CNC系统的软硬件结构
3计算机数控装置的软件结构
（三）多任务并行处理 1、CNC装置的多任务性（多任务分解图如P169图4.3.2） 软件任务的并行处理关系（如P169图4.3.3） 2、并行处理 并行处理：是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以 上性质相同或不相同的工作。 并行处理的优点：提高运行速度。 并行处理方法：“资源重复”并行处理方法、“时间重叠”并行 处理方法、“资源共享”并行处理方法。 “资源重复”并行处理技术多应用于CNC装置的硬件结构中。
（二）数据处理程序 组成：数据处理程序又叫插补准备程序，它包 括译码、刀补、辅助功能处理和进给速度计算 等部分。 译码的功能：将输入的加工程序翻译成系统能 识别的语言。 运动轨迹计算：将工件轮廓轨迹转化为刀具中 心轨迹。 进给速度计算：主要解决刀具的运动速度问题。
在单CPU的CNC装置中，主要采用CPU分时共享的原则 来解决多任务的同时运行。 首先解决的两个时间问题：各任务何时占用CPU、各任 务占用CPU时间的长短。 分时共享CPU原理：系统在完成初始化任务后自动进入 时间分配循环中，在环中依次轮流处理各任务，而对于 系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别处 于不同的中断优先级上作为环外任务，环外任务可以随 时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时 间受到一定的限制，对于某些占有CPU时间较多的任务， 可以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，等到下一个运行时间里自动跳到断 点处继续执行。
2、CNC系统中断结构模式 ①前后台软件结构中的中断模式（如P173图4.3.8） 前台程序是一个中断服务程序，完成全部的实时功能。 后台（背景）程序是一个循环运行程序，管理和插补 准备在这里完成，后台程序运行中，实时中断程序不 断插入，与后台程序相配合。 ②中断型软件结构中的中断模式 中断型软件结构中的特点是除了初始化程序之外，整 个系统软件的各种任务分别安排在不同级别的中断服 务程序中，整个软件就是一个大的中断系统，其管理 的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来 解决。
CNC工作原理
CNC工作原理概述计算机数控（Computer Numerical Control，简称CNC）是一种通过计算机控制机床进行加工的技术。
它利用计算机软件和硬件系统来实现对机床的自动化控制，从而实现高精度、高效率的加工过程。
本文将详细介绍CNC工作原理，包括其基本组成部分、工作流程、数据传输方式以及优势等。
一、基本组成部分1. 机床：CNC系统的核心部分，用于进行加工操作。
机床通常由主轴、工作台、刀具和刀架等组成，可以根据加工需求选择不同类型的机床。
2. 控制器：CNC系统的大脑，负责接收并处理来自计算机的指令，控制机床进行加工操作。
控制器通常由硬件和软件两部分组成，硬件包括主板、接口板和电源等，而软件则包括操作系统和控制程序。
3. 编程设备：用于编写和编辑加工程序的设备，包括计算机、键盘、鼠标和显示器等。
编程设备通过与控制器连接，将编写好的加工程序传输给控制器。
4. 传感器：用于感知机床和加工过程中的各种参数，如位置、速度、力度等。
传感器可以将这些参数转化为电信号，并传输给控制器进行处理。
二、工作流程1. 设计产品：首先，需要使用CAD（Computer-Aided Design，计算机辅助设计）软件进行产品的设计。
CAD软件可以帮助工程师将产品的三维模型转化为加工程序所需的二维图形。
2. 编写加工程序：使用CAM（Computer-Aided Manufacturing，计算机辅助制造）软件，根据产品的设计图纸编写加工程序。
加工程序包括刀具路径、切削参数和工艺要求等信息。
3. 传输程序：将编写好的加工程序通过编程设备传输给控制器。
传输可以通过USB接口、以太网或者直接连接进行。
4. 设置工艺参数：在控制器上设置加工过程中的各项参数，如切削速度、进给速度和刀具补偿等。
这些参数将影响机床的加工效果和精度。
5. 开始加工：一切准备就绪后，启动控制器，机床开始按照加工程序进行加工操作。
控制器通过发送指令控制主轴、工作台和刀具等部件的运动，实现对工件的切削、钻孔、铣削等操作。
数控系统(CNC系统)
参考资料：/%C5%C9%BF%CB652/blog/item/040742fc5ab3e50eb17e c577.html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。
cnc装置由硬件和软件组成是什么
cnc装置由硬件和软件组成是什么你们知道CN中的装置是又什么硬件和什么软件组成的吗?下面是店铺带来的关于cnc装置由硬件和软件组成是什么的内容，欢迎阅读!cnc装置由硬件和软件组成是什么?CNC一般由下列几个部分组成：●主机，它是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
它是用于完成各种切削加工的机械部件。
●数控装置，是数控机床的核心，包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
●驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
●辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
●编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制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和多重实时中断。
下面分别加以介绍。
软件结构(1)输入数据处理程序它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。
有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。
通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。
(2)插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点、既定速度等进行中间输出点的插值密化运算。
上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求。
根据运算结果，分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令。
数控 系统基本原理与结构
（4）正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据 宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。
