第四章 计算机数控装置

第四章计算机数控装置

■第一节概述

-第二节CNC的硬件结构

■第三节CNC的信息处理过程

-第四节PLC与数控机床的辅助功能

■第五节FANUC数控系统

-第六节开放式CNC

■思考题

第一节概述

■一、CNC数控机床

-CNC装置是数控机床的核心。

■CNC数控机床由以下几部分组成：加工

程序、输入/输出设备、CNC装置、可编

程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进

给驱动装置和机床。

CNC数控机床的组成框图

CNC系统的组成

T

机

床

辅

主

进

助

运

操作面板给

控

传

动

制

动

机

机

机

构

计算机构

进给驱动装置构

输入输出数控

设备测量装置

装置

:、CNC装置的组成

-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。它们二者是相

互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，

由软件来实现部分或大部分数控功能。

■硬件是基础，软件是灵魂。

CNC装置的组成

数控加工程序

4CNC装置的组成

・该平台有以下两方面的含义：

提供CNC系统基本配置的必备功能;

在平台上可以根据用户的要求进行

功能设计和开发。

CNC的硬件系统组成框图

总线

CNC的软件系统组成框图

X

■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。

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。

CNC的工作过程

■工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过

程。

■包括：

-1.加工程序的输入■6.位置处理

■2.译码■7.I/O处理

■3.刀具补偿■8.显不

-4.对通给速度进行处理

-9.诊断

■5.插补

.三、CNC的功能

!CNC装置的功能是指满足用户操作和机

床控制要求的方法和手段。数控装置的

功能包括基本功能和选择功能。

・基本功能——数控系统基本配置的功

能,即必备功能;

