数控技术第4章

1、2021-7-12 计算机数控计算机数控(CNC)(CNC)装置装置 2021-7-12 2021-7-12 分类分类世代世代 诞生年代诞生年代 系统元件及电路构成系统元件及电路构成 世界世界我国我国 硬件数硬件数 控控NCNC 第一代第一代 第二代第二代 第三代第三代 19521952年年 19591959年年 19651965年年 19581958年年 19651965年年 19721972年年 电子管、继电器，模拟电路电子管、继电器，模拟电路 晶体管，数字电路（分立元件）晶体管，数字电路（分立元件） 集成数字电路集成数字电路 计算机计算机 数控数控 CNCCNC 第四代第四代197019

2、70年年19761976年年内装小型计算机，中规模集成电路内装小型计算机，中规模集成电路 第五代第五代19741974年年19821982年年内装微处理器的内装微处理器的NCNC字符显示，故障自诊断字符显示，故障自诊断 19791979年年 19811981年年 19871987年年 19911991年年 19951995年年 超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口 人机对话人机对话, ,动态图形显示动态图形显示, ,实时软件精度补偿实时软件精度补偿, ,适应机床无人适应机床无人 化运转要求化运转要求 3232位位CPUCPU，

3、可控，可控1515轴，设定轴，设定0.0001mm0.0001mm进给速度进给速度24m/min24m/min，带前，带前 馈控制的交流数字伺服、智能化馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。系统。 利用利用RISCRISC技术技术6464位系统。位系统。 微机开放式微机开放式CNCCNC系统。系统。 2021-7-12 年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191 CPUCPU3000C/29013000C/2901位片机位片机1616位微处理器位微处理器3232位微处理器位微处理器6464位位 伺服伺服 驱动驱动 直流

4、模拟伺服直流模拟伺服 交流模交流模 拟伺服拟伺服 交流数字伺服交流数字伺服 最小最小 设定设定 单位单位 1 10.01 进给进给 速度速度 高速、高精度型高速、高精度型2.1m/min2.1m/min8.4m/min8.4m/min33.7m/min33.7m/min 高速型高速型15m/min15m/min 60m/min 60m/min 快速快速9.6m/min9.6m/min15m/min15m/min24m/min24m/min60m/min60m/min240m/min240m/min 扩充扩充 功能功能 用软件扩充数控功能、用软件扩充数控功能、 刀具补偿，固定

5、循环，刀具补偿，固定循环， 存储器运行存储器运行 用软件充实人机接口，彩色用软件充实人机接口，彩色 显示，会话编程，仿真显示，会话编程，仿真 3232位位CPUCPU，高速、高精度加工，高速、高精度加工， 数字伺服，高速主轴，智能化开放数字伺服，高速主轴，智能化开放 系统系统 2021-7-12 mm 项目项目低档低档中档中档高档高档 分辨率分辨率 10 101 1 0.1 0.1 进给速度进给速度 8-15 m/min 8-15 m/min15-24 m/min15-24 m/min15-100 m/min15-100 m/min 联动轴数联动轴数 2-3 2-3轴轴 2-4 2-4轴或轴或

6、3-53-5轴以上轴以上 主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用位甚至采用RISCRISC的的6464位位 伺服系统伺服系统步进电机、开环步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统直流及交流闭环、全数字交流伺服系统 内装内装PLCPLC无无 有内装有内装PCPC，功能极强的内装，功能极强的内装PCPC，甚至有轴控制功能，甚至有轴控制功能 显示功能显示功能 数码管数码管, ,简单的简单的CRTCRT字符字符 显示显示 有字符图形或三维图形显示有字符图形或三维图形显示 通信功能通信功能无无RC232CRC232C和和DNCDNC接口接口 还可能有还可能有MAPMAP通通

7、 讯接口和联网讯接口和联网 功能功能 m 2021-7-12 EIA(EIA(美国电子工业协会美国电子工业协会) )所属的数控标准化委员会的定义所属的数控标准化委员会的定义:“CNC:“CNC 是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的 控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装 置是接口置是接口”。 ISO(ISO(国际标准化组织国际标准化组织) )的定义的定义:“:“数控系统是一种控制系统，它自数控系统是一种控制系统，它自 动阅读输入载