多微处理机（紧耦合、松耦合）的结构特点：
1）性能价格比高。
2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。
3）可靠性高。
4）硬件易于组织规模生产。
多微处理机CNC装置的典型结构
输出至机床的
控制信号图2-18 双端口存储器结构框图
CRT （CPU2）
插补 （CPU3）
轴控制 （CPU4）
图2-19 多微处理机共享存储器结构框图
2.3.2 PC-based数控系统的硬件构成
1. PC-based数控系统的体系结构主要有以下3种形式 （1）专用数控加PC前端的复合式结构
串口
并口
模块 （CPU）
系统总线
操作面板 显示模块
CNC插补 模块
（CPU）
PC功能 模块
（CPU）
位置控制 模块
（CPU）
主轴控制 模块
图2-17 多微处理机共享总线结构框图
1）共享存储器结构
中断 控制
仲裁逻 辑控制
端口1 RAM
地址和数据多 路转换器
从机床来的 控制信号
I/O(CPU1) 共享存储器
端口2
第二章 数控系统基本原理与结构
2.3 计算机数控系统硬件结构
2.3.1 CNC系统的定义与结构
CNC系统: 是用一个存储程序的计算机，按照存储在 计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置 的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接 口。
CNC控制器
指令 输入
计算机 (CNC软件)
硬件电路 (CNC硬件)
CNC装置的软件结构
另一种是由程序产生的中断信号，称为软件中断，这是由2ms的实 时时钟在软件中分频得出的（如第2，3，5级）。硬件中断请求又称 作外中断，要接受中断控制器（如Intel8259A）的统一管理，由中断 控制器进行优先排队和嵌套处理；而软件中断是由软件中断指令产生 的中断，每出现4次2ms时钟中断时，产生第5级8ms软件中断，每出 现8次2ms时钟中断时，分别产生第3级和第2级16ms软件中断，各 软件中断的优先顺序由程序决定。因为软件中断有既不使用中断控制 器，也不能被屏蔽的特点，因此为了将软件中断的优先级嵌入硬件中 断的优先级中，在软件中断服务程序的开始，要通过改变屏蔽优先级 比其低的中断软件中断返回前，再恢复初始屏蔽状态。
2
工作方式选择及预处理
16ms软件定时
3
PLC控制，M、S、T处理
16ms软件定时
4 参数、变量、数据储存器控制
硬件DMA
5
插补运算，位置控制，补偿
8ms软件定时
6
监控和急停信号，定时2、3、 5
2 ms软件定时
7 ARS键盘输入及RS232C输入
硬件随机
8
纸带阅读机
硬件随机
9
报警
串行传送报警
10
RAN校验，电源断开
功能说明 主要完成数据输入和零件加工程序的编辑 单端工作方式是加工工作方式，在加工完成一个程序段后停顿， 等待执行下一步
用来处理坐标轴的点动和机床回原点的操作 自动工作方式也是加工工作方式，在加工一个程序段后不停顿，直到整个 零件程序执行完毕为止
图3-14 背景程序结构 图3-14 背景程序结构
加工工作方式在背景程序中处于主导地位。在操作前的准备工作（如由键盘方式 调出零件程序、由手动方式使刀架回到机床原点）完成后，一般便进入加工方式。 在加工工作方式下，背景程序要完成程序段的读入、译码和数据处理（如刀具补偿） 等插补前的准备工作，如此逐个程序段的进行处理，直到整个零件程序执行完毕为 止。自动循环工作方式如图3-15所示。在正常情况下，背景程序在1→2→3→4中 循环。 实时中断服务程序是系统的核心。实时控制的任务包括位置伺服、面板扫描、PLC 控制、实时诊断和插补。在实时中断服务程序中，各种程序按优先级排队，按时间 先后顺序执行。每次中断有严格的最大运行时间限制，如果前一次中断尚未完成， 又发生了新的中断，说明发生服务重叠，系统进入“急停”状态。实时中断服务程 序流程如图3-16所示。 前台后软件结构的特点：前台程序是一个中断服务程序，用以完成全部的实时功能； 后台程序是一个循环运行程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行时， 实时中断程序不断插入，前后台程序相配合，共同完成零件的加工任务。 前台后软件结构的缺点是程序模块间依赖关系复杂，功能扩展困难，程序运行时资 源不能合理协调。例如，当插补运算没有数据时，而后台程序正在运行图形显示， 使插补处于等待状态，只有当图形显示处理完后，CPU才有时间进行插补准备，向 插补缓冲区写数据时会产生停滞。
4-数控系统软件及软件结构解析
前后台型结构模式的特点
任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度。前台 程序的调 度是优先抢占式的；前台和后台程序 内部各子任务采用的是顺序调度。
信息交换:缓冲区。
实时性差:在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机 制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系 统大都采用这种结构。
2、中断型结构模式
1、多任务性
CNC任务管理任务来自控制任务零人 输故
... 件 显 机 入 障
程示交 输诊
序处互 出断
管理交 管处
理
互 理理
刀
机
编具 插位 床 主
译半 补置 输 轴
处径 运控 入 控
理补 算制 输 制
偿
出
...
CNC软件在工作中这些任务不是顺序 执行的，而往往需要多任务并行处理。
比如：在机床加工过程中(执行控制任 务)，显示屏要实时显示加工状态(管理任 务)。
数控系统软件及软件结构
主要内容
一、CNC系统软件的特点
1、多任务性 2、多任务的并行处理 3、实时性 4、优先抢占调度机制
二、CNC系统软件的结构模式
一、CNC系统软件的特点
CNC装置是典型的实时多任务控制系统，CNC装 置的系统软件则可看成是一个专用实时多任务操作系 统。
CNC系统软件的主要特点为： 1、多任务性 2、多任务的并行处理 3、实时性 4、优先抢占调度机制
在本模式中，设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后 按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换 方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦 合关系。
B、系统的开放性和可维护性好
从本质上讲，前述结构模式采用的是单一流程加中断控制 的机制，一旦开发完毕，系统将是的完全封闭（对系统的开发 者也是如此），若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。
CNC工作原理
CNC工作原理CNC（Computer Numerical Control）是一种自动化控制系统，用于控制机床进行加工操作。
它利用计算机控制机床的运动和操作，实现高精度、高效率的加工过程。
CNC工作原理涉及到硬件和软件两个方面，下面将详细介绍。
