《数控技术》第四章(第一节)

1、数控技术数控技术武汉科技大学武汉科技大学机械自动化学院机械自动化学院第四章 计算机数控（CNC）系统 概述 CNC的轨迹控制原理 刀具位置补偿和半径补偿 进给速度和加减速控制 第一节第一节 概述概述一、CNC系统的构成与功能1、数字控制的任务？ 使工件与刀具的相对运动形成规定的几何轨迹。根本任务是运动轨迹行程量控制和开关量控制。还有网络通信和直接控制（DNC）功能，这是从柔性制造系统的发展要求看。2、CNC系统的组成 CNC系统主要是指图中的CNC控制器。可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打 印 机穿 孔 机电 传 机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅

2、读机程序电气控制单 元机床电器速度控制单 元位置检测进给电机主轴控制 单 元主轴电机CNC系统的组成流程框图CNC系统的结构框图3、CNC控制器一般工作原理（1）输入：常有零件程序、机床参数和补偿数据；输入工作方式有存储方式（程序一次全部输入到CNC）和NC方式（一边输入一边加工）。（2）译码：按一定的语法规则解释成计算机可以识别的数据形式。（3）刀具补偿（4）进给速度处理：合成运动方向上的数据。（5）插补（6）位置控制（7） I/O处理：指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制（如换刀、主轴变速换档、；冷却等）。（8）显示（9）诊断：自动故障诊断。联机诊断指随时检查不正常的事件；脱机

3、诊断：CNC此时不工作，也可采用远程通信方式。CNC的信息流程表示其工作内容和过程的信息流程表示其工作内容和过程4、CNC控制器的功能（1）轴控制功能：同时控制轴数越多，CNC控制器就越复杂。（2）准备功能（3）插补功能（4）进给功能：切削进给速度、同步进给速度、快速进给速度、进给倍率。（5）主轴功能（6）辅助功能（7）刀具功能和第二辅助功能：第二辅助功能指定工作台的分度。（8）补偿功能（9）字符、图形显示功能（10）自诊断功能（11）通信功能：适应FMS和CIMS等需求。（12）人机交互图形编程功能二、CNC的硬件结构（常规与开放式）1、常规CNC的硬件结构（1）常规CNC发展的主要形式技术

4、上成熟的有三种形式：一种：总线式模块化结构（高档）；二种：以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC（中档）；三种：基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC。（2）单微处理器结构 用于CNC发展初期和一些经济型CNC，以集中控制分时处理方式完成。功能的 实现与处理速度成为一对突出的矛盾。单微处理器结构CNC框图（3）多微处理器结构1）多微处理器CNC的典型结构两个以上CPU能控制系统总线或主存储器A 共享总线结构（STD、MDTI、S100、VERSA、VME）公共存储器方式共享总线B 共享存储器结构多端口存储器，当功能复杂、CPU数量增多时，会争用共享造成信息阻塞。共享存储器2）多微

5、处理器CNC的基本功能模块CNC管理模块CNC插补模块位置控制模块PLC(PMC)模块命令与数据输入输出和显示模块存储器模块 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用CNC系统之间的自成一体所带来的互不兼容的弊病，迫切需求具有配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理的开放式系统。 1987年，美国提出了下一代控制器计划NGG(Next Generation Workstation/Machine Controller)和开放式系统体系结构标准SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Sy

6、stems)，首次提出了开放式体系结构的概念。 1992年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构计划OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation System)。经过十多年的发展，开放性一词已经深入人心，并且体现在相关产品中。开放式数控系统成为CNC发展的潮流。 从目前研究来看，开放式数控系统体系结构还没有统一、明确的概念，实现技术还处于百家争鸣的阶段。IEEE定义开放式系统为“一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户

7、交互界面”。 一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征： 即插即用(plug&play):数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求。 可移植性(portability):功能模块可运行于不同的控制系统内。 可扩展性(expandability):功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能. 可缩放性(scalability):控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减，成为规模化系列产品. 互操作性(interoperability):模块之间能相互协作(交换数据)，容易实现和其他自动化设备互连。 因

8、此，一个完全开放的数控系统应该是：以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的； 系统的拓补结构和性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途.即可实现CNC,PLC,RC(Robot Control)和CC(Cell Control)等控制功能；系统中各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂及最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中，进行 系统开发设计时，允许各模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通

9、过信息交换满足实时控制要求；同时使来自不同供应商的模块之间具有相互操作性.只有这样才能保证机床厂、用户对系统作补充、扩展或者修改。2、开放式CNC的硬件结构 改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织模式，使CNC向模块化、平台化、工具化和标准化发展。 我国前段时间还停留在原有封闭型CNC上。（1）开放式CNC定义 必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时，提供统一标准化的应用程序用户界面。特征：可操作性、可移植性、可缩放性和可相互替代性。（2）基于PC(或IPC)开放式CNC的硬件配置形式1）基于PC的有限开放CNC PC