■选择功能——用户可根据实际要求选

择的功能。

11.对轴数的控制功能

■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）o

■联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，

编程也越困难。

J2.点位运动与移动功能（G功能）

准备功能（G功能）

——指令机床动作方式的功能。

如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐

标设定、刀具补偿、基准点返回和固定

循环等。

卜3.插补功能

■插补功能

■——插补功能是数控系统实现零件

轮廓（平面或空间）加工轨迹运算的功

能。

44.固定循环加工功能

~T^

定循环功能

——固定循环功能是数控系统实现

典型加工循环（如：钻孔、攻丝、链

孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。

5・进给功能（F功能）

E绐功能

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。

□同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步,

单位为mm/ro

□快速进给速度——一般为进给速度的最高速度，它

通过参数设定，用G00指令执行快速。

□进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定

的进给速度。

6.王轴的转速功能

-主轴功能

-——数控系统的主轴的控制功能。

□主轴转速主轴转速的控制功能，单位为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。

□主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。

□轴C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。

■刀具管理功能

■——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。

□刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功

能使用；

□刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，

CNC系统将提示用户更换刀具；

□CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标

识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。

48.辅助功能（M功能）

一卜

-辅助功能（M功能）

-——用于指令机床辅助操作的功

能。

■如：主轴起停、主轴转向、切削

液的开关或刀库的起停等。

.9.补偿功能

-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。

口传动链误差：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。

J10.字符和图形显示功能

-

・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。

&11.自诊断功能

■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；

口在线自诊断；

口离线自诊断；

□远程通讯诊断。

T12.输入、输出和通信功能

■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，

口DNC接口，可实现直接数控，

口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。

T13.程序编制功能

-手工编程

■背景（后台）编程

■动编程

■利用CAM系统，可以在线完成和修

改零件的三维模型图设计，并可以

通过网络直接传给机床进行加工。

五、CNC的特点

-1.具有比NC更高的柔性

-2.具有良好的通用性

-3.数控功能不断增强和扩展

■4.可靠性越来越高

■5.方便了系统的维修和使用

■6.易于实现机电一体化

第二节CNC的硬件结构

■一、CNC的硬件结构

-CNC系统硬件的层次结构

由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。

L单微处理器的CNC

■单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器

作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各

种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完

成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各

种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。

■单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的

基本结构为基础，微处理器和三总线（数据、

地址、控制）结构、I/O接口、存储穗、串行

接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床

的控制部分。

位位位位

控控控控

单单单单

元元元元

典型的单微处理器

装置结构框图

■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。

■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。

系统总线

□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。

单微处理器CNC特点

■⑴CNC装置内只有一个微处理器，对存

储、插补运算、输入/输出控制、CRT显

示等功能实现集中控制分时处理。

■⑵微处理器通过总线与存储器、输入/

输出控制等接口电路相连，构成CNC装

置。

■⑶结构简单，易于实现。

2,多微处理器的CNC

■⑴多微处理器CNC的优点

■①较高的性价比；

■②适应能力强；

■③可靠性IWI；

■④易于组织规模化生产。

⑵多微处理器的CNC主要功能模块

■①CNC管理模块；

■②CNC插补模块；

-③位置控制模块；

■④PLC模块；

■⑤人机接口模块;

■⑥存储器模块。

、⑶多微处理器的CNC结构

■共享总线结构

-在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座

的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起,

按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的

功能。

■共享存储器结构

-在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各

微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数

据、地址、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。

>共享总线结构框图

共享存储器结构框图

3.CNC的接口

■⑴纸带的光电阅读机接口

■(2)输入/输出(I/O)接口

・①进行必要的信号隔离

-②进行电平转换和功率放大

-③数/模和模/数转换

■⑶通信接口

第三节CNC装置的软件结构

■软件与硬件在实现各种功能的特点和关系

关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从

实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。

□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。

■软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划

分。

■功能界面划分的准则：系统的性能价格比

1.CNC的软、硬件界面

软件和硬件的功能界面几种划分

32.CNC的软件结构特点

.(1)CNC装置的多任务并行处理

译码

插补

刀具补偿

位置控制

速度处理

CNC的任务并行处理示意图

■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：

可重叠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。

(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。

（3）并行处理的实现方式:

-资源分时共享（单CPU）

■资源重叠（流水处理）（多CPU）

这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。

■1）分时共享多任务处理方案

中断级别高

中断级别低

■各任务占用CPU时间示意图

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；

口在一个时间片（如8%s或16%s）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。

■2）资源重叠（时间重叠流水处理）

■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——实现资源重叠；

■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。

）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。

]]时间重叠流水处理

时间

顺序处理并行处理

时间重叠流水处理示意图

■资源重叠和流水处理的特征

已在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个

以上的任务在同时执行。

□资源重叠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。

⑵前后台型软件结构

中断执行

循环执行

前后台程序运行关系图

■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。

前后台型结构模式的特点

A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。

A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。

A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。

⑶中断型软件结构

-41--—~_

初始化

中断管理系统（硬件+软件）

n

012

级

级

级级

中

中

中

中断

断

断

断服

服

服

务

务

服务

程

程

务程

序

序

程序

序

中断型软件系统结构图

中断型结构模式的特点

A任务调度机制：抢占式优先调度。

A信息交换：缓冲区。

A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。

A模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系

统的维护和扩充。

80〜90年代初的CNC系统大多采用这种结构。

、第四节CNC的信息处理过程

刀补缓冲区运行缓冲区

III位置反馈

加

速

插

伺

位

刀s

j

度

工

控

服

、

补,

不

译、

预

程

处

驱

处

攵f

处D

序

理

理

动

p理

码理p

二

PLC控制

译码缓冲区插补缓冲区

CNC装置数据转换流程示意图

.、输入

>■L输入过程

零件程序的输入过程流程图

・2.键盘输入

:、存储

目录区零件程序区

程序号零件零件程序1

程序首址程序零件程序2

程序终址1零件程序3

程序号零件■■■

程序首址程序零件程序I

程序终址2■■■

■■■■■■零件程序n

空白目录区空白程序区

零件程序存储器的结构示意图

开始

二、洋码读取缓冲器中的字符

义：译码程序是以程序段为单<10H?A处理数字代码一

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,Y

直线和圆弧）、加工速度F和其它二10H?a处理N代码

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

二a处理代码

式存放在口；旨定的内存专用区间。11H?G

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

二12H?A处理X代码

立即报警。

■方法：解释和编译。Y

■内容：整理和存放。二13H?A处理Y代码

-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。无法识别、错误处理”

