数控4662465496资料课件

第 4 章 计算机数控(CNC)装置 4.1 概 述 4.1.1 CNC技术的发展表表表表4.14.14.14.1数控系统的演变数控系统的演变数控系统的演变数控系统的演变分类分类世代世代诞生年代诞生年代系统元件及电路构成系统元件及电路构成世界世界我国我国硬件数硬件数控控NCNC第一代第一代第二代第二代第三代第三代19521952年年19591959年年19651965年年19581958年年19651965年年19721972年年电子管、继电器，模拟电路电子管、继电器，模拟电路晶体管，数字电路（分立元件）晶体管，数字电路（分立元件）集成数字电路集成数字电路计算机计算机数控数控CNCCNC第四代第四代19701970年年19761976年年内装小型计算机，中规模集成电路内装小型计算机，中规模集成电路第五代第五代19741974年年19821982年年内装微处理器的内装微处理器的NCNC字符显示，故障自诊断字符显示，故障自诊断19791979年年19811981年年19871987年年19911991年年19951995年年超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口人人机机对对话话,动动态态图图形形显显示示,实实时时软软件件精精度度补补偿偿,适适应应机机床床无无人人化运转要求化运转要求3232位位CPUCPU，可可控控1515轴轴，设设定定0.0001mm0.0001mm进进给给速速度度24m/min24m/min，带带前前馈控制的交流数字伺服、智能化馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。系统。利用利用RISCRISC技术技术6464位系统。位系统。微机开放式微机开放式CNCCNC系统。系统。4.1.1 CNC技术的发展年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191CPUCPU3000C/29013000C/2901单片机单片机1616位微处理器位微处理器3232位微处理器位微处理器6464位位伺服伺服驱动驱动直流模拟伺服直流模拟伺服交流模交流模拟伺服拟伺服交流数字伺服交流数字伺服最小最小设定设定单位单位1 10.10.10.010.01进给进给速度速度高速、高精度型高速、高精度型2.1m/min2.1m/min8.4m/min8.4m/min33.7m/min33.7m/min 高速型高速型15m/min15m/min 60m/min60m/min快速快速9.6m/min9.6m/min15m/min15m/min24m/min24m/min60m/min60m/min240m/min240m/min扩充扩充功能功能用软件扩充数控功能、用软件扩充数控功能、刀具补偿，固定循环，刀具补偿，固定循环，存储器运行存储器运行用软件充实人机接口，彩色用软件充实人机接口，彩色显示，会话编程，仿真显示，会话编程，仿真3232位位CPUCPU，高速、高精度加工，高速、高精度加工，数字伺服，高速主轴，智能化开放数字伺服，高速主轴，智能化开放 系统系统表表表表42 42 42 42 数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况 4.1.1 CNC技术的发展表表表表43 43 43 43 数控系数控系数控系数控系统统的功能水平的功能水平的功能水平的功能水平 项目项目低档低档中档中档高档高档分辨率分辨率 10101 1 0.10.1进给速度进给速度 8-15 m/min8-15 m/min15-24 m/min15-24 m/min15-100 m/min15-100 m/min联动轴数联动轴数 2-32-3轴轴 2-42-4轴或轴或3-53-5轴以上轴以上主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用位甚至采用RISCRISC的的6464位位伺服系统伺服系统步进电机、开环步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装内装PLCPLC无无有内装有内装PCPC，功能极强的内装功能极强的内装PCPC，甚至有轴控制功能甚至有轴控制功能显示功能显示功能数码管数码管,简单的简单的CRTCRT字符字符显示显示有字符图形或三维图形显示有字符图形或三维图形显示通信功能通信功能无无RC232CRC232C和和DNCDNC接口接口还可能有还可能有MAPMAP通通讯接口和联网功讯接口和联网功能能4.1.2 CNC系统的组成 EIA(EIA(美美国国电电子子工工业业协协会会)所所属属的的数数控控标标准准化化委委员员会会的的定定义义:“CNC:“CNC是是用用一一个个存存储储程程序序的的计计算算机机，按按照照存存储储在在计计算算机机内内的的读读写写存存储储器器中中的的控控制制程程序序去去执执行行数数控控装装置置的的部部分分或或全全部部功功能能，在在计计算算机机之之外外的的唯唯一一装装置是接口置是接口”。ISO(ISO(国国际际标标准准化化组组织织)的的定定义义:“:“数数控控系系统统是是一一种种控控制制系系统统，它它自自动动阅阅读读输输入入载载体体上上事事先先给给定定的的数数字字，并并将将其其译译码码，从从而而使使机机床床移移动动和和加工零件加工零件”。CNCCNC系统系统与与NCNC系统系统数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系数控系统的核心是完成数字信息运算的核心是完成数字信息运算、处理和控制的理和控制的计算机，算机，即即数字控制装置。数字控制装置。