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第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置(CNC)CNC)内容提要内容提要 本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。*1第四章 计算机数控装置 在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节第一节 概概 述述*2第四章 计算机数控装置 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量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。一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*3第四章 计算机数控装置 CNCCNC系统硬件的层次结构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。图图3-1 3-1 CNCCNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*4第四章 计算机数控装置 CNCCNC系统软件的功能结构系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示。一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*5第四章 计算机数控装置操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*6第四章 计算机数控装置.CNCCNC硬件软件的作用和相互关系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，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图3-3所示。一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*7第四章 计算机数控装置 图3-3 CNC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 .一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*8第四章 计算机数控装置n 该平台有以下两方面的含义：q提供CNC系统基本配置的必备功能；q在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。一.CNCCNC装置的组成装置的组成第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*9第四章 计算机数控装置1.1.具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性qCNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。qCNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。二.CNCCNC装置的优点装置的优点第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*10第四章 计算机数控装置2.2.数控功能丰富数控功能丰富q插补功能：插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补q补补偿偿功功能能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等q人人机机对对话话功功能能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口q编编程程功功能能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。二.CNCCNC装置的优点装置的优点第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*11第四章 计算机数控装置3.3.可靠性高可靠性高qCNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。q许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。q丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。二.CNCCNC装置的优点装置的优点第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*12第四章 计算机数控装置4.4.使用维护方便使用维护方便q操操作作使使用用方方便便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。q编编程程方方便便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。q维维护护维维修修方方便便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。二.CNCCNC装置的优点装置的优点第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*13第四章 计算机数控装置5.5.易于实现机电一体化易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。二.CNCCNC装置的优点装置的优点第第一一节节 概概 述述*14第四章 计算机数控装置 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。n基本功能基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能；n选择功能选择功能用户可根据实际要求选择的功能。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第一一节节 概概 述述*15第四章 计算机数控装置1.1.控制功能控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。nCNC的进给轴分类：n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；n 基本轴和附加轴（U、V、W）。n联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编 程也越困难。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第一一节节 概概 述述*16第四章 计算机数控装置 准备功能（准备功能（G G功能）功能）指令机床动作方式的功能。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第一一节节 概概 述述*17第四章 计算机数控装置 插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能 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。固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、镗孔、深孔钻 削和切螺纹等）的功能三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第一一节节 概概 述述*18第四章 计算机数控装置 进给功能进给功能 进给速度的控制功能。q进进给给速速度度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。q同同步步进进给给速速度度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r。q进进给给倍倍率率（进进给给修修调调率率）人工实时修调预先给定的进给速度。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*19第四章 计算机数控装置 主轴功能主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。q主主轴轴转转速速主轴转速的控制功能，单位为r/min。q恒恒线线速速度度控控制制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*20第四章 计算机数控装置q主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。