数控机床装置课件

数控装置数控装置数控装置数控装置(CNC unit)(CNC unit)根据输入的零件程序和操作根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入轨迹处理、机床输入/输出处理输出处理等），然后输出控制命令到相等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱应的执行部件（伺服单元、驱动装置和动装置和PLC等），从而加工等），从而加工出需要的零件。出需要的零件。目前，数控装置采用的是数字目前，数控装置采用的是数字计算机，包括硬件和软件。计算机，包括硬件和软件。数控装置的组成及作用数控装置的组成及作用*组成 数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。数控装置由输入接口、控制器、运算器、存储器和输出接口等五大部分组成*数控装置的作用及功能 数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。数控装置各部分介绍数控装置各部分介绍:1 CPU;（包括（包括BUS）CPU:由运算器、控制器、内部寄存器构成由运算器、控制器、内部寄存器构成 衡量衡量CPU的两个因素的两个因素:1）位数位数 2）速度）速度 作用作用:对系统内部工件及操作进行统一控制对系统内部工件及操作进行统一控制,按照程序按照程序 中指令的要求进行各种运算中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机整体使系统成为一个有机整体.BUS:总线总线,信息公共通路的总称信息公共通路的总称 物理导线分为物理导线分为:地址总线地址总线(DB)数据总线数据总线(AB)控制总线控制总线(CB)2 数控装置中的存储器数控装置中的存储器:作用作用:存放系统软件存放系统软件,零件程序参数等零件程序参数等 存储运算的中间结果存储运算的中间结果 分类分类:如下图如下图RAM(随机存储器随机存储器)既可读入也可写出既可读入也可写出,用来存放用来存放 程序程序 参数参数 中间结果中间结果均应保持。均应保持。ROM:只读存储器，只读存储器，存放系统软件存放系统软件又分为又分为:EPROM、E2 ROM、闪存。、闪存。数控装置中的存储器数控装置中的存储器 数控装置中的数控装置中的I/OI/O接口接口系统的系统的I/O接口：接口：系统的接口常采用串行接口系统的接口常采用串行接口,其其 定义定义:通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传 输是在单根线上完成的输是在单根线上完成的.每次以一个二进制每次以一个二进制“0”“1”为最小单位进行传输为最小单位进行传输.优点优点:价格便宜价格便宜,简化通讯设备简化通讯设备,可通过电话线进行长距离可通过电话线进行长距离 传输传输缺点缺点:传输速度慢传输速度慢.协议协议:为保证数据传输正确为保证数据传输正确,通讯双方遵循某种约定的规通讯双方遵循某种约定的规 程程(异步通讯规程异步通讯规程)以一帧作为一个数据传输单位以一帧作为一个数据传输单位功能功能:外设不能直接与存储器进行通讯外设不能直接与存储器进行通讯,需要通需要通过过CPUCPU对对I/OI/O接口的读写操作来完成外设与存储接口的读写操作来完成外设与存储 器之间的信息交换器之间的信息交换 每一帧包含每一帧包含:起始位起始位,数据位数据位,奇偶校验停止位奇偶校验停止位 格式如下格式如下:信号无传输信号无传输:表明线路上无数据传输表明线路上无数据传输 起使传输起使传输:发送方任意时刻将线路上的逻辑发送方任意时刻将线路上的逻辑1状态拉至状态拉至0,发出发出 一个空号一个空号.表明线路上发送方要传输数据表明线路上发送方要传输数据,将接受将接受 方受到空信号开始准备与发送方同步方受到空信号开始准备与发送方同步,并希望收到并希望收到 随后的数据随后的数据.数据传输数据传输:表示一个字符或一个代码等表示一个字符或一个代码等 奇偶校验奇偶校验:保证每一帧传输的正确性保证每一帧传输的正确性 停止位停止位:可选择可选择1,1.5,2,保证每帧传输时间相等及同步保证每帧传输时间相等及同步 波特率波特率:每秒传输的二进制位数每秒传输的二进制位数:300,600,1200,2400,4800,9600系统的系统的I/OI/O串行接口主要格式内容串行接口主要格式内容数控装置在数控机床中的位置数控装置在数控机床中的位置主轴伺服单元数 控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备早期的数控系统，它的输入、运算、插补、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路实现。不同的数控机床需要设计专门的逻辑电路，可靠性差，功能和灵活性差。小型机的采用，世界上第一台CNC系统于1970年问世，1974年美日等国便研究出了以微处理器为核心的数控系统，之后相继8位、16位、后16位、32位、64位CNC被应用。