第3章 计算机数控(CNC)系统

1、第第3章章 计算机数控（计算机数控（CNC）系统）系统 3-1 概概 述述 一、一、CNCCNC系统的定义与组成系统的定义与组成1.CNC1.CNC的定义的定义用一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能，用一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能，是一种包含计算机在内的数字控制系统。是一种包含计算机在内的数字控制系统。EIAEIA的数控标准化委员会的定义：的数控标准化委员会的定义：CNCCNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计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算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能置的一部分或全部功能。3

2、-1 概概 述述2.CNC2.CNC的组成的组成CNCCNC系统是由数控程序、输入输出设备、系统是由数控程序、输入输出设备、CNCCNC装装置、可编程控制器（置、可编程控制器（PLCPLC）、主轴驱动装置和进）、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括检测装置）等组成。给驱动装置（包括检测装置）等组成。3-1 概概 述述CNCCNC与传统与传统NCNC系统的区别：系统的区别：CNCCNC系统附加了一个计算机作为控制器的一部分，系统附加了一个计算机作为控制器的一部分，计算机接收各种输入信息，执行各种控制功能。计算机接收各种输入信息，执行各种控制功能。硬件电路完成其他一些控制操作。硬件电路完成其他一些控制

3、操作。3-1 概概 述述二、二、CNCCNC装置的组成装置的组成CNC控制器控制器伺服系统伺服系统数控机床数控机床计算机计算机（软件功能）（软件功能）硬件电路硬件电路（硬件功能）（硬件功能）指令指令输入输入CNCCNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。缺一不可。 3-1 概概 述述1.1.CNCCNC装置的硬件装置的硬件CNCCNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，装置的硬件具有一般计算机的基本结构，另外一方面还有数控机床所特有功能的功能模另外一方面还有数控机床所特

4、有功能的功能模块与接口单元。块与接口单元。3-1 概概 述述2.2.CNCCNC装置的软件装置的软件CNCCNC装置的软件又称系统软件，由管理软件和装置的软件又称系统软件，由管理软件和控制软件两部分组成。控制软件两部分组成。 3-1 概概 述述三、三、CNCCNC装置工作过程装置工作过程1.1.输入输入 输入内容包括零件程序、控制参数和补偿数据。输入内容包括零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式有存储工作方式和输入方式有存储工作方式和NCNC工作方式。工作方式。2.2.译码译码将加工程序按照一定的语法规则解释成计算机能将加工程序按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并完成对程序段的

5、语法检查。够识别的数据形式，并完成对程序段的语法检查。3.3.刀具补偿刀具补偿包括长度补偿和半径补偿。作用是把零件轮廓轨包括长度补偿和半径补偿。作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。迹转换成刀具中心轨迹。 3-1 概概 述述4.4.进给速度处理进给速度处理将编程所给的刀具合成速度转化为沿坐标方向将编程所给的刀具合成速度转化为沿坐标方向的分速度，并进行自动加减速处理。的分速度，并进行自动加减速处理。5.5.插补插补插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行进行“数据点的密化数据点的密化”。一般的。一般的CNCCNC装置中，仅装置中，仅能对直线、圆弧进行

6、插补计算。能对直线、圆弧进行插补计算。6.6.位置控制位置控制 在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位在每个采样周期内，将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。置进行比较，用其差值控制进给电动机。3-1 概概 述述7.7.输入输出（输入输出（I IO O）处理）处理CNCCNC的的I IO O 处理是处理是CNCCNC与机床之间的信息传递和与机床之间的信息传递和变换的通道。变换的通道。8.8.显示显示为操作者使用提供方便，一般位于机床的控制为操作者使用提供方便，一般位于机床的控制面板上。通常应有：零件程序的显示，参数显面板上。通常应有：零件程序的显示，参数显示，刀具位置显示

7、等。示，刀具位置显示等。9.9.诊断诊断可以有联机诊断、脱机诊断、远程诊断等形式。可以有联机诊断、脱机诊断、远程诊断等形式。3-1 概概 述述四、四、CNCCNC装置的优点装置的优点1.1.灵活性灵活性通过改变相应的硬件模块和控制软件就可改变其通过改变相应的硬件模块和控制软件就可改变其功能，从而满足不同加工要求。功能，从而满足不同加工要求。 2.2.可靠性可靠性 零件程序一次送入存储器，加工时再被调用，避零件程序一次送入存储器，加工时再被调用，避免加工中出错。许多功能由软件实现，可靠性大免加工中出错。许多功能由软件实现，可靠性大为改善。为改善。3.3.通用性通用性硬件采用模块结构，易于实现扩展

