数控系统(CNC系统)

参考资料：

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一、ＣＮＣ系统的基本构成

ＣＮＣ系统是一种用计算机执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功

能的数字控制

系统。由于采用了计算机，使许多过去难以实现的功能可以通过软件来实现，大大提高了ＣＮＣ

系统的性能和可靠性。ＣＮＣ系统的控制过程是根据输入的信息，进行数据处理、插补运算，获得

理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。ＣＮＣ系统由硬件和软件组

成，软件和硬件各有不同的特点。软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢；硬件处理速度快，但

成本高。ＣＮＣ的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分的数控功能。

二、ＣＮＣ系统的硬件结构

ＣＮＣ系统的硬件结构可分为单微处理器结构和多微处理器结构两大类。早期的ＣＮＣ系统

和现有的一些经济型ＣＮＣ系统采用单微处理器结构。随着ＣＮＣ系统功能的增加，机床切削速

度的提高，单微处理器结构已不能满足要求，因此许多ＣＮＣ系统采用了多微处理器结构，以适应

机床向高精度、高速度和智能化方向的发展，以及适应计算机网络化及形成ＦＭＳ和ＣＩＭＳ的更

高要求，使ＣＮＣ系统向更高层次发展。

１．单微处理器结构

图６－３ＣＮＣ系统硬件的组成框图

所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器

来集中控制，分时处理ＣＮＣ系统的各个任务。某

些ＣＮＣ系统虽然采用了两个以上的微处理器，但

能够控制系统总线的只是其中的一个微处理器，

它占有总线资源，其他微处理器作为专用的智能

部件，不能控制系统总线，也不能访问存储器，是

一种主从结构，故也被归入单微处理器结构中。

单微处理器结构的ＣＮＣ系统由计算机部分（ＣＰＵ

及存储器）、位置控制部分、数据输入／输出等各种

接口及外围设备组成。ＣＮＣ系统硬件的组成框

图可参见图６－３。

（１）计算机部分计算机部分由微处理器

ＣＰＵ及存储器（ＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ）等组成。微处理器执行系统程序，首先读取加工程序，对加工程

序段进行译码、预处理计算等，然后根据处理后得到的指令，对该加工程序段进行实时插补和对

机床进行位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（ＰＬＣ）发给机床，同时接收由

ＰＬＣ返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。

（２）位置控制部分位置控制部分又分为位置控制和速度控制两大单元。位置控制单元接

收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内的位移量，并产生伺服电动机速度指令发

往速度控制单元。速度控制单元还接收速度反馈信号，用速度指令与反馈信号的差值来控制伺

服电动机，使其以恒定速度运转。位置控制单元根据接收到的实际位置反馈信号，来修正速度指

令，实现机床运动的准确控制。

（３）数据输入／输出接口与外围设备数据输入／输出接口与外围设备是数控系统与操作者

之间信息交换的桥梁。例如，通过纸带阅读机或ＭＤＩ设备，可以将零件加工程序送入系统，并可

实现其他手动操作；通过ＣＲＴ显示器或穿孔机可得到零件加工程序或其他信息。

２．多微处理器结构

在多微处理器结构中，由两个或两个以上的微处理器来构成处理部件。各处理部件之间通

过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理器共享系统的公用存储器或Ｉ／Ｏ接口，分担系

统的一部分工作，从而将在单微处理器结构的ＣＮＣ系统中顺序完成的工作转变为多微处理器的

并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。多微处理器结构的ＣＮＣ系统大

都采用模块化结构，微处理器、存储器、输入输出控制等可分别做成硬件模块，相应的软件也是模

块化结构，固化在硬件中。软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为功能模块。功能模块

之间有明确定义的固定接口，按工厂或工业标准制造，于是可以组成积木式的ＣＮＣ系统。如果

某一个模块出了故障，其他模块仍能照常工作，可靠性高。ＣＮＣ系统一般有６种基本功能模块，

若需要扩充功能，还可以再增加相应的功能模块。

（１）ＣＮＣ管理模块该功能模块执行管理和组织整个ＣＮＣ系统工作过程的职能，例如，系

统的初始化、中断管理、总线裁决、系统出错的识别和处理、系统软硬件故障诊断等。

（２）ＣＮＣ插补模块这个模块对零件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算等插

补前的预处理工作，然后按规定的插补类型的轨迹坐标，通过插补计算为各个坐标轴提供位置给

定值。

（３）位置控制模块该模块将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的位置实

际值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服驱动系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到

速度控制的模拟电压，去驱动进给电动机。

（４）ＰＬＣ模块该模块对零件加工程序中的开关功能和由机床送来的信号进行逻辑处理，

实现各功能和操作方式之间的联锁，例如，机床电器的起／停、刀具交换、回转台分度等。

（５）数据输入／输出和显示模块这里包含零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输

入（如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等）和输出（如通过穿孔机、打印机）、显示（如通过

ＣＲＴ显示器、液晶显示器等）所需要的各种接口电路。

（６）存储器模块这是程序和数据的主存储器，也可以是功能模块间传递数据用的共享存

储器。

图６－４是一个具有多微处理器结构ＣＮＣ系统的典型框图。其中有四个微处理模块，在主

处理器的统一管理下分担不同的控制任务。每个微处理器都有各自的存储器及控制程序，当需

要占用总线及其他公共资源（如存储器、Ｉ／Ｏ设备）时，需申请占用总线，由主处理器按各个微处

理器的优先级决定谁有权使用系统总线。图中微处理器均为１６位的８０８６ＣＰＵ。

图６－４多微处理器结构ＣＮＣ系统的典型框图

微处理器１为主处理器，主要处理与外围设备之间的输入／输出，同时负责系统总线的管理

和任务调配。微处理器２完成零件加工程序的译码、预处理计算，负责刀具补偿、工作循环和子

程序的管理工作。微处理器３完成直线和圆弧插补以及位置控制。微处理器４实现可编程序控

制器的功能。此外，还有主存储器模块、操作面板显示模块等。