第四章计算机数控(CNC)系统

1、数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制目录4.1CNC系统概述一、CNC系统的组成二、CNC装置的结构三、CNC装置的工作原理四、CNC装置的特点五、CNC装置的功能4.2 CNC装置的硬件结构一、单微处理机结构二、多微处理机结构三、开放式体系结构4.3 CNC装置的软件结构一、CNC装置软硬件的界限面二、CNC装置控制软件的特点三、CNC装置的软件结构数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件

2、结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制目录4.4 CNC系统的插补原理4.5CNC装置的刀具补偿和加减速度控制一、刀具长度补偿 二、刀具半径补偿 三、C功能刀具半径补偿 四、CNC系统的进给速度控制数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制国内外知名数控系统厂商介绍：国内外知名数控系统厂商介绍：SIEMENS 德国德国 西门子西门子HEIDENHAIN 德国海德汉公司德国海德汉公司 FANUC 日本富士通公司日本富士通公司

3、法那克法那克MITSUBISHI 日本日本 三菱三菱MAZAK 日本山崎公司日本山崎公司 马扎克马扎克TOSHIBA 日本东芝日本东芝A-B 美国美国A-B公司公司HASS 美国哈斯公司美国哈斯公司FAROG 西班牙法格公司西班牙法格公司Bosch Rexroth 德国博世德国博世力士乐公司力士乐公司FIDIA 意大利菲亚迪公司意大利菲亚迪公司NUM 法国施耐德法国施耐德NUM公司公司 国内知名数控厂商有：国内知名数控厂商有：广州数控、武汉华中、上海开通、北京凯恩帝、北京凯奇、武广州数控、武汉华中、上海开通、北京凯恩帝、北京凯奇、武汉华兴、成都广泰、深圳珊星、航天世纪星、沈阳飞阳等汉华兴、成都

4、广泰、深圳珊星、航天世纪星、沈阳飞阳等 数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制4.1CNC系统概述 CNC: CNC:计算机数字控制。计算机数字控制。 CNCCNC系统：即计算机数控系统。系统：即计算机数控系统。1、计算机数控（、计算机数控（CNC）系统的定义）系统的定义：教材中的定义教材中的定义见P127 EIA( EIA(美国电子工业协会美国电子工业协会) )的定义的定义:“CNC:“CNC是用一是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读个存储程

5、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置是接口全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。 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，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，从而使机床移动和加工零件并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。 数控系统分为：轮廓控制和点位控制数控系统。数控系统分为：轮廓控制和点位控制数控系统。 一、一、CNCCNC系统的组成系统的组成数控技

6、术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制2、 CNC系统组成：系统组成：如下图如下图图4.1 CNC系统的组成框图数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制二、二、 CNCCNC装置的结构装置的结构 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 接接口口被控设被控设备备 机机 床

7、床 机器人机器人 测量机测量机 .从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种系统是一种位置位置（轨（轨迹）、迹）、速度速度（还包括电流）控制系统，其本质是（还包括电流）控制系统，其本质是以多执行部件以多执行部件( (各运动轴各运动轴) )的位移量、速度为控制的位移量、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。有专用操作系统的计算机控制系统。CNCCNC系统平台系统平台数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC

8、装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 由由CPU、存储器、存储器、总线、总线、外外设设等，如等，如右图所示。右图所示。CNC装置的组成：是由装置的组成：是由硬件硬件（通用硬件和专用硬件）和（通用硬件和专用硬件）和软件软件（专用软件）（专用软件）两大部分组成的。两大部分组成的。它是它是完成数字信息运算、处理完成数字信息运算、处理和控制的计算机，和控制的计算机，是数控系统的核心是数控系统的核心 。 CNCCNC系统的组成系统的组成: :由教材中的图由教材中的图4.14.1知知, ,是由程序输入是由程序输入/ /输出设备输出设备, ,计算机数字控制计算机数字控制(CNC)(CNC

9、)装置装置, ,可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）、主轴驱动和）、主轴驱动和进给驱动装置及位置检测装置等组成。进给驱动装置及位置检测装置等组成。CPUEPROMRAM输入/输出接口主轴控制通信接口MDI接口PLC接口CRT接口位置控制纸带阅读机接口CNC装置的硬件组成装置的硬件组成CNC系统与系统与CNC装置的区别装置的区别?1.CNC装置的硬件组成装置的硬件组成数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制2.CNC2.CNC装置的软件组成：装置的软件组

