数控技术第3版课件4第四章-计算机数控装置

第四章计算机数控装置第一节概述第二节ＣＮＣ装置硬件结构第三节ＣＮＣ装置软件结构第四节ＣＮＣ装置的数据预处理第四章计算机数控装置第一节概述第二节ＣＮＣ装置硬件结构CNC系统从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制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。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。CNC系统第一节概述一、CNC系统的组成程序输入设备数控装置CNC输出设备可编程控制器PLC主轴控制单元速度控制单元主轴电机机床进给电机位置检测CNC系统

CNC系统由数控程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和检测装置等组成。第一节概述一、CNC系统的组成程序输入设备输出设备可编机床数控运动控制逻辑控制位移控制速度、加速度轨迹控制简单逻辑输入输出控制组合逻辑控制主轴电机定位正反转、停止冷却泵电机启动、停止其他辅助控制…定时润滑刀库控制主轴管理超程等…机床不同，运动控制轴数、联动轴数、逻辑控制的复杂程度都有所不同。第一节概述机床数控运动控制逻辑控制位移控制速度、加速度轨迹控制简单逻辑二、CNC装置的组成

CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置由硬件和软件两大部分组成。第一节概述硬件是基础，软件是灵魂。CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。二、CNC装置的组成CNC系统的核心是CNC装置。C第一节概述CNC系统硬件的层次结构CNC系统硬件组成CNC装置实质上是一种专用计算机，它除了具有一般计算机的结构外，还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。第一节概述CNC系统硬件的层次结构CNC系统硬件组成CNC第一节概述CNC系统软件组成从本质特征来看，CNC装置软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统。从功能特征来看，该数控装置的软件系统由管理软件和控制软件两部分组成。为了提高机床的进给速度控制，一些实时控制可以由硬件来完成，如硬件插补器。这样CPU作些插补前的准备工作，而位置控制由硬件电路完成。第一节概述CNC系统软件组成从本质特征来看，CNC装置第一节概述CNC系统软件组成操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......第一节概述CNC系统软件组成操作系统管理软件控制软件零件程

CNC系统平台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

......第一节概述CNC平台CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC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，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并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。回顾：CNC装置的工作原理第一节概述通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经三、CNC装置的功能控制功能

准备功能

插补功能固定循环功能

进给功能主轴功能辅助功能刀具功能补偿功能

显示功能通讯功能

自诊断功能第一节概述CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。三、CNC装置的功能控制功能准备功能插补功能固定循环功三、CNC装置的功能第一节概述控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数，它是数控装置的重要性能指标。CNC的控制轴分有：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）。数控车床一般只需X、Z两轴联动控制。数控铣床、钻床以及加工中心等需要三轴控制以及三轴以上联动控制。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。三、CNC装置的功能第一节概述控制功能CNC能控制和能联动三、CNC装置的功能第一节概述准备功能（G）功能指令机床动作方式的功能。它包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、镜像、固定循环加工、公英制转换、子程序等指令。三、CNC装置的功能第一节概述准备功能（G）功能指令机床动三、CNC装置的功能第一节概述插补功能和固定循环功能插补功能是数控装置实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。实现插补功能的方法有逐点比较法、数字积分法、直接函数法和双DDA法等固定循环功能是数控装置实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能三、CNC装置的功能第一节概述插补功能和固定循环功能插补功三、CNC装置的功能第一节概述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。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。只有主轴装有位置编码器的机床才能指令同步进给速度进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定的进给速度。使用倍率开关不用修改零件加工程序就改变进给速度。三、CNC装置的功能第一节概述进给功能进给速度的控制功能。三、CNC装置的功能第一节概述主轴功能数控系统的主轴的控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为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。该功能主要用于车削和磨削加工中，使工件端面质量提高。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。主轴准停——该功能使主轴在径向的某一位置准确停止。加工中心必须有主轴准停功能，主轴准停后实施卸刀和装刀动作。三、CNC装置的功能第一节概述主轴功能数控系统的主轴的控制三、CNC装置的功能第一节概述辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。主要用于指定主轴的正转、反转、停止、冷却泵的打开和关闭、换刀等动作。三、CNC装置的功能第一节概述辅助功能（M功能）用于指令机三、CNC装置的功能第一节概述刀具功能实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；CNC装置都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。三、CNC装置的功能第一节概述刀具功能实现对刀具几何尺寸和三、CNC装置的功能第一节概述补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：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、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。CNC装置采用补偿功能可以把这些补偿量输入到其内部储存器，在控制机床进给时按一定的计算方法将这些补偿量补上。三、CNC装置的功能第一节概述补偿功能刀具半径和长度补偿功三、CNC装置的功能第一节概述通信功能主要完成上级计算机与CNC装置之间的数据和命令传送。一般带有RS32C串行接口，实现DNC方式加工高级的带有FMS接口，按MAP（制造自动化协议）通信，实现车间与工厂的自动化三、CNC装置的功能第一节概述通信功能主要完成上级计算机与三、CNC装置的功能第一节概述自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。CNC装置中安装了各种诊断程序，这些程序可以嵌入其它功能程序中，在CNC装置运行过程中进行检查和诊断。三、CNC装置的功能第一节概述自诊断功能CNC自动实现故障第二节CNC装置硬件结构CNC装置体系结构CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行系统软件的过程，数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。CNC装置按体系结构可以分为专用体系结构和开放式体系结构两大类。

