计算机数控系统

计算机数控系统
计算机数控系统
3．1 计算机数控（CNC）系统的基本概念
计算机数控（computerized numerical contro，简称CNC）系统是用计算机操纵加工功能，实现数值操纵的系统。

CNC系统根据计算机存储器中存储的操纵程序，执行部分或者全部数值操纵功能．由一台计算机完成往常机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时操纵。

CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置与进给（伺眼）驱动装置构成。

由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑操纵装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，同时具有与上位机连接及进行远程通信的功能。

3．2 微处理器数控（MNC）系统的构成
大多数CNC装置现在都使用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统（MNC）。

MNC通常由中央处理单元（CPU）与总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴操纵单元、速度进给操纵单元等构成。

图3 .2.1为MNC 的构成原理图。

3.2.1中央处理单元（CPU）与总线(BUS）
CPU是微型计算机的核心，由运算器、操纵器与内寄存器组构成。

它对系统内的部件及操作进行统一的操纵，按程序中指令的要求进行各类运算，使系统成为一个有机整体。

总线（BUS）是信息与电能公共通路的总称，由物理导线构成。

CPU与存储器、I/O 接口及外设间通过总线联系。

总线按功能分为数据总线（DB）、地址总线（AB）与操纵总线（CB）。

３．２．２存储器(memory)
(１)概述
存储器用于存储系统软件（管理软件与操纵软件）与零件加工程序等，并将运算的中间结果与处理后的结果（数据）存储起来。

数控系统所用的存储器为半导体存储器。

（２）半导体存储器的分类
①随机存取存储器（读写存储器）ＲＡＭ（random access memory）用来存储零件加工程序，或者作为工作单元存放各类输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息与堆栈用等。

其存储单元的内容既能够读出又可写入或者改写。

②只读存储器ＲOＭ(resd-only memory)专门存放系统软件（操纵程序、管理程序、表格与常数）的存储器，使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不可能因断电而丢失内容。

3．2．3 输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备
（1）I／O接口
指外设与CPU间的联接电路。

微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。

通常外设与存储器间不能直接通信，需靠CPU传递信息，通过CPU对I／O接口的读或者写操作，完成外设与CPU间输入或者输出信息的操作。

CPU向外设送出信息的接口称之输出接口，外设向CPU传递信息的接口称输入接口，此外还有双向接口。

微机中I／O接口包含硬件电路与软件两部分。

由于选用的I／O设备或者接口芯片不一致，I/O接口的操作方式也不一致，因而应用程序也不一致。

I／O接口硬件电路要紧由地址译码、I／O读写译码与I/O接口芯片（如数据缓冲器与数据锁存器等）构成。

在CNC系统中I／O的扩展是为操纵对象或者外部设备提供输入/输出通道，实现机床的操纵与管理功能，如开关量操纵、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。

I／O接口电路同与其相连的外设硬件电路特性密切有关，如驱动功率、、电子匹配、干扰抑制等。

（2）外部I／O设备及I／O接口
①MDI/CRT接口
手动数据输入（MDI）是通过数控面板上的键盘（常为软触键）进行操作的。

当CPU 扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出通过报警检查。

若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中；若报警则数据不送入RAM。

②数据输入/输出串行接口
CNC装置操纵对立的单台机床时，通常需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。