计算机计算机计算机计算机硬件电路硬件电路硬件电路硬件电路伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统数控机床数控机床数控机床数控机床指令输入指令输入指令输入指令输入CNCCNC控制器控制器控制器控制器系统方框图系统方框图系统方框图系统方框图位置位置位置位置控制控制控制控制单元单元单元单元盒盒盒盒式式式式磁磁磁磁带带带带机机机机接接接接口口口口C CR RT T接接接接口口口口C CP PU U存存存存储储储储器器器器手动手动手动手动数据数据数据数据输入输入输入输入显示显示显示显示单元单元单元单元接口接口接口接口纸纸纸纸带带带带输输输输入入入入机机机机接接接接口口口口纸纸纸纸带带带带穿穿穿穿孔孔孔孔机机机机接接接接口口口口数数数数据据据据输输输输入入入入接接接接口口口口数数数数据据据据输输输输出出出出接接接接口口口口零零零零件件件件程程程程序序序序存存存存储储储储器器器器旋转式感旋转式感旋转式感旋转式感应同步器应同步器应同步器应同步器D/AD/A转换转换转换转换速度速度速度速度控制控制控制控制单元单元单元单元放放放放大大大大器器器器旋转变压器旋转变压器旋转变压器旋转变压器直流电机直流电机直流电机直流电机模模模模拟拟拟拟主主主主轴轴轴轴输输输输出出出出D/AD/A转转转转换换换换4.1.2 CNC系统的组成 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。4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序接接口口被控设备被控设备机机床床机器人机器人测量机测量机.4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 1.1.硬件结构硬件结构:CPU CPU，存存储器，器，总线、外外设等等。2.2.软件结构软件结构：是一种用于是一种用于零件零件加工的、加工的、实时控制的、特殊的（或称控制的、特殊的（或称专用的）用的）计算机操作系算机操作系统。系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输输入入程程序序输输出出程程序序显显示示程程序序诊诊断断程程序序译译码码程程序序补补偿偿计计算算速速度度控控制制插插补补程程序序位位控控程程序序图图4.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 3.3.工作原理工作原理 通通过各种各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNCCNC装置装置译码，再，再进行行计算机的算机的处理、运算，然后将各个坐理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制的分量送到各控制轴的的驱动电路，路，经过转换、放大去、放大去驱动伺服伺服电动机，机，带动各各轴运运动。并。并进行行实时位置反位置反馈控制，使各个坐控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。能精确地走到所要求的位置。简要工作要工作过程：程：1 1）输入）输入：输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式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，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通讯接口输入及连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 2 2）译码：）译码：以以一个程序段一个程序段为单位，根据一定的位，根据一定的语法法规则解解释、翻、翻译成成计算机算机 能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。用区内。3 3）数据处理）数据处理：包括刀具包括刀具补偿，速度，速度计算以及算以及辅助功能的助功能的处理等。理等。4 4）插补：）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 间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5 5）位置控制：）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。置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6 6）I/OI/O处理：处理：处理处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8 8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。4.1.4 CNC装置的主要功能和特点 1.1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能 （1 1）控制轴数和联动轴数）控制轴数和联动轴数 （2 2）准备功能（）准备功能（G G功能）功能）（3 3）插补功能）插补功能 （4 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）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 （5 5）进给功能（）进给功能（F F）1 1）切切削削进进给给速速度度 2)2)同同步步进进给给速速度度 3 3）快快速速进进给给速速度度 4 4）进进给给倍倍率率 。