數(shù)控技術(shù) 第5章 計算機數(shù)控裝置

第5章計算機數(shù)控裝置

5.0概述

5.1計算機數(shù)控裝置硬件

5.2計算機數(shù)控裝置軟件

5.0概述

一、數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）

r數(shù)控程序、

I/O設備/核心

數(shù)控裝置（CNC裝置）組成的一個完整的系統(tǒng),

由,可編程控制器（PLC）＞是一種軌跡控制系統(tǒng)

主軸驅(qū)動裝置

I進給伺服系統(tǒng)J

本質(zhì)：是以多個執(zhí)行部件（各運動軸）的位移量

為控制對象，并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)。是一

種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)

數(shù)

伺服驅(qū)動

控機床

程

輸及位置檜測

裝

入

序

置主運動

裝

編

置

制C般溺

N車戳控制臧動作

C和強蟠制）

裝置

數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)

二、CNC裝置的組成

硬件：具有計算機的基本結(jié)構(gòu)，具有數(shù)控機床所特有的功

能模塊和接口單元

軟件：又稱系統(tǒng)軟件。從本質(zhì)上看：是具有實時性和多任

務性的專用操作系統(tǒng)；從功能特征看：CNC管理軟

件：主要進行系統(tǒng)資源的管理和系統(tǒng)各子任務的調(diào)

度，CNC控制軟件：主要完成各種控制功能

軟件、硬件密不可分，構(gòu)成了CNC裝置的系統(tǒng)平臺

CNC裝置的組成

CNC裝置系統(tǒng)軟件

管理軟件控制軟件

零

機

輸

故

刀

件

床

入

障

具

速

編

主

顯

位

人

程

輸

輸

診

補

度

譯插

軸

示

機

置

序

出

斷

入

償

處

處

處

交補

控

控

管

處

管

輸

計

理

理

理

互

制

運制

理

理

理

出

算算

CNC裝置的系統(tǒng)平臺

三、CNC裝置功能

基本功能：必備的功能，用于滿足數(shù)控系統(tǒng)基本配置的要求。

選擇功能：用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能。

CNC主要裝置功能：

（一）控制功能能夠控制和聯(lián)動控制的進給軸數(shù)

移動軸、回轉(zhuǎn)軸

基本軸、附加軸

（二）準備功能

G代碼功能，使機床準備好某種加工方式，包括指令:

基本移動

程序暫停

平面選擇

坐標設定

刀具補償

固定循環(huán)加工

公英制轉(zhuǎn)換

子程序調(diào)用

（三）插補功能和固定循環(huán)功能

插補功能:實現(xiàn)零件輪廓加工軌跡運算的功能。

一般的CNC裝置：直線插補、圓弧插補

高檔的CNC裝置：橢圓插補、正弦線插補、拋物線插補

螺旋線插補、樣條曲線插補

固定循環(huán)功能：

在加工一些特定表面（如車削臺階，切削螺紋、鉆孔、

鏈孔、攻絲）時，加工動作按照一定的循環(huán)模式多次重復

進行，實現(xiàn)上述加工軌跡運算的功能。即：把若干有關(guān)的

典型固定動作順序用一個指令來表示。

（四）進給功能：進給速度的控制功能

1.進給速度：控制刀具相對工件的進給速度mm/min

2.同步進給速度：實現(xiàn)切削速度和進給速度的同步mm/r,

用于加工螺紋

（五）主軸功能：主軸的控制功能

1.切削速度（主軸控制）:刀具切削點切削速度的控制功

能m/minr/min——用于車端面

2.恒線速度:刀具切削點的切削速磨削加工

度為恒速的控制功能I

3.主軸定向控制:主軸在徑向（周

向）的某一位置準確停止的功能

4.C軸控制:主軸在徑向（周向）的任一位置準確

停止的功能

（六）輔助功能

指令機床的輔助操作的功能M指令

主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，冷卻泵的打開、關(guān)閉，工

件夾緊、松開，換刀

（七）刀具管理功能

實現(xiàn)刀具幾何尺寸、刀具壽命、刀具號的管理

。。。

刀具半徑、時間壽命用于標識、

長度參數(shù)選擇刀具

用于刀具半徑補償、T指令

長度補償

（八）補償功能

1.刀具半徑補償和長度補償:

2.傳動鏈誤差補償：

螺距誤差補償

反向間隙補償

3.智能補償：

（九）人機對話功能

通過顯示器，進行字符、圖形的顯示，從而方便用戶

的操作和使用

（十）自診斷功能

利用軟件診斷程序，在故障出現(xiàn)后，可迅速查明故

障的類型和部位，以便及時排除。

（十一）通訊功能

CNC裝置與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能

RS232c接口：上級計算機

DNC接口：直接數(shù)控

FMS接口:MAP（制造自動化協(xié)議）

除以上功能外，CNC裝置還可配置選擇功能：

如數(shù)字化仿型加工功能

4.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

單（微處理）機結(jié)構(gòu)：用在經(jīng)濟型、一般型的數(shù)控裝置中

多（微處理）機結(jié)構(gòu)：用在高級型的數(shù)控裝置中

一、單（微處理）機結(jié)構(gòu)的CNC裝置

特點：整個CNC裝置中只有一個CPU

集中管理和控制整個系統(tǒng)的資源（存儲器、總線）

通過分時處理的方法，實現(xiàn)各種數(shù)控功能

有些CNC裝置中，雖然有兩個后兩個以上的CPU,

但只有一個CPU對系統(tǒng)的資源擁有控制權(quán)和使用權(quán)。

其它CPU（從CPU）無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源；只

能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)請求

信號以獲取所需要的數(shù)據(jù)；從而完成某一輔助功能。

主從結(jié)構(gòu)可歸為單機結(jié)構(gòu)

單（微處理）機結(jié)構(gòu)的CNC裝置框圖:

ICPUI

用穿孔機

I穿孔機接口I

或

EPROMMD1接口一|數(shù)控面板|

解PROM總

或帶閱讀機接口T紙帶閱讀機

Ii/o接口L_U機床

線

I通信接口f

[CRT或液晶顯示接口|CRT或液晶顯示屏

—」PLC接d一"|

M、S、T面板控制開關(guān)

r主軸電動進給電動機

1主軸控制

|位置控制]_速度控制單元

1、微處理器和總線

「控制器：完成控制任務

微處理器構(gòu)成X

L運算器：完成算術(shù)運算、邏輯運算

根據(jù)CNC裝置進行實時控制和處理速度的要求，考

慮CPU在字長、尋址能力、運算速度方面的性能

由一組傳送數(shù)字信息的物理導線組成。

「數(shù)據(jù)總線

按功能分為Y地址總線

-控制總線

2、存儲器

存放系統(tǒng)程序，由CNC裝置生產(chǎn)廠家通

EPROM過專用的寫入器寫入(固化)，即使斷

(ROM))2M電程序也不丟失。程序只能CPU讀出，

,EPRO不能隨機寫入，必要時經(jīng)過紫外線/電抹

除后再寫。

隨機存儲器存放運算的中間結(jié)果，需要顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、

標志信息等。它能隨機讀寫，斷電后信息就消失。

(RWM)

存在加工零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)，它能隨機

讀出，也能根據(jù)操作需要寫入或修改，斷電后信息仍

能保留

3、I/O接口(輸入/輸出接口)

指數(shù)控系統(tǒng)與機床、機床電氣控制設備之間的電氣連接部分。

由繼電器、接觸器組成的強電設備

(1)數(shù)控機床上的接口規(guī)范ISO4336-1982(E)

接口分為四類

第I類：與驅(qū)動命令有關(guān)的連接電路

第II類：數(shù)控系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)和測量傳感器的連接電路

第ni類：電源及保護電路

第IV類：通斷信號和代碼信號連接電路

麗tii凝葡!機床

進給電源

坐標軸

主軸驅(qū)動進給電機

接

口O

位置測量

分巧

傳感器激勵

主軸

O-

類位置指示驅(qū)動電機

電源

rQ

I/O接口2

。停止命令操作面板

QQ

O°限制開關(guān)

_______X

666機電器件

開/關(guān)指令機床控C（電磁鐵，離

7制設備

產(chǎn)合器等）j

I9控制裝置輔助功能~~I

。（齒輪箱，回轉(zhuǎn)