（a）数据输入输出设备如光电纸带阅读机（PTR）、纸带穿孔机（PP）、打印与穿复校设备（TTY）、零件的编程机与可编程操纵器的编程机等。

（b）外部机床操纵面板特别是大型机床，为操作方便常在机床上设外部的机床操纵面板，可分为固定式或者悬挂式两种。

（c）通用的手摇脉冲发生器。

（d）进给驱动与主轴驱动线路通常情况下它们与CNC装置装在同一机柜或者相邻机柜内，与CNC装置通过内部连线相连，它们之间不设置通用输出输入接口。

此外，ＣＮＣ装置还要与上级主计算机或者ＤＮＣ计算机直接通信，或者通过工厂局部网络相连，从而具有网络通信功能。

（3）机床的I／O操纵通道
机床的I／O操纵通道是指微机与机床之间的联接电路。

计算机数控系统对机床的操纵，通常由数控系统中的I／O操纵器与I／O操纵软件共同完成。

①I／O操纵器的功能特点
（a）能够可靠地传送操纵机床动作的相应操纵信息，并能够输入操纵机床所需的有关状态信息。

（b）能够进行相应的信息转换，以满足CNC系统的输入与输出要求。

（c）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。

３．３ＣＮＣ系统的硬件结构
３．３．1 单微处理机与多微处理机结构
１．单微处理机结构
这种结构只有１个微处理机，使用集中操纵、分时方法处理数控的各个任务。

有的ＣＮＣ装置虽有２个以上的微处理机，但其中只有１个微处理机能够操纵系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能操纵系统总线，不能访问主存储器，它们构成主从结构（如ＦＮＵＣ－６系统）。

这类结构也属于单微机结构。

在这种单微机结构中，所有的数控功能与管理功能都由１个微机来完成，因此ＣＮＣ装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力与运算速度等因素的影响与限制。

２．多微处理机结构
有些多微处理机结构中，有２个或者２个以上的微处理机构成处理部件，处理部件之间使用紧耦合，有集中的操作系统，并共享资源。

有些多微处理结构则有２个或者２个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间使用松耦合，有多重操作系统，能有效地实现并行处理。

这种结构中的各处理机分别承担一定的任务，通过公共存储器或者公用总线进行协调，实现各微机间的互联与通信。

（1）多微处理机的结构特点
①性能价格比高。

多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能。

独立执行程序。

它比单微机提高了计算的处理速度，适于多轴操纵、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。

由于系统使用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC装置的性能价格比大为提高。

②使用模块化结构，有良好的习惯性与扩展性。

多微机的CNC装置大都使用模块化结构，可将微处理器、存储器、I/O操纵构成独立微机级的硬件模块，相应的软件也使用模块结构．固化在硬件模块中。

硬软件模块形成特定的功能单元，称之功能模块。

功能模块间有明确定义的接口．接口是固定的，符合工厂标准或者工业标准，彼此能够进行信息交换。

这样能够积木式地构成CNC装置，使CNC装置设计简单、习惯性与扩展性好、试制周期短、调整保护方便、结构紧凑、效率高。

③硬件易于组织规模生产。

由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不一致的CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。

④有很高的可靠性。

多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。

假如某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，而不像单微机那样．一旦出故障就造成整个系统瘫痪。

而且插件模块更换方便，可使故障对系统的影响减到最小。

另外，由于多微机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了造价，也提高了系统的可靠性。

（2）多微处理机CNC装置的结构分类
①共享存储器结构
结构特征：
a、面向公共存储器来设计的，即使用多端口来实现各主模块之间的互连与通讯
b、使用多端口操纵逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。

注意：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堵塞，因此这种结构通常使用双端口存储器（双端口RAM）。

③共享总线结构
结构特征：
a、功能模块分为带有CPU或者DMA的主模块与从模块(RAM/ROM，I/O模块)
b、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
c、使用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题
3．3．2 大板式结构与功能模块式结构
1．大板式结构
大板式结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置操纵板、PLC板、图形操纵板与电源单元等构成。

主电路板是大印刷电路板，其他电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内，共同构成CNC装置。

下图为大板式结构示意图。

2．功能模块式结构
在使用功能模块式结构的CNC装置中，整个CNC装置按功能划分为模块，硬件与软件的设计都使用模块化设计方法，即每个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模块），而相应功能模块的操纵软件也模块化。

这样形成一个“交钥匙”CNC系统产品系列，用户只要按需要选用各类操纵单元母板及所需功能模板，再将各功能模板插入操纵单元母板的槽内，就搭成了自己需要的ＣＮＣ系统操纵装置。

