第3章 計算機數(shù)控系統(tǒng)

CINC第3章計算機數(shù)字控制裝置

本章內(nèi)容

ACNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

ACNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

A可編程控制器（PLC）

?典型的CNC系統(tǒng)簡介

CISC3.1概述

一、CNC系統(tǒng)的組成

CNC系統(tǒng)主要包括數(shù)控程序、輸入輸出設備、

CNC裝置、PLC、驅(qū)動和檢測裝置。其核心是CNC裝

置。其相互關(guān)系如圖3T所示。

二、CNC裝置組成：

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。

軟件又稱系統(tǒng)軟件，它由管理軟件和控制軟

件兩部分組成。

CISC3.1概述

面板控制單元

驅(qū)動系統(tǒng)

CNC鍵盤機床控制面板電子手輪

主軸電機進給伺服電機

CINC3.1概述

三、CNC裝置的工作過程：

CNC裝置的工作是指在硬件的支持下執(zhí)行軟件的全

過程。

1、輸入

譯碼

CISC3.1概述

2、譯碼

將輸入的數(shù)控加工程序翻譯成CNC裝置

能識別的代碼形式，并按約定的格式存放在

指定的譯碼結(jié)果緩沖器中。代碼識別是通過

軟件將數(shù)控加工程序緩沖器中的內(nèi)碼讀出，

并判斷該數(shù)據(jù)的屬性。

如果是數(shù)字碼，則立即設置相應的標志并

轉(zhuǎn)存。如果是字母碼，則進一步判斷該碼的

具體功能，然后設置代碼標志并轉(zhuǎn)入相應的

處理。

CISC3.1概述

3、刀具補償

刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。

?采用刀具補償功能，可簡化數(shù)控加工程序的編寫工

作，主要表現(xiàn)如下：

1）由于刀具磨損、更換等原因引起的刀具相關(guān)尺寸

變化不必重新編寫程序，只須修改相應的刀補參數(shù)

即可。

2）當被加工零件在同一機床上，經(jīng)歷粗加工、半精

加工、精加工多道工序時，不必編寫三種加工程序，

可將各工序預留的加工余量加入刀補參數(shù)即可。

CINC3.1概述

4、進給速度處理

5、插補

6、位置控制

7、輸入/輸出處理

8、顯示

9、診斷

CINC3.1概述

四、CNC裝置的優(yōu)點：

CNC裝置與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，具有下述一些優(yōu)點:

1）靈活性

2）可靠性

3）通用性

4）豐富的數(shù)控功能

5）維修和使用方便

6）易于實現(xiàn)機電一體化

CISC3.1概述

四、CNC裝置的功能：

CNC裝置的功能通常包括基本功能和選擇功能:

1）控制功能2）準備功能

3）插補功能4）固定循環(huán)功能

5）進給功能F6）主軸功能S

7）刀具功能T8）輔助功能M

9）補償功能10）顯示功能

11）通信功能12）自診斷功能

12）人機對話編程功能

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，

按其中含有CPU的多少可分為：

單微處理機結(jié)構(gòu)和多微處理機結(jié)構(gòu);

按電路板的結(jié)構(gòu)特點可分為：

大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。

3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

中央處理單元（CPU）和總線、存儲器（ROM、

RAM）、輸入/輸出（I/O）接口及相應的外設、PLC、

主軸控制單元、速度進給控制單元。

速

MDI鍵盤度

操作控制面板控

制

CRT/LEDI/O

接

外部存儲器機

口入■位置檢測

秩A/D床

電口

上位機/編程機機床

開關(guān)量

通

邏

路輯

/數(shù)控量出

道

控

軟盤制

一

導

開關(guān)量

檢

測

磁帶/數(shù)控量入

CINC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2、主要結(jié)構(gòu)

1)中央處理單元CPU

計算機系統(tǒng)的核心，由運算器、控制器和內(nèi)存寄存器

組成，用于邏輯運算和算術(shù)運算及系統(tǒng)的綜合控制等。

2)總線(BUS)

