第4章：计算机数控装置

1、第三章第三章计算机数控装置计算机数控装置第一节第一节概述概述一、一、CNC系统的组成系统的组成数控机床在数控机床在数控系统数控系统的控制下，自动地的控制下，自动地按给定的程序进行零件的加工。按给定的程序进行零件的加工。数控系统由：数控系统由：程序、输入输出设备程序、输入输出设备计算机数字控制装置计算机数字控制装置可编程控制器可编程控制器主轴驱动装置主轴驱动装置进给驱动装置等组成进给驱动装置等组成CNC系统组成框图系统组成框图程序程序输输入入设设备备CNC装装置置PLC主轴控主轴控制单元制单元主轴电机主轴电机机机床床位置检测器位置检测器进给电机进给电机速度控制单元速度控制单元I/O信号信号CNC

2、系统的核心系统的核心二、二、CNC装置的组成装置的组成从外部特征来看，从外部特征来看，CNC系统是由系统是由硬件硬件（通用硬件和专用硬件）和（通用硬件和专用硬件）和软软件件（专用）两大部分组成的。（专用）两大部分组成的。1、CNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构n由计算机基本系统、设备支持层、由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成设备层三部分组成计计算算机机基基本本系系统统设备层设备层设备支持层设备支持层接接 口口人机控制人机控制运动控制运动控制PMC其他其他I/O其他设备其他设备计算机系统计算机系统显示设备显示设备输入输入/出设备出设备机机床床机器人机器人测量机测量机.计算机基本

3、系统：计算机基本系统：CPU通信接口通信接口主轴控制主轴控制输入输入/输出接口输出接口RAMEPROM或或E2PROM纸带阅读机接口纸带阅读机接口位置控制位置控制CRT或液晶显示接口或液晶显示接口PLC接口接口MDI接口接口2、CNC装置的软件框图装置的软件框图CNC装置系统软件装置系统软件管理软件管理软件零件零件程序程序的输的输入输入输出程出程序序显显示示故故障障诊诊断断译译码码刀刀具具补补偿偿计计算算插插补补计计算算速速度度控控制制位位置置控控制制控制软件控制软件3、CNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬装置的系统软件在

4、系统硬件的支持下，合理地组织、管理整件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。求，有条不紊地进行加工。CNC系统的系统平台系统的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量机.该平台有以下两方面的含义：该平台有以下两方面的含义：n提供提供CNC系统基本配置的必系统基本配置的必备功能；备功能；n在平台上可以根据用户的要在平台上可以根据用户的要求进行功能设

5、计和开发。求进行功能设计和开发。三、三、CNC装置的功能装置的功能CNC装置的功能是指满足用装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和户操作和机床控制要求的方法和手段。手段。CNC装置的功能通常包括：装置的功能通常包括：n基本功能基本功能数控系统基本配置数控系统基本配置的功能，即必备功能；的功能，即必备功能；n选择功能选择功能用户可根据实际要用户可根据实际要求选择的功能求选择的功能CNC装置的主要功能有：装置的主要功能有：1、控制功能、控制功能指装置能够控制的以及指装置能够控制的以及能够同时控制联动的轴数能够同时控制联动的轴数。控制轴有移动轴和回转轴、控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加

6、轴。联动轴数越多，基本轴和附加轴。联动轴数越多，CNC装置的功能越强，加工的装置的功能越强，加工的零件越复杂。零件越复杂。2、准备功能（）、准备功能（）用来指令机床动作方式的功能。用来指令机床动作方式的功能。 3、插补功能、插补功能主要用于对零件轮廓加主要用于对零件轮廓加工的控制；一般有直线插补工的控制；一般有直线插补和圆弧插补和圆弧插补,还可以有还可以有2次曲线次曲线和样条曲线的插补等和样条曲线的插补等.4、固定循环加工功能、固定循环加工功能 是数控系统实现典型加工循环是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能削和切螺纹等）的功

7、能-可以简化可以简化编程编程. .5、进给功能、进给功能（1）切削进给速度）切削进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。（2）同步进给速度）同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r。（3）快速进给速度）快速进给速度:G00-可以通过面板来改变可以通过面板来改变.（4）进给倍率）进给倍率-可以通过面板来改变可以通过面板来改变 人工实时修调预先给定的进给速度人工实时修调预先给定的进给速度6、主轴功能、主轴功能（1）指定主轴转速）指定主轴转速主轴转速的控制功能，单位为主轴转速的控制功能，单位为r

