计算机数控(CNC)装置

1、第四章第四章 计算机数控（计算机数控（CNC）装置）装置4.1 概述概述4.1.1 CNC技术的发展技术的发展n ISO对数控系统的定义：“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输人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”。n1952年，美国MIT利用电子管成功地研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。n1959年，电子行业研制出晶体管器件，因而数控系统中广泛使用晶体管和印制电路板，数控系统跨人第二代。n1965年，出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发

2、展到了第三代第三代。n以上三代都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统，也称硬件数控(NC)。n 随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控，许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统(CNC)称为第四代数控系统，1970年，在美国芝加哥国际展览会上，首次展出了这种系统。n1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，又出现了以微处理器为核心的数控系统，这就是第五代数控系统(MNC)。近20多年来，微处理器数控系统得到了飞速发展和广泛的应用。现在，人们将MNC也通称为CNC。n由于CNC的大部分功能由软件技术实现，因而使得硬件进一步简化，系统可靠性提高

3、，功能更加灵活和完善。计算机数控(CNC)也称为软接线数控。4.1.2 CNC系统的基本组成系统的基本组成n计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。目前习惯上所称的计算机数控(CNC)系统多指微型机数控(MNC)。nCNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置装置)、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进、主轴驱动装置和进给驱动装置给驱动装置(包括检测装置包括检测装置)等等组成，如图所示。4.1.3 CNC装置的组成装置的组成

4、4.1.3.1 CNC装置的硬件组成装置的硬件组成nCNC装置是数控系统的核心，它是一台专用计算机。nCNC装置与普通计算机一样具有CPU、存储器、总线、外设等。n不过其外设通常是指输出接口及后续装置，其中最主要的是输出伺服运动指令推动输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动数控机床各坐标轴运动。中央处理单元（CPU）存储器一般由EPROM、RAM组成输入、输出接口MDI/CRT位置控制部分（包括主轴驱动控制、进给坐标的控制）n在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；n将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。4.1.3.2 CNC装置

5、的软件组成装置的软件组成n包括管理软件管理软件和控制软件控制软件两大类。n管理软件管理软件由零件程序的输入、输出程序、显示程序和诊断程序等组成。n控制软件控制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成n数控软件是用于机床加工的、实时控制的、专用的（或称特殊的）计算机操作系统。n在CNC数控装置中，硬件是基础，软件只有在硬件的支持下才能运行；离开软件，硬件同样无法工作。n硬件是基础，软件是灵魂，两者相辅相成，缺一不可。n硬件集成度、位数、主频、运算速度、指令系统、内存硬件集成度、位数、主频、运算速度、指令系统、内存容量等在很大程度上决定了容量等在很大程度上决

6、定了CNC装置的性能，而高水平装置的性能，而高水平的软件可以弥补硬件的某些不足。的软件可以弥补硬件的某些不足。4.1.4 、CNC装置的主要功能和特点装置的主要功能和特点4.1.4.1 CNC装置的主要功能装置的主要功能n（1）控制功能 （2）准备功能n（3）插补功能 （4）进给功能n（5）主轴速度功能 （6）辅助功能n（7）刀具功能（T功能）n（8）固定循环功能 （9）补偿功能n（10）字符图形显示功能n（11 ）程序编制功能n（12）输入、输出和通信功能n（13）自诊断功能4.1.4.2 CNC装置的主要特点装置的主要特点n（1）灵活性大、通用性强n（2）可以实现丰富、复杂的功能n（3）易

7、于实现机电一体化n（4）可靠性高、使用维修方便4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构n现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。n从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、标准型和高档型三类数控装置；n从硬件结构上可分大板式结构和模块化结构；n按CNC装置中微处理器的数目可分为为单微处理器和多微处理器结构；n按CNC装置硬件的设计与制造方式可分为专用型和通用型，通用型又称开放式体系结构数控系统，主要是基于通用个人计算机（PC机）的数控系统。n目前随着机械制造技术的发展，对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度等要求，以适应FMS、CIMS等更高层次的要求。因此，多

8、微处理器结构的CNC系统和开放式体系结构数控系统得到迅速发展，代表当今数控系统发展的新水平。 4.2.1 大板式结构和模块化结构大板式结构和模块化结构n大板式结构的CNC装置，将主电路板做成大印刷电路板，称为主板，包括主CPU和位置控制等，其它电路板为小板，可插在大板的插槽内。大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。n模块化结构的CNC装置，是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块的硬件按模块化方法设计成尺寸相同的印刷电路板（称为功能模板），各板均可插到符合相应工业标准总线的母板的插槽内。功能模块的控制软件也是模块化的。于是可按积木形式构成CNC装置，使设计简

9、单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。4.2.2 单、多微处理器的硬件结构单、多微处理器的硬件结构1）单微处理器结构）单微处理器结构n 所谓单微处理器结构单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时分时处理数控的各个任务。n而某些CNC装置虽然采用了两个以上的微处理器，但能够控制系统总线的只是其中的一个微处理器，它占有总线资源；n其他微处理器作为专用的智能部件，它们不能控制系统总线，也不能访问存储器。n这是一种主从结构主从结构，故被纳入单微处理器结构中。1)单微处理器结构_续n单微处理器结构的单微处理器结构的CNCCNC装置装置n包括了微型计算机系统的基本结微型计算机系统的基本结

