数控技术3讲义课件

第三章计算机数控装置内容提要本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。2023/7/201数控技术第一节

概述2023/7/202数控技术在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节概述2023/7/203数控技术组成：数控程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置（检测装置）等。.CNC系统的组成NC程序输入设备CNC装置主轴控制单元主轴电机机床进给电机位置检测器PLC速度控制单元I/O信号CNC系统的组成2023/7/204数控技术CNC装置的组成由硬件和软件组成；硬件：具有一般计算机的基本结构，还有数控机床所特有的功能模块与单元接口；软件：由管理软件和控制软件组成，如图。硬件是基础，软件是灵魂。2023/7/205数控技术CNC装置的组成硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

......CNC装置的组成2023/7/206数控技术CNC装置的组成EPROM或E2PROMRAM输入输出接口主轴控制通信接口MDI接口PLC接口CRT或液晶显示接口位置控制纸带阅读机接口CPUCNC装置的硬件组成2023/7/207数控技术CNC装置系统软件管理软件控制软件二.CNC装置的组成CNC装置的软件框图显示处理故障诊断处理刀具半径补偿位置控制主轴控制译码零件程序管理插补计算速度预处理2023/7/208数控技术基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。三.CNC装置的功能2023/7/209数控技术1.基本功能(1)控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；

基本轴和附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。三.CNC装置的功能2023/7/2010数控技术（2）准备功能（G功能）指令机床动作方式的功能。已在第二章介绍。三.CNC装置的功能2023/7/2011数控技术（3）插补功能数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。直线、圆弧、抛物线等。三.CNC装置的功能2023/7/2012数控技术（4）进给功能进给速度的控制功能。进给速度——控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/min）。同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r（inch/min）

。快速进给速度——数控系统规定的快速进给速度。进给倍率——人工实时修调预先给定的进给速度。三.CNC装置的功能2023/7/2013数控技术（5）主轴功能主轴转速功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：r/min。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。单位：（m/min）主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。三.CNC装置的功能2023/7/2014数控技术（6）辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。已在第二章介绍。三.CNC装置的功能2023/7/2015数控技术（7）刀具功能选择刀具刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用；三.CNC装置的功能2023/7/2016数控技术（8）字符图形显示功能

可配置单色或彩色、不同尺寸的CRT或液晶显示器，实现显示功能。程序、参数、补偿值；零件图形；坐标位置；故障信息、编程菜单等。三.CNC装置的功能2023/7/2017数控技术（9）自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。三.CNC装置的功能2023/7/2018数控技术2、选择功能（1）补偿功能刀具半径和长度补偿功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。智能补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术实施在线补偿。三.CNC装置的功能2023/7/2019数控技术（2）固定循环功能数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。三.CNC装置的功能2023/7/2020数控技术(3)人机对话功能在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。三.CNC装置的功能2023/7/2021数控技术(4)通讯功能

CNC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；DNC接口，可实现直接数控；MAP(制造自动化协议)模块,适应FMS、CIMS等制造系统集成的要求。三.CNC装置的功能2023/7/2022数控技术1.具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软、硬件采用模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。四.CNC装置的优点2023/7/2023数控技术2.数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条曲线等插补；补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误差补偿等；人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口；编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。四.CNC装置的优点2023/7/2024数控技术3.可靠性高采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。四.CNC装置的优点2023/7/2025数控技术4.使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。四.CNC装置的优点2023/7/2026数控技术5.易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（硬件数量减少），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。四.CNC装置的优点2023/7/2027数控技术第二节

CNC装置的硬件结构2023/7/2028数控技术第二节CNC装置的硬件结构一、概述

CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为:单机系统:整个CNC装置只有一个CPU，它集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NC功能。2023/7/2029数控技术多机系统:CNC装置中有两个或两个以上的CPU，某些功能模块自身也带有CPU。主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权。其它带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。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2030数控技术多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2031数控技术二.单机或主从结构模块的功能介绍CNC装置是按模块化设计的方法构造的。模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求，选择不同的功能模块，插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2032数控技术实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2033数控技术I/O设备计算机主板显示卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统CNC系统硬件框图

