第3章-數控系統(tǒng)硬件與軟件1

1、1 數控系統(tǒng)的硬件與軟件數控系統(tǒng)的硬件與軟件 2 數控系統(tǒng)的硬件與軟件數控系統(tǒng)的硬件與軟件 3 CNC裝置是在硬件的支持下，通過執(zhí)行控制軟件來進行裝置是在硬件的支持下，通過執(zhí)行控制軟件來進行 工作的，其控制功能和特點在很大的程度上取決于硬件結構。工作的，其控制功能和特點在很大的程度上取決于硬件結構。 根據機床根據機床控制、安裝控制、安裝要求和要求和經濟經濟性要求不同、隨著電子性要求不同、隨著電子 技術、伺服驅動技術、通信技術的發(fā)展，產生了技術、伺服驅動技術、通信技術的發(fā)展，產生了多種結構形多種結構形 式式的的CNC裝置，不同生產廠家的數控系統(tǒng)，其結構形式也不裝置，不同生產廠家的數控系統(tǒng)，其結構

2、形式也不 盡相同。盡相同。 按照數控系統(tǒng)各部分的功能不同，按照數控系統(tǒng)各部分的功能不同，CNC裝置一般可分為裝置一般可分為 人機接口部分、運動控制部分、人機接口部分、運動控制部分、I/O控制（控制（PLC）、加工程序）、加工程序 的存儲、輸入輸出接口、數據通信接口等部分組成。的存儲、輸入輸出接口、數據通信接口等部分組成。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 3.1.1 CNC裝置的硬件組成及連接裝置的硬件組成及連接 4 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 4 主軸電機主軸電機 伺服電機伺服電機 機床控制面板機床控制面板 Windows NT 系統(tǒng)系統(tǒng) PCU50 NC+PLC

3、驅動驅動 驅動模塊驅動模塊 手輪手輪 I/O接口接口 5 CNC裝置的硬件組成及連接裝置的硬件組成及連接 運動控制運動控制 伺服伺服 驅動驅動 機床機床 PLCPLC 電機電機 程序輸入程序輸入 輸出接口輸出接口 鍵盤、顯示鍵盤、顯示 接口接口 顯示器顯示器/ / 編程鍵盤編程鍵盤 操作面板操作面板 打孔機打孔機/ /紙帶閱讀機紙帶閱讀機 磁帶磁帶/ /磁盤磁盤 U U盤盤/ /網絡網絡 光柵光柵 CNC 通信接口通信接口 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 I/O 6 編程鍵盤：編程鍵盤： 用于程序編輯、參數設置、用于程序編輯、參數設置、 界面操作等。界面操作等。 不產生機床運動，可

4、用緩不產生機床運動，可用緩 沖鍵盤。沖鍵盤。 操作面板：操作面板： 用于操作機床所有運動。所用于操作機床所有運動。所 有按鈕接入有按鈕接入PLCPLC ，部分按鈕還，部分按鈕還 有響應指示燈，通過機床廠家有響應指示燈，通過機床廠家 的梯形圖實現機床的操作。的梯形圖實現機床的操作。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 CNC裝置的人機接口（裝置的人機接口（HMI） 7 CNC裝置的硬件組成及連接裝置的硬件組成及連接 運動控制運動控制 伺服伺服 驅動驅動 機床機床 PLCPLC 電機電機 程序輸入程序輸入 輸出接口輸出接口 鍵盤、顯示鍵盤、顯示 接口接口 顯示器顯示器/ / 編程鍵盤編程鍵

5、盤 操作面板操作面板 打孔機打孔機/ /紙帶閱讀機紙帶閱讀機 磁帶磁帶/ /磁盤磁盤 U U盤盤/ /網絡網絡 光柵光柵 CNC 通信接口通信接口 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 I/O 8 早期的數控系統(tǒng)，只有簡單的早期的數控系統(tǒng)，只有簡單的I/O控制，主要實現主軸、冷控制，主要實現主軸、冷 卻等啟停，機床操作、運動限位等功能。卻等啟停，機床操作、運動限位等功能。 隨著微機和隨著微機和PLC技術的發(fā)展，技術的發(fā)展，PLC成為了數控系統(tǒng)必不可成為了數控系統(tǒng)必不可 少的一個重要組成部分。少的一個重要組成部分。 數控系統(tǒng)的數控系統(tǒng)的PLC有兩種形式，一種是嵌入式有兩種形式，一種是嵌入式

