第五章CNC系统的基本原理

第五章计算机数控（CNC）

系统的基本原理

本章重点内容CNC装置的硬件系统CNC装置的软件系统第五章计算机数控（CNC）

系统的基本原理

第一节概述

第二节

CNC的数据处理第三节CNC的软件系统第四节

CNC的硬件系统第五节典型CNC系统实例第一节概述

一、CNC系统的组成第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理程序输入设备输出设备CNC装置PC位置检测器进给电机机床主轴电机主轴控制单元速度控制单元二、CNC装置的结构(一)CNC装置的一般硬件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理设备层机床机器人测量机………显示设备输入/输出设备其他设备接口计算机基本系统设备支持层人机控制运动控制PMC其他I/OCNC装置硬件组成第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CPUEPROMRAMIN接口OUT接口纸带阅读机MDI/CRT接口位置控制其它接口总线(二)CNC装置软件的功能性结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理操作系统管理软件零件操作系统显示处理人机交互输入输出管理编译处理刀具半径补偿速度处理插补运算控制软件…………(三)CNC硬件、软件的作用和相互关系CNC装置的硬件和软件构成了CNC装置的系统平台：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数控加工系统

CNC装置的系统平台被控设备机床机器人测量机……根据用户要求开发应用软件控制软件管理程序

操作系统硬件接口第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理＊

该平台提供CNC装置基本配置的必备功能＊

该平台根据用户要求进行功能设计和开发

CNC平台的建构方式就是CNC装置的体系结构。该平台由以下两个方面的含义:三、CNC装置的功能基本功能选择功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能用户可以根据要求选择的功能四.CNC系统的特点☆灵活性大第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理只要改变系统软件，就可改变和扩展其功能，补充新技术，延长硬件结构的使用期☆通用性强硬件有多种通用的模块化结构，易于扩展☆可以实现复杂的功能如高次曲线插补、动静态图形显示等功能☆可靠性高☆使用维修方便第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理许多功能由软件实现，硬件结构大大简化,用大规模和特大规模通用和专用集成电路CNC的诊断程序使维修非常方便☆易于实现机电一体化半导体集成电路技术的发展和采用先进的制造安装技术,使CNC装置尺寸大为缩小。K9M铣床数控系统K9M铣床数控系统（立式1）K9M铣床数控系统（箱式）K9T铣床数控系统（箱式）四、几个典型的CNC系统♂美国艾伦•勃兰特雷公司本世纪70年代中期生产的7360系统，是世界上第一个CNC系统，是该公司于1971年公布的。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理♂世界著名控制系统制造商日本富士通法努克在本世界70年代中期生产的System7，包括7T和7M

两种。♂美国著名的飞机制造公司麦克唐纳•道格拉斯公司生产的ActrionⅢ，是一个典型的分布式微型计算机数控系统。返回第二节CNC的数据处理§2.1CNC的输入第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CNC的输入主要是指零件加工程序的输入。穿孔输出存储器修正删除插入阅读机键盘无带运转CNC装置数据转换流程如图所示第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理加工程序译码刀补处理速度预处理插补处理位置处理伺服驱动刀补缓冲区运行缓冲区PLC控制译码缓冲区位置反馈插补缓冲区存数过程取数过程第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理纸带零件程序零件程序缓冲器零件程序存储器零件程序存储器零件程序缓冲器译码

CNC系统中通常的工作方式为存储器工作方式。用键盘命令调出零件程序存储器中指定的零件程序。但在工作中还允许用键盘输入修正程序。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理阅读机零件程序存储器MDI键盘零件程序缓冲器MDI缓冲器译码§2.2CNC的数据处理§2.2.1概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理进行插补运行前的准备。译码、运动轨迹计算、F值计算零件程序中每个程序段所经历的过程是：

零件程序缓冲区译码结果寄存器数据结果缓冲器插补工作寄存器译码程序数据处理程序传送内容目的

§2.2.2译码

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将标准的数控代码翻译成本系统能识别的形式。

如N042

G01X40

Y20F80。识别代码，翻译成具有具体意义的数据形式，并存入对应单元。取识→拼数→分存过程任务概念§2.3管理程序与诊断程序一、管理程序第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理管理程序主要是对CNC系统的各项数控功能与零件加工过程的管理。初始化、接受命令、执行命令、返回待命状态工作流程数控功能编辑、自动、空运行、单段手动1、手动2、手动3、（一）运行中诊断诊断程序常包含在主控程序、中断处理程序等各部分中。接口、伺服系统和机床方面的都包含在CNC装置软件的相应部分。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理二、诊断程序1.用代码和检查内存。2.格式检查。3.双向传送数据检验。4.电压、温度、速度等模拟量监控。（二）停机诊断第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理概念当系统发生故障或系统开始运行前，利用诊断程序进行诊断称为停机诊断。商业化的CNC装置多数配有自诊断程序。概念诊断时，将自诊断程序装入运行，CNC系统无故障，检查程序连续进行，不停机。如发现故障，则停机，从停机地址即可找到故障部位。自诊断程序包括：

内存检查程序、逻辑检查程序、算术检查程序、接口、外设检查程序、位置控制测试程序，以及掉电处理检查程序等。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