第二节CNC装置的硬件体系结构2023/7/2034数控技术1。计算机主板和系统总线(母板)（1）计算机主板是CNC装置的核心。

功能结构（All-In-One）：CPU及其外围芯片；内存单元、缓存器及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)；软、硬驱动器接口。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2035数控技术作用对输入到CNC装置中的数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2036数控技术第二节CNC装置的硬件结构CPU运算器：译码、刀补计算、插补计算、位置控制计算、其它数据的计算及逻辑计算。控制器：从存储器中取出指令，经过解释，向CNC装置各部分按顺序发出执行控制的控制信号。2023/7/2037数控技术（2）系统总线(母板)系统总线：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或信息交换的通道。数据总线:地址总线：控制总线：工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层）。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2038数控技术2.显示模块(显示卡)显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和用于显示的数据，在CRT上产生所需要的画面。在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介。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，而且它还有非常丰富的支持软件，无需用户自己开发。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2039数控技术

3.输入/出模块(多功能卡)它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板。CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2040数控技术输入／输出设备：输入设备：纸带阅读机；输出设备：打印机、纸带穿孔机；输入／输出设备：磁盘驱动器；通信接口：RS232。该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是ALL-IN-ONE主板，则此模块可省略。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2041数控技术以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2042数控技术

4.电子盘(存储模块)电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC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；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义等)；用户的零件加工程序。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2043数控技术计算机领域所用存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2044数控技术电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类只读存储器（ROM、PROM、EPROM）随机存储器（RAM）非易失性读写存储元件。这类器件有：

E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2045数控技术在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器。因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2046数控技术5.设备辅助接口模块CNC装置实现“顺序控制”的模块。作用：接收来自操作面板、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、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2047数控技术CNC装置与被控设备交换的信息有三类：开关信号；模拟信号；脉冲信号。上述信号一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2048数控技术设备辅助控制接口模块目的：满足CNC系统的输入输出要求。将被控设备的状态信息装换成数字信息；按满足执行元件要求的信号输出。阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2049数控技术设备辅助控制接口的实现方式：（1）简单I/O接口板信号之间的互锁、连锁、延时由继电器来实现，柔性差，体积庞大。（2）PLC（ProgrammableLogicController）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2050数控技术PLC的分类：内装型（Built-inType）PLC（或称集成式、内含式）。硬件和软件整体结构合理、实用、性价比高，CNC系统的可靠性高。独立型（Stand-aloneType）PLC，或称为“通用型”PLC品种、类型丰富，用户选择余地大。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2051数控技术6.位置控制模块CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。接收CNC装置插补后输出的位置控制命令，经过调节运算输出速度控制指令，经过D/A转换，输出速度指令电压给速度控制单元，控制伺服电机。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2052数控技术常用的位置控制模块有：开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2053数控技术7.功能接口模块实现用户特定功能要求的接口板，用户的特定功能，必须向CNC系统的生产厂家定制，用户无法自行开发。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2054数控技术三.多主结构的CNC系统硬件简介多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2055数控技术多主结构的特点：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功能。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。多主结构的结构形式：共享总线结构型共享存储器结构型第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2056数控技术共享总线结构FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元图3-14FANUC15系统硬件结构第二节CNC装置的硬件结构主轴控制模块主存储器模块2023/7/2057数控技术结构特征：功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O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；采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2058数控技术共享总线结构的优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。共享总线结构的缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2059数控技术二.共享存储器结构显示CPU键盘中央CPU插补CPU串口和收发器CTRC并行接口反馈脉冲和处理EPROMEPROMRAM/EPROM512RAMRAM512字符发生器CRT模拟量输出机床接口反馈信号收发器……XYZCW图3-15共享存储器结构CNC系统硬件结构第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2060数控技术结构特征：面向共公存储器来设计的，采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯。采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器。第二节CNC装置的硬件结构2023/7/2061数控技术第三节

