计算机数控装置

湖南大学

机械与运载工程学院

1

数控技术内容

进

执■

行

给

机

传

构

动

机

构

2

想象力比知识更重要。

数控技术

第五章计算机数控装置(CNC)

5ACNC系统的组成与特点

5.2CNC系统的硬件结构

53CNC系统的软件结构；

5.4CNC系统的，空制原理与功能

5.5%年镂/偿原理

5.6典遍数控系统一/

数控技术

重点：

单微处理器与多微处理器数控系统

CNC系统的多任务并行处理当国时中断处理

■\、

难点：‘

开放式CNC硬徉建舄

\\A\\

5.1CNC系统的组成与特点

CNC一ComputerNumericalControl

定义：借助计算机通过执行其得储器内的程序来

完成数控要求的部分或者全部功露J并配有接口电路、

伺服驱动装置的一种专用机嬲遂统。

也可解释为：一种日瀛藏系统，它能自动完成

信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加

工过程。“痣

主要任剁嗜储程序、完成插补、将计算结果输蓝

出伺服系统，控制电机驱动机床执行机构。

数控技术

5.1CNC系统的组成与特点

CNC系统的组成

数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出

识别和解释数控程序，完成数据，口[

计算和逻辑判断处理,以二。声轴和进给轴驱动控制

3-，3

、驱动控制/

A装置70机

输入/

床

输出装

本

置、机床电器逻不

A辑控制装置V体

接受数控装置的开关命令，完成主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功

能，冷却、液压、气动、润滑^^制功能以及其他机床辅助功能

5.1CNC系统的组成与特点

数控装置是数控系统的核心，

主要功能：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行

各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。

形式：专用硬件数控装置一数字逻辑电路

计算机数控装置（CNC）'V

信息输出：连续控制电厂上驱动控制装置

离强翥济交量——机床电器逻辑控制装置

>5.1CNC系统的组成与特点

CNC系统的特点

☆灵活性大

只要改变系统软件，就可改变和扩展其功能，补充新

技术，延长硬件结构的使用期

☆通用性强

硬件有多种通用的模块化结构，易于扩展

☆可以实现复杂的功能

如高次曲线插补、动静态图形显示等功能

5.1CNC系统的组成与特点

(

☆可靠性高

许多功能由软件实现，硬件结构大大简化,

用大规模和特大规模通用和专用集成电路

☆使用维修方便

CNC的诊断程序使维修非常方便

☆易于实现机电一体化

半导体集成电路技术的发展和采用先进的

制造安装技术,使CNC装置尺寸大为缩小。

5.2CNC系统的硬件结构

设备层

机床

机器人

测量机

5.2CNC系统的硬件结构

CNC装置硬件组成

5.2CNC系统的硬件结构

5.2.1常规CNC的硬件结构——按硬件制造方分

1.专用型CNC装置

=>总线式模块化结构

采用功能化结构。展功能要求可选用人一

9、11和13个槽的控制单元母板。在控制单元

母板上插入各种不同功能模块的印刷电路板。

=>单板或专用芯片及模板组成的紧凑结构

组成：由主电路板、PLC板、附加I/O板、

图形控制板和电源单元等组成。

5.2CNC系统的硬件结构

2.PC式CNC系统

＞采用工业标准计算机作为CNC系统支撑平台；

»不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和CNC软件即可构

成CNC系统，不设计专门硬件；

»由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很

低，继而降低CNC系统的成本。

5.2CNC系统的硬件结构

5.2.2按CPU的多少分

1单微处理器结构-只有一个微处理器，集中控制、分时处

■平愀处理说口仃.理数控装置的各个任务。

CPU总线

AikA

VV

I/OCRTPC位置

CMOSRS-

接接控控

ROM

232口口制制

控制控制速度控

机床CRT

媒介面板制单元

5.2CNC系统的硬件结构

1).基本概念

整个CNC装置只有一个CPU,集中控制和管理整个

系统资源，通过分时处理的方式实现各种数控功能。

2).特点

优点投资小,结构简单,易于实现。

系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力

