网络班-数控技术电子讲稿2-3课件

第三章

计算机数控装置(CNC)主讲老师：王志斌南京机电职业技术学院·机电学院2023/2/21数控技术第三章计算机数控装置(CNC)第一节概述第二节CNC装置的硬件体系结构第三节CNC系统软件结构第四节CNC装置的插补原理第五节刀具半径补偿原理2023/2/22数控技术内容提要本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。第三章计算机数控装置(CNC)2023/2/23数控技术第一节

概述2023/2/24数控技术在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节概述2023/2/25数控技术从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量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。从外部特征来看，CNC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。.CNC装置的组成第一节概述2023/2/26数控技术CNC系统的硬件一般性结构结构：由计算机基本系统、设备支持层、设备层组成。计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...图3-1CNC的一般性硬件结构第一节概述2023/2/27数控技术CNC系统软件的功能性结构本质特征:CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，功能特征:其操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统的灵魂。第一节概述2023/2/28数控技术操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......第一节概述2023/2/29数控技术

CNC硬件、软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。第一节概述2023/2/210数控技术具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。二.CNC装置的优点第一节概述2023/2/211数控技术2.数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误差补偿等人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。第一节概述2023/2/212数控技术

3.可靠性高采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。第一节概述2023/2/213数控技术4.使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。第一节概述2023/2/214数控技术5.易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。第一节概述2023/2/215数控技术功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。第一节概述三.CNC装置的功能2023/2/216数控技术1.控制功能

——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；

基本轴和附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。第一节概述2023/2/217数控技术2.准备功能（G功能）

——指令机床动作方式的功能。已在第二章介绍。第一节概述2023/2/218数控技术3.插补功能和固定循环功能——插补功能数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。——固定循环功能数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能第一节概述2023/2/219数控技术4.进给功能——进给速度的控制功能。进给速度——控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r（inch/min）

。进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定的进给速度。第一节概述2023/2/220数控技术5.主轴功能——主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。单位：（m/min）主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。第一节概述2023/2/221数控技术6.辅助功能（M功能）

——

用于指令机床辅助操作的功能。已在第二章介绍。第一节概述2023/2/222数控技术7.刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用；刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示更换刀具；刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。第一节概述2023/2/223数控技术8.补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。第一节概述2023/2/224数控技术9.人机对话功能在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。第一节概述2023/2/225数控技术10.自诊断功能——CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。第一节概述2023/2/226数控技术11.通讯功能——CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP(制造自动化协议)模块，网卡适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。第一节概述2023/2/227数控技术内容小结1．数控装置的组成2.数控装置的优点3.数控装置的功能2023/2/228数控技术习题与思考题1．名词解释：插补功能、恒线速度控制、非线性误差补偿功能2.数控装置的功能有哪些。2023/2/229数控技术第二节

CNC装置的硬件体系结构2023/2/230数控技术第二节CNC装置的硬件体系结构

一、概述CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为:单机系统:整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。2023/2/231数控技术多机系统:CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/232数控技术多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/233数控技术二.单机或主从结构模块的功能介绍CNC装置是按模块化设计的方法构造的。模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/234数控技术实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/235数控技术I/O设备计算机主板显示卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元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CNC系统硬件框图1

第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/236数控技术1.计算机主板和系统总线(母板)

计算机主板是CNC装置的核心。功能结构：CPU及其外围芯片；内存单元、cache及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/237数控技术计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。

第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/238数控技术系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：数据总线地址总线：控制总线：工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/239数控技术2.显示模块(显示卡)显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/240数控技术在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/241数控技术3.输入/出模块(多功能卡)它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是ALL-IN-ONE主板，则此板可省略。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/242数控技术以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/243数控技术4.电子盘(存储模块)电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。

第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/244数控技术计算机领域所用存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/245数控技术电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）易失性随机读写存储元件（RAM）。非易失性读写存储元件。这类器件有：

E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/246数控技术在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/247数控技术5.PLC(ProgrammableLogicController)模块PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/248数控技术CNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号；模拟信号；脉冲信号。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/249数控技术CNC机床用的PLC一般分为两类：内装型（Built-inType）PLC（或称集成式、内含式）。独立型（Stand-aloneType）PLC，或称为“通用型”PLC第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/250数控技术6.位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/251数控技术