对接口电路也可以设立独立诊断程序，就是使接口与外围设备脱离，将某些接口的输出线与另一接口的输入线适当连接，以进行信息传送并进行检查。（三）通讯诊断用户CNC系统经电话线路与诊断中心通讯，由诊断中心发出诊断程序，指示CNC进行某种运行，同时收集数据，分析系统的状态。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

故障发生时，NC机床操作者打电话给诊断中心，接通NC系统与诊断系统计算机联系的按钮，中心计算机把诊断程序送入NC系统，由该程序检验NC机床各单元回路和机构，检验结果自动回送到中心计算机，给操作者提出一整套消除故障的措施。返回第三节CNC的软件结构§3.1概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CNC是一个实时的计算机控制系统。数控的基本功能是由各种功能子程序实现的。特点1.CNC系统软、硬件的界面纸带输入插补准备插补位控软件硬件硬件第一种介质输入插补准备插补位控2.系统软件的内容及结构类型

前后台型软件结构中断型软件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理硬件硬件介质输入插补准备插补位控速控电机测量软件硬件软件硬件第二种第三种3.多任务并行处理第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理输入显示位控诊断I/O译码↓刀补↓速度处理插补位控资源分时共享并行处理第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理显示诊断输入插补准备I/O处理初始化插补位控键盘中断优先级由高到低§3.2前后台型的软件结构

§3.2.1概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理作用系统的核心，承担几乎全部实时功能如插补运算、位置控制、故障诊断。

━前台程序(实时中断服务程序)━后台程序(背景程序)作用完成插补前的准备工作和调度管理，如显示、插补预处理、程序编辑。前后台运行的相互关系如图所示第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理中断执行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..循环执行§3.2.2后台程序的调度管理功能

程序段经过输入译码、数据处理后，已进入就绪状态，等待插补进行。背景程序有一个数据段执行程序，专门管理数据段的执行。数据处理后两种信息的传递如图所示：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数据处理程序插补用信息辅助信息数据处理结果缓冲器系统工作寄存器数据段执行程序的功能：

将数据处理结果缓冲器中的插补用信息传送到插补缓冲器，并把系统工作寄存器的辅助信息待送到系统标志单元。在完成了两种传送后，背景程序设立了两个标志：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数据段传送结束标志开放插补标志在一个中断周期，实时中断程序进行插补及伺服输出，背景程序进行下一段的数据处理。的调度管理功能框图

正常状态下背景程序第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理初始化按了启动按钮否？停机循环停处理程序数据段执行程序零件程序结束否？输入，译码并进行数据处理NNYY一、什么是中断型软件结构

§3.3中断型软件结构

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指除了初始化程序外，整个控制程序分成若干各不同级别的中断服务程序。所有的各种功能子程序均被安排成级别不同的中断程序，管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通讯来解决。二、中断型软件结构的特点

实时性好，但模块关系复杂，耦合度大该模式的软件结构如图所示第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理初始化中断程序0级服务中断程序1级服务中断程序2级服务中断管理系统(软件+硬件)中断程序n级服务………三、CNC系统的中断类型1.外部中断第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理2.内部定时中断3.硬件故障中断：各种硬件故障检测系统发出的中断.4.程序性中断：程序中出现异常情况的报警中断。插补周期定时中断位置采样定时中断阅读机中断和外部监控中断键盘操作面板输入中断

§3.4基于实时操作系统的软件结构

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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、任务间的通讯机制等功能。1.弱化功能模块间的耦合关系2.系统的开放性和科维护性好3.减少系统开发的工作量功能优点§3.5华中Ⅰ型数控系统软件介绍华中Ⅰ型数控系统软件以工业PC和DOS操作系统为软硬件支持环境，其底层运动控制软件实现开放，构成开放式的运动平台，提供一个二次开发环境，能够供不同的数控系统灵活配置、使用，并提供了一个标准风格的软件界面。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

过程层软件相当与前后台型软件结构中的背景程序，通过NCBIOS把它与底层软件隔开，使得过程层不依赖于硬件。华中Ⅰ型

软件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理MS-DOSRTMNCBIOS位置控制I/O控制SDI曲面直接插补模块PLC过程控制软件编辑程序参数设置位置显示PLC管理故障显示底层软件过程层软件…返回第四节CNC硬件系统§4.1CNC硬件结构

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理一、按硬件制造方分1.专用型CNC装置

模块化结构

采用功能模块化结构。按功能要求可选用7、9、11和13个槽的控制单元母板。在控制单元母板上插入各种不同功能模块的印刷电路板。大板结构2.PC式CNC系统第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理组成：由主电路板、PLC板、附加I/O板、图形控制板和电源单元等组成。采用工业标准计算机作为CNC系统支撑平台；

不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和CNC软件即可构成CNC系统，不设计专门硬件；由于工业标准计算机的生产数以白万计，其生产成本很低，继而降低CNC系统的成本。

