第四章 CNC装置

入
示
断
讯
码
刀 具 补 偿
速 度 处 理
插
补
位 置 控 制
第三节 CNC装置软件的组成
1、多任务并行处理 （1）CNC系统的多任务性
并行处理，是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两 种以上相同或不同的工作。 下图所示是多任务并行处理示意图。
由此可以知道，CNC要想完成加工任务，那么其软件必须是实时 多任务并行系统。
第三节 CNC装置软件的组成
流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个 子任务，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执 行一个任务，就像在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。
资源重叠流水处理的特征 1、在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务 在并发执行。 2、并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时 间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。
PC连接型CNC PC内藏型CNC CNC内藏型PC 全软件型CNC
第二节
CNC装置的硬件结构
美国NGC(Next Generation Controller) 计划——1987。 日本OSEC（Open System Environment for Controller Architecture）计划—— 1995。 欧盟OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Syste ms）计划——1992 。
应用软件
AO 图形系统 配置系统 AO AO AO AO
系统 软件 硬件
应用程序界面(API) 通信系统 操作系统
AO: Architecture Object 功能元对象
OSACA系统模型
数控系统
人机界面 系统平台
CNC 系统平台
编程接口 界面 CNC
通信接口 局域网 I/O
Fanuc 微机 几乎完全 210i/210is WinCE/NT 封闭 Siemens 微机 几乎完全 840D/840Di Win95/NT 封闭
完全 完全 完全开放 完全开放 开放 开放 以太网 现场总线
第三节 CNC装置软件的组成
一、 CNC装置软、硬件组合类型
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。
第三节 CNC装置软件的组成
资源分时共享技术的特征 1、在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； 2、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是具有宏观上的意义，即从微观上来看， 各个任务还是逐一执行的。
第三节 CNC装置软件的组成
第三节 CNC装置软件的组成
（2）并行处理的概念
定义：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理的 方法。 采用并行处理技术的目的： 1、合理使用和调配CNC系统的资源 2、提高CNC系统的处理速度 并行处理的实现方式： 1、资源分时共享 2、并发处理（流水线处理技术）
第三节 CNC装置软件的组成
(5) 主轴功能 按照S指令要求，控制主轴转动 (6) 刀具功能和第二辅助功能 按照T指令进行换刀。第二辅助功能用来指定 工作台的分度等。
(7) 辅助功能 按照M指令要求，输出开关量。
(8) 字符、图形显示功能 (9) 自诊断功能
第一节 概 述
2、选择功能
(1) 补偿功能 包括刀具半径补偿、长度补偿、丝杠螺母间隙补偿等。 (2) 固定循环功能 由用户选择切削用量和重复次数。 (3)图形显示功能 显示人机对话编程菜单、零件图形、动态模拟刀具轨迹等。 (4) 通信功能 与上级计算机通信。 (5)人机对话编程功能 智能编程。
第二节
CNC装置的硬件结构
3. 从开放程度来划分
（1）专用CNC装置 专用CNC系统价格昂贵，交货时间长，系统结构灵活性很差。机 床厂家和最终用户自己特有的技术不能或只有很少一部分被纳入数控 体系；由于没有统一标准接口，无论是产品升级、服务、更换部件以 及增加新特性，都不得不依赖控制器生产商。
（2）开放式CNC控制器 控制器的功能能够重新配置、修改、扩充和改装甚至重新生成，这 样就对控制器产生了“开放”的要求。控制器制造商希望开放式控制 器具有更高的性能价格比和提高产品竞争力。制造信息的集成化、生 产系统的分散化也促进了控制器的开放。日新月异的互联网技术为控 制器的开放奠定了物质基础。
（3）资源分时共享（对单一资源的系统）
1、在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术； 2、资源分时共享——在规定的时间长度内，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。 3、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。
第二节
CNC装置的硬件结构
CNC控制器是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的，所以其控制功 能在很大程度上取决于硬件结构。
第二节
CNC装置的硬件结构
一、 CNC装置分类 1. 从使用的CPU个数来划分
（1）单CPU结构的CNC控制器
特点: 1、CNC的所有功能都是通过一个微处理器来进行，采用集中控制，分 时处理方式完成任务；这个微处理器通过总线与存储器、输入/输出控 制等各种接口相连，构成CNC的硬件；结构简单，易于实现；正是由 于只有一个微处理器集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度、 寻址能力和运算速度等因素限制。 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。
(3) 预处理 包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能处理。
(4) 插补 插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息 的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入 一些中间点。
(5) 位置控制 它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的 理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机， 进而控制工作台或刀具的位移。