8、/min。S*;（2）设置恒定线速度）设置恒定线速度刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。为了提高加工工件的表面质量为了提高加工工件的表面质量.（3）主轴准停）主轴准停主轴周向定位于特定位置控制的功能。主轴周向定位于特定位置控制的功能。-换刀换刀7、辅助功能、辅助功能(M)主要用于指定主轴的正、反转、主要用于指定主轴的正、反转、停止、冷却液的打开或关闭，换刀等停止、冷却液的打开或关闭，换刀等动作。动作。8、刀具功能、刀具功能T用来选择刀具并且指定有效刀具用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的地址。的几何参数的地址。9、补偿功能、补偿功能n刀具长度及半径补

9、偿；刀具长度及半径补偿；n丝杆的螺距误差和反向间隙误差丝杆的螺距误差和反向间隙误差的补偿；的补偿；n可以在加工前输入到机床的存储可以在加工前输入到机床的存储单元里单元里,10、字符图形显示功能、字符图形显示功能用于显示程序、零件图形、人用于显示程序、零件图形、人机对话编程菜单和故障信息等。机对话编程菜单和故障信息等。11、通信功能、通信功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，接口，可传送零件加工程序，网卡：适应网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集等制造系统集成的要求。成的要求。12、自诊断功能、自诊断功能CNC自动实

10、现故障预报和自动实现故障预报和故障定位的功能。故障定位的功能。q开机自诊断；开机自诊断；q在线自诊断；在线自诊断；q离线自诊断；离线自诊断；q远程通讯诊断。远程通讯诊断。13、人机对话编程功能、人机对话编程功能菜单结构操作界面；菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。示、查询或修改画面等。第二节第二节CNC装置的硬件结构装置的硬件结构按其中含有按其中含有CPU的多少来分的多少来分:单微处理器结构单微处理器结构多微处理器结构多微处理器结构单微处理器：单微处理器：整个整个CNC装置只

11、有一个装置只有一个CPU，它集，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种处理的方式来实现各种NC功能。功能。系统中只有一个系统中只有一个CPU(称为主称为主CPU)对对系统的资源有控制和使用权其它带系统的资源有控制和使用权其它带CPU的的功能部件，只能接受主功能部件，只能接受主CPU的控制命令或的控制命令或数据，或向主数据，或向主CPU发出请求信息以获得所发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。称之为主从结构。多微处理器结构：多微处理器结构：CNC装置中有两个或两个以装置中有

12、两个或两个以上的上的CPU，即系统中的某些功能，即系统中的某些功能模块自身也带有模块自身也带有CPU。n经济型数控装置经济型数控装置一般采用单微处理器机构一般采用单微处理器机构n高级型高级型CNC装置装置常采用多微处理器结构常采用多微处理器结构一、单微处理器结构的一、单微处理器结构的CNC装置装置I/O设备设备计算机主板计算机主板显显示示卡卡功能模板功能模板m功能模板功能模板1电电子子盘盘多功能卡多功能卡位置控制板位置控制板n位置控制板位置控制板1PLC模块模块主轴控制模板主轴控制模板机床机床I/O控制面板控制面板速度控制单元速度控制单元1速度控制单元速度控制单元n功能驱动功能驱动1功能驱动功

13、能驱动m系系统统总总线（线（BUS）标准标准PC计算机计算机CNC装置装置CNC系统系统CNCCNC装置是按模块化设计的方法构造的装置是按模块化设计的方法构造的模块化设计方法：模块化设计方法： 将控制系统按功能划分成若干种具有将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块独立功能的单元模块, ,并配上相应的驱动软并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，中单元母板一

14、般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。它提供模块间互联的信号通路。n实现实现CNC系统模块化设计的条件系统模块化设计的条件是是总线总线(BUS)标准化。标准化。n采用模块化结构时，采用模块化结构时，CNC系统设系统设计工作则可归结为计工作则可归结为功能模块的合功能模块的合理选用。理选用。1 1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线( (母板母板) )计算机主板是计算机主板是CNC装置的核心。装置的核心。包括：包括：nCPU及其外围芯片；及其外围芯片；n内存单元、内存单元、cache及其外围芯片；及其外围芯片；n通讯接口通讯接口(串口，并口，键盘接口串口，并口，键盘接口)。n

