計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

第4章

計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置2/3/20234.1概

述

2/3/20234.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展表4.1數(shù)控系統(tǒng)的演變分類世代誕生年代系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成世界我國硬件數(shù)控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年電子管、繼電器，模擬電路晶體管，數(shù)字電路（分立元件）集成數(shù)字電路計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC第四代1970年1976年內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中規(guī)模集成電路第五代1974年1982年內(nèi)裝微處理器的NC字符顯示，故障自診斷

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大規(guī)模集成電路，大容量存儲(chǔ)器，可編程接口，遙控接口人機(jī)對(duì)話,動(dòng)態(tài)圖形顯示,實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償,適應(yīng)機(jī)床無人化運(yùn)轉(zhuǎn)要求32位CPU，可控15軸，設(shè)定0.0001mm進(jìn)給速度24m/min，帶前饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化系統(tǒng)。利用RISC技術(shù)64位系統(tǒng)。微機(jī)開放式CNC系統(tǒng)。2/3/20234.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片機(jī)16位微處理器32位微處理器64位伺服驅(qū)動(dòng)直流模擬伺服交流模擬伺服交流數(shù)字伺服最小設(shè)定單位10.10.01進(jìn)給速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min高速型15m/min

60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min擴(kuò)充功能用軟件擴(kuò)充數(shù)控功能、刀具補(bǔ)償，固定循環(huán)，存儲(chǔ)器運(yùn)行用軟件充實(shí)人機(jī)接口，彩色顯示，會(huì)話編程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，數(shù)字伺服，高速主軸，智能化開放系統(tǒng)表4·2數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步狀況

2/3/20234.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展表4·3數(shù)控系統(tǒng)的功能水平

項(xiàng)目低檔中檔高檔分辨率

101

0.1進(jìn)給速度

8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯(lián)動(dòng)軸數(shù)

2-3軸

2-4軸或3-5軸以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)、開環(huán)直流及交流閉環(huán)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)內(nèi)裝PLC無有內(nèi)裝PC，功能極強(qiáng)的內(nèi)裝PC，甚至有軸控制功能顯示功能數(shù)碼管,簡單的CRT字符顯示有字符圖形或三維圖形顯示通信功能無RC232C和DNC接口還可能有MAP通訊接口和聯(lián)網(wǎng)功能2/3/20234.1.2CNC系統(tǒng)的組成

EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會(huì))所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的定義:“CNC是用一個(gè)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲(chǔ)器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口”。

ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件”。

CNC系統(tǒng)與NC系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點(diǎn)位控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計(jì)算機(jī)，即數(shù)字控制裝置。2/3/20234.1.2CNC系統(tǒng)的組成

從自動(dòng)控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量、速度為控制對(duì)象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

CNC系統(tǒng)平臺(tái)硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

硬件結(jié)構(gòu):CPU，存儲(chǔ)器，總線、外設(shè)等。軟件結(jié)構(gòu)：是一種用于零件加工的、實(shí)時(shí)控制的、特殊的（或稱專用的）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

系

統(tǒng)初始化系統(tǒng)控制軟件程序管理編輯存儲(chǔ)錄放管理軟件控制軟件輸入程序輸出程序顯示程序診斷程序譯碼程序補(bǔ)償計(jì)算速度控制插補(bǔ)程序位控程序圖4.1CNC軟件的構(gòu)成

2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

3.工作原理

通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個(gè)坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)。并進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。

簡要工作過程：

1）輸入：輸入內(nèi)容——零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式——穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入，通訊接口輸入及連接上級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

2）譯碼：以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。

4）插補(bǔ)：插補(bǔ)的任務(wù)是通過插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號(hào)輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。

2/3/2023

4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)

1.數(shù)控裝置的主要功能（1）控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)（2）準(zhǔn)備功能（G功能）（3）插補(bǔ)功能（4）主軸速度功能：主軸轉(zhuǎn)速的編碼方式、恒定線速度、主軸定向準(zhǔn)（5）進(jìn)給功能（F）

1）切削進(jìn)給速度2)同步進(jìn)給速度3）快速進(jìn)給速度4）進(jìn)給倍率。（6）補(bǔ)償功能

1）刀具長度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償

2）工藝量的補(bǔ)償（7）固定循環(huán)加工功能

2/3/2023

4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)（8）輔助功能（M代碼）（9）字符圖形顯示功能（10）程序編制功能：手工編程、在線編程、自動(dòng)編程（11）輸入、輸出和通訊功能（12）自診斷功能2.CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