CNC具有体积小、结构紧凑、功能丰富、可靠性好等优点。数控装置的硬件结构数控装置的硬件结构在一块半导体芯片上集成了在一块半导体芯片上集成了CPU,CPU,存储器以及输入存储器以及输入/输出接口电路，输出接口电路，这样的芯片习惯上程为单片微型计算机（这样的芯片习惯上程为单片微型计算机（single chip single chip microcomputer,SCMmicrocomputer,SCM）单片机的典型结构如图：单片机的典型结构如图：系统时钟ROMCPU定时计数器串行I/O并行I/ORAMRESETINT电源 例：由单片机组成的数控装置典型的单片机应用系统如图：单单片片机机EPROMRAMI/O显示器键盘通用外部设备I/OI/O扩展A/D光电隔离光电隔离光电隔离D/A数字量检测模拟量检测开关量检测开关量控制伺服驱动控制数据存储器程序存储器基本系统基本系统I/O子系统子系统外部设备外部设备 单片机程序开发语言及支持软件，常用C,PL/M,Pascal,C语言编辑器有FRANKIN,ARCHIMEDES等，支持软件，8051、52系列intel公司的ASM-51,PL/M-51及连接定位程序。MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其典型系统有（广州数控产品）：图中图中 74LS0274LS02为：双极为：双极TTLTTL数字逻辑电路，数字逻辑电路，四四2 2输入或非门，输入或非门，Y=A+BY=A+B 2764 2764为为EPROM,EPROM,可擦写只读存储器可擦写只读存储器 GNDGND为信号地为信号地 RSTRST为复位，左面是复位电路为复位，左面是复位电路 DG1-DG6DG1-DG6为为LED LED 显示器显示器图图4-2 4-2 用用80C3180C31单片机组成的简单片机组成的简易数控装置的硬易数控装置的硬件系统图件系统图例：经济型数控系统例：经济型数控系统 CPU纸纸带带机机接口接口RS232接口接口CRT/MDI接口接口手手摇摇轮轮接口接口ROM接口接口RAM接口接口PLC接口接口位控位控单元单元位控位控单元单元位控位控单元单元主轴主轴单元单元D/AD/AD/AD/A速度速度单元单元速度速度单元单元速度速度单元单元速度速度单元单元MMMMMST功能功能单微处理机单微处理机CPU数控装置结构数控装置结构单单微微处处理理机机数数控控装装置置:是是以以一一个个CPUCPU（中中央央处处理理器器）为为核核心心，CPUCPU通通过过总总线线与与存存储储器器和和各各种种接接口口相相连连接接，采采取取集集中中控控制制、分分时时处处理理的的工工作作方方式式，完完成成数数控控加加工工各各个个任务。任务。单微处理机结构：单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。微处理器、存储器、总线、接口等。接接口口包包括括I/OI/O接接口口、串串行行接接口口、CRT/MDICRT/MDI接接口口、数数控控技技术术中中的的控控制制单单元元部部件件和和接接口口电路，如位置控制单元、可编程控制器（电路，如位置控制单元、可编程控制器（PCPC）、主轴控制单元、）、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。穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。1.1.微处理器和总线微处理器和总线 微处理器：运算、控制微处理器：运算、控制 总总线线：CPUCPU与与各各组组成成部部件件、接接口口等等之之间间的的信信息息公公共共传传输输线线，包包括括控控制制 、地地址址和和数据三总线。数据三总线。2.2.存储器存储器 只只读存存储器（器（ROMROM）和随机存）和随机存储器（器（RAMRAM）它们的用途：它们的用途：单微微处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结构构 只只读存存储器（器（ROMROM）：系统程序：系统程序 随随机机存存储储器器（RAMRAM）：运运算算的的中中间间结结果果、需需显显示示的的数数据据、运运行行中中的的状状态态、标志信息标志信息 CMOS RAMCMOS RAM或或磁泡存磁泡存储器器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.3.位置控制单元位置控制单元 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）（对主轴的控制一般只包括速度控制）C C轴位置控制：包括位置和速度控制轴位置控制：包括位置和速度控制 刀刀库位置控制位置控制（简易位置控制）（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、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。位置控制模板。