第一节 概 述
1、基本功能
(1) 轴控制功能 (2) 准备功能 (3) 插补功能 (4) 进给功能 •切削进给 •快速进给 指控制器可控制的和可同时控制的轴数。 用来指令机床运动方式的功能，如基本移动、平面选择等。 用来控制刀具实现刀具运动轨迹。 根据工艺要求，按照F指令控制机床各轴的进给速度，包括： •进给倍率 •同步进给
第二节
CNC装置的硬件结构
2. 按CNC装置中各印刷电路板的插接方式分
（1）大板式结构
CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源 单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。
第二节
CNC装置的硬件结构
（2）功能模块式结构 将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示 部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也 是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一 个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成CN C装置。
第二节
CNC装置的硬件结构
开放式CNC定义：
IEEE（国际电气电子工程师协会）规定，所谓开放式数控系统必须 具备不同应用程序协调运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态 重构工具，同时提供统一标准化的应用程序界面。
开放式CNC特征：
可移植性 可互操作性 可缩放性 可相互替代性
当前开放式CNC的组成方式：
第一节 概 述
一、CNC装置的工作过程
(1) 输入 包括两项任务：一是从程序存储介质将零件程序输入到程序存储 器；二是将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中，以便进行 后续处理。
第一节 概 述
(2) 译码 在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息（起点、 终点、直线、圆弧等）、加工速度（F代码）及其它辅助功能 （M、S、T）信息等，译码程序以一个程序段为单位，按一定规 则将这些信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的 格式存放在指定的内存区间。
第一节 概 述
(6) I/O处理 I/O处理主要处理CNC系统和机床之间的来往信号 的输入和输出控制。 (7)显示 CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有：零件 程序显示、参数设置、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示、 刀具加工轨迹动态模拟显示以及在线编程时的图形显示等 。
(8) 诊断
包括：
启动诊断 在线诊断 离线诊断
第一节 概 述
二、CNC装置的功能
CNC装置的主要功能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，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。 CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能，基本 功能是数控系统必须具备的数控功能，选择功能是数控系 统开发商根据用户实际要求提供的可选择的数控功能。
CNC的软硬件界面主要有三种形式，一般根据CNC的功能强弱，成本高低 来选择相应形式。
第三节 CNC装置软件的组成
二、 CNC系统控制软件的结构特点
CNC系统软件除了执行必须的控制任务外，还必须具有管理功能，因 此其软件完成的任务可以按照下图所示划分。 数控装置
管 理
控 制
输
I/O 处 理
显
诊
通
译
多CPU的CNC装置采用两种结构进行模块之间互联与通信。
共享总线结构 典型结构 共享存储器结构
第二节
CNC装置的硬件结构
第二节
CNC装置的硬件结构
多CPU结构的 CNC功能模块一般在设计时，可以根据具体情况合理划分，但 一般都包括下图所示六个基本模块。 CNC管理模块 CNC插补模块 位置控制模块 基本功能模块 存储器模块 PLC模块 输入/输出模块
（4）资源重叠流水处理（对多资源的系统）
在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用 以下两种并行处理技术： 1、若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执 行——并发处理。 2、若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入， 则可采取流水处理的方法来实现并行处理。
完全 几乎 完全开放 完全开放 开放 封闭 以太网 现场总线
完全 完全 完全开放 完全开放 开放 开放 以太网 现场总线
Allen Bradley 9/PC
ISG Open CNC
微机 WinNT
几乎完全 封闭
完全 部分 完全开放 完全开放 开放 开放 以太网 现场总线
微机 WinNT+RTX (Soft-CNC)
机械工程系数控教研室
目录
1. 概述 2. CNC装置的硬件结构 3. CNC装置软件的组成
第一节 概 述
根据EIA定义，CNC系统是借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成 数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置的一种专用计算机 系统。
CNC装置由硬件和软件两大部分组成，硬件是软件活动的舞台，软件是整 个装置的灵魂，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，因此，在CNC装置中，数控功能的实现可依据其控制特性来合理确定软 硬件的比例，可使数控系统的性能和可靠性大大提高。
第二节
CNC装置的硬件结构
第二节
CNC装置的硬件结构
（2）多CPU结构的CNC控制器
特点是每个CPU完成系统规定的一部分功能，独立执行程序，因此 比单CPU结构提高了计算处理速度；多采用模块化设计，将软、硬件模块 形成特定功能模块，可以以积木方式构成CNC，从而缩短设计、制造周期， 并具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑；CPU之间采用紧耦合，有集 中的操作系统，通过总线仲裁器（由硬件和软件组成）来解决总线争用问 题，通过公共存储器来进行信息交换。由于每个CPU分管各自的任务，形 成若干模块，如干某个模块出现故障，其它模块照常工作，提供可靠性。
第三节 CHale Waihona Puke BaiduC装置软件的组成