一、硬件部分1. 机床结构：CNC机床通常由床身、主轴、进给系统、传感器和控制面板等组成。
床身提供机床的稳定支撑，主轴用于切削工件，进给系统控制工具在工件上的运动，传感器用于检测工件和刀具的位置和状态，控制面板用于操作和设置。
2. 伺服系统：CNC机床的伺服系统由伺服电机、编码器和驱动器组成。
伺服电机负责提供驱动力，编码器用于反馈位置信息，驱动器将输入的电信号转换为电机的运动。
3. 控制系统：CNC机床的控制系统由主控板、操作面板和显示器等组成。
主控板接收来自计算机的指令，并将其转换为电信号发送给伺服系统控制机床的运动。
操作面板用于操作和设置加工参数，显示器用于显示加工过程和结果。
二、软件部分1. CAD/CAM软件：CAD（Computer-Aided Design）和CAM（Computer-Aided Manufacturing）软件是CNC加工的重要工具。
CAD软件用于设计工件的三维模型，CAM软件将CAD模型转换为机床能够识别和执行的加工程序。
2. G代码：G代码是一种用于控制CNC机床运动的编程语言。
它包含了机床运动、进给速度、刀具半径补偿等指令，通过G代码，CNC机床可以按照预定的路径和速度进行加工。
3. 机床坐标系：CNC机床使用坐标系来描述工件和刀具的位置。
常见的坐标系有绝对坐标系和相对坐标系。
绝对坐标系以机床原点作为参考点，相对坐标系以刀具起点作为参考点。
4. 插补算法：插补算法用于计算刀具的运动轨迹。
常见的插补算法有直线插补、圆弧插补和螺旋插补等。
通过插补算法，CNC机床可以实现复杂的曲线加工。
三、CNC工作流程1. 设计工件：使用CAD软件设计工件的三维模型。
计算机数控装置的硬件结构与软件结构PPT(33张)
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20
③数据处理程序 刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理。
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2
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。
CNC系统平台
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3
PC+CNC+PLC
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4
统工作过程
输入→译码→数据处理→插补→将各个坐标轴的 分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动 伺服电动机，带动各轴运动→实时位置反馈控制，使各 个坐标轴能精确地走到所要求的位置。
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6
4.2 CNC装置的硬件结构
按其中含有CPU的多少可分为： 单微处理机结构和多微处理机结构；
按电路板的结构特点可分为： 大板结构和模块化结构。
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7
单微处理器结构
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。
第4章 计算机数控装置
4.1 概述 4.2 计算机数控装置的硬件结构 4.3 计算机数控装置的软件结构 4.4 数控机床的可编程控制器 4.5 典型的CNC系统简介
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1
4.1 概述
从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、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。
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14
结构特征
面向公共存储器设计，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。
数控系统基本组成
CNC系统中的微处理器
1．单微处理器系统的组成和特点 单微处理器系统的CNC装置的特点是整个CNC装
置中只有一个CPU，通过该CPU来集中管理和控制整 个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处 理的方法，实现各种数控功能。有些CNC装置中，虽 然有两个或两个以上的CPU，但只有一个CPU对系统 的资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU，其 它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只 能接受主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求 信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能， 该结构称为主从结构，也可归为单机结构。
有些cnc装臵中虽然有两个或两个以上的cpu但只有一个cpu对系统的资源拥有控制权和使用权该cpu称为主cpu其它cpu称为从cpu无权控制和使用系统资源只能接受主cpu的控制命令和数据或向主cpu发请求信号以获取所需要的数据从而完成某一辅助功能该结构称为主从结构也可归为单机结构
数控系统的基本组成 本节提要：
⑸主轴控制接口
主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段 无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置 时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行 无级变速，否则需用MST接口实现有级变速。为 提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无 级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、 主轴准停功能以及主轴转速监控等。
（1）共享总线结构 （2）共享存储器结构
数控软件的特点及关键技术
1.多任务与并行处理技术
（1）． 数控装置的多任务性
图4-11 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。
CNC装置软件结构
CNC装置软件结构CNC装置的软件是为完成CNC数控机床的各项功能而特地设计和编制的，是一种专用软件，结构取决于软件的分工，也取决于软件本身的工作特点。
软件功能是CNC装置的功能体现。
一些厂商生产的CNC 装置，硬件设计好后基本不变，而软件功能不断升级，以满意制造业进展的要求。
一、CNC装置软硬件的分工在CNC装置中，软件和硬件的分工由性能价格比打算的。