单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置的硬件结构 单单CPUCPU系统的硬件结构系统的硬件结构单微处理机数控装置典型产品：单微处理机数控装置典型产品：右：右：FANUC150150i-i-M M系列系列下：华中世纪星下：华中世纪星图图4-4 数控装置的物理结构（数控装置的物理结构（FANUC-6MB）多CPU系统的硬件结构 多多CPUCPU结结构构CNCCNC系系统统是是指指在在CNCCNC系系统统中中有有两两个个或或两两个个以以上上的的CPUCPU能能控控制制系系统总线或主存储器进行工作的系统结构。统总线或主存储器进行工作的系统结构。现代的现代的CNCCNC系统大多采用多系统大多采用多CPUCPU结构。在这种结构中，每个结构。在这种结构中，每个CPUCPU完成系完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单CPUCPU结构提高了计算机的结构提高了计算机的处理速度。多处理速度。多CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPUCPU的的CNCCNC系统由于每个系统由于每个CPUCPU分分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。度、高精度的数控机床。多微多微处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结构构 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 多多CPU结构分类：结构分类：共存储器共存储器 以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使 用请求，使用完成要撤消，用请求，使用完成要撤消，释放存储器。释放存储器。共总线共总线 以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占 用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。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）4.2.3 4.2.3 多多CPUCPU数控装置数控装置图：共享总线式多CPU数控装置结构图多多CPU CNCCPU CNC系统的典型结构系统的典型结构1）共享总线结构 在这种结构的CNCCNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。其结构如图其结构如图3-43-4所示：所示：串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3总线优先权入总线优先权出总线忙入忙出入忙出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2 2）共享存储器结构）共享存储器结构 在在该该结结构构中中，采采用用多多端端口口存存贮贮器器来来实实现现各各CPUCPU之之间间的的互互连连和和通通信信，每每个个端端口口都都配配有有一一套套数数据据、地地址址、控控制制线线，以以供供端端口口访访问问。由由多多端端控控制制逻逻辑辑电电路解决访问冲突。如图路解决访问冲突。如图3-53-5所示。所示。当当CNCCNC系统功能复杂要求系统功能复杂要求CPUCPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。图图3-5共享存储器的多共享存储器的多CPU结构框图结构框图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RS232CXYZCW 共享存储器结构共享存储器结构 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 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输入输输入输出控制器；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双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 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2 2多多CPU CNCCPU CNC系统基本功能模块系统基本功能模块（1 1）管管理理模模块块 该该模模块块是是管管理理和和组组织织整整个个CNCCNC系系统统工工作作的的模模块块，主主要要功功能能包包括括：初初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2 2）插插补补模模块块 该该模模块块是是在在完完成成插插补补前前，进进行行零零件件程程序序的的译译码码、刀刀具具补补偿偿、坐坐标标位位移移量量计计算算、进进给给速速度度处处理理等等预预处处理理，然然后后进进行行插插补补计计算算，并并给给定定各各坐坐标标轴轴的的位位置置值。