15、软、硬驱动器接口软、硬驱动器接口计算机主板的主要作用计算机主板的主要作用：对输入到对输入到CNC装置中的种种数据、信装置中的种种数据、信息息(零件加工程序，各种零件加工程序，各种I/O信息等信息等)进行相进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。使用户的指令得以执行。系统总线系统总线(母板母板)： 由一组传送数字信息的物理导线由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道。或信息交换的通道。 )( )

16、( )( CBDBAB控控制制总总线线数数据据总总线线地地址址总总线线工业用工业用PC机的总线母板是独立机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有于两层板。其规格有6槽、槽、8槽、槽、12槽、槽、14槽等。槽等。2 2、显示模块、显示模块( (显示卡显示卡) )显示卡的主要作用是接收来自显示卡的主要作用是接收来自CPU的的控制命令和显示用的数据，经与控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫的扫描信号调制后，产生描信号调制后，产生CRT显示器所需要的显示器所需要的视频信号，在视频信号，

17、在CRT上产生所需要的画面。上产生所需要的画面。在在CNC装置中，装置中，CRT显示是一个显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。应其操作过程。显示卡是一个通用性很强的模块。显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。户自己开发。3、输入、输入/出模块出模块(多功能卡多功能卡)它是它是CN

18、C装置与外界进行数据和信息交装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的装置中的数据送给输出设备。数据送给输出设备。该模块也是标准的该模块也是标准的PC机模块，机模块，一般不需要用户自己开发。如果计一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是算机主板选用的是ALL-IN-ONE主主板，则此板可省略。板，则此板可省略。1）I/O信号的分类及接口电路的任务信号的分类及接口电路的任务 行行器器件件。：用用于于直直接接控控制制功功率率执执交交流流信信号号的的设设备备。其其它它接接

19、收收、发发送送模模拟拟量量和和主主轴轴的的伺伺服服控控制制或或：主主要要用用于于进进给给坐坐标标轴轴模模拟拟量量数数字字量量OIOIOI/2）接口电路的主要任务）接口电路的主要任务进行电平转换和功率放大；进行电平转换和功率放大；防止噪音引起误动作。防止噪音引起误动作。-抗干扰抗干扰光电耦合器或继电器将光电耦合器或继电器将CNC与机床信号在与机床信号在电器上加以隔离。电器上加以隔离。 数 字 量 与 其 它 量 之 间 的 转 换数 字 量 与 其 它 量 之 间 的 转 换 - - -A/D,D/A以上三部分，再配上键盘、电以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微源、机箱，实际

20、上是一部通用的微型计算机系统，它是型计算机系统，它是CNC装置的装置的核心，从某种意义上讲，核心，从某种意义上讲，CNC装装置的档次和性能是由它决定的。因置的档次和性能是由它决定的。因此，此，CNC装置中计算机系统的合装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。理选用是至关重要的。4 4、存储模块、存储模块在在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：装置中它用来存放下列数据和参数： 系统软件、系统固有数据；系统软件、系统固有数据； 系统的配置参数系统的配置参数( (系统所能控制的进给轴数，系统所能控制的进给轴数， 轴的定义，系统增益等轴的定义，系统增益等) ) 用户的零件加工程序用户的零件加工程序计

21、算机领域所用存储器件有三类：计算机领域所用存储器件有三类：n磁存储器件，如：软磁存储器件，如：软/硬磁盘（读硬磁盘（读/写）。写）。n光存储器件，如：光盘（只读）。光存储器件，如：光盘（只读）。n电子（半导体）存储器件，如电子（半导体）存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低价格低在在CNC装置中，常采用电子存装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电磁干扰，磁性器件的可靠

22、性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。讲要强一些。电子存储器件按其读写性能来分：电子存储器件按其读写性能来分：n只读存储元件只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）n易失性随机读写存储元件易失性随机读写存储元件（RAM）。）。n非易失性读写存储元件非易失性读写存储元件。这类器件有。这类器件有E2PROM；FLASH；带后备电池的；带后备电池的RAM。5 5、PLC(Programmable Logic Controller) PLC(Programmable Logic Controller) 模块模块nPLC模块：模块：CNC装置实现顺序控