8、体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和 加工零件加工零件”。 CNCCNC系统与系统与NCNC系统系统 数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统分轮廓控制和点位控制系统。 数控系统的核心是完成数字信息运算数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，处理和控制的计算机，即即 数字控制装置。数字控制装置。 2021-7-12 从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置（轨系统是一种位置（轨 迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多 执

9、行部件执行部件( (各运动轴各运动轴) )的位移量、速度为控制对象并使其的位移量、速度为控制对象并使其 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。计算机控制系统。 从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬件（通用硬件和硬件（通用硬件和 专用硬件）和软件（专用）专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。两大部分组成的。 2021-7-12 CNC系统平台系统平台 硬件硬件 操作系统操作系统 管理软件管理软件 应用软件应用软件控制软件控制软件 数控加工程序数控加工程序 接接口口 被控设备被控设备 机机床床

10、机器人机器人 测量机测量机 . 2021-7-12 w硬件结构硬件结构: : CPU CPU，存储器，总线、，存储器，总线、外设外设等等。 w软件结构软件结构：是一种用于是一种用于零件零件加工的、实时控制的、特殊的（或称加工的、实时控制的、特殊的（或称 专用的）计算机操作系统。专用的）计算机操作系统。 系系 统统 初始化初始化 系统控制软件系统控制软件 程序管理程序管理 编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件 输入程序输入程序 输出程序输出程序 显示程序显示程序 诊断程序诊断程序 译码程序译码程序 补偿计算补偿计算 速度控制速度控制 插补程序插补程序 位控程序位控程序 图图4

11、.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 2021-7-12 3. 3. 工作原理工作原理 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经 过过CNCCNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标装置译码，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。轴能精确地走到所要求的

12、位置。 简要工作过程：简要工作过程： 1 1）输入）输入： 输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入， 通讯接口输入及连接上级计算机的通讯接口输入及连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入 2021-7-12 2 2）译码：）译码：以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能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放

13、在指定的内存专 用区内。用区内。 3 3）数据处理）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 4 4）插补：）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 间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。 5 5）位置控制：）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。置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6 6）I/OI/O处理：处理：处理处理CNC

14、CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8 8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 2021-7-12 1.1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能 （1 1）控制轴数和联动轴数）控制轴数和联动轴数 （2 2）准备功能（）准备功能（G G功能）功能） （3 3）插补功能）插补功能 （4 4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、

15、恒定线速度、主轴定向准 （5 5）进给功能（）进给功能（ F F ） 1 1）切削进给速度）切削进给速度 2) 2) 同步进给速度同步进给速度 3 3）快速进给速度）快速进给速度 4 4）进给倍率）进给倍率 。 （6 6）补偿功能）补偿功能 1 1） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2 2）工艺量的补偿）工艺量的补偿 （7 7）固定循环加工功能）固定循环加工功能 2021-7-12 （8 8）辅助功能（）辅助功能（M M代码）代码） （9 9）字符图形显示功能）字符图形显示功能 （1010）程序编制功能：手工编程、）程序编制功能：手工编程、 在线编

16、程、自动编程在线编程、自动编程 （1111）输入、输出和通讯功能）输入、输出和通讯功能 （1212）自诊断功能）自诊断功能 2.CNC2.CNC数控装置的特点数控装置的特点 1 1）灵活性大）灵活性大 2 2）通用性强）通用性强 3 3）可靠性高）可靠性高 4 4）可以实现丰富、复杂的功能）可以实现丰富、复杂的功能 5 5）使用维修方便）使用维修方便 6 6）易于实现机电一体化）易于实现机电一体化 2021-7-12 2021-7-12 CPU ROMRAMIN接口接口OUT接口接口 阅读机阅读机 接口接口 MDI/CRT 接口接口 位置位置 控制控制 其它其它 接口接口 总线总线 单微处理器

17、硬件结构图单微处理器硬件结构图 2021-7-12 CNCCNC装置的体系结构装置的体系结构分为：分为：单微处理机和多微处理机系统，中单微处理机和多微处理机系统，中 高档的高档的CNCCNC装置装置以以多微处理机结构为多。多微处理机结构为多。 单微处理机结构单微处理机结构: :见上图见上图 多微处理机多微处理机CNCCNC装置的结构：装置的结构： 1. 主从结构主从结构 2. 2. 多主结构多主结构 3. 3. 分布式结构分布式结构 4. 4. 多通道结构多通道结构 2021-7-12 单微处理机数控装置单微处理机数控装置: :是以一个是以一个CPUCPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为

