数控装置的硬件结构与软件(ppt 48页)
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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。
数控机床各组成部分结构及控制原理
F≥0，则进给＋x 若
F<0，则进给＋y
2021/5/28
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用递推法简化计算方法
结论：第一象限
F 0 F 0
x y
F F ye F F xe
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3. 终点判别
总步长法：N X e Ye
单边计数法：N maxXe , Ye
坐标计数法 长边坐标计数法
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迹上伸长或缩短一个刀具半径。
刀具半径补偿进行：
❖ 维持所建立的刀补状态，直至撤消。刀具中心轨迹始 终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。
撤消刀具半径补偿： ❖ 刀具撤离工件，返回起刀点。用G40。
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3.刀具半径补偿计算
直线刀具补偿计算（考虑推导过程） X’＝X+△X Y’＝Y+△Y △X＝r.sinα △Y＝－r.cosα X’＝X+r.Y/（X2+Y2）0.5 Y’＝Y－r.Y/（X2+Y2）0.5
问题：当尖角过渡为内轮廓时，会出现工件的 过切现象。引入C功能刀具半径补偿。
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4. C功能刀具半径补偿
C刀补是为解决上述尖角过渡问题而设计的，专门处理 两个程序段间转接的各种情况。
在C刀补中，为了避免下一段加工轨迹对本段加工轨迹 的影响，在计算本程序段的刀具中心轨迹时，提前将下 一段程序读入，根据它们之间转换的具体情况，做出适 当地处理。
2 数控机床各组成部分的结构及其控制原理
课程内容
❖ 2.1 数控系统的控制原理 ❖ 2.2 计算机数控装置 ❖ 2.3数控机床的位置检测装置 ❖ 2.4 数控机床的进给伺服系统 ❖ 2.5 数控机床的主轴驱动及其机械结构 ❖ 2.6 可编程序控制器在数控机床上的应用
计算机数控装置概述
（1）CNC管理模 块
系统初始化、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。
（2）CNC插补模块
译码、刀具半径补偿、 坐标位移量计算和进给速度处 理等预处理，插补运算。
（2）设置恒定线速度 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 为了提高加工工件的表面质量.
（3）主轴准停 主轴周向定位于特定位置控制的功能。---换刀
7、辅助功能(M)
主要用于指定主轴的正、反转 、停止、冷却液的打开或关闭，换 刀等动作。
8、刀具功能 T
用来选择刀具并且指定有效刀 具的几何参数的地址。
设备层
显示设备
其他设备
计算机系统 输入/出设备
接
口
人机控制 运动控制
PMC 其他I/O
机床 机器人 测量机 ...
计算机基本系统：
CPU
EPROM或 E2PROM
RAM
输入/输出接口
主轴控制 通信接口
MDI接口
PLC接口 CRT
或液晶显示接口 位置控制
纸带阅读机接口
2、CNC装置的软件框图
CNC装置系统软件
集成的要求。
12、自诊断功能 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。
13、人机对话编程功能
➢ 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。
第二节 CNC装置的硬件结构
9、补偿功能
刀具长度及半径补偿； 丝杆的螺距误差和反向间隙误差
的补偿； 可以在加工前输入到机床的存储
单元里,
10、字符图形显示功能
第四讲 机床数控系统的软件
指令重叠执行方式时空图： 指令重叠执行方式时空图：
3．指令的执行方式（4） ．指令的执行方式（ ）
流水的工作方式 流水的工作方式 是重叠工作方式的引申，仍然是基于 并行重叠的工作原理，但重叠的程度进一步提高。 它是将一条指令的执行过程分解为多个子过程（如程序 输入、插补准备、插补运算、位置控制），每个子过程 由独立的功能部件完成，构成一条流水线。 指令序列1、2、3、4相继进入流水线。当第N1条指令指 令序列1从程序输入站流出进入插补准备站时，第N2 条 指令的指令序列1立即进入程序输入站…… 经过流水处理后，虽然一条指令的执行速度并没有提高， 但提高了指令序列的执行速度。亦即从时间∆t4开始，每 个程序段的输出之间不再有间隔从而保证了电动机和刀 具工作的连续性。
1．输入数据处理程序（2） ．输入数据处理程序（ ）
译码程序 在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信 息、加工速度及其他辅助功能信息，这些信息在计算机 作插补运算与控制操作前必须翻译成计算机内部能识别 的语言，这项工作由译码程序完成。 数据处理程序 它一般包括刀具半径补偿、刀具长度补 偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、过象限及进给方向 判断、速度计算、加减速控制以及辅助功能的处理等。 刀具半径补偿是把工件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。 速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动。另 外，诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在 此程序中处理。
数控系统指令控制流程图
3．指令的执行方式（1） ．指令的执行方式（ ）
一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有三种： 顺序方式、重叠方式和流水方式。
3．指令的执行方式（2） ．指令的执行方式（ ）
指令的顺序执行方式 指令的顺序 执行方式 加工指令的执行过程包 括程序输入、插补准备、插补运算、位置控制， 如果每个子过程处理时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、 Δt4， 则 一 个 零 件 程 序 段 的 数 据 转 换 时 间 为 t1=Δt1＋Δt2＋Δt3＋Δt4 对于顺序的执行方式，是将第一个零件程序段处 理完以后再处理第二个程序段，依此类推。 两个程序段的输出之间将有一个时间间隔t1 。
2计算机数控装置的硬件结构
负载为指示灯的典型信号输出出电路（如P157图4.2.11）