6、PLC，一種是，一種是 獨立式獨立式PLC。 有關有關PLC原理及應用，在第四章詳細介紹。原理及應用，在第四章詳細介紹。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 I/O控制（控制（PLC） 9 CNC裝置的硬件組成及連接裝置的硬件組成及連接 運動控制運動控制 伺服伺服 驅動驅動 機床機床 PLCPLC 電機電機 程序輸入程序輸入 輸出接口輸出接口 鍵盤、顯示鍵盤、顯示 接口接口 顯示器顯示器/ / 編程鍵盤編程鍵盤 操作面板操作面板 打孔機打孔機/ /紙帶閱讀機紙帶閱讀機 磁帶磁帶/ /磁盤磁盤 U U盤盤/ /網絡網絡 光柵光柵 CNC 通信接口通信接口 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置

7、的硬件結構 10 主軸電機的控制通常采樣模擬量作為速度的控制信號，部主軸電機的控制通常采樣模擬量作為速度的控制信號，部 分主軸電機有位置反饋，用以實現主軸的準?；蚵菁y加工功能分主軸電機有位置反饋，用以實現主軸的準停或螺紋加工功能 等。等。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 運動控制運動控制 一一. 主軸電機的控制主軸電機的控制 DAC 主軸伺服主軸伺服 驅動器驅動器 主軸主軸 電機電機 CPU 編碼器編碼器 位置位置 反饋反饋 CNC 11 二、進給運動控制二、進給運動控制 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 1. 步進電機的控制步進電機的控制 脈沖輸出脈沖輸出 接口電路接口

8、電路 驅動器驅動器 步進步進 電機電機 CPUCPU 總總 線線 特點：特點： 1）結構簡單，成本低。）結構簡單，成本低。 2）扭矩較?。┡ぞ剌^小 3）分辨率低，精度不高。）分辨率低，精度不高。 4）開環(huán)控制，容易產生）開環(huán)控制，容易產生“丟步丟步”。 進給運動控制是數控系統(tǒng)的核心，按照伺服系統(tǒng)以及接口進給運動控制是數控系統(tǒng)的核心，按照伺服系統(tǒng)以及接口 不同，運動控制可分為不同，運動控制可分為脈沖位置控制脈沖位置控制、模擬量速度控制方式模擬量速度控制方式、 數字量總線通信控制方式數字量總線通信控制方式。 12 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 2. 直流伺服電機的控制直流伺服電機的控

9、制 位置位置 反饋反饋 伺服伺服 驅動器驅動器 直流直流 伺服電機伺服電機 CPU 本本 地地 總總 線線 DAC 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 編碼器編碼器/ /光柵光柵 13 1）功率（扭矩）大、位置分辨率高。）功率（扭矩）大、位置分辨率高。 2）采用閉環(huán)控制，有控制理論支持，精度高。）采用閉環(huán)控制，有控制理論支持，精度高。 3）電刷電刷易磨損，有易磨損，有“打火打火”現象，最高速度受到限制?，F象，最高速度受到限制。 4）模擬量控制信號抗干擾性不好，且有）模擬量控制信號抗干擾性不好，且有“漂移漂移”現象?，F象。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 直流伺服數控系統(tǒng)的特點：直流伺服數控系統(tǒng)的

10、特點： 14 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 3. 交流伺服電機的控制交流伺服電機的控制 位置位置 反饋反饋 伺服伺服 驅動器驅動器 交流交流 伺服電機伺服電機 CPU 本本 地地 總總 線線 DAC 編碼器編碼器 光柵光柵 測速發(fā)電機測速發(fā)電機 采用數模轉換；采用數模轉換； 一個模擬接口只能連接一個驅動器；一個模擬接口只能連接一個驅動器； 模擬接口只能傳送一種信息且只能單向傳遞；模擬接口只能傳送一種信息且只能單向傳遞； 模擬接口的連接距離有限，且連接線很多。模擬接口的連接距離有限，且連接線很多。 15 位置反饋位置反饋 位置環(huán)位置環(huán) PID控制器控制器 速度速度 控制控制 電流電

11、流 控制控制 速度反饋速度反饋電流反饋電流反饋 插插 補補 譯碼譯碼 預處理預處理 加減速控制加減速控制 位置前饋位置前饋 位置位置 指令指令 刀具補償刀具補償 誤差補償誤差補償 速度前饋速度前饋扭矩前饋扭矩前饋伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 運動控制運動控制 3.2.1 數控系統(tǒng)軟件功能模塊數控系統(tǒng)軟件功能模塊 16 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 4. 交流伺服電機的脈沖控制交流伺服電機的脈沖控制 特點：特點： 1）接口簡單，成本低，抗干擾性能好，不漂移。）接口簡單，成本低，抗干擾性能好，不漂移。 2）解決了步進電機的）解決了步進電機的“丟步丟步”問題，定位精度高。問題，定位精度高。 3）由

