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黑龙江大学机电工程学院 刘国华 黑龙江大学机电工程学院 第四章 计算机数控装置 第一节 概述 第二节 装置硬件结构 第三节 装置软件结构 第四节 装置的数据预处理 黑龙江大学机电工程学院 cnc系统 从自动控制的角度来看，cnc系统是一种位置（ 轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴 )的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统 ，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，cnc系统是由硬件（通用硬件 和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。 黑龙江大学机电工程学院 第一节 概述 一、cnc系统的组成 程 序输入设备 数控装置 cnc 输出设备 可编程控制器 plc 主轴控制单元 速度控制单元 主轴电机 机床 进给电机 位置检测 cnc系统 cnc系统由数控程序、输入输出设备、 cnc装置、可编程 控制器（plc）、主轴驱动装置、进给驱动装置和检测装置等 组成。 黑龙江大学机电工程学院 机床数控 运动控制 逻辑控制 位移控制 速度、加速度 轨迹控制 简单逻辑输入 输出控制 组合逻辑控制 主轴电机定位 正反转、停止 冷却泵电机 启动、停止 其他辅助控制 定时润滑 刀库控制 主轴管理 超程等 机床不同，运动控制轴数、联动轴数、 逻辑控制的复杂程度都有所不同。 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 二、cnc装置的组成 cnc系统的核心是cnc装置。cnc 装置实质上是一种专用计算机，它除 了具有一般计算机的结构外，还有和 数控机床功能有关的功能模块结构和 接口单元。cnc装置由硬件和软件两 大部分组成。 第一节 概述 硬件是基础，软件是灵魂。 cnc装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、 管理整个系统的各项工作。 cnc系统的硬件和软件构成了cnc系统的系统平台。 黑龙江大学机电工程学院 cnc系统平台 硬件 操作系统 管理软件 应用软件控制软件 数控加工程序 接口 被控设备 机 床 机器人 测量机 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过 cnc装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标 轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服 电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标 轴能精确地走到所要求的位置。 1）输入： 输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、键盘输入，通讯 接口输入及连接上级计算机的dnc接口输入。 三、cnc装置的工作原理 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 第一节 概述 2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻 译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放 在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算及辅助功能处理等。 4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起 点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与 实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6）i/o处理：处理cnc装置与机床间信号输入、输出和控制。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 黑龙江大学机电工程学院 四、cnc装置的功能 控制功能 准备功能 插补功能 固定循环功能 进给功能 主轴功能 辅助功能 刀具功能 补偿功能 显示功能 通讯功能 自诊断功能 第一节 概述 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 cnc装置体系结构 cnc装置的工作过程是在硬件的支持下，执行系统软件的过程 ，数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。cnc装置 按体系结构可以分为专用体系结构和开放式体系结构两大类。 cnc装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为单微处理 机硬件结构和多微处理机硬件结构。 初期的cnc机床和现有的一些经济型cnc机床采用单微处理 机硬件结构。多微处理机硬件结构多用于高档的、全功能型的 cnc机床，可实现机床的复杂功能，满足高进给速度和高加工精 度的要求。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 一、单微处理机结构的cnc装置 单微处理机硬件结构的cnc装置特点： cnc装置内有一个微处理器，对存储、插补计算、输入输 出控制、crt显示等功能实现集中控制分时处理； 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连 ，构成cnc装置； 结构简单，容易实现。 单微处理机硬件结构因为只有一个微处理器集中控制，对实 时性要求较高的插补计算受到微处理器字长、数据宽度、寻址 能力和运算速度等因素的影响和限制。为了提高处理速度，增 强数控功能，可以采用带微处理器的plc等智能部件，甚至采 用多微处理机硬件结构。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 单微处理机结构的cnc装置框图 d/a cpu 纸带机 接 口 rs232 接 口 crt/m di接口 手摇轮 接 口 rom 接口 ram 接口 plc 接口 位控 单元 位控 单元 位控 单元 主轴 单元 d/ad/ad/a 速度 单元 速度 单元 速度 单元 速度 单元 mmmm mst 功能 总 线 进给电机主轴电机 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (1)微处理器和总线 微处理器（cpu）是cnc装置的核心，主要有运算器和 控制器两部分组成。运算器刀补计算、插补运算、位置控制 计算及其它数据的计算和逻辑运算。