第二章--数控系统组成原理
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大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很 高的性价比，也便于机床的一体化设计，但它的硬件功能 不易变动，不利于组织生产。
电力工程技术（china-dianli）
电力工程技术（chinadianli）
图2.2 大板式结构示意图
电力工程技术（china-dianli）
功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做 成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化 在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功 能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。
优点： 结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。 缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整 个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。
电力工程技术（china-dianli）
图2.4 FANUC l5 系统
系统总线为高速32位总线(FANUCBUS)，主CPU为Motorola的68020(32 位)，在PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自 的CPU。
第二章 数控系统组成原理
电力工程技术（china-dianli）
主要内容
计算机数控系统 插补原理及方法 位置检测装置 进给伺服功能 辅助控制系统与PLC 数控机床主轴驱动与控制 加工程序输入及预处理
电力工程技术（china-dianli）
Βιβλιοθήκη Baidu
1、计算机数控系统
数控机床的组成
图2.1 数控机床的组成
电力工程技术（china-dianli）
共享存储器结构型是面向公共存储器来设计的，即采用多端 口来实现各主模块之间的互连和通信，同共享总线结构一样，该 系统在同一时刻也只能允许有一CPU对多端口存储器进行访问(读 ／写)，所以也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛 盾
电力工程技术（china-
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交 换刀具的机械手等部电d件ia力n。l工i）程技术（china-
与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，在 精度、刚度、抗震性等方面要求更高，传动装置的间隙要求 尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，以 满足高定位精度和良好控制性能的要求。
电力工程技术（china-dianli）
计算机数控系统软件
计算机数控系统为典型的实时多任务系统，体系层次如图 2.6所示。
➢ 数控系统电软力工件程特技点术（china-
dianli）
➢ 数控系统软件典型结构
电力工程技术（china-dianli）
数控功能程序 （加工程序译码，刀补处理和插补计算，编辑器，加工模拟
电力工程技术（china-dianli）
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，目前在市场上还 占有很大份额。
如：FANUCO，SIEMENS810，MITSUBISHIM50系列。 软件开放式结构包括三种类型：
PC嵌入NC式 如： FANUC18i\16i系列，SIEMENS840D系列等 NC 嵌入PC式 如：PMAC-NC系统，MAZATROL640CNC系统等 全软件开放式 如：美国MDSI公司的open CNC等
显示CPU：把中央CPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，定时 扫描键盘和倍率开关状态并送中央CPU进行处理；
插补CPU：完成插补运算、位置控制、I／O控制和RS232通信等任务， 还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。
三个CPU之间各有512个字节的公共存储器用于交换信息。
在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置， 间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行 比较，纠正所产生的误差。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 机床的机械部件
包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板 及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润 滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。
由于多端口存储器dia设nli计）较复杂，而且对两个以上的CPU，会 因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一 般采用双端口存储器(双端口RAM)。
电力工程技术（china-dianli）
图2.5 GE的MTCl—CNC系统 中央CPU：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；
电力工程技术（china-dianli）
多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。
共享总线结构型以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严 格定义的标准系统总线上，由于在系统中多个CPU都有权使用系统总 线，而在任一时刻只能允许一个CPU占用总线，因此，必须要有一个 总线仲裁机构来裁定多个CPU同时请求使用系统总线的竞争问题，这 是多主CPU系统的一个重要特征。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 程序载体 及输入\输出装置
编好的数控程序，存放在便于输人到数控装置的一种存储载 体上，它可以是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体， 取决于数控装置的设计类型。
电力工程技术（chinadianli）
输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输 出装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入\ 输出装置有键盘、软驱、RS232接口、USB接口、显示器、发 光指示器、操作控制面板等。
电力工程技术（china-dianli）
并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成 两个或两个以上任务处理的方法。并行处理的实现方式与数控系 统的硬件结构相关，通常有以下方法：
资源分时共享： 对单机系统，采用“分时”来实现多任务的并行处理。其方
法是：在一定的时间长度内，根据系统各任务的实时性要求程度， 规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享 系统的资源。
➢ 单机系统和多机系统
单机系统指整个CNC系统只有一个CPU，它采用集中控制 和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，结 构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻 址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统 的主从结构所取代。