（6 6）补偿功能）补偿功能 1 1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2 2）工艺量的补偿）工艺量的补偿 （7 7）固定循环加工功能）固定循环加工功能 4.1.4 CNC装置的主要功能和特点（8 8）辅助功能（）辅助功能（M M代码）代码）（9 9）字符图形显示功能）字符图形显示功能（1010）程序编制功能：手工编程、）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程在线编程、自动编程（1111）输入、输出和通讯功能）输入、输出和通讯功能（1212）自诊断功能）自诊断功能2.CNC2.CNC数控装置的特点数控装置的特点 1 1）灵活性大）灵活性大 2 2）通用性强）通用性强 3 3）可靠性高）可靠性高 4 4）可以实现丰富、复杂的功能）可以实现丰富、复杂的功能 5 5）使用维修方便）使用维修方便 6 6）易于实现机电一体化）易于实现机电一体化4.2 CNC装置的硬件结构 4.2.1 CNC装置的硬件构成 CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图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。单微处理机结构:见上图 多微处理机CNC装置的结构：1 1.主从结构 2.多主结构 3.分布式结构 4.多通道结构 4.2.2 CNC装置的体系结构 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（PLC）、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、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 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）它们的用途：4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构 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 CMOS RAM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 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。共享总线型、共享存储器型及混合型结构。（1 1）功能模块）功能模块 1 1）CNCCNC管理模块管理模块 2 2）存储器模块）存储器模块 3 3）CNCCNC插补模块插补模块 4 4）位置控制模块）位置控制模块 5 5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块 6 6）PLCPLC模块模块 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS（2 2）共享总线结构）共享总线结构 结构与仲裁结构与仲裁 主模块与从模块主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：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。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，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯模块之间的通讯：公共存储器公共存储器 总线：总线：STD bus STD bus（支持支持8 8位和位和1616位字长）位字长）Multi bus Multi bus（型支持型支持1616位字长，位字长，型支持型支持3232位字长）位字长）S-100 bus S-100 bus（可支持可支持1616位字长）位字长）VERSA bus VERSA bus（可支持可支持3232位字长）位字长）VME bus VME bus （可支持可支持3232位字长）位字长）4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图图4.9 串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式主主模块模块1主主模块模块2主主模块模块3总线优总线优总线优总线优先权入先权入先权入先权入总线优总线优总线优总线优先权出先权出先权出先权出总线总线总线总线忙忙忙忙入入忙忙出出入入忙忙出出4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图图4.10 并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式主模块主模块主模块主模块1 1总线优总线优 总线总线 总线优总线优先权入先权入 忙忙 先权出先权出主模块主模块主模块主模块3 3入入 忙忙 出出译译 器器 码码主模块主模块主模块主模块2 2入入 忙忙 出出优先权编器码优先权编器码4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构（3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 VS图图4.11 MTC1的的CNC装置结构框图装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2键盘键盘(中央中央)CPU1(插补插补)CPU3串口和串口和收发器收发器CRTCCRT字符字符发生器发生器并行并行接口接口反馈脉冲反馈脉冲处理处理反馈信号反馈信号适配器适配器机床机床接口接口模拟量模拟量接口接口RS232CXYZCW4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构（4 4）共享总线和共享存储器型结构）共享总线和共享存储器型结构 图图4.12 