-L代码的识别1T

软件识别代码的流程图

-2•功能码译码结束

StructPROG_BUFFER{

charbufstate；〃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。

doubleC00R[20]；〃存放尺寸指令的数值(〃m)。

intF,S；//F(mm/min)S(r/min)。

charGO；〃以标志形式存放G指令。

charGl；

charMO；〃以标志形式存放M指令。

charMl；

charT；〃存放本段换刀的刀具号。

charD；〃存放刀具补偿的刀具半径值。

■以标志形式存放G指令示例

D7D6D5D4D3D2D1D0

G000：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

G060：无该指令;1：有该指令

-G90/G910：G9Q1：G91

00：G4Q

11：G40

01：G41；

10；G42

口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。

四、译码后的数据处理

-1.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。

42.速度处理

-(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。

开环系统进给速度的计算

K冲的频率决定进给速度。

F=6fx60(mm/min)

b为脉冲当量，单位:mm,

V

sF

则f-

60S

两轴联动时，各坐标轴速度为：

vx=60fx5

Vy=60fyd

合成速度（即进给速度）V为左=，&+娜=刈

(2)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"控制每个时钟周期内

的插补次数，达到速度控制的目的。

积分法一，

3.插补

■根据速度倍率值计算本次插补周期

的实际合成位移量；

■计算新的坐标位置；

■将合成位移分解到各个坐标方向，

得到各个坐标轴的位置控制指令。

-插补程序的实时性。

插补输出指令位置位控输出

^xz\Y乂2新丫2新

4位置控制22

+

.计算新的指令坐标位置1+

■X?新二X?旧+AX*2|日丫2|「|

2土晟馈位置增量

■丫2新二丫2旧十凶2

实际位置

X」日丫1旧3、叫

■2.计算实际坐标位置Xi新丫1新

■X〔新二X〔旧+

■丫1新二丫1旧+Ay1位置控制计算

■3.计算位置控制输出值

■取3=*2新。1新

■Ay2=丫2新—丫1新

-位置控制是强实时性任务,所有计算必须在位置控制周

期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期,

也可以是插补周期的整数分之一。

第四节PLC与数控机床的辅助功能

一、PLC

-1.PLC的基本组成和工作原理

■⑴硬件系统

.⑵软件系统

通用型PLC的硬件结构框图

接电源驱

收动

输微处理器输A

现A受

入出

场运算器控

部部

信元

件控制器件

号件

4包工策口不—王希I/O

外存储器扩

盒式磁带机一扩

设展

展

打印机一接EPROMRAM接

单

EPROM写入器一口系统程序用户程序口

PLC或上位计算机,元

⑶PLC的基本控制原理

输入果样阶段程序执行阶段输出刷新阶段

PLC程序执行过程图

2.PLC的特点:

.(1)可靠性高

■⑵编程简单，使用方便

■⑶灵活性好

■⑷直接驱动负载能力强

■⑸便于实现机电一体化

■⑹网络通信

3.数控机床用PLC

■⑴数控机用PLC的控制对象

CNC索痴]

操作面板

可

编主轴控制

数

控程

控辅助动作

装制换刀动作

置器冷却排屑

数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图

・卜CNC、PLC、机床之间的信号处理过程

■CNC装置一机床：

ACNC装置fCNC装置的RAM->PLC的RAM中。

>PLC软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。

>处理后的数据仍在PLC的RAM中，

/对内装型PLC,PLC将已处理好的数据通过CNC

的输出接口送至机床；

/对独立型PLC,其RAM中已处理好的数据通过

PLC的输出接口送至机床。

机床一CNC装置

对于内装型PLC,信号传送处理如下：

>从机床输入开关量数据fCNC装置的RAMtPLC的RAM。