计算机数控系统(1)

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： n 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 n 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。
n 软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划 分。
n 功能界面划分的准则：系统的性能价格比
n 包括： n 1．加工程序的输入
n 2．译码 n 3．刀具补偿
6．位置处理 7．Ｉ/Ｏ处理 8．显示
n 4．对进给速度进行处理 n 5．插补
9．诊断
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四、CNC的功能
n CNC装置的功能是指满足用户操作和机 床控制要求的方法和手段。数控装置的 功能包括基本功能和选择功能。
n 基本功能——数控系统基本配置的功
输到机床的 控制 信号
轴控制 （CPU3）
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3.CNC的接口
n ⑴纸带的光电阅读机接口 n ⑵输入/输出（I/O）接口
n ①进行必要的信号隔离 n ②进行电平转换和功率放大 n ③数/模和模/数转换
n ⑶通信接口
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二、CNC的软件结构
n 软件与硬件在实现各种功能的特点和关系
n 刀具管理功能 n ——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。 刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功 能使用； 刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时， CNC系统将提示用户更换刀具； CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标 识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
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8．辅助功能(M功能 )
M、S、T
位位位位 控控控控 单单单单 元元元元
D/A转换电路
典型的单微处理器 装置结构框图
速度控制单元 X轴 Y轴 Z轴计算机主数控轴系统(1)
单微处理器CNC特点
n ⑴ CNC装置内只有一个微处理器，对存 储、插补运算、输入/输出控制、CRT显 示等功能实现集中控制分时处理。
n ⑵ 微处理器通过总线与存储器、输入/ 输出控制等接口电路相连，构成CNC装 置。
断
断
断
服
服
服
务
务
务
程
程
程
序
序
序
……
级 中 断 服 务 程 序
……
中断型软件系统结构图
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中断型结构模式的特点
➢任务调度机制：抢占式优先调度。 ➢信息交换：缓冲区。 ➢实时性好。由于中断级别较多（最多可达8
级），强实时性任务可安排在优先级较高的 中断服务程序中。 ➢模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系 统的维护和扩充。
n 单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的 基本结构为基础，微处理器和三总线结构、 I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接 口等；另外还包括了机床的控制部分。
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外部存储 设备接口
RS-232 接口
人机交互 接口
选件 接口
总
CPU
线
ROM RAM
PLC 接口
微机系统 机床的控制部分
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4．固定循环加工功能
n 固定循环功能
n —— 固定循环功能是数控系统实现 典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗 孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。
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5．进给功能 (F功能 )
n 进给功能 n —— 进给速度的控制功能。 进给速度—— 控制刀具相对工件的运动速度，单位 为mm/min。
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
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CNC装置的组成
n 该平台有以下两方面的含义：
提供CNC系统基本配置的必备功能； 在平台上可以根据用户的要求进行
功能设计和开发。
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CNC的硬件系统组成框图
ROM
RAM
IN接口
OUT接口
CPU
80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。
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第三节 CNC的信息处理过程
刀补缓冲区
运行缓冲区
位置反馈
加
工
译
程
序
码
刀 补 处 理
速 度 预 处 理
插 补 处 理
位 控 处 理
伺 服 驱 动
PLC控制
译码缓冲区
插补缓冲区
CNC装置数据转换流程示意图 计算机数控系统(1)
一、输入
主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为r/min。 恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。 C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。
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7．刀具功能及工作台分度功能
➢ 信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部 各子任务之间的。
➢ 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。
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⑶ 中断型软件结构
初始化
中断管理系统（硬件 + 软件）
……
n
0
1
2
级
级
级
中
中
中
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⑶ 多微处理器的CNC结构
n 共享总线结构
n 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。
n 共享存储器结构
n 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。
13．程序编制功能
n 手工编程 n 背景（后台）编程 n 自动编程
n 利用CAM系统，可以在线完成和修 改零件的三维模型图设计，并可以 通过网络直接传给机床进行加工。
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五、CNC的特点
n 1．具有比NC更高的柔性 n 2．具有良好的通用性 n 3．数控功能不断增强和扩展 n 4．可靠性越来越高 n 5．方便了系统的维修和使用 n 6．易于实现机电一体化
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显示
控制
刀具补偿
诊断
I/O
速度处理
位置控制
CNC的任务并行处理示意图
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⑵ 前后台型软件结构
中断执行
前台程序 故障处理 位置控制 插补运算
……
后台程序 译码
刀补处理 速度预处理 输入/输出
显示
循环执行
前后台程序运行关系图
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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。
同步进给速度—— 实现切削速度和进给速度的同步， 单位为 mm/r。
快速进给速度—— 一般为进给速度的最高速度，它 通过参数设定，用G00指令执行快速。
进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定
的进给速度。