10、成：CNCCNC装置的软件由装置的软件由管理软件管理软件和和控制软件控制软件两部分组成。两部分组成。是一种用于零件加工、实时控制的专用计算机操作是一种用于零件加工、实时控制的专用计算机操作系统系统, ,其模块化结构如下图示。其模块化结构如下图示。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表图表.3 CNC.3 CNC软件的构成软件的构成 数控技术 第四章计算机数控(CNC)装

11、置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 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通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种种数据信息（几何信息和工艺信息）数据信息（几何信息和工艺信息），经过，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将装置译码，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、放大并驱动伺服电动机，带动各轴运动。过转换、放大并驱动伺服电动机，带动各轴运动。进行实时位置反馈控制，

12、使各个坐标轴能精确地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。走到所要求的位置。 工作过程：工作过程： 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、穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上级光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上级计算机的计算机的DNC接口输入。接口输入。三、三、CNCCNC装置的工作原理装置的工作原理数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿

13、4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法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，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。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）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。功能的处理等。 4）插补：）插补：就是控制加工运动轨迹。就是控制加工运动轨迹。插补就是在一插补就是在一条曲线的已知起点和终点之间进行条曲线的已知起点和终点之间进行“数据的密化数据的密化工作工作”。

14、 5）位置控制：）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出在每个采样周期内，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。控制进给伺服电机。 6）I/O处理：处理：处理处理CNC装置与机床之间的电信号装置与机床之间的电信号输入、输出和控制。输入、输出和控制。 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态零件程序、参数、刀具位置、机床状态等的显示。等的显示。 8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。误状态。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 C

15、NC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制1、灵活性大、灵活性大 2、通用性强、通用性强3、可靠性高、可靠性高4、可以实现丰富、复杂的功能、可以实现丰富、复杂的功能 5、使用维修方便、使用维修方便6、易于实现机电一体化、易于实现机电一体化四、四、CNCCNC装置的特点装置的特点五、五、CNCCNC装置的功能装置的功能（1 1）控制功能控制功能（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（G01/G02/G03G01/G02/G03）（4 4）

16、固定循环加工功能）固定循环加工功能（5 5）进给功能（）进给功能（F F） 切削进给速度切削进给速度 同步进给速度同步进给速度 快速进给速度快速进给速度 进给倍率进给倍率 数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制（6 6）补偿功能）补偿功能 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； 工艺量的补偿；工艺量的补偿；（7 7）主轴功能：）主轴功能： 主轴恒转速功能；主轴恒转速功能；主轴恒线速功能；主轴恒线速功能； 主轴正反转

17、功能；主轴正反转功能；主轴定向准停主轴定向准停(M19)(M19)功能；功能；（8 8）辅助功能（）辅助功能（M M代码）代码） 主轴的启停；主轴的启停； 冷却液的开关；冷却液的开关；（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）程序编制功能 手工编程、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。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减

18、速度控制4.2 CNC装置的硬件结构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单微处理器硬件结构图一、单微处理机结构数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制单微处理机数控装置的定义单微处理机数控装置的定义:是以一个是以一个CPU（中央处理器）（中央处理器）为核心，为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中

19、集中控制、分时处理控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、微处理器、存储器、总线、接口接口、位置控制单元、位置控制单元、可编程控可编程控制器制器等等。接口包括：接口包括：I/O接口、串行接口、接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术接口、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（PLC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机的接口，以及其）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机的接口，以及其它选件接口等。它选件接口等。1）

20、微处理器和总线）微处理器和总线微处理器：主要完成运算和控制二大任务；微处理器：主要完成运算和控制二大任务； 总线：总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括数据、地址和控制三组总线。包括数据、地址和控制三组总线。2）存储器）存储器数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 只读存储器（只读存储器（ROM）：存放系统程序；）：存放系统程序； 随机存储器（随机存储器（RAM）：存放运算的中间结果、需显示的数