8、，且可依靠软硬件采用模块结构，易于实现扩展，且可依靠软件变化来满足各种机床的不同要求。件变化来满足各种机床的不同要求。3-1 概概 述述4.4.丰富的数控功能丰富的数控功能CNCCNC装置利用计算机很强的计算能力来实现一些装置利用计算机很强的计算能力来实现一些复杂的数控功能。大量的辅助功能可以被编程，复杂的数控功能。大量的辅助功能可以被编程，子程序和宏程序概念的引入简化了程序的编制。子程序和宏程序概念的引入简化了程序的编制。5.5.使用和维修方便使用和维修方便CNCCNC装置有诊断程序。装置有诊断程序。CNCCNC装置有零件程序编辑装置有零件程序编辑功能，程序编制和检验都很方便。功能，程序编制

9、和检验都很方便。6.6.易于实现机电一体化易于实现机电一体化 3-1 概概 述述五、五、CNCCNC装置的功能装置的功能CNCCNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。装置的功能通常包括基本功能和选择功能。 1.1.控制功能控制功能控制功能是指控制功能是指CNCCNC装置能够控制的并且能够同时装置能够控制的并且能够同时控制联动的轴数。控制联动的轴数。2.2.准备功能准备功能准备功能又称准备功能又称G G功能，用来指明机床的下一步如功能，用来指明机床的下一步如何动作。何动作。3.3.插补功能插补功能用于对零件轮廓加工的控制。用于对零件轮廓加工的控制。3-1 概概 述述4.4.固定循环加工功能固

10、定循环加工功能固定循环指令是将典型动作事先编好程序并储固定循环指令是将典型动作事先编好程序并储存在内存中，用存在内存中，用G G代码进行指定。使用固定循环代码进行指定。使用固定循环加工功能可以使编程工作简化。加工功能可以使编程工作简化。5.5.进给功能进给功能进给功能用进给功能用F F指令给出各进给轴的进给速度。指令给出各进给轴的进给速度。6.6.主轴功能主轴功能 主要是用来指定主轴转速，设置恒定线速度，主要是用来指定主轴转速，设置恒定线速度，还可以实现主轴准停等功能。还可以实现主轴准停等功能。3-1 概概 述述7.7.辅助功能辅助功能辅助功能主要用于指定主轴的正转、反转、停辅助功能主要用于指

11、定主轴的正转、反转、停止、冷却液的开关、换刀等动作，用止、冷却液的开关、换刀等动作，用M M指令指定。指令指定。8.8.刀具功能刀具功能刀具功能用来选择刀具并且指定有效刀具的几刀具功能用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的地址。何参数的地址。9.9.补偿功能补偿功能补偿包括刀具补偿、丝杠螺距误差补偿和反向补偿包括刀具补偿、丝杠螺距误差补偿和反向间隙补偿。间隙补偿。3-1 概概 述述10.10.显示功能显示功能 用作显示程序、零件图形、人机对话编程菜单、用作显示程序、零件图形、人机对话编程菜单、故障信息等。故障信息等。11.11.通信功能通信功能通信功能主要完成上级计算机与通信功能主要完成上级

12、计算机与CNCCNC装置之间的装置之间的数据和命令传送。数据和命令传送。12.12.自诊断功能自诊断功能13.13.人机对话编程功能人机对话编程功能可根据引导图和说明显示进行对话式编程。可根据引导图和说明显示进行对话式编程。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构CNCCNC装置硬件结构根据控制功能的复杂程度可分装置硬件结构根据控制功能的复杂程度可分别采用别采用单微处理器结构单微处理器结构和和多微处理器结构多微处理器结构。 一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNCCNC装置装置在单微处理器结构的在单微处理器结构的CNCCNC装置中，只有一个中央装置中，只有一个中央处理器（处理器（CPU

13、CPU），因此多），因此多采用集中控制，分时处采用集中控制，分时处理的方式理的方式完成数控的每一项任务。完成数控的每一项任务。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器结构的单微处理器结构的CNCCNC装置框图装置框图3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构1.1.微处理器微处理器 实施对数控系统的实施对数控系统的运算运算和和管理管理。由运算器和控。由运算器和控制器组成。制器组成。运算器运算器 进行算术与逻辑运算。进行算术与逻辑运算。运算器运算器存储器存储器取取数据数据送送结果结果控制器控制器 对数控系统进行统一指挥和控制。对数控系统进行统一指挥和控制。存储器存储器控制器控制器执行