常用的位置控制模块有：开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/252数控技术7.功能接口模块实现用户特定功能要求的接口板，实例：仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。第二节CNC装置的硬件体系结构2023/2/253数控技术内容小结1．几个基本概念单机系统、多机系统、主从结构、多主结构、分布式结构2.数控装置的硬件体系结构2023/2/254数控技术习题与思考题1．名词解释：单机系统、多机系统、主从结构、多主结构、分布式结构2.试用框图方式表示数控装置的硬件体系结构，并说明主要组成模块的名称及其主要作用。2023/2/255数控技术第三节

CNC系统软件结构2023/2/256数控技术第三节CNC系统软件结构

CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将首先介绍系统软硬件界面的关系，然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，并从多任务性和实时性的角度来分析CNC系统软件的结构特点，最后介绍一个典型CNC装置系统软件的结构。2023/2/257数控技术一、CNC装置软件和硬件的功能界面合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。第三节CNC系统软件结构2023/2/258数控技术硬件和软件在实现各种功能时的特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则：系统的性能价格比第三节CNC系统软件结构2023/2/259数控技术数控系统功能界面的几种划分：输入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件软件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢⅣ第三节CNC系统软件结构2023/2/260数控技术二、CNC装置的数据转换流程

CNC系统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。第三节CNC系统软件结构2023/2/261数控技术加工程序译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图

第三节CNC系统软件结构2023/2/262数控技术

译码(解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。第三节CNC系统软件结构2023/2/263数控技术StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//缓冲区状态，0空；1准备好。intblock_num；//以BCD码的形式存放本程序段号。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的数值（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以标志形式存放G指令。charG1；charM0；//以标志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段换刀的刀具号。charD；//存放刀具补偿的刀具半径值。}；第三节CNC系统软件结构2023/2/264数控技术以标志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：无该指令；1：有该指令G010：无该指令；1：有该指令G020：无该指令；1：有该指令G030：无该指令；1：有该指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42

第三节CNC系统软件结构2023/2/265数控技术在程序中一般都有由若干个这样结构组成的程序缓冲区组，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。第三节CNC系统软件结构2023/2/266数控技术

N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789----------------------------------------StructPROG_BUFFER

{

charbuf_state；0：(开始)；1（；）⑨

intblock_num；06（N06）①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；（G90）②

D6,D7=0,1（G41）③

D1=1；（G01）⑤

……charD；D=11（D11）④}；第三节CNC系统软件结构2023/2/267数控技术.刀补处理(计算刀具中心轨迹)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42P’eP”eR刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（P’e/P〃e）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。第三节CNC系统软件结构2023/2/268数控技术3.速度预处理主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。第三节CNC系统软件结构2023/2/269数控技术速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量：直线：合成位移量L；圆弧：总角位移量α。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量：

ΔL=FΔt/60（μm）

式中：F--进给速度值（mm/min）；△t--数控系统的插补周期（ms）Lα第三节CNC系统软件结构2023/2/270数控技术4.插补计算主要功能：计算插补周期的实际合成位移量：

△L1=△L*修调值分解△L1

→（△X1、△Y1）

将△L1按插补的线形（直线，圆弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。

经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。插补模块以系统规定的插补周期△t定时运行。第三节CNC系统软件结构2023/2/271数控技术5.位置控制处理f（）插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3X2新Y2新实际位置反馈位置增量△X2、△Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY图3-16位置控制转换流程++-+++第三节CNC系统软件结构2023/2/272数控技术位置控制完成以下几步计算：计算新的位置指令坐标值：X1新=X1旧+△X1；Y1新=Y1旧+△Y1；计算新的位置实际坐标值：X2新=X2旧+△X2；Y2新=Y2旧+△Y2计算跟随误差(指令位置值—实际位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；计算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）第三节CNC系统软件结构2023/2/273数控技术f()是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制。第三节CNC系统软件结构2023/2/274数控技术、CNC装置的软件系统特点

CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。第三节CNC系统软件结构2023/2/275数控技术.多任务性与并行处理技术（1）CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、…CNC系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。第三节CNC系统软件结构2023/2/276数控技术（2）基于并行处理的多任务调度技术并行处理定义：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的方法。采用并行处理技术的目的：合理使用和调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速度。第三节CNC系统软件结构2023/2/277数控技术（3）并行处理的实现方式：资源分时共享并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。第三节CNC系统软件结构2023/2/278数控技术（4）资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享——在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即