CNC装置的软件结构2023/7/2062数控技术

第三节CNC装置的软件结构本节将首先介绍CNC系统软硬件界面的关系，然后分析CNC装置的数据转换过程，并分析CNC系统软件的结构特点。2023/7/2063数控技术一、CNC装置软件和硬件的功能界面在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2064数控技术硬件和软件在实现各种功能时的特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。准则：系统的性能价格比功能界面划分:合理确定CNC装置软件硬件的功能分担。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2065数控技术数控系统功能界面的几种划分：输入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件软件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢⅣ

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2066数控技术二、CNC装置的数据转换流程

CNC系统软件的主要任务就是将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转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，加工出符合要求的零件。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2067数控技术加工程序译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2068数控技术1.译码(解释)把零件程序段的轮廓信息、加工速度F和其它辅助信息（M、S、T）按一定规律翻译成计算机能识别的格式，放入译码结果缓冲器中。进行语法检查，发现错误立即报警。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2069数控技术

第三节CNC装置的软件结构译码分解释和编译2种：解释：计算机顺序取出程序信息进行语法检查、判断和处理，一边解释，一边执行。编辑：首先编译源程序，形成由机器指令组成的目的程序，计算及再执行目的程序。数控代码简单，解释执行并不慢，占内从少，操作简单，CNC软件中多数采用解释方法。2023/7/2070数控技术

第三节CNC装置的软件结构主要工作：（1）内部码转换常用数控代码及其内部码2023/7/2071数控技术第三节CNC装置的软件结构（2）代码识别：从零件缓冲器中输入字符代码，系统内部码比较。串行工作；不占实时时间2023/7/2072数控技术刀补处理的主要工作：根据G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（P’e/P〃e）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。.刀补处理(计算刀具中心轨迹)P0XYG41G42P’eP”eR

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2073数控技术3.速度预处理主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2074数控技术速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量：直线：合成位移量L；园弧：总角位移量α。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量：

ΔL=FΔt/60（μm）

式中：F--进给速度值（mm/min）；△t--数控系统的插补周期（ms）Lα

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2075数控技术4.插补主要功能：计算插补周期的实际合成位移量：△L1=△L*修调值分解△L1→（△X1、△Y1）

按插补的线形、当前插补点所在的位置，将△L1分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。插补模块以系统规定的插补周期△t定时运行。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2076数控技术5.位置控制处理将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，校正刀具与工件的相对位置和速度。

第三节CNC装置的软件结构f（）插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3X2新Y2新实际位置反馈位置增量△X2、△Y2指令位置X1旧Y1旧指令位置X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程++-+++2023/7/2077数控技术位置控制完成以下几步计算：计算新的位置指令坐标值：X1新=X1旧+△X1；Y1新=Y1旧+△Y1；计算当前位置实际坐标值：X2新=X2旧+△X2；Y2新=Y2旧+△Y2计算跟随误差(指令位置值—实际位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；计算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2078数控技术f()是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体系统而定。有些系统中是采用硬件来实现的。VX、VY送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装置的轨迹控制。

第三节

CNC装置的软件结构2023/7/2079数控技术三、CNC装置的软件系统特点

CNC系统是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件则可看成是一个专用实时操作系统。

第三节

CNC装置的软件结构2023/7/2080数控技术.多任务与并行处理(1)CNC装置的多任务性

第三节CNC装置的软件结构输入诊断控制显示I/O译码刀补速度处理插补位置控制2023/7/2081数控技术第三节CNC装置的软件结构(2)并行处理计算及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。采用并行处理技术的目的：合理使用和调配CNC系统的资源；提高CNC系统的处理速度。方法：资源分时共享、并发处理和流水处理。2023/7/2082数控技术1）资源分时共享在单CPU结构的CNC系统中，采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。如何分配各任务占用CPU的时间，即各任务何时占用CPU，以及允许占用CPU多长间。“资源分时共享”的技术关键：各任务的优先级分配问题。各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。第三节CNC装置的软件结构2023/7/2083数控技术…译码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

第三节CNC装置的软件结构循环流和中断优先相结合刀补2023/7/2084数控技术0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序各任务占用CPU