缺点和运算速度等因素的限制，现在已被多机系统

的主从结构所取代。

5.2CNC系统的硬件结构

=＞主从结构系统

系统中有两个或两个以上的CPU,但只有一个

CPU（主CPU）处于主导地位，对系统资源有控制和使用

权，其他CPU处于从属地位，不能控制系统总线，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。

5.2CNC系统的硬件结构

2.多微处理器结构

管理模块I/O接口存储器模块辅助功能I

多机系统CNC系统并联数据总线

5.2CNC系统的硬件结构

1）.基本概念

整个CNC装置中有两个或两个以上CPU,

就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU。

两个或两个以上CPU构成的处理部件之间有两种结

构形式：

紧耦合（相关性强）

有集中的操作系统，共享资源

松耦合（具有相对独立性或相关性弱）

有多重操作系统有效地实现并行处理

5.2CNC系统的硬件结构

2).分类

=＞多主结构系统

整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对

系统资源有控制和使用权。模块间采用紧耦合。

二〉分布式结构系统

整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能

模块，每个模块有独立的运行环境，模块间

采用松耦合。

5.2CNC系统的硬件结构

3)特点

＞实现真正意义上的并行处理，处理速度快。

＞容错能力强。

4).结构形式

1).共享总线结构

结构简单、系统组配灵活、可靠性高

。FANUC系统

2).共享存储器结构

*美国GE公司的MTC1-CNC系统

5.2CNC系统的硬件结构

什么是模块化设计方法:

i»O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。

每个模块配上相应的驱动软件，按功能要求选择不

"㈡同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，组

成一个完整的控制系统。

模块化设计的条件：

总线(BUS)标准化

5.2CNC系统的硬件结构

共享存储器结构CNC装置硬件结构

5.2CNC系统的硬件结构

5.2.3开放式CNC的硬件结构

随着技术、市场、生产组织结构等多方面的快速变

化，对CNC数控系统的柔性化和通用化提出更高的

要求。

开放式系统的定义：必须具备不同应用程序能协调

地运用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

lif

5.2CNC系统的硬件结构

>开放式系统的特征：

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。

52CNC系统的硬件结构

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

（1）PC连接型CNC

结构：CNC与PC通过串、《僦号接。'

特点：容易实现，0有鼠^几乎不需改动即可应用。

八八、一、

PC基本CNC系统

52CNC系统的硬件结构

(2)PC内藏型CNC

结构：CNC内部加装PGPC与CNC之间通过总线连接。

特点:保持了CNC原有的性能、可露峰和功能，并且数据

传送快，系统响应快。1

52CNC系统的硬件结构

2）基于PC的可开放CNC

,结构：通用PC机的扩展槽%魁卷用CNC卡。！

特点：CNC卡完成包括加面轨迹生成等几乎所有

CNC处理功能。充分保证系统性能，软件通用

性强…编程能最活。,

数控技术

5.3CNC系统的软件结构

5.3.1CNC系统软件的组成

＞CNC是一个实时的计算机控制系统。

＞数控的基本功能是由各种功能子程序实现的。

＞CNC软件分为应用软件、系统软件。

＞应用软件包括零件数控加工或其他辅助软件，如CAD/CAM软

件。

＞系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专门软件，也

叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。

5.3CNC系统的软件结构

[CNC软件

应用软件系统软件/控制软件

管

输入数据处诊速插

理

理程序断度补

零件数控程

程控运

加工或其序

他辅助软输译序制算

件入码程程

程程序序

序序

*-*■**■*■*5.3CNC系统的软件结构

5.3.2CNC常规与开放式软件结构

CNC装置的硬件和软件构成了CNC装置的系统平台:

数控加工系统

1___厂^

根据用

要求开发/

被控设备

应用控制,、机床

软件软件/-接口，机器人

管理程序\/测量机

操作系统•••・••

硬件

5.3CNC系统的软件结构

该平台有以下两个方面的含义：

*该平台提供CNC装置基本配置的必备功能

*该平台根据用户要求进行功能设计和开发

CNC平台的建构方式就是CNC装置的体系结构。

CNC装置的功能

数控系统基本配置的功能，即必备的功能

［功能［——硬件实现（处理速度快，造价较高）

用户可以根据要求选择的功能

——软件实现（设计灵活、适应性强、

处理速度慢）

5.3CNC系统的软件结构

1.CNC系统软、硬件的界面

>CNC中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定，

很大程度涉及软硬件技术的发展水平。

>现代CNC系统软、硬件的界面并不是固定不变的,

而是随着软硬件的水平和成本，以及CNC所具有的性

能不同而发生变化的。

>CNC软件势必发展成以操作系统为基础的多层次的

软件结构，这在基于PC的CNC系统中尤为明显。

5.3CNC系统的软件结构

CNC系统软件设计方法

＞常规CNC的软件设计中，大多利用基于数据

流图的程序结构化设计方法。

＞开放式CNC的软件设计中，采用面向对象的

设计方法，更稳定且可重用。

5.3CNC系统的软件结构

5.3CNC系统的软件结构

2.CNC系统的多任务并行处理

>CNC的功能则可定义为CNC的任务：

显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控

制、.一

>CNC系统的任务要求并行处理：

为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求,

CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。

5.3CNC系统的软件结构

并行处理定义：

系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个

以上任务处理的方法。

，5.3CNC系统的软件结构

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。

□并行处理的实现方式：

/资源重复——硬件设计

,时间重叠流水处理——软件设计

/资源分时共享——软件设计

5.3CNC系统的软件结构

时间重叠流水处理

>时间重叠流水处理技术是利用重复的资源(CPU),将大

任务分成若干个子任务，彼此关系，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。(

1

>在任何时刻(流水处理除开始和结束外)均有两个或两

个以上的任务在同时执行。

A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。

tt+Z\t

顺序处理

并行处理

5.3CNC系统的软件结构

资源分时共享并行处理

»在单CPU结构的CNC系统中，采用“资源分时共享”并

行处理技术。

A资源分时共享——规定的时间长度（时间片）内，各任

务实时性要求，规定占用CPU的时间，分时共享资源。

>“资源分时共享”的技术关键：

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。

5.3CNC系统的软件结构

中

断

优

先

级

由

高

到

低

资源（CPU）分时共享图

***i***^*-**5.3CNC系统的软件结构

Oms4ms8ms12ms16ms

位置控制

插补运算

背景程序

各任务占用CPU时间示匕.

-5.3CNC系统的软件结构

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81ns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。

5.3CNC系统的软件结构

3.实时中断处理

-------CNC系统控制软件的另一个重要特征。

>CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整

个系统必不可少的重要组成部分。

>中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定

了系统软件的结构。

5.3CNC系统的软件结构

CNC系统的中断类型

1）外部中断

1口二＞阅读机中断和外部监控中断

业口键盘操作面板输入中断

2）内部定时中断f插补周期定时中断

1位置采样定时中断

3）硬件故障中断：各种硬件故障检测系统发出的中断.

4）程序性中断：程序中出现异常情况的报警中断。

CNC系统的软件结构

4.常规CNC的软件结构

前后台型软件结构

中断型软件结构

5.3CNC系统的软件结构

前后台型的软件结构

前台程序（实时中断服务程序）

系统的核心，承担几乎全部实时功能

如插补运算、位置控制、故障诊断。

后台程序（背景程序）

完成插补前的准备工作和调度管理,

如显示、插补预处理、程序编辑。

5.3CNC系统的软件结构

＞前台程序实现的功能与机床的动作直接相关；后台程序

是一个循环运行的程序。

＞系统启动后先进行初始化，再进入后台程序，同时开放

实时中断程序，每隔一定的时间执行一次实时中断服务

程序（此时后台程序停止运行），执行完毕后返回后台

程序。

＞如此循环往复，两者相互配合，共同完成数控的全部功

＞一般适用于单处理器集中式控制，对CPU的性能要求较

5.3CNC系统的软件结构

前后台运行的相互关系如图所示

5.3CNC系统的软件结构

中断型软件结构

一、什么是中断型软件结构

指除了初始化程序外，整个控制程序分成若干各

不同级别的中断服务程序。所有的各种功能子程序

均被安排成级别不同的中断程序，管理功能主要通

过各级中断程序之间的相互通讯来解决。

二、中断型软件结构的特点

实时性好，但模块关系复杂，耦合度大

5.3CNC系统的软件结构

一般在中断型结构的CNC软件体系中，控制CRT显示的模

块为低级中断（0级中断），只要系统中没有其他中断

级别请求，总是执行。级中断，即系统进行CRT显示。

其他程序模块，如译码处理、刀具中心轨迹计算、键盘

控制、I/O信号处理、插补运算、终点判别、伺服系统位

置控制等处理，分别具有不同的中断优先级别。

开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行初始化状

态的设置、ROM检查等工作。初始化后，系统转入0级中

断CRT显示处理。此后系统就进入各种中断的处理。

5.3CNC系统的软件结构

该模式的软件结构如图所示

初始化

5.3CNC系统的软件结构

5.开放式CNC的软件结构

标准应用程序界面（API）

5.4CNC系统的控制原理与功能

1.CNC系统的控制原理

CNC系统中数据转换流程图

邛卜

卜

嬴

运

刀

序

±程

区

区

冲

新

缓

照

缓

插

刀

速

加

译

度

补

补

工

预

处

码

处

程

处

序

理

理

理

1

_J

译

码

黏

股

5.4CNC系统的控制原理与功能

1）零件程序的输入

,।键盘।______________

I阅读机I---------存储器

通讯方式IJ

插入I删除I修正I

CNC系统中通常的工作方式为存储器工作方式。

用键盘命令调出零件程序存储器中指定的零件程序O

但在工作中还允许用键盘输入修正程序。

5.4CNC系统的控制原理与功能

2）译码

＞将输入的标准的数控加工程序按一定的规则翻译成数控

系统中的计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存

放在指定的译码结果缓存器中。

＞译码处理都是将零件程序的一个程序段作为单位进行处

理。

＞译码包括：零件轮廓信息、进给速度信息、其他辅助信

5.4CNC系统的控制原理与功能

N06G90G41DOIG01X200Y300F200;

