数控技术第4章计算机数控(CNC)装置

第4章

计算机数控(CNC)装置14.1概

述

24.1.1CNC技术的发展表4.1数控系统的演变分类世代诞生年代系统元件及电路构成世界我国硬件数控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年电子管、继电器，模拟电路晶体管，数字电路（分立元件）集成数字电路计算机数控CNC第四代1970年1976年内装小型计算机，中规模集成电路第五代1974年1982年内装微处理器的NC字符显示，故障自诊断

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口人机对话,动态图形显示,实时软件精度补偿,适应机床无人化运转要求32位CPU，可控15轴，设定0.0001mm进给速度24m/min，带前馈控制的交流数字伺服、智能化系统。利用RISC技术64位系统。微机开放式CNC系统。34.1.1CNC技术的发展年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片机16位微处理器32位微处理器64位伺服驱动直流模拟伺服交流模拟伺服交流数字伺服最小设定单位10.10.01进给速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min

高速型15m/min60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min扩充功能用软件扩充数控功能、刀具补偿，固定循环，存储器运行用软件充实人机接口，彩色显示，会话编程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，数字伺服，高速主轴，智能化开放系统表4·2数控系统的技术进步状况

44.1.1CNC技术的发展表4·3数控系统的功能水平

项目低档中档高档分辨率1010.1进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数2-3轴2-4轴或3-5轴以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系统步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装PLC无有内装PC，功能极强的内装PC，甚至有轴控制功能显示功能数码管,简单的CRT字符显示有字符图形或三维图形显示通信功能无RC232C和DNC接口还可能有MAP通讯接口和联网功能54.1.2CNC系统的组成

EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。

ISO(国际标准化组织)的定义:“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数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。

64.1.2CNC系统的组成CNC系统与NC系统数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。74.1.2CNC系统的组成

计算机数控系统是用一台计算机代替先前硬件(逻辑电路)数控所完成的功能，所以是一种以计算机为硬件，并在计算机中存储控制程序(根据不同机床的工作需要编制的)，计算机运行控制程序，执行对机床运动的数字控制功能。70年代中期开始，大规模集成电路和超大规模集成电路有了迅速的发展，所以计算机数控系统的计算机很快便跨入微处理机阶段。数控系统分轮廓控制和点位控制系统,轮廓控制系统比较复杂、功能齐全，有的甚至还包括了点位控制功能的内容：点位控制系统比较简单(如钻、铿)，这里主要介绍轮廓控制系统。8CNC系统的组成9图CNC系统的组成框图10CNC系统的组成程序输入／输出设备计算机数字控制装置可编程控制器(PLC)主轴驱动装置和进给驱动位置检测装置等组成数控系统能自动阅读输入载体上事先给定的数字值、并将其译码．从而使机床动作和加工出零件。11从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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。124.1.3CNC装置的组成和工作原理

CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

......134.1.3CNC装置的组成和工作原理

硬件结构:CPU，存储器，总线、外设等。输出接口及后续装置，输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。

系

统初始化系统控制软件程序管理编辑存储录放管理软件控制软件输入程序输出程序显示程序诊断程序译码程序补偿计算速度控制插补程序位控程序图4.1CNC软件的构成

144.1.3CNC装置的组成和工作原理

3.工作原理

通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。

简要工作过程：

1）输入：输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入154.1.3CNC装置的组成和工作原理

2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。

刀具补偿：半径补偿和长度补偿；速度计算：按编程进给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度；辅助功能：换刀、主轴启停、冷却液开或关。4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。

165）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。刀具加工轨迹的静、动态图形显示，在线编程时的图形显示等。8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。

17

4.1.4CNC装置的主要功能和特点

1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能主要反映在准备功能和辅助功能上：（1）控制轴数和联动轴数联动轴数:同时控制的轴数。（2）准备功能（G功能）（3）插补功能（4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准

184.1.4CNC装置的主要功能和特点（5）进给功能（F）

1）切削进给速度2)同步进给速度3）快速进给速度4）进给倍率。（6）补偿功能

1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿

2）工艺量的补偿（7）固定循环加工功能

（8）辅助功能（M代码）（9）字符图形显示功能（10）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程（11）输入、输出和通讯功能（12）自诊断功能19