时间示意图

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2085数控技术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CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2086数控技术2）并发处理和流水处理在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行——并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2087数控技术流水处理:流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2088数控技术流水处理技术示意图

1231232tt空间时间顺序处理输出输出时间t+△tt空间111333222输出输出输出并行处理

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2089数控技术并发处理和流水处理的特征在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2090数控技术2、实时性和优先抢占调度机制（1）实时性任务定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类:

强实时性任务实时突发性任务；实时周期性任务弱实时性任务

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2091数控技术强实时性任务实时突发性任务：具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。实时周期性任务：此类任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补、位置控制等任务。这类任务处理的实时性是关键，在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2092数控技术弱实时性任务这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，被安排在背景程序中，由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2093数控技术（2）抢占式优先调度机制功能优先调度：在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。抢占方式：在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2094数控技术抢占式优先调度机制的实现方式硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片，定时器、计数器等。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（断点的保护与恢复）等。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2095数控技术.CNC系统软件结构模式定义：指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。功能：组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2096数控技术.前后台型结构模式该模式将CNC系统软件划分成两部分：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(背景程序):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/出、插补预处理等弱实时性的任务。它是一个循环运行的程序，不断地被前台程序定时打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2097数控技术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/输出显示中断执行循环执行

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2098数控技术特点：任务调度机制优先抢占调度和顺序调度。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。信息交换前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的信息交换通过缓冲区实现。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。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/2099数控技术.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。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20100数控技术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………………1n2

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20101数控技术中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多，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充。二十世纪80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20102数控技术.基于实时操作系统的结构模式实时操作系统（RealTimeOperatingSystem，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。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20103数控技术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）……

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20104数控技术基于实时操作系统的结构模式的优点1）弱化功能模块间的耦合关系设计者只须考虑模块自身功能的实现，然后按规则挂到实时操作系统上，而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。前2种模式中，为了协调和组织各模块之间的关系，需用许多全局变量标志和判断、分支结构，使各模块间的关系复杂。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20105数控技术2）系统的开放性和可维护性好系统功能的扩充或修改，只须将编写好的任务模块，挂到实时操作系统上即可。前2种模式的系统将是的完全封闭，若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20106数控技术减少系统开发的工作量

在CNC系统软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计开发往往是很复杂的，而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时，即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20107数控技术基于实时操作系统开发CNC系统的方法在商品化的实时操作系统下开发CNC系统，国外有些著名CNC系统厂家采用了这种方式。将DOS、WINDOWS扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发CNC系统软件。优点在于DOSWINDOWS是得到普遍应用的操作系统，扩充扩展相对较容易，有利于形成具有我国自主版权的数控软件，这是一种适合我国国情的好方法。目前国内有些CNC系统的生产厂家就是采用的这种方法。

第三节CNC装置的软件结构2023/7/20108数控技术第四节

CNC装置的插补原理2023/7/20109数控技术第四节CNC装置的插补原理一.概述1.插补的概念插补(Interpolation)：根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实现算法。插补功能是轮廓控制系统的本质特征。2023/7/20110数控技术.评价插补算法的指标

稳定性指标插补运算是一种迭代运算，算法稳定性。插补算法稳定的充必条件：在插补运算过程中，对计算误差和舍入误差没有累积效应。插补算法稳定是确保轮廓精度要求的前提。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20111数控技术插补精度指标定义：插补轮廓与给定轮廓的符合程度，它可用插补误差来评价。插补误差分类：逼近误差：指用直线逼近曲线时产生的误差；计算误差：指因计算字长限制产生的误差；圆整误差：指计算结果取整产生的误差。其中，逼近误差和计算误差与插补算法密切相关。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20112数控技术提高插补精度的方法采用逼近误差和计算误差较小的插补算法；采用优化的小数圆整法，如：四舍五入法、小数累进法等。上述三误差的综合效应一般要求小于系统的最小运动指令或脉冲当量。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20113数控技术合成速度的均匀性指标合成速度的均匀性：插补运算输出的各轴进给率，经运动合成的实际速度（Fr）与给定的进给速度（F）的符合程度。速度不均匀性系数：合成速度均匀性系数应满足：

