第二章数控系统

1、第二章 计算机数控（CNC）系统一、硬件结构二、软件结构CNC系统总体结构2.1 CNC装置一、 CNC系统的构成与功能1、CNC系统的总体结构 主要由硬件和软件两大部分组成2.1CNC装置1.1.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。2.2.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

2、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 CNC CNC软件的构成软件的构成 2.1CNC装置2.CNC控制一般的工作过程（1）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。（2）简要工作过程： 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、光盘输入、 手健盘输入，通讯接口

3、输入及连接上级计 算机的DNC接口输入2.1CNC装置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，速度计算以及辅助功能的处理等。 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装置与机床之间的强电信号输入、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

4、错误状态。2.1CNC装置3.CNC控制器功能 微机部分的功能控制功能CNC系统能控制的轴数以及能同时控制的轴数。微机部分的功能准备功能 用来指令机床的动作方式。包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、米英制转换等指令。准备功能由G00G99共100种。固定循环功能 将一些典型的加工工序预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。可大大简化编程2.1CNC装置微机部分的功能辅助功能主轴速度功能进给功能插补功能刀具功能刀具补偿功能自动换刀模拟显示功能通讯功能自诊断功能人机对话功能2.1CNC装置外部设备部分的功能操作面板键盘显示器输入设备外部存储器机床控制部分功能位

5、置控制速度控制机床状态控制2.1CNC装置二、 CNC的硬件结构总线式模块化结构的CNC1. 常规CNC的硬件结构以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC基于通用计算机基础上开发的CNC32位RISC，数学协处理器，flash存储器等。专用芯片，体积小。易于升级，通用性好。（1） 常规CNC发展的主要形式2.2CNC的硬件1单微处理器系统的组成和特点 单微处理器系统的CNC装置的特点是整个CNC装置中只有一个CPU，通过该CPU来集中管理和控制整个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处理的方法，实现各种数控功能。有些CNC装置中，虽然有两个或两个以上的CPU，但只有一个CPU对系统的资

6、源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU，其它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，该结构称为主从结构，也可归为单机结构。（2）单处理器结构CPU子系统存储器子系统I/O接口子系统外部存储器I/O接口存储卡2.2CNC的硬件（2）单处理器结构CPUROMRAMIN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硬件结构图2.2CNC的硬件l多微处理器多微处理器 多微处理器系统的CNC装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件

7、可对系统资源（存储器、总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结构和分布式结构。多微处理器系统的基本功能模块多微处理器系统的基本功能模块 （1) CNC管理模块 （2）存储器模块 （3）CNC插补模块 （4）位置控制模块 （5）操作和控制数据输入输出和显示模块 （6） PLC模块2.2CNC的硬件（3）多处理器系统结构典型结构 共享总线结构 共享存储器结构结构特点u性能价格比高u采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性u可靠性高u硬件易于组织规模化生产2.2CNC的硬件图图2-7 双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 图图2-8 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

8、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 控制信号控制信号至机床的至机床的控制信号控制信号多通道结构多通道结构 通道结构（通道结构（Channel Structure），即两种以上程序的并），即两种以上程序的并行处理。行处理。2.2CNC的硬件(2)(2)共享存储器结构共享存储器结构 VS图图2-9 GE公司的公司的CNC装置结构框图装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2

9、K)EAM512 K512K(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CRTCCRT 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配器适配器机床机床接口接口模拟量模拟量接口接口RS232CX Y Z C W2.2CNC的硬件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 FUNUC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PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAM

10、ROM图形显示图形显示80878087OPCCRT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2.2CNC的硬件穿孔纸带 穿孔纸带1.CPU子系统的实现通用微处理器单片微计算机位片式逻辑芯片8、16、32、64位2.2.3CNC系统中计算机的实现通用处理器单片机专用芯片2.2CNC的硬件2.2.3存储器子系统的实现2.存储器的分类u随机存储器（RAM）：

11、SRAM、DRAM、FRAMu只读存储器（ROM）：PROM、EPROM、EEPROM、FLASHu8、16、32、64位DRAMFLASHSD卡2.2CNC的硬件3.I/O接口子系统的实现集成在CPU内部专门实现I/O功能的芯片专门的硬件模块2.2CNC的硬件2.2CNC的硬件l一、CNC系统软硬件组合类型 1不用软件插补器，插补完全由硬件完成的CNC系统； 2由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器完成精插补的CNC系统； 3带有完全用软件实施的插补器的CNC系统。 二、CNC装置软件结构的特点 1多任务并行处理 (1) CNC系统的多任务性 (2) 并行处理 2实时中断处理 （1）实时性 （

12、2） CNC装置的中断类型 （3） CNC装置中断结构模式 （2） 多任务并行处理多任务并行处理 1）CNC装置的多任务性 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 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2.1CNC装置VSVS2 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

13、成两种或两种以 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。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。2.1CNC装置VSVS诊断诊

14、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2.1CNC装置在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。2.1CNC装置 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

15、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。2.1CNC装置 流水处理技术是利用重复的资源（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。2.1CNC装置VSVS并行处理并行处理1231232tt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111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU32.1CNC装置在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均

16、有两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时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。2.1CNC装置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。CNCCNC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工作存储区存储区插补