18、核心，CPUCPU通过总线与通过总线与 存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成 数控加工各个任务。数控加工各个任务。 单微处理机结构：单微处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等。微处理器、存储器、总线、接口等。 接口包括接口包括I/OI/O接口、串行接口、接口、串行接口、CRT/MDICRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部接口、数控技术中的控制单元部 件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PCPC）、主轴控制单元、）、主轴控制单元、 穿孔机和纸带阅读

19、机接口，以及其它选件接口等。穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 1.1.微处理器和总线微处理器和总线 微处理器：运算、控制微处理器：运算、控制 总线：总线：CPUCPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制 、地、地 址和数据三总线。址和数据三总线。 2.2.存储器存储器 只读存储器（只读存储器（ROMROM）和随机存储器（）和随机存储器（RAMRAM） 它们的用途：它们的用途： 2021-7-12 只读存储器（只读存储器（ROMROM）：系统程序：系统程序 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）：运算的中间结果、需显示的

20、数据、运行中的状态、）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、 标志信息标志信息 CMOS RAMCMOS RAM或或磁泡存储器磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.3.位置控制单元位置控制单元 对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制包括位置和速度控制）。）。 （对主轴的控制一般只包括速度控制）（对主轴的控制一般只包括速度控制） C C轴位置控制：轴位置控制：包括位置和速度控制包括位置和速度控制 刀库位置控制刀库位置控制（简易位置控制）（简易位置控制） 进给轴位置控制的硬件：大

21、规模专用集成电路位置控制芯片、进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、 位置控制模板。位置控制模板。 2021-7-12 V S V S 1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构: :共享总线型、共享存储器型及混合型结构。共享总线型、共享存储器型及混合型结构。 （1 1）功能模块）功能模块 1 1）CNCCNC管理模块管理模块 2 2）存储器模块）存储器模块 3 3）CNCCNC插补模块插补模块 4 4）位置控制模块）位置控制模块 5 5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块

22、6 6）PLCPLC模块模块 2021-7-12 V S V S （2 2）共享总线结构）共享总线结构 结构与仲裁结构与仲裁 主模块与从模块主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。 并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯模块之间的通讯：公共存储器公共存储器 总线：总线：STD bus STD bus （支持（支持8 8位和位和1616位字长）位字长） Multi bus Multi

23、 bus （型支持型支持1616位字长，位字长，型支持型支持3232位字长）位字长） S-100 bus S-100 bus （可支持（可支持1616位字长）位字长） VERSA bus VERSA bus （可支持（可支持3232位字长）位字长） VME bus VME bus （可支持（可支持3232位字长）位字长） 2021-7-12 图图4 .9 串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式 主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3 入入忙忙出出入入忙忙 出出 2021-7-12 图图4 .10 并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式 总线优总线优 总线总线 总线优总线优 先权入先权入

24、 忙忙 先权出先权出入入 忙忙 出出 译译 器器 码码 入入 忙忙 出出 优先权编器码优先权编器码 2021-7-12 （3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 V S 图图4 .11 MTC1的的CNC装置结构框图装置结构框图 (16K) EPROM (16K) EPROM (56K) EPROM (2K) EAM (26K) RAM (2K) EAM 512 K 512 K (CRT) CPU2 键盘键盘 (中央中央) CPU1 (插补插补) CPU3 串口和串口和 收发器收发器 CRTC CRT 字符字符 发生器发生器 并行并行 接口接口 反馈脉冲反馈脉冲 处理处理 反馈信号反馈信号 适

25、配器适配器 机床机床 接口接口 模拟量模拟量 接口接口 RS232C XYZCW 2021-7-12 （4 4）共享总线和共享存储器型结构）共享总线和共享存储器型结构 图图4 .12 FUNUC11的的CNC装置结构框图装置结构框图 键盘键盘纸带机纸带机手摇盘手摇盘 PMC 68000 CAP 8086+8087 ROMRAM 主主CPU 68000 SSU RS232RS232位控位控位控位控位控位控 IOC BAC ROMRAMROMRAM RAMROM 图形显示图形显示 80878087 OPC CRT 机床机床I/O 坐标轴坐标轴 坐标轴坐标轴主轴主轴 其中其中OPC操作控制器；操作控