常见的功能模块有ＣＮＣ操纵板、位置操纵板ＰＬＣ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。

另外，机床操作面板的按钮箱（台）也是标准化的，上面有由用户定义的按键。

用户只要按产品的型号、功能把各功能模块、外设、相应的电缆（带插头）及按钮箱（机床操作面板及ＭＤＩ，ＣＲＴ）购买回来，经组装连接便可，从而大大方便了用户。

３．４ＣＮＣ系统的软件
３．４．1 CNC系统软件的构成与功能
下图所示为ＣＮＣ系统软件的构成。

ＣＮＣ系统软件可分为管理软件与操纵软件两部分。

管理软件包含零件程序的输入、输出，显示，诊断与通信功能软件；操纵软件包含译码、刀具补偿、速度处理、插补运算与位置操纵等功能软件。

１．输入程序
输入程序的功能有两个：一是把零件程序从阅读机或者键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器；二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。

２．译码程序
在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息（线型，起点、终点坐标值）、工艺要求的加工速度及其他辅助信息（换刀、冷却液开/关等）。

这些信息在计算机作插补运算与操纵操作之前，需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式，并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间，即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。

译码就是从数控加工程序缓冲器或者ＭＤＩ缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码与数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。

３数据处理程序
数据处理程序有三个任务，即刀具半径补偿，速度计算（即根据合成速度算出各轴的分速度）与辅助功能的处理等。

刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹；速度计算确定加工数据段的运动速度，开环系统根据给定进给速度Ｆ计算出频率f，而闭环、半闭环系统则根据Ｆ算出位移量（ΔＬ）；辅助功能处理是指换刀，主轴启动、停止，冷却液开、停等辅助功能的处理（即Ｍ，Ｓ，T功能的传送及其先后顺序的处理）。

数据处理是为了减轻插补工作及速度操纵程序的负担，提高系统的实时处理能力，故也称之估计算。

下面将着重介绍刀具半径补偿，速度处理将在插补计算程序中的估计算部分介绍，辅助功能的处理将在后面的有关内容中介绍。

（1）刀具半径补偿的概念
在连续进行轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径[比如铣刀的半径或者线切割机
的钼丝（或者铜丝）半径等］，因此刀具中心运动轨迹并不等于加工零件的轮廓。

如下图所示，在进行内轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值，而在进行外轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。

这种偏移即称之刀具半径补偿。

为了分析问题方便ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左边时，称之左刀补，用G41指令代码表示，图中所示零件轮廓内部的虚线轨迹。

反之，当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时，称右刀补，用G42表示，如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。

当不需要进行刀补时，用G40表示。

G41，G42与G40均属于模态代码，一旦执行便一直有效，直到同组其他代码出现后才被取消。

在早期的硬件数控系统中，由于其内存容量与数据处理能力的限制，不可能完成很复杂的大量计算，相应的刀具半径补偿功能较为简单，通常使用B功能刀具补偿方法。

这种方法仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀补，不能解决程序段之间的过渡问题，这样编程人员务必事先估计出刀补后可能出现的间断点与交叉点的情况，进行人为处理，将工件轮廓转接处处理成圆弧过渡形式。

如图3.4.7所示，在G42刀补后出现间断点时，能够在2个间断点之间增加一个半径为刀具半径的过渡圆弧A′B′。

而在G41刀补后出现交叉点时，C′′点不易求得，可事先在两个程序段之间增加一个过渡圆弧AB，其半径需大于刀具半径，以免过切。

显然，这种B功能刀补关于编程员来讲是很不方便的。

为保证一定的零件轮廓，实现刀具半径补偿，要计算刀具半径补偿矢量（简称刀补矢量）。

此矢量是大小等于刀具半径、方向垂直于零件表面轮廓的二维矢量，随着刀具的移动，刀具半径补偿矢量也不断变化。

在刀具补偿程序中，需要计算出每个程序段中的刀补矢量，即计算出刀具的偏移量与旋转角度。

其计算方法有刀具半径分量法（r2法或者逐点比较法）、极坐标输入法（三角函数法）等。

（2）C功能刀具半径补偿
①C刀具半径补偿的原理及计算硬件数控机床常用的刀具半径补偿方法，其要紧特点是在程序段转换时（如折线或者直线与圆弧不相切时）使用圆弧过渡。