4.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC数控装置的特点

1）灵活性大（通过改变软件可以改变或扩展功能；）

2）通用性强（通用模块化结构，接口电路标准化；）

3）可靠性高

4）可以实现丰富、复杂的功能

5）使用维修方便

6）易于实现机电一体化20几种典型数控系统的功能与特点

1．日本FANUC公司的CNC装置

FANUC生产的CNC装置有F0、F10/11/12、F15、F16、F18等系列。F0Mate为F0系列的派生产品。它与F0系列比较，是功能简单、结构更为紧凑的经济型CNC装置。F00/100/110/120/150系列是在F0/10/11/12/15系列的基础上加了MMC（ManMachineController）功能。

FANUC生产的CNC装置具有以下特点：⑴从结构上看，较长时间采用了大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构；⑵越来越多地采用专用LSI（大规模集成电路），以此提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本；⑶以现代化的生产和严密的质量保证体系实现可靠度较高的产品；21⑷以大批量的规模生产和高效率的自动化生产以及较短的开发周期的高层次的CNC功能来实现较高的性能价格比；⑸产品的应用范围广，有多种系列CNC装置，每一系列CNC装置由提供诸多可供选择的功能；再一种硬件结构的CNC装置上配置多种控制软件，使它使用于多种机床；⑹不断地采用新工艺、新技术，如今年生产的产品中已广泛应用高密度表面安装技术、多层印刷电路板、光导纤维电缆等；⑺CNC装置的体积越来越小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）以及多种型式结构和尺寸规格的空纸箱，以此适应机电一体化的需求。⑻以“用户特订宏程序”、MMC功能等来实现CNC装置面向用户开放的功能；⑼多种语言显示，如日语、英语、德语、法语、意大利语、西班牙语、汉语、荷兰语、瑞典语、挪威语和丹麦语等；22⑽备有适应多种用途的外部设备，有FANUCPPR，FANUCFACard，FANUCFLOPPYCASSETE，FANUCPROGRAMFILEMate等；⑾FANUC已推出了MAP接口，FANUCCNC系统通过MAP接口可实现与上一级单元控制器或主计算机通信，进而实现FMS、CIMS；⑿根据用户需要不断地更新CNC产品的功能，形成多种版本。

232．德国SIMENS公司的CNC装置

SIMENSCNC装置有SINUMERIK3、8、810、820、850、880系列。其中SINUMERIK810和820在体系结构和功能上相近，SINUMERIK850和880也在体系结构和功能上也相近。因此将西门子的CNC装置归结为4种：SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810/820和SINUMERIK850/880。SIEMENS生产的CNC装置具有以下特点：⑴采用模块化结构，模块采用多层印制电路板；⑵在一种CNC系列中采用标准硬件模块，用户可选择不同模块组合开满足各自机床的要求；⑶在一种硬件上配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足多种机床需要，并成为系列产品；⑷不断改进和提高功能，形成多种改进型产品；24⑸具有上级计算机通信的功能，易于进入柔性制造系统（FMS）；⑹采用SIMATICS5系列可编程控制器或集成式可编程控制器（PLC），用STEP5编程语言；⑺有多种语言显示，如英语、德语、法语、意大利语和西班牙语等；⑻具有丰富的人机对话功能；⑼具有很强的扩展性；⑽数据传送用RS—232C串行接口或20mA电流环；⑾随着微电子技术的发展，越来越多的采用大规模集成电路（LSI）及应用先进的加工工艺；故新的CNC系统结构更为紧凑、性能更强、价格更便宜；⑿电话维修服务为用户提供了方便，通过电话，用户可以获得很多的信息，不但可以了解而且能排除操作故障、机床故障和编程错误，维修服务中心的故障诊断仪器直接与电话相连接。253．美国A—B公司CNC装置A—B公司的CNC装置有8200系列、8400系列和8600系列。A—B公司的产品具有以下特点：⑴采用模块结构，可扩展性好；⑵备有特殊的服务软件，称为AMP（可调整机床参数），它是CNC装置应用更灵活、更广泛；⑶带有内装式PLC；⑷不断地更新软件，提供更高功能的CNC装置，形成了多种版本；⑸具有充分的柔性，通过改变软件实现CNC功能的改变，来满足各种不同机床的需求，这样就能使一种硬件系统形成系列产品；⑹具有与主计算机的通信功能，使CNC装置成为FMS、CIMS的一个主要组成部分；26⑺多种语言显示，如日语、英语、德语、法语、意大利语及西班牙语等；⑻从整体结构的设计到元件的选择，从制造到实验调整都贯穿着可靠性第一；⑼由于采用新的元器件，如超大规模集成电路（VLSI）和新技术，使元件数和连接部分大幅度减少，提高了系统的集成度和可靠性；⑽经过大量的试验证明，部件的固定、电缆的连接及接插件等采取的抗振措施合理；⑾开发了专用的编程语言，如ASSET语言、GTL语言和SIPROM语言。274．北京数控设备厂（BESK）CNC装置北京数控设备厂生产的CNC产品有三类：一类是从FANUC公司引进的产品，有FANUC—BESK3系列、FANUC—BESK6E系列。还有一类与FANUC公司合作生产的产品FANUC—BESKOMateE系列。还有一类是自行开发的产品，有BS02系列、BS03C系列、BS04系列、BS06系列和BS07系列。该数控设备厂的CNC产品的特点是：产品品种较多，备有各档次的系列产品。BS02B为单轴数控系统，可用于各种简单机械设备的单轴控制。BS03C为经济型数控系统，主要用于功能较简单的车床控制，也可用于其他两坐标控制的机械设备的控制。FANUC—BESK3系列及BS04系列适用各种中小型机床，功能适中，能够满足一般数控机床的需要。FANUC—BESK6系列、BESKBS06和BS07系列是全功能数控系统，适用于功能较多的各种大中型机床。