FUNUC11的的CNC装置结构框图装置结构框图键盘键盘纸带机纸带机手摇盘手摇盘PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM图形显示图形显示80878087OPCCRT机床机床I/O坐标轴坐标轴 坐标轴坐标轴主轴主轴其中其中OPC操作控制器；操作控制器；BAC总线仲裁控制器；总线仲裁控制器；IOC输入输出控制器；输入输出控制器；CAP自动编程单元；自动编程单元；SSU系统支持单元；系统支持单元；PMC可编程机床控制器可编程机床控制器4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图图4.13 双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 图图4.13多多CPU共享存储器框图共享存储器框图端口端口1存储存储控制逻辑控制逻辑地址和数据地址和数据多路转换器多路转换器RAM共享存共享存储器储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制轴控制（COU4）插补插补(CPU3)端口端口2中断中断控制控制从机床来的从机床来的控制信号控制信号至机床的至机床的控制信号控制信号4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS（5 5）多通道结构）多通道结构 通道通道结构（构（Channel StructureChannel Structure），），即两种以上程序的并行即两种以上程序的并行处理。理。2.2.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 （1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 （2 2）可靠性高）可靠性高 （3 3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产4.2.5 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；4.2.5 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；4.2.5 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。4.2.5 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数控功能数控功能应用程序应用程序NC构件库构件库4.2.5 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(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划日本：OSEC(Open System Environment for Controller)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4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS2.2.开放程度开放程度：1 1）CNCCNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件可以直接地或通过网络运行各种应用软件2 2）用户操作界面的开放。）用户操作界面的开放。3 3）NCNC内核的深层次开放内核的深层次开放(PC+(PC+实时硬插件；实时硬插件；PC+PC+实时软中断实时软中断)。3.3.开放式数控系统的发展趋势：开放式数控系统的发展趋势：1 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）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。控系统。2 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）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。需求。3 3）网络化）网络化4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构VSVS1.1.点位点位/直线控制的一般概念（单轴数控）直线控制的一般概念（单轴数控）用于钻床、镗床、机能简单的车床用于钻床、镗床、机能简单的车床 点位控制点位控制只只控控制制刀刀具具相相对对应应于于工工件件定定位位，由由某某一一定定位位点点向向下下一一定定点点运运动动时时不不进进行切削，对运动路径没有严格要求。行切削，对运动路径没有严格要求。直线控制直线控制刀刀具具沿沿坐坐标标轴轴方方向向运运动动，并并对对工工件件进进行行切切削削加加工工。在在加加工工过过程程中中不不但但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构2.2.点位点位/直线数控系统数控装置的结构直线数控系统数控装置的结构显示显示进给脉冲进给脉冲发生器发生器M、S、T寄存控制寄存控制加减速及加减速及停止判断停止判断伺服伺服驱动驱动机床机床测量测量输入输入译码译码位置计数位置计数与比较与比较F图图4.16 4.16 点位点位/直线控制系统直线控制系统4.3 CNC装置的软件结构 4.3.1 软件结构特点 1.CNC1.CNC装置软件硬件的界面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纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控纸纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控速速控控电电机机测量测量第一种第一种第二种第二种第三种第三种硬件硬件硬件硬件软件软件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件硬件硬件硬件硬件1、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。