14、部件执行部件程序指令程序指令控制信号控制信号反馈信息反馈信息3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.2.总线总线总线一般可分为数据总线、地址总线和控制总总线一般可分为数据总线、地址总线和控制总线三组。线三组。数据总线：数据总线：为各部分之间传送数据，采用双方为各部分之间传送数据，采用双方向线。向线。地址总线：地址总线：与数据总线结合使用，确定数据总与数据总线结合使用，确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线：控制总线：传输控制信号，采用单方向线。传输控制信号，采用单方向线。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构3.3.存储

15、器存储器储存系统软件、加工程序、中间运算结果、最储存系统软件、加工程序、中间运算结果、最终结果。终结果。（1 1）ROM ROM 存放系统程序存放系统程序（2 2）RAM RAM 存放中间数据存放中间数据3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构4.I4.IO O（输入输出）接口（输入输出）接口CNCCNC装置和机床之间的信号通过输入（装置和机床之间的信号通过输入（InputInput）和输出（和输出（OutputOutput）接口（）接口（I IO O）电路连接。）电路连接。接口电路的主要任务是：接口电路的主要任务是：（1 1）进行电平转换和功率放大。）进行电平转换和功率放大。（2 2）进行

16、必要的电气隔离，防止干扰信号引起）进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。误动作。（3 3）模拟量与数字量之间的转换。）模拟量与数字量之间的转换。（4 4）防止信号畸变。防止信号畸变。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构5.5.位置控制器位置控制器位置控制主要是对数控机床的进给运动坐标轴位置控制主要是对数控机床的进给运动坐标轴位置进行控制。位置进行控制。 对主轴的控制要求在很宽的范围内速度连续可对主轴的控制要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和转矩。需的功率和转矩。 在有换刀装置的机床中还需要对主轴进行位

17、置在有换刀装置的机床中还需要对主轴进行位置控制（准停）。控制（准停）。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构6.MDI6.MDICRTCRT接口接口 MDIMDI（手动数据输入）是通过数控面板上的键盘（手动数据输入）是通过数控面板上的键盘操作。操作。CRTCRT接口是在接口是在CNCCNC软件配合下，在显示器上实现软件配合下，在显示器上实现字符和图形显示。字符和图形显示。 7.7.可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC）可编程控制器用来代替传统机床强电的继电器可编程控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（逻辑控制，实现各种开关量（S S、M M、T T）的控制。）

18、的控制。8.8.通信接口通信接口通信接口用来与外部设备进行信息传输。通信接口用来与外部设备进行信息传输。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器单微处理器CNCCNC的结构特点如下：的结构特点如下： （1 1）CNCCNC装置内只有一个微处理器，对各种功装置内只有一个微处理器，对各种功能实现集中控制分时处理。能实现集中控制分时处理。（2 2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控）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，构成制等接口电路相连，构成CNCCNC装置。装置。 （3 3）结构简单，实现容易。）结构简单，实现容易。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构二、多

19、微处理器结构的二、多微处理器结构的CNCCNC装置装置多微处理器多微处理器CNCCNC装置一般采用两种结构型式，即装置一般采用两种结构型式，即紧耦合结构紧耦合结构和和松耦合结构松耦合结构。 多微处理器多微处理器CNCCNC装置多采用模块化结构，每个微装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。即功能模块。 它与单微处理器它与单微处理器CNCCNC装置相比，其运算速度有了装置相比，其运算速度有了很大的提高，因此更适合于多轴控制、高进给很大的提高，因此更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。速度、高精度

20、、高效率的数控要求。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构1.1.多微处理器多微处理器CNCCNC装置的基本功能模块装置的基本功能模块（1 1）CNCCNC管理模块：管理模块：用于管理和组织整个用于管理和组织整个CNCCNC系系统的工作。统的工作。（2 2）CNCCNC插补模块：插补模块：该模块主要是完成插补前该模块主要是完成插补前的预处理。然后进行插补计算，为各坐标轴提的预处理。然后进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定量。供位置给定量。（3 3）位置控制模块：）位置控制模块：用来进行插补后的坐标位用来进行插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值的比置给定值与位置检测器测得的位置

21、实际值的比较，然后驱动进给电机。较，然后驱动进给电机。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（4 4）存储器模块：）存储器模块：该模块为存放程序和数据的该模块为存放程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。存储器。（5 5）PLCPLC模块：模块：对零件加工程序中的某些辅助对零件加工程序中的某些辅助功能和从机床来的信号作逻辑处理，实现各功功能和从机床来的信号作逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁。能与操作方式之间的连锁。（6 6）操作与控制数据输入输出和显示模块：）操作与控制数据输入输出和显示模块：包包括零件加工程序、参数和数据