21、）：存放运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息；据、运行中的状态、标志信息； CMOS RAM（带后备电池）或磁泡存储器：存放加工的零（带后备电池）或磁泡存储器：存放加工的零件程序、机床参数、刀具参数；件程序、机床参数、刀具参数；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（包括位置和包括位置和速度控制速度控制）。）。 （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（简易位置控制）；刀库位置控制（简易位置控制）；进

22、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。4）MDI/CRT接口接口5）可编程控制器）可编程控制器思考题：单微处理机硬件结构的特点？（思考题：单微处理机硬件结构的特点？（P135）数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制二、多微处理器结构二、多微处理器结构( (有多块有多块CPU)CPU)系统总线CNC管理模块（CPU）CNC插补模块（CPU）主存储器模块PLC功能模

23、块（CPU）自动编程模块（CPU）位置控制模块（CPU）操作面板显示模块主轴控制模块多微处理机结构框图多微处理机结构框图多微处理机结构框图多微处理机结构框图系统总线CNC管理模块（CPU）CNC插补模块（CPU）主存储器模块PLC功能模块（CPU）自动编程模块（CPU）位置控制模块（CPU）操作面板显示模块主轴控制模块多微处理机结构框图多微处理机结构框图CNC系统采用模块化设计系统采用模块化设计数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制多微处理机硬件结构的功能

24、模块多微处理机硬件结构的功能模块 1）CNC管理模块管理模块:系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断；别和处理、系统软、硬件诊断； 2）存储器模块）存储器模块: 3）CNC插补模块插补模块:译码、刀具补偿计算、坐标位移量的计算和进结速译码、刀具补偿计算、坐标位移量的计算和进结速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算；度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算； 4）位置控制模块）位置控制模块:插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实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进行比较，进行自动加减速、回基准

25、点，伺服系统滞后量的滥视际值进行比较，进行自动加减速、回基准点，伺服系统滞后量的滥视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去控制进给电动机。和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去控制进给电动机。 5）数据输入、输出和显示模块）数据输入、输出和显示模块: 6）PLC模块模块:零件加工程序中的辅助功能和从机床来的信号在零件加工程序中的辅助功能和从机床来的信号在PLC模块模块中作逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，机床电气设备的中作逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。启、停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间

26、的计数等。多微处理机硬件的结构特点：多微处理机硬件的结构特点：P136P136多微处理机结构的多微处理机结构的CNCCNC系统互连方式系统互连方式 有：有：总线互连、环型互连和交叉开关总线互连、环型互连和交叉开关互连；互连；通常采用总线互连方式通常采用总线互连方式；总线互连方式的典型结构总线互连方式的典型结构又分为又分为:共享总线型、共享存储器型及混合型结共享总线型、共享存储器型及混合型结构构。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制1.1.共享总线结构共享

27、总线结构 结构：各功能模块有结构：各功能模块有主模块（带有主模块（带有CPU ）和从模块（不带）和从模块（不带CPU）仲裁：仲裁：总线仲裁方式有串行方式和并行方式；总线仲裁方式有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 总线类型：总线类型： STD bus （支持（支持8位和位和16位字长）位字长） Multi bus （型支持型支持16位字长，位字长，型支持型支持3

28、2位字长）位字长） S-100 bus （可支持（可支持16位字长）位字长） VERSA bus （可支持（可支持32位字长）位字长） VME bus （可支持（可支持32位字长）位字长）数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制多微处理机共享总线结构的优缺点多微处理机共享总线结构的优缺点 优点：优点：结构简单、系统配置灵活、扩展模块容易，结构简单、系统配置灵活、扩展模块容易，由于是无源总线，所以造价低。由于是无源总线，所以造价低。 缺点：缺点：会引起会引起“

29、竞争竞争”，信息传输率较低，总线一，信息传输率较低，总线一旦出现故障，整个系统受影响。旦出现故障，整个系统受影响。系统总线CNC管理模块（CPU）CNC插补模块（CPU）主存储器模块PLC功能模块（CPU）自动编程模块（CPU）位置控制模块（CPU）操作面板显示模块主轴控制模块图图4.5 多微处理机共享总线结构框图多微处理机共享总线结构框图多微处理机共享总线结构如下图所示。多微处理机共享总线结构如下图所示。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制VS图图4.

