第7章 计算机数控装置

第7章计算机数控

装置

，（CNC系统）

目录

5.1CNC系统的组成与特点

5.2CNC系统的硬件结构

5.3CNC系统的软件结构

5.4CNC系统的控制原理与功能

5.5典型CNC系统

5.1CNC系统的组成与特点

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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）

信息输出：连续控制量——驱动控制装置

离散的开关量——机床电器逻辑控制装置

C系统的组成与特点

主轴

电

机

机

床

速

给

电

机

位

置

器

测

检

系统的组成与特点

5.1CNC^■■^■■■^

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

系统的组成与特点

5.1CNC--

☆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

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一、按硬件制造方分

L专用型CNC装置

一总线式模块化结构

采用功能模块化结构。按功能要求可选用7、

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

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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；

A由于工业标准计算机的生产数以白万计，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

二、按CPU的多少分

1.单微处理器结构:

CPU总

I/OCRTPC位置

CMOSRS-

ROM接接控控

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

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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。

I

CNC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

多机系统CNC系统并联数据总线

其他外围设备

5.2CNC系统的硬件结构

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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

B

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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

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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

4FANUC系统

2).共享存储器结构

诙美国GE公司的MTC1-CNC系统

5.2CNC系统的硬件结构

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什么是模块化设计方法：

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

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

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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

面。

5.2CNC系统的硬件结构

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>开放式系统的特征：

①可互操作性

②可移植性

5.2CNC系统的硬件结构

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>基于PC开放式CNC的硬件配置形式

①基于PC的有限开放CNC

，PC连接性CNC

1PC内藏型CNC

②基于PC的可开放CNC

——CNC内藏型

5.3CNC系统的软件结构

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>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

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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

根据用户

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

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该平台由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

——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

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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

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,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

介

质

第一种

硬件

第二种

硬件

第三种

硬件

5.3CNC系统的软件结构

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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、…

>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

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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。|

>在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两1

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I

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+/t时间

顺序处理

并行处理

5.3CNC系统的软件结构

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资源分时共享并行处理

A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。

A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。

>“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。

CNC系统的软件结构

中

台

显

断

插

示

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、

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先

诊/0

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处

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*

资源（CPU）分时共享图

CNC系统的软件结构

*

各任务占用CPU时间示意图

5.3CNC系统的软件结构

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‘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8nls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

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)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。

1

5.3CNC系统的软件结构

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CNC系统的中断类型

1）外部中断

h二>阅读机中断和外部监控中断

IDE〉键盘操作面板输入中断

c,上、、,方“「插补周期定时中断

2）内部定时中断1

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。

5.3CNC系统的软件结构

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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

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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

作用如插补运算、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,

作用

如显