285．上海机床研究所的CNC装置

MTC数控系列是在引进消化吸收美国GE公司MarkCentruryOne的基础上，根据我国国情开发的CNC装置。MTC系列CNC装置能满足各种机床的需要，有T、M、B、C等型号。该研究所的CNC产品有电源板、CRT板、主板及输入/输出板组成。CNC装置的特点是：数控系统是一个多微处理器CNC装置。系统软件丰富，具有结构紧凑、体积小、功能强和操作维修方便等特点，易于实现机电一体化。主CPU、插补用CPU及CRT控制用CPU均采用8085。294.2CNC装置的硬件结构

3031324.2.1CNC装置的硬件构成

CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口总线单微处理器硬件结构图CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。33图单微处理机硬件结构框图34

CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。

■单微处理机结构:见上图

■多微处理机CNC装置的结构：

1.主从结构

2.多主结构

3.分布式结构

4.多通道结构

4.2.2CNC装置的体系结构

优点：投资小、结构简单、易于实现。缺点：系统功能受CPU的字长、数据宽度、寻址能力、运算速度的等因素的限制。35主从结构该装置中只有一个CPU，对整个装置的资源有控制权和使用权。2.多主结构有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控制权和使用权。3.分布式结构有两个或两个以上带有CPU的功能模块，每个模块有自己独立的运行环境。4.多通道结构（多微处理机CNC装置）36

4.2.3单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。1.微处理器和总线微处理器：运算和控制

总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。2.存储器

①只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）

它们的用途：译码、刀补、运动轨迹计算、插补计算、位置检测偏差计算等37

●只读存储器（ROM）：系统程序

●随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息

②CMOSRAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.位置控制单元

●对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）

●C轴位置控制：包括位置和速度控制

●刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。

4.2.3单微处理机数控装置的硬件结构

384.2.4多微处理机数控装置的硬件结构单微处理机结构的数控装置只有一个CPU，实行集中控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力与运算速度限制，且插补由软件实现。因此数控功能的扩展和提高与处理速度成为一对矛盾。增加浮点协处理机；由硬件分担精插补；采用有CPU和PLC和CRT智能部件。多微处理机结构中，有两个以上的CPU构成处理部件和各种功能模块，处理部件和功能模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源，或者各CPU构成部件，其间采用松耦合，有多层操作系统，实行并行处理。浮点计算是指浮点数参与的运算，这种运算通常伴随着因为无法精确表示而进行的近似或舍入。一个浮点数a由两个数m和e来表示：a=m×b^e(b的e次方）。在任意一个这样的系统中，我们选择一个基数b（记数系统的基）和精度p（即使用多少位来存储）。m（即尾数）是形如±d.ddd...ddd的p位数（每一位是一个介于0到b-1之间的整数，包括0和b-1）。如果m的第一位是非0整数，m称作规格化的。有一些描述使用一个单独的符号位（s代表+或者-）来表示正负，这样m必须是正的。e是指数。这种设计可以在某个固定长度的存储空间内表示定点数无法表示的更大范围的数。394.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