26、制器；BAC总线仲裁控制器；总线仲裁控制器；IOC输入输出控制器；输入输出控制器； CAP自动编程单元；自动编程单元；SSU系统支持单元；系统支持单元；PMC可编程机床控制器可编程机床控制器 2021-7-12 图图4 .13 双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 图图4 .13多多CPU共享存储器框图共享存储器框图 端口端口1 存储存储 控制逻辑控制逻辑 地址和数据地址和数据 多路转换器多路转换器 RAM共享存共享存 储器储器 I/O (CPU) CRT (CPU2) 轴控制轴控制 （COU4） 插补插补 (CPU3) 端口端口2 中断中断控制控制 从机床来的从机床来的 控制信号控制信号

27、 至机床的至机床的 控制信号控制信号 2021-7-12 V S V S （5 5）多通道结构）多通道结构 通道结构（通道结构（Channel StructureChannel Structure），即两种以上程序的并行处理。），即两种以上程序的并行处理。 2.2.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 （1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 （2 2）可靠性高）可靠性高 （3 3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产 2021-7-12 V S V S 一、开放式数控系统的产生一、开放式数控系统的产生 随

28、着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩 展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系数控系 统。统。 体系开放化体系开放化定义（定义（IEEE）：）： 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统 应用进行互操作的系统应用进行互操作的系统。 开放式数控系统特点：开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)(Stand

29、ardization)与多样与多样 化化( Diversification)( Diversification)和互换性和互换性(Interchangeability)(Interchangeability)的特征的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式积木式”的集成的集成 构造，应该是可移植的和透明的；构造，应该是可移植的和透明的； 2021-7-12 V S V S 二、开放体系结构二、开放体系结构CNCCNC的优点的优点 n向未来技术开放：向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，

30、只需少 量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统 所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系 统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； n标准化的人机界面标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和 操作效率直接有关的劳动消耗；操作效率直接有关的劳动消耗； 2021-7-12 V S V S n向用户特殊要求开放：向用户特殊要求开放：更新产品、扩充

31、能力、提供可供选择的硬软更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软 件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从 低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用 户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； n可减少产品品种可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市 场供应能力和竞争能力场供应能力和竞争能力。 2021-7-12 V S V

32、S 三、开放式数控装置的概念结构三、开放式数控装置的概念结构 硬件硬件 配置配置 单元单元 软件软件 配置配置 单元单元 标准计算机硬件标准计算机硬件 数控系统数控系统 基本硬件基本硬件 数控功能数控功能 应用程序应用程序 DOS(WINDOWS) 实时多任务操作系统实时多任务操作系统RTM 应用程序接口应用程序接口 NC构件库构件库 2021-7-12 V S V S 四、国内外开放式数控系统的研究进展四、国内外开放式数控系统的研究进展 1.几大研究计划几大研究计划 n美国：美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)

33、和和OMAC(Open Modular Architecture Controller) 计划计划 n欧共体：欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划计划 n日本：日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划计划 n华中华中I型型基于基于IPC的的CNC开放体系结构开放体系结构 n航天航天I型型CNC系统系统基于基于PC的多机的多机CNC开放体系结构开放体系结构 2021-7-12 V S V S 2.2.开放程度开放程度： 1 1

34、）CNCCNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件可以直接地或通过网络运行各种应用软件 2 2）用户操作界面的开放。）用户操作界面的开放。 3 3）NCNC内核的深层次开放内核的深层次开放( ( PC+ PC+实时硬插件；实时硬插件； PC+ PC+实时软中断实时软中断) )。 3.3.开放式数控系统的发展趋势：开放式数控系统的发展趋势： 1 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件 技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数 控系统。控系统。 2

35、 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的 需求。需求。 3 3）网络化）网络化 2021-7-12 V S V S 1.1.点位点位/ /直线控制的一般概念（单轴数控）直线控制的一般概念（单轴数控） 用于钻床、镗床、机能简单的车床用于钻床、镗床、机能简单的车床 点位控制点位控制 只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进 行切削，对运动路径没有严格要求。行切削，对运动路径没有严格要求。 直线控制直线控制 刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行

36、切削加工。在加工过程中不但刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但 要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。 2021-7-12 2.2.点位点位/ /直线数控系统数控装置的结构直线数控系统数控装置的结构 显示显示 进给脉冲进给脉冲 发生器发生器 M、S、T 寄存控制寄存控制 加减速及加减速及 停止判断停止判断 伺服伺服 驱动驱动 机床机床 测量测量 输入输入 译码译码 位置计数位置计数 与比较与比较 F 图图4.16 4.16 点位点位/ /直线控制系统直线控制系统 2021-7-12 2021-7-12 1. CNC1. CN