二、按CPU的多少分1.单机系统第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CPUCMOSROMRS-232I/O接口CRT接口PC控制位置控制控制媒介机床控制面板速度控制单元EPROMCRT其结构框图如图所示总线1).基本概念2).特点第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，现在已被多机系统的主从结构所取代。整个CNC装置只有一个CPU，集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式实现各种数控功能。优点投资小,结构简单,易于实现。缺点2.多机系统多机系统结构如图所示第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理其他外围设备I/O接口辅助功能CPU|输入端|输出端可编程控制器CNC插补|位置控制模块|模块几何处理其他功能管理模块存储器多机系统CNC系统并联数据总线1).基本概念2).分类第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理整个CNC装置中有两个或两个以上CPU，就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU。主从结构系统系统种只有一个CPU(主CPU)处于主导地位，对系统资源有控制和使用权，其他CPU处于从属地位，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。多主结构系统第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制和使用权。模块间采用紧耦合。分布式结构系统整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能模块，每个模块有独立的运行环境，模块间采用松耦合。三、单机或主从结构模块的功能介绍

1.什么是模块化设计方法：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理每个模块配上相应的驱动软件，按功能要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，组成一个完整的控制系统。将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块。2.模块化设计的条件：总线(BUS)标准化第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

单机或主从结构

的CNC装置硬件结构功能驱动1功能驱动n控制面板机床I/O主轴控制模块速度控制单元1速度控制单元n系统总线（BUS）计算机主板显示卡多功能卡电子盘计算机I/O设备PLC模块位置控制块1位置控制块n功能模块1功能模块n四、多主结构的CNC装置硬件简介1.特点1).实现真正意义上的并行处理，处理速度快。2).容错能力强。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1).共享总线结构结构简单、系统组配灵活、可靠性高☼FANUC系统

2.结构形式2).共享存储器结构☼美国GE公司的MTC1-CNC系统共享存储器结构CNC装置硬件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理RAM/EPROM反馈信号收发器RAM512键盘显示CPUEPROM512RAMEPROM中央CPU串口和收发器插补CPU字符发生器CTRC并行接口反馈脉冲和处理CRT模拟量输出机床接口7360系统的硬件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理键盘CRT阅读机穿孔机DNC主控计算机主控制面板辅助控制面板工业处理机I/O多路接口位置反馈直流开关输入接口直流电磁驱动接口主轴伺服入出接口机床伺服输出调速环节MRIRAM处理机前面板7M系统的硬件结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CRT/MDI操作面板模块(CPU)通信模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块通信模块(CPU)I/O单元驱动伺服单元主轴单元PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块FANUCBUS§4.2I/O接口及通讯功能一、I/O接口第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

I/O接口是CNC系统与外界交换信息必不可少的手段,不同的输入、输出设备与CNC系统相接，采用与其相应的I/O接口电路和接口芯片。2.输入接口：接受机床操作面板的按钮信号及机床的各种限位开关信号。3.输出接口：将各种工作状态灯信息送到机床操作面板,把控制机床动作信号送到强电箱。1.概述设备辅助控制接口的硬件逻辑图第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理系统总线开关量转换模拟量转换脉冲量转换数字接口计数器离器件光电隔A/DD/A转换条理电路功率放大计数脉冲滤波整形传感元件功率放大离器件光电隔4.分类

二、通讯接口第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数字量I/O工业用I/O模拟量I/O外设控制器作用：主要用于CPU和外设之间，系统和系统之间的相互通讯。通讯接口板上的接口采用标准接口如：并行接口IEEE-488,串行接口RS-232C§

4.3CNC与PLC一.数控机床的强电逻辑控制第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1.基本概念2.主要作用

接收数控装置输出的住运动变速等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。是介与数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。二.可编程逻辑控制器PLC概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理固态逻辑电子器件的出现提高了系统的稳定性、响应速度，功耗小、寿命长，但仍属于硬线方式。1969年美国数字设备公司研制了PDP－14型PLC器件，填充了继电器逻辑和微处理之间的地带。由于微型计算机的运用和发展，为逻辑控制开辟了广阔的前景，以微处理器为基础的新一代PLC，不仅对传统的数字领域产生了巨大影响，并且对整个计算机辅助制造产生威力。PLC的基本结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理外部设备外部供电通讯功能人机接口通讯功能电源功能的执行应用程序操作系统功能应用程序存储数据存储信号处理功能操作者设计人员至传感器和执行器的接口功能第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理外设接口中央处理器存贮器电源

A/D输入离散量输入D/A输出离散量输出按纽、限位开关旋转变压器电机、电磁线圈可控硅、指示灯等程序设定器显示处理器I/O子系统

PLC的典型结构PLC的组成1.PLC微处理器

处理器的结构与计算机的CPU结构类似。差别：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理一般计算机的数据处理能力强PLC以逻辑运算为原则设计的,数据处理能力较弱。运算控制比较简单，指令数目少，为了用户采用梯形图编程方式。2.I/O子系统第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理I/O子系统是PLC对外的接口，被控设备的I/O信号接到相应的I/O组件上。作用完成电信号电平转换、处理器电路与外界的隔离、数/模和模/数转换以及故障指示等功能。PLC的一般工作原理1.用户根据采用的梯形图编制程序，通过程序设定器转换为及其指令目的码，在CPU的控制下进入EPROM只读存储器。梯形图如图第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CR1PB1CR3PB1CR22.在启动程序运行后，处理机不断的进行循环扫描，顺序的从PROM中取相应程序的机器码，译码执行。PLC的分类1.内装型PLC第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1).什么是内装型PLCCNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计。2).内装型PLC的特点※

内装型PLC是CNC装置的一部分，它与CNC

中CPU的信息交换是在CNC内部进行的。※

内装型PLC是CNC不能独立工作，是CNC装置的一个功能模块，是CNC装置功能的扩展。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理操作面板总线连接存储器CPUAS511驱动器I/OCPU接口伺服接口存储器输入设备NC总线I/OPC