VSVS1.多微处理机CNC装置的典型结构

总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。

（1）功能模块

1）CNC管理模块

2）存储器模块

3）CNC插补模块

4）位置控制模块

5）操作控制数据输入、输出和显示模块

6）PLC模块

管理和组织整个CNC系统工作过程所需的功能，如系统初始化、中断管理、总线裁决等。是指存放程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送的共享存储器。完成译码、刀补补偿计算、坐标位移量的计算和进给速度的处理等插补预处理。然后进行插补计算，为个坐标轴提供位置进给量。将插补后的坐标位置给定值与位置检测器检测的位置实际值进行比较，自动进行加减速、回基准点，伺服系统滞后和漂移的补偿处理，进而得到速度控制的模拟电压去驱动伺服电机。加工程序、参数、数据、操作命令的输入输出和显示。处理零件加工中某些辅助功能和从机床过来的信号404.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

VSVS（2）共享总线结构

结构与仲裁

主模块与从模块(带cpu与不带cpu)

总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案

图4.9串行总线仲裁连接方式主模块1主模块2主模块3总线优先权入总线优先权出总线忙入忙出入忙出414.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

VSVS模块之间的通讯：公共存储器总线：STDbus（支持8位和16位字长）

Multibus（Ⅰ型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长）

S-100bus（可支持16位字长）

VERSAbus（可支持32位字长）

VMEbus（可支持32位字长）424.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

图4.10并行总线仲裁连接方式主模块1总线优总线总线优先权入忙先权出主模块3入忙出译器码主模块2入忙出优先权编器码…434.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

（2）共享总线结构

特点：

系统配置灵活，结构简单，扩展模块容易，造价低，但是总线存在竞争，信息传输率低，总线若出现故障，整个系统瘫痪。

444.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

（3）共享存储器结构采用多端口存储器实现个微处理器间的互联和通信。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。这种结构易造成因争取共享形成的信息传输阻塞，降低系统效率，另外结构扩展困难。

454.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

（3）共享存储器结构

VS图4.11MTC1的CNC装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2键盘(中央)CPU1(插补)CPU3串口和收发器CRTCCRT

字符发生器并行接口反馈脉冲处理反馈信号适配器机床接口模拟量接口RS232CXYZCW功能模块之间通过公用存储器连接耦合在一起，共3个CPU。中央处理机：任务是数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入。CRT显示处理机：根据CPU1指令和显示数据，在显示缓冲区中组成一幅画面数据将显示数据串行送到视频电路进行显示。插补处理机：完成插补运算、位置控制、机床输入/输出接口和RS232C接口控制。464.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

（4）共享总线和共享存储器型结构

图4.12FANUC11的CNC装置结构框图键盘纸带机手摇盘PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM图形显示8087OPCCRT机床I/O坐标轴坐标轴主轴其中OPC–操作控制器；BAC–总线仲裁控制器；IOC–

输入输出控制器；

CAP–

自动编程单元；SSU–

系统支持单元；PMC–

可编程机床控制器主处理单元：完成基本的数控任务及系统管理。图形显示单元:完成数控加工的图形显示和在线人机对话自动编程.总线仲裁控制器：对请求总线使用权的CPU进行裁决，按优先级分配总线使用权，以及产生信号，使没有得到总线控制权的CPU处于等待状态。接口SSU：系统支持单元，是CNC装置与机床和机器人等设备的接口。操作板控制器：用于和各种操作外设相连。输入输出控制器存储器474.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

图4.13双端口存储器结构框图图4.13多CPU共享存储器框图端口1存储控制逻辑地址和数据多路转换器RAM共享存储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制（COU4）插补(CPU3)端口2中断控制从机床来的控制信号至机床的控制信号484.2.4多微处理机数控装置的硬件结构

VSVS（5）多通道结构

通道结构（ChannelStructure），即两种以上程序的并行处理。2.多微处理机CNC装置结构的特点

（1）计算处理速度高（2）可靠性高（3）有良好的适应性和扩展性（4）硬件易于组织规模生产494.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS一、开放式数控系统的产生随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：■系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化(Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征■允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；504.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS二、开放体系结构CNC的优点向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，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，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；514.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。524.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS三、开放式数控装置的概念结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库534.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS

四、国内外开放式数控系统的研究进展

1.几大研究计划美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)计划欧共体：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)计划日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)计划华中I型——基于IPC的CNC开放体系结构航天I型CNC系统——基于PC的多机CNC开放体系结构544.2.5开放式数控装置的体系结构VSVS2.开放程度：1）CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件2）用户操作界面的开放。3）NC内核的深层次开放(①PC+实时硬插件；②PC+实时软中断)。3.开放式数控系统的发展趋势：1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数控系统。2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的需求。3）网络化554.2.6点位/直线控制的数控装置的结构VSVS1.点位/直线控制的一般概念（单轴数控）