CNC装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为单微处理机硬件结构和多微处理机硬件结构。第二节CNC装置硬件结构CNC装置体系结构第二节CNC装置硬件结构一、单微处理机结构的CNC装置单微处理机硬件结构的CNC装置特点：⑴CNC装置内有一个微处理器，对存储、插补计算、输入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理；⑵微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC装置；⑶结构简单，容易实现。

第二节CNC装置硬件结构一、单微处理机结构的CNC装置单微第二节CNC装置硬件结构1、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。该CPU既要对键盘输入和CRT显示处理，又要进行译码、刀补计算以及插补等实时处理，这样进给速度显然受到影响。2、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。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构，也归类于单微处理机结构一、单微处理机结构的CNC装置第二节CNC装置硬件结构1、单机系统:整个CNC装置只有第二节CNC装置硬件结构单微处理机结构的CNC装置框图D/ACPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROM接口RAM接口PLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能总线进给电机主轴电机单微处理机结构的数控装置有微处理器、存储器、总线、I/O接口、MDI接口、CRT或液晶显示接口、PLC接口、主轴控制、纸带阅读机接口、通讯接口等组成第二节CNC装置硬件结构单微处理机结构的CNC装置框图D/第二节CNC装置硬件结构(1)微处理器和总线微处理器（CPU）是CNC装置的核心，主要有运算器和控制器两部分组成。运算器刀补计算、插补运算、位置控制计算及其它数据的计算和逻辑运算。控制器从存储器中依次取出程序指令，经过译码，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接受执行部件发回来的反馈信息，决定下一步命令操作。总线是将微处理器、存储器和输入/输出接口等相对独立的装置或部件联系起来，并传送信息的公共通道。数据总线地址总线控制总线第二节CNC装置硬件结构(1)微处理器和总线第二节CNC装置硬件结构(2)存储器存储器用于存放数据、参数和程序等，包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。

只读存储器(ROM)专门存放系统软件（控制程序、管理程序、表格和常数），使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。随机存储器（RAM）用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果等，其存储单元的内容既可以读出又可写入或改写。第二节CNC装置硬件结构(2)存储器第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口

CNC装置和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输入和输出I/O接口电路连接。

接口电路的主要作用有：一是进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。主要用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。二是进行电平转换和功率放大。一般CNC装置的信号是TTL电平，而机床控制的信号通常不是TTL电平，负载较大，需要进行必要的信号电平转换和功率放大。三是进行模拟量与数字量之间转换。第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口

同其它工业上的输入/输出接口一样CNC装置与机床间的接口也有国际标准，称为“机床/数控接口”标准。数控装置与机床以及机床电器设备之间的接口分为三种类型第一类：与驱动控制器和测量装置之间的连接电路第二类：电源及保护电路第三类：开/关信号和代码连接电路第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口同其它工业上的第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口