控制器从存储器中依次 取出程序指令，经过译码，向cnc装置各部分按顺序发出 执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接受执行部件 发回来的反馈信息，决定下一步命令操作。 总线是将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立 的装置或部件联系起来，并传送信息的公共通道。 u数据总线 u地址总线 u控制总线 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (2)存储器 存储器用于存放数据、参数和程序等，包括只读存储器（ rom）和随机存储器（ram）两类。 只读存储器(rom)专门存放系统软件（控制程序、管理程 序、表格和常数），使用时其存储单元的内容不可改变，即不 可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。 随机存储器（ram）用来存储零件加工程序，或作为工作 单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果等，其存储 单元的内容既可以读出又可写入或改写。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (3) i/o接口 cnc装置和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输 入和输出i/o接口电路连接。 接口电路的主要作用有： 一是进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。主 要用光电耦合器或继电器将cnc装置和机床之间的信号在电 气上加以隔离。 二是进行电平转换和功率放大。一般cnc装置的信号是 ttl电平，而机床控制的信号通常不是ttl电平，负载较大， 需要进行必要的信号电平转换和功率放大。 三是进行模拟量与数字量之间转换。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (4) mdi/crt接口 mdi手动数据输入通过数据面板上的键盘进行操作 。当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经 数据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的 监控处理。 crt接口在cnc装置软件的控制下，在单色或彩 色crt上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参 数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行 实时显示。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (5) 位置控制模块 位置控制模块的主要功能是对数控机床的进给运动坐标轴 的位置进行控制。进给坐标轴的位置控制硬件一般采用大规模 专用集成电路位置控制芯片和位置控制模板。 位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨 迹控制时，cnc装置与伺服驱动系统连接的接口模块。 q 常用的位置控制模块： 开环位置控制模块：cnc装置与步进电机驱动 电源的接口； 闭环（含半闭环）位置控制模块： cnc装置 与直流、交流伺服驱动装置的接口。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 (6) 可编程控制器（plc） 可编程控制器（plc）的功能是代替传统机床的继电器逻辑 控制来实现各种开关量的控制。数控机床中使用plc可以分为两 类：一类是“内装型”plc，它是为实现机床的顺序控制而专门设 计制造的。另一类是“独立型”plc，它是在技术规范、功能和参 数上均可满足数控机床要求的独立部件。 qplc模块：cnc装置实现顺序控制的模块。 qplc模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行 程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴 控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相 应器件的运行。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 二、多微处理机结构的cnc装置 在多微处理机结构的cnc装置中，由于有两个或两个以上的 微处理机构成的处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中 的操作系统，资源共享，或者有两个或者两个以上的微处理机 结构的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统 有效地实现并行处理，所以能克服单微处理机结构的不足，使 cnc装置的性能有较大提高。 在单微处理机结构的cnc装置中，因为只有一个cpu，只能 采用集中控制，该cpu既要对键盘输入和crt显示处理，又要 进行译码、刀补计算以及插补等实时控制处理，这样进给速度 显然受影响。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 多微处理机共享总线结构框图 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 1. cnc管理模块 该模块管理和组织整个cnc装置个功能协调工作，如系统的 初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬 件诊断等。还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具补偿和 进给速度处理等插补前的预处理。 2. 存储器模块 该模块存放程序和数据，为主存储器。每个cpu控制模块中还 有局部存储器。主存储器模块是各功能模块间数据传送的共享存 储器。 3. cnc插补模块 该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插 补类型通过插补计算为各坐标轴提供位置给定值。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 4. 位置控制模块 该模块根据插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的的位 置是机制进行比较，经过一定的控制算法，最后得到速度控制的 模拟电压，去驱动进给伺服电动机，实现无超调、无滞后、高性 能的闭环位置控制。 5. 指令、数据的输入输出及显示模块 该模块包括零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入/ 输出及显示等所需要的各种接口电路，如纸带阅读机接口、穿孔 机、键盘、crt接口、通信接口等。 