第四章计算机数控装置

主CPU 68000
CRT
图形显示 8087
IOC
SSU
ROM RAM
RS232 RS232 位控 位控 位控
机床I/O
其中 OPC– 操作控制器； BAC –总线仲裁控制器； IOC – 输入输出控制器； CAP – 自动编程单元；SSU – 系统支持单元；PMC – 可编程机床控制器
坐标轴 坐标轴 主轴
标志信息 ② CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.位置控制单元 ●对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。
（对主轴的控制一般只包括速度控制） ●C轴位置控制：包括位置和速度控制 ●刀库位置控制（简易位置控制）
进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、 位置控制模板。
交流模 拟伺服
0.1
8.4m/min 15m/min
交流数字伺服 0.01
33.7m/min 60m/min
快速
9.6m/min
15m/min
24m/min
60m/min
240m/min
扩充 功能
用软件扩充数控功能、 刀具补偿，固定循环，
存储器运行
用软件充实人机接口，彩色 显示，会话编程，仿真
32位CPU，高速、高精度加工， 数字伺服，高速主轴，智能化开放
入 忙出
主模块3
入忙 出
图4 .9 串行总线仲裁连接方式
2020/5/21
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
主模块1
总线优 总线 总线优 先权入 忙 先权出
主模块2 入 忙出
主模块3
…
入
忙出
优先权编器码 译器码
2020/5/21
图4 .10 并行总线仲裁连接方式
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
4.2.5 开放式数控装置的体系结构
一、开放式数控系统的产生
随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩 展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系 统。 体系开放化定义（IEEE）：
V
具有在不同的工作平台上均能S 实现系统功能、且可以与其它的系统
8位
16位、32位甚至采用RISC的64位
步进电机、开环 无
直流及交流闭环、全数字交流伺服系统 有内装PC，功能极强的内装PC，甚至有轴控制功能
数码管,简单的CRT字符 显示
无
有字符图形或三维图形显示
RC232C和DNC接口
还可能有MAP通 讯接口和联网功 能
4.1.2 CNC系统的组成
EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是 用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控 制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置 是接口”。
1976年
电子管、继电器，模拟电路 晶体管，数字电路（分立元件） 集成数字电路
内装小型计算机，中规模集成电路
计算机 数控 CNC
第五代
1974年
1979年 1981年 1987年 1991年 1995年
1982年
内装微处理器的NC字符显示，故障自诊断
超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口 人机对话,动态图形显示,实时软件精度补偿,适应机床无人 化运转要求 32位CPU，可控15轴，设定0.0001mm进给速度24m/min，带前 馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。 利用RISC技术64位系统。 微机开放式CNC系统。
2020/5/21
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
1.多微处理机CNC装置的典型结构
总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。
（1）功能模块
1）CNC管理模块
V
S
2）存储器模块
3）CNC插补模块
4）位置控制模块
5）操作控制数据输入、输出和显示模块
6）PLC模块
2020/5/21
2020/5/21
4.1.1 CNC技术的发展
表4·2 数控系统的技术进步状况
年代 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87～90
91
CPU
3000C/2901位片机
16位微处理器
32位微处理器
64位
伺服 驱动
最小 设定 单位
进给 速度
直流模拟伺服 1
高速、高精度型2.1m/min 高速型
1.微处理器和总线 微处理器：运算、控制 总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制 、地 址和数据三总线。
2.存储器 ① 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM） 它们的用途：
2020/5/21
4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构
● 只读存储器（ROM）：系统程序 ● 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、
2020/5/21
4.1.3 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
......
