计算机数控系统概述

接
口
机床 机器人
测量机
......
CNC装置的组成
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。
CNC的硬件系统组成框图
ROM
RAM
IN接口
OUT接口
CPU
总线
源自文库
阅读机 接口
MDI/CRT 接口
位置 控制
其它 接口
CNC的软件系统组成框图
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。
6．主轴的转速功能
主轴功能 —— 数控系统的主轴的控制功能。
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。
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。
3．插补功能
插补功能
—— 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。
4．固定循环加工功能
固定循环功能
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。
五、CNC的特点
1．具有比NC更高的柔性 2．具有良好的通用性 3．数控功能不断增强和扩展 4．可靠性越来越高 5．方便了系统的维修和使用 6．易于实现机电一体化
第二节 CNC的结构
一、CNC的硬件结构 CNC系统硬件的层次结构
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。
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
M、S、T
位位位位 控控控控 单单单单 元元元元
2.多微处理器的CNC
⑴ 多微处理器CNC的优点 ① 较高的性价比； ② 适应能力强； ③ 可靠性高； ④ 易于组织规模化生产。
⑵ 多微处理器的CNC主要功能模块
① CNC管理模块 ； ② CNC插补模块 ； ③ 位置控制模块 ； ④ PLC模块 ； ⑤ 人机接口模块 ； ⑥ 存储器模块 。
键盘
输入输出 设备
计算机 数控 装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
机床
主进辅
运给助
动
传 动
控 制
机机机
构构构
二、CNC的组成
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。
显示
循环执行
前后台程序运行关系图
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。
➢ 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。
—— 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。
5．进给功能 (F功能 )
进给功能 —— 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。
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。
由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。
计算机基本系统
设备支持层
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 ...
1.单微处理器的CNC
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 。
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
三、CNC的工作过程
CNC单元
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。
包括： 1．加工程序的输入
2．译码 3．刀具补偿
6．位置处理 7．Ｉ/Ｏ处理 8．显示
4．对进给速度进行处理 5．插补
3.CNC的接口
⑴纸带的光电阅读机接口 ⑵输入/输出（I/O）接口
①进行必要的信号隔离 ②进行电平转换和功率放大 ③数/模和模/数转换
⑶通信接口
二、CNC的软件结构
软件与硬件在实现各种功能的特点和关系
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。
第二章 计算机数控系统
第一节 概 述 第二节 CNC的结构 第三节 CNC的信息处理过程 第四节 PLC与数控机床的辅助功能 第五节 FANUC数控系统 第六节 开放式CNC 思考题
第一节 概 述
一、CNC数控机床 CNC是数控机床的核心。 CNC数控机床由以下几部分组成：加工
程序终址
2
…
…
…
零件程序n
空白目录区
空白程序区
零件程序存储器的结构示意图
开始
三、译码
读取缓冲器中的字符
定义：译码程序是以程序段为单 位对信息进行处理，把其中的各 种工件轮廓信息（如起点、终点 ，直线和圆弧）、加工速度F和其 它辅助信息（M.S.T）依照计算机 能识别的数据形式，并以一定的 格式存放在指定的内存专用区间 。在译码过程中，还要完成对程 序段的语法检查，若发现语法错 误立即报警。
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。
硬件是基础，软件是灵魂。
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
管理软件 操作系统
硬件
被控设备
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 主轴
单微处理器CNC特点
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。
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。
⑶ 结构简单，易于实现。
⑶ 多微处理器的CNC结构
共享总线结构
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。
共享存储器结构
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。
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
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）
输到机床的 控制 信号
轴控制 （CPU3）
8．辅助功能(M功能 )
辅助功能（M功能） —— 用于指令机床辅助操作的功 能。 如：主轴起停、主轴转向、切削 液的开关或刀库的起停等。
9．补偿功能
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。
7．刀具功能及工作台分度功能
刀具管理功能 ——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。
10．字符和图形显示功能
人机对话功能 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。
11．自诊断功能
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。
方法：解释和编译。 内容：整理和存放。
12．输入、输出和通信功能
通讯功能 —— CNC与外界进行信息和数据交换的功能。 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。
13．程序编制功能
手工编程 背景（后台）编程 自动编程
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。
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
CNC数控机床的组成
计算机数控系统
机床 I/O 电路和装置
操作面板 PLC 主轴伺服单元 主轴驱动装置
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
2．CNC的软件结构特点
⑴ CNC装置的多任务并行处理
输入
译码
插补
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
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
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。
80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。
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
伺服驱动 位控处理 插补处理
速度预处理
刀补处理 译码
加工程序
PLC控制
译码缓冲区
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。
级中断服务程序
2 级中断服务程序 1 级中断服务程序 0级中断服务程序
⑶ 中断型软件结构
初始化 中断管理系统（硬件 + 软件）
……
n
……
……
中断型软件系统结构图
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
插补缓冲区
CNC装置数据转换流程示意图
一、输入
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
送出译码
零件程序的输入过程流程图 2.键盘输入
二、存储
目录区
零件程序区
程序号 程序首址 程序终址
零件 程序
1
零件程序1 零件程序2 零件程序3
程序号 程序首址
零件 程序
… 零件程序I
9．诊断
四、CNC的功能
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。 基本功能——数控系统基本配置的功 能，即必备功能；
选择功能——用户可根据实际要求选 择的功能。
1．对轴数的控制功能
控制功能 —— CNC能控制和能联动控制的进给轴 数。 CNC的进给轴分类： 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、 C）； 基本轴和附加轴（U、V、W）。 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂， 编程也越困难。
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。
软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划 分。
功能界面划分的准则：系统的性能价格比
1．CNC的软、硬件界面
伺服电机 速度控制 位置控制 插补运算
预处理 输入
程序
ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