qC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。q主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第一一节节 概概 述述*21第四章 计算机数控装置 辅助功能（辅助功能（M M功能）功能）用于指令机床辅助操作的功能。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能*22第四章 计算机数控装置 刀具管理功能刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。q刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；q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；qCNC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。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能*23第四章 计算机数控装置 补偿功能补偿功能q刀刀具具半半径径和和长长度度补补偿偿功功能能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。q传传动动链链误误差差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。q非非线线性性误误差差补补偿偿功功能能：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。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能*24第四章 计算机数控装置 人机对话功能人机对话功能在CNC装置中这类功能有：q菜单结构操作界面；q零件加工程序的编辑环境；q系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能第第第第一一一一节节节节 概概概概 述述述述*25第四章 计算机数控装置 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。q开机自诊断；q在线自诊断*；q离线自诊断；q远程通讯诊断*。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能*26第四章 计算机数控装置 通讯功能通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能qRS232C接口，可传送零件加工程序，qDNC接口，可实现直接数控，qMAP(制造自动化协议)模块，q网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。三.三.CNCCNC装置的功能装置的功能*27第四章 计算机数控装置第二节第二节 CNCCNC装置的硬件体系结构装置的硬件体系结构一、概述一、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类:*28第四章 计算机数控装置q单单机机系系统统: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。q主主从从结结构构，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。一、概述一、概述硬硬件件体体系系结结构构*29第四章 计算机数控装置q多多机机系系统统:CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：n多主结构多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。n分布式结构分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。一、概述一、概述*30第四章 计算机数控装置CNC装置是按模块化设计的方法构造的l模模块块化化设设计计方方法法：将控制系统按功能划分成若干种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。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*31第四章 计算机数控装置l实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。l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。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*32第四章 计算机数控装置I/O设备计算机主板显 示 卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统 二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*33第四章 计算机数控装置1.计算机主板和系统总线计算机主板和系统总线(母板母板)计算机主板是CNC装置的核心。q 功能结构：nCPU及其外围芯片；n内存单元、cache及其外围芯片；n通讯接口(串口，并口，键盘接口)。n软、硬驱动器接口二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*34第四章 计算机数控装置q计算机主板的主要作用计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*35第四章 计算机数控装置q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：n数据总线n地址总线：n控制总线：q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。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*36第四章 计算机数控装置 显示模块显示模块(显示卡显示卡)q显显示示卡卡的的主主要要作作用用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*37第四章 计算机数控装置q在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机它是人机交流的重要媒介交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。q显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*38第四章 计算机数控装置 输入输入/出模块出模块(多功能卡多功能卡)q它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即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。q该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍硬硬硬硬件件件件体体体体系系系系结结结结构构构构*39第四章 计算机数控装置 以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*40第四章 计算机数控装置 电子盘电子盘(存储模块存储模块)q电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：n系统软件、系统固有数据；n系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；n用户的零件加工程序。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*41第四章 计算机数控装置q计算机领域所用存储器件有三类：n磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。n光存储器件，如：光盘（只读）。n电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*42第四章 计算机数控装置q电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类n只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）n易失性随机读写存储元件（RAM）。n非易失性读写存储元件。这类器件有：n E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*43第四章 计算机数控装置q在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。