12、于交流伺服電機的脈沖控制算法中存在）由于交流伺服電機的脈沖控制算法中存在“滯留脈沖滯留脈沖”，動，動 態(tài)運動控制精度較低。速度越高，跟蹤誤差越大。態(tài)運動控制精度較低。速度越高，跟蹤誤差越大。 脈沖輸出脈沖輸出 接口電路接口電路 交流伺服交流伺服 驅動器驅動器 電機電機CPU 滯留脈沖滯留脈沖 = = 接收的指令脈沖數接收的指令脈沖數 電機旋轉脈沖數電機旋轉脈沖數 n = （滯留脈沖（滯留脈沖/電機每轉脈沖數）電機每轉脈沖數）* 位置環(huán)增益位置環(huán)增益 (r/s) 17 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 5. 總線式控制總線式控制 伺服伺服 驅動器驅動器 伺服伺服 電機電機CPU 本本

13、地地 總總 線線 現場現場 總線總線 接口接口 編碼器編碼器 光柵光柵 伺服伺服 驅動器驅動器 PLC 伺服伺服 電機電機 18 總線式數控系統(tǒng)總線式數控系統(tǒng) 的運動控制的運動控制 插插 補補 譯碼譯碼 預處理預處理 加減速控制加減速控制 位置前饋位置前饋 位置位置 指令指令 刀具補償刀具補償 誤差補償誤差補償 位置反饋位置反饋 位置環(huán)位置環(huán) PID控制器控制器 速度速度 控制控制 電流電流 控制控制 速度反饋速度反饋電流反饋電流反饋 速度前饋速度前饋扭矩前饋扭矩前饋伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 3.2.1 數控系統(tǒng)軟件功能模塊數控系統(tǒng)軟件功能模塊 19 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 4.

14、總線式控制總線式控制 特點：特點： 1）總線式數控系統(tǒng)采用）總線式數控系統(tǒng)采用分布式計算和控制分布式計算和控制，使連接簡單，使連接簡單 及擴展靈活、方便。及擴展靈活、方便。 2）通過）通過高可靠性和高實時性網絡高可靠性和高實時性網絡進行通信與協(xié)調，可以進行通信與協(xié)調，可以 最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能，并盡可能地最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能，并盡可能地減輕減輕PC 主機的負擔主機的負擔，易于提高數控系統(tǒng)的性能。，易于提高數控系統(tǒng)的性能。 3）采用）采用數字量數字量、具有、具有成本低成本低、抗干擾性抗干擾性能好、不漂移的能好、不漂移的 特點。特點。 4）現場總線式的數控系統(tǒng)代表著數控系統(tǒng)硬件未來

15、的）現場總線式的數控系統(tǒng)代表著數控系統(tǒng)硬件未來的發(fā)發(fā) 展方向展方向。 20 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 3.1.2 CNC 系統(tǒng)硬件結構分類系統(tǒng)硬件結構分類 按總體安裝結構分按總體安裝結構分 一體一體式式 一體式一體式 ，分離式，分離式 21 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 一體式數控系統(tǒng)一體式數控系統(tǒng) FANUCOTD數控系統(tǒng)數控系統(tǒng) 22 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 分離分離式式 機床控制面板機床控制面板 NC+PLC 23 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 按印制電路板結構分類按印制電路板結構分類 大板式大板式 ，模塊化，模塊化 大板

16、式結構大板式結構 24 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 模塊化結構模塊化結構 25 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 西門子西門子840D數控系統(tǒng)數控系統(tǒng) 模塊化結構數控系統(tǒng)模塊化結構數控系統(tǒng) 26 單微處理器結構的單微處理器結構的CNC裝置，由一裝置，由一個微處個微處 理器理器CPU通過數據地址總線與存儲器、通過數據地址總線與存儲器、PLC、 位置控制器及各種接口相連，采用集中控制與位置控制器及各種接口相連，采用集中控制與 分時處理的方式，完成數控各項任務。分時處理的方式，完成數控各項任務。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 單微處理器結構的CNC裝置 多微處