2、软件、硬件实现功能的分配就是 软件硬件功能界面划分。3、功能界面划分的准则：系统的性能价格比。4.3.1 软件结构特点 VSVS 2.2.系统软件的内容及结构类型系统软件的内容及结构类型CNC装置系统软件的主要任务：装置系统软件的主要任务：如如何何将将由由零零件件加加工工程程序序表表达达的的加加工工信信息息，变变换换成成各各进进给给轴轴的的位位移移指指令令、主主轴轴转转速速指指令令和和辅辅助助动动作作指指令令，控控制制加加工工设设备备的的轨轨迹迹运运动动和和逻逻辑动作，加工出符合要求的零件。辑动作，加工出符合要求的零件。系统软件的组成：系统软件的组成：（管理和控制）（管理和控制）管理部分：管理部分：输入、输入、I/OI/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。等程序。控制部分：控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式：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。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多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元 4.3.1 软件结构特点 3.3.多任务并行处理多任务并行处理 （1 1）CNCCNC装置的多任务性装置的多任务性 图图4.18 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 图图4.19软件任务的并行处理软件任务的并行处理CNC装置装置管管理理控控制制输入输入显示显示位控位控诊断诊断I/O插补插补位控位控译译码码刀刀补补速度处理速度处理输输入入I/O处处理理显显示示诊诊断断通通讯讯译译码码刀刀具具补补偿偿速速度度处处理理位位置置控控制制插插补补4.3.1 软件结构特点 VSVS（2 2）并行处理）并行处理为为了了保保证证控控制制的的连连续续性性和和各各任任务务执执行行的的时时序序配配合合要要求求，CNC系系统统的的任任务务必必须须采采用并行处理，而不能逐一处理。用并行处理，而不能逐一处理。并行处理并行处理：是是指指计计算算机机在在同同一一时时刻刻或或同同一一时时间间间间隔隔内内完完成成两两种种或或两两种种以以上上性性质质相相同同或或不不相相同同的的 工作。并行处理的优点是合理使用和调配工作。并行处理的优点是合理使用和调配 CNC CNC 系统的资源系统的资源,提高了运行速度。提高了运行速度。并行处理的分类：并行处理的分类：“资源重复资源重复”，“时间重叠时间重叠”和和“资源共享资源共享”。资源共享：资源共享：根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：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。同一套设备的几个部分。4.3.1 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。4.3.1 软件结构特点 VSVS诊断诊断I/O处理处理输入输入插补插补准备准备显示显示初始化初始化插补插补位控位控键盘键盘 中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低资源（资源（资源（资源（CPUCPUCPUCPU）分时共享图分时共享图分时共享图分时共享图4.3.1 软件结构特点 VSVS 资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征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。4.3.1 软件结构特点 VSVS 2)2)并发处理和流水处理（对多资源的系统）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。4.3.1 软件结构特点 VSVS 流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义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。4.3.1 软件结构特点 流水处理技术示意图流水处理技术示意图 VSVS并行处理并行处理1231232tt空空间间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1时间时间t+t tt空空间间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU34.3.1 软件结构特点 并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征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。4.3.1 软件结构特点 3 3）并行处理中的信息交换和同步）并行处理中的信息交换和同步在在CNCCNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。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。