时间片的分配问题。第三节CNC系统软件结构2023/2/279数控技术资源（CPU）分时共享图

…译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低第三节CNC系统软件结构2023/2/280数控技术0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用CPU

时间示意图第三节CNC系统软件结构2023/2/281数控技术资源分时共享技术的特征:在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。第三节CNC系统软件结构2023/2/282数控技术（5）并发处理和流水处理（对多资源的系统）

在多CPU结构的CNC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：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——并发处理；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行处理。第三节CNC系统软件结构2023/2/283数控技术流水处理技术的涵义:

流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。第三节CNC系统软件结构2023/2/284数控技术流水处理技术示意图

1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU1时间t+△tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处理第三节CNC系统软件结构2023/2/285数控技术并发处理和流水处理的特征在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。第三节CNC系统软件结构2023/2/286数控技术

实时性和优先抢占调度机制（1）实时性任务的定义和分类实时性定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类:

强实时性任务实时突发性任务；实时周期性任务弱实时性任务第三节CNC系统软件结构2023/2/287数控技术（2）强实时性任务实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。第三节CNC系统软件结构2023/2/288数控技术（3）弱实时性任务这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。第三节CNC系统软件结构2023/2/289数控技术（4）抢占式优先调度机制

多任务系统的任务调度方法：循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法第三节CNC系统软件结构2023/2/290数控技术（5）抢占式优先调度机制功能抢占方式：在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求优先调度：在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。第三节CNC系统软件结构2023/2/291数控技术（6）CNC系统中采用的任务调度机制抢占式优先调度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。第三节CNC系统软件结构2023/2/292数控技术.CNC系统软件结构模式结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。第三节CNC系统软件结构2023/2/293数控技术.前后台型结构模式该模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序):

完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插补预处理等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，在运行过程中，不断地被前台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。第三节CNC系统软件结构2023/2/294数控技术前后台程序运行关系图前台程序故障处理位置控制插补运算……后台程序译码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行第三节CNC系统软件结构2023/2/295数控技术前后台型结构模式的特点任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。第三节CNC系统软件结构2023/2/296数控技术.中断型结构模式这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。第三节CNC系统软件结构2023/2/297数控技术中断型软件系统结构图初始化中断管理系统（硬件+软件）0级中断服务程序

级中断服务程序

级中断服务程序级中断服务程序………………1n2第三节CNC系统软件结构2023/2/298数控技术中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。二十世纪80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。第三节CNC系统软件结构2023/2/299数控技术.基于实时操作系统的结构模式

实时操作系统（RealTimeOperatingSystem

RTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。第三节CNC系统软件结构2023/2/2100数控技术基于实时操作系统软件结构图

RTOS模块（任务）1模块（任务）2模块（任务）……第三节CNC系统软件结构2023/2/2101数控技术基于实时操作系统的结构模式的优点弱化功能模块间的耦合关系

CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系，在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们，前述结构模式中，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，致使各模块间的关系复杂。在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。第三节CNC系统软件结构2023/2/2102数控技术系统的开放性和可维护性好从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。在本模式中，系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块（模块程序加上任务控制块（TCB）），挂到实时操作系统上（按要求进行编译）即可。因而，采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。第三节CNC系统软件结构2023/2/2103数控技术减少系统开发的工作量

在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发的往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。第三节CNC系统软件结构2023/2/2104数控技术内容小结1、数控装置软件和硬件的功能界面

2、数控装置的数据转换流程

3、数控装置的软件系统特点

4、数控系统软件结构模式

2023/2/2105数控技术习题与思考题1、名词解释：译码、速度预处理、并行处理、流水处理、实时突发性任务、实时周期性任务、弱实时性任务2、简述前后台型结构模型的含义及其特点。3、简述中断型结构模型的含义及其特点。4、简述基于实时操作系统结构模型的含义及其特点。2023/2/2106数控技术第四节

CNC装置的插补原理2023/2/2107数控技术第四节CNC装置的插补原理一、概述

1、插补的概念插补(Interpolation)：根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实现算法。插补功能是轮廓控制系统的本质特征。2023/2/2108数控技术.评价插补算法的指标

