第1章计算机数控装置(成教)1-1

1、 计算机数控计算机数控( (CNC)CNC)装置装置 1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展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19701970年年19761976年年内装小型计算机

2、，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，可控可控1515轴，设定轴，设定0.00010.0001mmm

3、m进给速度进给速度2424m/minm/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。1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191CPUCPU30003000C/2901C/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模拟伺服直流模拟伺服交流模交流模拟伺服拟伺服交

4、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2.12.1m/minm/min8.48.4m/minm/min33.733.7m/minm/min 高速型高速型1515m/minm/min 60 60m/minm/min快速快速9.69.6m/minm/min1515m/minm/min2424m/minm/min6060m/minm/min240240m/minm/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

5、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1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展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 8-15 m/minm/min15-24 15-24 m/minm/min15-100 15-100 m/minm/min联动轴数联动轴数 2-3 2-3轴轴 2-4 2-4轴或轴或3-53-5轴以上轴以上主主CPUCPU8 8位位1616位、

6、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通讯接通讯接口和联网功能口和联网功能m EIA(EIA(美国电子工业协会美国电子工业协会)

7、 )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:“:“CNCCNC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

8、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。从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬硬件（通用硬件和专用硬件）和软件件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）（专用）两大部分组成的。两大部分组成的。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机器人机器人测量机测

9、量机.1.1.硬件结构硬件结构: : CPUCPU，存储器，总线、外设等存储器，总线、外设等。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2.1 2.1 CNCCNC软件的构成软件的构成 3. 3. 工作原理工

10、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

11、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

12、，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CNCCNC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、

13、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：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 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、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

14、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 （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2.2.CNCCNC数控装置的特点数控装置的特点 1

15、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1.2 CNC1.2 CNC装置的硬件装置的硬件结构结构 1.2.1 CNC1.2.1 CNC装置的硬件构成装置的硬件构成 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单微处理器硬件结构图 CNCCNC装置的体系结构装置的体系结构分为：分为：单微处理机和多单微处理机和多微处理

16、机系统，中微处理机系统，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 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）为核心，CPUCPU通过总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

17、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（部件和接口电路，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：CPUC

18、PU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制制 、地址和数据三总线。、地址和数据三总线。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： 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、需显示的数据、运行中的运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息状态、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

19、、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（包括位置和速度控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）。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：包括位置和速度控制轴位置控制：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。 VSVS1.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

20、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 6 6）PLCPLC模块模块 VSVS（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

21、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 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

22、VME bus （可支持可支持3232位字长）位字长） 图图2 .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 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（3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 VSMTC1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)EAM512K512K(CRT)CPU2键盘键盘(中央中央

23、)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RS232CXYZCW（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 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PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM图形显示图形显示80878087OPCCRT机床机床I/O坐标轴坐标轴

24、 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双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 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至机床的至机床的控制信号控制信号VSV

25、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VSVSVSVSVSVSVSVS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

26、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VSVSVSVS2.2.开放程度：开放程度：1 1）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、

27、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 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VSVS1.1.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

28、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。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 点位点位/ /直线控制系统直线控制系统1.3 CNC1.3 CNC装置

29、的软件结构装置的软件结构 1. 1. CNCCNC装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面 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VSVS 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：输入、管理部分：输入、I/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

30、制管理 等程序。等程序。 控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。控制部分：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 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 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

31、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VSVS（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

32、，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。VSVSVSVS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VSVS 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上因此，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。VSVS2)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，可系统中，根据各任务之间的关联程度，可采采 用以下两种并行处理技术：用以下两种并行处理技术：VSVSVSVS并行处理并