值。（3 3）位位置置控控制制模模块块 对对坐坐标标位位置置给给定定值值与与由由位位置置检检测测装装置置测测到到的的实实际际位位置置值值进进行行比比较较并并获获得得差差值值、进进行行自自动动加加减减速速、回回基基准准点点、对对伺伺服服系系统统滞滞后后量量的的监监视视和和漂漂移移补补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。（4 4）PLCPLC模模块块 零零件件程程序序的的开开关关量量（S S、M M、T T）和和机机床床面面板板来来的的信信号号在在这这个个模模块块中中进进行行逻逻辑辑处处理理，实实现现机机床床电电气气设设备备的的启启停停，刀刀具具交交换换，转转台台分分度度，工工件件数数量量和和运运转转时间的计数等。时间的计数等。（5 5）命命令令与与数数据据输输入入输输出出模模块块 指指零零件件程程序序、参参数数和和数数据据、各各种种操操作作指指令令的的输输入入输出，以及显示所需要的各种接口电路。输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6 6）存储器模块）存储器模块 是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。储器。VSVS2.2.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专用型结构和基于专用型结构和基于PCPC开放式数控装置结构开放式数控装置结构专专用用型型结结构构CNCCNC系系统统的的硬硬件件由由各各制制造造厂厂家家专专门门设设计计和和制制造造，其其布布局局合合理理，结结构构紧紧凑凑，专专用用性性强强，但但硬硬件件之之间间彼彼此此不不能能交交换换和和替替代代，没没有有通通用用性性。如如FANUCFANUC数数控控系系统统、SIEMENSSIEMENS数数控控系系统统、美美国国A AB B系系统统、法法国国NUMNUM系系统统及及我我国国的的一一些些数数控控系系统统生生产产厂厂家家生生产产的的数数控控系系统统都都属属于于专用型结构。专用型结构。个个人人计计算算机机式式结结构构的的CNCCNC系系统统是是以以工工业业PCPC机机作作为为CNCCNC装装置置的的支支撑撑平平台台，再再由由各各数数控控机机床床制制造造厂厂根根据据数数控控的的需需要要，插插入入自自己己的的控控制制卡卡和数控软件，来构成相应的和数控软件，来构成相应的CNC装置的。装置的。因因工工业业标标准准PCPC机机采采用用与与一一般般PCPC机机相相同同的的总总线线标标准准，所所以以个个人人计计算算机机式式结结构构的的CNCCNC系系统统综综合合了了一一般般PCPC机机和和工工业业标标准准PCPC机机的的特特点点，其其具具体反映在下述几个方面：体反映在下述几个方面：开放式数控装置的体系结构开放式数控装置的体系结构 VSVS一、开放式数控系统的产生一、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，打破当前的添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系统。数控系统。体系开放化体系开放化定义（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。进行互操作的系统。开放式数控系统特点：开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)(Standardization)与多样化与多样化(Diversification)Diversification)和互换性和互换性(Interchangeability)(Interchangeability)的特征的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式积木式”的集成构造，的集成构造，应该是可移植的和透明的；应该是可移植的和透明的；（1 1）与与一一般般PCPC机机完完全全兼兼容容，且且易易于于实实现现升升级级换换代代。近近几几年年来来，个个人人计计算算机机的的应应用用越越来来越越广广，其其丰丰富富的的软软件件资资源源和和大大量量的的硬硬件件资资源源给给人人们们提提供供了了一一个个极极为为优优越越的的开开发发环环境境。又又因因为为PCPC机机的的生生产产数数以以万万计计，其其生生产产成成本本很很低低，继继而而也也就就降降低低了了CNCCNC系系统统的的成成本本，修修理理及及更更换换都都很很方方便便。此此外外，与与其其他他类类型型的的工工控控机机相相比比，工工业业标标准准PC机机具具有有更更强强的的通通信信功功能能，各各类类PC机机均均有有网网络络适适配配器器，可可用用以以构构成成各各种局域网。种局域网。