30、6 GE公司的公司的 MTC1的的CNC装置共享装置共享存储器结构框图存储器结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512 K512K(CRT)CPU2键键盘盘(中央中央)CPU1(插补插补)CPU3串口和串口和收发器收发器CRTCCRT 字符字符发生发生器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 W2.2.共享存储器结构共享存储器结构采用多端口存贮器来实现与采用多端口存贮器来实现与CPU之间的互连和通信。之间的互连和通信。数控技术

31、 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制图图4.6.1双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 图图4.6.2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（CPU4）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数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1

32、概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制共享存储器结构的优缺点：共享存储器结构的优缺点： (如上图如上图)这种结构的多微处理机，采用多端口存这种结构的多微处理机，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了访问冲突的问题。控制逻辑电路解决了访问冲突的问题。 但由于同一时刻只能允许一个微处理机对多端口但由于同一时刻只能允许一个微处理机对多端口存储器进行读或写，所以功能复杂，而且要求增加微存储器进行读或写，所以功能复杂，而且要求增加

33、微处理机数量时，会因争用共享存储器而造成信息传送处理机数量时，会因争用共享存储器而造成信息传送的阻塞，降低系统效率，这种结构扩展较困难。的阻塞，降低系统效率，这种结构扩展较困难。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制3.3.共享总线和共享存储器结构（混合型）共享总线和共享存储器结构（混合型）多微处理机多微处理机CNCCNC装置采用共享总线和共享存储器的混合型结装置采用共享总线和共享存储器的混合型结构能较好地完成并行多任务实时处理的数控功能。构能较好地完成并

34、行多任务实时处理的数控功能。FANUC11CNC装置是为柔性制造系统装置是为柔性制造系统(FMS)所用数控机所用数控机床设计的，除能实现多坐标控制外，还能实现在线床设计的，除能实现多坐标控制外，还能实现在线(后台后台)自动编自动编程、加工过程和程编零件的图形显示以及与主机的通讯等。系程、加工过程和程编零件的图形显示以及与主机的通讯等。系统有公用的存储器，各自的统有公用的存储器，各自的CPU还有自己的存储器。按功能，还有自己的存储器。按功能，可划分基本的数控部分，会话式自动编程部分，可划分基本的数控部分，会话式自动编程部分，CRT图形显示图形显示部分和可编程控制器部分和可编程控制器PLC(也叫也

35、叫PMC：可编程机床控制器：可编程机床控制器)等。等。功能模块包括如下部分：功能模块包括如下部分：1)主处理单元主处理单元 完成基本的数控任务及系统管理，主完成基本的数控任务及系统管理，主CPU为为68000，16位处理器。位处理器。2)图形显示单元图形显示单元 完成数控加工的图形显示完成数控加工的图形显示(CPU为为8086)和和在线的人机对话自动编程（在线的人机对话自动编程（CPU为为8086 8087）。）。3)总线仲裁控制器总线仲裁控制器(BAC) 对请求总线使用权的对请求总线使用权的CPU进行裁进行裁决，按优先级分配总线使用权、以及产生信号，使没有得到总决，按优先级分配总线使用权、以

36、及产生信号，使没有得到总线控制权的线控制权的CPU处于等待状态。此外，处于等待状态。此外，BAC还具有位操作、并还具有位操作、并行行DMA(直接存储器存取直接存储器存取)控制和串行控制和串行DMA控制等特殊功能。控制等特殊功能。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制4)接口接口SSU 这是系统支持单元，它是这是系统支持单元，它是CNC装置与机床和装置与机床和机器人等设备的接口。功能部件有位置控制芯片机器人等设备的接口。功能部件有位置控制芯片(MD87103

37、)，其输出接坐标铀的进结驱动装置和主轴驱动装置，位置控制芯其输出接坐标铀的进结驱动装置和主轴驱动装置，位置控制芯片的输入为插补来的速度指令和位置测量元件的反馈信号；用片的输入为插补来的速度指令和位置测量元件的反馈信号；用于传送高速信号的高速于传送高速信号的高速I/O口；口；2ms的插补定时器。的插补定时器。5)操作板控制器操作板控制器OPC 用于和各种操作外设相连。主要包括：用于和各种操作外设相连。主要包括：键盘信号的接收和驱动；键盘信号的接收和驱动；CRT的控制接口；手摇脉冲发生器接的控制接口；手摇脉冲发生器接口；用于和纸带阅读机、穿孔机等外设相连的口；用于和纸带阅读机、穿孔机等外设相连的R