用于钻床、镗床、机能简单的车床

点位控制只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。

直线控制刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。564.2.6点位/直线控制的数控装置的结构2.点位/直线数控系统数控装置的结构显示进给脉冲发生器M、S、T寄存控制加减速及停止判断伺服驱动机床测量输入译码位置计数与比较F图4.16点位/直线控制系统核心57线路中一般有位置计数器，以接收测量装置发来的正向或反向脉冲，并作相应的加法或减法计数。从纸带上输入的定位点坐标值由输入电路经译码存入指令寄存器，这个坐标值作为给定值与位置计数器中的数值进行比较，并根据差值给伺服系统发出分级或连续的速度信号，完成一个坐标的定位。584.3CNC装置的软件结构

该软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的数控加工专用软件，为系统软件。594.3.1软件结构特点

1.CNC装置软件硬件的界面

图4.17三种典型的软硬件界面关系纸带输入插补准备插补位控纸带输入插补准备插补位控速控电机测量第一种第二种第三种硬件硬件软件硬件硬件软件软件硬件硬件604.3.1软件结构特点

VSVS

2.系统软件的内容及结构类型

系统软件的组成：（管理和控制）

管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。

控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。

管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元

614.3.1软件结构特点

3.多任务并行处理

（1）CNC装置的多任务性

图4.18CNC装置软件任务分解CNC装置管理控制输入I/O处理显示诊断通讯译码刀具补偿速度处理位置控制插补数控加工时，CNC装置要完成许多任务。在多数情况下，管理和控制的某些工作必须同时运行。62输入显示位控诊断I/O插补位控

译码刀补速度处理图4.19软件任务的并行处理

图4.19表示了软件任务的并行处理关系，双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。634.3.1软件结构特点

VSVS（2）并行处理

并行处理：

是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。

并行处理的分类：

“资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”三种并行处理方法。

资源共享：

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。

时间重叠：

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。644.3.1软件结构特点

VSVS1）资源分时共享并行处理（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。654.3.1软件结构特点

VSVS诊断I/O处理输入插补准备显示初始化插补位控键盘

中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图环内环外系统初始化后自动进入时间分配环中一次轮流执行各任务。对于实时性强的任务则优先排队，分别处于环外，环外任务可随时中断环内任务。664.3.1软件结构特点

VSVS

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。674.3.1软件结构特点

VSVS

2)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。684.3.1软件结构特点

VSVS

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。694.3.1软件结构特点

顺序处理VSVSt空间时间输出输出CPU112341234Δt1Δt2Δt3Δt4

数据转换过程由程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程。如每个子过程的处理时间分为Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，则一个零件程序段的数据转换时间为：t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4

如果以顺序方式处理每个程序段，则第一个程序段处理完后再处理第二个程序段，如图所示。两个程序段之间有时间间隔t，此时间间隔反映在：电机的时转时停，和刀具的时走时停，不允许。70流水处理时间t+△tt空间CPU1CPU2CPU31234输出1234输出1234输出消除时间间隔的方法是用流水处理技术。流水处理的关键：时间重叠。在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。经流水处理后，从时间间隔t4开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电机和刀具运动的连续性。714.3.1软件结构特点

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。724.3.1软件结构特点

3）并行处理中的信息交换和同步在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。

图4.22CNC装置通过缓冲区交换信息框图纸带缓冲存储区译码缓冲存储区插补缓冲存储区插补工作存储区插补输出存储区纸带译码插补准备交换插补734.3.1软件结构特点

图4.23纸带读写同步说明--读指针R--写指针WMVSVS进口W=(W+1)Mod(M)写第一个字符到纸带缓冲寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口停光电机进口出口启动光电机R=(R+1)Mod(M)从纸带缓冲存储区读出一个字符(R-W)Mod(M)=1?744.3.1软件结构特点

VSVS

4.实时中断处理

（1）CNC系统的中断类型

1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入中断。

2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。

3）硬件故障中断种硬件故障检测装置发出的中断。

4）程序性中断程序中出现的异常情况的报警中断。

（2）CNC系统中断结构模式

1）前后台软件结构中的中断模式

2）中断型软件结构中的中断模式

背景程序初始化实施中断程序754.3.2输入和数据处理VSVS

1.零件程序的输入

零件程序的输入包括两方面的内容:1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。

2）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓冲存储区）。

图4.25输入过程阅读机零件程序存储器MDI键盘零件程序缓冲区MDI缓冲区译码764.3.2输入和数据处理VSVS2.数据处理程序

数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、辅助功能处理和进给速度计算等部分。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。