1）靈活性大

2）通用性強(qiáng)

3）可靠性高

4）可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能

5）使用維修方便

6）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化2/3/20234.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.2.1CNC裝置的硬件構(gòu)成

CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖2/3/2023

CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)分為：單微處理機(jī)和多微處理機(jī)系統(tǒng)，中高檔的CNC裝置以多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)為多。

■單微處理機(jī)結(jié)構(gòu):見上圖

■多微處理機(jī)CNC裝置的結(jié)構(gòu)：

1.主從結(jié)構(gòu)

2.多主結(jié)構(gòu)

3.分布式結(jié)構(gòu)

4.多通道結(jié)構(gòu)

4.2.2CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

2/3/2023單微處理機(jī)數(shù)控裝置:是以一個(gè)CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲(chǔ)器和各種接口相連接，采取集中控制、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個(gè)任務(wù)。單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)：微處理器、存儲(chǔ)器、總線、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器（PC）、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)接口，以及其它選件接口等。1.微處理器和總線微處理器：運(yùn)算、控制總線：CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。2.存儲(chǔ)器

①只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）

它們的用途：

4.2.3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)2/3/2023

●只讀存儲(chǔ)器（ROM）：系統(tǒng)程序

●隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息

②CMOSRAM或磁泡存儲(chǔ)器：加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)3.位置控制單元

●對(duì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制（包括位置和速度控制）。（對(duì)主軸的控制一般只包括速度控制）

●C軸位置控制：包括位置和速度控制

●刀庫位置控制（簡易位置控制）進(jìn)給軸位置控制的硬件：大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片、位置控制模板。

4.2.3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS1.多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu):共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及混合型結(jié)構(gòu)。

（1）功能模塊

1）CNC管理模塊

2）存儲(chǔ)器模塊

3）CNC插補(bǔ)模塊

4）位置控制模塊

5）操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊

6）PLC模塊

2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS（2）共享總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)與仲裁

主模塊與從模塊總線仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行總線仲裁方式：優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定。并行總線仲裁方式：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案

模塊之間的通訊：公共存儲(chǔ)器

總線：STDbus（支持8位和16位字長）

Multibus（Ⅰ型支持16位字長，Ⅱ型支持32位字長）

S-100bus（可支持16位字長）

VERSAbus（可支持32位字長）

VMEbus（可支持32位字長）

2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.9串行總線仲裁連接方式主模塊1主模塊2主模塊3總線優(yōu)先權(quán)入總線優(yōu)先權(quán)出總線忙入忙出入忙出2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.10并行總線仲裁連接方式主模塊1總線優(yōu)總線總線優(yōu)先權(quán)入忙先權(quán)出主模塊3入忙出譯器碼主模塊2入忙出優(yōu)先權(quán)編器碼…2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（3）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

VS圖4.11MTC1的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2鍵盤(中央)CPU1(插補(bǔ))CPU3串口和收發(fā)器CRTCCRT

字符發(fā)生器并行接口反饋脈沖處理反饋信號(hào)適配器機(jī)床接口模擬量接口RS232CXYZCW2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（4）共享總線和共享存儲(chǔ)器型結(jié)構(gòu)

圖4.12FUNUC11的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖鍵盤紙帶機(jī)手搖盤PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM圖形顯示8087OPCCRT機(jī)床I/O坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸主軸其中OPC–操作控制器；BAC–總線仲裁控制器；IOC–

輸入輸出控制器；

CAP–

自動(dòng)編程單元；SSU–

系統(tǒng)支持單元；PMC–

可編程機(jī)床控制器2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.13雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖圖4.13多CPU共享存儲(chǔ)器框圖端口1存儲(chǔ)控制邏輯地址和數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存儲(chǔ)器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制（COU4）插補(bǔ)(CPU3)端口2中斷控制從機(jī)床來的控制信號(hào)至機(jī)床的控制信號(hào)2/3/20234.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS（5）多通道結(jié)構(gòu)

通道結(jié)構(gòu)（ChannelStructure），即兩種以上程序的并行處理。2.多微處理機(jī)CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）計(jì)算處理速度高（2）可靠性高（3）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性（4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS一、開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的需求，需要一種靈活（功能可組、可擴(kuò)展、可添加）的開放式數(shù)控系統(tǒng)，打破當(dāng)前的“封閉式的”數(shù)控系統(tǒng)。體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺(tái)上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)：■系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征■允許通過對(duì)構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成構(gòu)造，應(yīng)該是可移植的和透明的；2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS二、開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點(diǎn)向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗；2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個(gè)方法，從低級(jí)控制器開始，逐步提高，直到達(dá)到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強(qiáng)市場供應(yīng)能力和競爭能力。2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS三、開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS

四、國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展

1.幾大研究計(jì)劃美國：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計(jì)劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)計(jì)劃日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)劃華中I型——基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)——基于PC的多機(jī)CNC開放體系結(jié)構(gòu)2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS2.開放程度：1）CNC可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件2）用戶操作界面的開放。3）NC內(nèi)核的深層次開放(①PC+實(shí)時(shí)硬插件；②PC+實(shí)時(shí)軟中斷)。3.開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：1）在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、先進(jìn)、適銷的經(jīng)濟(jì)、合理的開放式數(shù)控系統(tǒng)。2）主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率（高速）高自動(dòng)化加工的需求。3）網(wǎng)絡(luò)化2/3/20234.2.6點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)VSVS1.點(diǎn)位/直線控制的一般概念（單軸數(shù)控）

用于鉆床、鏜床、機(jī)能簡單的車床

點(diǎn)位控制只控制刀具相對(duì)應(yīng)于工件定位，由某一定位點(diǎn)向下一定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行切削，對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。

直線控制刀具沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)，并對(duì)工件進(jìn)行切削加工。在加工過程中不但要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)。2/3/20234.2.6點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)2.點(diǎn)位/直線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)顯示進(jìn)給脈沖發(fā)生器M、S、T寄存控制加減速及停止判斷伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)床測量輸入譯碼位置計(jì)數(shù)與比較F圖4.16點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)2/3/20234.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.CNC裝置軟件硬件的界面

圖4.17三種典型的軟硬件界面關(guān)系紙帶輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)位控紙帶輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)位控速控電機(jī)測量第一種第二種第三種硬件硬件軟件硬件硬件軟件軟件硬件硬件2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS

2.系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）

管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。

控制部分：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。

管理方式：單微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺(tái)型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元

2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.多任務(wù)并行處理

（1）CNC裝置的多任務(wù)性

圖4.18CNC裝置軟件任務(wù)分解圖4.19軟件任務(wù)的并行處理CNC裝置管理控制輸入顯示位控診斷I/O插補(bǔ)位控譯碼刀補(bǔ)速度處理輸入I/O處理顯示診斷通訊譯碼刀具補(bǔ)償速度處理位置控制插補(bǔ)2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS（2）并行處理

并行處理：

是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。

并行處理的分類：“資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊”和“資源共享”。

資源共享：

根據(jù)“分時(shí)共享”的原則，使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。

時(shí)間重疊：

根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS1）資源分時(shí)共享并行處理（對(duì)單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。資源分時(shí)共享——在規(guī)定的時(shí)間長度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問題。其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長度，即

時(shí)間片的分配問題。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS診斷I/O處理輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備顯示初始化插補(bǔ)位控鍵盤

中斷級(jí)別高中斷級(jí)別低資源（CPU）分時(shí)共享圖2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS資源分時(shí)共享技術(shù)的特征在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。

因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS

2)并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多資源的系統(tǒng)）

在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行——并發(fā)處理；若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS

流水處理技術(shù)的涵義流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)(任務(wù)的分法與資源重復(fù)的多少有關(guān))，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

流水處理技術(shù)示意圖

VSVS并行處理1231232tt空間時(shí)間順序處理輸出輸出CPU1時(shí)間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU32/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時(shí)刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3）并行處理中的信息交換和同步在CNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號(hào)指針來實(shí)現(xiàn)的。

圖4.22CNC裝置通過緩沖區(qū)交換信息框圖紙帶緩沖存儲(chǔ)區(qū)譯碼緩沖存儲(chǔ)區(qū)插補(bǔ)緩沖存儲(chǔ)區(qū)插補(bǔ)工作存儲(chǔ)區(qū)插補(bǔ)輸出存儲(chǔ)區(qū)紙帶譯碼插補(bǔ)準(zhǔn)備交換插補(bǔ)2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖4.23紙帶讀寫同步說明--讀指針R--寫指針WMVSVS進(jìn)口W=(W+1)Mod(M)寫第一個(gè)字符到紙帶緩沖寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口停光電機(jī)進(jìn)口出口啟動(dòng)光電機(jī)R=(R+1)Mod(M)從紙帶緩沖存儲(chǔ)區(qū)讀出一個(gè)字符(R-W)Mod(M)=1?2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