10、构构：微处理器和存储器、总线、接口等。其中接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口；n还包括数控技术中的控制单元部控制单元部件和接口电路件和接口电路，如位置控制单元、可编程序控制器(PLC)、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口以及其他选件接口等。2）多微处理器）多微处理器CNC装置的硬件结构装置的硬件结构n单微处理器结构的数控装置只有一个CPU，实行集中控制，通过分时处理的方式来实现各种数控功能，插补等功能由软件来实现。n优点是投资小，结构简单，易于实现。n但数控功能的扩展和提高与处理速度成为一对突出的矛盾。n在多微处理器结构中，由两个或两个以上的微处理器来构成处理部件。各处理部件之

11、间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理器共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，从而将在单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作转变为多微处理器的并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。( (一一) )多微处理器多微处理器CNC装置的体系结构装置的体系结构多微处理器CNC装置可将其分为如下结构： (1)主从结构n只有一个CPU对整个装置的资源有控制权和使用权，而其他带有CPU的功能部件只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。从硬件的体系结构看，单微处理器结构与主从结构极其相似，因为主从结构的从模块与单微处理器

12、结构中相应模块在功能上是等价的。n现在单微处理器结构已被这种主从结构所取代。 (2)多主结构 n有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间采用紧耦合，即均挂靠在装置总线上，集中在一个机箱内，有集中的操纵系统，通过总线仲裁器来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换装置内的信息。 (3)分布式结构 n该装置有两个或两个以上带有CPU的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境(总线、存储器、操作系统等)，功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块之间采用通信方式交换信息。n从20世纪80年代中期开始出现多微处理器数控装置产品，其中绝大部分是主从结构类型，主

13、从结构装置能够满足数控加工的大多数要求。由于多主结构和分布式结构较复杂，操作系统设计较困难，所以，在数控装置中应用相对较少。（二）多微处理器（二）多微处理器CNC装置的典型结构装置的典型结构n多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，固化在硬件中。n软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为功能模块。n功能模块之间有明确的固定接口，按工厂或工业标准制造，于是可以组成积木式的CNC装置。n如果某一个模块出了故障，其他模块仍能照常工作，可靠性高。nCNC装置可根据需要，增加相应的功能模块。一般有以下几种功能模块组成。 （1）CNC管理模块 （2）CNC插补模块 （3）位置控制模块 （4）PLC

14、模块 （5）数据输入、输出和显示模块 （6）存储器模块n多微处理器的CNC置一般采用总线互联方式，典型的结构有共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构等。（1）共享总线型结构）共享总线型结构（2）共享存储器结构）共享存储器结构（3）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（三）多微处理器（三）多微处理器CNC装置结构的特点装置结构的特点n（1）计算速度高n（2）适应性和扩展性好n（3）可靠性高n（4）硬件易于组织规模生产4.2.3 专用型结构和个人计算机式结构专用型结构和个人计算机式结构1）专用型结构）专用型结构n硬件由各制造厂专门设计

15、和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强，但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性，如FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国A-B系统等都属于专用型。2）个人计算机式结构）个人计算机式结构n以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成相应CNC装置。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本。若工业PC机出故障，修理及更换均很容易。美国ANILAM公司和AI公司生产的CNC装置属该类型。4.2.4 封闭式结构、封闭式结构、PC嵌入嵌入NC式结构、式结构、NC嵌入嵌入PC式结构和软件型开放式

16、结构式结构和软件型开放式结构 1) 封闭式结构封闭式结构n如FANUC0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810系统等都是专用的封闭体系结构的数控系统。2) PC嵌入嵌入NC式结构系统式结构系统n如FANUC l8i、16i系统，SINUMERIK 840D系统，Num l060系统，AB 9/360等数控系统，是由于数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。3)NC嵌人嵌人PC式结构式结构n它由开放体系结构运动控制卡加PC机构成。4)软件型开放式结构软件型开放式结构n这是一种最新开放体系结构的数控系统。4.3 CNC装

17、置的软件结构装置的软件结构nCNC装置的软件又称为系统软件(系统程序)，是数控加工的一种专用软件，是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。n不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。n现代数控机床的功能大都采用软件来实现，因此，系统软件的设计及功能是CNC装置的关键。nCNC装置的软件结构取决于软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。硬件为软件运行提供了支持环境。n软件和硬件在逻辑上是等价的，由硬件能完成的工作原则上也可以由软件完成。n硬件处理速度快，但造价高，软件设计灵活，适应

18、性强，但处理速度慢。所以，在CNC装置中，软硬件的分工是由性能/价格比决定的。n在现代CNC装置中，软件和硬件的界面关系是不固定的。早期的NC装置中，数控系统的全部功能都由硬件来实现，随着计算机技术的发展，计算机参与了数控系统的工作，构成了计算机数控(CNC)系统，由软件完成数控工作。4.3.1 CNC装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面随着产品的不同、功能要求的不同, 软件和硬件界面是不一样的，三种典型CNC装置的软硬件界面关系如图所示。CNC软件的内容及其结构类型软件的内容及其结构类型n CNC系统是一个专用的实时多任务系统，CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中。因

