《数控技术》第四章(第一节)

第四章计算机数控（CNC）系统概述CNC的轨迹控制原理刀具位置补偿和半径补偿•进给速度和加减速控制

第一节概述

一、CNC系统的构成与功能

1、数字控制的任务？

使工件与刀具的相对运动形成规定的几何轨迹。根本任务是运动轨迹行程量控制和开关量控制。还有网络通信和直接控制（DNC）功能，这是从柔性制造系统的发展要求看。

2、CNC系统的组成

CNC系统主要是指图中的CNC控制器。CNC系统的组成流程框图CNC系统的结构框图3、CNC控制器一般工作原理（1）输入：常有零件程序、机床参数和补偿数据；输入工作方式有存储方式（程序一次全部输入到CNC）和NC方式（一边输入一边加工）。（2）译码：按一定的语法规则解释成计算机可以识别的数据形式。（3）刀具补偿（4）进给速度处理：合成运动方向上的数据。（5）插补（6）位置控制（7）I/O处理：指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制（如换刀、主轴变速换档、；冷却等）。（8）显示（9）诊断：自动故障诊断。联机诊断指随时检查不正常的事件；脱机诊断：CNC此时不工作，也可采用远程通信方式。CNC的信息流程表示其工作内容和过程4、CNC控制器的功能（1）轴控制功能：同时控制轴数越多，CNC控制器就越复杂。（2）准备功能（3）插补功能（4）进给功能：切削进给速度、同步进给速度、快速进给速度、进给倍率。（5）主轴功能（6）辅助功能（7）刀具功能和第二辅助功能：第二辅助功能指定工作台的分度。（8）补偿功能（9）字符、图形显示功能（10）自诊断功能（11）通信功能：适应FMS和CIMS等需求。（12）人机交互图形编程功能富士通CNC系统原理图二、CNC的硬件结构（常规与开放式）

1、常规CNC的硬件结构

（1）常规CNC发展的主要形式

技术上成熟的有三种形式：

一种：总线式模块化结构（高档）；

二种：以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC（中档）；

三种：基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC。

（2）单微处理器结构

用于CNC发展初期和一些经济型CNC，以集中控制－分时处理方式完成。功能的实现与处理速度成为一对突出的矛盾。单微处理器结构CNC框图（3）多微处理器结构

1）多微处理器CNC的典型结构

两个以上CPU能控制系统总线或主存储器

A共享总线结构（STD、MDTI、S－100、VERSA、VME）——公共存储器方式共享总线B共享存储器结构

多端口存储器，当功能复杂、CPU数量增多时，会争用共享造成信息阻塞。共享存储器2）多微处理器CNC的基本功能模块

CNC管理模块

CNC插补模块

位置控制模块

PLC(PMC)模块

命令与数据输入输出和显示模块

存储器模块

一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征：

即插即用(plug&play):数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求。

可移植性(portability):功能模块可运行于不同的控制系统内。

可扩展性(expandability):功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能.

可缩放性(scalability):控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减，成为规模化系列产品.

互操作性(interoperability):模块之间能相互协作(交换数据)，容易实现和其他自动化设备互连。因此，一个完全开放的数控系统应该是：以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的；

系统的拓补结构和性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途.即可实现CNC,PLC,RC(RobotControl)和CC(CellControl)等控制功能；系统中各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂及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，进行

系统开发设计时，允许各模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求；同时使来自不同供应商的模块之间具有相互操作性.只有这样才能保证机床厂、用户对系统作补充、扩展或者修改。2、开放式CNC的硬件结构

改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织模式，使CNC向模块化、平台化、工具化和标准化发展。

我国前段时间还停留在原有封闭型CNC上。

（1）开放式CNC定义

必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时，提供统一标准化的应用程序用户界面。特征：可操作性、可移植性、可缩放性和可相互替代性。（2）基于PC(或IPC)开放式CNC的硬件配置形式

1）基于PC的有限开放CNC

PC机承担CNC人机界面功能，原来的CNC系统不作结构上的根本改变，这样综合了PC和原来CNC特点。

APC连接型CNC：低速串行线互连，响应速度受到影响。

BPC内藏型CNC：具有数据传送快，系统响应快的特点。

2）基于PC的可开放式CNC

在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而组成（CNC内藏型）三、CNC的软件结构（常规与开放式）

1、CNC中软、硬件界面与数据转换

CNC中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理多任务：管理和控制许多任务必须协调地工作CNC系统是个实时多任务计算机系统，其软件必然融进现代计算机软件技术中的许多先进技术，有多任务并行处理和多重实时中断。平行处理：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相同或不同的工作。提高了运算处理速度。具体有以下3种：资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。时间重叠（资源重叠流水处理）：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。资源分时共享：使多个用户按时间顺序使用同一套设备。实时中断处理：外部中断、内部定时中断、硬件故障、程序型中断。3、常规CNC的软件结构

（1）中断型结构模式：除了初始化程序，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，成为一个大的多重中断系统。

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。整个软件就是一个大的中断管理系统。

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。

80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。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（2）前后台型结构模式前台程序为一个中断服务程序，几乎承担了全部的实时功能；后台程序或背景程序：完成管理功能和非实时性任务（插补准备），是一个循环运行程序。

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/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。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

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。

4、开放式CNC的软件结构要求：硬件基于标准总线的公用的模块化设计外，软件应采用平台技术，统一的标准规范和面向功能元（对象）拓扑结构的应用软件，以保证系统具有开放式的基本特征。（1）开放式CNC总体结构框图两个部分：统一的系统平台和由各功能结构单元对象组成的应用软件模块（或系统参考结构）AO——功能元对象（2）系统平台（软硬件组成）

软件：三个部分：a系统核心，如操作系统、通信系统、实时配置系统；

b可选系统软件：如数据系统、图形系统；

c标准的应用程序界面（API）。

操作系统、通信系统、配置系统构成整个控制系统运行的基础。

常规CNC的配置系统属于静态配置，通过设置参数完成；开放式CNC的配置系统应是一种动态