VSVS

4.實(shí)時(shí)中斷處理

（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型

1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。

2）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。

3）硬件故障中斷種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。

4）程序性中斷程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。

（2）CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式

1）前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

背景程序初始化實(shí)施中斷程序2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理VSVS

1.零件程序的輸入

零件程序的輸入包括兩方面的內(nèi)容:1）從閱讀機(jī)、鍵盤輸入到零件程序存儲(chǔ)器。

2）從零件程序存儲(chǔ)器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲(chǔ)區(qū)）。

圖4.25輸入過程閱讀機(jī)零件程序存儲(chǔ)器MDI鍵盤零件程序緩沖區(qū)MDI緩沖區(qū)譯碼2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理VSVS2.數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序又叫插補(bǔ)準(zhǔn)備程序，包括譯碼、刀補(bǔ)（運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算）、輔助功能處理和進(jìn)給速度計(jì)算等部分。另外，還包括諸如換刀、主軸啟停、冷卻液開、閉等輔助功能。

（1）譯碼定義：譯碼程序是以程序段為單位對(duì)信息進(jìn)行處理，把其中的各種工件輪廓信息（如起點(diǎn)、終點(diǎn)，直線和圓?。?、加工速度F和其它輔助信息（M.S.T）依照計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)間。在譯碼過程中，還要完成對(duì)程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯(cuò)誤立即報(bào)警。方法：解釋和編譯。內(nèi)容：整理和存放。1）不按字符格式的整理與存放方法。

2）保留字符格式的整理與存放。2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理（2）刀具補(bǔ)償

定義：將編程時(shí)工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡數(shù)據(jù)。種類：長度補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償。

1）B功能刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算◆直線加工時(shí)刀具補(bǔ)償圖4.28直線刀具補(bǔ)償

VSVSYXA(x,y)A’(x’,y’)?y?xOO’?r2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理◆圓弧加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償YO

圖4.29圓弧刀具半徑補(bǔ)償rXA′(x0′,Y0′)B′(xe′,Y

e′)B(Xe,,ye)A(X0,,Y0)KRΔXΔYαα2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

*B功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題

VSVS

圖4.30B刀補(bǔ)的交叉點(diǎn)和間斷點(diǎn)A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

2）C功能刀具半徑補(bǔ)償處理兩個(gè)程序段間轉(zhuǎn)接（即尖角過渡）的各種情況。圖4.31由NC到CNC刀補(bǔ)的改進(jìn)措施工作寄存器AS輸出寄存器OS緩沖寄存器BS工作寄存器AS輸出寄存器OS緩沖寄存器BS刀具補(bǔ)償緩沖區(qū)CS工作寄存器AS輸出寄存器OSa)NC方式b)改進(jìn)的NC方式c)CNC方式2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

圖4.32G41直線與直線轉(zhuǎn)接情況VSVS縮短型縮短型插入型插入型伸長型2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS

1.進(jìn)給速度計(jì)算開環(huán)系統(tǒng):

速度通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。速度計(jì)算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng):

采用數(shù)據(jù)采樣方法進(jìn)行插補(bǔ)加工速度計(jì)算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長。

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS

（1）開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)給速度的計(jì)算

脈沖的頻率決定進(jìn)給速度。

（4.7）為脈沖當(dāng)量，單位：mm，則（4.8）兩軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，各坐標(biāo)軸速度為:

合成速度（即進(jìn)給速度）V為（4.9）

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

（2）半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算:

確定一個(gè)采樣周期的輪廓步長和各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步長。直線插補(bǔ)速度計(jì)算：a)程序段投影

Lx=xe′-x0′Ly=ye′-y0′

b)直線方向余弦

cosα=Lx/Lcosβ=Ly/Lc)一個(gè)插補(bǔ)周期的步長（ΔL

）

ΔL=（1/60）F·Δt，速度F單位：mm/min，插補(bǔ)周期Δt單位：ms，

ΔL單位:μmd)各坐標(biāo)軸在一個(gè)采樣插補(bǔ)周期的運(yùn)動(dòng)步長Δx=ΔL·cosα=Fcosα·Δt/60(μm)Δy=ΔL·sinα=Fsinα·Δt/60=ΔL·cosβ=Fcosβ·Δt/60(μm)VSVSYYOOXXXXYYA(X0,Y0)ABB(Xe