q因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘电子盘。q电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*44第四章 计算机数控装置 PLC(Programmable Logic Controller)PLC(Programmable Logic Controller)模块模块qPLCPLC模块模块：CNC装置实现顺序控制的模块。qPLCPLC模模块块的的作作用用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。qCNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号、模拟信号、脉冲信号。二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*45第四章 计算机数控装置上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与扰的原因，一般不能直接与CNCCNC装置相联，装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。需要一个接口对这些信号进行变换处理。二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*46第四章 计算机数控装置q PLCPLC模块变换处理其目的模块变换处理其目的：n满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面：电平转换；A/D、D/A转换；数字量与脉冲量相互转换；功率匹配；n阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*47第四章 计算机数控装置qPMC模块实现方式有以几种：n简单I/O接口板：系 统 总 线数 字 接 口光电隔离器件A/DD/A转换调理电路功率放大传 感 元 件功 率 放 大光电隔离器件计 数 器计数脉冲滤波、倍频整形PMC模块硬件逻辑框图开关量转换脉冲量转换模拟量转换*48第四章 计算机数控装置PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。电 源 模 块通信功能人 机 接 口编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数 据 存 储信号处理功能操作者应用程序设计人员机器/过程PLC系统的基本结构外部供电外部设备*49第四章 计算机数控装置qCNC机床用的PLC一般分为两类：内装型内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。独立型独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*50第四章 计算机数控装置 位置控制模块位置控制模块q位位置置控控制制模模块块是是进进给给伺伺服服系系统统的的重重要要组组成成部部分分，是是实实现现轨轨迹迹控控制制时时，CNCCNC装装置置与与伺伺服服驱驱动动系系统统连连接接的的接接口口模块。模块。q常用的位置控制模块有：常用的位置控制模块有：n开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；n闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*51第四章 计算机数控装置 功能接口模块功能接口模块q 实现用户特定功能要求的接口板，q 实例：n仿形控制器接口；n激光加工焦点自动跟踪器接口；n刀具监控系统中的信号采集器接口板。二二二二.单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍单机或主从结构模块的功能介绍*52第四章 计算机数控装置 华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。三三三三.华中华中华中华中型数控系统型数控系统型数控系统型数控系统(硬件硬件硬件硬件)简介简介简介简介*53第四章 计算机数控装置1.1.采用模拟式交流采用模拟式交流/直流伺服单元直流伺服单元ALL-IN-ONE CPU卡显 示 卡位置控制板n位置控制板1电 子 盘速度控制单元1速度控制单元n无 源 母 板（系 统 总 线 BUS)标准PC计算机CNC装置光隔I/O板机床开关量I/O按钮站、状态灯NC键盘CNC系统多功能板主轴控制模板主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡COM2串口华中型数控系统硬件结构图三三三三.华中华中华中华中型数控系统型数控系统型数控系统型数控系统(硬件硬件硬件硬件)简介简介简介简介*54第四章 计算机数控装置2.2.采用数字式交流伺服单元采用数字式交流伺服单元ALL-IN-ONE CPU卡显 示 卡电 子 盘数字交流伺服单元1数字交流伺服单元4无 源 母 板（系 统 总 线 BUS)标准PC计算机CNC装置光隔I/O板机床开关量I/O按钮站、状态灯NC键盘CNC系统多功能板主轴控制模快主轴编码器手摇脉冲发生器定制功能接口网络卡COM2串口华中型数控系统硬件结构图四串口通信板三三三三.华中华中华中华中型数控系统型数控系统型数控系统型数控系统(硬件硬件硬件硬件)简介简介简介简介*55第四章 计算机数控装置3.3.教学型教学型(经济型经济型)数控系统数控系统打印机接口计算机主板显 示 卡多功能板步进电机单元1步进电机单元8系 统 总 线 （BUS)标准PC计算机机床开关量I/O操作面板主轴编码器手摇脉冲发生器控制面板定制功能接口网络卡多功能NC接口板光隔I/O接口软/硬盘驱动器控制柜华中型教学数控系统硬件结构图三三三三.华中华中华中华中型数控系统型数控系统型数控系统型数控系统(硬件硬件硬件硬件)简介简介简介简介*56第四章 计算机数控装置 多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，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。四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介*57第四章 计算机数控装置1.1.多主结构的特点：多主结构的特点：q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。q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2.2.多主结构的结构形式多主结构的结构形式：q共享总线结构型q共享存储器结构型。四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介*58第四章 计算机数控装置3.3.共享总线结构：共享总线结构：FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介第第第第二二二二节节节节 C C C CN N N NC C C C装装装装置置置置的的的的硬硬硬硬件件件件体体体体系系系系结结结结构构构构*59第四章 计算机数控装置q 结构特征：结构特征：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)，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，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。四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介第第第第二二二二节节节节 C C C CN N N NC C C C装装装装置置置置的的的的硬硬硬硬件件件件体体体体系系系系结结结结构构构构*60第四章 计算机数控装置q 共享总线结构的优点共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高q 共享总线结构的缺点共享总线结构的缺点总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介第第第第二二二二节节节节 C C C CN N N NC C C C装装装装置置置置的的的的硬硬硬硬件件件件体体体体系系系系结结结结构构构构*61第四章 计算机数控装置4.4.