10、机承担CNC人机界面功能，原来的CNC系统不作结构上的根本改变，这样综合了PC和原来CNC特点。A PC连接型CNC：低速串行线互连，响应速度受到影响。B PC内藏型CNC：具有数据传送快，系统响应快的特点。2）基于PC的可开放式CNC 在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而组成（CNC内藏型）三、CNC的软件结构（常规与开放式）1、CNC中软、硬件界面与数据转换 CNC中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理多任务：管理和控制许多任务必须协调地工作CNC系统是个实时多任务计算机系统，其软件必然融进现代计算机软件技术中的许多先进技术，有多任务并行

11、处理和多重实时中断。平行处理：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相同或不同的工作。提高了运算处理速度。 具体有以下3种：资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。时间重叠（资源重叠流水处理）：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。资源分时共享：使多个用户按时间顺序使用同一套设备。实时中断处理：外部中断、内部定时中断、硬件故障、程序型中断。译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图 0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用CPUC

12、PU 时间示意图 流水处理技术示意图 时间t+tt空间111333222输出输出输出CPU1CPU2CPU3并行处理1231232tt空间时间顺序处理输出输出CPU13、常规CNC的软件结构（1）中断型结构模式：除了初始化程序，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，成为一个大的多重中断系统。 中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。 中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度抢占式优先调度。信

13、息交换：缓冲区缓冲区。实时性好实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充充。 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。中断型软件系统结构图 初始化中断管理系统（硬件 + 软件）0级中断服务程序 级中断服务程序 级中断服务程序级中断服务程序1n27CM系统采用了“时间分割法”或称数据采样法插补。细插补进给是由伺服系统的硬件与软件来完成，由位置控制的软件和硬件配合完成的。（2）前后台型结构模式前台程序为一个中断服务程序，几乎承担了全部的实时功能

14、；后台程序或背景程序：完成管理功能和非实时性任务（插补准备），是一个循环运行程序。 该模式将CNC系统软件划分成两部分： 前台程序前台程序: : 主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序后台程序( (背景程序背景程序):): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前后台程序运行关系图 前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断

15、执行循环执行 前后台型结构模式的特点任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换: :缓冲区。缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统（Real Time Operating System RTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优还具有任

16、务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。由此可知，CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。基于实时操作系统软件结构图 RTOS模块（任务）1模块（任务）2模块（任务）4、开放式CNC的软件结构要求：硬件基于标准总线的公用的模块化设计外，软件应采用平台技术，统一的标准规范和面向功能元（对象）拓扑结构的应用软件，以保证系统具有开放式的基本特征。（1）开放式CNC总体结构框图两个部分：统一的系统平台和由各功能结构单元对象

17、组成的应用软件模块（或系统参考结构）AO功能元对象（2）系统平台（软硬件组成）软件：三个部分：a 系统核心，如操作系统、通信系统、实时配置系统；b 可选系统软件：如数据系统、图形系统；c 标准的应用程序界面（API）。操作系统、通信系统、配置系统构成整个控制系统运行的基础。 常规CNC的配置系统属于静态配置，通过设置参数完成；开放式CNC的配置系统应是一种动态实时配置系统，可在系统运行之前配置好，也可在运行期间重新配置，不必重新编译和连接。（3）系统参考结构（应用软件模块） 一种简化的层次化参考结构。 系统的参考结构就是用来精确描述功能元对象和功能模块之间的关系，以及各模块之间的关系；精确定义

18、各模块和各功能元对象的行为和属性，以及模块和功能元对象与系统平台之间的界面。 功能元对象是指相互独立的、具有一定特性和行为规范的、组成系统功能结构的最基本单位。 现阶段，真正实现数控系统的完全开现阶段，真正实现数控系统的完全开放还难以做到，一些数控系统只是具备了放还难以做到，一些数控系统只是具备了开放式系统特点或者开放程度相对大一些开放式系统特点或者开放程度相对大一些而已。目前，利用现有而已。目前，利用现有PCPC机的软硬件规范机的软硬件规范设计开放式数控系统，从研究进展及实现设计开放式数控系统，从研究进展及实现技术上看，主要有以下三种：技术上看，主要有以下三种：1 数控专用模板嵌入通用PC机

19、构成的数控系统 以国内具有开放式系统特点的华中以国内具有开放式系统特点的华中I型数控系统为型数控系统为例，该系统采用了以例，该系统采用了以PC机为硬件平台机为硬件平台,DOS,Windows操作操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构,如如图图1所示所示.与传统与传统CNC系统相比，这种系统具有软硬件资系统相比，这种系统具有软硬件资源的通用性源的通用性,丰富性丰富性,透明性透明性,软件的可再生性软件的可再生性;便于引入便于引入新技术进行升级、换代的优点。新技术进行升级、换代的优点。 串口并口键盘软驱硬盘显卡网卡显示器主CPU及主板NC模板