23、制的装置实现顺序控制的模块。模块。nPLC模块的作用：模块的作用：接收来自操作面板、接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。相应器件的运行。CNC装置与被控设备交换的信息有三类：装置与被控设备交换的信息有三类：n开关信号开关信号n模拟信号模拟信号n脉冲信号脉冲信号上述信号由于其类型、电平、上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与直接与CNC装置相联

24、，需要一个接装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。口对这些信号进行变换处理。PMC模块实现方式有以几种：模块实现方式有以几种：n简单简单I/O接口板接口板系系统统总总线线数数字字接接口口光电隔离器件光电隔离器件A/DD/A转换转换调理电路调理电路功率放大功率放大传传感感元元件件功功率率放放大大光电隔离器件光电隔离器件计计数数器器计数脉冲计数脉冲滤波、倍频滤波、倍频整形整形开关量转换开关量转换脉冲量转换脉冲量转换模拟量转换模拟量转换PLC（ProgrammableLogicController）控制：）控制：它是目前它是目前CNC系统用得最广泛的方式。系统用得最广泛的方式。电电 源源 模

25、模 块块通信功能通信功能人人 机机 接接 口口编程调试和试验功能编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行应用程序的执行操作系统功能操作系统功能应用程序存储应用程序存储数数 据据 存存 储储信号处理功能信号处理功能操作者操作者应用程序应用程序设计人员设计人员机器机器/ /过程过程PLCPLC系统的基本结构系统的基本结构外部供电外部供电外部设备外部设备CNC机床用的机床用的PLC一般分为两类：一般分为两类：内装型内装型（Built-inType）PLC（或集成式、内含式）。（或集成式、内含式）。独立型独立型（Stand-aloneType）PLC（或通用

26、型）（或通用型） 6、位置控制模块位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制的重要组成部分，是实现轨迹控制时，时，CNC装置与伺服驱动系统连装置与伺服驱动系统连接的接口模块。接的接口模块。常用的位置控制模块有：常用的位置控制模块有：n开环位置控制模块：开环位置控制模块：CNC装置装置与步进电机驱动电源的接口；与步进电机驱动电源的接口；n闭环（含半闭环）位置控制模闭环（含半闭环）位置控制模块：块：CNC装置与直流、交流伺装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。服驱动装置的接口。7、 功能接口模块功能接口模块n实现用户特定功能要求的接口板，实现用户特

27、定功能要求的接口板，n实例：实例：n仿形控制器接口；仿形控制器接口；n激光加工焦点自动跟踪器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；n刀具监控系统中的信号采集器接口板。刀具监控系统中的信号采集器接口板。8、单微处理器结构特点、单微处理器结构特点:（1）集中控制分时处理；）集中控制分时处理；（2）CPU通过总线与存储器、通过总线与存储器、I/O相连，相连，构成构成CNC装置；装置；（3）结构简单，容易实现。）结构简单，容易实现。二、二、多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置装置多主多主CPU结构中，有两个或两结构中，有两个或两个以上的个以上的CPU部件，部件之间采用部件，部件之间采用紧耦合，有集中

28、的操作系统，通过紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器总线仲裁器(由硬件和软件组成由硬件和软件组成)来解来解决总线争用问题，通过公共存储器决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。来进行信息交换。特点：特点：q能实现真正意义上的并行处理，处能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统理速度快，可以实现较复杂的系统功能。功能。q容错能力强，在某模块出了故障后，容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作通过系统重组仍可断继续工作1、多处理机、多处理机CNC装置的基本功能模块装置的基本功能模块CNC管理模块管理模块CNC插补模块插补模块位置控制模块位置控制模块P

29、LC模块模块操作与控制数据输入操作与控制数据输入/输出和显示模块输出和显示模块存储器模块存储器模块（1）CNC管理模块管理模块系统初始化、中断管理、总线系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断等。软、硬件诊断等。（2）CNC插补模块插补模块译码、刀具半径补偿、坐译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理标位移量计算和进给速度处理等预处理，插补运算。等预处理，插补运算。（3）位置控制模块）位置控制模块自动加减速，回基准点，伺自动加减速，回基准点，伺服系统滞后量的监视和漂移补偿服系统滞后量的监视和漂移补偿等。等。（4）PLC模块模块（