λmax≤1%第四节CNC装置的插补原理2023/7/20114数控技术插补算法要尽可能简单因为插补运算是实时性很强的运算，若算法太复杂，计算机的每次插补运算的时间必然加长，从而限制进给速度和精度。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20115数控技术.插补方法的分类(1)

脉冲增量插补特点:每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）。以一个一个脉冲的方式输出给步进电机。进给速度低，当脉冲当量为10μm时，采用该插补算法所能获得最高进给速度是3-4m/min。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20116数控技术算法简单，较容易用硬件来实现，但是也有用软件来完成这类算法的。它们这类插补算法有：逐点比较法；数字积分法等。主要用于步进电机驱动的开环数控系统中。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20117数控技术(2)数字增量插补（数据采样插补）特点：插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴的位移增量。数控装置输出的是数字量。2023/7/20118数控技术插补运算分两步:粗插补在曲线的起点与终点之间插入若干个点,用微小直线段逼近曲线，直线段长度相等。L=FT精插补在微小直线段上再进行“数据点的密化”，类似于对直线的脉冲增量插补。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20119数控技术可达到较高的进给速度（一般可达到10m/min以上）。插补算法复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，现在的计算机均能满足要求。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20120数控技术这类插补方法有：时间分割、扩展DDA插补法等。主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环，半闭环数控系统，也可用于开环数控系统。目前所使用的CNC系统中，大多数都采用这类插补方法。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20121数控技术二、脉冲增量插补在插补过程中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲，控制机床坐标作相应的移动。脉冲增量插补算法中较为成熟并得到广泛应用的有：逐点比较法、数字积分法和比较积分法等。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20122数控技术逐点比较法插补原理逐点比较法又称为代数运算法。原理：数控装置在控制刀具移动过程中，不断比较刀具与给定轮廓的误差，由此误差决定下一步刀具移动方向，使刀具向减少误差的方向移动，且有一个方向移动。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20123数控技术步骤：第四节CNC装置的插补原理偏差判别进给偏差计算终点？NY结束2023/7/20124数控技术1.直线插补(Xe,Ye)(Xi,Yi)Y直线X关系：判别式：Fi=Xe

Yi-YeXi

Fi＞0，在直线上方，向+X输出一步;Xi+1=Xi+1,Yi+1=YiFi+1=Xe

Yi+1-YeXi+1

=

Xe

Yi-Ye(Xi+1)=Fi-Ye第四节CNC装置的插补原理2023/7/20125数控技术(Xe,Ye)(Xi,Yi)Y直线XFi<0，在直线下方，向+Y输出一步;Xi+1=Xi,Yi+1=Yi+1Fi+1=Xe

Yi+1-YeXi+1

=

Xe

(

Yi+1)-YeXi

=Fi+Xe第四节CNC装置的插补原理2023/7/20126数控技术第四节CNC装置的插补原理终点判别法计算出起点到达终点的总步数∑，∑=|Xe|+|Ye|；X、Y坐标每进一步，∑减去1，直到∑为零。每走一步判断，Xi-Xe>0，且Yi-Ye>0是否成立，若成立则插补结束。2023/7/20127数控技术第四节CNC装置的插补原理例欲加工第一象限直线OE，终点坐标为Xe＝3，Ye＝5，用逐点比较法加工OE。2023/7/20128数控技术第四节CNC装置的插补原理E(3,5)XYO2023/7/20129数控技术2.圆弧插补圆弧:

Fi=Xi2+Yi2–R2Fi＞0在圆外，向-Y输出一步;Fi＜0在圆内，向+X输出一步；Fi＝0在圆上，向+X输出一步。RXY(Xi,Yi)

第四节CNC装置的插补原理(Xe,Ys)(Xs,Ys)顺圆弧2023/7/20130数控技术三、数字增量插补原理：插补程序以一定的时间间隔定时运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴的位移增量。时间分割法第四节CNC装置的插补原理2023/7/20131数控技术.插补周期的选择

