补充、扩展、裁减或修改。④要具有一种较好的通信和接口协议，以便使各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，并满足实时控制要求。884.2.3开放式数控装置的体系结构(4)③各模块相互独立，4.2.3开放式数控装置的体系结构(5)（2）开放式体系结构CNC系统的优点①向未来技术开放。由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，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。②标准化的人机界面和编程语言，方便用户使用，提高操作效率。③向用户特殊要求开放，方便更新产品、扩充能力和融入用户自身的技术诀窍，创造自己的名牌产品。④可减少产品品种，便于批量生产，提高可靠性和降低成本。894.2.3开放式数控装置的体系结构(5)（2）开放式体系结4.2.3开放式数控装置的体系结构(6)（3）基于通用个人计算机（PC机）的数控系统鉴于NGC等计划过于庞大与复杂，以及个人计算机性能和质量的提高、数量的增加、价格的下降、人们对通用PC机熟悉程度的深化，因此有不少厂家开发了基于通用个人计算机式CNC系统如总部位于意大利的FIDIA公司，华中理工大学数控技术研究所等这种系统可以充分利用微机工业所提供的先进技术和PC机十分丰富的软硬件资源，可使设计任务大大减轻，并能方便地实现产品的更新换代，进而提高产品性能和降低成本，并极大地方便使用与维修。904.2.3开放式数控装置的体系结构(6)（3）基于通用个人4.2.3开放式数控装置的体系结构(7)如在硬件方面可充分利用PC机固有的CPU、BIOS、协处理器、存储器、软硬盘驱动器、串行和并行端口及中断、显示、键盘控制器和扩展插槽等；在软件方面可充分利用PC机的操作系统技术、图形技术、数据库技术、网络技术等；良好的人机界面会使操作更加方便；开放式体系结构更便于在企业内外实现集成。914.2.3开放式数控装置的体系结构(7)如在硬件方面可充分4.3CNC装置的软件结构现代数控机床的功能大都采用软件来实现，因此，系统软件的设计及功能是CNC装置的关键。计算机数控装置的软件是整个系统的“灵魂”，是控制机床完成加工任务的核心内容。CNC装置的软件又称为系统软件，是数控加工的一种专用软件，是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。本节主要介绍CNC软件的特点、数据转换过程以及CNC故障诊断程序。924.3CNC装置的软件结构现代数控机床的功能大都采用软件来4.3.1CNC装置软件结构的特点（1）多任务性和实时性CNC装置是机床的控制系统，在硬件支持下，由软件来完成管理和控制两大任务。系统的管理任务包括通信、显示、诊断、零件程序的输入以及人机界面管理，这类程序的实时性要求不高；系统的控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量I/O控制等，这类程序要完成实时性很强的控制任务。数控系统的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。934.3.1CNC装置软件结构的特点（1）多任务性和实时性34.3.1CNC装置软件结构的特点在多数情况下，CNC要完成数控加工任务，必须同时进行几个任务的处理，即所谓的并行处理。例如，为使操作人员及时了解CNC系统的工作状态，软件中的显示模块必须与控制软件同时执行等；针对数控系统软件的多任务性和实时性两大特点，有多种并行处理技术。从硬件出发，可以采用设备重复的并行处理技术，如采用多微处理器并行处理CNC系统，各个微处理器并行地执行各自的实时任务。从软件出发，可采用设备分时共享并行处理技术、时间重叠流水处理技术和多重中断的并行处理技术。944.3.1CNC装置软件结构的特点在多数情况下，CNC要完4.3.1CNC装置软件结构的特点（2）设备分时共享并行处理在单CPU的CNC系统中，或在多CPU数控系统的某个需要处理多任务的CPU中，一般采用分时共享的原则来解决多任务的同时运行。在使用分时共享并行处理的计算机系统中，必须将各个任务按其所需时间的长短分割成一个个子任务，一个微处理器用时间片轮转的方式处理完成多任务，即按照某种轮换次序给每个子任务分配CPU时间，进行各子任务的处理，从微观上看各子任务分时占用CPU，从宏观上看，在一段时间内，CPU并行地完成了各子任务，如同自动线的流水作业。954.3.1CNC装置软件结构的特点（2）设备分时共享并行处4.3.1CNC装置软件结构的特点在设备分时共享并行处理中，要充分地利用计算机的高速数据计算和处理能力，保证每个任务的合理响应时间。每个任务允许占用CPU的时间要受到一定限制，通常是这样处理的，如在加工程序的译码、数据处理中，可在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点时，自动让出CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。964.3.1CNC装置软件结构的特点在设备分时共享并行处理中4.3.1CNC装置软件结构的特点（3）时间重叠流水处理当CNC处在零件加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码和数据处理）、插补和位置控制四个子过程组成。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将是t=t1+t2+t3+t4。如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个程序段处理完后再处理第二个程序段，依次类推，这种顺序处理的时间关系如图4-5a所示。974.3.1CNC装置软件结构的特点（3）时间重叠流水处理44.3.1CNC装置软件结构的特点从图中可以看出，此时在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t的间隔，同样在第二个和第三个程序段的输出之间也会有这种时间间隔。由于这种时间间隔较大，会导致电机时转时停，进而使刀具时走时停，这种刀具时走时停在加工工艺上是不允许的。984.3.1CNC装置软件结构的特点从图中可以看出，此时在两4.3.1CNC装置软件结构的特点消除这种时间间隔的方法是时间重叠流水处理技术，采用这种技术的时间关系如图4-5b所示。其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。这样以来，每个零件程序段的输出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。994.3.1CNC装置软件结构的特点消除这种时间间隔的方法是4.3.1CNC装置软件结构的特点（4）实时中断处理CNC控制软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为成个系统必不可少的重要组成部分。对于有实时要求，且各种任务互相交错并发的多任务控制系统，可采用多重中断的并行处理技术，这时实时任务被按排成不同优先级别的中断服务程序，或在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行。CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定于系统软件的结构，其中断类型有下列几种：1004.3.1CNC装置软件结构的特点（4）实时中断处理444.3.1CNC装置软件结构的特点①外部中断。主要有外部监控终端（如急停、检测仪器到位等）和操作面板键盘输入中断。前一种中断的实时性要求很高，通常把这种中断安排在较高的优先级上，而操作面板输入中断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。这是各种硬件故障检测装置产生的中断，如：存储器出错，定时器出错，插补运算器超时等。④程序性中断。它是程序中出现的各种异常情况而引起的报警中断，如各种溢出，运算中出现零作除数等。1014.3.1CNC装置软件结构的特点①外部中断。主要有外部监4.3.2CNC装置的数据转换（1）CNC装置的数据转换是数控机床控制机床进行工作过程中位置、速度、主轴转速等信息的传递和变换过程。这一过程包含计算机数控的几个核心功能，且都采用软件完成。CNC装置的数据转换包括以下几个核心内容：（1）数控程序输入数控程序输入是计算机数控读入由用户编写的加工程序的过程。一般有文本程序和图形程序两种。文本程序读入是数控机床普遍采用