22、、各种操作命令括零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入输出、显示所需要的各种接口电路。的输入输出、显示所需要的各种接口电路。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构2.2.多微处理器结构多微处理器结构CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构多微处理器的互连方式有总线互连、环型互连、多微处理器的互连方式有总线互连、环型互连、交叉开关互连、多级开关互连和混合交换互连交叉开关互连、多级开关互连和混合交换互连等。等。多微处理器的多微处理器的CNCCNC装置一般采用装置一般采用总线互连方式总线互连方式来来实现各模块之间的互连和通信。典型的结构有实现各模块之间的互连和通信。典型的结构有共享总线共享

23、总线和和共享存储器共享存储器两类结构。两类结构。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（1 1）共享总线结构）共享总线结构以系统总线为中心，把各个功能部件划分为带以系统总线为中心，把各个功能部件划分为带有有CPUCPU的主模块和不带的主模块和不带CPUCPU的从模块两大类。的从模块两大类。 3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（2 2）共享存储结构）共享存储结构通常采用多端口存储器来实现各微处理机之间通常采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互连和通信，由多端口控制逻辑电路解决访的互连和通信，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。问冲突。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构3.3.

24、多微处理器结构多微处理器结构CNCCNC装置的优点装置的优点（1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 每个微处理器相互独立，且并行工作，所以运每个微处理器相互独立，且并行工作，所以运算速度快。算速度快。 （2 2）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性采用模块化结构。可将各功能组成相应的硬件采用模块化结构。可将各功能组成相应的硬件模块和软件模块，进而形成各功能模块。这样模块和软件模块，进而形成各功能模块。这样就形成积木式结构。有良好的适应性和扩展性，就形成积木式结构。有良好的适应性和扩展性，维修方便。维修方便。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构（3 3）可靠性高）可靠性高每个微

25、处理器功能模块工作独立，某一功能模每个微处理器功能模块工作独立，某一功能模块出故障，其他模块照常工作。提高了系统的块出故障，其他模块照常工作。提高了系统的可靠性。可靠性。 （4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产软件可以开发更新。一般硬件是通用的，便于软件可以开发更新。一般硬件是通用的，便于组织规模生产，保证质量，形成批量。组织规模生产，保证质量，形成批量。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构三、开放式数控系统三、开放式数控系统开放式数控系统是一种开放式数控系统是一种模块化的模块化的、可重构的可重构的、可扩充的可扩充的通用数控系统，它以工业通用数控系统，它以工业PCPC机作为

26、机作为CNCCNC装置的支撑平台，再由各专业数控厂商根据需装置的支撑平台，再由各专业数控厂商根据需要装入自己的控制卡和数控软件构成相应的要装入自己的控制卡和数控软件构成相应的CNCCNC装置。装置。 开放式数控系统采用系统、子系统和模块的分开放式数控系统采用系统、子系统和模块的分布式控制结构，各模块相互独立，各模块接口布式控制结构，各模块相互独立，各模块接口协议明确，可移植性好。协议明确，可移植性好。3-2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构数控系统三种不同层次的开放：数控系统三种不同层次的开放： （1 1）CNCCNC系统的开放系统的开放CNCCNC系统可以直接运行各种应用软件，这大大改系统

27、可以直接运行各种应用软件，这大大改善了善了CNCCNC的相应功能。的相应功能。 （2 2）用户操作界面的开放）用户操作界面的开放使使CNCCNC系统具有更加友好的用户接口，并具备一系统具有更加友好的用户接口，并具备一些特殊的诊断功能。些特殊的诊断功能。（3 3）CNCCNC内核的深层次开放内核的深层次开放通过执行用户自己开发的程序，可以把应用软通过执行用户自己开发的程序，可以把应用软件加到标准件加到标准CNCCNC的内核中，称为编译循环。的内核中，称为编译循环。3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 CNCCNC系统的软件是为完成各项功能而专门设计和系统的软件是为完成各项功能而专门设计和编

28、制的，是数控加工系统的一种专用软件，又编制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。称为系统软件（系统程序）。不同的不同的CNCCNC装置，其功能和控制方案也不同，各装置，其功能和控制方案也不同，各厂家的软件互不兼容。厂家的软件互不兼容。现代数控机床的功能大都采用软件来实现。所现代数控机床的功能大都采用软件来实现。所以，系统软件的设计及功能是以，系统软件的设计及功能是CNCCNC系统的关键。系统的关键。3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构一、一、CNCCNC装置的软硬件界面装置的软硬件界面CNCCNC装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行装置由软件和硬件组成，硬件为软