總線是微機各部件間進行通信的通道，微機各部件間

的數(shù)據(jù)傳輸只有通過總線才能實現(xiàn)。分為三種信號線

1.地址總線：傳送地址信息的通道。

2.數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)信息的通道，數(shù)據(jù)線的數(shù)

量決定了數(shù)據(jù)傳送、運算和處理的規(guī)模。

3.控制總線：地址總線和數(shù)據(jù)總線分別是外部設

備和CPU之間傳送地址信息和數(shù)據(jù)信息的通道?？刂?/p>

總線是完成各種控制功能的通道。

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3)存儲器(memory)

(1)功用：

存儲系統(tǒng)軟件、參數(shù)和零件加工程序，并將運算的中

間結(jié)果和處理后的結(jié)果存儲起來。

(2)種類：

半導體存儲器「SRAM靜態(tài)

(3)分類:1隨機存取存儲器RANT

_____上二二____-DRAM動態(tài)

存放工作參數(shù)、；r固定ROM（掩膜ROM）

加工程序;

/天榛存儲器ROM1一次性可編程ROM(PROM)

存儲系［串行存儲器光可擦除可編程ROM(EPROM)

〔電可擦除可編程ROM(E2PROM)

統(tǒng)軟件

CINC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

4)輸入/輸出(i/o)接口電路及相應的外部設需

(1)1/0接口

接口電路是CPU與外部設備之間的連接電路。CNC裝

置通過該接口可以從輸入設備獲取數(shù)據(jù)，也可以將

CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設備。分輸入接口、輸出

接口、雙向接口。

(2)1/0接口功能

。把外設送往CNC的信息轉(zhuǎn)換成CPU能接受的格式；

0把數(shù)控系統(tǒng)送往外設的信息轉(zhuǎn)換成外設能接受的格式

。在CNC與外設間起緩沖作用(平衡信號電平和傳輸速

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

(3)1/0分類：

鍵盤MDI

顯示器CRT

o人機界面接口一

操作面板

手搖脈沖發(fā)生器

0通信網(wǎng)絡接口

0進給軸的位置控制接口

0主軸控制接口

oMST控制接口

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

一、單微處理機結(jié)構(gòu)和多微處理機結(jié)構(gòu)、

1、單微處理機結(jié)構(gòu)

0整個CNC裝置只有一個CPU,它集中控制和管理

整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC

功能。

o主從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中只有一個CPU（稱為主CPU）對系

統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)，其它帶CPU的功能部件,

只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)

出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。即它是處于以從屬

地位的，故稱之為主從結(jié)構(gòu)。

CINC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2、多微處理機結(jié)構(gòu)

⑴在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理機,

CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通

過總線仲裁器（由硬件和軟件組成）來解決總線爭

用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。

⑵特點：

能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度

快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能。

容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系

統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作

⑶結(jié)構(gòu)形式：共享總線結(jié)構(gòu)型、共享存儲器結(jié)構(gòu)型。

3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

①共享存儲器結(jié)構(gòu)

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特征：

o面向公共存儲器來設計的，即采用多端口來實

現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊，

0采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問

多端口存儲器沖突的矛盾。

由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上

的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸

信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲

器（雙端口RAM）。

3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

②共享總線型結(jié)構(gòu)

CRT/MDI

操湍板

通訊模塊自動編程模塊主存儲：

圖形顯示

(CPU)(CPU)器模塊;

模呼TU)na

nFANUCBUSn

插補模塊PLC模塊位置控制模塊主軸控;

(CPU)(CPU)(CPU)制模塊：

-----諼——?…??-?…

I/O單元伺服驅(qū)動單元主軸單元

FANUC15系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特征：

0功能模塊分為帶有CPU或DMA的主模塊和

從模塊（RAM/ROM,I/O模塊），

o以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都

插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上，

0采用總線仲裁機構(gòu)（電路）來裁定多個模塊同

時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。

CINC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

二、大板式結(jié)構(gòu)與功能模塊式結(jié)構(gòu)

1、大板式結(jié)構(gòu)