38、S232C接口和接口和20mA电流回路接口；操作开关和显示接口。电流回路接口；操作开关和显示接口。6)输入输出控制器输入输出控制器IOC 它接收和传送可编程控制器它接收和传送可编程控制器PMC和和机床开关控制的按钮、限位开关、继电器等之间的信号。机床开关控制的按钮、限位开关、继电器等之间的信号。PMC的的CPU为为68000(16位微处理器位微处理器)。7)存储器存储器 该系统有多种存储器，除主存储器外，各该系统有多种存储器，除主存储器外，各CPU都都有各自的存储器。大容量磁泡存储器可达有各自的存储器。大容量磁泡存储器可达4MB，可存储，可存储4kM纸纸带的零件程序。带的零件程序。PMC的的R

39、OM为为128kB。顺序逻辑程序可达。顺序逻辑程序可达16000步。系统控制程序步。系统控制程序ROM容量为容量为256kB。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制图图4.7 FUNUC11的的CNC装置结构框图装置结构框图(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)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IOCBACROMRAMR

40、OMRAMRAMROM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数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制共享存储器的多共享存储器的多CPU CNC装置还采用多端口存储器来实

41、现装置还采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通讯。由多端口控制逻辑电路解决访各微处理机之间的互联和通讯。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。图问冲突。图4.13是一个双端口存储器结构框图。它配有两套数是一个双端口存储器结构框图。它配有两套数据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好。两个端口同时访问时，由内部硬件裁决其中一个端口优先好。两个端口同时访问时，由内部硬件裁决其中一个端口优先访问。图访问。图4.14是多微处理器共享存储器采用多端口结构的框图。是多微处理器共享存储器采用多端口结构的框图。图图4.13双端口存储器结

42、构框图双端口存储器结构框图 图图4.14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（CPU4）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数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制三、三、开放式数控装置（开放式数控装置（OPEN CNCOPEN CN

43、C）的体系结构）的体系结构1.1.开放式数控系统的产生开放式数控系统的产生产生的原因：产生的原因：当今的当今的CNCCNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去。用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去。所以用户要求透明，因此需要开放结构的数控系统。所以用户要求透明，因此需要开放结构的数控系统。 现代现代CNCCNC技术（核心为技术（核心为CNCCNC控制器和驱动技术）及结控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于构为专用的软硬件，远落后于PCPC的主流技术。升级困难，各的主流技术。升级困难，各

44、厂家产品不兼容，成本高。厂家产品不兼容，成本高。 用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护费用昂贵。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护费用昂贵。 随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可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，打破当前的组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封封闭式的闭式的”数控系统。数控系统。体系开放化定义（体系开放化定义（IEEEIEEE）：）： 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与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进行互操作的系统。其它的系统进行互操作的系统。数控技术 第四

45、章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 1 1） 开放式开放式CNCCNC的含义：的含义： 开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化( (用户界用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯) )，而且对实时性和可靠性要求很高。而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：其特点：可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化可移植性：在保持应用模块功能的情况

46、下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。就可以应用到不同的平台上。可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。据定义相互交换数据。可维护性：用户修方便。可维护性：用户修方便。统一的人机界面。统一的人机界面。2）开放式数控系统的结构：）开放式数控系统的结构： 3种种 基于基于PC的的CNC系统系统（软数控（软数控 ： Soft CNC）：以）：以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要解决实时性的问机为平台，数控功

47、能由软件模块实现，但要解决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机，电机，全方位开放。全方位开放。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 PC PC嵌入式嵌入式: :把一块多轴运动控制卡插入传统的把一块多轴运动控制卡插入传统的PCPC中，中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）行）,PC,PC作为人机接口平台