29、件的运行提供了支持环境。提供了支持环境。硬件硬件处理速度快，造价相对较高，适应性差。处理速度快，造价相对较高，适应性差。软件软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。CNCCNC装置中软、硬件的分配比例是由性能价格比装置中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。这也在很大程度上涉及到软、硬件的决定的。这也在很大程度上涉及到软、硬件的发展水平。发展水平。 3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构CNCCNC装置的三种典型软、硬件界面装置的三种典型软、硬件界面3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构二、二、CNCCNC装置软件结构的特点装置软件结构的特点1.C

30、NC1.CNC系统的多任务性系统的多任务性CNCCNC系统的多任务性表现在它必须完成管理和控系统的多任务性表现在它必须完成管理和控制两大任务。各种任务之间是并行处理的关系。制两大任务。各种任务之间是并行处理的关系。3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构2.2.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。运两种或两种以上性质相同或不相同的工作。运用并行处理技术可以提高运算速度。用并行处理技术可以提高运算速度。并行处理方法有：并行处理方法有：资源共享、资源重复和时间资源共享、资源重复和时间重叠。重叠。CN

31、CCNC装置的硬件设计普遍采用资源重复的并行处装置的硬件设计普遍采用资源重复的并行处理方法。理方法。CNCCNC装置的软件设计常采用资源分时共享和资源装置的软件设计常采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。重叠的流水线处理技术。 3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构（1 1）资源分时共享并行处理方法）资源分时共享并行处理方法此方法主要应用在单此方法主要应用在单CPUCPU的的CNCCNC装置中。各任务装置中。各任务占用占用CPUCPU是用是用循环轮流循环轮流和和中断优先中断优先相结合的方法相结合的方法来解决。来解决。3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构（2 2）资源重叠流水并行

32、处理方法）资源重叠流水并行处理方法在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。处理两个或更多的子过程。顺序处理顺序处理 流水处理流水处理 3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构实时中断处理实时中断处理CNCCNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。中断结构决定了软件结构。 CNCCNC装置的中断类型如下：装置的中断类型如下： （1 1）外部中断）外部中断（2 2）内部定时中断）内部定时中断（3 3）硬件故障中断）硬件故障中断（4 4）程序性中断）程序性中断3-3 CN

33、C装置的软件结构装置的软件结构三、常规三、常规CNCCNC系统软件的结构形式系统软件的结构形式CNCCNC系统的软件结构决定于系统采用的中断结构。系统的软件结构决定于系统采用的中断结构。 1.1.中断型结构模式中断型结构模式 各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务各种功能模块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中断系统。程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。的相互通信来解决。3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构FANUC-BESK 7CM CNCFANUC-BESK 7

34、CM CNC系统的各级中断功能系统的各级中断功能中断级别中断级别主主 要要 功功 能能中中 断断 源源0 0控制控制CRTCRT显示显示硬件硬件1 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，16ms16ms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，16ms16ms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，8ms8ms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

35、系统位置控制处理4ms4ms定时定时7 7系统测试系统测试硬件硬件3-3 CNC装置的软件结构装置的软件结构2.2.前后台型结构模式前后台型结构模式适于采用集中控制的适于采用集中控制的单微处理器单微处理器CNCCNC装置。装置。前台程序：前台程序：为实时中为实时中断程序，承担了几乎断程序，承担了几乎全部实时功能。全部实时功能。后台程序：后台程序：主要用来主要用来完成准备工作和管理完成准备工作和管理工作，通常称为背景工作，通常称为背景程序。程序。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能CNCCNC（或（或MNCMNC）系统的功能设置与控制方案各不）系统的功能设置与控制方案各不相同，各种

36、系统软件在结构和规模上差别很大。相同，各种系统软件在结构和规模上差别很大。一、零件程序的输入一、零件程序的输入程序输入大都采用中断方式，由相应的中断服程序输入大都采用中断方式，由相应的中断服务程序完成输入。务程序完成输入。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能数据存放的形式数据存放的形式在零件程序存储器中可以储存多个零件程序，在零件程序存储器中可以储存多个零件程序，零件程序一般是按顺序存放的。零件程序一般是按顺序存放的。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能常用数控代码及其内部码常用数控代码及其内部码字符字符EIAEIA码码ISOISO码码内部代码内部代码字符字符EIA

37、EIA码码ISOISO码码内部代码内部代码0 020H20H30H30H00H00HX X37H37HD8HD8H12H12H1 101H01HB1HB1H01H01HY Y38H38H59H59H13H13H2 202H02HB2HB2H02H02HZ Z29H29H5AH5AH14H14H3 313H13H33H33H03H03HI I79H79HC9HC9H15H15H4 404H04HB4HB4H04H04HJ J51H51HCAHCAH16H16H5 515H15H35H35H05H05HK K52H52H4BH4BH17H17H6 616H16H36H36H06H06HF F76H