17、理器結構的CNC裝置 按裝置中微處理器的數量分按裝置中微處理器的數量分 一、單微處理器結構的一、單微處理器結構的CNCCNC裝置裝置 27單微處理器結構的單微處理器結構的CNC裝置裝置 FPGA CPU RAM 鍵盤鍵盤/顯示顯示 接口接口 串行通信接口串行通信接口 數控面板數控面板 LCD 程序程序 輸入輸入/輸出輸出 接口接口 I/O 接口接口 運動控制運動控制 機床機床 數數 據據 地地 址址 總總 線線網絡接口網絡接口 編程鍵盤編程鍵盤 位置反饋位置反饋 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) EEPROM 接口接口 Nand flash （硬盤）（硬盤） 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 28單

18、單CPU運動控制器的硬件實例運動控制器的硬件實例 滾齒機數控系統(tǒng)的總體方案 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 29 隨著微型計算機技術的發(fā)展，微處理器的性能越來越強，隨著微型計算機技術的發(fā)展，微處理器的性能越來越強，價價 格格越來越低，數控系統(tǒng)各部分功能模塊都開始采用自己的越來越低，數控系統(tǒng)各部分功能模塊都開始采用自己的CUP， 通過數據通信和數據共享技術，實現各功能模塊的協(xié)調工作。通過數據通信和數據共享技術，實現各功能模塊的協(xié)調工作。 大大提高了數控系統(tǒng)的性能和可靠性。大大提高了數控系統(tǒng)的性能和可靠性。 多多CPU結構的結構的CNC裝置，多采樣模塊化結構，具有良好的裝置，多采樣模塊

19、化結構，具有良好的 靈活性靈活性和和擴展性擴展性，且，且結構緊湊、安裝方便結構緊湊、安裝方便。 總線式數控系統(tǒng)是多總線式數控系統(tǒng)是多CPU數控系統(tǒng)的典型代表。數控系統(tǒng)的典型代表。 總線式數控系統(tǒng)通過復雜的總線式數控系統(tǒng)通過復雜的現場總線協(xié)議現場總線協(xié)議，實現各模塊的，實現各模塊的 數據通信和數據共享以及同步控制數據通信和數據共享以及同步控制。 二、多微處理器結構的二、多微處理器結構的CNC裝置裝置 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 30 多微處理器數控系統(tǒng)的多微處理器數控系統(tǒng)的功能模塊功能模塊 1）CNC 管理模塊管理模塊 2）CNC 插補模塊插補模塊 3）PLC 功能模塊功能模塊

20、4）位置控制模塊）位置控制模塊 5）主軸控制模塊）主軸控制模塊 6）操作面板控制及顯示模塊）操作面板控制及顯示模塊 7）主存儲器模塊）主存儲器模塊 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 31 2. 多微處理器數控系統(tǒng)的多微處理器數控系統(tǒng)的結構形式結構形式 1）共享總線結構）共享總線結構 2）共享存儲器結構）共享存儲器結構 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 共享總線結構共享總線結構CNC裝置裝置 32 多微處理器共享存貯器多微處理器共享存貯器CNC裝置裝置 33共享存儲器多微處理器結構的共享存儲器多微處理器結構的CNC裝置裝置 a 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 主主

21、CPU （ARM9） 鍵盤鍵盤/顯示顯示 接口接口 數控面板數控面板 LCD 雙端口雙端口 RAM 數數 據據 地地 址址 總總 線線 編程鍵盤編程鍵盤 運動控制運動控制 模塊模塊 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) PLC CPU I/O 雙端口雙端口 RAM CPU 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 串口串口 CPU串口串口 電氣柜電氣柜 操作臺操作臺 34共享存儲器多微處理器結構的共享存儲器多微處理器結構的CNC裝置裝置 b 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 主主CPU HMI操作面板操作面板 雙端口雙端口 RAM 數數 據據 地地 址址 總總 線線 運動控制運動控制 模塊模塊 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) PLC CPU

22、 I/O 雙端口雙端口 RAM CPU 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 串口串口 電氣柜電氣柜 串口串口 35 1）計算處理速度高。）計算處理速度高。 2）可靠性高。）可靠性高。 3）有良好的適應性和擴展性。）有良好的適應性和擴展性。 4）硬件易于組織規(guī)模生產。）硬件易于組織規(guī)模生產。 3. 多微處理器數控系統(tǒng)的多微處理器數控系統(tǒng)的特點特點 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 36 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 現場總線式數控系統(tǒng)現場總線式數控系統(tǒng) 4. 多微處理器數控系統(tǒng)的多微處理器數控系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展 37 現場總線式的數控系統(tǒng)的特點現場總線式的數控系統(tǒng)的特點： 1） 獨立式獨立式H