大负载驱动输出电路（如P157图4.2.12）
③直流数字输入、输出信号的传送（如P157图4.2.13）
（五）可编程控制器 PC分类：一类是为实现数控机床顺序控制而专门设计 制造的“内装型”PC，另一类是技术要求、功能和参 数能满足数控机床要求的“独立型”PC。 内装型PC（如P159图4.2.14）
独立型（又称通用型PC，不属于CNC装置）PC特点： ①具有完整的功能结构，CPU及其控制电路、系统程序 存储器、用户程序存储器、输入/输出接口电路、与编程 机等外设通讯的接口和电源等； ②采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各种模块 做成独立的模块或印刷电路插板，具有易扩展、安装方 便等优点； ③独立型PC的输入、输出点数可以通过I/O模块或插板的 增减来增减或减少。
2、共享总线结构（如P162图4.2.15） 共享总线结构方案的优点：系统配置灵活、结构简单、容易实现、 造价低。 不足之处：会引起“竞争”，使信息传输率降低，总线一旦出现 故障，会影响全局。
总线仲裁两种方式：串行方式（如P162图4.2.16）、并行 方式（如P163图4.2.17）。
3、共享存储器结构（如P164图4.2.18）
双端口存储器结构（如P166图4.2.20）
微处理器共享存储器采用多端口结构的框图（如 P166图4.2.21）
数值检出器：将二进制数值变成脉冲宽度的线 路称为数值检出器。 方向辨别控制： 原理：数值变为脉宽之后，再经过两个由符号 位信号（ ）控制的与非门，就能辨别出它们 的方向，当数值为正时，符号为0。在二进制计 数器中，使用的是反码，故 ，正向矩形波信号 由G1输出；负值时，由G2输出。
比较放大器：
第3章 数控系统的硬件组成
• 3.2.1 数控系统的结构特点 • 3.2.2 微机系统 • 3.2.3 数控系统的软件结构类型
2013-8-15
3.2.1
数控系统的结构特点
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3.2.2
微机系统
Байду номын сангаас
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3.2.3
数控系统的软件结构类型
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3.3 数控装置的技术特征
• • • • 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 数控装置的特点 数控装置的功能 NC、CNC、SV与PMC的概念 现代数控技术的特征
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图3—1 华中Ⅰ型数控系统硬件结构图
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3－ —11 2 FANUC0i-B FANUCoi 数控系统 图1 数控系统
2013-8-15
图3－3 SIN840C系统
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• 由此可知，设备辅助控制接口的功能必须能完成上述两 个任务：① 即电平的转换和功率放大；② 电气隔离。
2013-8-15
3.1.3．数字逻辑控制模块
2013-8-15
图3—4 PLC 系统基本结构图
2013-8-15
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3.1.4．位置控制模块（伺服系统）
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• • • • •
2．位置控制模块组成原理 位置控制模块由三部分组成，其原理框图如图所示。 （1）速度指令转换部分 （2）位置反馈脉冲回收部分 （3）速度反馈电压转换部分
图3－5 闭环位置控制模块原理框图
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3.2.1
数控系统的结构特点
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3.2.2
微机系统
Байду номын сангаас
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3.2.3
数控系统的软件结构类型
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3.3 数控装置的技术特征
• • • • 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 数控装置的特点 数控装置的功能 NC、CNC、SV与PMC的概念 现代数控技术的特征
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图3—1 华中Ⅰ型数控系统硬件结构图
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3－ —11 2 FANUC0i-B FANUCoi 数控系统 图1 数控系统
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图3－3 SIN840C系统
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• 由此可知，设备辅助控制接口的功能必须能完成上述两 个任务：① 即电平的转换和功率放大；② 电气隔离。
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3.1.3．数字逻辑控制模块
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图3—4 PLC 系统基本结构图
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3.1.4．位置控制模块（伺服系统）
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• • • • •
2．位置控制模块组成原理 位置控制模块由三部分组成，其原理框图如图所示。 （1）速度指令转换部分 （2）位置反馈脉冲回收部分 （3）速度反馈电压转换部分
图3－5 闭环位置控制模块原理框图
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数控系统基本组成PPT课件
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3．多微处理机CNC装置的典型结构
（1）ห้องสมุดไป่ตู้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
.
