第3章 计算机数控系统

CINC第3章计算机数字控制装置

本章内容

ACNC装置的硬件结构

ACNC装置的软件结构

A可编程控制器（PLC）

»典型的CNC系统简介

CISC3.1概述

一、CNC系统的组成

CNC系统主要包括数控程序、输入输出设备、

CNC装置、PLC、驱动和检测装置。其核心是CNC装

置。其相互关系如图3T所示。

二、CNC装置组成：

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。

软件又称系统软件，它由管理软件和控制软

件两部分组成。

CISC3.1概述

面板控制单元

驱动系统

CNC键盘机床控制面板电子手轮

主轴电机进给伺服电机

CINC3.1概述

三、CNC装置的工作过程：

CNC装置的工作是指在硬件的支持下执行软件的全

过程。

1、输入

译码

CISC3.1概述

2、译码

将输入的数控加工程序翻译成CNC装置

能识别的代码形式，并按约定的格式存放在

指定的译码结果缓冲器中。代码识别是通过

软件将数控加工程序缓冲器中的内码读出，

并判断该数据的属性。

如果是数字码，则立即设置相应的标志并

转存。如果是字母码，则进一步判断该码的

具体功能，然后设置代码标志并转入相应的

处理。

CISC3.1概述

3、刀具补偿

刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。

•采用刀具补偿功能，可简化数控加工程序的编写工

作，主要表现如下：

1）由于刀具磨损、更换等原因引起的刀具相关尺寸

变化不必重新编写程序，只须修改相应的刀补参数

即可。

2）当被加工零件在同一机床上，经历粗加工、半精

加工、精加工多道工序时，不必编写三种加工程序，

可将各工序预留的加工余量加入刀补参数即可。

CINC3.1概述

4、进给速度处理

5、插补

6、位置控制

7、输入/输出处理

8、显示

9、诊断

CINC3.1概述

四、CNC装置的优点：

CNC装置与传统的数控装置相比，具有下述一些优点:

1）灵活性

2）可靠性

3）通用性

4）丰富的数控功能

5）维修和使用方便

6）易于实现机电一体化

CISC3.1概述

四、CNC装置的功能：

CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能:

1）控制功能2）准备功能

3）插补功能4）固定循环功能

5）进给功能F6）主轴功能S

7）刀具功能T8）辅助功能M

9）补偿功能10）显示功能

11）通信功能12）自诊断功能

12）人机对话编程功能

CISC3.2CNC系统的硬件结构

CNC系统的硬件结构，

按其中含有CPU的多少可分为：

单微处理机结构和多微处理机结构;

按电路板的结构特点可分为：

大板结构和模块化结构。

3.2CNC系统的硬件结构

中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM、

RAM）、输入/输出（I/O）接口及相应的外设、PLC、

主轴控制单元、速度进给控制单元。

速

MDI键盘度

操作控制面板控

制

CRT/LEDI/O

接

外部存储器机

口入■位置检测

秩A/D床

电口

上位机/编程机机床

开关量

通

逻

路辑

/数控量出

道

控

软盘制

一

导

开关量

检

测

磁带/数控量入

CINC3.2CNC系统的硬件结构

2、主要结构

1)中央处理单元CPU

计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存寄存器

组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。

2)总线(BUS)

总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间

的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线

1.地址总线：传送地址信息的通道。

2.数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数

量决定了数据传送、运算和处理的规模。

3.控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设

备和CPU之间传送地址信息和数据信息的通道。控制

总线是完成各种控制功能的通道。

CISC3.2CNC系统的硬件结构

3)存储器(memory)

(1)功用：

存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中

间结果和处理后的结果存储起来。

(2)种类：

半导体存储器「SRAM静态

(3)分类:1随机存取存储器RANT

_____上二二____-DRAM动态

存放工作参数、；r固定ROM（掩膜ROM）

加工程序;

/天榛存储器ROM1一次性可编程ROM(PROM)

存储系［串行存储器光可擦除可编程ROM(EPROM)

〔电可擦除可编程ROM(E2PROM)

统软件

CINC3.2CNC系统的硬件结构

4)输入/输出(i/o)接口电路及相应的外部设需

(1)1/0接口

接口电路是CPU与外部设备之间的连接电路。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。分输入接口、输出