19、此，它的系统软件包括管理和控制两大部分。n管理部分管理部分包括输入、IO处理、通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序；n控制部分控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。n数控的基本功能由这些功能子程序实现。这是任何一个计算机数控系统所必须具备的。n不同的系统软件结构中对这些子程序的安排方式不同，管理方式亦不同。n在单微处理器数控系统中单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。n在多微处理器数控系统中多微处理器数控系统中,将微处理器作为一个功能单元利用上面的思想构成相应的软件结构类型，各个CPU分别承担一定的任务，它们之间的通信依靠共享总线和共享

20、存储器进行协调。n在子系统较多时，也可采用相互通信的方法。n无论何种类型的结构，CNC装置的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。4.3.2 CNC系统软件的结构与特点系统软件的结构与特点1)多任务并行处理多任务并行处理n数控加工时，CNC装置要完成许多任务，在多数情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。n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上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点能提高运行速度。 n表现在软件上主要采用“资源分时共享”和“资源重叠流水处理”2）实时中断处理）实时中断处理nCNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC系统程序以零件加

21、工为对象，每个程序有许多子程序，它们按预定的顺序反复执行，各步骤间关系十分密切，有许多子程序实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可少的重要组成部分。nCNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。 （1）CNC系统的中断类型 有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断和程序性中断等几种类型。（2）CNC系统的中断结构模式 有前后台软件结构中的中断前后台软件结构中的中断模式模式和中断型软件结构中的中断模式中断型软件结构中的中断模式等。4.3.2 CNC装置的数据转换装置的数据转换n CNC装置的数据转换包括指令输入、译码、刀具补偿、速度处理、插补以及位置控制等几个过程，如图

22、所示。4.3.3 故障诊断故障诊断n完善的诊断程序是现代CNC装置的特点之一。nCNC装置的故障诊断利用装置中的计算机进行，通过软件来实现。诊断程序可包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断。也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障部位。还可以通信诊断，由通信诊断中心运行诊断程序，指示操作者进行某些试运行来进行诊断。 4.3.3.1 运行中诊断运行中诊断n运行中的诊断程序比较分散，常包含在主控程序、中断处理程序等各部分中。接口、伺服系统和机床方面的诊断程序都包含在CNC装置软件结构的相应部分。4.3.3.2 停机诊断停机诊断n停机诊断是当系统发生故障或和系统开始

23、运行前，利用诊断程序进行的诊断。n该诊断程序可以与系统程序分开，需要时再输入CNC装置。诊断时，将自诊断程序装人运行，若CNC系统无故障，检查程序连续运行，不停机；若发现故障，则停机，从停机地址即可找到故障部位。n自诊断程序包括：内存检查程序、逻辑检查程序、算术检查程序、接口与外设检查程序、位置控制测试程序，以及掉电处理检查程序等等。4.3.3.3 通讯诊断通讯诊断n用户CNC系统经电话线路与诊断中心通信，由诊断中心发出诊断程序，CNC进行某种运行，同时收集数据，分析系统的状态。系统状态与存储的应有工作状态或某些极限值进行比较，来确定系统工作状态是否正常。n对于长时间才能发现和排除的间歇性故障

24、，诊断中心计算机可发送诊断程序给用户CNC。此程序与CNC的系统程序并行工作，实时地寻找与监视故障。一旦发现故障，就使系统停止工作。n通过通信诊断不但能找出故障，而且还能对故障趋势进行分析预测。n随着CNC装置结构的发展，自诊断功能也不断发展。4.4 CNC装置的接口与通讯装置的接口与通讯4.4.1 概述概述n接口是保证信息快速、正确传送的关键部分，现代CNC装置都具有完备的数据传送和通信接口。n数控机床的CNC装置需要与下列设备进行数据传送和信息通信。n1)数据输入输出设备n2)外部机床控制面版n3)进给驱动线路和主轴驱动线路n4)通用的手摇脉冲发生器4.4.2 输入输入/输出输出(I/O)

25、接口接口n数控机床“接口”指的是数控系统与机床电气控制设备(由继电器、接触器组成的强电)之间的电气连接部分。1）数控机床上的接口规范）数控机床上的接口规范n根据国际标准“IS043361981(E)机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四类。2）数控机床上的输入、输出信号）数控机床上的输入、输出信号n由机床(MT)向CNC装置传送的信号称为输入信号；由CNC装置向MT传送的信号称为输出信号。n输入/输出信号有：直流数字输入/输出信号、直流模拟 输入/输出信号、交流输入/输出信号。4.4.3 串行通信及接口串行通信及接口n数据在设备间的传送可用串行方式或并行方式。相距较远的设备数据传送采用串行方式。串行接口需要有一定的逻辑，将机内的并行数据转换成串行信号后再传送出去，接收时也要将收到的串行信号经过缓冲器转换成并