計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置　

CNC系統(tǒng)的組成

數(shù)控程產(chǎn)信息的輸入以及輸"系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出

識(shí)別和解釋數(shù)控程序，完成

主軸、和進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)控制

數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷處理

7

輸入/機(jī)

床

輸出

本

裝置7

體

接受數(shù)控裝置的開關(guān)命令，完成主軸選速、起停和方向控制

功能，換刀功能，冷卻、液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制功能以1

及其他機(jī)床輔助功能

CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)

靈活性大：可改變和擴(kuò)展其功能。

通用性「硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展,

改變軟件可適應(yīng)不同需求。

可靠性，：采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路;

程序被檢查后才被調(diào)用，保證加工過程中的

故障停機(jī)。

功能強(qiáng)大：多功能、可以完成復(fù)雜零件的一

次成形。

使用維修方便：內(nèi)置自診斷程序，軟件檢查

程序。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控裝置、輸入輸出裝置、機(jī)床

電器邏輯控制裝置和驅(qū)動(dòng)裝置等組成。

數(shù)控裝i：數(shù)控系統(tǒng)的核心

輸入輸出裝手：用于控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，監(jiān)控?cái)?shù)

控系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)行機(jī)床操作面板及機(jī)床機(jī)電控制/

監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的邏輯處理和監(jiān)控，并為數(shù)控裝置提供機(jī)

床狀態(tài)和有關(guān)應(yīng)答信號(hào)。

機(jī)床電器邏輯控制裝置：接受數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)控

輔助功熊控制命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的順序控制。目

前大多采用PLC控制。

驅(qū)動(dòng)裝，：以軸為單位的獨(dú)立體，用以控制各軸的

運(yùn)動(dòng)。

5.2.1常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)

總線式模塊化結(jié)構(gòu)的CNC。藤限2位RISC（精簡(jiǎn)

指令集）芯片、數(shù)學(xué)協(xié)處理器及閃爍存儲(chǔ)器等。多

用于多軸控制的高擋數(shù)控機(jī)床。

以單板或?qū)Ｓ眯酒澳０褰M成結(jié)構(gòu)緊而2。多

用于中檔數(shù)控機(jī)床。

基于通用計(jì)算機(jī)（PC或IPC）基礎(chǔ)上開發(fā)白zo

可充分利用通用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，可隨計(jì)算

機(jī)硬件進(jìn)行升級(jí)。

前兩種CNC系統(tǒng)硬件需專門設(shè)計(jì)，通用性較差，

三種硬件無需專門設(shè)計(jì)，改變軟件即可構(gòu)成不同

CNC系統(tǒng)，通用性好。

5.2.2單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)

1.單微處理器結(jié)構(gòu)

只有一個(gè)微處理

器，集中控制、

分時(shí)處理數(shù)控裝

置的各個(gè)任務(wù)。

「2.多微處理器結(jié)構(gòu)

多微處理器結(jié)構(gòu)是指全系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以

上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲(chǔ)器進(jìn)

行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)CNC系統(tǒng)均采

用多微處理器結(jié)構(gòu)。

緊耦合結(jié)構(gòu)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成

的處理部件之間采用緊耦合（相關(guān)T商t

集中的操作系統(tǒng)，共享資源。

松耦合結(jié)構(gòu)：兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器構(gòu)成

的功能模塊之間采用松耦合（具有相對(duì)獨(dú)■

或相關(guān)性弱），有多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并

行處理。

1)多微處理器CNC的典型結(jié)構(gòu)

(1)共享總線結(jié)；：通過總線連接系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模

塊。

主模塊控制系統(tǒng)總線，某一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊

占用總線，各模塊通過仲裁電路判別各模塊的優(yōu)先

級(jí),進(jìn)而共享總線資源。_____________________

1系統(tǒng)總線3

插補(bǔ)模塊PLC功能位置控制

主軸控制

模塊模塊

(CPU)模塊

(CPU)(CPU)

(2)共享存儲(chǔ)結(jié)樸、

采用多端口存儲(chǔ)器來凄現(xiàn)各微處理器之間的相

互連接和通信，每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地

址、

5.2.3開放式CNC的硬件結(jié)構(gòu)

L開放式CNC的定義

定義：開放式CNC系統(tǒng)必須真密小網(wǎng)應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)

地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)上的能力，提而向功能地動(dòng)態(tài)重

構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用戶界面。

具有以下特征：

可二操作）：不同應(yīng)用程序模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用程

序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)，不同模塊之間保持平等地相

互操作能力。

一可移植，：示同應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提

供的不同系統(tǒng)平臺(tái)上。

［縮放『：增加和減少系統(tǒng)功能僅僅表現(xiàn)為特定模塊

單元的裝載與卸載。

可相”替代怡：不同性能與可靠性和不同功能能力的

功能模塊可以相互替代。

2.基于PC（或IPC）開放式CNC的硬

件配置形式

1）基于PC的有限開放CNC

（1）PC連接型CNC

結(jié)構(gòu)：CNC與PC通過串行線連接。

特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，已有CNC幾乎不需改動(dòng)即可應(yīng)用。