接口、双向接口。

(2)1/0接口功能

。把外设送往CNC的信息转换成CPU能接受的格式；

0把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式

。在CNC与外设间起缓冲作用(平衡信号电平和传输速

CISC3.2CNC系统的硬件结构

(3)1/0分类：

键盘MDI

显示器CRT

o人机界面接口一

操作面板

手摇脉冲发生器

0通信网络接口

0进给轴的位置控制接口

0主轴控制接口

oMST控制接口

CISC3.2CNC系统的硬件结构

一、单微处理机结构和多微处理机结构、

1、单微处理机结构

0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。

o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。

CINC3.2CNC系统的硬件结构

2、多微处理机结构

⑴在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机,

CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通

过总线仲裁器（由硬件和软件组成）来解决总线争

用问题，通过公共存储器来进行信息交换。

⑵特点：

能实现真正意义上的并行处理，处理速度

快，可以实现较复杂的系统功能。

容错能力强，在某模块出了故障后，通过系

统重组仍可断继续工作

⑶结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。

3.2CNC系统的硬件结构

①共享存储器结构

CISC3.2CNC系统的硬件结构

结构特征：

o面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实

现各主模块之间的互连和通讯，

0采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问

多端口存储器冲突的矛盾。

由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上

的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输

信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储

器（双端口RAM）。

3.2CNC系统的硬件结构

②共享总线型结构

CRT/MDI

操湍板

通讯模块自动编程模块主存储：

图形显示

(CPU)(CPU)器模块;

模呼TU)na

nFANUCBUSn

插补模块PLC模块位置控制模块主轴控;

(CPU)(CPU)(CPU)制模块：

-----谖——・…・⑪-•…

I/O单元伺服驱动单元主轴单元

FANUC15系统硬件结构

CISC3.2CNC系统的硬件结构

结构特征：

0功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和

从模块（RAM/ROM,I/O模块），

o以系统总线为中心，所有的主、从模块都

插在严格定义的标准系统总线上，

0采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同

时请求使用系统总线的竞争问题。

CINC3.2CNC系统的硬件结构

二、大板式结构与功能模块式结构

1、大板式结构

CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制

板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷

板插槽内。

主印刷电路板(MASTERPCB)

/

存_输

_基

入

储P

图

_本

输M

器

_形

轴C

出NC

板_

显

控

控

接

(示电源

制

制

M口

板

板

E板

M_板

)_

V

CISC3.2CNC系统的硬件结构

2、功能模块式结构

将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示

部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件

也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形

成一个功能模块。将各功能模块连接控制单元母板

构成CNC装置。

CISC3.3CNC系统的软件结构

一、CNC系统软件的组成与功能

1、组成

CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专

用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控

制软件两部分组成。操作系统

管理软件控制软件

机

零

输

故

显

示

床

件

入

障

编

插

主

位

处刀

输

程

诊

输

译

轴

补

置

理

处具

入

控

控

运

序

断

出

理

制

制

算

输

管

处

管补

出

理

理

理偿

CISC3.3CNC系统的软件结构

二、CNC系统软件的特点和结构

1、CNC装置的软件系统特点

①多任务性

。多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补

处理、位置控制、…

②并行处理：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。

o并行处理的实现方式：

☆资源重复（硬件）

☆资源分时共享（单CPU）

☆资源重叠流水处理（多CPU）

CINC3.3CNC系统的软件结构

☆资源重复（硬件）

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。

。资源重复的特征

硬件设计时普遍使用的并行处理方法。

CISC3.3CNC系统的软件结构

☆资源分时共享（单CPU）

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。

o资源分时共享技术的特征

多个用户按时间顺序使用同一台设备，在任何

一个时刻只有一个任务占用CPU;

在一个时间片（如8nls或16ms）内，CPU并行地

执行了两个或两个以上的任务。

CISC3.3CNC系统的软件结构

☆资源重叠流水处理（多CPU）

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，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。

。资源重叠流水处理的特征

•流水处理在任何时刻（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。

•流水处理的关键是时间重叠

CISC3.3CNC系统的软件结构

③实时中断处理

中断：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程

序处理完毕后，再返回继续执行原程序。

多重中断：将中断按级别优先权排队，高级中断源能

中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返

回接着处理低级中断尚荣完成的工作。

实时：任务的执行有严格时间要求（任务必须在规定

时间内完成或响应）

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。

CISC3.3CNC系统的软件结构

2、CNC装置的软件结构的分类

①前后台型结构

此结构将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。

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。

CISC3.3CNC系统的软件结构

②中断型结构

此结构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。

CISC3.3CNC系统的软件结构

I、中断优先级安排

开机中断

初始化

级

级

级

骁级

强级

级

级

13689级O

2级

据

热

数

补

插

非

行

带

串

作

定

CPA纸

工

蔽

储

展

存

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