37、C装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面 图4 .17 三种典型的软硬件界面关系 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 速速 控控 电电 机机 测量测量 第一第一 种种 第二第二 种种 第三第三 种种 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 2021-7-12 V S V S 2. 2. 系统软件的内容及结构类型系统软件的内容及结构类型 系统软件的组成：系统软件的组成：（管理和控制）（管理和控制） 管理部分：管理部分：输入、输入、I

38、/OI/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。等程序。 控制部分：控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。 管理方式：管理方式： 单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元 2021-7-12 3. 3. 多任务并行处理多任务并行处理 （1 1）CNCCNC装置的多任务性装置的多任务性 图图4 .18 CNC装置软件任务分

39、解装置软件任务分解 图图4 .19软件任务的并行处理软件任务的并行处理 CNC装置装置 管管理理控控制制 输入输入 显示显示位控位控 诊断诊断I/O 插补插补 位控位控 译译码码 刀刀补补 速度处理速度处理 输输 入入 I/ O 处处 理理 显显 示示 诊诊 断断 通通 讯讯 译译 码码 刀刀 具具 补补 偿偿 速速 度度 处处 理理 位位 置置 控控 制制 插插 补补 2021-7-12 V S V S （2 2）并行处理）并行处理 并行处理并行处理： 是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以 上性质相同或不相同的工作。并行处理

40、的优点是提高了运行速度。上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。 并行处理的分类：并行处理的分类： “ “资源重复资源重复”，“时间重叠时间重叠”和和“资源共享资源共享”。 资源共享：资源共享： 根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。 时间重叠：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。同一套设备的几个部分。 2021-7-12 V S V S 1 1）资源分时共享并行处理）资源分时共享

41、并行处理（对单一资源的系统）（对单一资源的系统） 在在单单CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，可采用系统中，可采用“资源分时共享资源分时共享”并并 行处理技术。行处理技术。 资源分时共享资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根在规定的时间长度（时间片）内，根 据各任务实时性的要求，规定它们占用据各任务实时性的要求，规定它们占用CPUCPU的时间，使的时间，使 它们分时共享系统的资源。它们分时共享系统的资源。 “资源分时共享资源分时共享”的技术关键：的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用其二：各任务占用CPUCPU的时间长度，的时

42、间长度，即即 时间片的分配问题。时间片的分配问题。 2021-7-12 V S V S 诊断诊断 I/O 处理处理 输入输入 插补插补 准备准备 显示显示 初始化初始化 插补插补 位控位控 键盘键盘 中断级别高中断级别高 中断级别低中断级别低 2021-7-12 V S V S 在任何一个时刻只有一个任务占用在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU； 在一个时间片（如在一个时间片（如8ms8ms或或16ms16ms）内，）内，CPUCPU并行地执行了两个或并行地执行了两个或 两个以上的任务。两个以上的任务。 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微因此，资源分时共享的并行处理只

43、具有宏观上的意义，即从微 观上来看，各个任务还是逐一执行的观上来看，各个任务还是逐一执行的。 2021-7-12 V S V S 2)2)并发处理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多在多CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采系统中，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：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若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPUCPU上同上同 时执行时执行 并发处理并发处理； 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若任务间的关联程度较

44、高，即一个任务的输出是另一个任务 的输入，则可采取的输入，则可采取流水处理流水处理的方法来实现并行处理。的方法来实现并行处理。 2021-7-12 V S V S 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），将一个大的任务分成），将一个大的任务分成 若干个子任务若干个子任务( (任务的分法与资源重复的多少有关任务的分法与资源重复的多少有关) )，这些小任务，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，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。就象在一条生产线上分不同工序加

45、工零件的流水作业一样。 2021-7-12 V S V S 并行处理并行处理 123123 2tt 空间空间 时间时间 顺序处理顺序处理 输输 出出 输输 出出 CPU1 时间时间 t+t tt 空间空间 111 333 2 22 输输 出出 输输 出出 输输 出出 CPU1 CPU2 CPU3 2021-7-12 在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两 个或两个以上的任务在并发执行。个或两个以上的任务在并发执行。 并发处理和流水处理的关键是并发处理和流水处理的关键是时间重叠时间重叠，是以资，是以资 源重复的代价换得时间上的重叠，或者说源重复的代价