现代CNC 装置中，软件和硬件的分工是不固定的。
图4-7为数控系统软硬件分工的4种形式。
二、CNC装置软件结构的特点系统的掌握部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置掌握等软件。
如图4-8 所示。
CNC系统是一个专用的实时多任务计算机掌握系统，它的掌握软件也采纳了计算机软件技术中的很多先进技术。
其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点。
1．多任务并行处理(1) CNC装置的多任务性CNC装置系统软件分为管理软件和掌握软件两部分。
多任务是指在数控加工时系统软件必需同时进行掌握与管理工作。
例如，为了便于操作人员能准时把握CNC的工作状态，管理软件中的显示模块必需与掌握模块同时运行；当CNC处于NC工作方式时，管理软件中的零件程序输入模块必需与掌握软件同时运行。
(2) 并行处理并行处理是计算在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。
如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀补和速度处理模块必需与插补模块同时运行，而插补又要与位置掌握必需同时进行等，这种任务并行处理关系如图4-9 所示。
运用并行处理技术可以提高运算速度。
并行处理方法：资源共享(软件设计)：“分时共享”，多个用户按时间挨次使用同一套设备。
资源重复(硬件设计)：通过增加资源提高运算速度。
时间重叠(软件设计)：依据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上错开，轮番使用同一套设备。
2. 实时中断处理CNC装置软件结构的另一个特点是实时中断处理。
CNC数控系统的基本结构
△Li=F△t (i=1，2，…)
则当△t→0时，折线段之和接近曲线L,即
当F为常数时，由于△ t对于一个数控系统而言恒为常数， 故△Li的长度也为常数，只不过其斜率与在L上的位置有关。
Байду номын сангаас
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第一节 概述
2.插补运算 在计算出△Li后，必须将其分解为x轴及Y轴移动分量△xi
和△yi(在△ti时间内)，它们将随着△Li在L上位置的不断变 化而变化，但它们满足:
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系统的灵魂， 其结构枢图如图2 -2所示。 CNC系统平台的构筑方式就是CNC系统的体系结构。体 系结构为系统的分析、设计和建造提供框架。在下一节里将 分别按硬件和软件两方面对CNC系统的体系结构进行讨论。
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第一节 概述
三、CNC系统的主要功能
1.准备功能 准备功能即G功能，指令机床动作方式的功能。 2.控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的控制进给
轴有移动轴、回转轴、基本轴和附加轴。
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第一节 概述
3.进给功能 数控系统进给速度的控制功能，主要有以下三种: ·进给速度:控制刀具相对工件的运动速度，单位为
系统故障发生的频率降低，发生故障后的修复时间缩短。
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第二节 CNC系统的硬件结构
CNC系统的硬件结构按含有CPU的多少来分，可分为单机 系统和多机系统。
一、CNC系统的硬件结构分类
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第一节 概述
5.可靠性高 CNC系统的高可靠性可以从以下儿方面看出: ·CNC系统总是采用集成度高的电子元件、芯片，采用
CNC软件结构图2
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。
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。
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s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。
四、CNC系统软件结构模式
结构模式：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。
结构模式的功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。
前后台型结构模式
该模式将CNC系统软件划分成两部分：
前台程序：主要完成插补运算、位置控制、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。
后台程序(背景程序)：完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。【MechNet】
数控系统的组成
三、刀具半径补偿
１．补偿的类型：
分为左补偿和右补偿两种情形。 刀具半径左补偿：沿着加工方向，当刀具位于工
件左侧时，称刀具半径左补偿。加工时用G41指 令调用。 刀具半径右补偿：沿着加工方向，当刀具位于工 件右侧时，称刀具半径右补偿。加工时用G42指 令调用。
刀具半径补偿图例：
２．刀具补偿的步骤：
控制器结构简图：
１．硬件构成（3） ：
外围设备主要包括操作面板、键盘、显示器、光电阅读机、 纸带穿孔机和外部存储器等。
操作面板：由于不同数控机床的动作不同，所配备的操作 面板是不同的。一般操作面板具有如下按钮和开关：
进给轴手动控制按钮，用于手动调整时移动各坐标轴。 主轴启停与主轴倍率选择按钮：用于主轴的启停与正、反
插补程序：根据加工程序所提供的加工信息，如 曲线的种类（直线、圆弧或其它曲线）、起终点 （直线的起点、终点，圆弧的起点、终点及圆 心）、加工方向（顺时针、逆时针），对这些信 息进行插补运算，决定每一个脉冲到来时的移动 方向及步长，以及曲线与曲线之间如何过渡等。
２．软件构成（3）：
速度控制程序：根据给定的速度值控制插补运算 的频率，保证预定的进给速度。并能根据反馈值 的正与负自动地调节速度的大小。
诊断程序：通过识别程序中的一些标志符来判断故 障的类型和所在地。
二．机床数控系统的基本工作原理
1 ．数控系统工作原理框图：
１．程序的输入：
分为手动输入和自动输入两种方式。手动输入通 常用键盘输入；自动输入可用穿孔纸带、磁带或 用通讯的方式。
２．译码：
主要是将标准程序格式翻译成便于计算机处理数 据的格式（高级语言→机器语言）。
3．刀具半径补偿原理（2）：
X X X
切直线时刀补的计算：设上段
第五章 计算机数控系统