（1）译码定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。

77

译码是任何一个计算机系统要执行输入程序必须经过的一个步骤。译码方法：解释和编译。

1解释方法：将输入程序整理成某种形式，执行时由计算机顺序取出进行分析、判断和处理，一边解释一边执行；

2编译方法：将输入程序作为源程序进行编译，形成由机器指令组成的目的程序，并由计算机执行。译码工作的内容：整理和存放。

1）不按字符格式的整理与存放方法。

2）保留字符格式的整理与存放。784.3.2输入和数据处理（2）刀具补偿

定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。种类：长度补偿和半径补偿。

1）B功能刀具半径补偿计算根据程序段中零件轮廓尺寸和刀具半径计算刀具中心轨迹。

对直线而言，刀具中心轨迹仍与原直线平行；（计算刀具中心轨迹起点和终点坐标）

对圆弧而言，刀具中心轨迹与原圆弧同心；（计算刀补后圆弧的起点和终点坐标）

2）C功能刀具半径补偿794.3.2输入和数据处理1）B功能刀具半径补偿计算◆直线加工时刀具补偿图4.28直线刀具补偿

VSVSYXA(x,y)A’(x’,y’)∆y∆xOO’⍺r804.3.2输入和数据处理◆圆弧加工时刀具半径补偿YO

图4.29圆弧刀具半径补偿rXA′(x0′,Y0′)B′(xe′,Ye′)B(Xe,,ye)A(X0,,Y0)KRΔXΔYαα814.3.2输入和数据处理

*B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题

VSVS

图4.30B刀补的交叉点和间断点A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’824.3.2输入和数据处理2）C功能刀具半径补偿C刀补能处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况。

由数控系统根据和实际轮廓完全一样的编程轨迹，直接算出刀具轨迹的转接交点C’和C’’，然后再对原来的程序轨迹（刀具中心轨迹）作伸长或缩短的修正。这种方法称为C功能刀具半径补偿。834.3.2输入和数据处理

2）C功能刀具半径补偿

图4.31由NC到CNC刀补的改进措施工作寄存器AS输出寄存器OS缓冲寄存器BS工作寄存器AS输出寄存器OS缓冲寄存器BS刀具补偿缓冲区CS工作寄存器AS输出寄存器OSa)NC方式b)改进的NC方式c)CNC方式

程序轮廓数据送到工作寄存器AS后，由运算器计算刀补，结果输送到OS844.3.2输入和数据处理

图4.32G41直线与直线转接情况VSVS缩短型缩短型插入型插入型伸长型854.3.3速度处理和加减速控制

VSVS

1.进给速度计算开环系统:

速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。半闭环和闭环系统:

采用数据采样方法进行插补加工速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。

864.3.3速度处理和加减速控制

VSVS

（1）开环系统进给速度的计算

脉冲的频率决定进给速度。

（4.7）为脉冲当量，单位：mm，则（4.8）两轴联动时，各坐标轴速度为:

合成速度（即进给速度）V为（4.9）

874.3.3速度处理和加减速控制

（2）半闭环和闭环系统的速度计算:

确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。直线插补速度计算：a)程序段投影

Lx=xe′-x0′Ly=ye′-y0′

b)直线方向余弦

cosα=Lx/Lcosβ=Ly/Lc)一个插补周期的步长（ΔL

）

ΔL=（1/60）F·Δt，速度F单位：mm/min，插补周期Δt单位：ms，

ΔL单位:μmd)各坐标轴在一个采样插补周期的运动步长Δx=ΔL·cosα=Fcosα·Δt/60(μm)Δy=ΔL·sinα=Fsinα·Δt/60=ΔL·cosβ=Fcosβ·Δt/60(μm)VSVSYYOOXXXXYYA(X0,Y0)ABB(Xe,Ye)A′(X0′,Y0′)B′(Xe′,Ye′)A′B′βαLLXLY884.3.3速度处理和加减速控制

VSVS圆弧插补时速度计算（插补原理不同，计算方法也不同）

步长分配系数（速度系数）

JIXYOAOEAi-1AiC(IO,JO)∆Xi∆YiαiαIi-1Ji-1Rαi为第i点与i-1点夹角894.3.3速度处理和加减速控制

VSVS2.进给速度控制

常用的控制方法：计时法

用于脉冲增量插补。时钟中断法用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达到速度控制的目的。积分法