（2 2）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。工工业业标标准准PCPC机机采采用用无无源源总总线线底底板板和和结结构构坚坚实实的的工工业业标标准准机机箱箱，全全部部组组件件为为插插入入式式，带带紧紧固固装装置置，能能经经受受较较强强的的冲冲击击、振振动动和和电电磁磁干干扰扰。工工业业标标准准PCPC机机的的主主板板包包括括了了普普通通微微机机的的全全部部组组件件和和功功能能(CPU(CPU、高高速速缓缓冲冲器器CacheCache、系系统统内内存存、系系统统BIOSBIOS、RSRS232C232C接接口口、打打印印机机接接口口、键键盘盘接接口口、磁磁盘盘驱驱动动器器接接口口、时时钟钟和和扩扩展展总总线线等等)，并并采采用用表表面面封封装装技技术术制制造造，机机箱箱内内有有正正压压的的空空气气过过滤滤系系统统，具具有有抗抗潮潮湿湿和和腐腐蚀蚀性性气体的能力，它还采用了大功率抗干扰的开关电源。气体的能力，它还采用了大功率抗干扰的开关电源。由由于于个个人人计计算算机机式式结结构构的的CNCCNC系系统统有有诸诸多多优优点点，且且能能满满足足用用户户对对CNCCNC系系统统硬硬件件通通用用性性的的要要求求，因因此此有有不不少少数数控控厂厂家家都都开开发发了了个个人人计计算算机机式式结结构构的的CNCCNC系系统统，如如美美国的国的ANILANANILAN公司和公司和AIAI公司。公司。以工业以工业PC机为技术平台的数控系统结构框图机为技术平台的数控系统结构框图NCNC嵌入嵌入PCPC式结构式结构NCNC嵌嵌入入PCPC式式结结构构由由开开放放体体系系结结构构运运动动控控制制卡卡和和PCPC机机构构成成。这这种种运运动动控控制制卡卡通通常常选选用用高高速速DSPDSP作作为为CPUCPU，具具有有很很强强的的运运动动控控制制和和PLCPLC控控制制能能力力。它它本本身身就就是是一一个个数数控控系系统统，可可以以单单独独使使用用。它它开开放放的的函函数数库库能能提提供供用用户户在在WindowsWindows平平台台下下自自行行开开发发构构造造所所需需的的控控制制系系统统，因因此此这这种种结结构构被被广广泛泛应应用用于于制制造造业业自自动动化化控控制制的的各各个个领领域域。如如美美国国DeltaTauDeltaTau公公司司用用PMACPMAC多多轴轴运运动动控控制制卡卡构构造造的的PMACPMACNCNC和和日日本本MAZAKMAZAK公公司司用用三三菱菱电电动动机机的的MELDASMAGIC64MELDASMAGIC64构构造造的的MAZATROL640CNC等等都都是是这这种种结构的数控系统。结构的数控系统。软件型开放式结构软件型开放式结构软软件件型型开开放放式式结结构构的的数数控控系系统统是是一一种种最最新新开开放放体体系系结结构构的的数数控控系系统统。它它能能提提供供给给用用户户最最大大的的选选择择和和灵灵活活性性。它它的的CNCCNC软软件件全全部部装装在在计计算算机机中中，而而硬硬件件部部分分仅仅是是计计算算机机与与伺伺服服驱驱动动和和外外部部I IO O之之间间的的标标准准化化通通用用接接口口，就就像像计计算算机机中中可可以以安安装装各各种种品品牌牌的的声声卡卡、CDCDROMROM和和相相应应的的驱驱动动程程序序一一样样。用用户户可可以以在在WindowsNTWindowsNT平平台台上上，利利用用开开放放的的CNCCNC内内核核开开发发所所需需的的各各种种功功能能，以以构构成成各各种种类类型型的的高高性性能能数数控控系系统统。与与前前几几种种数数控控系系统统相相比比，软软件件型型开开放放式式结结构构的的数数控控系系统统具具有有最最高高的的性性能能价价格格比比，因因而而最最有有生生命命力力。其其典典型型产产品品有有美美国国MDSIMDSI公公司司的的OpenCNCOpenCNC和和德德国国PowerAutomation公司的公司的PA8000NT等。等。基于PC的数控装置（递阶式PC数控系统结构图）PCI/O软件化数控系统结构图典型典型基于PC的和网络型数控产品产品上：上：SIEMENS802D左：数控凸轮磨床左：数控凸轮磨床VSVS二、开放体系结构二、开放体系结构CNCCNC的优点的优点 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；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；率直接有关的劳动消耗；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择硬软向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，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，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；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，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。