17、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2.1CNC装置数控系统软件功能的实现 系统总控程序初始化部分译码程序插补运算程序伺服控制程序系统自检程序输入输出管理程序接受命令环节命令分析返回环节零件加工程序的编辑程序机床手工控制程序2.1CNC装置2.3.2CNC系统软件的功能特点 CNC系统软件的功能 1、输入 2、译码 3、预计算 4、插补计算 5、输出 6、管理与诊断软件2.4数控插补原理2.4.1数控插补原理 1插补的概念 在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个

18、中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。 2.插补分类 1）基准脉冲插补 2）数据采样插补 （1）采用软/硬件结合的两级插补方案。 （2）采用多CPU的分布式处理方案。 （3）采用单台高性能微型计算机方案。2.4.2数控插补方法 （逐点.积分.采样） 一、逐点比较插补法 所谓逐点比较插补法，就是机床每走到一个坐标位置，都要和给定的轨迹上的坐标值比较一次，看实际加工点在给定轨迹的什么位置，判断其偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧的。最大偏差不超过

19、一个脉冲当量，因此，只要把脉冲当量控制的足够小，就能达到加工精度的要求。（一）逐点比较法直线插补 1偏差计算公式 偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以第象限直线为例导出其偏差计算公式。图2-33直线插补过程如图2-33所示动点与直线位置关系。第一象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为 Xe Y Ye X 0 (2-1) 直线OE 为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。 （1） 若P1点在直线上方，则有： XeYXYe0 （2） 若P点在直线上，则有 ： XeYXYe0 （3）若

20、P2点在直线下方，则有 ： XeYXYe0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向X向进给。 当 F0的情况一同考虑。插补工作从起点开始，走一步，算一步, 判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时，停止插补。下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Pi(Xi，Yi)的Fi值为： 若Fi0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上，应沿X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi , 新点偏差为： 即： (2-3) 若Fi0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE 的下方，应向Y方向进给一步，新点坐标

21、值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi ,Yi+1Yi1，新点的偏差为：即： (2-4) 2终点判断 在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常用终点判别方法有两种，一种是设置一个长度计数器，从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给步数总和 Xe Ye ，当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即0时，停止插补，到达终点。另一种是如果在两个轴上的插补数不一样多，则将插补步数较大的周设为计数轴，步数值设为计数长度，当在技术轴上每进给一步计数长度减一，当0时，停止插补，到达终点。3插补计算过程1）偏差判别 根据偏差值确

22、定刀具位置是在直线的上方（或线上），还是在直线的下方。（2）坐标进给 根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。（3）偏差计算 计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据。根据式（2-3）及式（2-4）来计算新加工点的偏差，使运算大大简化。但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差 推算出来的，并且一直递推下去，这样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点，这一点当然没有偏差，所以开始加工点的 F0。（4）终点判别 在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。

23、逐点比较法直线插补流程 例2-1 加工第一象限直线OE，如图2-35所示，起点为坐标原点O(0,0)，终点坐标为E（5,3）。图2-35直线插补轨迹过程实例 初始点O(0,0)，终点（5,3），应用递推公式（2-3）、（2-4）进行偏差计算。 终点判断： Xe Ye =5+3=8，插补需要七个循环。直线插补运算过程插补循环偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0, XA=5, YA=3=0, N=81F0=0+F1=F0YA=03=0+1=1N2F1=30+F2=F1+XA=-3+5=2=1+1=20+XF3=F2YA=23=1=2+1=3N4F3=10+YF4=F3+XA=1+5=4=3+

24、1=40+XF5=F4YA=43=1=4+1=50+XF6=F5YA=13=2=5+1=6N7F6=20+YF7=F6+XA=2+5=3=6+1=70+XF8=F7YA=33=0=7+1=8=N4四象限插补y x L1 F0 L2 L3 F0 F0 F0 L4 F0 F0 F0 F0 P点在圆弧内侧时，则OP小于圆弧半径R，即 X2Y2R20一并考虑。 图2-40a中AB为第一象限顺圆弧SR1，若F0时，动点在圆弧上或圆弧外，向Y向进给，计算出新点的偏差；若F0，表明动点在圆内，向X向进给，计算出新一点的偏差，如此走一步，算一步，直至终点。 222RYXFa) 顺圆弧 b) 逆圆弧 图2-40

25、 第一象限顺、逆圆弧2终点判断 圆弧插补终点判别：将X、Y轴走的步数总和存入一个计数器， XbXa YbYa ，每走一步减一，当0发出停止信号。3插补计算过程例3-2 现欲加工第一象限顺圆弧AB，试用逐点比较法进行插补。图2-42 圆弧插补实例4. 四个象限中圆弧插补二、数值积分法 数字积分法又称数字微分分析法DDA(Digital Differential Analyzer)，是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补算法。数字积分法的优点是，易于实现多坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快，应用广泛等特点。 如图2-45所示，设有一函数Yf(t)，求此函数在t0tn区间的积分，就是求出此函数曲线与横坐标t在区间（t0，tn）所围成的面积。如果将横坐标区间段划分为间隔为t的很多小区间，当t取足够小时，此面积可近似地视为曲线下许多小矩形面积之和。 图2-45 函数Y=f(t)的积分三、数据采样插补法 （一） 数据采样法原理