数控系统结构介绍

1、第三章 CNC系统结构及控制方法从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)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计算机控制系统。CNCCNC系统的功能 控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或多轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求CNC系统的功能就越强，同时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。 2. 几何参数 CNC设定的最小设定

2、单位 插补方式 控制轴数 P4 准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。 对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。 根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。 （1）切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对于回转轴，表示每分钟进给的角度。 （2）同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴

3、上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。 （3）进给倍率 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0200%之间变化，每档间隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。 （1）转速的编码方式 一般用S指令代码指定。r/min （2）指定恒定线速度 该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。 mm/min （3）主轴定向准停 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液

4、的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量的控制。各种型号的数控装置具有的辅助功能差别很大，而且有许多是自定义的。 刀具功能用来选择所需的刀具。 补偿功能是通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下种类： （1）刀具的尺寸补偿 如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位置，简化编程。 （2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到CNC系统中，在实际加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。 CNC控制器可以配置单色

5、或彩色CRT或LCD，通过软件和硬件接口实现字符和图形 的显示。通常可以显示程序、参数、各种补 偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程 菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。有的CNC可以进行远程通信诊断。 为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC装置

6、通常具有RS232C通信接口，有的还备有DNC接口。也有的CNC还可以通过制造自动化协议（MAP）接入工厂的通信网络。 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。有的CNC系统还

7、备有用户宏程序功能（如日本FANUC系统）。这些功能有助于那些未受过CNC编程专门训练的机械工人能够很快地进行程序编制工作。 数控系统的组成 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。 程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程逻辑控制器、主轴驱动装置、进给驱动装置组成。 坐标轴运动与位置检测 F指令速度处理坐标及刀补 处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输 出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器 PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处 理输 入译 码零件程序 目前CNC的硬件结构广泛采用各种多CPU结

8、构，80年代后出现了以个人计算机（PC）为基础的CNC结构。从结构上看，近代CNC由以下三部分组成： NC：主要负责数控加工程序的处理、插补、伺服、进给的控制等数控主流程的处理和控制； PLC：主要负责对数控设备及其他辅助设备的开关量控制 MMC：它是CNC中负责处理人机界面及外界通信任务的机构，具有图形处理和数据处理功能。 计算机数字控制系统的硬件结构 按控制功能的复杂程度可分为： 单处理机结构和多处理机结构； 按电路板的结构特点可分为： 大板结构和模块化结构。 按总体安装结构特点可分为： 整体式结构和分体式结构 按CNC装置硬件的制造方式可分为： 专用型结构和个人计算机式结构CNC装置的硬

9、件结构装置的硬件结构 整体式结构把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内 分体式结构把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。按总体安装结构特点分类按CNC装置硬件的制造方式分类 专用型结构由各制造厂家专门设计和制造。 个人计算机式结构以工业PC作为CNC装置的支撑平台，再由机床制造厂根据数控需要，插入控制卡和数控软件，构成CNC装置。 大板结构一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM板、零件程序存储器板

10、和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心部分按电路板的结构特点分类 模块化结构将CPU、存储器、输入输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），甚至将CPU、存储器、输入输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。 单处理机结构 初期的CNC系统和现在的一些经济型CNC系统一般采用单CPU结构 多处理机结构 多CPU结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求。多用于高档的，全功能型的CNC机床按控制功能的复杂程度单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图单处理器计算机控制单处理器计算机控制单微处理器结构组成：单微处理器结构组成：微处

11、理器（运算、控制）、总线、存储器、接口等；微处理器（运算、控制）、总线、存储器、接口等；微处理器和总线 微处理器CPU运算器，控制器组成 运算器包括：算术逻辑运算、寄存器、堆栈 总线：具有一定信号意义的物理导线 数据总线（双方向线） 地址总线（单方向线） 控制总线（单方向线） 可擦写只读存储器（EPROM）：系统程序 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息 有后备电池的CMOS RAM或磁盘存储器 ： 加工的零件程序、机床参数、刀具参数等I/O（输入/输出）接口 1. 进行必要的电气隔离 2. 电平转换和功率放大MDI/CRT接口位置控制模块速度控制、位置反

12、馈 要求：无超调、无滞后、抗干扰能力强。v对机床进给运动的坐标轴位置进行控制。 v对主轴控制，一般只包括速度控制。v刀库位置控制（简易位置控制）vC轴位置控制：包括位置和速度控制可编程控制器 内装型 为实现机床的顺序控制而专门设计制造的。 独立型 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。通信接口 单微处理器数控装置: 以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU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，完成数控加工各个任务。 结构特点： 一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构 结构简单，易于实现 功能受限制多微处理器计算机控制 多处理器计算机控制在CNC