PC基本CNC系統(tǒng)

串行線國(guó)畫H

其他可選件PC機(jī)鍵盤顯示器鍵盤

2）基于PC的可開放CNC

結(jié)構(gòu)：通用PC機(jī)的擴(kuò)展槽》卻入專用CNC卡

特點(diǎn)：CNC卡完成包括加工軌跡生成等幾乎

所有CNC處理功能。充分保證系統(tǒng)性能，軟

件通用性強(qiáng)，編程處理靈活。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.3.1CNC系統(tǒng)成

包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。

應(yīng)用軟件：包括零件數(shù)控加工程序或其他輔助

軟件。\

系統(tǒng)軟。：為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的

專用軟件。也稱為控制軟件。

系統(tǒng)軟件通常包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)

運(yùn)算程序、速度控制程序、管理程序和診斷

程序。

1.輸入數(shù)據(jù)處理程序

?功能：接收輸六口零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示

的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行器碼e數(shù)據(jù)處理，并按照規(guī)

定格式存放。主要包括輸工程定、譯碼程序和數(shù)據(jù)

處理程序等組成，有些CNC系魂還具有補(bǔ)償計(jì)算、

為插補(bǔ)運(yùn)算和速度控制等進(jìn)行的予^^。

（1）輸入程序

將加工程序讀入存放在程序存儲(chǔ)器中，或?qū)⒓庸こ?/p>

序從程序存儲(chǔ)器中讀出，送入緩沖區(qū)，以便譯碼用

⑵譯碼程序

數(shù)控加工程序按零件加工順序記載著機(jī)床加工所需

的各種信息，其中包括零件加工的軌跡信息（如幾

何形狀和幾何尺寸等）（幾何數(shù)據(jù)）、工藝信息

（如進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等）（工藝數(shù)據(jù)）和開關(guān)

命令（如換刀、冷卻液開/關(guān)等）（開關(guān)功能）。

譯碼定義：將輸入的數(shù)控岷程序按照一定規(guī)則翻譯

成為數(shù)控裝置中計(jì)算機(jī)能識(shí)贏贅產(chǎn)形式，并按約定

的格式存放在指定的譯碼結(jié)果緩貓J

譯碼功能：代碼的識(shí)別和功能代碼的解釋'

(3)數(shù)據(jù)處理程序

包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能處理等。

刀具半徑補(bǔ)償：將工件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化為刀具中心軌跡

速度計(jì)算：解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運(yùn)動(dòng)。

2.插補(bǔ)計(jì)算程序

CNC系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，一邊插補(bǔ)運(yùn)算，

一邊進(jìn)行加工。插補(bǔ)運(yùn)算的速度直接影響著機(jī)床

的進(jìn)給速度。

3.速度控制程序

根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，確保預(yù)

定的進(jìn)給速度。'

4.管理程序

負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)輸入、處理、插補(bǔ)運(yùn)算等服務(wù)程序進(jìn)

行調(diào)度管理。1

5.診斷程序|1

在程序中發(fā)現(xiàn)故障，并指出故障問題。

5.3.2CNC的軟件結(jié)構(gòu)

1.CNC中軟、硬件界面與質(zhì)據(jù)臀

CNC系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)靈活，;強(qiáng)，但處

理速度慢；硬件處理速度快，但息適應(yīng)

性差。CNC中硬、軟件的分配比例由性能曲;格

決定。

CNC中硬、軟件界面隨著硬、軟件的水平和成

本以及CNC所具有的性能不同而不同。

CNC軟件勢(shì)必發(fā)展成為以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多

層次的軟件結(jié)構(gòu)。1

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，CNC軟件更穩(wěn)定，

并且具有可重用性。

2.CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實(shí)時(shí)中斷處理

CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性表現(xiàn)在其軟件必須完成管理

和控制兩大任務(wù)。

系統(tǒng)管理包括輸入、I/O處理、意或、診斷；系統(tǒng)

控制包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位

置控制。

CNC系統(tǒng)的并行性表現(xiàn)在其多任務(wù)必須協(xié)調(diào)工作。

CNC系統(tǒng)任務(wù)

譯「插補(bǔ)

廠

U—I

刀具補(bǔ)償

譯

速

位

診

輸

顯

刀HG

碼-

度

I/O置

處

入

斷

示

補(bǔ)^rL

控

處

理I

制速度處理

理位置控制

并行處理

定義：計(jì)算機(jī)在同二同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種

或兩種以上相同或不同的士作、常采用資源重復(fù)、時(shí)

間重疊和資源分時(shí)共享等方法。

資源重曼：用多套相同或不同的設(shè)備同時(shí)完成多種相

同或不同的任務(wù)。

時(shí)間重疊：根據(jù)流水處理技術(shù)，使得多個(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，