38、76HC6HC6H18H18H7 707H07HB7HB7H07H07HM M54H54H4DH4DH19H19H8 808H08HB8HB8H08H08HCR/LFCR/LF80H80H0AH0AH20H20H9 919H19H39H39H09H09H40H40H2DH2DH21H21HN N45H45H4EH4EH10H10HDELDEL7FH7FHFFHFFH22H22HG G67H67H47H47H11H11H%/ER%/ER0BH0BHA5HA5H23H23H3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能N10 G90 G01 X100 Y-50 F100 M03 LF储存器地址

39、储存器地址内内 容容储存器地址储存器地址内内 容容储存器地址储存器地址内内 容容8000H10H800AH12H8013H01H8001H01H800BH01H8014H00H8002H00H800CH00H8015H00H8003H11H800DH00H8016H19H8004H09H800EH13H8017H00H8005H00H800FH21H8018H03H8006H11H8010H05H8019H20H8007H00H8011H00H8009H01H8012H18H3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能2.2.零件加工程序的编辑零件加工程序的编辑一般通过键盘配合一般通过键

40、盘配合CRTCRT进行。主要包括以下几方进行。主要包括以下几方面工作：面工作：（1 1）插入（）插入（InsertInsert） （2 2）删除（）删除（DeleteDelete）（3 3）修改（）修改（EditEdit）（4 4）替换（）替换（ReplaceReplace）常采用的存储方式为：常采用的存储方式为：（）链表存储方式（）链表存储方式 （）顺序存储方式（）顺序存储方式 3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能二、译码二、译码把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度F F和其它辅助信息（和其它辅助信息（M M、S S、T T）按一定规

41、律翻译成）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。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。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。译码有两种方法：（）解释；（）编译译码有两种方法：（）解释；（）编译在在CNCCNC控制软件中多数采用解释方法。控制软件中多数采用解释方法。译码工作主要有：译码工作主要有：代码识别和各项功能的译码。代码识别和各项功能的译码。 3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能1.1.代码识别代码识别3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能2.

42、2.各功能码的译码各功能码的译码经过代码识别设立了各功能代码的标志后，就经过代码识别设立了各功能代码的标志后，就可以分别对各功能码进行处理了。可以分别对各功能码进行处理了。对于不同的对于不同的CNCCNC系统来说，编程格式有自己的规系统来说，编程格式有自己的规定，所以可以将译码结果缓冲器的设计与零件定，所以可以将译码结果缓冲器的设计与零件程序段格式相对应。程序段格式相对应。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能译码结果缓冲器格式译码结果缓冲器格式地址码地址码字节数字节数数据存放格式数据存放格式地址码地址码字节数字节数数据存放格式数据存放格式N N2 2二二- -十进制十进制MAMA

43、1 1特征字特征字X X3 3二进制二进制MBMB1 1特征字特征字Y Y3 3二进制二进制MCMC1 1特征字特征字Z Z3 3二进制二进制GAGA1 1特征字特征字I I3 3二进制二进制GBGB1 1特征字特征字J J3 3二进制二进制GCGC1 1特征字特征字K K3 3二进制二进制GDGD1 1特征字特征字F F2 2二进制二进制GEGE1 1特征字特征字S S2 2二进制二进制GFGF1 1特征字特征字T T2 2二二- -十进制十进制GGGG1 1特征字特征字3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能译码程序流程图译码程序流程图3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控

44、制功能三、刀具补偿三、刀具补偿刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿两刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿两部分。部分。刀具长度的计算较简单，在这里我们重点讨论刀具长度的计算较简单，在这里我们重点讨论刀具半径补偿。刀具半径补偿。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能在进行外轮廓加在进行外轮廓加工时，刀具中心工时，刀具中心需要偏移零件的需要偏移零件的外轮廓面一个半外轮廓面一个半径值。这种偏移径值。这种偏移计算被称为刀具计算被称为刀具半径补偿。半径补偿。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能G42G42（右刀补）（右刀补）刀具中心轨迹在编程轨迹刀具中心轨迹在编程轨迹（零件

45、轮廓）前进方向的右边。（零件轮廓）前进方向的右边。G41G41（左刀补）（左刀补）刀具中心轨迹在编程轨迹刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左边。（零件轮廓）前进方向的左边。G40G40取消刀具补偿。取消刀具补偿。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能刀具半径补偿的执行过程分为以下三步：刀具半径补偿的执行过程分为以下三步： （1 1）刀补建立）刀补建立 （2 2）刀补进行）刀补进行刀补建立后一直有效，直至刀补取消。在轨刀补建立后一直有效，直至刀补取消。在轨迹转接处，采用圆弧过渡或直线过渡。迹转接处，采用圆弧过渡或直线过渡。 3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能