2020/5/21
CNC系统平台
4.1.3 CNC装置的组成和工作原理
1. 硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。
2. 软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称
模拟量 接口
机床 接口
反馈信号 适配器
2020/5/21
XYZCW
图4 .11 MTC1的CNC装置结构框图
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
（4）共享总线和共享存储器型结构
ROM RAM ROM RAM
键盘 纸带机 手摇盘
PMC 68000
CAP 8086+8087
ROM
RAM
OPC
BAC
1） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2）工艺量的补偿 （7）固定循环加工功能
2020/5/21
4.1.4 CNC装置的主要功能和特点
（8）辅助功能（M代码） （9）字符图形显示功能 （10）程序编制功能：手工编程、 在线编程、自动编程 （11）输入、输出和通讯功能 （12）自诊断功能
2.CNC数控装置的特点
（3）共享存储器结构
(16K) EPROM
(2K) 512 EAM K
(26K) RAM
(56K)
512 (2K)
EPROM K
EAM
(16K) EPROM
键盘
(CRT) CPU2
字符 发生器
CRTC
(中央V ) CPUS 1
(插补) CPU3
串口和 收发器
RS232C
并行 接口
反馈脉冲 处理
CRT
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。
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。
2020/5/21
4.1.4 CNC装置的主要功能和特点
1.数控装置的主要功能
（1）控制轴数和联动轴数 （2）准备功能（G功能） （3）插补功能 （4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准 （5）进给功能（ F ）
1）切削进给速度 2) 同步进给速度 3）快速进给速度 4）进给倍率 。 （6）补偿功能
Multi bus （Ⅰ型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长） S-100 bus （可支持16位字长） VERSA bus （可支持32位字长） VME bus （可支持32位字长）
2020/5/21
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
主模块1
总线优 总线 总线优 先权入 忙 先权出
主模块2
2020/5/21
图4 .12 FUNUC11的CNC装置结构框图
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
中断
控制
端口1
存储 控制逻辑
RAM
从机床来的 控制信号
I/O (CPU)
地址和数据 多路转换器
共享存 储器
端口2
插补 (CPU3)
至机床的 控制信号
CRT (CPU2)
轴控制 （COU4）
图4 .13 双端口存储器结构框图 图4 .13多CPU共享存储器框图
3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之
间进行“数据点的密化工作”。
5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位
置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。
6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。
系统
2020/5/21
项目 分辨率 进给速度 联动轴数 主CPU 伺服系统 内装PLC 显示功能 通信功能
2020/5/21
4.1.1 CNC技术的发展
表4·3 数控系统的功能水平
低档
中档
高档
Biblioteka Baidu10 m
1 m
0.1 m
8-15 m/min
15-24 m/min
15-100 m/min
2-3轴
2-4轴或3-5轴以上
专用的）计算机操作系统。
初始化
编辑
存储
系统
程序管理
系统控制软件
录放
管理软件 控制软件
2020/5/21
输
输显
诊译
补速插
位
入
出示
断码
偿度补
控
程
程程
程程
计控程
程
序
序序
序序
算制序
序
图4.1 CNC软件的构成
4.1.3 CNC装置的组成和工作原理
3. 工作原理
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。 简要工作过程： 1）输入：
第4章 计算机数控(CNC)装置
2020/5/21
4.1 概 述
2020/5/21
4.1.1 CNC技术的发展
表4.1数控系统的演变
分类
世代
诞生年代 世界 我国
系统元件及电路构成
硬件数 控NC
第一代 第二代 第三代
第四代
1952年 1959年 1965年
1970年
1958年 1965年 1972年
1）灵活性大 2）通用性强 3）可靠性高 4）可以实现丰富、复杂的功能 5）使用维修方便 6）易于实现机电一体化
2020/5/21
4.2 CNC装置的硬件结构
2020/5/21
4.2.1 CNC装置的硬件构成
CPU
ROM
RAM
IN接口
OUT接口
阅读机 接口
MDI/CRT 接口
位置 控制
其它 接口
ISO(国际标准化组织)的定义:“数控系统是一种控制系统，它自动 阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加 工零件”。
CNC系统与NC系统 数控系统分轮廓控制和点位控制系统。
数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即 数字控制装置。
2020/5/21
4.1.2 CNC系统的组成
4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构
单微处理机数控装置:是以一个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。
单微处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等。 接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部 件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、 穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。
2020/5/21
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
（5）多通道结构
通道结构（Channel Structure），即两种以上程序的并行处理。
2.多微处理机CNC装置结构的V 特点
S
（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
2020/5/21
4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构
（2）共享总线结构
结构与仲裁 主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权VS的排列是按链接位置确定。 并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案
模块之间的通讯：公共存储器 总线：STD bus （支持8位和16位字长）
输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，
通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入
2020/5/21
4.1.3 CNC装置的组成和工作原理
2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机
能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专 用区内。
总线
单微处理器硬件结构图
2020/5/21
4.2.2 CNC装置的体系结构
CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中 高档的CNC装置以多微处理机结构为多。
■ 单微处理机结构:见上图 ■ 多微处理机CNC装置的结构：
1. 主从结构 2. 多主结构 3. 分布式结构 4. 多通道结构
2020/5/21