第五章 计算机数控系统
在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”和“时 间重叠的流水处理”方法。
1）资源分时共享并行处理方法
初始 化
诊断
显示
I/O 处理
插补 准备
输入
插补
中
断
优
先
位控
级
键盘
图5-9 CPU分时共享的并行处理
第五章 计算机数控系统
2）时间重叠流水并行处理方法
当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将 由零件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组 成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、 Δt4，则一个零件程序段的数据转换时间将是 t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以顺序方式处理每个零件的 程序段，则第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序 段，依次类推。图5-10 a）表示了这种顺序处理时的时间空 间关系。从图中可以看出，两个程序段的输出之间将有一个 时间为t的间隔。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的 时停时转，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这种情况在 加工工艺上是不允许的。
分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个 部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者 之间用导线或光纤连接。
CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控 制柜式、控制台式等多种。
第五章 计算机数控系统
2、从组成CNC系统的电路板的结构看，有大板式结构和模 块化结构。
插补运算
主轴电动机 和电气控制
位置控制 输出
伺服驱动 进给电动机
坐标及刀补 处 理 F指 令 速度处理
坐标轴运动 与位置检测
第五章 计算机数控系统
CNC工作原理
CNC工作原理CNC（Computer Numerical Control）是一种通过计算机控制的数控系统，广泛应用于各种机械加工领域。
它通过编程指令来控制机床的运动，实现精确的加工操作。
本文将详细介绍CNC工作原理及其相关技术。
一、CNC系统组成CNC系统由硬件和软件两部分组成。
1. 硬件组成CNC系统的硬件主要包括以下几个部分：- 电脑：用于编程和控制CNC系统。
- 控制器：负责接收电脑发送的指令，并将其转化为机床的动作。
- 伺服驱动器：控制机床各轴的运动。
- 传感器：用于检测机床的位置、速度和加速度等参数。
- 机床：用于实际加工操作的设备。
2. 软件组成CNC系统的软件包括以下几个部分：- 编程软件：用于编写加工程序。
- 控制软件：将编写好的程序转化为机床的运动指令。
- 仿真软件：用于模拟加工过程，检查程序的正确性。
二、CNC工作原理CNC工作原理可以分为以下几个步骤：1. 编写加工程序首先，操作人员需要使用编程软件编写加工程序。
加工程序是由一系列指令组成，用于描述机床的运动轨迹、切削参数等。
编写加工程序需要考虑加工零件的几何形状、加工工艺和机床的运动范围等因素。
2. 加载加工程序编写好的加工程序需要通过计算机传输到CNC系统中。
操作人员可以通过网络连接或者U盘等方式将程序加载到CNC系统中。
3. 设置工件坐标系在进行加工操作之前，需要设置工件坐标系。
工件坐标系是用于描述工件相对于机床运动的坐标系统。
操作人员需要通过测量和标定等方式确定工件坐标系的原点和方向。
4. 运行加工程序设置好工件坐标系后，操作人员可以通过控制软件将加工程序转化为机床的运动指令。
控制器会根据指令控制伺服驱动器，使机床按照加工程序的要求进行运动。
5. 监控加工过程在加工过程中，操作人员需要监控机床的运动情况。
CNC系统会通过传感器检测机床的位置、速度和加速度等参数，并将其反馈给控制器。
操作人员可以通过监控界面实时查看这些参数，以确保加工过程的准确性和安全性。
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2. 总线 总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为 三组。 (1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与 传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送 n位宽度的 一个字，采用单向线。 (2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合 使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用 单向线。 (3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号， 如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用 单向线。
CNC管理 模块（CPU） 主存储器 模 块 操作面板 显示模块
总线
CNC插补 PLC功能 位置控制 模块（CPU） 模块（CPU） 模块（CPU） 主轴控 制模块
⒉ 共享存储器结构
在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各 微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、 地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑 电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往 会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。 下图为共享存储器结构框图。
㈠ 控制功能
控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制 的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制 轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多， 特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时 CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。
㈡ 准备功能