多机系统是指整个CNC系统中有两个或两个以上的CPU， 也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些CPU 间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，多主结构 系统和分布式结构系统。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 数控装置
数控装置是数控机床的核心，它包括CPU、存储器、各 种Ｉ/Ｏ接口、通用输入输出（Ｉ/Ｏ）接口以及相应的软件。
数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、运算和逻辑 处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。这 些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令， 经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、换向 和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑 的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指 令信号等。
用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将 各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的Ｃ ＮＣ系统。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板、Ｐ ＬＣ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。
这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率 高。
电力工程技术（china-dianli）
电力工程技术（china-dianli）
1）主从结构
主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统 的资源(系统存储器，系统总线)有控制和使用权，而其他带有 CPU的功能部件，则无权控制和使用系统资源，它只能接受 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。也即一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从 属地位的结构，称之为主从结构。
系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件，它们对系 统资源都有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合，有集中的 操作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线问题， 通过公共存储器来交换系统信息。
特点：
能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较 复杂的系统功能。
容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继 续工作。
器、键盘等）
图2.6 数控系统软件体系示意图
电力工程技术（china-dianli）
➢ 数控系统软件特点
1）多任务性与并行处理
数控系统任务通常分为两类：管理任务和控制任务。管理任 务指系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、 显示、诊断等；控制任务主要完成译码、刀具补偿、速度预处理、 插补运算、位置控制等任务。
器等）
实时数据库 （如：加工过程
的工艺参数）
图形库
实时管理软件 不依赖硬件部分 （时间、任务和存储器管理，内部通行，任务同步）
实时管理软件 依赖硬件部分 （中断和各种处理芯片管理）
外设驱动软件 （图形显示器、键盘和通
信设备的驱动）
数控硬件、各种设备 （数据存储器、各种处理器、驱动和测量电路、图形显示
从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似， 因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上 是等价的，只是从模块的能力更强而已，因此通常将单机系 统与主从结构系统归为一类。
电力工程技术（china-dianli）
图2.3 单机或主从结构系统
电力工程技术（china-dianli）
2）多主结构系统
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。如：当机床正在加工时(执行控制任务)，CRT要实时显示加 工状态(管理任务) ；在管理任务中也是如此，当用户将程序送人 系统时，CRT便实时显示输入的内容；在控制任务中，为了保 证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制 必须同时不间断执行。
关键在于任务的优先级分配问题和各任务占用CPU的时间 长度问题。
电力工程技术（china-dianli）
图2.7 资源分时共享并行处理图
电力工程技术（china-dianli）
并发处理和流水处理：
在多CPU结构的数控系统中，根据各任务之间的关联程度，可采 用以下两种策略来提高系统处理速度。
其一，如果任务之间的关联程度不高，则可将这些任务分别安排 一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；
电力工程技术（china-dianli）
3）分布结构系统
系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能 模块有自己独立的运行环境(系统总线、存储器、操作系统等)， 功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块间 采用通信方式交换信息。
早期的计算机数控系统都是单机系统，到了20世纪80年代 中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从结 构的系统。目前多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂， 操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数控加工的 大多数要求，故这两种结构的CNC系统较少。
电力工程技术（china-dianli）
计算机数控系统硬件典型结构
➢ 大板式结构和功能模块式结构
按印刷电路板的插接方式进行划分
➢ 单机结构和多机结构
按CPU的个数划分
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
按开放性划分
电力工程技术（china-dianli）
➢ 大板式结构和功能模块式结构
大板式结构的特点是, 一个系统一般都有一块大板，称 为主板。主板上装有CPU、内存、基本轴的位置控制电路 等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组 成CNC系统的核心部分。
将PLC装在数控装置以外，称为独立式PLC；将PLC与 数控装置合为一体，称为内装型PLC。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 伺服系统及位置检测装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机） 组成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。每个作进 给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 可编程程序控制器（PLC）