20、主轴主轴编码器 开关量输入（操作按钮机床检测输入）开关量输出（按钮显示灯，机床继电器控制）伺服电机多功能板输入板输出板位置控制图1 数控专用模板嵌入PC机结构ISA总线 这种数控系统在PC机上嵌入的数控专用模板有:内装式PLC单元，由光电隔离开关量输入板,光电隔离开关量输出板及多功能板.系统的位置单元接口可根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法:当伺服单元为数字式交流伺服时,位置单元接口采用串口通讯板;当伺服单元为模拟式交流伺服时,位置单元接口采用位置环板。系统带RS232C接口,可直接CAD/CAM连接,带网络卡可连入工厂网络。 这种数控系统的软件结构如图2所示.图中的底层软件为软件平

21、台,其中的RTM为实时多任务管理模块,负责CNC系统的任务调度,NCBIOS为基本输入/输出系统,管理CNC系统所有的外部控制对象,包括设备驱动程序的管理(对应不同的硬件模块,应用不同的驱动程序,故更换模块只需更换驱动程序,配置很灵活),位置的控制,PLC的调度,插补计算和内部监控等.MS-DOS位置控制I/O控制PLC过程控制软件程序编辑参数设置解释程序PLC管理MDI故障诊断RTMNCBIOS底层软件过程软件图2 软件结构 上层软件(过程层软件)相当于前后台型软件结构中的背景程序,负责零件程序的编辑,解释,参数的设置，PLC的状态显示,MDI及故障显示等任务的完成.通过NCBIOS把它与底

22、层软件隔开,使得过程层软件不依赖于硬件。 这种数控系统的控制软件,以DOS操作系统为软件支持环境,构造了一个具有实时多任务控制的数控软件平台,支持用户定制,用户可以在此平台上进行修改,增删,灵活配置派生出不同CNC控制装置,并提供了一种标准风格的软件界面，是一个初步开放的软件系统。2 通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统 机床运动控制,逻辑控制功能由独立的运动控制器完成,运动控制器通常由以PC硬件插件的形式构成系统.数控上层软件(数控程序编辑,人机界面等)以PC为平台,是Windows等主流操作系统上的标准应用,并支持用户定制. 以美国DELTA TAU公司九十年代推出的PMAC(

23、programmable multi-axes controller)开放式多轴运动控制器为代表,DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议,用PC机加PMAC控制卡构成的PMAC开放式数控系统,获得了良好的应用效果. PMAC运动控制器提供了运动控制,离散控制,内务处理,同主机的交互等数控的基本功能.它借助于Motorola的DSP56001/56002数字信号处理芯片,可同时控制18个轴,它的速度,分辨率,带宽等指标远优于一般的控制器。 伺服控制包括PID加Norch和速度,加速度前馈控制。它甚至可连接MACRO现场总线的高速环网,直接进行生产线的联动控制。 PAMC具有开放性的特点

24、,给系统集成者和用户提供了更大的柔性,它允许同一控制软件在三种不同总线(PC-TX和AT,VME,STD)上运行,由此提供了多平台的支持特性.并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型.其具体体现为:(1)可以与不同伺服系统的连接:伺服接口有模拟式和数字式两种,能连接模拟,数字伺服驱动器,交流,直流,直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器.(2)可以与不同检测元件的连接:测速发电 机,光电编码器,光栅,旋转变压器等。(3)功能的实现:内装式软件化的PLC。(4)界面功能的实现：按用户的需求定制。 (5)与PC机的通讯:PMAC提供了三种通讯手段串行方式,并行方式和双口RAM方式.采

25、用双口RAM方式可使PMAC与PC机进行高速通信。 (6)CNC系统的配置:PMAC以计算机标准插卡的形式与计算机系统共同构成CNC系统,它可以用PC-XT&AT,VME,STD32 或者PCI总线形式与计算机相连。 图3为采用PMAC为运动控制卡,构成的开放式微机数控系统。该数控系统在通用PC机基础上,采用PMAC运动控制器和双端口RAM，通用PC机主要实现系统的管理功能,PMAC主要控制轴的运动及面板开关量。 这种数控系统在软件构成上可分为PMAC实时控制软件和数控上层软件两部分。实时控制软件的设计充分考虑了软件的开放性,用户可以根据某些具体要求增加软件的功能模块。PMAC实时控制

26、软件模块图如图4所示.主CPU及主板并口软驱键盘显示器硬盘串口显卡PMAC双端口RAM操作面板控制按扭限位，报警行程开关等。指示灯控制继电器电磁阀等伺服单元及电机ISA总线图3 PMAC加PC数控系统结构PMAC实时控制软件加工程序解释模块插补模块伺服驱动模块PLC监控模块数据采集模块图4 PMAC实时控制软件模块 上层软件主要实现系统配置,数控程序编辑,系统诊断和通信功能,可VC,VB语言编制,利用WINDOWS丰富的功能来实现友好的人机界面。 PMAC的软件通讯功能由PtalkDT的通讯函数库完成。PtalkDT则以ActiveX控件形式提供一套类库,它包含一系列通讯函数,提供上层与PMAC之间快速有效的通讯.利用PtalkDT开发应用程序,实现了加工程序