这种方法在拐角处铣
刀刃与工件间的接触产生一停顿时间，工艺性不好，不适合3坐标以上的刀具半径补偿。

理想的过渡形式应是直线过渡形式。

可见，这种刀补方法追免了刀具在尖角处的停顿现象。

计算机数控的刀具半径补偿通常都使用直线过渡的方法，在系统程序中有一个刀具半径补偿子程序，需要时可调用之。

４．插补计算程序
插补计算是ＣＮＣ系统中最重要的计算工作之一。

ＮＣ装置中使用的是硬件电路（即插补器）来实现各类轨迹的插补。

为了在软件系统中计算所需的插补轨迹，这些数字电路务必由计算机的程序来模拟。

计算机由若干条指令来实现插补工作，但执行每条指令都需要花费一定的时间，而过去小型或者微型计算机的计算速度都不能满足数控机床对进给速度与分辨率的要求。

在实际的ＣＮＣ系统中，常使用数据采样的插补方法，将插补功能分割成软件插补与硬件插补两部分，操纵软件把刀具轨迹分割成若干段，而硬件电路再在段的起点与终点之间进行数据的“密化”，使刀具轨迹操纵在同意的误差之内。

即软件实现粗插补，硬件实现细插补。

5．伺服（位置）操纵软件
伺服位置操纵软件的要紧功能是对插补值进行处理（取全值或者取其半值），计算出位置的命令值，同时读一次实际的反馈值，然后计算出命令值与反馈值间的差值（称之位置跟随误差），再乘上增益系数，并加上补偿量从而得到速度命令值。

6．输出程序
输出程序的功能有如下几项：
（1）进行伺服操纵，如上所述。

（2）反向间隙补偿处理反向间隙值由程序预置。

若某一轴由正向变成负向运动，则在反向前输出Q个正向脉冲；反之，若由负向变成正向运动，则在反向前输出Q个负向脉冲（Q为反向间隙，因实际情况而异）。

（3）进行丝杠螺距误差补偿（方法见后面有关内容）
（4）M，S，T辅助功能的输出M，S，T代码大多是开／关量操纵，由机床强电执行。

7．管理程序
当一个数据段开始插补加工时，管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理，调用各功能子程序，准备好下一段数据。

一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。

为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行调度。

管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。

8、诊断程序
完善的诊断程序能够防止故障的发生或者扩大，在故障出现后，还能够迅速查明故障的类型与部位，减少故障停机时间。

诊断分多种情况，有启动诊断、在线诊断、停机诊断、远程通信诊断等。

3.4.2 ＣＮＣ系统软件的特点与结构
１．ＣＮＣ系统软件的特点
（1）多任务并行处理
ＣＮＣ系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的操纵软件中融合了当今计算机
软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理技术。

①多任务指系统软件务必同时进行管理与操纵工作。

如ＣＮＣ工作在加工操纵状态时，为了使操作人员能及时地熟悉ＣＮＣ的工作状态，管理软件中的显示模块务必与操纵软件同时运行。

又如为保证加工连续性，译码、刀补与速度处理模块务必与插补模块同时运行，而插补又务必与位置操纵同时进行。

③并行处理指计算机在同一时刻或者同一时间间隔内完成两种或者两种以上性质相同或者不一致的工作。

这大大提高了运算速度。

③资源分时共享在单ＣＰＵ的ＣＮＣ装置中，要紧使用ＣＰＵ分时共享的原则来解决多任务的同时运行。

首先要解决各任务占用CPU时间的分配原则，包含各任务何时占用CPU 与同意各任务占用ＣＰＵ的时间长短两个内容。

在ＣＮＣ装置中，使用循环轮番与中断优先相结合的方法解决各任务使用CPU的问题。

系统在完成初始化以后自动进入时间分配环中，依次轮番处理各任务。

而关于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不一致中断优先级上，环外的任务能够随时中断环内各任务的执行。