6. plc功能模块 该模块将零件程序中的开关功能和由机床来的信号等进行逻辑 处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电器设备的启、 停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 2. 多微处理机cnc装置的典型结构 （）共享总线型结构 所有部件共享总线，只有主模块能控制系统总线所有部件共享总线，只有主模块能控制系统总线; ; 同一时刻只能有一个主模块占用总线同一时刻只能有一个主模块占用总线; ; 有总线仲裁机构。有总线仲裁机构。 总总 线线 cnccnc管理模块管理模块 （cpucpu） 主存储主存储 器模块器模块 自动编程模块自动编程模块 （cpucpu） 操作面板显操作面板显 示模块示模块 cnccnc插补模块插补模块 （cpucpu） plcplc功能模功能模 块块(cpu)(cpu) 位置控制模位置控制模 块块(cpu)(cpu) 主轴控主轴控 制模块制模块 n n 优点：结构简单、配置灵活优点：结构简单、配置灵活 n n 缺点：总线是系统的缺点：总线是系统的“瓶颈瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统，一旦系统总线出现故障，将使整个系统 受到影响；共享总线时会引起受到影响；共享总线时会引起“竞争竞争”，降低传输效率。，降低传输效率。 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 （）共享存储器型结构 采用多端口存储器实现各采用多端口存储器实现各cpucpu之间通信之间通信, ,每个端口都配每个端口都配 有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。 由多端口逻辑电路由多端口逻辑电路 解决访问的冲突问题解决访问的冲突问题 缺点功能扩展困难缺点功能扩展困难 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 3. 多微处理机cnc装置的优点 （）运算速度快、性能价格比高 （）适应性强、扩展容易 （）可靠性高 （）硬件易于组织规模化生产 黑龙江大学机电工程学院 第二节 cnc装置硬件结构 三、开放式体系结构系统 开放式cnc系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系 统平台上的能力，提供面向功能地动态重构工具，同时提供 统一标准化地应用程序用户界面。具有以下特征: 可互操作性：不同应用程序模块通过标准化地应用程序 接口运行于系统平台，不同模块之间保持平等地相互操 作能力。 可移植性：不同应用程序模块可运行于不同供应商提供 的不同系统平台上。 可缩放性：增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块单 元的装载与卸载。 可相互替代性：不同性能与可靠性和不同功能能力的功 能模块可以相互替代。 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 一、 cnc装置软件硬件的分工 三种典型的软硬件界面关系 纸 带 输 入 插补 准备 插 补 位 控 纸 带 输 入 插补 准备 插 补 位 控 速 控 电 机 测量 第一种 第二种 第三种 硬件硬件软件 硬件 硬件 软件 软件硬件 硬件 黑龙江大学机电工程学院 软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的工作同 样可以由软件完成。在cnc系统中，软硬件的分配 比例，随微电子、计算机技术的发展而不断变化。 1952年到1970年，“硬联接”数控时代； 70年代后，进入了“软联接”的数控时代； 80年代后期：计算机数控（cnc）系统。 cnccnc装置装置 软件：设计灵活，适应性强，但软件：设计灵活，适应性强，但 处理速度较慢；处理速度较慢； 硬件：处理速度快，但价格较贵。硬件：处理速度快，但价格较贵。 支持支持 第三节 cnc装置软件结构 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 二、cnc装置的软件组成 cnc装置的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计 和编制的专用软件，通常称为系统软件。cnc装置的系统软 件由管理软件和控制软件两大部分组成的。管理软件包括：输 入/输出、显示、诊断等；控制软件包括：译码、刀具补偿、 速度控制、插补运算和位置控制等。 cnc装置的数据转换流程：将 由零件加工程序表达的加工信 息，变换成各进给轴的位移指 令、主轴转速指令和辅助动作 指令，控制加工设备的轨迹运 动和逻辑动作，加工出符合要 求的零件。 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 三、 cnc装置软件结构的特点 cnc系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控 制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。cnc系统 的软件结构，无论其硬件是采用单微处理器结构还是多微处理 器结构，都具有两个特点：多任务并行处理和多重实时中断两 项技术的运用。 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 cnc系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控制两大任 务。在数控加工过程中，多数情况下以上两项工作须同时进行。 1.多任务并行处理 (1) cnc装置的多任务性 系统任务 管理控制 输 入 输 出 显 示 i/o 处 理 诊 断 译 码 刀 补 速 度 处 理 插 补 位置控制 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 并行处理是指计算机在 同一时间间隔内完成两 种或两种以上的性质相 同或不同的工作。 (2)并行处理 并行处理的分类： 资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用 同一套设备。 时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互 错开，轮流使用同一套设备的几个部分。 资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的 任务。 cnccnc硬件通常采用资源重复并行处理方法；硬件通常采用资源重复并行处理方法；cnccnc软件设计主要软件设计主要 采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的并行处理方法。采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的并行处理方法。 黑龙江大学机电工程学院 资源分时共享（对单一资源的系统） 在单cpu结构的cnc系统中，可采用“资源分时共 享”并行处理技术。 