增强市场供应能力和竞争能力。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）网络化开放式数控装置的概念结构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构件库构件库数控软件数控软件译码刀补处理速度控制插补处理位置控制伺服驱动PLC控制位置反馈数控软件的数据转换流程 译码缓冲区译码缓冲区刀补缓冲区刀补缓冲区运行缓冲区运行缓冲区加工程序高4位低4位说明13G03 23M03 100 X值50 Y值0Z值0I值50 J值0K值100 F值图：不按字符格式的译码数据存放格式图：不按字符格式的译码数据存放格式 软件工作流程软件工作流程 1.译码 译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。（1）不按字符格式的存放方法 M03 G03 X100.Y50.I0 J50.F100.；（2）保留字符格式的存放方法 （略）2.刀补（软件工作流程）软件工作流程）刀补处理程序主要进行以下几项工作：1 计算本段零件轮廓的终点坐标值；2 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；3 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。3.速度预处理（软件工作流程）软件工作流程）速度预处理程序主要完成以下几步计算：1计算本程序段总位移量 2计算每个插补周期内的合成进给量 L=Ft/60（m）式中，F 进给速度值（mm/min）；t 数控系统的插补周期（ms）。V(t)VcOCBA恒速控制：恒速控制：F值恒定值恒定加减速控制：加减速控制：F值按照一定值按照一定规律变化规律变化4.插补处理（软件工作流程）软件工作流程）1 根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；2 计算新的坐标位置；3 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 指令位置+插补输出+x2，y2-位控输出x3，y3+X2新，Y2新实际位置增量x1，y1实际位置X1新，Y1新X2旧，Y2旧X1旧，Y1旧+-5.位置控制（软件工作流程软件工作流程）图：位置控制算法原理（1）计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+x2Y2新=Y2旧+y2（2）计算实际坐标位置X1新=X1旧+x1Y1新=Y1旧+y1（3）计算位置控制输出值x3=X2新-X1新y3=Y2新Y1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。数控装置数控装置管管理理控控制制输输入入I/O处处理理显显示示诊诊断断通通讯讯速速度度处处理理刀刀具具补补偿偿译译码码插插补补位位置置控控制制 数控软件的特点及关键技术1.1.多任务与并行处理技术多任务与并行处理技术（1）数控装置的多任务性图：数控装置的任务及分类框图这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如：（1）显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态；（2）在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必须同时进行。多任务并行处理的实现多任务并行处理的实现 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 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VSVS诊断诊断I/O处理处理输入输入插补准插补准备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1）多任务措施1：资源分时共享VSVS 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在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU；在在一一个个时时间间片片（如如8ms8ms或或16ms16ms）内内，CPUCPU并并行行地地执执行行了两个或两个以上的任务。了两个或两个以上的任务。因因此此，资资源源分分时时共共享享的的并并行行处处理理只只具具有有宏宏观观上上的的意意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。