共享存储器结构共享存储器结构显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并 行 接 口反馈脉冲和处理EPROMEPROMRAM/EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器XYZCW共享存储器结构CNC系统硬件结构四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介*62第四章 计算机数控装置q 结构特征：结构特征：面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，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，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（双端口所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAMRAM）。）。四四四四.多主结构的多主结构的多主结构的多主结构的CNCCNCCNCCNC系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介系统硬件简介第第第第二二二二节节节节 C C C CN N N NC C C C装装装装置置置置的的的的硬硬硬硬件件件件体体体体系系系系结结结结构构构构*63第四章 计算机数控装置 第三节第三节 CNCCNC系统软件结构系统软件结构 CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统。本节将首先介绍系统软硬件界面的关系，然后从系统内数据流的角度来分析CNC装置的数据转换过程，并从多任务性和实时性的角度来分析CNC系统软件的结构特点，最后介绍一个典型CNC装置系统软件的结构。第第第第三三三三章章章章 计计计计算算算算机机机机数数数数控控控控装装装装置置置置*64第四章 计算机数控装置1.软件与硬件在实现各种功能的特点和关系q关关系系：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。q特点特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。一、一、一、一、CNCCNCCNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面 第第三三节节 C CN NC C系系统统软软件件结结构构*65第四章 计算机数控装置3.软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功能界面划分。4.功能界面划分的准则：系统的性能价格比一、一、一、一、CNCCNCCNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面*66第四章 计算机数控装置5.数控系统功能界面的几种划分：输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面 一、一、一、一、CNCCNCCNCCNC装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面*67第四章 计算机数控装置 CNC装置系统软件的主要任务：如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程*68第四章 计算机数控装置加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图 二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程*69第四章 计算机数控装置 译码译码(解释解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程*70第四章 计算机数控装置 数据结构示例：数据结构示例：StructStruct PROG_BUFFER PROG_BUFFER char buf_state；/缓冲区状态，0 空；1 准备好。int block_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。double COOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。int F,S；/F（mm/min）S（r/min）。char G0；/以标志形式存放G指令。char G1；char M0；/以标志形式存放M指令。char M1；char T；/存放本段换刀的刀具号。char D；/存放刀具补偿的刀具半径值。；二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第三三节节 C CN NC C系系统统软软件件结结构构*71第四章 计算机数控装置以标志形式存放G指令示例 二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*72第四章 计算机数控装置在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，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。二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程*73第四章 计算机数控装置 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200；-StructStruct PROG_BUFFER PROG_BUFFER char buf_state；0 0：(开始开始)；1 1（；）（；）int block_num；0606（N06N06）double COOR20；COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200）COOR2=300000 COOR2=300000；（；（Y300Y300）int F,S；F=200F=200；（；（F200F200）char G0；D5=0D5=0；（；（G90G90）D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41）D1=1D1=1；（；（G01G01）char D；D=11D=11（D11D11）；二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第三三节节 C CN NC C系系统统软软件件结结构构*74第四章 计算机数控装置 刀补处理的主要工作：n根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。n根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。n根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。2.刀补处理刀补处理(计算刀具计算刀具中心轨迹中心轨迹)二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*75第四章 计算机数控装置 速度预处理速度预处理 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第三三节节 C CN NC C系系统统软软件件结结构构*76第四章 计算机数控装置 速度处理程序主要完成以下几步计算：q 计算本段总位移量：直线直线：合成位移量L L；园弧园弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。q计算每个插补周期内的合成进给量：L=F*t/60 （m）式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）L二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第三节 CNC系统软件结构*77第四章 计算机数控装置 插补计算插补计算 主要功能：q根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值q将L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（X1、Y1）。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t定时运行。