第一类接口传送的信息是CNC装置与伺服单元、伺服电机、位置监测和速度检测之间的控制信息，它们属于数字控制、伺服控制和检测控制。第二类电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路由电源变压器、继电器、接触器、保护开关、熔断器等连接而成，为驱动主轴电机、辅助电机、电磁铁、电磁阀、离合器等功率执行元件供电。强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电路直接连接，只能通过中间继电器、热保护器、控制开关等转换。第三类开/关信号和代码连接电路是CNC装置与机床参考点、限位、面板开关等以及一些辅助功能输出控制连接的信号。当数控机床没有用PLC时，这些信号在CNC装置与机床之间直接传送，当有PLC时，除一些高速信号外，均通过PLC输入/输出第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口第一类接口传送第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口

CNC装置与被控设备交换的信号有三类：数字量输入输出、模拟量输入输出、交流输入输出。这些信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，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。接口电路主要包括以下几个方面任务（1）电平转换：一般CNC装置的信号是TTL电平，而控制机床和来自机床的电信号电平通常不是TTL电平，因此要进行电平转换，在重负载情况下，还要进行功率放大。第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口CNC装置与被第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口

接口电路主要包括以下几个方面任务（2）A/D、D/A转换：CNC装置的微处理器只能处理数字量而对于模拟量控制的地方，则需数/模（D/A)转换器，同理，将模拟量输入到CNC装置需要模/数（A/D)转换器。（3）防止噪声引起误动作：阻断外部的干扰信号进入计算机，用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电器上加以隔离。以提高CNC装置运行的可靠性。第二节CNC装置硬件结构(3)I/O接口接口电路主要包第二节CNC装置硬件结构(4)MDI/CRT接口

MDI手动数据输入通过数据面板上的键盘进行操作。当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经数据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监控处理。

CRT接口在CNC装置软件的控制下，在单色或彩色CRT上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。

第二节CNC装置硬件结构(4)MDI/CRT接口第二节CNC装置硬件结构(5)位置控制模块位置控制模块的主要功能是对数控机床的进给运动坐标轴的位置进行控制。进给坐标轴的位置控制硬件一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片和位置控制模板。

位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。

常用的位置控制模块：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装置硬件结构(5)位置控制模块常用的位置第二节CNC装置硬件结构(6)可编程控制器（PLC）

可编程控制器（PLC）的功能是代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关量的控制。数控机床中使用PLC可以分为两类：一类是“内装型”PLC，它是为实现机床的顺序控制而专门设计制造的。另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。PLC模块的作用：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装置硬件结构(6)可编程控制器（PLC）PL第二节CNC装置硬件结构二、多微处理机结构的CNC装置在多微处理机结构的CNC装置中，由于有两个或两个以上的微处理机构成的处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，资源共享，或者有两个或者两个以上的微处理机结构的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理，所以能克服单微处理机结构的不足，使CNC装置的性能有较大提高。在单微处理机结构的CNC装置中，因为只有一个CPU，只能采用集中控制，该CPU既要对键盘输入和CRT显示处理，又要进行译码、刀补计算以及插补等实时控制处理，这样进给速度显然受影响。

第二节CNC装置硬件结构二、多微处理机结构的CNC装置在多第二节CNC装置硬件结构1.CNC管理模块该模块管理和组织整个CNC装置个功能协调工作，如系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具补偿和进给速度处理等插补前的预处理。2.存储器模块该模块存放程序和数据，为主存储器。每个CPU控制模块中还有局部存储器。主存储器模块是各功能模块间数据传送的共享存储器。3.CNC插补模块该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各坐标轴提供位置给定值。多微处理机结构的CNC装置基本功能模块第二节CNC装置硬件结构1.CNC管理模块多微处理机结构第二节CNC装置硬件结构4.位置控制模块该模块根据插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的的位置是机制进行比较，经过一定的控制算法，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给伺服电动机，实现无超调、无滞后、高性能的闭环位置控制。5.指令、数据的输入输出及显示模块该模块包括零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入/输出及显示等所需要的各种接口电路，如纸带阅读机接口、穿孔机、键盘、CRT接口、通信接口等。6.PLC功能模块该模块将零件程序中的开关功能和由机床来的信号等进行逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电器设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。第二节CNC装置硬件结构4.位置控制模块第二节CNC装置硬件结构2.多微处理机CNC装置的典型结构（１）共享总线型结构所有部件共享总线，只有主模块能控制系统总线;同一时刻只能有一个主模块占用总线;有总线仲裁机构。总线CNC管理模块（CPU）主存储器模块自动编程模块（CPU）操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块