904.3.3速度处理和加减速控制

VSVS（1）程序计时法计算每次插补运算所用时间原理用途：点位直线控制系统。脉冲增量。空运转等待时间越短，发出进给脉冲频率越高，速度就越快。每次插补运算后

的等待时间插补运算时间

进给速度要求的进给脉冲间隔时间914.3.3速度处理和加减速控制

VSVS（2）时钟中断法

原理：求一种时钟频率，用软件控制每个时钟周期内的插补次数。

适用：脉冲增量插补原理（3）设置V/ΔL积分器方法

DDA插补方法中，速度F代码是用进给速度数（FRN）给定的。将FRN作为与坐标积分器串联之速度积分器的被积函数，使用经计算得到的累加频率，可产生适当的速度积分器溢出频率。将它作为坐标积分器的累加频率，就能使DDA插补器输出的合成速度保持恒定。924.3.3速度处理和加减速控制

VSVS3.数据采样原理CNC装置的加、减速控制加减速控制目的：保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡

方法：插补前加减速控制插补后加减速控制

瞬时速度与稳定速度V=THK/(60•1000)加减速曲线指数加减速线性加减速钟形加减速

S曲线加减速934.3.3速度处理和加减速控制

VSVS插补前加减速控制

插补后加减速控制

原理对合成速度（程编指令速度F）进行控制

对各运动坐标轴分别进行加减速控制

优点不影响实际插补输出的位置精度

不需预测减速点，在插补输出为0时，开始减速，并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序段终点。

缺点需预测减速点，这要根据实际刀具位置与程序段之间距离来确定，计算工作量大。

合成位置可能不准确，但这种影响只在加减速过程，进入匀速状态后，这种影响就不存在了。

944.3.4插补计算

VS主要算一个插补周期的ΔX，ΔY，以直线为例：1）ΔL%=ΔL*倍率

（ΔL%倍率后的每周期公式进给量）2）L1新=L1旧+ΔL%

（L1新—本次插补点与程序段起点之间距离；

L1旧—上次插补点与程序段起点之间距离）3）X3新=L1新cosα（X轴投影）

y3新=L1新cosβ4）Δx2=X3新-X3旧（本次插补周期的输出位置增量值）。

Δy2=y3新-y3旧本次插补点（x3旧，y3旧）Δx2Δy2上次插补点954.3.5位置控制

VSVS任务：1）每个位置反馈采样周期，将插补给定与反馈值进行比较，用差值去控制电机2）完成位置回路的增量调整3）各坐标方向的螺距补偿和反间隙补偿插补速度单元位控电机速检位检964.3.5位置控制

位置控制计算VSVS+++-插补输出△X2△Y2指令位置X2新Y2新位控输出△X3△Y3实际位置X1新Y1新反馈位置增量△X1、△Y1X2旧Y2旧X1旧Y1旧++974.3.5位置控制

VSVS位置控制完成以下几步计算：计算新的位置指令坐标值：X2新=X2旧+△X2；Y2新=Y2旧

+△Y2；计算新的位置实际坐标值：X1新=X1旧+△X1；Y1新=Y1旧

+△Y1计算跟随误差(指令位置值—

实际位置值)：△X3=X2新-X1新；△Y3=Y2新-Y1新；984.3.6故障诊断

VSVS

方法（利用软件诊断程序实现）

1运行中诊断:1）代码和检查内存

2）格式检查（奇、偶、补偿指令、数据超限）

3）双向传递检查

4）清单检验，用打印机、CRT5）电压温度、速度检测监控2停机诊断有自诊断程序3通讯诊断由诊断中心进行，发出诊断程序。994.3.6故障诊断

远程诊断技术VSVS状态检测服务器机床机床机床Internet异地专家诊断中心Web服务器1004.4CNC系统中的PLC

4.4.1可编程控制器（PLC）的构成及特点

可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是一种新型的自动化装置，它产生于20世纪60年代。早期的PLC主要用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，并且只能进行开关量控制。随着科技的发展和进步，现在PLC的控制功能已远远超出逻辑孔子的范畴。国际电工委员会（IEC）对PLC定义如下：可编程控制器是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程，可变程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。1011、PLC构成图所示为一个小型PLC内部结构组成框图，PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出模块、编程器、电源和外部设备等组成，并且内部通过总线相连。下面简要叙述各组成部分的功能。