也稱為資源重疊流水處理。

資源共享：多個(gè)用戶按照時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。

CNC硬件通常采用資源重復(fù)并行處理方法o—

CNC軟件設(shè)計(jì)主要采用資源重疊的流水線處理和資源

分時(shí)共享的并行處理方法。

1234輸出

123412__34輸出

34

時(shí)間重疊流水處理

CPU分時(shí)共學(xué)并行處理

中斷處理

CNC中斷管理主要由藤惟成，系統(tǒng)的中斷

結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。CNC系統(tǒng)的中

斷類型有以下幾種。

外部中斷：主要有光電閱讀機(jī)讀孔中斷，外

部監(jiān)控中斷和鍵盤及操作面板中斷。

內(nèi)部定!：王要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和

位置采樣定時(shí)中斷。

硬件故障中斷：各種硬件故障檢閱裝置發(fā)出

的中斷。

程序性中斷：程序中出現(xiàn)的各種異常情況的

報(bào)警中斷。

3.常規(guī)CNC的軟件結(jié)構(gòu)

CNC軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)采用而中斷笆構(gòu)決定。

1）中斷型結(jié)構(gòu)模式

除初始化程序外，將CNC的各功能模塊分別安排在不同級(jí)

別的中斷程序中，無前后臺(tái)之分。通過林啰疔的優(yōu)先級(jí)

由CPU響應(yīng)中斷。\:

2）前、后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式

將整個(gè)CNC軟件分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。\

前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)幾乎全部實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)

插補(bǔ)、位置控制和數(shù)控機(jī)床開關(guān)邏輯控制等實(shí)時(shí)功能。

后臺(tái)程序，也稱為背景程序，是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)

數(shù)控加工程序的輸入、預(yù)處理和管理等任務(wù)。

在后臺(tái)程序的循化運(yùn)行過程中，前臺(tái)實(shí)時(shí)中斷程序不斷的

定時(shí)插入，兩者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。

4.開放式CNC的軟件結(jié)構(gòu)

開放式CNC系統(tǒng)軟"應(yīng)采用平臺(tái)技術(shù)、同一的標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范和面向功能元（對(duì)象）不赴結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件，

以保證系統(tǒng)具有開放的基本特*

1）開放式CNC總體結(jié)構(gòu)

分為兩部分：統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)和由各功能結(jié)構(gòu)單元

對(duì)象組成的應(yīng)用軟件模塊（或系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)）。

2)系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)平臺(tái)由系統(tǒng)硬件和系琢軟件組成。

系統(tǒng)硬件由機(jī)床的功能需求決占、

系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)核心(如操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)

實(shí)時(shí)配置系統(tǒng)等)、可選的系統(tǒng)軟件該數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)等)和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序界面。、

操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實(shí)時(shí)配置系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)

控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

(1)操作系統(tǒng)

⑵通信系統(tǒng)1

(3)配置系統(tǒng)

5.系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)是用來精確描述功能元對(duì)象和功能模塊之間

的關(guān)系，以及各模塊之間的關(guān)系；精確定義各模塊和各功

能元對(duì)象的行為和屬性，以及模塊和功能元對(duì)象與系統(tǒng)平

臺(tái)之間的界面，以保證不同供應(yīng)商提供的功能模塊在不同

平臺(tái)之上的協(xié)調(diào)工作。

控制

人機(jī)控制11邏輯控制11運(yùn)動(dòng)控制|軸控制|過程控制

運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)管理解釋準(zhǔn)備執(zhí)行

準(zhǔn)備

幾何運(yùn)特性前瞻

3層

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

5.4.1CNC系統(tǒng)釁缶I」原理

1.零件程序的輸入

手動(dòng)輸入和自動(dòng)輸入兩種。

2.譯碼

具體地說，譯碼是將零件程序中的零件逐廓信

息（如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等）、進(jìn)給速

度信息（F代碼）和其他輔助信息（M、S、T

代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋為計(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)域。

3.刀具補(bǔ)償

分為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。

1）刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償

在數(shù)控立式銃鏈床上，當(dāng)?shù)毒吣p或更換刀具使

得Z向刀尖不在原初始加工的程編位置時(shí)，必須在

Z向進(jìn)給中，通過伸長(zhǎng)或縮短1個(gè)偏置值e的方法來

補(bǔ)償其尺寸變化，以保證加工的深度仍然達(dá)到原

設(shè)計(jì)的要求。

2）刀具半徑補(bǔ)償

數(shù)控裝置使得刀具中心偏移零件輪廓一個(gè)指定的

刀具半徑值。

4.插補(bǔ)

在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上自動(dòng)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，用其差值控制進(jìn)給電

機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確控制。

6.速度控制

1）脈沖增量插補(bǔ)方式的速度計(jì)算\I

脈沖增量插補(bǔ)用于以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的開

環(huán)伺服系統(tǒng)。

在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，進(jìn)給脈沖的頻率決定了坐

標(biāo)軸的移動(dòng)速度。進(jìn)給脈沖的數(shù)量決定論坐標(biāo)

軸的移動(dòng)位移。

速度計(jì)算是根據(jù)程編F值確定脈沖頻率值。步進(jìn)

電機(jī)每走一步，坐標(biāo)軸移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量6。進(jìn)

給速度F與脈沖頻率f之間的關(guān)系如下。