CNC裝置由主電路板、圖形控制板、PLC板、位置控制

板、電源單元組成。其它功能板為插在主電路大印刷

板插槽內(nèi)。

主印刷電路板(MASTERPCB)

/

存_輸

_基

入

儲P

圖

_本

輸M

器

_形

軸C

出NC

板_

顯

控

控

接

(示電源

制

制

M口

板

板

E板

M_板

)_

V

CISC3.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2、功能模塊式結(jié)構(gòu)

將CPU、存儲器、輸入輸出控制、位置檢測、顯示

部件等分別做成插件板（硬件模塊），相應的軟件

也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中，軟硬件模塊形

成一個功能模塊。將各功能模塊連接控制單元母板

構(gòu)成CNC裝置。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

一、CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能

1、組成

CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務性的專

用操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控

制軟件兩部分組成。操作系統(tǒng)

管理軟件控制軟件

機

零

輸

故

顯

示

床

件

入

障

編

插

主

位

處刀

輸

程

診

輸

譯

軸

補

置

理

處具

入

控

控

運

序

斷

出

理

制

制

算

輸

管

處

管補

出

理

理

理償

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

二、CNC系統(tǒng)軟件的特點和結(jié)構(gòu)

1、CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點

①多任務性

。多任務性：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補

處理、位置控制、…

②并行處理：系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完

成兩個或兩個以上任務處理。

o并行處理的實現(xiàn)方式：

☆資源重復（硬件）

☆資源分時共享（單CPU）

☆資源重疊流水處理（多CPU）

CINC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

☆資源重復（硬件）

用多套相同或不同的設備同時完成多種相同或

不同的任務。

。資源重復的特征

硬件設計時普遍使用的并行處理方法。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

☆資源分時共享（單CPU）

在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務實

時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時

共享系統(tǒng)的資源。

o資源分時共享技術(shù)的特征

多個用戶按時間順序使用同一臺設備，在任何

一個時刻只有一個任務占用CPU;

在一個時間片（如8nls或16ms）內(nèi)，CPU并行地

執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

☆資源重疊流水處理（多CPU）

流水處理技術(shù)是利用重復的資源（CPU），將

一個大的任務分成若干個子任務，這些小任務是

彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)

行一個任務，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。

。資源重疊流水處理的特征

?流水處理在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)

束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。

?流水處理的關(guān)鍵是時間重疊

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

③實時中斷處理

中斷：中止現(xiàn)行程序去執(zhí)行另一個程序，待另一個程

序處理完畢后，再返回繼續(xù)執(zhí)行原程序。

多重中斷：將中斷按級別優(yōu)先權(quán)排隊，高級中斷源能

中斷低級的中斷處理，等高級中斷處理完畢后，再返

回接著處理低級中斷尚榮完成的工作。

實時：任務的執(zhí)行有嚴格時間要求（任務必須在規(guī)定

時間內(nèi)完成或響應）

實時周期性任務：任務是精確地按一定時間間隔發(fā)生

的。主要包括插補運算、位置控制等任務。為保證加

工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務處理的實時性

是關(guān)鍵。在任務的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允

許被其它任何任務中斷。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2、CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)的分類

①前后臺型結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分：

。前臺程序：主要完成插補運算、位置控制、故障診

斷等實時性強的任務，它是一個實時中斷服務程序。

。后臺程序（背景程序）：完成顯示、零件加工程序的

編輯管理、系統(tǒng)的輸入/輸出、插補預處理（譯碼、

刀補處理、速度預處理）等弱實時性的任務，它是一

個循環(huán)運行的程序，其在運行過程中，不斷地定時被

前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的

加工任務。

該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC

系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

②中斷型結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各

個任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序

中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）

對各級中斷服務程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。整個軟件就

是一個大的中斷管理系統(tǒng)。

CISC3.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

I、中斷優(yōu)先級安排

開機中斷

初始化

級

級

級

驍級

強級

級

級

13689級O

2級

據(jù)

熱

數(shù)

補

插

非

行

帶

串

作

定

CPA紙

工

蔽

儲

展

存

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