总线扩展设备编辑器测量回路调节信号3).带内装型PLC的CNC系统总线结构4).具有内装型PC的CNC机床系统结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理NCPCI/O电路强电电路主轴速度控制单元速度控制单元CRT/MDI面板机床操作面板MCNC装置5).举例ⅰ.在硬件上，内装型PLC与CNC装置共用一个CPU第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理西门子公司的SINUMERIK810、820等数控系统ⅱ.在硬件上，内装型PLC也可是单独的CPU♂FANUC的0系统和15系统♂美国A-B公司的8400系统和8600系统这种PLC的硬件和软件整体结构上合理、实用，性能价格比高，适用于类型变化不大数控机床。2.独立型PLC1).什么是独立型PLC第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理由专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制，称为独立型PLC。2).独立型PLC的特点※

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控制任务。※

独立型PLC的生产厂家较多，品种、类型丰富，使用户由较大的选择余地。3).具有独立型PLC的CNC机床系统结构第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理NCPCI/O电路强电电路主轴速度控制单元速度控制单元CRT/MDI面板机床操作面板MI/O电路I/O电路PC装置CNC装置4).主要功能5).举例第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理♀西门子公司的SIMATICS5、S7系列产品♀

FANUC公司的PMC-J系列产品♀A-B公司的PLC系列产品输入/输出信号接口技术规范程序存储容量预算和控制功能♀Canada·Entertron公司SK-1600PLC系列产品X11y0ZcFcX12X13PLC实例试设计三相异步电机正反停控制的继电器电路第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理右图为该设计的主电路图ZCFCFCZCZAFATARFCZC控制电路第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理I/O连接图第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理ZATAP01P02P03FA

ZC

FCPLCP41P42COMCOMP04TA上图中：TA:停止按钮RJ:热继电器FA:反转按钮ZA:正转按钮ZC、FC:电动机接触器第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理LOADP0001ORP0041AND,NOTP0003ANDP0004AND,NOTP00042OUTP0041LOADP0002ORP0042AND,NOTP0003ANDP0004ANDNOTP0041OUTP0042END其语句表如右部所示程序运行第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理PLC的发展与应用PLC首先应用于汽车工业，由于适用于逻辑控制，很快被应用到数控机床中,品种剧增，功能愈强。1973年出现了第二代PLC，在价格上可以与继电器相匹敌，在功能方面增加了加、减、乘、除功能。美国A-B公司的PLC-3容量为96K，字长16位，I/O分别为4096/4096点，定时器/计数器共达32768个，68条指令，还具有PID功能。TEXAS公司的TI-510内存容量仅0.5K,输入126点，输出8点，定时器/计数器共16个。PC的现状和发展方向第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理高性能CPU过程控制领域机械控制领域工程领域网络领域工程领域人机接口智能化CAM/CAD系统化网络化三、可编程逻辑控制器PLC与CNC工作过程如下：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1.计算机扫描各个输入数据源，获得的数据以表格方式存入存贮器中。2.计算机通过I/O总线向PLC有关的输入数据和控制信息，存入PLC的RAM之中。3.计算机向PLC发送“启动命令”，PLC对启动命令的响应是将其“忙录”标志置1，并启动其程序计数器。4.上述的过程一直继续到所有的逻辑方式被解出，即全部的指令被执行。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理5.当计算机检测到PLC的“完成”标志时，便读出PLC的输出RAM中的内容，并将数据存入存贮器表中。6.计算机执行另一个输入序列循环，向PLC传递数据，启动PLC。暂存RAM用作中间结果储存，与硬线系统的继电器等价，是系统内部的媒介信息。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理带有PLC的CNC框图如图所示输出转换器电路输出转换器电路PLC处理机PLC存贮器I/O总线接口系统计算机总线连接器时钟输入/输出总线双向数据总线及控制总线§4.4CNC装置的显示模块§4.4.1概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1.计算机图形显示，从显示器件上显示的内容讲，分为三种类型：

文字显示

文字,数字及简单的字符拼凑的简单图形

图形显示

可以显示各种线条和各类图形形势显示

2.CNC的CRT显示第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理

更为广泛的一种显示，字符和各种线条、图形,连同某些背景信息在一起的显示。属于文字显示，CNC的CRT显示的控制结构是小型机或微型机内存中所存放的显示程序和档案。CRT系统内有缓冲存储器及显示控制器。亦有显示器内带微型机的，成为智能终端。CNC的显示结构如图1所示