稳定性指标插补运算是一种迭代运算，存在着算法稳定性问题。插补算法稳定的充必条件：在插补运算过程中，对计算误差和舍入误差没有累积效应。插补算法稳定是确保轮廓精度要求的前提。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2109数控技术插补精度指标插补精度：插补轮廓与给定轮廓的符合程度，它可用插补误差来评价。插补误差分类：逼近误差（指用直线逼近曲线时产生的误差）；计算误差（指因计算字长限制产生的误差）；圆整误差（指计算结果取整产生的误差）其中，逼近误差和计算误差与插补算法密切相关。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2110数控技术提高插补精度的方法采用逼近误差和计算误差较小的插补算法；采用优化的小数圆整法，如：逢奇（偶）四舍五入法、小数累进法等。上述三误差的综合效应一般要求小于系统的最小运动指令或脉冲当量。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2111数控技术合成速度的均匀性指标合成速度的均匀性：插补运算输出的各轴进给率，经运动合成的实际速度（Fr）与给定的进给速度（F）的符合程度。速度不均匀性系数：合成速度均匀性系数应满足：

λmax≤1%第四节CNC装置的插补原理2023/2/2112数控技术插补算法要尽可能简单，要便于编程因为插补运算是实时性很强的运算，若算法太复杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制进给速度指标和精度指标的提高。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2113数控技术.插补方法的分类

脉冲增量插补(行程标量插补)特点：每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）。以一个一个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是：用折线来逼近曲线（包括直线）。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2114数控技术插补速度与进给速度密切相关。因而进给速度指标难以提高，当脉冲当量为10μm时，采用该插补算法所能获得最高进给速度是3-4m/min。脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补。因此它比较容易用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快的。但是也有用软件来完成这类算法的。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2115数控技术这类插补算法有：逐点比较法；最小偏差法；数字积分法；目标点跟踪法；单步追综法等它们主要用早期的采用步进电机驱动的数控系统。由于此算法的速度指标和精度指标都难以满足现在零件加工的要求，现在的数控系统已很少采用这类算法了。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2116数控技术数字增量插补(时间标量插补)特点：插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2117数控技术插补运算速度与进给速度无严格的关系。因而采用这类插补算法时，可达到较高的进给速度（一般可达到10m/min以上）。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，不过现在的计算机均能满足要求。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2118数控技术这类插补方法有：数字积分法(DDA)、二阶近似插补法、双DDA插补法、角度逼近插补法、时间分割法等。这些算法大多是针对圆弧插补设计的。这类插补算法主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环，半闭环数控系统，也可用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统，而且，目前所使用的CNC系统中，大多数都采用这类插补方法。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2119数控技术

二、脉冲增量插补逐点比较法是这类算法最典型的代表，它是一种最早的插补算法，该法的原理是：CNC系统在控制过程中，能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。第四节CNC装置的插补原理2023/2/2120数控技术逐点比较法工作过程图

偏差判别终点判别进给输出偏差计算终点到退出第四节CNC装置的插补原理2023/2/2121数控技术1、逐点比较法加工的原理（直线）(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直线X直线:

Fm=Xe

*Ym

-Ye

*Xm

Fm＞0在直线上方，向+X输出一步Fm＝0在直线上，向+X输出一步Fm＜0在直线下方，向+Y输出一步第四节CNC装置的插补原理2023/2/2122数控技术2、逐点比较法加工的原理（圆弧）圆弧:

Fm=Xm2+Ym2–RFm＞0在圆外，向-Y输出一步Fm＝0在圆上，向+X输出一步Fm＜0在圆内，向+X输出一步RXY(Xm，Ym)

圆弧

第四节CNC装置的插补原理2023/2/2123数控技术1.直线插补算法在设计直线插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补直线的起点，如图所示，设有一直线OPe，O(0,0)为起点，Pe(Xe,Ye)为终点，要求以速度F(mm/min)，沿OPe

进给。

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四节CNC装置的插补原理.数字增量插补2023/2/2124数控技术直线插补公式的推导设插补周期为Δt(ms)，则在Δt内的合成进给量△L为：

若Δt=8ms则：式中：

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四节CNC装置的插补原理2023/2/2125数控技术上述算法是先计算△Xi后计算△Yi，同样还可以先计算△Yi后计算△Xi，即：