30、5）MDI/CRT、I/O模块模块；（6）存储器模块。）存储器模块。2、多微处理器结构、多微处理器结构CNC装置的典型结构装置的典型结构v共享总线型共享总线型v共享存储器型共享存储器型（1）总线共享型结构）总线共享型结构多微处理器共享总线结构框图多微处理器共享总线结构框图FANUC15系统硬件结构系统硬件结构FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元结构特征：结构特征：功能模块分为带有功能模块分为带有CPU或或DMA的主模

31、的主模块和从模块块和从模块(RAM/ROM，I/O模块模块)以系统总线为中心，所有的主、从模块以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上都插在严格定义的标准系统总线上采用总线仲裁机构采用总线仲裁机构(电路电路)来裁定多个模来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题块同时请求使用系统总线的竞争问题 支持多微处理器系统的总线结构都支持多微处理器系统的总线结构都设计有设计有总线仲裁总线仲裁机构，常用的方式有：机构，常用的方式有： 式式、并并行行总总线线仲仲裁裁连连接接方方式式、串串行行总总线线仲仲裁裁连连接接方方21串行总线仲裁连接方法串行总线仲裁连接方法串行总线仲裁方式中，

32、优先权的排列是按连接串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置决定的。位置决定的。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线。同时通知它后面优先占用总线时，才可使用总线。同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。权较低的主模块不得使用总线。并行总线仲裁框图并行总线仲裁框图并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方案。案。这种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器这种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。来实现。大部分系统采用公共存储器方式大部分系统采用公共存储器方式。共享总线结构的优点

33、共享总线结构的优点结构简单、系统组配灵结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性活、成本相对较低、可靠性高高共享总线结构的缺点共享总线结构的缺点n总线是系统的总线是系统的“瓶颈瓶颈”，一旦系统，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到总线出现故障，将使整个系统受到影响；影响；n由于使用总线要经仲裁，使信息传由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低输率降低第三节第三节CNC装置的软件结构装置的软件结构CNC装置的软件是为了完成装置的软件是为了完成CNC数数控机床的各项功能而专门设计和编制的，控机床的各项功能而专门设计和编制的，是一种专用软件，其结构取决于软件的是一种专用软件，其结构取决于软件的分工

34、，也取决于软件本身的工作特点。分工，也取决于软件本身的工作特点。一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系：关系：从理论上讲从理论上讲，硬件能完成的功能，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。等价的。特点特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难；实现复杂控制的功能困难；n软件设计灵活，适应性强，但处软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。理速度相对较慢。软件、硬件实现功能的分配：软件、硬件实现功能的

35、分配：功能界面划分的准则功能界面划分的准则系统的性能价格比系统的性能价格比二、二、CNC装置的软件结构特点装置的软件结构特点最突出特点：最突出特点：多任务并行处理多任务并行处理多重实时中断多重实时中断1、多任务并行处理、多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性装置的多任务性任务定义：任务定义： 可并发执行的程序在一个数据集可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。合上的运行过程。CNC的功能则可定义为的功能则可定义为CNC的任务：的任务： 位位置置控控制制插插补补运运算算速速度度处处理理刀刀具具补补偿偿译译码码控控制制软软件件诊诊断断显显示示零零件件程程序序的的输输入入输输出出管管理理软软件

36、件系系统统软软件件 CNC CNC系统的任务要求并行处理：系统的任务要求并行处理： 为了保证控制的连续性和为了保证控制的连续性和各任务执行的各任务执行的时序配合时序配合要求，要求，CNCCNC系统的任务必须采用并行处系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。理，而不能逐一处理。（2）并行处理）并行处理并行处理是计算机在并行处理是计算机在同一时刻同一时刻或或同同一时间间隔一时间间隔内完成两种或两种以上性质内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，运用并行处理技术相同或不同的工作，运用并行处理技术可提高运算速度。可提高运算速度。采用并行处理技术的目的采用并行处理技术的目的： 合理使用和调配合理使