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6．主轴的转速功能
n 主轴功能 n —— 数控系统的主轴的控制功能。
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12．输入、输出和通信功能
n 通讯功能 n —— CNC与外界进行信息和数据交换的功能。 n RS232C接口，可传送零件加工程序， DNC接口，可实现直接数控， MAP(制造自动化协议)模块， 网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的 要求。
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第二节 CNC的结构
一、CNC的硬件结构 CNC系统硬件的层次结构
由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。
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1.单微处理器的CNC
n 单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器 作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各 种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完 成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各 种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。
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2020/12/7
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第一节 概 述
n 一、CNC数控机床 n CNC是数控机床的核心。 n CNC数控机床由以下几部分组成：加工
程序、输入/输出设备、CNC装置、可编 程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进 给驱动装置和机床。
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CNC数控机床的组成框图
加工程序
C N
可编程 控制器
主轴驱 动装置
机
C
输入/输出 设备
装 置
进给驱 动装置
床
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CNC数控机床的组成
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二、CNC的组成
n 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、 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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2．点位运动与移动功能(G功能 )
准备功能（G功能）
—— 指令机床动作方式的功能。
如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐
标设定、刀具补偿、基准点返回和固定
循环等。
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3．插补功能
n 插补功能
n —— 插补功能是数控系统实现零件 轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功 能。
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共享总线结构框图
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
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共享存储器结构框图
来自机床的 控制 信号
插补 （CPU2）
I/O CPU1
共享 存储器
CRT （CPU4）
n 辅助功能（M功能） n —— 用于指令机床辅助操作的功 能。 n 如：主轴起停、主轴转向、切削 液的开关或刀库的起停等。
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9．补偿功能
n 补偿功能 刀具半径和长度补偿功能： 实现按零件轮廓编制的 程序控制刀具中心轨迹的功能。 传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补 偿功能。 非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变 形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等， 采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实 施在线补偿。
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10．字符和图形显示功能
n 人机对话功能 n 在CNC装置中这类功能有： 菜单结构操作界面；
零件加工程序的编辑环境；
系统和机床参数、状态、故障信息的显示、 查询或修改画面等。
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11．自诊断功能
n 自诊断功能 n —— CNC自动实现故障预报和故障定位 的功能。 开机自诊断； 在线自诊断； 离线自诊断； 远程通讯诊断。
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1．CNC的软、硬件界面
ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ
程 序
输 入
预 处 理
插 补 运 算
位 置 控 制
速 度 控 制
伺 服 电 机
软件
硬件
位置检测
硬
软件
硬件
件
软件
硬件
软件
硬件
软件和硬件的功能界面几种划分
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2．CNC的软件结构特点
n ⑴ CNC装置的多任务并行处理
输入
译码
插补
n 1.输入过程
外存或通信接口
零件程序存储区
MDI键盘
零件程序缓冲区
MDI缓冲区
n ⑶ 结构简单，易于实现。
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2.多微处理器的CNC n ⑴ 多微处理器CNC的优点
n ① 较高的性价比； n ② 适应能力强； n ③ 可靠性高； n ④ 易于组织规模化生产。
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⑵ 多微处理器的CNC主要功能模块
n ① CNC管理模块 ； n ② CNC插补模块 ； n ③ 位置控制模块 ； n ④ PLC模块 ； n ⑤ 人机接口模块 ； n ⑥ 存储器模块 。
能，即必备功能；
n 选择功能——用户可根据实际要求选
择的功能。
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1．对轴数的控制功能
n 控制功能 n —— CNC能控制和能联动控制的进给轴 数。 n CNC的进给轴分类： n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、 C）； n 基本轴和附加轴（U、V、W）。 n 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂， 编程也越困难。
总线
阅读机 接口
MDI/CRT 接口
位置 控制
其它 接口
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CNC的软件系统组成框图
系统软件
管理软件
程 序
显
诊
输
入
输 出
示
断
控制软件
刀速插位译 具度补置 补控运控 偿制算制码
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三、CNC的工作过程
CNC单元
n 工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过 程。
n 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。它们二者是相 互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下， 由软件来实现部分或大部分数控功能。
n 硬件是基础，软件是灵魂。
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CNC装置的组成
数控加工程序
CNC系统平台
应用软件
控制软件