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CNC的CRT显示原理CRT系统CNC计算机接口缓冲存储器显示控制器CRT3.CRT显示的特点第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理不仅显示直观，便于修改，而且可以进行人机对话，是计算机数控中的外围设备。4.显示卡CRT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扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号。由CRT的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需的画面。§4.4.2CRT的工作原理1.高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物，对应位置就出现光点，光点的亮度决定于电子束的强度。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理屏幕上的如象显示，是利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现的。2.为了使电子束能够有规律的从左到右、自上而下地移动，以构成一帧完整幕面，必须加上偏转电路，电子束这种移动称为扫描。3.在电子束扫描过程中，利用图象信号不断控制电子数的强度，荧光屏上就出现黑白图象。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理4.图像信号必须与扫描过程密切配合，否则，屏幕上就会杂乱无章，不会显示清晰的图像。扫描过程在荧光屏上形成的一行行光点光栅同步图象信号与扫描过程的密切配合逐行扫描形成帧面的动画逐行扫描形成帧面的示意图第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理第1线第2线第3线0水平逆程(消隐)水平正程(显示)开始垂直逆程§4.4.3显示程序的结构CNC的显示方式的分类第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1.加工状态下的CRT显示2.非加工状态下的CRT显示包括加工的数据段，加工时尺寸大小，主轴转速，进刀速度及加工状态的显示。显示内存中已储存的零件程序，目录表等此时，只需按适当的键盘命令即可进行。§4.5华中Ⅰ型数控系统硬件介绍华中Ⅰ型是我国“八五”科技攻关中开发的高中档数控系统，它由华中理工大学开发完成。华中Ⅰ型在当时PC速度还不是太快的情况下，通过优化软件算法，在PC单处理器上实现了多主轴、多通道控制及高速加工能力，达到了国外高档多处理系统的性能。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理华中Ⅰ型的硬件组成如下图所示它由IPC及功能接口板组成。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理BUSPCCPU卡NC键盘软驱/硬盘CRT/TFT显示多功能卡手摇脉冲主轴控制光隔离输入/输出操作面板X轴伺服Y轴伺服4/8/16口串行通信卡MMZ轴伺服M网卡（选用）返回

第五节典型CNC系统实例

§5.17360系统第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理美国Allen－Bradley公司出品的7360系统是用来控制车床的计算机数控系统。§5.1.1概述★系统的核心是一台字长为16位的小型计算机。主存储器最小容量为8K，电源为交流115伏，采用半导体为存储元件，还专门准备了一台蓄电池电源。7360CNC的功能‡具备与普通NC系统同样的功能，例如定位插补、延时、车螺纹、绝对和增量编程等。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理‡进行端面恒速车削，即随着车削半径的增大或减小，主轴的转速相应地降低和增高。进给的指定方式可以有三种：↗用进给速度数FRN编程。FRN=V/D↗用机床滑板每分移动的毫米或时数编程↗主轴每转滑板移动距离代表进给速度§5.1.27360系统的硬件一、7360的控制面板第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理（一）、主控制面板1.荧光屏（CRT）显示器可显示16行，每行64个字符2.手动数据输入（MDI）操作3.其他操纵按钮可输入、编辑、存储程序的数据7360CNC系

统硬件框图键盘CRT阅读机穿孔机DNC主控计算机主控制面板辅助控制面板工业处理机I/O多路接口位置反馈直流开关输入接口直流电磁驱动接口主轴伺服入出接口机床伺服输出调速环节MRIRAM处理机前面板（二）、辅助控制面板二、7360系统的接口第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理（三）、专为计算机用的控制面板UPK算术逻辑部件UPJ控制器插件UPG存储器插件，每块8K,最多可用4块UPI控制器接口UPH存储器接口UEA外部设备接口三、工业处理机第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理算术逻辑部件功能：完成算术运算和逻辑运算，采用TTL

中规模集成电路和提前进位方式。输入部分功能：接受通用外设和专用外部送来的信号。输出部分功能：向通用外设和专用外部输出相应的命令。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理三、工业处理机指令系统共86条指令移位指令20条输入输出指令23条存储器访问指令14条变换跳步指令19条主存储器采用半导体存储器，用以存储程序、指令和数据，根据需要可从8K扩充到32K。控制部分功能：根据指令要求控制各部分使能协调工作。§5.1.37360系统的软件一、概述第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理美国Allen－Bradley公司的7360系统是典型的数字采样实时过程控制系统。二、组成各种控制功能都被当作任务，编制成为独立的程序模块，通过系统程序，讲各功能联系成为一个整体。1、背景程序

功能：根据开关命令所确定的系统工作方式，进行任务调度。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理背景程序的工作方式系统初始化，等待紧停复位工作方式选择键盘服务程序10.24ms实时中断自动服务程序字段服务程序手动服务程序背景程序2.中断服务程序(前台程序)第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理优先级中断名称主要功能1掉电及电源恢复自起动掉电时显示掉电信息,停止处理机,电源恢复时显示接电信息,进入初始化程序2存储奇偶错显示出错地址，停止处理机3阅读机输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存4实时时钟位置控制,实时监控和插补5键盘输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理§5.27M系统§5.2.1概况

7M系统是一种高精度、高性能的闭环CNC系统

NC系统由日本富士康FANUC公司和西门子公司联合设计，于1976年共同研制成功。

硬件由西门子负责,系统软件由FANUC负责

主要用于控制铣床和加工中心。

是当时世界上最先进数控系统之一§5.2.27M系统的硬件第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理CRT/MDI操作面板模块(CPU)通信模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块通信模块(CPU)I/O单元驱动伺服单元主轴单元PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块FANUCBUS一、概述7M是16位字长的微处理机数控系统，是以位电式高速微处理器(CPU)为核心，用数据总线方式与存贮器和各种接口,合成一个完整的数控系统.第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理二、基本组成包括以下几部分部件:

CPU通过内部数据总线与内部存贮器相连接，存贮器用于存放控制程序,工作参数和工作数据。内部数据总线经双向缓冲器接到数据总线.1、中央处理单元CPU和存贮器第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3、纸带阅读机接口通过数据总线，CPU控制纸带阅读机输入零件程序。

2、位置控制器

包括位置控制装置、位置检测装置和脉冲计数器。功能4、数控操作面板接口作用:接收数控面板的按键信号。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理输入接口用作接收机床操作面板的各开关按钮信号和机床的各种开关信号。

输出接口用作把机床工作的各种状态灯信送到机床操作面板，还把控制机床动作的信号送到强电箱带动相应的电器。5、输入输出接口6、外部操作面板接口功能与数控面板相仿，可以放置在操作者认为方便的地方，以便操作控制数控装置。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理7、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口7、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口8、CRT接口，控制和显示单元9、工程师面板功能:调试7M的测试仪器,用于调试微程序和控制程序,维修时可用来检查故障。

CRT可显示数控程序，数控加工中心的瞬时数据，各种设定参数和故障情况等内容。功能：存放纸带的零件程序，逐段执行对零件进行加工。

§5.2.37M系统的软件

7M数控装置的软件由22K控制程序,固化在ROM中(三座标两联动系统为20K);4KCRT控制程序；诊断程序(由专用的诊断纸带输入)组成，整个程序总体结构简单，功能强，程序精炼严密。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理1、控制程序控制程序采用中断型软件结构,整个程序就是一个大的多重中断系统,中断一共有八级,0级到7级,0级是最低级,7级是最高级。1)初始化程序第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理2、各部分程序简述

每次开机后,首先执行初始化程序,为整个系统的正常工作做准备,主要完成以下三项工作：①对RAM中工作寄存器初始化；

②进行ROM奇偶校验；

③设置一些加工所需的初始状态。初始化程序执行完后返回到0级中断

控制CRT显示,中断请求始终存在,即总是进行CRT显示,除非有别的级中断请求产生。2)第0级中断(硬件)第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3)第1级中断(软件、16ms定时)第1级中断按工作内容细分为13个口子,系统采用依次查询的工作方式来完成第1级中断。

4)第2级中断(软件16ms定时)

功能:对机床控制台的输入信号处理,NC键盘监控,

穿孔机操作处理,强光信号处理和输出信号处理。5)第3级中断(硬件、8ms软定时)

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理6)第4级中断(软件、8ms定时)7)第5级中断(硬或软件<需要时>)8)第6级中断(4ms时钟)分为三个阶段:━输入代码的有效性判别━代码的具体处理━结束处理完成位置控制,4ms定时计时和存贮器奇偶校验工作。

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理功能：最高级中断,监控测试台,进行存贮器数据读、写程序调试处理。

9)第7级中断(硬件)3、零件加工过程举例新零件的首件一般要先通过空运行来检查编程是否正确，若有错，要对源程序进行编辑纠正，重新修改后的程序可穿成纸带以备后用，若编程正确，即可按照：

开机→纸带输入→加工这一工作过程进行零件加工。返回第五章习题

3-1机床数控系统主要由哪几部分组成？第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理第五章习题3-2计算机数控系统（CNC系统）由哪些部分构成？各部分的功能如何？3-3CNC系统中微机的控制功能有哪些？3-4CNC系统中微机译码程序功能是什么？

3-5工业控制计算机与通用计算机相比，有什么显著特点？3-6CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是

数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据

而不脉冲。这种方法适用于（）。3-7提高CNC系统可靠性,可采取哪些措施？第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理①开环控制系统 ②闭环控制系统③点位控制系统 ④连续控制系统①采用单片机②采用双CPU

③提高时钟频率④采用模块化结构 ⑤采用光电隔离电路3-8CNC系统中的微机部分，主要由微处理

器（CPU）、内部存储器（RAM和ROM）和

I/O接口电路组成。由

、

和

三条

信号线联接。题型变换：CNC系统中的微机部分，主要由

、

和

组成。由数据总线、地址总线和控制总线三条信号线联接。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-9什么叫微处理器、微机、微机系统？3-10微机I/O接口电路常由哪几部分组成？

3-11CNC中I/O控制通道应具备哪些基本功能？3-12光电隔离电路（如采用达林顿或可探硅输出型光电耦合器件）的主要作用是什么？第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-13试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件环形分配器的步进电机控制通道组成框图。3-14CNC系统控制软件主要由哪些部分组成？3-15什么是微机数控系统的模块化设计？3-16采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些？3-17将一台普通车床改造成经济型数控车床其主电动机仍为手动控制，但方刀架要能自动转位(90°、180°270°、0°)，试用框图表明，组成一个完整的数控系统需要哪些基本的硬件电路和设备？第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-18机床I/O控制回路中的接口软件是（）①插补程序 ②系统管理程序

③系统的编译程序④伺服控制程序3-19在中断型系统软件结构中，各种功能程序

被安排成优先级别不同的中断服务程序，下列程

序中被安排成最高级别的应是（）。

①CRT显示

②伺服系统位置控制

③插补运算及转段处理

④译码、刀具中心轨迹计算3-20实现控制系统的模块化设计的必要条件是

。而模块化设计工作可归结为

的选用。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-21目前CNC系统控制软件基本上有两种常用的典型结构，即

和

。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-22微机控制系统的模块化，按照功能，总线标准模块可分为