37、用和调配CNCCNC系统的资源系统的资源 提高提高CNCCNC系统的处理速度。系统的处理速度。并行处理的方法有：并行处理的方法有：资源共享资源共享资源重复资源重复时间重叠时间重叠资源共享资源共享是根据是根据“分时共享分时共享”的的原则，使多个用户按时间顺序使用同原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备；一套设备；时间重叠时间重叠使根据流水线处理技术，使根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，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；轮流使用同一套设备的几个部分；资源重复资源重复是通过增加资源（如多是通过增加资源（如多CPU）提高运算速度。）提高运算速度。CNC装

38、置的装置的硬件设计硬件设计普遍普遍采用采用资源重复资源重复的并行处理方法；的并行处理方法；CNC装置的装置的软件设计软件设计常采常采用用资源分时共享资源分时共享和和资源重叠资源重叠的流水线处理技术的流水线处理技术1）资源分时共享并行处理）资源分时共享并行处理在在单单CPU装置装置中，主要采用中，主要采用CPU分时共分时共享的原则来解决多任务的同时运行享的原则来解决多任务的同时运行。资源分时共享资源分时共享在规定的时间长度在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用求，规定它们占用CPU的时间，使它们的时间，使它们分时共享系统的资源。分时共

39、享系统的资源。“资源分时共享资源分时共享”的技术关键：的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题其一：各任务的优先级分配问题其二：各任务占用其二：各任务占用CPU的时间长度，即的时间长度，即时间片的分配问题时间片的分配问题资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图译译码码刀刀补补I/O显显示示初始初始化化位置控制位置控制插补运算插补运算背景程序背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低各任务占用CPUCPU 时间示意图0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制插补运算背景程序资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征在任何一个时刻只有一个任务占用在任何一

40、个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如在一个时间片（如8ms或或16ms）内，）内，CPU并行地执行了两个或两个以上并行地执行了两个或两个以上的任务。的任务。 因此，资源分时共享的并因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。一执行的。2、实时中断处理实时中断处理CNC系统的中断管理主要由硬系统的中断管理主要由硬件完成，而系统软件的结构则取决于件完成，而系统软件的结构则取决于系统的中断结构。系统的中断结构。n硬件主要提供支持中断功能的芯片硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯

41、片（和电路，如中断管理芯片（8259或或功能相同的芯片），定时器计数器功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。等）等。n软件主要完成对硬件芯片的初始化、软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。与恢复等）等。（1）CNC系统的中断类型系统的中断类型1）外部中断；外部中断；2）内部定时中断；）内部定时中断；3）硬件故障中断；）硬件故障中断；4）程序性中断。）程序性中断。（2）CNC系统中断结构模式系统中断结构模式n前后台型中断模式前后台型中断模式n中断型结

42、构模式中断型结构模式1）中断型结构模式）中断型结构模式这种结构是将除了初始化程序之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，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管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。理系统。中断型结构中断优先级别划分中断型结构中断优先级别划分优先级优先级主要功能主要功能中断源中断源0初始化初始化开机后进入开机后进入1CRT显示、显示、RO

43、M校验校验硬件、主程序硬件、主程序2工作方式选择、插补准备工作方式选择、插补准备16ms软件定时软件定时3PLC控制控制16ms软件定时软件定时4参数、变量、数据存储器控制参数、变量、数据存储器控制 硬件硬件5插补运算插补运算8ms软件定时软件定时6监控和急停信号监控和急停信号8ms软件定时软件定时7RS-232C输入中断输入中断硬件随机硬件随机8纸带阅读机纸带阅读机硬件随机硬件随机9报警报警串行传送报警串行传送报警10非屏蔽中断非屏蔽中断非屏蔽中断产生非屏蔽中断产生中断型结构模式的特点中断型结构模式的特点(了解了解)任务调度机制：任务调度机制：抢占式优先调度。抢占式优先调度。信息交换：信息交

44、换：缓冲区。缓冲区。实时性好。实时性好。由于中断级别较多（最多可由于中断级别较多（最多可达达8级），强实时性任务可安排在优先级级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。对系统的维护和扩充。2）前后台型结构模式）前后台型结构模式整个系统软件分为两大部分：整个系统软件分为两大部分：前台程序前台程序后台程序后台程序。前台程序前台程序：是一个是一个实时中断程序实时中断程序，完成几，完成几乎全部的实时功能，实现与机床动作乎全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能。如：插补、位控、