48、作为人机接口平台 。易实现，研究单位和高校用。易实现，研究单位和高校用。 PC + CNC （融合系统）：（融合系统）：专业厂家认为专业厂家认为CNC系统系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性。而现今最主要功能是高速、高精加工和可靠性。而现今PC的死机的死机现象是不允许的；另外，现象是不允许的；另外，CNC系统在体系结构上的不同，系统在体系结构上的不同，对维修和可靠性也不利。故采取了：增加一块对维修和可靠性也不利。故采取了：增加一块PC板，提供板，提供键盘，使键盘，使PC与与CNC 联系在一起的方案。可界面开放，提高联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。人机界面的功能。专业专业CN

49、C系统厂家（如系统厂家（如fanuc，siemens等）目前的做法。等）目前的做法。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 2.开放式数控装置特点：开放式数控装置特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化、多样化和互换性的特征；系统构件（软件和硬件）具有标准化、多样化和互换性的特征；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”的集成构的集成构造，应该是可移植的和透明的。造，应该是可移植的和透明的。3.3.开放

50、体系结构开放体系结构CNCCNC的优点的优点: :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，只由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，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所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；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；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：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效

51、率直接有关的劳动消耗；了和操作效率直接有关的劳动消耗；向用户特殊要求开放：向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的更新产品、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，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的为止。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。名牌产品。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，增便于批量生产、提高可靠性和

52、降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。强市场供应能力和竞争能力。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制4.开放式数控装置的概念结构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构件库构件库数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2

53、CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 5.开放式数控装置的发展趋势开放式数控装置的发展趋势 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技）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、合理的开放式数控系统。的开放式数控系统。2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动）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。化加工的需求。3）网络化。）网络化。数控技术 第四章计算机数控(

54、CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制一、CNC装置软硬件界面4.3 CNC装置的软件结构三种典型三种典型CNC装置软硬件界面装置软硬件界面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三第三种种第二第二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外外设设外外设设机床机床机床机床机床机床数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构

55、4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制二、二、CNCCNC装置控制软件的特点装置控制软件的特点CNCCNC软件系统是一个专用的实时多任务计算机控软件系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统。其中制系统。其中多任务并行处理多任务并行处理和和实时中断处理实时中断处理两项技两项技术的运用是术的运用是CNCCNC装置软件结构的特点。装置软件结构的特点。CNC系统软件的组成：系统软件的组成：（功能（功能:管理和控制）管理和控制）管理部分：管理部分：输入、输入、I/O处理、通讯、显示、诊断处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。以及加

56、工程序的编制管理等程序。控制部分：控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。位置控制等软件。数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制1.多任务并行处理多任务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。度。多数情况下，多数情况下，CNC

57、系统的管理和控制工作必须同时进行。系统的管理和控制工作必须同时进行。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 CNC装置软件任务分解框图装置软件任务分解框图 软件任务的并行处理软件任务的并行处理数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制 2. 2. 实时中断处理实时

58、中断处理CNCCNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。 CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 1）外部中断：）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键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。盘操作面板输入中断。 2 2）内部定时中断：）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中插补周期定时中断和位置采样定时中断。断。 3 3）硬件故障中断：）硬件故障中断：各种硬件故障检测装置发出的中断。各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

59、。 数控技术 第四章计算机数控(CNC)装置4.1 概述4.2 CNC装置的硬件结构4.3 CNC装置的软件结构4.4 CNC装置的刀具补偿4.5 CNC装置的速度处理和加减速度控制这种模型的特点是这种模型的特点是前台程序前台程序是一个实时中断服务程序，完是一个实时中断服务程序，完成全部实时功能成全部实时功能(如插补和位置控制如插补和位置控制)。后台程序后台程序(背景程序背景程序)是一是一个循环程序，它包括管理软件和插补准备程序。后台程序运行个循环程序，它包括管理软件和插补准备程序。后台程序运行时实时中断程序不断插入，与后台程序相互配合，共同完成零时实时中断程序不断插入，与后台程序相互配合，共

60、同完成零件加工任务。右图是这种结构的前后台程序关系图。件加工任务。右图是这种结构的前后台程序关系图。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这种模式的特点是除了初始化程序之外，整个系统软这种模式的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，件的各种任务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。其管理的功能主要通过各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的相互通信来解决级中断服务程序之间的相互通信来解决。三、三、CNC装置的软件结构装置的软件结构1.前后台型软件结构前后台型软件结构