23、MI(Human Machine Interface) 常用的常用的獨立式獨立式HMI采用通用（工業(yè)）采用通用（工業(yè)）PC，利用通用操作，利用通用操作 系統(tǒng)（如系統(tǒng)（如Windows、WinCE、Linux等）平臺，構建數控系等）平臺，構建數控系 統(tǒng)的統(tǒng)的HMI，通過串行通信、現場總線與，通過串行通信、現場總線與NC系統(tǒng)相連。系統(tǒng)相連。 利用利用通用軟件平臺通用軟件平臺，軟件開發(fā)方便，并具有一定的開放，軟件開發(fā)方便，并具有一定的開放 性。性。 便于和其它軟件連接（如便于和其它軟件連接（如CAM、網絡等）。、網絡等）。 與與NC的連線簡單，安裝方便。的連線簡單，安裝方便。 3.1 CNC裝置的硬

24、件結構裝置的硬件結構 38 2）操作面板具有）操作面板具有CPU 機床的操作面板，按鈕多，很多按鈕需要響應指示燈，對于機床的操作面板，按鈕多，很多按鈕需要響應指示燈，對于 很多安裝在電器箱中的數控系統(tǒng)來說，很多安裝在電器箱中的數控系統(tǒng)來說，操作面板到操作面板到NC（或（或PLC） 的距離較遠的距離較遠。為簡化連線，操作面板的按鈕和指示燈采用單片機。為簡化連線，操作面板的按鈕和指示燈采用單片機 控制，通過串行通信和控制，通過串行通信和NC相連。大大節(jié)約了連線成本，提高了相連。大大節(jié)約了連線成本，提高了 運行的可靠性。運行的可靠性。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 3）PLC采用獨立采

25、用獨立CPU 嵌入式嵌入式PLC采用系統(tǒng)采用系統(tǒng)CPU，通過分時軟件，實現，通過分時軟件，實現I/O控制功能?？刂乒δ堋?結構簡單，成本低，但控制點數不宜過多，控制程序的執(zhí)行時間結構簡單，成本低，但控制點數不宜過多，控制程序的執(zhí)行時間 不宜過長，否則將影響數控系統(tǒng)的綜合性能。不宜過長，否則將影響數控系統(tǒng)的綜合性能。 因此，對于因此，對于高性能加工中心高性能加工中心，PLC控制點數多，程序量大，控制點數多，程序量大， PLC采用獨立的采用獨立的CPU，設計成獨立的，設計成獨立的PLC(模塊模塊)，通過串行通信或，通過串行通信或 雙端口雙端口RAM和系統(tǒng)和系統(tǒng)CPU實現數據通信和數據共享，進而實現

26、實現數據通信和數據共享，進而實現NC和和 PLC的協(xié)調工作。的協(xié)調工作。 39 4）采用全數字化控制）采用全數字化控制 各伺服驅動器和主軸驅動器采用全數字化控制，其各伺服驅動器和主軸驅動器采用全數字化控制，其CPU 廣廣 泛采用高速泛采用高速DSP，以保證，以保證位置控制、速度控制、矢量變換控位置控制、速度控制、矢量變換控 制、直接轉矩控制制、直接轉矩控制等復雜算法的實現；等復雜算法的實現； 原來返回數控系統(tǒng)的原來返回數控系統(tǒng)的光柵量光柵量現在也反饋到伺服驅動器，在現在也反饋到伺服驅動器，在 伺服驅動器伺服驅動器中實現了閉環(huán)的控制，所有伺服參數中實現了閉環(huán)的控制，所有伺服參數(包括包括電流環(huán)、

27、電流環(huán)、 速度環(huán)、位置環(huán)速度環(huán)、位置環(huán)參數參數)由數控系統(tǒng)由數控系統(tǒng)HMI 設置管理，便于各軸設置管理，便于各軸 伺服匹配。伺服匹配。 5）實時網絡接口）實時網絡接口 各子系統(tǒng)一般自帶實時網絡接口，以免去重新加裝接口的麻各子系統(tǒng)一般自帶實時網絡接口，以免去重新加裝接口的麻 煩。煩?？偩€協(xié)議總線協(xié)議復雜，沒有統(tǒng)一標準。復雜，沒有統(tǒng)一標準。 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 40 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 按硬件的設計與制造方式按硬件的設計與制造方式 傳統(tǒng)專用型數控系統(tǒng)傳統(tǒng)專用型數控系統(tǒng) 開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng) 一、傳統(tǒng)專用型數控系統(tǒng)一、傳統(tǒng)專用型數控系統(tǒng) l硬件