46、换得时间上的重叠，或者说以空间以空间 复杂性的代价换得时间上的快速性。复杂性的代价换得时间上的快速性。 2021-7-12 3 3）并行处理中的信息交换和同步）并行处理中的信息交换和同步 在在CNCCNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。 各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。 图图4.22 CNC4.22 CNC装置通过缓冲区交换信息框图装置通过缓冲区交换信息框图 纸带纸带 缓冲缓冲 存储区存储区 译码译码 缓冲缓冲 存储区存储区 插补插补 缓冲缓冲 存储区存储区 插补插补 工作

47、工作 存储区存储区 插补插补 输出输出 存储区存储区 纸纸 带带译码译码插补插补 准备准备 交换交换插补插补 2021-7-12 图4.23 纸带读写同步说明 -读指针读指针R -写指针写指针W M V S V S 进口进口 W=(W+1)Mod(M) 写第一个字符到写第一个字符到 纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器 (R-W)Mod(M)=2? 出口出口 停光电机停光电机 进口进口 出口出口 启动光电机启动光电机 R=(R+1)Mod(M) 从纸带缓冲存从纸带缓冲存 储储 区读出一个字区读出一个字 符符 (R-W)Mod(M)=1? 2021-7-12 V S V S 4. 4. 实时中断处理实时

48、中断处理 （1 1）CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入 中断。中断。 2 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。 3 3）硬件故障中断）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。种硬件故障检测装置发出的中断。 4 4）程序性中断）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。程序中出现的异常情况的报警中断。 （2 2）CNCCNC系统中断结构模式系统中断结构模式 1 1）前后台软件结构中的中

49、断模式）前后台软件结构中的中断模式 2 2）中断型软件结构中的中断模式）中断型软件结构中的中断模式 背景程序背景程序 初始初始 化化实施中断实施中断 程序程序 2021-7-12 V S V S 1. 1. 零件程序的输入零件程序的输入 零件程序的输入包括两方面的内容零件程序的输入包括两方面的内容: : 1 1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。 2 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）。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）。 图4.25 输入过程 阅读机阅读机零件程序存储器零件程序存储器MDI键盘键盘 零件

50、程序缓冲区零件程序缓冲区MDI缓冲区缓冲区 译码译码 2021-7-12 V S V S 2. 2. 数据处理程序数据处理程序 数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、 辅助功能处理和进给速度计算等部分辅助功能处理和进给速度计算等部分 。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、 冷却液开、闭等辅助功能。冷却液开、闭等辅助功能。 （1 1）译码）译码 定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工 件轮廓信息（如起

51、点、终点，直线和圆弧）、加工速度件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F F和其它辅助信息和其它辅助信息 （M.S.TM.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内 存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法存专用区间。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。错误立即报警。 方法：解释和编译。方法：解释和编译。 内容：整理和存放。内容：整理和存放。 1 1）不按字符格式的整理与存放方法。）不按字符格式的整理与存放方法。 2 2）保留字符格式的整理与存放。）

52、保留字符格式的整理与存放。 2021-7-12 （2 2）刀具补偿）刀具补偿 定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。 种类：长度补偿和半径补偿。种类：长度补偿和半径补偿。 1 1）B B功能刀具半径补偿计算功能刀具半径补偿计算 直线加工时刀具补偿直线加工时刀具补偿 图图4.28 4.28 直线刀具补偿直线刀具补偿 V S V S Y X A(x,y) A(x,y) y x O O r yyy xxx AKAXOA 22 22 cos sin yx x rry yx y rrx 22 22 yx rx yy yx ry xx 2021

53、-7-12 圆弧加工时刀具半径补偿圆弧加工时刀具半径补偿 图图4.29 4.29 圆弧刀具半径补偿圆弧刀具半径补偿 r (x0,Y 0) (xe,Y e) (Xe,ye , yyy xxx ee ee BKBBOX R y rry R x rrx e e sin cos R ry yy R rx xx e ee e ee 2021-7-12 * * B B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题功能刀具半径不能处理尖角过渡问题 V S V S 图图4.30 B4.30 B刀补的交叉点和间断点刀补的交叉点和间断点 A B C” C B A G41 刀具刀具 G42 刀具刀具 编程轨迹编程轨迹 刀具中心轨