准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能， 包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补 偿、基准点返回、固定循环等指令。它用地址G和它后续 的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00~G99共 100种。
CPU
EPROM RAM 数控面板 MDI/CRT 接口 PLC 纸带阅读机接口 纸带阅读机 纸带穿孔机 电传机 机床
穿孔机、电 传机接口
CRT
I/O接口
通信接口
位置控制
速度控制单元
M
总线
图3-5 单微处理器CNC装置组成框图
㈠单微处理器CNC装置组成硬件的作用 ⒈微处理器 微处理器是 CNC 装置的核心，由于所有数控功能 都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理 器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的 限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以 下措施： ⑴采用协处理器； ⑵由硬件完成一部分插补工作； ⑶采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。 经济型CNC装置常采用8位的微处理器芯片或采用 单片机芯片(8位或16位)作为微处理器，一般CNC装置 通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的CNC装置 都采用64位微处理器芯片。
3. 存储器 存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中， 即使断电，程序也不会丢失。常用的EPROM有：2716、 2732、2764、27128、27256、27010等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随 机读写，但断电后信息随即消失。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM 中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断 电后，信息仍保存。
一、CNC装置的硬件构成 CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、 输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。各组成 部分的作用如下： ㈠中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整个系统的运 算、控制和管理。 ㈡存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以 及运算的中间结果等。 ㈢位置控制 主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度 控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。 ㈣输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往 来信息。 ㈤MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在CRT 上。
（二）多微处理器 CNC装置的典型结构 多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用 共享总线和共享存储器两类结构。 ⒈共享总线结构 在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机 框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要 求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。下图 共享总线结构框图。
第三章 CNC系统的软硬件结构
第一节 概述 第二节 CNC装置的硬件结构 一、CNC装置的硬件构成 二、单微处理器结构 三、多微处理器结构 第三节 CNC装置的功能及特点 一、CNC装置的功能 二、CNC装置的特点 第四节 CNC装置的软件结构 一、CNC装置的多任务并行处理 二、CNC装置的软件结构
第一节 概
述
数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序 进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入输 出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控 制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成的 一个系统。 CNC系统的核心是CNC装置，CNC装置的性能决定 数控系统的性能。CNC装置主要用于控制机床的运动,完 成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种曲线加工，CNC 装置都执行同一基本流程，即首先读取零件程序，再进 行程序段的译码和制。下图为CNC装置的基本控制 流程。
（一）多微处理器CNC装置的基本功能模块 模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块 一般有以下六种。 ⒈CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作,主要 包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处 理、系统软硬件诊断等功能。 ⒉CNC插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程 序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度 处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定 值。 ⒊位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实 际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞 后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压， 驱动进给电机。
来自机床的 控制 信号 插补 （CPU2） I/O CPU1 共 享 存储器 CRT （CPU4） 输到机床的 控制 信号 轴控制 （CPU3）