优点：结构简单、配置灵活缺点：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；共享总线时会引起“竞争”，降低传输效率。第二节CNC装置硬件结构2.多微处理机CNC装置的典型结第二节CNC装置硬件结构（２）共享存储器型结构采用多端口存储器实现各CPU之间通信,每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端口逻辑电路解决访问的冲突问题缺点功能扩展困难第二节CNC装置硬件结构（２）共享存储器型结构采用多端口存第二节CNC装置硬件结构3.多微处理机CNC装置的优点（１）运算速度快、性能价格比高（２）适应性强、扩展容易（３）可靠性高（４）硬件易于组织规模化生产第二节CNC装置硬件结构3.多微处理机CNC装置的优点（第二节CNC装置硬件结构三、开放式体系结构数控系统开放式体系结构数控系统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，提供面向功能地动态重构工具，同时提供统一标准化地应用程序用户界面。具有以下特征:可互操作性：不同应用程序模块通过标准化地应用程序接口运行于系统平台，不同模块之间保持平等地相互操作能力。可移植性：不同应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同系统平台上。可缩放性：增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。可相互替代性：不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可以相互替代。1.开放式体系结构数控系统的定义第二节CNC装置硬件结构三、开放式体系结构数控系统第二节CNC装置硬件结构

2.开放式CNC系统的体系结构（1）专用CNC＋PC主版：采用传统数控专用模板＋通用的PC模块可以共享计算机的一部分软件、硬件资源，有一定的灵活性。具有某些开放式的特点，但是柔性不够。（2）通用PC＋开放式运动控制器完全采用以PC为硬件平台的数控系统机床的运动控制和逻辑控制由独立的运动器完成，由PC硬件插件而构成典型系统：美国DeltaTau公司的PMAC控制器特点：目前较为先进的技术，但仍要依赖于专用运动控制卡第二节CNC装置硬件结构2.开放式CNC系统的第二节CNC装置硬件结构

2.开放式CNC系统的体系结构（3）完全PC型的全软件形式的数控系统：以应用软件的形式实现运动控制正处于研究阶段，还未形成产品主要研究：欧盟的OSACA工程第二节CNC装置硬件结构2.开放式CNC系统的1.辅助M功能

PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二节CNC装置硬件结构1.辅助M功能四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二2.主轴S功能

S用来指定主轴转速。CNC装置将S代码送入PLC，经过电平转换(独立型PLC)、译码、数据转换、限位控制和D/A变换，最后输给主轴电机伺服系统。其中限位控制是当S代码对应的转速大于规定的最高转速时，限定最高转速，当S代码对应的转速小于规定的最低转速时，限定最低转速，为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、调整转速范围，还可增加1～2级机械变速档。通过PLC的M代码功能实现。四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二节CNC装置硬件结构2.主轴S功能四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二3.刀具T功能数控系统通过PLC可管理刀库，进行刀具自动交换。处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二节CNC装置硬件结构3.刀具T功能四、CNC装置中M、S、T功能的PLC实现第二PLC、CNC、机床间的信息交换1、PLC给CNC的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号2、PLC给机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。3、机床给PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。第二节CNC装置硬件结构PLC、CNC、机床间的信息交换1、PLC给CNC的信号第三节CNC装置软件结构一、CNC装置软件硬件的分工软件与硬件实现各种功能的特点和关系关系：从理论上讲，硬件能完成的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等价的。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。CNC装置软件：设计灵活，适应性强，但 处理速度较慢；硬件：处理速度快，但价格较贵。支持功能界面划分的准则：系统的性能价格比第三节CNC装置软件结构一、CNC装置软件硬件的分工第三节CNC装置软件结构一、CNC装置软件硬件的分工三种典型的软硬件界面关系纸带输入插补准备插补位控纸带输入插补准备插补位控速控电机测量第一种第二种第三种硬件硬件软件硬件硬件软件软件硬件硬件第三节CNC装置软件结构一、CNC装置软件硬件的分工第三节CNC装置软件结构二、CNC装置的软件组成CNC装置的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计和编制的专用软件，通常称为系统软件。CNC装置的系统软件由管理软件和控制软件两大部分组成的。管理软件包括：输入/输出、显示、诊断等；控制软件包括：译码、刀具补偿、速度控制、插补运算和位置控制等。第三节CNC装置软件结构二、CNC装置的软件组成C第三节CNC装置软件结构三、CNC装置软件结构的特点

CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。CNC系统的软件结构，无论其硬件是采用单微处理器结构还是多微处理器结构，都具有两个特点：多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用。第三节CNC装置软件结构三、CNC装置软件结构的特点第三节CNC装置软件结构

CNC系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控制两大任务。在数控加工过程中，多数情况下以上两项工作须同时进行。1.多任务并行处理(1)CNC装置的多任务性系统任务管理控制输入输出显示I/O处理诊断译码刀补速度处理插补位置控制第三节CNC装置软件结构CNC系统的多任务性表现在其第三节CNC装置软件结构并行处理是指计算机在同一时间间隔内完成两种或两种以上的性质相同或不同的工作。(2)并行处理并行处理的分类：

资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。

时间重叠：根据流水线处理技术，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。

CNC硬件通常采用资源重复并行处理方法；CNC软件设计主要采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的并行处理方法。第三节CNC装置软件结构并行处理是指计算机在同一时间间隔内资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享——在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。资源分时共享（对单一资源的系统）其他译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序中断级别高中断级别低其他译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序中断级别各任务占用CPU时间示意图各任务占用CPU时间示意图

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。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。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流水处理技术的涵义利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，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。

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CPU1流水处理技术的涵义利用重复的资源（CPU），将一个流水处理技术的涵义

资源重叠流水处理的特征：流水处理在任何时刻（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。

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。流水处理技术的涵义资源重叠流水处理的特征：并发处理和流水处理（对多资源的系统）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。并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多CPU结构的C第三节CNC装置软件结构(３)并行处理中的信息交换和同步

加工程序译码刀补预处理插补处理位置控制伺服驱动PLC控制位置反馈速度预处理译码缓冲区刀补缓冲区插补缓冲区运行缓冲区在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲存储区来实现。第三节CNC装置软件结构(３)并行处理中的信息交换和同步2.实时中断处理第三节CNC装置软件结构CNC装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可少的组成部分。CNC装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中断结构决定了CNC装置软件的结构。CNC系统的中断类型：外部中断：主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断和键盘及操作面板中断。内部定时中断：主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。硬件故障中断：各种硬件故障检阅装置发出的中断。程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断。2.实时中断处理第三节CNC装置软件结构CNC装置第三节CNC装置软件结构CNC中断结构模式有：中断型结构和前后台型结构中断型软件结构

中断型软件结构没有前后台之别，除初始化程序外，根据各控制模块实时要求不同，将控制程序安排成不同级别的中断服务程序。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………………第三节CNC装置软件结构CNC中断结构模式有：中断型结构和第三节CNC装置软件结构CNC中断结构模式有：中断型结构和前后台型结构前后台型软件结构前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC系统。前台程序为实时中断程序，后台程序主要用来完成准备工作和管理工作。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装置软件结构CNC中断结构模式有：中断型结构和第四节CNC装置的数据预处理CNC装置控制刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动通过插补实时控制实现，而插补所需信息（如曲线种类、起点终点坐标、进给速度等），需要通过预处理得到。预处理包括零件程序的输入、译码、刀具（半径、长度）补偿计算和坐标转换等。第四节CNC装置的数据预处理CNC装置控制刀具相对于工件作零件程序的输入包括两方面的内容:1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。