主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择 交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、 功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件， 以完成指令所规定的动作，此外还有行程开关和监控检测等 开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理。
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图2.2 大板式结构示意图
电力工程技术（china-dianli）
功能模块式结构是将CPU、存储器、输入输出控制分别做 成插件板（称为硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化 在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功 能模块。功能模块间有明确定义的接口，可以进行信息交换。
优点： 结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等。 缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整 个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。
电力工程技术（china-dianli）
图2.4 FANUC l5 系统
系统总线为高速32位总线(FANUCBUS)，主CPU为Motorola的68020(32 位)，在PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自 的CPU。
第二章 数控系统组成原理
电力工程技术（china-dianli）
主要内容
计算机数控系统 插补原理及方法 位置检测装置 进给伺服功能 辅助控制系统与PLC 数控机床主轴驱动与控制 加工程序输入及预处理
电力工程技术（china-dianli）
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1、计算机数控系统
数控机床的组成
图2.1 数控机床的组成
电力工程技术（china-dianli）
共享存储器结构型是面向公共存储器来设计的，即采用多端 口来实现各主模块之间的互连和通信，同共享总线结构一样，该 系统在同一时刻也只能允许有一CPU对多端口存储器进行访问(读 ／写)，所以也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛 盾
电力工程技术（china-
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交 换刀具的机械手等部电d件ia力n。l工i）程技术（china-
与普通机床相比，数控机床传动结构要求更为简单，在 精度、刚度、抗震性等方面要求更高，传动装置的间隙要求 尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻尼，以 满足高定位精度和良好控制性能的要求。
电力工程技术（china-dianli）
计算机数控系统软件
计算机数控系统为典型的实时多任务系统，体系层次如图 2.6所示。
➢ 数控系统电软力工件程特技点术（china-
dianli）
➢ 数控系统软件典型结构
电力工程技术（china-dianli）
数控功能程序 （加工程序译码，刀补处理和插补计算，编辑器，加工模拟
电力工程技术（china-dianli）
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
封闭式结构是早期普遍采用的结构形式，目前在市场上还 占有很大份额。
如：FANUCO，SIEMENS810，MITSUBISHIM50系列。 软件开放式结构包括三种类型：
PC嵌入NC式 如： FANUC18i\16i系列，SIEMENS840D系列等 NC 嵌入PC式 如：PMAC-NC系统，MAZATROL640CNC系统等 全软件开放式 如：美国MDSI公司的open CNC等
显示CPU：把中央CPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，定时 扫描键盘和倍率开关状态并送中央CPU进行处理；
插补CPU：完成插补运算、位置控制、I／O控制和RS232通信等任务， 还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。
三个CPU之间各有512个字节的公共存储器用于交换信息。
在半闭环和闭环伺服驱动系统中，还得使用位置检测装置， 间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行 比较，纠正所产生的误差。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 机床的机械部件
包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板 及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润 滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。
由于多端口存储器dia设nli计）较复杂，而且对两个以上的CPU，会 因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一 般采用双端口存储器(双端口RAM)。
电力工程技术（china-dianli）
图2.5 GE的MTCl—CNC系统 中央CPU：数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入；
电力工程技术（china-dianli）
多主结构系统的形式有：共享总线结构型和共享存储器结构型。
共享总线结构型以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严 格定义的标准系统总线上，由于在系统中多个CPU都有权使用系统总 线，而在任一时刻只能允许一个CPU占用总线，因此，必须要有一个 总线仲裁机构来裁定多个CPU同时请求使用系统总线的竞争问题，这 是多主CPU系统的一个重要特征。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 程序载体 及输入\输出装置
编好的数控程序，存放在便于输人到数控装置的一种存储载 体上，它可以是穿孔纸带、磁卡、磁盘等，采用哪一种存储载体， 取决于数控装置的设计类型。
电力工程技术（chinadianli）
输入装置将数控加工程序等各种信息输入到数控装置，输 出装置用于观察输入内容和数控系统的工作状态。常见的输入\ 输出装置有键盘、软驱、RS232接口、USB接口、显示器、发 光指示器、操作控制面板等。
电力工程技术（china-dianli）
并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成 两个或两个以上任务处理的方法。并行处理的实现方式与数控系 统的硬件结构相关，通常有以下方法：
资源分时共享： 对单机系统，采用“分时”来实现多任务的并行处理。其方
法是：在一定的时间长度内，根据系统各任务的实时性要求程度， 规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享 系统的资源。
➢ 单机系统和多机系统
单机系统指整个CNC系统只有一个CPU，它采用集中控制 和分时处理的方式来实现各种数控功能。其优点：投资小，结 构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻 址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统 的主从结构所取代。