電源控制架,換刀裝置等）

9（變壓器，保O]。輔助電機

護裝置等）

O--

..,

I:與驅(qū)動命令有關(guān)的連接電路

II:數(shù)控系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)和測量傳感器的連接電路

這兩類接口傳送的是數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動單

元（即速度控制環(huán)）、伺服電機、位置檢測和速度檢

測之間的控制信息及反饋信息，它們屬于數(shù)字控

制、伺服控制及檢測控制。

in：電源及保護電路

該類接口電路由數(shù)控機床強電線路中的電源控制

電路構(gòu)成.強電線路由電源變壓器、控制變壓器、各

種斷路器、保護開關(guān)、接觸器、功率繼電器及熔斷

器等連接而成。強電線路作用：為驅(qū)動單元、主軸

電機、輔助電機、電磁鐵、電磁閥、離合器等功率

執(zhí)行元件供電。

強電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電線路直

接連接，只能通過中間繼電器、斷路器、熱動開關(guān)等器

件轉(zhuǎn)換成在直流低壓下工作的觸點的開、合動作，才能

成為繼電器邏輯電路和PLC可接收的電信號。

反之，由CNC系統(tǒng)輸出的信號，應先去驅(qū)動小型中間

繼電器，然后用中間繼電器的觸點接通強電線路中的功

率繼電器/接觸器，從而接通主回路（強電回路）。

IV:通斷信號和代碼信號連接電路

是CNC系統(tǒng)與機床參考點、限位、面板開關(guān)等

的連接信號。

當數(shù)控機床沒有PLC時，上述信號在CNC裝置

和機床之間直接傳送^O

當數(shù)控機床有PLC時，上述信號除極少數(shù)的高

速信號外，均通過PLC傳送。

(2)I/O信號的分類

從機床(MT)向CNC裝置傳送的信號稱為為輸入信號。

從CNC裝置向機床(MT)傳送的信號稱為為輸出信號。

I/O信號的類型:

r直流數(shù)字量輸入/輸出信號。

這兩類信號傳送需

直流模擬量輸入/輸出信號。、

要專門的接口電路。

用于進給坐標軸、主軸的伺服控制，

在實際應用中，一般

或其他接收、發(fā)送模擬量信號的設備>

都采用PLC,并配置專

交流輸入/輸出信號。

門的接口模板或插座

用于直接控制功率執(zhí)行器件>

才能實現(xiàn)。

（3）I/O接口電路的任務

1）進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大

CNC系統(tǒng)內(nèi)部：TTL電平

機床設備：非TTL電平

2）防止噪聲引起的誤動作

用光電隔離器、繼電器將CNC系統(tǒng)和機床之間的

信號在電氣上加以隔離

3）進行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

CNC裝置的微處理器只能處理數(shù)字量

D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換電路

A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換電路

(4)數(shù)字量輸入/輸出接口

1)輸入接口

觸點輸入無源觸點輸入有源觸點輸入

接收器

b

X公

電平轉(zhuǎn)理

T禮

電壓輸入—

—

換電路壓

輸

—

入

—

信

-n號

觸點去抖動電路

負載為指示燈的典型輸出電路

負載為繼電器的典型輸出電路

交流負載/大功率直流負載驅(qū)動輸出電路

當CNC裝置中帶有PLC裝置時，PLC本身具

有交流輸入、輸出接口，或有用于直流大負載

驅(qū)動的專用接口時，輸出信號就不必經(jīng)過中間

繼電器過渡，即可直接驅(qū)動負載器件。

3）直流數(shù)字量輸入、輸出信號（開關(guān)量I/O信號）的傳遞

該類信號在CNC和機床之間傳送通過接口存儲器進行。機

床上各種I/O信號均在存儲器中占有一位，該位的狀態(tài)是0、

1,分別表示開/關(guān)或繼電器通/斷狀態(tài)。

CNC裝置中的CPU定時從接口存儲器中回收狀態(tài)，并由

軟件進行相應處理；同時又向接口電路輸出各種控制命令，

控制強電箱的動作。

4、MDI接口

MDI:手動數(shù)據(jù)輸入。在該方式下，可直接通過數(shù)控機

床操作面板上的鍵盤，輸入單段程序，或進行各種參數(shù)的

設置和修改等操作。

定時控制RAM

接口的任務之

移MDI

位

寄

存

器一：對鍵盤按鍵進

行處理。在CNC

裝置中一般配有鍵

譯

碼

驅(qū)

動盤掃描程序。

器

5、位置控制器

位置控制：主要是對數(shù)控機床的進給運動坐標軸的位置進行控制

例如：工作臺的前、后、左、右移動，主軸箱的上、下移動，圍

繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運動等。

是數(shù)控機床上要求最高的位置控制。其不僅對單個坐標軸的運

動和位置精度有嚴格要求；而且在多軸聯(lián)動時，要求各坐標軸

有很好的動態(tài)配合。

位置控制采用的硬件：

大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片：

如FANUC公司的MB8720,MB8739,MB87103

位置控制模塊：

攻口：SIEMENS公司的MS230,MS250,MS300

位置控制模塊結(jié)構(gòu)框圖:

度

速

一

給

令

指

度

壓

電

孀指|跟隨誤差令

位置控制速度

j計數(shù)器f

CPU輸出組件

一單元

位

置

反

饋

號

信

位置測量

組件

軟件：負責跟隨誤差計算、進給速度指令數(shù)值的計算

組成

'位置控制輸出組件：接受進給指令，進行D/A轉(zhuǎn)換，為速度單元

硬件.]提供指令電壓

、位置測量組件：接受并處理反饋信號，送至跟隨誤差計數(shù)器，

與位移指令值進行比較，得到進給指令

6通信接口

CNC裝置通常具有RS232c接口，有的還配置有DNC

接口，可以連接多種輸入、輸出設備，實現(xiàn)程序和參數(shù)

的輸入、輸出和存儲。有的CNC裝置可以與MAP(制造

自動化協(xié)議)相連，接入工廠的通信網(wǎng)絡，以適應FMS、

CIMS的要求。包括

(1)串行通信接口：RS-232、RS-422

(2)網(wǎng)絡接口

1)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型：OSI/RM或OSI/O

OSI(OpenSystemInterconnect)開放式系統(tǒng)互連參

考模型是國際標準化組織(ISO)和國際電報電話咨詢委員

會(CCITT)聯(lián)合制定的開放系統(tǒng)互連參考模型，為開放式

互連信息系統(tǒng)提供了一種功能結(jié)構(gòu)的框架，它從低到高

分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話

層、表示層和應用層。

7Apr>i.i

PPJL>U

5SPDU

4TPDU

3報文

2幀

比特

層壬機A主機B數(shù)據(jù)單位

開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型：OSI/RM或OSI/O

各層的功能

(1)物理層：實現(xiàn)比特的透明傳輸，傳輸單位為位。定

義了通信設備與傳輸線接口硬件的機械、電氣、功能和

規(guī)程特性。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層：在相鄰結(jié)點間的線路上，無差錯地傳

輸以幀為單位的數(shù)據(jù)。每幀中帶有同步、地址、差錯控

制和流量控制等控制信息。

(3)網(wǎng)絡層：提供源站與目標站間的數(shù)據(jù)傳輸服務，單

位為分組或包。主要任務是選擇合適的路由和交換結(jié)點。

具有路由選擇、差錯檢測、順序和流量控制。

(4)傳輸層：傳輸?shù)膯挝皇菆笪摹＞哂卸?端差錯控

制、順序和流量控制。

(5)會話層：不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，但對數(shù)據(jù)傳輸

的同步進行管理。如確定是雙工工作，還是半雙工工作

(6)表示層：實現(xiàn)不同語法表示進行轉(zhuǎn)換管理。如信

息的加密和解密、正文壓縮和還原。

(7)應用層：是OSI與用戶進程的接口。

2)TCP/IP協(xié)議

3)IEEE802局域網(wǎng)標準

IEEE802局域網(wǎng)標準(InstituteofElectricaland

ElectronicsEngineers)規(guī)范定義了網(wǎng)卡如何訪

問傳輸介質(zhì)(如光纜、雙絞線、無線等)，以及如何在

傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的方法，還定義了傳輸信息的網(wǎng)絡

設備之間連接建立、維護和拆除的途徑。遵循IEEE

802標準的產(chǎn)品包括網(wǎng)卡、橋接器、路由器以及其他一

些用來建立局域網(wǎng)絡的組件。

4)MAP/TOP協(xié)議

MAP網(wǎng)MAP網(wǎng)是工廠自動彳七網(wǎng)絡，MAP網(wǎng)的結(jié)構(gòu)基

于ISO的OSI七層模型設計，每一層向上一層提供服務，上

層利用下層提供的服務來實現(xiàn)本層的功能，并向再上一層

提供服務，用于連接單元控制器、可編程邏輯控制器(PLC)、

工業(yè)機器人和其他程控設備。它們通信量不大，但要求較

好的實時響應特性。

TOP網(wǎng)TOP網(wǎng)是工程辦公室自動化網(wǎng)絡，主要面向

工程設計和管理自動化，包括CAD系統(tǒng)，財務/市場管理信

息系統(tǒng)，決策支持系統(tǒng)等。

(3)現(xiàn)場總線接口

1)SERCOS數(shù)字馬區(qū)動接口

(國際標準IEC61491,國家標準GB/T18473—2001)

是一種專門用于在工業(yè)機械電氣設備的控制單元與數(shù)字

伺服裝置及可