45、直接相关的功能。如：插补、位控、机床相关逻辑和监控等。机床相关逻辑和监控等。后台程序后台程序：是一个是一个循环执行程序循环执行程序。如：输。如：输入、译码、数据处理等插补前的准入、译码、数据处理等插补前的准备工作和管理程序。备工作和管理程序。前后台程序运行关系图前台程序前台程序故障处理故障处理位置控制位置控制插补运算插补运算后台程序后台程序译译码码刀补处理刀补处理速度预处理速度预处理输入输入/输出输出显示显示中断执行中断执行循环执行循环执行前后台型结构模式的特点前后台型结构模式的特点任务调度机制任务调度机制:优先抢占调度和循环调优先抢占调度和循环调度。度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台程序

46、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前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。顺序调度。信息交换信息交换:缓冲区缓冲区。前台和后台程序之间。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。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在前台和后台程序内无优先级等级、级等级、也无抢占机制。也无抢占机制。第四节第四节CNC装置的数据预处理装置的数据预处理CNC装置系统软件的主要任务：装置系统软件的主要任务：如何将由零件加工程序表达的如何将由零件加工程序表达的加工加工信息信息，变换成各进给轴的，变换成各进给轴的位移指令、位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令主轴转

47、速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。加工出符合要求的零件。数控加工及信息处理过程数控加工及信息处理过程零件程序零件程序控制面板控制面板零件缓冲器零件缓冲器(BS)译码译码(DS)数据处理数据处理(CS)传送传送AS工作寄存器工作寄存器(AR)插补插补伺服控制伺服控制机床机床坐标坐标轴轴命令信号命令信号反馈信号反馈信号调度调度机床逻辑控制机床逻辑控制显示显示控控制制信信号号回回答答信信号号机床机床强电强电部分部分执行电器执行电器限位开关限位开关数据预包括处理：数据预包括处理：零件程序的输入零件程序的输入译码译码刀具（半径

48、、长度）补偿刀具（半径、长度）补偿坐标系转换等坐标系转换等输入输入译码译码刀补刀补速度处理速度处理插补插补位控位控CNCCNC装置数据转换流程示意图装置数据转换流程示意图加工程序加工程序译译码码译码缓冲区译码缓冲区刀补处理刀补处理刀补缓冲区刀补缓冲区速度预处理速度预处理插补缓冲区插补缓冲区插补处理插补处理运行缓冲区运行缓冲区伺服驱动伺服驱动位控处理位控处理位置反馈位置反馈PLC控制控制一、一、零件程序的输入零件程序的输入1）纸带输入方式纸带输入方式2）键盘输入方式）键盘输入方式3）MDI输入方式输入方式二、译码二、译码将用文本格式（通常用将用文本格式（通常用ASCII码）码）表达的零件加工程序

49、，以程序段为单表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。理程序）所要求的数据结构（格式）。数据结构示例：数据结构示例： StructPROG_BUFFER charbuf_state；/缓冲区状态，缓冲区状态，0空；空；1准备好。准备好。 intblock_num；/以以BCD码的形式存放本程序段号。码的形式存放本程序段号。 doubleCOOR20；/存放尺寸指令的数值（存放尺寸指令的数值（m）。）。 intF,S；/F（mm/min）S（r/min）。）。 charG0；/以标志形式存放以标志形式存放G

50、指令。指令。 charG1； charM0；/以标志形式存放以标志形式存放M指令。指令。 charM1； charT；/存放本段换刀的刀具号。存放本段换刀的刀具号。 charD；/存放刀具补偿的刀具半径值。存放刀具补偿的刀具半径值。 ；以标志形式存放以标志形式存放G G指令示例指令示例D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0G00 0 ：无该指令；：无该指令； 1：有该指令：有该指令G01 0 ：无该指令；：无该指令； 1：有该指令：有该指令G02 0 ：无该指令；：无该指令； 1：有该指令：有该指令G03 0 ：无该指令；：无该指令； 1：有该指令：有该指令G90/G91 0 ：G90

51、 ；1：G91G06 0 ：无该指令；：无该指令； 1：有该指令：有该指令00：G40 ；11：G4001：G41 ；10；G42在系统软件中各程序间的数据在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。工作。 N06 G90 G41 D11 G01 X2