插补周期Δt与逼近精度δ、速度F的关系

δYXρ△L第四节CNC装置的插补原理2023/7/20132数控技术

插补周期Δt与插补运算时间T

的关系一旦系统各种线形的插补算法设计完毕，系统插补运算的最长时间Tmax就确定了。

Δt

>

Tmax在采用分时共享的CNC系统中，

Δt

>2Tmax

这是因为系统除进行插补运算外，CPU还要执行诸如位置控制、显示等其他任务。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20133数控技术

插补周期Δt与位置控制周期ΔtP

的关系

Δt=nΔtP

n=1，2，……（整数）插补运算的输出是位置控制的输入，插补周期是位置控制周期的整数倍。例如，日本FANUC数控系统的插补周期是8ms，而位置控制周期是4ms。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20134数控技术.直线插补算法

在设计直线插补程序时，通常将插补计算坐标系的原点选在被插补直线的起点，如图所示，设有一直线OPe，O(0,0)为起点，Pe(Xe,Ye)为终点，要求以速度F(mm/min)，沿OPe

进给。

第四节CNC装置的插补原理Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ2023/7/20135数控技术直线插补公式的推导设插补周期为Δt(ms)，则在Δt内的合成进给量△L为：

若Δt=8ms则：且

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四节CNC装置的插补原理2023/7/20136数控技术先计算△Yi后计算△Xi，即：

第四节CNC装置的插补原理Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ2023/7/20137数控技术插补公式的选用由上两式得：有：第四节CNC装置的插补原理2023/7/20138数控技术公式的归一化处理引入引导坐标的概念，将进给增量值较大的坐标定义为引导坐标G，进给增量值较小的定义为非引导坐标N。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20139数控技术.园弧插补算法用内接弦线逼近圆弧。插补计算坐标系的原点选在被插补圆弧的圆心上。

P0(X0,Y0)第四节CNC装置的插补原理YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αiPe(Xe,Ye)2023/7/20140数控技术Pi(Xi，Yi):圆上某一插补点A;Pi+1(Xi+1，Yi+1):圆上下一插补点C;(=△L)为本次的合成进给量;δ:本次插补的逼近误差。由图的几何关系可得：圆弧插补公式的推导

第四节CNC装置的插补原理YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi2023/7/20141数控技术则有：

第四节CNC装置的插补原理YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi2023/7/20142数控技术由于△Yi，δ未知，可进行下列近似替换：△Yi-1≈△Yi

R＞＞δ，R≈R-δ；则有：

开始时没有△Y0，取，则：△X0

=△L*Y0/R△Y0

=△L*X0/R

第四节CNC装置的插补原理YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi2023/7/20143数控技术

第四节CNC装置的插补原理YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi2023/7/20144数控技术同直线插补一样,上述算法是先计算△Xi后计算△Yi，同样还可以先计算△Yi后计算△Xi，即：这两个公式的选用原则同直线一样。第四节CNC装置的插补原理2023/7/20145数控技术公式的归一化处理考虑不同的象限和不同的插补方向（G02/G03），则该算法的圆弧插补计算公式将有16组。为了方便程序设计，同样在引入引导坐标后，可将16组插补计算公式归结为2组：第四节CNC装置的插补原理2023/7/20146数控技术顺圆插补（G02）逆圆插补（G03）ABABABABBABABABAG02G03第四节CNC装置的插补原理2023/7/20147数控技术算法误差来源：对插补的影响为：插补精度：算法可保证插补点均落在圆弧上。结论：无影响。误差分析：

第四节CNC装置的插补原理XY02023/7/20148数控技术合成进给速度均匀性：结论：有影响。但影响很小，小于0.35%。第四节CNC装置的插补原理误差分析：XY02023/7/20149数控技术逼近精度：结论：影响很小