2）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓冲存储区）。

一、零件程序的输入第四节CNC装置的数据预处理阅读机零件程序存储器MDI键盘零件程序缓冲区MDI缓冲区译码零件程序的输入包括两方面的内容:一、零件程序的输入第四节C一、零件程序的输入第四节CNC装置的数据预处理2、数据存放形式在零件程序存储器中可以储存多个零件程序，零件程序一般是按顺序存放的，为了方便零件程序的调用。在零件程序存储器中还开辟了目录区，在目录区中按固定格式存放着相应零件程序的有关信息，形成目录表，目录表的每一项对应一个零件程序。储存的零件程序通常已不用ISO代码或EIA代码表示，而是将它转换为某些数控内部代码。（如表4-2）例如：程序N10G91G01X100Y-50F150M03LF转换成数控内部码如表4-3，为该零件程序段存储器中的信息。一、零件程序的输入第四节CNC装置的数据预处理2、数据存放一、零件程序的输入第四节CNC装置的数据预处理3、零件加工程序的编辑将零件加工程序输入后，常常需对该程序编辑，编辑工作主要有插入、删除、替换和修改等操作。一、零件程序的输入第四节CNC装置的数据预处理3、零件加工二、译码译码程序又称翻译程序，它把零件程序段的各种工件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、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系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。方法：解释和编译。解释方法：是将输入程序整改成某种形式，在执行时由计算机顺序取出进行分析、判断和处理，即一边解释一边执行。编译方法：是将输入程序作为源程序，对它进行编译，形成由机器指令组成的目的程序，然后计算机执行这个目的程序。第四节CNC装置的数据预处理二、译码译码程序又称翻译程序，它把零件程序段的各种工件轮廓信二、译码译码的工作：代码识别和各项功能的译码第四节CNC装置的数据预处理代码识别（由软件完成）二、译码译码的工作：代码识别和各项功能的译码第四节CNC装二、译码译码的工作：代码识别和各项功能的译码第四节CNC装置的数据预处理各功能码的译码经代码识别设立了各功能代码的标志后，就可以分别对各功能码进行处理了。对于不同的CNC系统来说，编程格式有自己的规定，所以可以将译码结果缓冲器的设置与零件程序段格式相对应。（如表4-4）各个功能代码的处理方式是不尽相同的，表4-4，除G代码和M代码分组外，其与功能代码只有一项，其地址在内存中是指定的，因此，译码程序根据代码识别设置的各功能码的标志，确定其存放其相应数码的地址，以便送入数据。（图4-36）二、译码译码的工作：代码识别和各项功能的译码第四节CNC装二、译码译码过程第四节CNC装置的数据预处理二、译码译码过程第四节CNC装置的数据预处理第四节CNC装置的数据预处理三、刀具补偿原理刀补处理程序主要进行以下几项工作：

1.计算本段零件轮廓的终点坐标值；

2.根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；

3.根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。建立刀补Ｇ４１撤消刀补Ｄ４０工件轮廓起刀点起刀点建立刀补Ｇ４２撤消刀补Ｄ４０工件轮廓a）左刀补G41b）右刀补G42第四节CNC装置的数据预处理三、刀具补偿原理刀补处理程序主第四节CNC装置的数据预处理三、刀具补偿原理刀具半径补偿在零件轮廓段的交点处需作适当的过渡处理。不能处理交点处的刀补（需要人为处理）－B功能刀补

直线过渡型（或圆弧过渡型）刀具半径补偿－C功能刀补第四节CNC装置的数据预处理三、刀具补偿原理刀具半径补偿在第四节CNC装置的数据预处理1.B功能刀具半径补偿计算

B功能刀补能根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，不能解决程序段之间的过渡问题，编程人员必须先估计刀补后可能出现的间断点和交叉点等情况，进行人为处理。第四节CNC装置的数据预处理1.B功能刀具半径补偿计算第四节CNC装置的数据预处理(１)直线刀具半径补偿计算

被加工直线段OE起点在坐标原点，终点E的坐标为(x，y)。设刀具半径为r，刀具偏移后E点移动到了E′点。E点刀具半径矢量分量、为：E′点的坐标(，)为：yrxrïïîïïíì+-=+=2222yxrxryxryryxïïîïïíì+-=+=¢++=+=¢2222yxrxyryyyxryxrxxyxy¢x¢第四节CNC装置的数据预处理(１)直线刀具半径补偿计算E第四节CNC装置的数据预处理(2)圆弧刀具半径补偿计算如图被加工圆弧AE，半径为R，圆心在坐标原点，起点A′为上一个程序段终点的刀具中心点，已求出。

E点刀具半径矢量分量、为：E′点的坐标为：ïïîïïíì==RyrrRxrreyexïïîïïíì+=+=¢+=+=¢RyryryyRxrxrxxeeyeeeexeexryr第四节CNC装置的数据预处理(2)圆弧刀具半径补偿计算E第四节CNC装置的数据预处理

*B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题

事实上，加工完第一个程序段，刀具中心落在B1点上，而第二个程序段的起点为B2，两个程序段之间出现了断点，只有刀具中心走一个从B1至B2的附加程序，即在两个间断点之间增加一个半径为刀具半径的过渡圆弧B1B2，才能正确加工出整个零件轮廓。第四节CNC装置的数据预处理*B功能刀具