28、由數控系統(tǒng)生產廠家自行開發(fā)，具有很強的專用性；硬件由數控系統(tǒng)生產廠家自行開發(fā)，具有很強的專用性； l經過長時間的使用和改進，經過長時間的使用和改進，質量和性能穩(wěn)定質量和性能穩(wěn)定可靠，目前占領著可靠，目前占領著 大量市場；大量市場； l為了保護各自的權益，為了保護各自的權益，CNC 具有不同的具有不同的編程語言編程語言、非標準的、非標準的 人機接口人機接口、多種、多種實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)、非標準的、非標準的硬件接口硬件接口等；等； lCNC 系統(tǒng)的軟、硬件對用戶都是系統(tǒng)的軟、硬件對用戶都是封閉的。封閉的。 上述缺陷造成了上述缺陷造成了CNC 系統(tǒng)使用和維護的不便，也限制了數控系統(tǒng)使用和維護的

29、不便，也限制了數控 系統(tǒng)的集成和進一步發(fā)展。系統(tǒng)的集成和進一步發(fā)展。 41 二、開放式二、開放式CNC裝置裝置 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 1. 開放式開放式CNC裝置的裝置的特點特點 l開放式數控系統(tǒng)采用通用計算機及其配套模塊組成，使開放式數控系統(tǒng)采用通用計算機及其配套模塊組成，使CNC 系統(tǒng)系統(tǒng)標準化、模塊化；標準化、模塊化； l便 于 系 統(tǒng) 的 智 能 化 （ 操 作 、 編 程 等 ） 、 數 據 共 享便 于 系 統(tǒng) 的 智 能 化 （ 操 作 、 編 程 等 ） 、 數 據 共 享 （CAD/CAE/CAPP/CAM）和系統(tǒng)擴展）和系統(tǒng)擴展(功能擴展、平臺擴展、功

30、能擴展、平臺擴展、 重構重構)，以及系統(tǒng)的，以及系統(tǒng)的系列化、可兼容和升級換代。系列化、可兼容和升級換代。 l可大幅度可大幅度降低系統(tǒng)的研制和制造費用降低系統(tǒng)的研制和制造費用，提高用戶設備和資源，提高用戶設備和資源 的利用率以及數控產品的市場競爭力，滿足現代制造業(yè)發(fā)展的的利用率以及數控產品的市場競爭力，滿足現代制造業(yè)發(fā)展的 需要。需要。 42 3.1 CNC裝置的硬件結構裝置的硬件結構 l PCPC嵌入嵌入NCNC型型 即在傳統(tǒng)的專用數控機床中嵌入即在傳統(tǒng)的專用數控機床中嵌入PCPC技術，技術，PCPC與與 CNCCNC之間用專用總線連接。之間用專用總線連接。如如FANUCFANUC公司的公司

31、的16i/18i/21i16i/18i/21i系統(tǒng)、系統(tǒng)、 Siemens840DSiemens840D系統(tǒng)、系統(tǒng)、Num1060Num1060系統(tǒng)等系統(tǒng)等 l NCNC嵌入嵌入PCPC型型 即運動控制器即運動控制器+PC+PC型型 即在通用即在通用PCPC的擴展槽中的擴展槽中 插入運動控制卡，完全采用以插入運動控制卡，完全采用以PCPC為硬件平臺的數控系統(tǒng)。為硬件平臺的數控系統(tǒng)。如如 華中數控、華中數控、 基于固高基于固高/DELTA TAU/DELTA TAU運動控制卡的數控系統(tǒng)、運動控制卡的數控系統(tǒng)、 日本日本MAZAK MAZAK 公司的公司的MAZATROL640CNCMAZATRO

32、L640CNC。 l 全軟件型全軟件型NCNC 即完全采用即完全采用PCPC的全軟件形式的數控系統(tǒng)。的全軟件形式的數控系統(tǒng)。NCNC的的 全部功能處理全由全部功能處理全由PCPC進行，并通過裝在進行，并通過裝在PCPC擴展槽中的接口卡擴展槽中的接口卡 等進行控制。等進行控制。美國美國MDSI MDSI 公司開發(fā)的公司開發(fā)的Open CNC Open CNC 、德國、德國Power Power Automation Automation 公司的公司的PA8000 NTPA8000 NT。 2. 開放式開放式CNC裝置的裝置的結構形式結構形式 43 數控系統(tǒng)的硬件與軟件數控系統(tǒng)的硬件與軟件 44