第四节CNC装置的插补原理误差分析：XY02023/7/20150数控技术第五节

CNC装置的进给速度控制

2023/7/20151数控技术第五节CNC装置的进给速度控制进给速度突变时，须对送到电机的脉冲频率和电压进行加减速控制。加减速控制值多用软件实现，可在插补前进行，也可在插补后进行。2023/7/20152数控技术第五节CNC装置的进给速度控制前加减速控制：仅对程编速度F指令进行控制，不影响实际插补输出的位置精度，计算量较大。后加减速控制：在插补输出为零时才开始减速，经过一定的延时逐渐靠近终点，在加减速过程中对坐标合成位置有影响。2023/7/20153数控技术第五节CNC装置的进给速度控制前加减速控制(1)稳定速度和瞬时速度稳定速度：系统处于稳定进给状态时，插补周期内的进给量fs。瞬时速度指系统在某一时刻的进给量。2023/7/20154数控技术第五节CNC装置的进给速度控制(2)线性加减速处理加减速参数预先设置在机床中，Fmax、t。

加速度：1）加速处理

2023/7/20155数控技术第五节CNC装置的进给速度控制2）减速处理每进行一次插补计算，系统都要进行终点判别，计算刀具离终点的距离Si。减速区域：新的瞬时速度：2023/7/20156数控技术第五节CNC装置的进给速度控制

(3)终点判别处理每进行一次插补计算，系统都要计算Si，然后进行终点判别。若即将到达终点，就设置相应标志。终点判别计算分为直线和圆弧插补两个方面:2023/7/20157数控技术第五节CNC装置的进给速度控制1）直线插补N点的瞬时坐标：瞬时点离终点的距离：yN(xi,yi)OxE(xe,ye)xiyi2023/7/20158数控技术第五节CNC装置的进给速度控制2）圆弧插补瞬时插补点N离终点E的距离为:终点判别原理见下图:N(xi,yi)yOxE(xe,ye)2023/7/20159数控技术第五节CNC装置的进给速度控制入口计算si需要减速？计算SSi<S？置减速标志NN接近终点？置程序段转接标志到终点？置到终点标志出口YYYYN2023/7/20160数控技术第五节CNC装置的进给速度控制2.后加减速控制（1）指数加减速控制加速时：匀速时：v(t)=Vc减速时：V(t)VcOBADC加速匀速减速tP2023/7/20161数控技术第五节CNC装置的进给速度控制(2)直线加减速控制加速过程匀速过程减速过程V(t)OBADCtP2023/7/20162数控技术第六节

刀具半径补偿原理2023/7/20163数控技术第六节刀具半径补偿原理一.刀具半径补偿的基本概念

1。什么是刀具半径补偿(ToolRadiusCompensation[offset])

根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。

A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/7/20164数控技术.刀具半径补偿功能的主要用途编程轨迹变换成刀具中心轨迹，便于编程。刀具半径误差补偿。便于处理由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化。减少粗、精加工程序编制的工作量。第六节刀具半径补偿原理2023/7/20165数控技术.刀具半径补偿的常用方法：

B刀补：该法对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。第六节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/7/20166数控技术在外轮廓尖角加工时，加工工艺性差。在内轮廓尖角加工时，编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧。这种刀补方法，无法满足实际应用中的许多要求。第六节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/7/20167数控技术

C刀补采用直线作为轮廓间的过渡特点：外轮廓加工，尖角工艺性好在内轮廓加工时，可实现过切自动预报，从而避免产生过切。第六节刀具半径补偿原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C’2023/7/20168数控技术第六节刀具半径补偿原理区别：B刀补：读一段，算一段，走一段，无法预计到下一段加工轨迹对本段的影响。当加工内轮廓时，刀具半径以及过渡圆弧的选择等，需要程序员来处理。C刀补：一次对两段圆弧处理，先处理本段，再根据下一段确定刀具轨迹的过渡段。2023/7/20169数控技术.刀具半径补偿的工作原理.刀具半径补偿的工作过程刀补建立刀补进行刀补撤销。

起刀点刀补建立刀补进行刀补撤销编程轨迹刀具中心轨迹第六节刀具半径补偿原理2023/7/20170数控技术.C刀补的转接形式和过渡方式转接形式根据前后两编程轨迹的不同，刀具中心轨迹有不同的连接方