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四节CNC装置的插补原理2023/2/2126数控技术2.圆弧插补算法采用时间分割插补法进行圆弧插补的基本方法是用内接弦线逼近圆弧。设计圆弧插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补圆弧的圆心上，如图所示，以第一象限顺圆（G02）插补为例来讨论圆弧插补原理。

第四节CNC装置的插补原理2023/2/2127数控技术

YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi第四节CNC装置的插补原理2023/2/2128数控技术同直线插补一样,上述算法是先计算△Xi后计算△Yi，同样还可以先计算△Yi后计算△Xi，即：第四节CNC装置的插补原理2023/2/2129数控技术3.几个问题的说明上面的公式均是在第一象限，且规定了进给方向，当这些条件不满足时，插补的公式是不同的。由于圆弧插补每个象限的公式不同，这里便存在一个过象限的问题，如何在过象限时既能顺利均匀地连续切换，算法又简单，是值得讨论的题目。终点判别的问题，这里而涉及到两个问题程序中程序段的终点判别要考虑与下面程序段联接问题在要求降速为零的程序段中，有一个减速起点的问题升降速处理问题第四节CNC装置的插补原理2023/2/2130数控技术内容小结1、几个基本概念插补、插补算法、脉冲增量插补、数字增量插补2、插补算法的评价指标3、直线数字增量插补算法4、圆弧数字增量插补算法2023/2/2131数控技术习题与思考题1、名词解释：插补、插补算法、脉冲增量插补、数字增量插补2、试比较脉冲增量插补算法与数字增量插补算法的优缺点。3、简述评价插补算法的指标。2023/2/2132数控技术第五节

刀具半径补偿原理

2023/2/2133数控技术第五节刀具半径补偿原理一.刀具半径补偿的基本概念1.什么是刀具半径补偿(ToolRadiusCompensation[offset])

根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。

A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/2/2134数控技术.刀具半径补偿功能的主要用途实时将编程轨迹变换成刀具中心轨迹。可避免在加工中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦。刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可。减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。第五节刀具半径补偿原理2023/2/2135数控技术.刀具半径补偿的常用方法：

B刀补：R2法，比例法，该法对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。如图示，第五节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/2/2136数控技术在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。在内轮廓尖角加工时，由于C”点不易求得(受计算能力的限制)编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧，这样才能避免产生过切。这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。因此现在用得较少，而用得较多的是C刀补。第五节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/2/2137数控技术

C刀补采用直线作为轮廓间的过渡特点：尖角工艺性好可实现过切自动预报(在内轮廓加工时)，从而避免产生过切。第五节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/2/2138数控技术.刀具半径补偿的工作原理.刀具半径补偿的工作过程刀补建立刀补进行刀补撤销。

起刀点刀补建立刀补进行刀补撤销编程轨迹刀具中心轨迹第五节刀具半径补偿原理2023/2/2139数控技术.C刀补的转接形式和过渡方式转接形式根据前后两编程轨迹的不同，刀具中心轨迹的不同连接方法。在一般的CNC装置中，均有圆弧和直线插补两种功能。对由这两种线形组成的编程轨迹有以下四种转接形式

直线与园弧园弧与园弧第五节刀具半径补偿原理直线与直线转接直线与圆弧转接圆弧与直线转接圆弧与圆弧转接2023/2/2140数控技术α刀具中心轨迹编程轨迹非加工侧加工侧α非加工侧编程轨迹刀具中心轨迹加工侧过渡方式对应两编程轨迹间，刀具中心轨迹过渡连接形式

矢量夹角α：指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角α

第五节刀具半径补偿原理2023/2/2141数控技术根据两段程序轨迹的矢量夹角α和刀补方向的不同，过渡方式有以下几种：缩短型：矢量夹角α≥180o

刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。伸长型：矢量夹角90o≤α＜180o

刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。插入型：矢量夹角α＜90o

在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。第五节刀具半径补偿原理2023/2/2142数控技术.刀具中心轨迹的转接形式和过渡方式列表刀具半径补偿功能在实施过程中，各种转接形式和过渡方式的情况，如下面两表所示。表中实线表示编程轨迹；虚线表示刀具中心轨迹；α为矢量夹角；r为刀具半径；箭头为走刀方向。表中是以右刀补（G42）为例进行说明的，左刀补（G41）的情况于