13、系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构特点： 能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继续工作。 常见的有下面六种基本功能模块，如果希望扩充功能，则可以再增加相应的模块。 1. CNC管理模块 它具有管理和组织整个CNC系统工作过程的职能。例如:系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软/硬件诊断等。它能够对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理工作。 2. CNC插补模块 按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，并向各个坐标轴发出位

14、置指令值。 3. 位置控制模块 它将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电动机。 4. PLC模块 它能够对加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，以实现各功能与操作方式之间的连锁。例如:机床电气设备的启动与停止、刀具交换、回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。 5. 数据输入、输出和显示模块 它包括加工程序、参数、数据和各种操作命令的输入(如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等)和输出(如通过打印机、纸带穿孔机等)以及显示(如通过CRT、液晶显示器等)所需

15、要的各种接口电路。 6. 存储器模块 它是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。 多处理器CNC装置的典型结构 1）共享总线结构 在这种结构的CNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。会话式编程 模 块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模 块（CPU）位置控制模 块（CPU）主轴控制模 块总线仲裁机构 在各主模块争用总线时，判别出各模块优先级的高低。 串行总线仲裁方式链接位置 并行总线仲裁方式专用逻辑电路,优先权 编码方案q

16、 共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高q 共享总线结构的缺点 总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响； 由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。 2）共享存储器结构 在该结构中，采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。 功能复杂，当CNC系统要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。多处理机的结构特点 1. 性能价格比高 2. 采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性 3. 硬件易于组织规模生产。

17、 4. 有很高的可靠性。 1.计算机数字控制系统的软硬件界面CNC系统软件结构及控制 计算机数字控制装置的数据转换流程CNC系统的软件结构及控制 CNC装置的软件的特点：CNC系统的多任务性 CNC系统软件的任务：管理和控制 并行处理：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 加工时，CNC为了解决同一时间间隔完成两个或两个以上的工作，通常采用： 1. 资源分时共享 2. 资源重叠流水处理 计算机数字控制装置的数据转换流程t=t1+ t2+ t3+ t4实时中断处理 CNC系统的多任务性和实时性决定了系 统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分。CNC系统的中断

18、管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。 (1) 外部中断。主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断(如紧急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，通常把这两种中断放在较高的优先级上，而键盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。 (2) 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。在有些系统中，这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。 (3) 硬件故障中断。 它是各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、 插补运算超时等。 (4) 程序性

19、中断。 它是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。 前后台型软件结构 组成：前台程序、后台程序 前台程序是指实时中断服务程序，实现插补、伺服、机床监控等实时功能 后台程序是一个循环运行程序，完成管理功能和输入、译码、数据处理等非实时性任务，也叫背景程序，管理软件和插补准备在这里完成 后台程序运行中，实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。 这种前后台型的软件结构一般适合单处理器集中式控制，对CPU的性能要求较高。 系统初始化等待紧停复位背景程序MCU总清方式选择自动/单段手动键盘增量点动；连续点动；回参考点；设置零点；阅读机复位；测试方式；CRT显示操作

20、命令；MDI段；执行；数据输入；CRT显示等待循环起动段执行程序；读程序到缓存区；译码；处理传送；等待段完成状态检查M02EORM30倒带自动循环停处理10.24ms中断阅读机中断键盘中断保护现场位置伺服面板扫描PAL程序插补面板输出恢复现场存入字符存入字符恢复现场恢复现场保护现场保护现场返回返回返回中断型软件结构 特点 ： 除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块根据实时性不同分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。系统的管理功能主要通过各级中断服务程序间的通信实现。中断级别中断级别主要功能主要功能中断源中断源0 0控制控制CRTCRT显示显示硬件硬件1

21、1译码、刀具中心轨迹计算，显示器控制译码、刀具中心轨迹计算，显示器控制软件，软件，16msms定时定时2 2键盘监控，键盘监控，I/OI/O信号处理，穿孔机控制信号处理，穿孔机控制软件，软件，16msms定时定时3 3操作面板和电传机处理操作面板和电传机处理硬件硬件4 4插补运算、终点判别和转段处理插补运算、终点判别和转段处理软件，软件，8msms定时定时5 5纸带阅读机读纸带处理纸带阅读机读纸带处理硬件硬件6 6伺服系统位置控制处理伺服系统位置控制处理4msms硬件时钟硬件时钟7 7系统测试系统测试硬件硬件 系统管理主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现，通信方式主要有以下几种： 设置软件