33、3.1 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 基本功能基本功能 控制功能、準備功能、插補功能和固定循環(huán)功能、控制功能、準備功能、插補功能和固定循環(huán)功能、進給功能、進給功能、 主軸功能、主軸功能、輔助功能、刀具管理功能、輔助功能、刀具管理功能、補償功能、補償功能、人機對話人機對話 功能、自診斷功能、通信功能等功能、自診斷功能、通信功能等 工作過程工作過程 3.2.1 數控系統(tǒng)軟件功能模塊數控系統(tǒng)軟件功能模塊 45 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 數控裝置數控裝置 控制軟件模塊控制軟件模塊管理軟件模塊管理軟件模塊 運運 動動 控控 制制 工工 作作 循循 環(huán)環(huán) 控控 制制 G 功功 能能

34、 處處 理理 監(jiān)監(jiān) 控控 診診 斷斷 中中 斷斷 控控 制制 P L C 處處 理理 系系 統(tǒng)統(tǒng) 初初 始始 化化 加加 工工 程程 序序 編編 輯輯 鍵盤及顯示鍵盤及顯示 系系 統(tǒng)統(tǒng) 程程 序序 調調 度度 機機 床床 參參 數數 梯梯 形形 圖圖 編編 輯輯 通通 信信 功功 能能 文文 件件 管管 理理 軟件功能模塊軟件功能模塊 46 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 工作循環(huán)控制工作循環(huán)控制 手動手動 按按 鈕鈕 手手 動動 返返 回回 參參 考考 點點 手手 輪輪 手手 動動 譯譯 碼碼 預預 處處 理理 運運 動動 控控 制制 MDI自動自動 段段 執(zhí)執(zhí) 行行 控控 制制

35、 P L C 運動控制運動控制 插插 補補 刀刀 補補 1. 控制軟件模塊控制軟件模塊 47 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 運動控制運動控制 位位 置置 控控 制制 位位 置置 反反 饋饋 加加 減減 速速 控控 制制 監(jiān)控診斷監(jiān)控診斷 伺伺 服服 優(yōu)優(yōu) 化化 伺伺 服服 特特 性性 測測 試試 I/ O 監(jiān)監(jiān) 控控 測測 試試 系系 統(tǒng)統(tǒng) 自自 檢檢 診診 斷斷 機機 床床 狀狀 態(tài)態(tài) 診診 斷斷 PLC處理處理 I/ O 狀狀 態(tài)態(tài) 刷刷 新新 N C 通通 信信 模模 塊塊 梯梯 形形 圖圖 執(zhí)執(zhí) 行行 48 中斷控制中斷控制 中中 斷斷 允允 許許 控控 制制 中中 斷斷

36、 級級 別別 控控 制制 中中 斷斷 向向 量量 中中 斷斷 嵌嵌 套套 中斷程序有固定的程序入口地址（中中斷程序有固定的程序入口地址（中 斷向量），通過特定的硬件觸發(fā)，自動跳斷向量），通過特定的硬件觸發(fā)，自動跳 轉到相應的中斷入口，每個中斷程序相當轉到相應的中斷入口，每個中斷程序相當 與一個獨立運行的程序線程。與一個獨立運行的程序線程。 主控程序可通過中斷允許標志來控制主控程序可通過中斷允許標志來控制 中斷的響應與否。中斷的響應與否。 主程序主程序低級中斷低級中斷高級中斷高級中斷 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 49 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始

37、化 硬硬 件件 初初 始始 化化 機機 床床 參參 數數 讀讀 入入 系系 統(tǒng)統(tǒng) 變變 量量 初初 始始 化化 參參 數數 傳傳 遞遞 硬硬 件件 檢檢 測測 系統(tǒng)程序調度系統(tǒng)程序調度 系系 統(tǒng)統(tǒng) 節(jié)節(jié) 拍拍 控控 制制 中中 斷斷 管管 理理 界界 面面 切切 換換 任任 務務 管管 理理 共共 享享 數數 據據 傳傳 遞遞 2. 管理軟件模塊管理軟件模塊 50 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 機床參數機床參數 軸軸 參參 數數 伺伺 服服 參參 數數 通通 道道 參參 數數 控控 制制 參參 數數 系系 統(tǒng)統(tǒng) 參參 數數 補補 償償 參參 數數 網網 絡絡 通通 信信 軟件軟件