1．多微处理器系统特点
（1）计算处理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的适应性和扩展性 （4）硬件易于组织规模生产
.
2. 多微处理器系统的基本功能模块
（1) CNC管理模块 （2）存储器模块 （3）CNC插补模块 （4）位置控制模块 （5）操作和控制数据输入输出和显示模块 （6） PLC模块
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。
.
（2）． 多任务并行处理的实现 1） 资源分时共享
初始化
显示
其它
背 景 程 译码 序
I/ O
刀补
位置控制
优
先
级
插补运算
顺
序
背景程序
图4-12 分时共享多任务处理方案
.
2.2 数控系统的分类、性能指标及功能
.
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。
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3．多微处理机CNC装置的典型结构
（1）ห้องสมุดไป่ตู้享总线结构 （2）共享存储器结构
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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
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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
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1．多微处理器系统特点
（1）计算处理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的适应性和扩展性 （4）硬件易于组织规模生产
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2. 多微处理器系统的基本功能模块
（1) CNC管理模块 （2）存储器模块 （3）CNC插补模块 （4）位置控制模块 （5）操作和控制数据输入输出和显示模块 （6） PLC模块
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。
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（2）． 多任务并行处理的实现 1） 资源分时共享
初始化
显示
其它
背 景 程 译码 序
I/ O
刀补
位置控制
优
先
级
插补运算
顺
序
背景程序
图4-12 分时共享多任务处理方案
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2.2 数控系统的分类、性能指标及功能
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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。
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计算机数控装置
人机交互
计算机数控装置将更加注重人 机交互设计，提高操作便捷性
和用户体验。
计算机数控装置的技术创新与突破
多轴联动技术
通过多轴联动技术，计算机数控装置能够 实现复杂形状的高效加工，提高加工效率
和加工质量。
高速高精度控制技术
通过高速高精度控制技术，计算机数控装 置能够实现高速高精度的加工，满足高效 率和高精度的要求。
输入输出模块
负责接收和发送数据，包括与外部设备、传感器等的通信 。
系统管理模块
负责整个系统的资源管理和调度，包括内存管理、任务调 度等。
加工控制模块
负责加工过程的控制，包括刀具路径规划、加工参数设置 等。
数控加工程序的编辑支持各种编程 语言和编程规范，方便用户编写和修 改加工程序。
数控加工过程的控制
根据加工程序和加工参数，控制机床的加工过程，确保加工精度和加工效率。
数控加工过程的调度
根据生产计划和资源状况，合理安排加工任务，优化生产流程，提高生产效率。
04
计算机数控装置的应用与发展
计算机数控装置的应用领域
制造业 计算机数控装置广泛应用于机械 加工、模具制造、汽车制造等领 域，提高了生产效率和加工精度。
计算机数控装置的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，计算 机数控装置将更加智能化，能够
实现自适应控制和自主学习。
高精度
为了满足制造业的高精度需求，计 算机数控装置将继续提高其定位精 度、重复定位精度和加工精度。
网络化
通过网络化技术，计算机数控装置 将实现远程监控、远程编程和设备 间的信息共享，提高生产效率。
智能控制技术
智能控制技术将应用于计算机数控装置中， 实现自适应控制和优化加工过程，提高加 工过程的稳定性和可靠性。
计算机数控装置将更加注重人 机交互设计，提高操作便捷性
和用户体验。
计算机数控装置的技术创新与突破
多轴联动技术
通过多轴联动技术，计算机数控装置能够 实现复杂形状的高效加工，提高加工效率
和加工质量。
高速高精度控制技术
通过高速高精度控制技术，计算机数控装 置能够实现高速高精度的加工，满足高效 率和高精度的要求。
输入输出模块
负责接收和发送数据，包括与外部设备、传感器等的通信 。
系统管理模块
负责整个系统的资源管理和调度，包括内存管理、任务调 度等。
加工控制模块
负责加工过程的控制，包括刀具路径规划、加工参数设置 等。
数控加工程序的编辑支持各种编程 语言和编程规范，方便用户编写和修 改加工程序。
数控加工过程的控制
根据加工程序和加工参数，控制机床的加工过程，确保加工精度和加工效率。
数控加工过程的调度
根据生产计划和资源状况，合理安排加工任务，优化生产流程，提高生产效率。
04
计算机数控装置的应用与发展
计算机数控装置的应用领域
制造业 计算机数控装置广泛应用于机械 加工、模具制造、汽车制造等领 域，提高了生产效率和加工精度。
计算机数控装置的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，计算 机数控装置将更加智能化，能够
实现自适应控制和自主学习。
高精度
为了满足制造业的高精度需求，计 算机数控装置将继续提高其定位精 度、重复定位精度和加工精度。
网络化
通过网络化技术，计算机数控装置 将实现远程监控、远程编程和设备 间的信息共享，提高生产效率。
智能控制技术