52、00 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； Struct PROG_BUFFER Struct PROG_BUFFER char buf_state char buf_state； 0 0：( (开始开始) )；1 1（；）（；） int block_num int block_num； 0606（N06N06） double COOR20 double COOR20； COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200） COOR2=300000 COOR2=300000；（；（Y300Y300） int F,S

53、int F,S； F=200F=200；（；（F200F200） char G0 char G0； D5=0D5=0；（；（G90G90） D6,D7=0,1 D6,D7=0,1（G41G41） D1=1 D1=1；（；（G01G01） char D char D； D=11D=11（D11D11） ；三、刀具补偿原理三、刀具补偿原理（1）刀具补偿的基本原理）刀具补偿的基本原理程编轨迹程编轨迹( (零件轮廓零件轮廓) )b ba ac cd de eR RrBCDEHG刀具中心轨迹刀具中心轨迹A刀具半径补偿：刀具半径补偿：CNC装置能够根据零件轮廓信息和装置能够根据零件轮廓信息和刀具半径自动计

54、算中心轨迹，使其自动刀具半径自动计算中心轨迹，使其自动偏移零件轮廓一个刀具半径值的计算称偏移零件轮廓一个刀具半径值的计算称为刀具半径补偿。为刀具半径补偿。刀具半径补偿指令有：刀具半径补偿指令有：G40-取消刀补取消刀补G41-左刀补左刀补G42-右刀补右刀补补偿指令为补偿指令为模态指令模态指令左右刀补处理的主要工作：刀补处理的主要工作：n根据根据G90/G91计算零件轮廓的计算零件轮廓的终点坐标值。终点坐标值。n根据根据R和和G41/42，计算本段刀，计算本段刀具中心轨迹的终点（具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。坐标值。n根据本段与前段连接关系，进根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。

55、行段间连接处理。Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y刀具半径补偿的执行过程分三步刀具半径补偿的执行过程分三步：1、刀补建立（、刀补建立（G41，G42）起刀点起刀点rG41起刀点起刀点rG422、刀补进行（模态指令）、刀补进行（模态指令）刀具中心轨迹始终比编程轨迹伸长刀具中心轨迹始终比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。在轨迹或缩短一个刀具半径值的距离。在轨迹转接处，采用圆弧过渡或直线过渡转接处，采用圆弧过渡或直线过渡ABCABBC3、刀补撤消（、刀补撤消（G40）rG41G01G40G00（2）刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算 B 功能刀具半径补偿计算功能

56、刀具半径补偿计算 (不能自动处理尖角过渡问题不能自动处理尖角过渡问题) C 功能刀具半径补偿计算功能刀具半径补偿计算C功能刀具半径补偿原理功能刀具半径补偿原理B功能刀具半径补偿不能自动处理尖角过渡问题功能刀具半径补偿不能自动处理尖角过渡问题ABCABBC1）C刀补原理刀补原理根据程编轨迹，直接计算出刀具中心轨迹交根据程编轨迹，直接计算出刀具中心轨迹交点的坐标值，然后再对编程轨迹作伸长或缩短的修点的坐标值，然后再对编程轨迹作伸长或缩短的修正。采用正。采用直线过渡直线过渡的方法。的方法。ABCC刀补的交点刀补的交点刀补轨迹刀补轨迹ABC零件程编轨迹零件程编轨迹2 2）工作流程）工作流程缓冲寄存区缓冲寄存区BS刀具补偿刀具补偿缓冲区缓冲区CS工作寄存区工作寄存区AS输出寄存区输出寄存区OS第一段第一段程序内容程序内容第一段第一段程序内容程序内容第二段第二段程序内容程序内容判断判断修改修改修改后第一段修改后第一段程序内容程序内容 第二段第二段 程序内容程序内容第三段第三段程序内容程序内容3）程编轨迹转接类型）程编轨迹转接类型根据程序段轨迹矢量的夹角根据程序段轨迹矢量的夹角 （锐角或钝角）（锐角或钝角）和刀补（和刀补（G41或或G42）的不同，可分为以下三种）的不同，可分为以下三种过渡类型：过渡类型：伸长型、缩短型、插入型伸长型、缩短型、插入型四种转接方式四种转接方式直线与直线转接直线与