资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内 ，根据各任务实时性的要求，规定它们占用cpu的 时间，使它们分时共享系统的资源。 技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用cpu的时间长度，即时间片的分 配问题。 黑龙江大学机电工程学院 译码 刀补i/o 显示 初始化 位置控制 插补运算 背景程序 4ms 8ms 16ms 中断级别高 中断级别低 资源（cpu）分时共享图 黑龙江大学机电工程学院 各任务占用cpu 时间示意图 黑龙江大学机电工程学院 q 并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多cpu结构的cnc系统中，根据各任务之间的关联 程度，可采用以下两种并行处理技术： 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的 cpu上同时执行 并发处理； 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一 个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处 理。 黑龙江大学机电工程学院 流水处理技术的涵义 利用重复的资源（cpu），将一个大的任务分成若干个子 任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此 关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象 在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。 时间 t+tt 空间 111 333 2 22 输 出 输 出 输 出 cpu1 cpu2 cpu3 并行处理 123123 2tt 空间 时间 顺序处理 输 出 输 出 cpu1 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 ()并行处理中的信息交换和同步 加工程序 译 码 刀 补 预 处 理 插 补 处 理 位 置 控 制 伺服驱动 plc控制 位置反馈 速度预处理速度预处理 译码缓冲区译码缓冲区刀补缓冲区刀补缓冲区 插补缓冲区插补缓冲区运行缓冲区运行缓冲区 在cnc装置中信息交换主要通过各种缓冲存储区来实现。 黑龙江大学机电工程学院 2. 实时中断处理 第三节 cnc装置软件结构 cnc装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可 少的组成部分。cnc装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中 断结构决定了cnc装置软件的结构。 cnc系统的中断类型： 外部中断：主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断和键盘及 操作面板中断。 内部定时中断：主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。 硬件故障中断：各种硬件故障检阅装置发出的中断。 程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断。 黑龙江大学机电工程学院 第三节 cnc装置软件结构 cnc软件结构模式有：前后台型软件结构和中断型软件结构。 1. 前后台型软件结构 前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器cnc系 统。前台程序为实时中断程序，后台程序主要用来完成准备工 作和管理工作。 四、cnc系统的软件结构 2. 中断型软件结构 中断型软件结构没有前后 台之别，除初始化程序外， 根据各控制模块实时要求不 同，将控制程序安排成不同 级别的中断服务程序。 黑龙江大学机电工程学院 第四节 cnc装置的数据预处理 cnc装置控制刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨 迹的相对运动通过插补实时控制实现，而插补所需信 息（如曲线种类、起点终点坐标、进给速度等），需 要通过预处理得到。 预处理包括零件程序的输入、译码、刀具（半径 、长度）补偿计算和坐标转换等。 黑龙江大学机电工程学院 零件程序的输入包括两方面的内容: 1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。 2）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓 冲存储区）。 一、零件程序的输入 第四节 cnc装置的数据预处理 阅读机零件程序存储器mdi键盘 零件程序缓冲区mdi缓冲区 译码 黑龙江大学机电工程学院 二、译码 译码程序又称翻译程序，它把零件程序段的各种工件轮廓信息 (如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度f和其它辅助信息(m 、s、t)按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按 系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要 完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。 方法：解释和编译。 内容：整理和存放。 1）不按字符格式的整理与存放方法。 2）保留字符格式的整理与存放。 第四节 cnc装置的数据预处理 黑龙江大学机电工程学院 第四节 cnc装置的数据预处理 三、刀具补偿 刀补处理程序主要进行以下几项工作： 1. 计算本段零件轮廓的终点坐标值； 2. 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨 迹的终点位置； 3. 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。 建立刀补 撤消刀补 工件轮廓 起刀点起刀点 建立刀补 撤消刀补 工件轮廓 a）左刀补g41 b）右刀补g42 黑龙江大学机电工程学院 第四节 cnc装置的数据预处理 1. b功能刀具半径补偿计算 根据零件尺寸和刀具半径值计算直线或圆弧的起点 和终点的刀具中心值，以及圆弧刀补后刀具中心轨迹 的圆弧半径值。 刀具半径矢量：在加工过程中始终垂直于编程轨迹 ，大小等于刀具半径，方向指向刀具中心的矢量。 黑龙江大学机电工程学院 第四节 cnc装置的数据预处理 ()直线刀具半径补偿计算 被加工直线段oe起点在坐标原点，终点e的坐标为(x，y)。 设刀具半径为r，刀具偏移后e点移动到了e点。e点刀具半径矢量 分量 、 为： e点的坐标( ， )为： y r x r + -= + = 22 22 yx rx r yx ry r y x + -=+= + +=+= 22 22