智能控制技术将应用于计算机数控装置中， 实现自适应控制和优化加工过程，提高加 工过程的稳定性和可靠性。
计算机数控装置PPT课件
选择功能
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13
3.2 CNC装置的硬件结构
CNC装置硬件结构类型 单机或主从结构模块的功能介绍 多主结构的CNC装置硬件简介
.
14
CNC装置硬件结构类型
按印刷线路板的结构 分
– All-In-One式结构 – 多功能模块式结构
按微处理器的个数分
– 单处理器式 – 多处理器式
按制造方式分
– 该平台提供CNC装置基本配置的必备功能； – 在该平台上可以根据用户的要求进行功能设
计和开发。
.
8
CNC装置的组成和工作原理
数控加工程序
应用软件
控制软件
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC装置. 的系统平台
9
三、CNC装置的工作过程
通过各种输入方式，接受机床加工零件 的各种数据信息，经过CNC装置译码， 再进行计算机的处理、运算，然后将各 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。并进行实时位置反馈控 制，使各个坐标轴能精确地走到所要求 的位置。
.
11
CNC装置的优点
灵活性和通用性
– 功能的修改和扩充、实用性方面
功能丰富
– 插补功能（二次曲线、样条、空间曲面） – 补偿功能（运动精度、随机、非线性）
可靠性高 使用维护方便 易于实现机电一体化
.
12
CNC装置的功能
基本功能
– 控制功能、准备功能、插补功能和固定循环 功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀 具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自 诊断功能、通信功能
第三章 计算机数控装置
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13
3.2 CNC装置的硬件结构
CNC装置硬件结构类型 单机或主从结构模块的功能介绍 多主结构的CNC装置硬件简介
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14
CNC装置硬件结构类型
按印刷线路板的结构 分
– All-In-One式结构 – 多功能模块式结构
按微处理器的个数分
– 单处理器式 – 多处理器式
按制造方式分
– 该平台提供CNC装置基本配置的必备功能； – 在该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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8
CNC装置的组成和工作原理
数控加工程序
应用软件
控制软件
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC装置. 的系统平台
9
三、CNC装置的工作过程
通过各种输入方式，接受机床加工零件 的各种数据信息，经过CNC装置译码， 再进行计算机的处理、运算，然后将各 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。并进行实时位置反馈控 制，使各个坐标轴能精确地走到所要求 的位置。
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CNC装置的优点
灵活性和通用性
– 功能的修改和扩充、实用性方面
功能丰富
– 插补功能（二次曲线、样条、空间曲面） – 补偿功能（运动精度、随机、非线性）
可靠性高 使用维护方便 易于实现机电一体化
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CNC装置的功能
基本功能
– 控制功能、准备功能、插补功能和固定循环 功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀 具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自 诊断功能、通信功能
第三章 计算机数控装置
现代计算机数控装置软、硬件结构概述(ppt 99页)
2019/9/20
现代数控技术
25
第二节 CNC装置的硬件结构
一、分类： （一）、单微处理机结构的数控装置 1、单机系统: 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系
统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。该CPU既要对 键盘输入和CRT显示处理，又要进行译码、刀补计算以及插补等 实时处理，这样进给速度显然受到影响。 2、主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制 和使用权。其它带CPU的功能部件只能接受主CPU的控制命令或数 据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以 从属地位的，故称之为主从结构，也归类于单微处理机结构
处径 处运控 入 控
理补 理算制 输 制
偿
出
图 4-2 CNC 软件系统功能框图
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现代数控技术
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一. CNC装置的组成
3、CNC装置硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂
CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合 理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种 数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条 不紊地进行加工。
系统总线是将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立的装置或功能 部件联系起来，并传送信息的公共通道。由数据总线、地址总线：控制总线 组成。
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现代数控技术
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二.单机或主从结构模块的功能介绍 2、 显示模块(显示卡)