图图4.22 CNC4.22 CNC装置通过缓冲区交换信息框图装置通过缓冲区交换信息框图纸带纸带缓冲缓冲存储区存储区译码译码缓冲缓冲存储区存储区插补插补缓冲缓冲存储区存储区插补插补工作工作存储区存储区插补插补输出输出存储区存储区纸纸带带译码译码插补插补准备准备交换交换插补插补4.3.1 软件结构特点 图4.23 纸带读写同步说明-读指针读指针R-写指针写指针WMVSVS进口进口W=(W+1)Mod(M)写第一个字符到写第一个字符到纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口出口停光电机停光电机进口进口出口出口启动光电机启动光电机R=(R+1)Mod(M)从从纸带缓冲存储纸带缓冲存储区读出一个字符区读出一个字符(R-W)Mod(M)=1?4.3.1 软件结构特点 VSVS 4.4.实时中断处理实时中断处理（1 1）CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 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）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。中断。2 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。3 3）硬件故障中断）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。种硬件故障检测装置发出的中断。4 4）程序性中断）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。程序中出现的异常情况的报警中断。（2 2）CNCCNC系统中断结构模式系统中断结构模式 1 1）前后台）前后台软件结构中的中断模式软件结构中的中断模式 前台程序前台程序 :主要完成插补运算、位置控制主要完成插补运算、位置控制 、故障、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。诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后后台台程程序序 (背背景景程程序序 ):):完完成成显显示示、零零件件加加工工程程序序的的编编辑辑管管理理、系系统统的的输输入入 /输输出出、插插补补预预处处理理（译译码码、刀刀补补处处理理、速速度度预预处处理理 )等等弱弱实实时时性性的的任任务务，它它是是一一个个循循环环运运行行的的程程序序，其其在在运运行行过过程程中中，不不断断地地定定时时被被前前台台中中断断程程序序所所打打断断，前前后后台台相相互互配配合合来来完完成成零零件件的加工任务。的加工任务。2 2）中断型软件结构中的中断模式）中断型软件结构中的中断模式 背景程序背景程序初始化初始化实施中断实施中断程序程序4.3.2 输入和数据处理 VSVSCNCCNC系系统的控制的控制软件及其工作件及其工作过程程 输入、入、译码、预计算、插算、插补计算、算、输出、管理与出、管理与诊断断1.1.零件程序的输入零件程序的输入 零件程序的零件程序的输入包括两方面的内容入包括两方面的内容:1 1）从从阅读机、机、键盘输入到零件程序存入到零件程序存储器。器。2 2）从零件程序存从零件程序存储器将零件程序的程序段送入器将零件程序的程序段送入缓冲器（冲器（缓冲存冲存储区）。区）。图4.25 输入过程阅读机阅读机零件程序存储器零件程序存储器MDI键盘键盘零件程序缓冲区零件程序缓冲区MDI缓冲区缓冲区译码译码4.3.2 输入和数据处理 VSVS2.2.数据处理程序数据处理程序 数数据据处处理理程程序序又又叫叫插插补补准准备备程程序序，包包括括译译码码、刀刀补补（运运动动轨轨迹迹计计算算）、辅辅助助功功能能处处理理和和进进给给速速度度计计算算等等部部分分 。另另外外，还还包包括括诸诸如如换换刀刀、主主轴轴启启停停、冷却液开、闭等辅助功能。冷却液开、闭等辅助功能。（1 1）译码）译码 定定义义：译译码码程程序序是是以以程程序序段段为为单单位位对对信信息息进进行行处处理理，把把其其中中的的各各种种工工件件轮轮廓廓信信息息（如如起起点点、终终点点，直直线线和和圆圆弧弧）、加加工工速速度度F F和和其其它它辅辅助助信信息息（M.S.TM.S.T）依依照照计计算算机机能能识识别别的的数数据据形形式式，并并以以一一定定的的格格式式存存放放在在指指定定的的内内存存专专用用区区间间。在在译译码码过过程程中中，还还要要完完成成对对程程序序段段的的语语法法检检查查，若若发发现现语语法法错误立即报警。错误立即报警。方法：解释和编译。方法：解释和编译。内容：整理和存放。内容：整理和存放。1 1）不按字符格式的整理与存放方法。）不按字符格式的整理与存放方法。2 2）保留字符格式的整理与存放。）保留字符格式的整理与存放。4.3.2 输入和数据处理（2 2）刀具补偿）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。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。种类：长度补偿和半径补偿。1 1）B B功能刀具半径补偿计算功能刀具半径补偿计算 直线加工时刀具补偿直线加工时刀具补偿图图4.28 4.28 直线刀具补偿直线刀具补偿 VSVSYXA(x,y)A(x,y)yxOO r4.3.2 输入和数据处理 圆弧加工时刀具半径补偿圆弧加工时刀具半径补偿Y YOO 图图4.29 4.29 圆弧刀具半径补偿圆弧刀具半径补偿rX XA A(x0,Y 0)B B (xe,Y e)B B(Xe,ye)A A(X X0,0,Y Y0 0)K KR RXXYY4.3.2 输入和数据处理 *B B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题功能刀具半径不能处理尖角过渡问题 VSVS 图图4.30 B4.30 B刀补的交叉点和间断点刀补的交叉点和间断点ABC”CBAG41刀具刀具G42刀具刀具编程轨迹编程轨迹刀具中心轨迹刀具中心轨迹C4.3.2 输入和数据处理 2 2）C C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 处理两个程序段理两个程序段间转接（即尖角接（即尖角过渡）的各种情况渡）的各种情况。