每个任务同意占有CPU的时间受到一定限制，关于某些占有CPU时间比较多的任务（如插补准备），可在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时自动让出CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。

④资源重叠流水处理当CNC装置处在NC作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包含译码、刀补与速度处理）、插补、位置操纵4个子过程构成。

假如每个子过程的处理时间分别为Δt1，Δt2，Δt3，Δt4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是t＝Δt1＋Δt2＋Δt3＋Δt4。

流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或者更多的子过程。

（2）多重实时中断处理
所谓中断是指中止现行程序转而去执行另一程序、待另一程序处理完毕后，再转回来继续执行原程序。

所谓多重中断，就是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，再返回来接着处理低级中断尚未完成的工作。

反谓实时，是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应，并在确定的时间里完成这种响应或者处理。

数控系统是一个实时操纵系统，被控对象是一个并发活动的有机整体，对被控对象进行操纵与监视的任务也是并发执行的，它们之间存在着各类复杂的逻辑关系。

有的时候这些任务是顺序执行的，表现为一个任务结束后，激发另一个任务执行，如数控加工程序段的预处理、插补计算、位置操纵与输入输出操纵；有的时候这些任务是周期性地以连续反复的方式执行，如每隔一个插补周期进行一次插补计算，每隔一个采样周期进行一次位置操纵等；有的时候一个任务执行到某处时，务必延时到某个别时刻后才又继续执行，如务必等待换刀等有关辅助功能完成后，进一步的切削操纵才能开始；有的时候是几个协同任务并发执行，如在加工操纵中，人机交互处理及各类突发事件的处理等。

关于有实时要求，且各类任务互相交错并发的多任务操纵系统，可使用多重中断的并行处理技术。

各类实时任务被安排成不一致优先级别的中断服务程序，或者在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行，任务要紧以优先级进行调度，在任何时候ＣＰＵ运行的都是当前优先级较高的任务。

不管使用哪种并行处理技术，各类协同任务都存在着各类逻辑联系，它们之间务必进行各类通信。

以便共同完成对某个对象（如数控机床）的操纵与监视。

各任务之间能够使用设置标志、共同使用某一公共存储区及多处理器串行通信等方法进行联系。

目前，针对数控系统多任务性与实时性两大特点，一方面在硬件上越来越多地使用多微处理器系统，另一方面在软件上综合了前述设备重复的并行处理技术、分时的并行处理技
术与多重中断的并行处理技术。

常见的ＣＮＣ系统软件结构有对应于单微处理器系统的前后台型与多重中断型，与对应于多微处理器系统的功能模块软件结构。

２. ＣＮＣ系统软件结构的分类
数控系统的基本功能是由各类功能干程序实现的，不一致的软件结构对这些子程序的安排方式不一致．管理的方法亦不一致。

（1）前后台型结构
前台程序是中断服务程序，几乎承担了全部实时功能（插补、位置操纵、机床有关逻辑与面板扫描监控等功能）．这些功能与机床的动作直接有关。

后台程序是指实现输入、译码、数据处理及管理功能的程序，亦称背景程序，是循环运行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与背景程序相配合，共同完成零件加工任务。

前后台型结构适用于单微机系统。

（2）多重中断型结构
除初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不一致级别的中断服务程序中。

也就是说，所有功能子程序均安排成级别不一致的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，管理功能要紧通过各级中断程序之间的相互通信来解决。

日本FANUC－7、－6系统皆使用此中断型软件结构。

①中断优先级安排
中断优先级结构如图3．4．26所示，其中的功能表如表3．4．3所示。

图3.4.26 中断优先级结构
表3.4.3 中断功能一览表
优先级功能中断源优先级功能中断源
1 CRT显示
ROM校验
由初始化
转入
6
监控急停信号，定
时2、3、5级
2ms硬件件定
时
2 工作方式选择数据预
处理
16ms软件
定时
7
ASR键盘输入及
RA232C输入
硬件随机
3 PLC操纵MST处理16ms软件
定时
8 纸带阅读处理中导孔输入。