二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第三三节节 C CN NC C系系统统软软件件结结构构*78第四章 计算机数控装置 位置控制处理位置控制处理f（）+-+插补输出X1Y1指令位置X1新Y1新跟随误差X3Y3实际位置X2新Y2新反馈位置增量X2、Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*79第四章 计算机数控装置 位置控制完成以下几步计算：q计算新的位置指令坐标值：X1新=X1旧+X1；Y1新=Y1旧+Y1；q计算新的位置实际坐标值：X2新=X2旧+X2；Y2新=Y2旧+Y2q计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)：X3=X1新-X2新；Y3=Y1新-Y2新；q计算速度指令值：VX=f（X3）；VY=f（Y3）二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*80第四章 计算机数控装置 f()是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制二、二、二、二、CNCCNCCNCCNC装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*81第四章 计算机数控装置 CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。由于其应用领域是工业控制领域（多任务性、实时性），因此，分析和了解这些要求是至关重要的，因为它既是系统设计和将来软件测试的重要依据，也是确定系统功能和性能指标的过程。同时，这些要求也应是CNC系统软件的特点。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*82第四章 计算机数控装置1.多任务性与并行处理技术n CNC控制要求的多任务性 任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。可并发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、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为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合时序配合要求，要求，CNCCNC系统系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*83第四章 计算机数控装置q 基于并行处理的多任务调度技术n 并行处理定义：系系统统在在同同一一时时间间间间隔隔或或同同一一时时刻刻内内完完成成两两个个或或两两个个以以上上任任务务处理的方法。处理的方法。n 采用并行处理技术的目的：合理使用和调配合理使用和调配CNCCNC系统的资源系统的资源 提高提高CNCCNC系统的处理速度。系统的处理速度。并行处理的实现方式：资源分时共享资源分时共享 并发处理（例如：流水处理）并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*84第四章 计算机数控装置q 资源分时共享（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。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*85第四章 计算机数控装置译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图 三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*86第四章 计算机数控装置各任务占用CPUCPU 时间示意图 三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*87第四章 计算机数控装置 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。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*88第四章 计算机数控装置q 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，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*89第四章 计算机数控装置 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。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*90第四章 计算机数控装置流水处理技术示意图 时间t+tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处理1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU1三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*91第四章 计算机数控装置 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。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*92第四章 计算机数控装置 实时性和优先抢占调度机制q 实时性任务的定义和分类n实时性定义实时性定义:任任务务的的执执行行有有严严格格时时间间要要求求（任任务务必必须须规规定定时时间间内内完完成成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。n实时性任务分类实时性任务分类:强实时性任务强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务弱实时性任务三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*93第四章 计算机数控装置q 强实时性任务实时突发性任务：实时突发性任务：任任务务的的发发生生具具有有随随机机性性和和突突发发性性，是是一一种种异异步步中中断断事事件件。主主要要包包括括故故障障中中断断(急急停停，机机械械限限位位、硬硬件件故故障障等等)、机机床床PLCPLC中中断断、硬硬件件（按键）操作中断（按键）操作中断等。等。实时周期性任务：实时周期性任务：任任务务是是精精确确地地按按一一定定时时间间间间隔隔发发生生的的。主主要要包包括括插插补补运运算算、位位置置控控制制等等任任务务。为为保保证证加加工工精精度度和和加加工工过过程程的的连连续续性性，这这类类任任务务处处理理的的实实时时性性是是关关键键。在在任任务务的的执执行行过过程程中中，除除系系统统故故障障外外，不不允允许被其它任何任务中断。许被其它任何任务中断。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*94第四章 计算机数控装置q 弱实时性任务 这这类类任任务务的的实实时时性性要要求求相相对对较较弱弱，只只需需要要保保证证在在某某一一段段时时间间内内得得以以运运行行即即可可。在在系系统统设设计计时时，它它们们或或被被安安排排在在背背景景程程序序中中，或或根根据据重重要要性性将将其其设设置置成成不不同同的的优优先先级级（级级别别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这这类类任任务务主主要要包包括括：CRTCRT显显示示、零零件件程程序序的的编编辑辑、加加工工状状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。等。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*95第四章 计算机数控装置q 抢占式优先调度机制 多任务系统的任务调度方法：循环调度法n简单循环调度法n时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*96第四章 计算机数控装置q 抢占式优先调度机制功能抢占方式抢占方式：在在CPUCPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPUCPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求优先调度：优先调度：在在CPUCPU空空闲闲时时，当当同同时时有有多多个个任任务务请请求求执执行行时时，优优先先级级高高的的任任务务将优先得到满足。将优先得到满足。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*97第四章 计算机数控装置q 抢占式优先调度机制的实现方式硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片（8259或功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。三三.CNCCNCCNCCNC装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点装置的软件系统特点 第第第第三三三三节节节节 C C C CN N N NC C C C系系系系统统统统软软软软件件件件结结结结构构构构*98第四章 计算机数控装置