图图4.31 4.31 由由NCNC到到CNCCNC刀补的改进措施刀补的改进措施工作寄存器工作寄存器AS输出寄存器输出寄存器OS缓冲寄存器缓冲寄存器BS工作寄存器工作寄存器AS输出寄存器输出寄存器OS缓冲寄存器缓冲寄存器BS刀具补偿缓冲刀具补偿缓冲区区CS工作寄存器工作寄存器AS输出寄存器输出寄存器OSa)NCa)NC方式方式b)b)改进的改进的NCNC方式方式c)CNCc)CNC方式方式4.3.2 输入和数据处理 图图4.32 G414.32 G41直线与直线转接情况直线与直线转接情况VSVS缩短型缩短型缩短型缩短型插入型插入型插入型插入型伸长型伸长型4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS 1.1.进给速度计算进给速度计算开开环系系统:速度通速度通过控制向步控制向步进电机机输出脉冲的出脉冲的频率来率来实现。速度速度计算的方法是根据程算的方法是根据程编的的F F值来确定来确定该频率率值。半半闭环和和闭环系系统:采用数据采采用数据采样方法方法进行插行插补加工加工 速速度度计算算是是根根据据程程编的的F F值，将将轮廓廓曲曲线分分割割为采采样周期的周期的轮廓步廓步长。4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS （1 1）开环系统进给速度的计算）开环系统进给速度的计算 脉冲的频率决定进给速度。脉冲的频率决定进给速度。（4.74.7）为脉冲当量，单位：为脉冲当量，单位：mm mm，则则 （4.84.8）两轴联动时，各坐标轴速度为两轴联动时，各坐标轴速度为:合成速度（即进给速度）合成速度（即进给速度）V V为为 （4.94.9）4.3.3 速度处理和加减速控制（2 2）半闭环和闭环系统的速度计算）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。确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。直线插补直线插补速度计算速度计算：a)a)程序段投影程序段投影L Lx x=x=xe e-x-x0 0 L Ly y=y=ye e-y-y0 0 b)b)直线方向余弦直线方向余弦coscos=L=Lx x/L /L coscos=L=Ly y/L/Lc)c)一个插补周期的步长（一个插补周期的步长（L L）L=L=（1/601/60）F Ft t，速度速度F F单位：单位：mm/minmm/min，插补周期插补周期t t单位：单位：msms，L L单位单位:m md)d)各各坐标轴在一个采样插补周期的运动步长坐标轴在一个采样插补周期的运动步长x=x=L Lcoscos=Fcos=Fcost/60(t/60(m)m)y=y=L Lsinsin=Fsin=Fsint/60=t/60=L Lcoscos=Fcos=Fcost/60(t/60(m)m)VSVSYYOOXXXXYYA(X0,Y0)ABB(Xe,Ye)A(X0,Y0)B(Xe,Ye)ABLLXLY4.3.3 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）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）J JI IX XY YO OA AO OE EA Ai-1i-1A Ai iC C(I IO O,J,JO O)X Xi iY Yi ii iI Ii-1i-1J Ji-1i-1R R4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS2.2.进给速度控制进给速度控制 常用的常用的控制控制方法方法：计时法法 用于脉冲增量插补。用于脉冲增量插补。时钟中断法中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达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。到速度控制的目的。积分法分法 4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS3.3.数据采样原理数据采样原理CNCCNC装置的加、减速控制装置的加、减速控制 加减速控制目的：加减速控制目的：保保证机床在启机床在启动或停止或停止时不不产生冲生冲击、失步、超程或振失步、超程或振荡 方法：方法：插补前加减速控制插补前加减速控制 插补后加减速控制插补后加减速控制 瞬时速度与稳定速度瞬时速度与稳定速度 V V=THK/THK/(60(60 1000)1000)加减速曲线加减速曲线 指数加减速指数加减速 线性加减速线性加减速 钟形加减速钟形加减速 S S曲线加减速曲线加减速4.3.3 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。4.3.4 插补计算 VS主要算一个插补周期的X，Y，以直线为例：1）L%=L*倍率 （L%倍率后的每周期公式进给量）2）L1新=L1旧+L%（L1新上次插补点与程序段起点之间距离；L1旧本次插补点与程序段起点之间距离）3）X3新=L1新cos（X轴投影）y3新=L1新cos4）x2=X3新-X3旧（本次插补周期的输出位置增量值）。