图PLC结构组成框图

102（1）中央处理器（CPU）系统的核心，通常可直接采用通用微处理器来完成，它通过输入模块将现场信息读入，并按用户程序规定的逻辑进行处理，然后将结果输出去控制外部设备。（2）存储器功能主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序，包括监控程序、模块化应用功能子程序、指令解释程序、故障自诊断程序和各种管理程序等，在出厂时由制造厂家固化在PROM存储器中。用户程序是指用户根据现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序，在修改调试完成后可由用户固化在EPROM中或存储在磁带、磁盘中。工作数据是PLC运行过程中需要经常存取，并会随时改变的一些中间数据，为适应随机存取的要求，一般将其存放在RAM种。103（3）输入/输出模块

PLC内部与现场之间进行信息交换的桥梁。它一方面将现场信息转换成标准的数字信号，另一方面将PLC内部数字信号转换成外部执行元件所要求的信号。根据信号特点可将输入/输出模块分为直流开关量输入/输出模块、交流开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块和继电器输出模块等。（4）编程器用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。编程器一般由键盘、显示屏、智能处理器、外部设备组成，也可以通过通信接口与PLC相连。PLC主要有两种编程方法：编程器编程和PLC计算机编程。PC计算机编程是通过专用通信线把PLC和PC机连接起来，借助于PC计算机对PLC编程。104（5）电源单元功能是将外部提供的交流电转换为可编程序控制器内部所需的直流电源，有的还提供了DC24V输出。通常电源单元有三路输出：一路供给CPU模块使用，一路供给编程器接口使用，还有一路供给各种接口模块使用。PLC对电源单元的要求是很高的，既要求具有较好的电磁兼容性能，还要求工作电源稳定，并有过电流、过电压保护功能。电源单元一般还装有后备电池，用于断电时及时保护RAM种的重要信息和标志。在大、中型PLC中除了上述各组成部分外，还配置有扩展接口和智能I/O模板。扩展接口主要用于连接扩展PLC单元，从而扩大PLC规模。智能I/O模块是指它本身含有单独的CPU，能够独立完成某种专用功能的模块。因为它和主CPU是并行工作的，所以大大提高了PLC的运行速度和效率。105PLC除了有硬件组成外，还要有相应的执行软件配合工作。PLC基本软件包括系统软件和用户应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各种功能软件等。操作系统管理PLC的各种资源、协调系统各部分之间、系统与用户之间的关系，为用户应用软件提供一系列管理手段，以便用户应用程序能正确地进入系统保证正常工作。用户应用软件是用户根据控制线路图采用梯形图语言编写的逻辑处理软件。1062、PLC的特点（1）可靠性高PLC是面向恶劣的工业环境设计的控制器，在硬件和软件方面均采取了许多有效措施以提高其可靠性。如在硬件方面采取了屏蔽、滤波、隔离、电源保护、模块化设计等措施；在软件方面采取了自诊断、故障检测、信息保护与恢复等手段。（2）灵活性好PLC利用软件来处理各种逻辑关系，当现场装配和调试过程中需要改变控制逻辑时就不必改变外部线路，只要改写程序重新固化即可。此外，产品也易于通用化、系列化，少量修改就可用于不同的控制对象。107（3）编程简单

PLC沿用了梯形图编程简单的特点，对于从事电器工作的技术人员能在很短的时间内学会使用PLC。（4）带负载能力强

PLC输出模块大多采用了大功率晶体管和控制继电器的形式进行输出，因此具有较强的驱动能力，通常能直接驱动执行电器线圈，接通或断开强电线路。1084.4.2PLC在CNC系统中的应用

数控机床作为自动化控制设备，其控制部分大体上可分为数字控制和顺序控制两个部分。数字控制部分控制刀具轨迹；顺序控制部分接受数控部分送来的S、T和M等机械顺序动作信息，对其译码，转换成辅助机械动作对应的控制信号，使执行环节作相应的开关动作。现代全功能型数控机床均采用内装型PLC或者独立型PLC。

1091、内装型PLC与独立型PLC相比具有如下特点：（1）内装型PLC的性能指标由所从属的CNC系统的性能、规格来确定。硬件和软件部分被作为CNC系统的基本功能统一设计。具有结构紧凑、适配能力强等特点。（2）内装型PLC与CNC共用微处理器或具有专用微处理器，前者利用CNC微处理器的余力来发挥PLC的功能，I/O点数较少；后者由于有独立的CPU，多用于顺序程序复杂、动作速度要求快的场合。（3）内装型PLC与CNC其它电路通常装在一个机箱内，共用一个电源和地线。（4）内装型PLC的硬件电路可与CNC其它电路制作在同一块印刷线路板上，也可以单