,Ye)A′(X0′,Y0′)B′(Xe

′,Ye′)A′B′βαLLXLY2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS圓弧插補(bǔ)時(shí)速度計(jì)算（插補(bǔ)原理不同，計(jì)算方法也不同）

步長分配系數(shù)（速度系數(shù)）

JIXYOAOEAi-1AiC(IO,JO)?Xi?YiαiαIi-1Ji-1R2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS2.進(jìn)給速度控制

常用的控制方法：計(jì)時(shí)法

用于脈沖增量插補(bǔ)。時(shí)鐘中斷法用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù)，達(dá)到速度控制的目的。積分法

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS（1）程序計(jì)時(shí)法原理用途：點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)。脈沖增量?？者\(yùn)轉(zhuǎn)等待時(shí)間越短，發(fā)出進(jìn)給脈沖頻率越高，速度就越快。每次插補(bǔ)運(yùn)算后

的等待時(shí)間插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間進(jìn)給速度要求的進(jìn)給脈沖間隔時(shí)間2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS（2）時(shí)鐘中斷法

原理：求一種時(shí)鐘頻率，用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù)。

適用：脈沖增量插補(bǔ)原理（3）設(shè)置V/ΔL積分器方法

DDA插補(bǔ)方法中，速度F代碼是用進(jìn)給速度數(shù)（FRN）給定的。將FRN作為與坐標(biāo)積分器串聯(lián)之速度積分器的被積函數(shù)，使用經(jīng)計(jì)算得到的累加頻率，可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃俣确e分器溢出頻率。將它作為坐標(biāo)積分器的累加頻率，就能使DDA插補(bǔ)器輸出的合成速度保持恒定。2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS3.數(shù)據(jù)采樣原理CNC裝置的加、減速控制加減速控制目的：保證機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩

方法：插補(bǔ)前加減速控制插補(bǔ)后加減速控制

瞬時(shí)速度與穩(wěn)定速度V=THK/(60?1000)加減速曲線指數(shù)加減速線性加減速鐘形加減速

S曲線加減速2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS插補(bǔ)前加減速控制

插補(bǔ)后加減速控制

原理對(duì)合成速度（程編指令速度F）進(jìn)行控制

對(duì)各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別進(jìn)行加減速控制

優(yōu)點(diǎn)不影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度

不需預(yù)測減速點(diǎn)，在插補(bǔ)輸出為0時(shí)，開始減速，并通過一定的時(shí)間延遲逐漸靠近程序段終點(diǎn)。

缺點(diǎn)需預(yù)測減速點(diǎn)，這要根據(jù)實(shí)際刀具位置與程序段之間距離來確定，計(jì)算工作量大。

合成位置可能不準(zhǔn)確，但這種影響只在加減速過程，進(jìn)入勻速狀態(tài)后，這種影響就不存在了。

2/3/20234.3.4插補(bǔ)計(jì)算

VS主要算一個(gè)插補(bǔ)周期的ΔX，ΔY，以直線為例：1）ΔL%=ΔL*倍率

（ΔL%倍率后的每周期公式進(jìn)給量）2）L1新=L1舊+ΔL%

（L1新—上次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離；

L1舊—本次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離）3）X3新=L1新cosα（X軸投影）

y3新=L1新cosβ4）Δx2=X3新-X3舊（本次插補(bǔ)周期的輸出位置增量值）。

Δy2=y3新-y3舊本次插補(bǔ)點(diǎn)（x3舊，y3舊）Δx2Δy2上次插補(bǔ)點(diǎn)2/3/20234.3.5位置控制

VSVS任務(wù)：1）每個(gè)位置反饋采樣周期，將插補(bǔ)給定與反饋值進(jìn)行比較，用差值去控制電機(jī)2）增量調(diào)整3）螺距補(bǔ)償，間隙補(bǔ)償插補(bǔ)速度單元位控電機(jī)速檢位檢2/3/20234.3.5位置控制

位置控制計(jì)算VSVS+++-插補(bǔ)輸出△X2△Y2指令位置X2新Y2新位控輸出△X3△Y3實(shí)際位置X1新Y1新反饋位置增量△X1、△Y1X2舊Y2舊X1舊Y1舊++2/3/20234.3.5位置控制

VSVS位置控制完成以下幾步計(jì)算：計(jì)算新的位置指令坐標(biāo)值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊

+△Y2；計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊

+△Y1計(jì)算跟隨誤差(指令位置值—實(shí)際位置值)：△X3=X2新-X1新；△Y3=Y2新-Y1新；2/3/202