、

、

以及

等。3-23CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据而不脉冲。这种方法适用于（）。

①开环控制系统②闭环控制系统③点位控制系统④连续控制系统1什么叫插补？

数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，用一个个输出脉冲把这一空间填补起来，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理2插补器有几种分类方法？可分为哪几类？

答：有两种分类方法：（1）根据插补器的结构，可分为硬件插补器和软件插补器。（2）根据被插被的曲线，可分为直线插被器、圆弧插补器、抛物线插被器及高次曲线插被器等，大多数数控机床只有直线插补器和圆弧插补器。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3常用的插补方法有哪些？答：有逐点比较插被法和数字积分插补法。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理试述逐点比较法的插补过程。答：逐步比较插补法是通过逐点比较刀具与所加工曲线的相对位置，确定刀具的进给方向，以加工出所需的零件廓形。可以用一个插补循环所包括的四个节白描述插补过程。其流程如图所示

偏差判别进给偏差计算终点判别加工结束YN第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理各节拍的功能如下：（1）偏差判别：判断加工点对规定图形的偏离位置，使刀具沿减小偏差的方向进给。（2）进给：按照上面确定的进给方向，以确定的进给量进行，进行加工。（3）偏差计算：进给一步以后，计算新加工点有无偏差？即计算新加工点偏离工件廓形的情况。（4）终点判别：判断是滞到达终点？若没有到达终点，再回到第一节拍，重新开始一个插补循环；如到达终点，则停止插补，加工完毕。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理5偏差函数的作用是什么？

答：偏差函数反映了刀具偏离曲线的情况，即偏差函数的正负反映出刀具与曲线的相对位置关系，这种关系是：能使刀具沿减小偏差的方向进给。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的?

它与刀具位置有何关系？

答：偏差函数的确定应该反映出刀具偏离工件廓形曲线的情况。设工件廓形为斜线OA,以斜线起点为原点，建立XOY坐标系,OA与X轴夹角为α。如加工点为P1(X1,Y1),P1点在斜线OA的上方，则OP1与X轴夹角α1,α1>α;加工点P2(X2,Y2)在斜线OA下方，则OP2与X轴α2,α2<α;故可以用αi和α的比较来反映加工偏差，但因计算机无法判断角度的大小，故需构造一个偏差函数F。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理如αi>α，则F=αi-α>0；αi<α，则F=αi-α=0。这里，只需知道F的正负，即可判断加工点在斜线的上方、下方或正好在斜线上，并不需要知道F的数值，因而可以将F数作以下变换上式中分母恒为正，故分子决定F的正负，故

（偏差函数）第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理7.逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定？偏差值如何计算？答：逐点比较法直线插补时，刀具总是沿着减小偏差的方向进给，即使加工点尽量靠近工件廓形直线。题型变换：欲加工第一象限的斜线（起始点在坐标原点），用逐点比较法直线插补，若偏差函数大于零，说明加工点在()。①坐标原点 ②斜线上方 ③斜线下方 ④斜线上方第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理8逐点比较直线插补时，怎样判断直线是否加工完毕？答：用逐点比较插补法加工直线，插补循环数与刀具沿X、Y轴已走的总步数相等。因此，直线加工结束的条件为

i=N

式中：i——插补循环数；N——刀具沿X、Y轴走的总步数。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理9直线的起点坐标在原点O(0，0)，终点A的

坐标为A（9，4）试用逐点比较法对直线

进行插补，并画出插补轨迹。答：加工直线OAA点坐标（9，4）

插补循环数

N=9+4=13，

插补运算过程如表所示。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理脉冲偏差判别方向偏差计算终点差别0F0=0i=01F0=0+XF1=F0-ya=0-4=-4i=0+1=1<N2F1=-4<0+YF2=F1+xa=-4+9=5i=1+1=2<N3F2=5>0+XF3=F2-ya=5-4=1i=2+1=3<N4F3=1>0+XF4=F3-ya=1-4=-3i=3+1=4<N5F4=-3<0+YF5=F4+xa=-3+9=6i=4+1=5<N6F5=6>0+XF6=F5-ya=6-4=2i=5+1=6<N第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理脉冲偏差判别方向偏差计算终点差别7F6=2>0+XF7=F6-ya=2-4=-2i=6+1=7<N8F7=-2<0+YF8=F7+xa=-2=9=7i=7+1=8<N9F8=7>0+XF9=F8-ya=7-4=3i=8+1=9<N10F9=3>0+XF10=F9-ya=3-4=-1i=9+1=10<N11F10=-1<0+YF11=F10+xa=-1+9=8i=10+1=11<N12F11=8>0+XF12=F11-ya=8-4=4i=11+1=12<N13F12=6>0+XF13=F12-ya=4-4=0i=12+1=13=N圆弧插补时偏差函数如何定义？

它与刀具位置有何关系？

答：圆弧AB的圆心是坐标原点0，半径R，加工点T到圆心的距离和圆弧半径相比较表示偏差。偏差函数是F=x²+y²-R²偏差函数和加工点（刀具）位置的关系如下：F>0，即Rr-R>0，表示刀具在圆外；

F=0，即Rr-R=0，表示刀具在圆上；

F<0，即Rr-R<0，表示刀具在圆内。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理11数字积分插被法适用于什么场合？