位置控制 插补运算 背景程序图：各任务占用CPU时间示意图0ms4ms8ms12ms16msVSVS 多任务处理措施多任务处理措施2 2：并行处理和流水处理并行处理和流水处理 在多在多CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采系统中，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：用以下两种并行处理技术：若若任任务务间间的的关关联联程程度度不不高高，则则可可让让其其分分别别在在不不同同的的CPUCPU上上同同时时执行执行 并发处理；并发处理；若若任任务务间间的的关关联联程程度度较较高高，即即一一个个任任务务的的输输出出是是另另一一个个任任务务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。流水处理技术示意图流水处理技术示意图并行处理并行处理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CPU1CPU2CPU3时间重叠流水处理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（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），将一个大的任务分成），将一个大的任务分成若干个子任务若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是，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。在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。并行处理和流水处理的特征并行处理和流水处理的特征并行处理和流水处理的特征并行处理和流水处理的特征在在任任何何时时刻刻（流流水水处处理理除除开开始始和和结结束束外外）均均有有两两个个或或两两个个以以上上的任务在并发执行。的任务在并发执行。并并发发处处理理和和流流水水处处理理的的关关键键是是时时间间重重叠叠，是是以以资资源源重重复复的的代代价价换换得得时时间间上上的的重重叠叠，或或者者说说以以空空间间复复杂杂性性的的代代价价换换得得时时间间上上的的快速性。快速性。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。CNCCNC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故障处理；故障处理；位置控制；位置控制；插补运算；插补运算；译码；译码；刀补；刀补；速度处理；速度处理；输入输入/输出；输出；显示。显示。循环执行循环执行后台程序后台程序前台程序前台程序中断执行中断执行数控软件的基本结构数控软件的基本结构1.1.前后台型结构模式前后台型结构模式图：前后台程序的运行关系故障处理；故障处理；位置控制；位置控制；插补运算；插补运算；译码；译码；刀补；刀补；速度处理；速度处理；输入输入/输出；输出；显示。显示。故障处理；故障处理；位置控制；位置控制；插补运算；插补运算；译码；译码；刀补；刀补；速度处理；速度处理；输入输入/输出；输出；显示。显示。初始化中断管理系统（硬件+软件）0级 中断服务程序1级 中断服务程序2级 中断服务程序N级 中断服务程序2.2.中断型结构模式中断型结构模式中断型结构的数控软件系统中断型结构的数控软件系统3.基于实时操作系统的结构模式。(略）4.4.1接口的分类与任务1.接口的分类*接口标准化;数控系统开放化的要求2.接口的任务(1)进行电平和功率放大。(2)将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。(3)数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。(4)消除畸变。数控装置的输入数控装置的输入/输出接口输出接口主轴驱动电机数控装置接口分类 电机速度控制进给主轴驱动机床坐标轴进给电机操作面板限位开关机电器件（电磁铁，离合器等）辅助功能（齿轮箱，转台，换刀装置等）辅助电机机床控制设备控制装置电源控制（变压器，保护装置等）速度Vx，Vy，Vz电源位置测量传感器激励位置指示电源连锁停止命令开/关指令信号数控装置常用接口数控装置常用接口1.直流模拟信号接口模数转换器模数转换器ADC0809ADC0809温度检测电路温度检测电路斯密特触发器2.直流数字信号接口a)斯密特触发电路b)RS触发器整形电路图4-20消除触点抖动的电路CNC电平转换电路图：电压输入的接收电路a)继电器输出b)无触点输出CNCCNC+24VCNC输出输出输出接口电路输出接口电路数控装置的通信接口数控装置的通信接口4.6基于基于PC的数控系统开发实例的数控系统开发实例4.6.1系统要求4.6.2硬件系统设计图4-32凸轮磨床数控系统硬件简图4.6.3软件系统软件系统图4-32凸轮磨床数控系统软件结构简图4.6.4 4.6.4 用户界面设计用户界面设计THE ENDTHE END谢谢各位谢谢各位