46、（3 3）刀补撤消）刀补撤消刀具撤离工件，回到起刀点。刀具撤离工件，回到起刀点。注：刀具半径补偿是在加工平面内讨论的，刀注：刀具半径补偿是在加工平面内讨论的，刀具半径值由刀具寄存器具半径值由刀具寄存器D D（H H）指定的。）指定的。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能1.B1.B功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿主要是计算直线或圆弧的起点和终点的刀具中主要是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心值，以及圆弧刀补后刀具中心轨迹的圆弧半径值。有了这些值就能实施轨迹控制（直线或径值。有了这些值就能实施轨迹控制（直线或圆弧插补）。圆弧插补）。3-4

47、CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能（1 1）直线刀具半径补偿）直线刀具半径补偿被加工直线起点被加工直线起点在坐标原点，终点为在坐标原点，终点为。 点的坐标为：点的坐标为：OA),(yxA2222yxrxyryyyxryxrxxyxA3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能（2 2）圆弧刀具半径补偿）圆弧刀具半径补偿被加工圆弧，半被加工圆弧，半径为，圆心在坐标径为，圆心在坐标原点，圆弧起点为原点，圆弧起点为，终点为。，终点为。点的坐标。点的坐标。 RyryryyRxrxrxxbbybbbbxbbABR),(aayxA),(bbyxBB3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控

48、制功能2.C2.C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能（1 1）C C功能刀具半径补偿的基本设计思想功能刀具半径补偿的基本设计思想（1 1）为普通）为普通NCNC系统的工作方系统的工作方法法 （2 2）为改进后）为改进后的的NCNC系统的工系统的工作方法。作方法。 （3 3）为采取）为采取C C刀具补偿的方刀具补偿的方法法（1 1） （2 2） （3 3）3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能（2 2）编程轨迹转接类型）编程轨迹转接类型一般有以下四种轨迹转接方式：一般有以下四种轨迹转接方式：直线与直线转接、直线与圆弧转接、圆弧与直直线与

49、直线转接、直线与圆弧转接、圆弧与直线转接、圆弧与圆弧转接。线转接、圆弧与圆弧转接。根据两个程序段轨迹矢量的夹角（锐角和钝角）根据两个程序段轨迹矢量的夹角（锐角和钝角）和刀具补偿的不同，又有以下过渡类型：和刀具补偿的不同，又有以下过渡类型：伸长型、缩短型和插入型。伸长型、缩短型和插入型。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能1 1）直线与直线转接）直线与直线转接根据编程指令中的刀补方向根据编程指令中的刀补方向G41G41G42G42和过程类和过程类型有型有8 8种情况。种情况。 a)a)缩短型转接缩短型转接 b)b)缩短型转接缩短型转接 G41G41直线与直线转接情况直线与直线转接情

50、况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能c)c)插入型转接插入型转接 d)d)伸长型转接伸长型转接G41G41直线与直线转接情况直线与直线转接情况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能a)a)伸长型转接伸长型转接 b)b)插入型转接插入型转接G42G42直线与直线转接情况直线与直线转接情况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能c)c)缩短型转接缩短型转接d)d)缩短型转接缩短型转接G42G42直线与直线转接情况直线与直线转接情况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能2 2）圆弧与圆弧转接）圆弧与圆弧转接转接类型的区分也可通过相接的两圆之起点、转接

51、类型的区分也可通过相接的两圆之起点、终点半径矢量的夹角的大小来判别。终点半径矢量的夹角的大小来判别。a)a)缩短型转接缩短型转接b)b)缩短型转接缩短型转接G41G41圆弧接圆弧转接情况圆弧接圆弧转接情况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能c)c)插入型转接插入型转接d)d)伸长型转接伸长型转接G41G41圆弧接圆弧转接情况圆弧接圆弧转接情况3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能3 3）直线与圆弧转接（圆弧与直线转接）直线与圆弧转接（圆弧与直线转接）它们的转接类型的判别也等效于直线接直线它们的转接类型的判别也等效于直线接直线G41G01G41G01G41G01G41G

52、01。结论：结论：根据刀补方向，等效方法以及角的变化这三根据刀补方向，等效方法以及角的变化这三个条件，就可以区分各种轨迹间的转接类型。个条件，就可以区分各种轨迹间的转接类型。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能（3 3）转接矢量的计算）转接矢量的计算转接矢量的计算可分为两类：转接矢量的计算可分为两类：1 1）刀具半径矢量的计算）刀具半径矢量的计算11( sin)41cosDXDDYDrrGrr 11sin42( cos)DXDDYDrrGrr 3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能2 2）转接交点矢量转接交点矢量的计算的计算指从直线转接交点指向刀具中心轨迹交点的转指从

