机床计算机数控技术

输入
译码、预处理
插补
位置控制
图3-1 CNC装置的基本控制流程
电机
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CNC装置的组成
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大体来讲，CNC装置由硬件和软件两大部分组成。
二、PLC的结构组成和工作原理
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2.工作原理 可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，和
普通计算机一样，都是利用程序进行工作的。 用户程序通过编程器输入到PLC的用户存储器中，CPU
对用户程序循环扫描并顺序执行。 整个工作过程可用下图表示：
读入开关状态
逻辑运算 输出运算结果 图3-4 PLC工作过程
效率降低。 （2）共享存储器结构 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，以供端口使用访问。
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机床计算机数控技术
第三章 CNC装置及其接口
毛军红 教授
润滑理论及轴承研究所 西安交通大学 机械工程学院
2007年4月
概述
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计算机数控装置，简称为CNC装置，它是CNC系统的核心和中枢。 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控制流程：首先 读取零件程序（输入），再进行程序段的译码和预处理（刀具补 偿处理和进给速度处理），然后根据程序段指令，进行插补计算 和位置伺服控制，见图3-1，CNC装置除了执行基本的控制流程外， 还应该具有显示、I/O处理及诊断等功能。
执行部件动作
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第二节 CNC装置的软件结构
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一、前后台型软件结构 二、中断型软件结构 三、基于实时操作系统的软件结构
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二、多微处理器结构的CNC装置
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多微处理器CNC装置一般采用两种结构型式，即紧耦合和松 耦合结构。
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。由于采 用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具 有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。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的 提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效 率的控制要求。
后台程序通过设定标志，前台程序才能插入，进行插补、位置控 制等工作，也就是说，后台程序是通过设定标志来达到对前台程 序的调度和控制的。
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二、PLC的结构组成和工作原理
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1.结构组成 一般由CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩
展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：
第三节 可编程控制器PLC简介
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一、概述 二、PLC的结构组成和工作原理 三、PLC在数控机床上的运用
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一、概述
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具体地讲，CNC装置的组成为：
计算机
硬件（CPU、存储器、总线、I/O设备等） 软件（控制软件和管理软件）
CNC装置的组成
可编程控制器（PLC）
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各种接口
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图3-2中，CPU通过总线与存储器（RAM、EPROM）、 PLC、位置控制器及各种接口相连。
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一、单微处理器结构的CNC装置
一、单微处理器结构的CNC装置
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所有数控功能（如数据的存取、插补运算、输入/ 输出控制、位置控制、故障诊断和信息显示等）由一个 微处理器完成。
有的CNC装置有两个以上的微处理器，但只有一个 微处理器能够控制总线，占有总线资源，其它微处理器 不能控制总线，不能访问主存储器，只能作为一个智能 部件工作，这种构成主从结构的CNC装置，也属于单微 处理器结构，也可称之为主从方式的多微处理器结构。
一、前后台型软件结构
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它适用于集中控制的单微处理器CNC装置。根据各程序的实时性强 弱，分为实时性强的前台程序（为实时中断程序）和实时性弱的 后台程序（主要完成准备工作和管理工作，又称为背景程序）。
后台程序循环运行，在运行的过程中，前台程序不断插入，前后 台程序相互配合，共同完成数控的各项任务。
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二、多微处理器结构的CNC装置
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（1）共享总线结构 总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。 共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现。 缺点是各主模块使用总线时会引起“竞争”而使信息传输
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前后台型软件结构 CNC装置的软件结构 中断型软件结构
实时操作系统软件结构（发展趋势）
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基于实时操作系统的软件结构，系统功能的扩展和修改， 只需将编好号的任务模块程序挂到实时操作系统上即可。 采用该软件结构开发CNC装置，具有良好的开放性和可维 护性。
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CNC系统软件包括管理软件和控制软件，系统软件的特点是： 多任务并行处理，具有实时性。
系统软件由不同功能的程序组成，安排成特定的结构形式， 从而协调有序地工作。
CNC软件可以设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对 各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。常见的CNC软件结构 形式有：
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CNC装置是在硬件的支持下，执行软件来进行工 作的，其控制功能在很大的程度上取决于硬件结构。
按组成CNC装置的印刷电路板的结构特点和插拔 方式的不同，可分为大板式结构和模块化结构两类； 按CNC装置内部微处理器的数量，可分为单微处理器和 多微处理器结构两类。现代CNC装置多为多微处理器模 块化结构。
二、中断型软件结构
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中断型软件结构没有前后台之分，除初始化程序之外，整个 系统程序安排成不同级别中断程序，整个软件是一个大的多 重中断系统。各级中断程序是通过中断信号来调用的，执行 该中断程序的功能。
中断请求信号有两个来源：
硬件中断：由时钟或其他外部设备产生的中断请求
软件中断：由程序产生的中断
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二、多微处理器结构的CNC装置
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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。
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第一节 CNC装置的硬件结构
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一、单微处理器结构的CNC装置 二、多微处理器结构的CNC装置
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第一节 CNC装置的硬件结构
电源模块
输
CPU模块
输
传 感 器
入
出
模 块
系统程序 存储器
CPU
用户程序 存储器
模 块
执 行 机 构
X 外围接口模块
扩展模块
编程器
图3-3 PLC系统硬件框图
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三、基于实时操作系统的软件结构
将通用PC机操作系统（如DOS、Windows等）加上实时内 核（如高速数据处理器DSP），扩展成实时操作系统，在 此基础上开发CNC系统软件。
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一、单微处理器结构的CNC装置
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单微处理器结构的CNC装置，由一个微处 理器CPU通过总线与存储器、PLC、位置控制器 及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的 方式，完成数控各项任务。
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CPU
EPROM
纸带阅读机接口
纸带阅读机
RAM
数控面板 CRT
MDI/CRT 接口
PLC
Baidu Nhomakorabea
串行通信及网络接口
穿孔机、电传机 接口
I/O 接口 位置控制
穿孔机 电传机 机床 速度控制单元
M
图3-2 单微处理器CNC装置组成框图
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随着计算机技术的迅速发展，20世纪70年代出现了采用微计算机技 术制造的一种通用的自动控制系统----可编程控制器（简称PLC）。
小型PLC完全可以取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序 控制、定时等功能；大型高档PLC还具有微型计算机的数据处理、模 拟量调节以及联网通讯等功能。
PLC把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单 易懂、抗干扰能力强等优点相结合，具有通用性强、可靠性高、编 程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点，已广泛用于机械、冶金、 石油、化工、电力、纺织等行业，是目前机电一体化、自动控制领 域的首选控制器件。
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二、多微处理器结构的CNC装置
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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。进一步扩充功能，还可以增加相 应的模块。 （1）CNC管理模块 （2）CNC插补模块 （3）位置控制模块 （4）存储器模块 （5）PLC模块 （6）指令、数据的输入输出及显示模块