显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用 的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器 所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。
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现代数控技术
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三. CNC装置的功能
计算机数控装置的硬件结构与软件结构PPT(33张)
天津工业大学
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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。
天津工业大学
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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
天津工业大学
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PC+CNC+PLC
天津工业大学
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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。
天津工业大学
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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。
天津工业大学
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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
天津工业大学
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。
天津工业大学
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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。
第三章 计算机数控装置
第三章计算机数控装置第一节概述一、CNC装置软件的功能结构如图3-2所示。
二、CNC装置的功能控制功能（轴数）、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能。
第二节CNC装置的硬件结构一、概述1、单机系统；采用分时处理来实现各种数控功能2、多机系统：有两个或两个以上CPU有一个主CPU有控制和使用系统存储器和系统总结权，其它CPU只能接受主CPU的控制命令或数据二、功能：如图3-5所示1、特点：采用模块化结构，良好的适应性和扩展性、结构紧凑、更换方便2、模块之间的通信a、共享总线：图3-14特点：易实现、经济、效率低b、共享存贮器：图3-15特点：避免防冲突、但扩展较困难三、各模块的作用1、计算机主板和系统总线主板：对输入到CNC装置中的各种数据、信息，进行相应的算术和逻辑运算，CPU芯片及其外围芯片，内存单元、通信接口、软、硬驱动器接口。
系统总线：如图3-7所示，有数据总线、地址总线、控制总线。
2、显示模块：VGA、SVGA3、输入/输出模块（多功能卡）通信接口，RS2324、电子盘（存储模块）作用：如存放系统程序、零件加工程序。
通常采用电子存储器件，即半导体存储器件。
5、设备辅助控制接口模块：如图3-9所示CNC对设备控制：1、轨迹控制：坐标轴的速度和位置；2、顺序控制：对设备动作。
交换的信息：1、开关量信号：行程开关；2、模拟量信号：传感器；3、脉冲量信号。
输入：状态信息→数字信息→计算机输出：满足各种有关执行元件的输入要求。
功率放大（功率匹配）、电气隔离PLC的定义：是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。
6、位置控制模块作用：接受CNC插补运算后输出的位置控制命令，经调节运算输出速度控制指令，然后进行相应的变换后（D/A转换），输出速度指令电压给速度控制单元，去控制伺服电机运行，对于闭环控制或半闭环控制，它还要回收实际位置信号和实际速度信号。
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X值
50
Y值
0
Z值
0
I值
50
J值
0
K值
Байду номын сангаас
100
F值
图4-9 不按字符格式的译码数据存放格式
2． 保留字符格式的存放方法
Struct PROG_BUFFER{char buf_state； //0：空， 1：有数据
int block_num； //程序段号
double COORD[20]； //尺寸字的数值，单位为μm
驱动器数/光纤环
66 42 21
2 4 6 通讯周期 图4-6 每个光纤环路能控制的驱动器个数
图4-7 SERCOS通讯原理
控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：
1． 控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此 同步信息为保证同步通讯的时间基准；
2． 控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同 步数据（Cycle Data）和伺服数据（Serve
图4-11 数控装置的任务
驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循 环的时间可设定为62μs、125μs、250μs或其整数倍。
循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步 通讯为前提。图中的Master表示运动控制器，Slave i表 示连接在控制环路中的第i个伺服驱动器，MST表示同 步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为 控制器发送到网络上的数据。
M
图4-3 单微处理机数控装置的结构图
图4-4 数控装置的物理结构（FANUC-6MB）