StructPROG.BUFFER{

charbufLstate;0:(开始)；：！(；)◎

intblock_num;06(N06)①

doubleCOOR[20];COOR[1]=200000;(X200)⑥

COOR[2]=300000;(Y300)⑦

intF,S;F=200;(F200)⑧

charGO;D5=0;(G90)②

D6,D7=0,l(G41)③

Dl=l;(G01)⑤

charD;D=01(DOI)④

)；

5.4CNC系统的控制原理与功能

3）刀补处理（计算刀具中心轨迹）

刀补处理的主要工作：

根据G90/G91计算零件轮廓的

终点坐标值。

根据R和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。

5.4CNC系统的控制原理与功能

4）速度处理

主要功能是根据加工程序给定的进给速度F,计算在每

个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。

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a。

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：

AL=F*At/60（pm）

式中：F一进给速度值（mm/min）;At一数控系统的插补周期（ms）

5.4CNC系统的控制原理与功能

5）插补计算

主要功能：

口根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算

本次插补周期的实际合成位移量：

△L[=/L*修调值

口将AL按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点

所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控

制指令（。

经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位

置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期定时

运行。

5.4CNC系统的控制原理与功能

6）位置控制处理

位置控制转换流程

5.4CNC系统的控制原理与功能

位置控制完成以下几步计算：

□计算新的位置指令坐标值：

Xi新二X］旧+/X］；丫1新=Y］旧+/丫1；

□计算新的位置实际坐标值：

乂2新二X?旧+/X?；丫?新二丫?旧+/丫2

□计算跟随误差（指令位置值一实际位置值）：

△X3二X1新-X?新；，丫3二丫1新-丫2新；

5.4CNC系统的控制原理与功能

□计算速度指令值：

Vx=f(2IX3)；vY=f(叽)

f()是位置环的调节控制算法，具体的算法视具体

系统而定。这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。

Vx、丫丫送给伺服驱动单元，控制电机运行，实现CNC装

置的轨迹控制

5.4CNC系统的控制原理与功能

2.CNC系统的功能

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。

5.4CNC系统的控制原理与功能

1）控制功能

——CNC系统可同时控制的轴数。

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）。

数控车床一般2根同时控制轴；

数控铁床、数控钱床和加工中心需要3根或3根以上的

同时控制轴。

联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。

-4-^*5.4CNC系统的控制原理与功能

2）准备功能（G功能）

指令机床动作方式的功能。

5.4CNC系统的控制原理与功能

3）插补功能和固定循环功能

插补功能是数控系统实现零件轮廓（平面或

空间）加工轨迹运算的功能。

＞固定循环功能是数控系统实现典型加工循

环（如：车削循环、钻孔、攻丝、镂孔、

深孔钻削和切螺纹等）的功能

5.4CNC系统的控制原理与功能

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，（移

动轴）单位为mm/min,（回转轴）单

位为。/mino

同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，

单位为mm/ro（只有主轴上装有位置

编码器的数控车床才能指定，便于切削

螺纹编程）。

进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定

的进给速度。

5.4CNC系统的控制原理与功能

5）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，一般用S代码指定,

单位为r/min和mm/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，保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直

径的外圆的加工具有相同的切削速度。

□主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功

能。

□C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。

□主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速

5.4CNC系统的控制原理与功能

6）辅助功能（M功能）

——用于指令机床辅助操作的功能。

（主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的

启和彳亭。）

5.4CNC系统的控制原理与功能

7）刀具管理功能

——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系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀

库中的刀具和自动选择加工刀具。

5.4CNC系统的控制原理与功能

8）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。

5.4CNC系统的控制原理与功能

9）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。

5.4CNC系统的控制原理与功能

)10)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*。

5.4CNC系统的控制原理与功能

11）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，

口网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要

求。

f"卜具半径补偿原理

)

5.5.1刀具半径补偿的基本概念

1.什么是刀具半径补偿(ToolRadiusCompensationoffset)