54、迹刀具中心轨迹C 2021-7-12 2 2）C C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况。 图图4.31 4.31 由由NCNC到到CNCCNC刀补的改进措施刀补的改进措施 工作寄存器工作寄存器 AS 输出寄存器输出寄存器 OS 缓冲寄存器缓冲寄存器 BS 工作寄存器工作寄存器 AS 输出寄存器输出寄存器 OS 缓冲寄存器缓冲寄存器 BS 刀具补偿缓冲刀具补偿缓冲 区区CS 工作寄存器工作寄存器 AS 输出寄存器输出寄存器 OS a)NCa)NC方式方式b)b)改进的改进的NCNC方式方式c)CNCc)CNC

55、方式方式 2021-7-12 图图4.32 G414.32 G41直线与直线转接情况直线与直线转接情况 V S V S 2021-7-12 V S V S 1.1.进给速度计算进给速度计算 开环系统开环系统: : 速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。 速度计算的方法是根据程编的速度计算的方法是根据程编的F F值来确定该频率值。值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统半闭环和闭环系统: : 采用数据采样方法进行插补加工采用数据采样方法进行插补加工 速度计算是根据程编的速度计算是根据程编的F F值，将轮廓曲线分割为采样值，将轮廓曲线分割为采样 周期的

56、轮廓步长。周期的轮廓步长。 2021-7-12 V S V S （1 1）开环系统进给速度的计算）开环系统进给速度的计算 脉冲的频率决定进给速度。脉冲的频率决定进给速度。 （4.74.7） 为脉冲当量，单位：为脉冲当量，单位：mm mm ， 则则 （4.84.8） 两轴联动时，各坐标轴速度为两轴联动时，各坐标轴速度为: : 合成速度（即进给速度）合成速度（即进给速度）V V为为 （4.94.9） min)/mm(60f F 60 F f xxf60v yyf60v FvvV 2 y 2 x 2021-7-12 （2 2）半闭环和闭环系统的速度计算）半闭环和闭环系统的速度计算: : 确定一个采样

57、周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。 直线插补直线插补速度计算速度计算： a)a)程序段投影程序段投影 L Lx x=x=xe e-x-x0 0 L Ly y=y=ye e-y-y0 0 b)b)直线方向余弦直线方向余弦 coscos=L=Lx x/L cos/L cos=L=Ly y/L/L c)c)一个插补周期的步长（一个插补周期的步长（L L） L=L=（1/601/60）F Ft t，速度，速度F F单位：单位：mm/minmm/min，插补周期，插补周期t t单位：单位：msms， L L单位单位: :m m d)d)各坐标轴在一个采样

58、插补周期的运动步长各坐标轴在一个采样插补周期的运动步长 x =x =L Lcoscos=Fcos=Fcost/60 (t/60 (m) m) y =y =L Lsinsin=Fsin=Fsint/60 =t/60 =L Lcoscos= Fcos= Fcost/60 (t/60 (m)m) V S V S Y Y O O XX XX Y Y A(X0 ,Y0) A BB(Xe ,Ye) A(X0,Y0) B(Xe ,Ye) A B L LX LY 2021-7-12 V S V S 圆弧插补时速度计算（插补原理不同，计算方法也不同）圆弧插补时速度计算（插补原理不同，计算方法也不同） 步长分配系

59、数 （速度系数） 1 1 60 60/cos id i ii J R tJF tFx 1 1 60 60/sin id i ii I R tIF tFy R tF d 60 tFRN d 60 1 R F FRN d J J I I X X Y Y O O A AO O E E A Ai-1 i-1 A Ai i C C( (I IO O,J,JO O) ) X Xi i Y Yi i I Ii-1 i-1 J Ji-1 i-1 R R 2021-7-12 V S V S 2.2.进给速度控制进给速度控制 常用的常用的控制控制方法方法： 计时法计时法 用于脉冲增量插补。用于脉冲增量插补。 时钟

60、中断法时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达 到速度控制的目的。到速度控制的目的。 积分法积分法 L V 2021-7-12 V S V S （1 1）程序计时法）程序计时法 原理原理 用途：点位直线控制系统。脉冲增量。空运转等待时间越用途：点位直线控制系统。脉冲增量。空运转等待时间越 短，发出进给脉冲频率越高，速度就越快。短，发出进给脉冲频率越高，速度就越快。 每次插补运算后每次插补运算后 的等待时间的等待时间 插补运算时间插补运算时间 进给速度要求的进给脉冲间隔时间进给速度要求的进给脉冲间隔时间 2021-7-12 V S V S （2 2