38、 模塊模塊 間數間數 據通據通 信信 多多 CPU 模塊模塊 通信通信 通信功能通信功能 串串 行行 通通 信信 51 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 輸輸 入入 輸輸 出出 文件管理文件管理 打打 開開 關關 閉閉 刪刪 除除 備備 份份 梯形圖編輯梯形圖編輯 梯梯 形形 圖圖 編編 輯輯 譯譯 碼碼 檢檢 查查 傳傳 送送 備備 份份 文文 本本 編編 輯輯 器器 加工程序編輯加工程序編輯 C A M 軟軟 件件 接接 口口 程程 序序 檢檢 查查 運運 動動 軌軌 跡跡 模模 擬擬 52 資源分時共享資源分時共享CPU時間分配圖時間分配圖 資源分時共享資源分時共享：假定假定C

39、NC軟件功能僅分為三個任務：軟件功能僅分為三個任務：插補控制、插補控制、 加減速運算和位置顯示加減速運算和位置顯示。任務的優(yōu)先級。任務的優(yōu)先級為：為：插補控制的最高，插補控制的最高， 加減速運算的其次，位置顯示的最低。系統(tǒng)規(guī)定加減速運算的其次，位置顯示的最低。系統(tǒng)規(guī)定：插補控制每插補控制每 4ms執(zhí)行一次，加減速運算每執(zhí)行一次，加減速運算每8ms執(zhí)行執(zhí)行次，兩個次，兩個任任務都由定務都由定 時中斷激活，當插補控制和加減速運算都不執(zhí)行時便執(zhí)行位置時中斷激活，當插補控制和加減速運算都不執(zhí)行時便執(zhí)行位置 顯示。顯示。 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 多任務的并行處理多任務的并行處理 1）

40、在任一個時刻只有在任一個時刻只有個任務占用個任務占用CPU； 2）從一個時間片從一個時間片(如如8ms或或16ms)來看，來看，CPU并行執(zhí)行了三個任務。并行執(zhí)行了三個任務。 并發(fā)處理和流水處理：并發(fā)處理和流水處理： 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 當各任務間當各任務間關聯(lián)程度不高關聯(lián)程度不高時時,將這些任務分別安排一個將這些任務分別安排一個CPU， 讓其同時執(zhí)行。讓其同時執(zhí)行。 當各任務間當各任務間關聯(lián)程度較高關聯(lián)程度較高時，即一個任務的輸出是另一任時，即一個任務的輸出是另一任 務的輸入時，采用資源重疊的流水線的工作方式處理。務的輸入時，采用資源重疊的流水線的工作方式處理。 53

41、 1譯碼處理、譯碼處理、2刀補處理、刀補處理、3速度處理速度處理 54 3.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 3.2.2 CNC裝置的軟件結構裝置的軟件結構 根據根據CNC裝置的硬件結構形式的不同，裝置的硬件結構形式的不同，CNC裝置的軟件結裝置的軟件結 構也有多種形式。對與多構也有多種形式。對與多CPU結構的結構的CNC裝置，不同模塊其軟裝置，不同模塊其軟 件結構有很大差別。件結構有很大差別。 對于獨立對于獨立HMI部分，由于其承擔了大量、繁瑣的信息顯示、部分，由于其承擔了大量、繁瑣的信息顯示、 參數管理、文件管理、文本輸入等實時性要求不高的工作，通常參數管理、文件管理、文本輸入等實時性要求不高的工作，通常 采用采用多任務操作系統(tǒng)多任務操作系統(tǒng)平臺（可以是非實時操作系統(tǒng)），用高級語平臺（可以是非實時操作系統(tǒng)），用高級語 言編程，應用言編程，應用面向對象面向對象的的模塊化模塊化程序結構。具有一定的程序結構。具有一定的開放性開放性。 如如： NUM1050的的HMI，采用，采用Windows XP操作系統(tǒng)，可同操作系統(tǒng)，可同 時運行時運行HMI程序和其它應用程序（如程序和其它應用程序（如CAM軟件，機床廠家開發(fā)的軟件，機床廠家開發(fā)的 在線測量、網絡傳輸等），具有較好的開放性。在線測量、網絡傳輸等），具有較好的開放性。 西門子西門子840D，采用，采用Wind