答：数字积分插补法不仅可以实现一次、二次甚至高次曲线的插补，而且易于实现多坐标联动控制，只要输入不多几个数据，就能加工出较为复杂的轮廓曲线，因此DDA

方法已被广泛应用。缺点是：在加工直线过程中，刀具速度变化范围较大。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理12插补运算中，DDA法是指()

①比较积分插被法

②单步追踪插补法

③数字积分插被法

④农点比较插被法答：③第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数字积分法直线插被的被积函数是什么？

如何判断终点？

答：直线插补的被积函数是为简化，令vΔtq/l=1，则被积函数变成式中：xe,ye—直线终点A的坐标。

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理数字积分法圆弧插补的被积函数是什么？

如何判断终点？

答：数字积分法圆弧插补的被积函数为式中：x.y——刀具的坐标。

令第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理则被积函数可简化为圆弧插补时进给方向如何确定？

偏差值如何计算？答：圆弧分顺圆和逆圆两种，圆弧插补时的进给方向是根据圆弧所在象限、顺圆或逆圆以及加工点位置确定的。每个加工点的进给方向都要使刀具尽量逼近圆弧。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理16圆弧插补时，如何差别终点？答：圆弧AB起点A(xa,ya),终点B(xb,yb),

加工完这段圆弧，刀具在X方向应走的步数|xb-xa|,在Y方向应走的步数为

|yb-ya|，总共走的步数应为N=|xb-xa|+|yb-ya|，当插补循环数i等于总步数N时,i=N,

即到达终点，加工完毕。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理17试画出逐点比较法直线插被的程序框图。

第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理初始化xe、ye,n=xe+ye,F=0F0？+x方向走一步+y方向走一步F←F－YeF←F+Xen-1→nn＝0EndYNYN答：上图是逐点比较法插补第一象限直线的程序框图。插补其它象限的直线时，需修改进给方向和偏差计算公式。图中e是插被循环数，是直线终点坐标。N是加工完直线时刀具沿X、Y轴应进给的总步数。

在上图中，去掉了偏差函数的下标，并用箭头代替等号，更符合计算机编程的表示方法。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理18若插补器所用寄存器的长度为n位，能插补的最大直线尺寸是直线终点的纵、横坐标均应小于（）第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理答：②③2n-2④2-1n-2①2n-1②2-1n-119用逐点比较法插补第二、三、四象限的

直线时，应该如何计算偏差？第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理答：将四个象限中直线插补的偏差计算归纳如表所示。直线所在象限F≥0F<0进给偏差计算进给偏差计算SL1,SL3△XFi+1=Fi-ya△YFi+1=Fi+xaSL2,SL4△YFi+1=Fi-xa△XFi+1=Fi+ya3-1机床数控系统主要由哪几部分组成？答：主要由以下几部分组成：零件加工程序的输入、数据处理(例如数制转换、刀具半径补偿等)、插补计算和伺服机构的控制。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-2计算机数控系统（CNC系统）由哪些

部分构成？各部分的功能如何？答：主要由微型计算机、计算机接口电路、伺服系统及外部输入/输出（I/O）设备组成。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理（1）微型计算机：微机是CNC系统的核心，其主要作用有：①、输入和存储零件加工程序；②、计算刀具运动轨迹；③、插补运算；④、伺服系统的控制。(2)计算机接口电路：作用传递和转换计算机与

外界联系的信息，并将计算机与外界隔离，起保

护作用。

(3)伺服系统：伺服系统是计算机和机床的联系环节，由执行机构和驱动电路、检测装置等组成。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理(4)外部输入/输出设备：主要包括键盘、显示器、操作控制面板、外部存储设备、光电阅读机和纸带穿孔机等。3-3CNC系统中微机的控制功能有哪些？答：主要包括以下几方面：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理（1）记忆功能。（2）信息处理功能。（3）内部控制功能。（4）输入/输出功能。（5）适应环境的功能。

3-4CNC系统中微机译码程序的功能是什么？

答：译码程序的功能是将输入的零件轮廓信息、加工速度及辅助功能进行识别处理。将这引起零件程序翻译成计算机能够识别的代码。第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-5工业控制计算机与通用计算机相比，有什么显著特点？答：根据数控机床的特殊要求，具有两个显著特点：第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理（1）高可靠性：工业生产一般要求CNC系统具有很强的抗干扰能力，能在比较恶劣的环境中可靠地工作，要求CNC系统具有较高的平均无故障率和很短的修复时间。（2）编程简单，操作方便。以方便用户使用。

3-6CNC系统常用的软件插补方法中，有一种

是数据采样法。计算机执行插补程序输出的是

数据而不脉冲。这种方法适用于（）。答：③第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理①开环控制系统 ②闭环控制系统③点位控制系统 ④连续控制系统3-7提高CNC系统可靠性，可采取哪些措施？答：④⑤第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理①采用单片机②采用双CPU③提高时钟频率④采用模块化结构 ⑤采用光电隔离电路3-8CNC系统中的微机部分，需要由微处理器（CPU）、内部存储器（RAM和ROM）和I/O接口

电路组成。由

、

和

三条信号线

联接。答：数据总线 地址总线 控制总线第五章计算机数控（CNC）系统的基本原理3-10机床I/O控制部分根据机床与微机

之间传送信息形式的不同，I/O控制