53、直线转接交点指向刀具中心轨迹交点的转接交点矢量接交点矢量的计算的计算伸长型交点矢量的计算伸长型交点矢量的计算插入型交点矢量的计算插入型交点矢量的计算缩短型交点矢量的计算缩短型交点矢量的计算3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能3.3.刀具的长度补偿刀具的长度补偿数控车床需对数控车床需对X轴、轴、Z轴进行刀具长度补偿轴进行刀具长度补偿计算，数控铣床只需对计算，数控铣床只需对Z轴进行刀具长度补轴进行刀具长度补偿计算。偿计算。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能四、其它的预计算四、其它的预计算1.1.坐标系转换坐标系转换机床坐标系机床坐标系的原点又称机床零点，是固定的机的原

54、点又称机床零点，是固定的机械零点。由生产厂家设定，操作者不可更改。械零点。由生产厂家设定，操作者不可更改。工件坐标系工件坐标系是为编程方便由操作者设定的，可是为编程方便由操作者设定的，可根据实际需要进行改变。根据实际需要进行改变。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能设置工件零点可用准备功能设置工件零点可用准备功能G92G92来实现。用来实现。用G99G99指令即可撤消所设置的工件原点。指令即可撤消所设置的工件原点。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能2.2.编程方式转换编程方式转换有绝对值方式和增量值方式两种。有绝对值方式和增量值方式两种。绝对值编程方式：按各轴移动

55、到终点的坐标值绝对值编程方式：按各轴移动到终点的坐标值进行编程。进行编程。增量值编程方式：用各轴的移动量直接编程。增量值编程方式：用各轴的移动量直接编程。在系统内部一般按绝对值方式处理。在系统内部一般按绝对值方式处理。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能编程方式转换的框图编程方式转换的框图3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能五、插补计算五、插补计算NCNC装置：采用硬件电路（插补器）来实现各种装置：采用硬件电路（插补器）来实现各种轨迹的插补。轨迹的插补。CNCCNC装置：由计算机的程序来模拟数字电路的装置：由计算机的程序来模拟数字电路的功能。功能。这就是所谓的标准脉

56、冲插补。这就是所谓的标准脉冲插补。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能实际的实际的CNCCNC系统中，常采用数据采样的插补方法，系统中，常采用数据采样的插补方法，将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分。将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分。软件插补软件插补计算机控制软件把刀具轨迹分割成计算机控制软件把刀具轨迹分割成若干段，由软件实现粗插补。若干段，由软件实现粗插补。硬件插补硬件插补硬件电路再在每段之间进行数据的硬件电路再在每段之间进行数据的“密化密化”，硬件实现细插补。，硬件实现细插补。粗插补的任务计算出插补周期中各坐标的位移粗插补的任务计算出插补周期中各坐标的位移量，这由

57、插补计算软件和伺服控制软件来实现。量，这由插补计算软件和伺服控制软件来实现。3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能细插补是由伺服系统硬件来实现的。细插补是由伺服系统硬件来实现的。细插补硬件结构原理图细插补硬件结构原理图3-4 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能六、输出六、输出输出程序的功能是：输出程序的功能是：（1 1）进行伺服控制。）进行伺服控制。（2 2）当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙）当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙补偿处理。补偿处理。（3 3）进行丝杠螺距补偿。）进行丝杠螺距补偿。 （4 4）M M、S S、T T等辅助功能的输出。等辅助功能的输出。3-4

58、 CNC装置软件的控制功能装置软件的控制功能七、管理与诊断软件七、管理与诊断软件1.1.管理管理CNCCNC系统中的管理软件只涉及到系统中的管理软件只涉及到CPUCPU管理和外部管理和外部设备管理。设备管理。2.2.诊断诊断 （）运行中的诊断（）运行中的诊断（）停机诊断（）停机诊断（）通讯诊断（）通讯诊断3-5 数控机床的可编程控制器（数控机床的可编程控制器（PLC） 可编程控制器可编程控制器（Programmable Logic Programmable Logic ControllerController）简称）简称PLCPLC，它是一类以微处理器为，它是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能。即能控制开关量，也能控制模拟量。能。即能控制开关量，也能控制模拟量。3-5 数控机床的可编程控制器（数控机床的可编程控制器（PLC） PLCPLC的特点：的特点：（1 1）编程简单）编程简单（2 2）通用性好）通用性好（3 3）功能强，体积小，质量轻，性能价格比高）功能强，体积小，质量轻，性能价格比高（4