（三）多微处理器结构的特点 为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求， 现代CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是： ⒈ 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展 性。 ⒉ 多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配 置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 ⒊ 系统的集成度和可靠性高。 ⒋ 具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。 ⒌ 能够进行多种语言显示。
㈢ 插补功能
CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时 性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和分辨率 的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精 插补。 进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构 成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧 插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线 插补等。 实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。
输入
译码、预处理
插补
位置控制
电机
第二节 CNC装置的硬件结构 CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计 算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和 接口单元。 CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下 运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。 软件包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由零 件加工程序的输入输出程序、显示程序和诊断程序等组成。 控制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、 插补运算程序和位置控制程序等组成。
5. 位置控制
CNC装置中的位置控制模块和速度控制单元、位置检 测及反馈控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐 标位置控制，包括工作台的前后左右移动、主轴箱的移动 及绕某一直线坐标轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对 数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。
6. I/O接口 对CNC装置来说,由机床向CNC传送的信号称为输入信号， 由CNC向机床传送的信号称为输出信号。输入输出信号的主 要类型有：直流数字输入信号，直流数字输出信号，直流模 拟输出信号，直流模拟输入信号，交流输入信号，交流输出 信号。 直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它 接收、发送模拟量信号的设备。交流信号用于直接 控制功率 执行器件。接口电路的主要任务： ⑴进行电平转换和功率放大。 ⑵为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的信号进行电 气隔离。 ⑶采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之间要接入D/A 和A/D转换电路。 ⑷信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响，会发 生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施 并限制信号的传输距离。
三、多微处理器结构
多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式，即紧耦 合结构和松耦合结构。紧耦合结构中，各微处理器构成处 理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系 统，共享资源。在松耦合结构中，由各微处理器构成功能 模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统， 可以有效地实现并行处理。 多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理 器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。 与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运 算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、 高精度、高效率的数控要求。
⒋存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能 模块间进行数据传送的共享存储器。 ⒌PLC模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信 号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换， 转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。 ⒍指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、 参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各 种接口电路。
第三节 CNC装置的功能及特点
CNC装置采用了微处理器、存储器、接口芯片等，通 过软件实现过去难以实现的许多功能，因此CNC装置的功 能要比过去的NC装置的功能丰富得多，更加便于适应数 控机床的复杂控制要求。 一、CNC装置的功能 数控装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本 功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床 特点和用途进行选择的功能。CNC装置的功能主要反映在 准备功能G指令代码和辅助功能指令代码上。下面简要介 绍以下CNC装置的功能。