三、基于网络的数控装置 图4-5 基于网络的数控系统结构图
数控装置各功能模块间的通讯是按照SERCOS（Serial Communication System）协议进行的。图4-7表示了 SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服
（一）译码
译码就是把用ASCⅡ码编写的零件加工程序翻译成数 控系统要求的数据格式，并存
放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数 据有两种存放格式。
1． 不按字符格式的存放方法 M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.；
高4位 低4位 说明
1
3
G03
2
3
M03
100
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第四章 数控装置
第一节 概 述
一、数控装置的作用 数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其 转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送 给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具 有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能， 直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控 制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的 实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机 床的移动，可以获得较高的位置控制精度。
Data）；
3． 伺服驱动器将要发送的数据送到相应的时 间槽（Time Slots）。通讯按照NRZI编码的HDLC 协议进行。
第三节 数控软件
一、 数控软件的数据转换流程
译
刀补
速度控 位
码
处理
制
置
插补处 控
理
制
位置反 馈
伺服驱 动
PLC 控 制
加工程序
译码缓冲区 刀补缓冲区 运行缓冲区 图4-8 数控装置软件的数据转换流程
（四）插补处理
1． 根据速度倍率值计算本次插补周期的实际 合成位移量；
2． 计算新的坐标位置； 3． 将合成位移分解到各个坐标方向，得到各 个坐标轴的位置控制指令。
插补程序的实时性
（五）位置控制
插补输出 + 指令位置 +
Δx2，Δy2
-
+
-
X2新，Y2新
-
实际位置
位控输出 Δx3，Δy3 + 实际位置增
第二节 数控装置的硬件结构
一、由单片机组成的数控装置
二、单微处理机数控装置
纸带机 RS232 接口 接口
CRT/M DI接口
CPU
手摇轮 接口
ROM 接口
RAM 接口
PLC 接口
MST 功能
位控 单元
D/A
速度 单元
M
位控 单元
D/A
速度 单元
M
位控 单元
D/A
速度 单元
M
主轴 单元
D/A
速度 单元
int F，S； //进给速度和主轴速度
char G_flag； //以标志形式存放的G指令
char G1；
//G指令表
...
char M_flag； //以标志形式存放的M指令
char M1；
//M指令表
...
char T；
//刀具代号
char D；
//刀具半径值
}；
（二）刀补 刀补处理程序主要进行以下几项工作：
位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周 期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，
也可以是插补周期的整数分之一。
二、 数控软件的特点
（一）多任务与并行处理技术 1． 数控装置的多任务性
数控装置
管理
控制
输 I/O 显 诊 通 译 刀 速 插 位
处
具度
置
理
补处
控
入
示断讯 码 偿 理 补 制
X2旧，Y2旧
X1新，Y1新 +
量Δx1，Δy1
X1旧，Y1旧
图4-10 位置控制算法原理
1． 计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + Δx2 Y2新 = Y2旧 + Δy2
2． 计算实际坐标位置 X1新 = X1旧 + Δx1 Y1新 = Y1旧 + Δy1
3． 计算位置控制输出值 Δx3 = X2新 - X1新 Δy3 = Y2新 – Y1新
二、数控装置软件和硬件的功能界面
输
数据
插
位
速
伺服
入
处理
补
控
控
电机
程序
测量
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
硬件
软件
Ⅳ
图4-1 几种典型的软硬件界面的划分
软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现，哪 些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控 装置中所承担的任务。
四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置 产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越 多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强， 使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是 一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在 不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活， 能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的 功能还会逐步增加。
1． 计算本段零件轮廓的终点坐标值； 2． 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段 刀具中心轨迹的终点位置； 3． 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。 （三）速度预处理 速度预处理程序主要完成以下几步计算： 1．计算本程序段总位移量 2．计算每个插补周期内的合成进给量 ΔL=FΔt/60（μm） 式中，F — 进给速度值（mm/min）； Δt — 数控系统的插补周期（ms）。