22、中断 中断服务程序自身的链接 设置标志 第一级中断为插补做准备 第一级中断工作内容分13个口子，由低到高依次查询“口状态字”，若状态为1，转入相应口子处理。最后对0“号显示处理。 1）口状态字的置1和复0 置1分两种情况： a. 其他中断根据需要置第一级中断请求，置相应的口状态字 b. 在执行第一级中断的某一口子处理时，置口状态字的另一位。某一号口处理结束，程序将口状态字中对应位复0。2） 0号口显示处理 四位字段数控地址八位数据发光二极管状态灯坐标位置3） 3号,4号口特殊处理 将零件程序从MP、SP、PC中读入缓冲存储器。计算刀具中心轨迹 1. 输入 输入CNC控制器的信息通常有：（1）

23、零件加工程序（2） 与机械有关的参数（3） 刀具参数（4）与伺服系统有关的参数（5）与外设有关的参数 输入程序的任务：（1）从键盘或光电阅读机将零件加工程序输入到零件程序存储器中（2）将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中转入译码。 CNC系统的控制软件工作过程 输入零件程序至存储器的过程： 用MDI键盘输入零件程序，此时，控制程序循环等待，字符以中断方式进入MDI缓冲器。当检测到规定的结束符时，设置MDI缓冲器起址至相应单元，并完成以下处理： 判别是否取出的字符为结束符； 从MDI缓冲器读入一段字符，统计字符个数，越界检查； 第二次从MDI缓冲器中读取本段字符，并且存所有的字符至零件程

24、序存储器中； 将零件程序存储器指针指向下一数据段区域。 为了把字符送入缓冲器，CNC系统设置了专门的阅读机输入和键盘输入中断服务程序。 阅读机中断程序执行一次读入一个字符，在通过一系列检查合格后存入缓冲器。 奇偶校验，操作数是否超限，字地址的顺序，程序格式是否正确，信息是否完整。 键盘中断服务程序，每按下一键发出一次中断请求。 2. 译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释（编译）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域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警

25、。 译码程序按次序将一个个字符和相应的数字进行比较，若相等了，则说明已输入了该字符。 以ISO码为例，M为(01,001,101)2，即M为八进制的(115)8，S为(123)8，T为(124)8，F为(106)8，因此，在判定数据段中是否已编入M，S，T或F字时，就可以将输入的字符和这些八进制数相比较，若相等了，则说明相应的字符已输入，立即设立相应的标志。 某一个字符输入以后的处理过程包括： 建立格式标志。如果是位格式，确定每个字符所占的格式字的位数。 根据输入字符的不同，确定相应的存放数值的地址。 M码的值存放在1000H，S码的值存放在1002H，；有的系统则对于各专用地址码(如N，X，

26、Y，G，M，F等)在存放区域中都有一个位移量，该区域的首址加上地址码所对应的位移量，就可得到该地址码所存放的区域。 确定调用“数码转换程序”的次数。所谓数码转换，即把输入的字符（如ASCII码）转换成二进制码在内存中存放。 将不同字符的处理程序合并 通过信息表查询，完成译码工作。 在进行译码的同时，系统要对零件程序作语法检查，如输入的数字个数是否大于允许值，不允许带负号的地址码是否带了负号等。 译码的结果存放在规定的存储区内，存放译码结果的地方叫做译码结果存储器。译码结果存储器以规定的次序存放各代码的值（二进制），且包括一个程序格式标志单元，在该格式标志单元中某一位为1，即表示指定的代码（例如

27、F、S、M）已经被编入。 为了使用方便，有时对G码、M码的每一个值或几个值单独建立标志字。例如，对关于插补方式的G00，G01，G02，G03建立一个标志字，该标志字为0时代表已编入了G00，为1时代表编入了G01 P: LFN1 G01 X132 Y3198 F46 LFN2 X-4000 M02 LF% 3. 预处理 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。 进给速度处理 （1）根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方向的分速度。 （2）根据机床运行的

28、最低速度和最高速度进行限速处理 象限及进给方向判断 机床辅助功能判断 4. 插补 插补在每个规定的周期（插补周期）内进行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。 5. 位置控制 位置控制装置位于伺服系统的位置环上，它的主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。 输出程序的功能： 伺服控制 改变方向时，进行方向间隙补偿； 进行丝杠螺距补偿； M、S、T等辅助功能的输出。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所

29、以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需送入图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工程序。有的CNC系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序选择、刀具和切削条件