多机系统是指整个CNC系统中有两个或两个以上的CPU， 也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些CPU 间的相互关系的不同又可将其分为：主从结构系统，多主结构 系统和分布式结构系统。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 数控装置
数控装置是数控机床的核心，它包括CPU、存储器、各 种Ｉ/Ｏ接口、通用输入输出（Ｉ/Ｏ）接口以及相应的软件。
数控装置接受输入装置送来的程序，进行编译、运算和逻辑 处理后，输出各种信号控制机床的各个部分进行相应的动作。这 些控制信号包括：各坐标轴的进给量、进给方向和速度的指令， 经伺服驱动系统驱动各执行部件运动；主运动部件的变速、换向 和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑 的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指 令信号等。
用户只要按需要选用各种单元母板及所需功能模板，再将 各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的Ｃ ＮＣ系统。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板、Ｐ ＬＣ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。
这种结构使设计简单，试制周期短，调整维护方便，效率 高。
电力工程技术（china-dianli）
电力工程技术（china-dianli）
1）主从结构
主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统 的资源(系统存储器，系统总线)有控制和使用权，而其他带有 CPU的功能部件，则无权控制和使用系统资源，它只能接受 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。也即一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从 属地位的结构，称之为主从结构。
系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件，它们对系 统资源都有控制或使用权。功能部件之间采用紧耦合，有集中的 操作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线问题， 通过公共存储器来交换系统信息。
特点：
能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较 复杂的系统功能。
容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继 续工作。
器、键盘等）
图2.6 数控系统软件体系示意图
电力工程技术（china-dianli）
➢ 数控系统软件特点
1）多任务性与并行处理
数控系统任务通常分为两类：管理任务和控制任务。管理任 务指系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、 显示、诊断等；控制任务主要完成译码、刀具补偿、速度预处理、 插补运算、位置控制等任务。
器等）
实时数据库 （如：加工过程
的工艺参数）
图形库
实时管理软件 不依赖硬件部分 （时间、任务和存储器管理，内部通行，任务同步）
实时管理软件 依赖硬件部分 （中断和各种处理芯片管理）
外设驱动软件 （图形显示器、键盘和通
信设备的驱动）
数控硬件、各种设备 （数据存储器、各种处理器、驱动和测量电路、图形显示
从硬件的体系结构来看，单机系统与主从结构极其相似， 因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上 是等价的，只是从模块的能力更强而已，因此通常将单机系 统与主从结构系统归为一类。
电力工程技术（china-dianli）
图2.3 单机或主从结构系统
电力工程技术（china-dianli）
2）多主结构系统
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。如：当机床正在加工时(执行控制任务)，CRT要实时显示加 工状态(管理任务) ；在管理任务中也是如此，当用户将程序送人 系统时，CRT便实时显示输入的内容；在控制任务中，为了保 证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制 必须同时不间断执行。
关键在于任务的优先级分配问题和各任务占用CPU的时间 长度问题。
电力工程技术（china-dianli）
图2.7 资源分时共享并行处理图
电力工程技术（china-dianli）
并发处理和流水处理：
在多CPU结构的数控系统中，根据各任务之间的关联程度，可采 用以下两种策略来提高系统处理速度。
其一，如果任务之间的关联程度不高，则可将这些任务分别安排 一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；
电力工程技术（china-dianli）
3）分布结构系统
系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能 模块有自己独立的运行环境(系统总线、存储器、操作系统等)， 功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块间 采用通信方式交换信息。
早期的计算机数控系统都是单机系统，到了20世纪80年代 中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从结 构的系统。目前多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂， 操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数控加工的 大多数要求，故这两种结构的CNC系统较少。
电力工程技术（china-dianli）
计算机数控系统硬件典型结构
➢ 大板式结构和功能模块式结构
按印刷电路板的插接方式进行划分
➢ 单机结构和多机结构
按CPU的个数划分
➢ 封闭式结构和软件开放式结构
按开放性划分
电力工程技术（china-dianli）
➢ 大板式结构和功能模块式结构
大板式结构的特点是, 一个系统一般都有一块大板，称 为主板。主板上装有CPU、内存、基本轴的位置控制电路 等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM 板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组 成CNC系统的核心部分。
将PLC装在数控装置以外，称为独立式PLC；将PLC与 数控装置合为一体，称为内装型PLC。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 伺服系统及位置检测装置
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机） 组成，与机床上的传动和执行部件组成进给系统。每个作进 给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。
电力工程技术（china-dianli）
➢ 可编程程序控制器（PLC）
主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择 交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、 功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件， 以完成指令所规定的动作，此外还有行程开关和监控检测等 开关信号也要经过PLC送到数控装置进行处理。