y2=y3新-y3旧本次插补点本次插补点（x3旧旧，y3旧旧）x2x2y2y2上次插补点上次插补点4.3.5 位置控制 VSVS任务：任务：任务：任务：1 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）每个位置反馈采样周期，将插补给定与反馈值进行比较，用 差值去控制电机差值去控制电机2 2）增量调整）增量调整3 3）螺距补偿，间隙补偿）螺距补偿，间隙补偿插补插补速度单元速度单元位控位控电机电机速检速检位检位检4.3.6 故障诊断 VSVS 方法 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、CRT 5）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。4.3.6 故障诊断 远程诊断技术VSVS状状态态检检测测服服务务器器机机床床机机床床机机床床Internet异地专家异地专家诊诊断断中中心心Web服服务务器器CNC系统的控制软件及其工作过程 实例（数据转换流程）X XA1A1Y YA1A1F FA1A1译码译码译码译码XB0XB0YB0YB0XB1XB1YB1YB1XBAXBAYBAYBALXLXLYLYL LcoscoscoscosLLL%L%L1L1X3X3Y3Y3X2X2Y2Y2G01XeYeF刀具刀具刀具刀具补偿补偿补偿补偿速度速度速度速度处理处理处理处理插补插补插补插补控制控制控制控制位置位置位置位置电机电机电机电机X2X2Y2Y2X1X1Y1Y1X3X3Y3Y3反馈反馈反馈反馈X1X1Y1Y14.5 CNC装置的接口电路 4.5.1 概述 VSVS CNCCNC装置与下列设备进行数据传送和信息通讯：装置与下列设备进行数据传送和信息通讯：1.1.数据输入输出设备数据输入输出设备 2.2.外部机床控制面板外部机床控制面板 3.3.通用的手摇脉冲发生器通用的手摇脉冲发生器 4.4.进给驱动线路和主轴驱动线路进给驱动线路和主轴驱动线路 RS-232CRS-232C接口接口 工工业局部网局部网络通通讯接口接口 通通讯协议 4.5.2 键盘输入及接口VSVS 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有部件。4.5.3 显示器及接口VSVS4.5.4 机床开关量及接口1.1.数控机床上的接口规范数控机床上的接口规范 数控机床数控机床“接口接口”：是指数控系统与机床电气控制设备（由继是指数控系统与机床电气控制设备（由继电器、接触器组成的强电）之间的电气连接部分。电器、接触器组成的强电）之间的电气连接部分。第类与驱动命令有关的连接电路传送的信息是数控系统与伺服驱动单元（即速度控制环）、伺服电机、位置检测和速度检测之间的控制信息及反馈信息，属于数字控制及伺服控制 第类 数控系统与检测系统和测量传感器间的连接电路 第类电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。第类通断信号和代码信号连接电路是数控系统与外部传送的输入输出控制信号 大多通过PLC传送 4.5.4 机床开关量及接口2.2.数控机床上的输入、输出接口电器数控机床上的输入、输出接口电器 输入输入/输出信号的种类：输出信号的种类：1.1.直流数字输入直流数字输入/输出信号输出信号 2.2.直流模拟输入直流模拟输入/输出信号输出信号:用于进给坐标轴和主轴的用于进给坐标轴和主轴的伺服控制（或其它接收、发送模拟信号的设备）伺服控制（或其它接收、发送模拟信号的设备）3.3.交流输入交流输入/输出信号直流模拟信号：用于直接控制输出信号直流模拟信号：用于直接控制功率执行器件。功率执行器件。4.5.5 串行通讯及接口n通讯通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行方式串行方式或并行方式并行方式。w通讯规则（通讯规则（procedureprocedure）或通讯协议（或通讯协议（protocolprotocol）异步协议和同步协议异步协议和同步协议 w异步串行接口标准：异步串行接口标准：RS-232C/20mARS-232C/20mA电流环和电流环和RS-422/RS-449RS-422/RS-449 4.5.6 网络通讯及接口MAPMAPMAPMAP（Manufacturing Automation ProtocolManufacturing Automation ProtocolManufacturing Automation ProtocolManufacturing Automation Protocol）：）：）：）：制制造造自自动动化化协协议议。是是美美国国GMGM公公司司发发起起研研究究和和开开发发的的应应用用于工厂车间环境的通用网络通讯标准。于工厂车间环境的通用网络通讯标准。特点：特点：1 1）网络为总线结构，采用适于工业环境的令牌通行网络访问方式。）网络为总线结构，采用适于工业环境的令牌通行网络访问方式。2 2）采用了适应工业环境的技术措施，提高了可靠性）采用了适应工业环境的技术措施，提高了可靠性 3 3）具有较完善的明确而针对性强的高层协议，以支持工业应用。）具有较完善的明确而针对性强的高层协议，以支持工业应用。4 4）具有较完善的体系和互连技术，使网络易于配置和扩展。低层）具有较完善的体系和互连技术，使网络易于配置和扩展。低层 可配最小可配最小MAPMAP（只配数据链路层、物理层和应用层），高层次只配数据链路层、物理层和应用层），高层次 应用可配备完整的应用可配备完整的MAPMAP（包括包括7 7层协议）。层协议）。5 5）针对）针对CIMCIM需要开发的。需要开发的。现场总线现场总线现场总线现场总线:计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统（DCS）的基础上发展起来的。的基础上发展起来的。课外作业 P.250 2、3、4、9