数控系统基础教程

第1章数控系统的概述第一节数控技术的基本概念第二节数控系统的分类第三节数控系统的产生和发展第一节数控技术的基本概念制造业是国民经济的支柱产业，没有制造业的发展，就没有今天人类的现代物质文明;没有制造能力的民族是没有竞争力的民族，是不能抵御外来侵略而任人宰割的民族;制造业的兴衰关系到国家的国际竞争力和国家安全。而制造业的兴衰和发展很大程度上取决于制造装备的技术水平和现代化程度，设备技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。返回下一页第一节数控技术的基本概念一、数字控制技术数字控制(NumericalControl)技术，简称数控技术CNC技术)，是近代发展起来的一种自动控制技术。数字控制技术是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法，因此它的控制信息是数字量，而非模拟量。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于控制其他设备，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备，但其中最早产生的，目前应用最广泛的是机械加工行业中的各种机床。因此数控技术一般是指机床的数控技术，它由机床、数控系统及外围技术(如编程技术、管理技术等)三部分组成。数控系统是用数字控制技术实现自动控制的系统，即能阅读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，从而使机床自动加工零件的一种控制系统。它有如下特点:返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念·可用不同的字长表示不同精度的信息，表达信息准确;.可进行逻辑运算、数学运算和复杂的信息处理;.由于有逻辑处理功能，可根据不同的指令进行不同方式的信息处理，从而可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械的机构，使机械设备具有“柔性”。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念由于数控系统具有上述优点，故被广泛应用于机械运动的轨迹控制。机床本体和数控系统有机的结合体称为数控机床，例如:数控车床，数控铣床，数控加工中心等。本书中的数控系统具体指的是机床的数控系统。数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念二、数控机床的组成及工作原理数控机床通常由以下几部分组成，其原理框图如图1-1所示。1.程序载体对数控机床进行控制，首先必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称为程序载体(或称控制介质)。程序载体上存储着工件所需要的全部几何信息和工艺信息。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念这些信息是在对工件进行工艺分析的基础上确定的，它包括工件在机床坐标系内的相对位置、刀具与工件相对运动参数、工件加工的工艺路线和顺序、主运动和进给运动的工艺参数以及各种辅助操作。用标准代码(由字母、数字和符号构成)将这些信息按规定的格式编制成工件的加工程序单，再按程序单制作穿孔纸带、磁带等多种程序载体，也常用手工直接输入方式将程序输入到数控系统中。编程工作可以由人工进行，也可以由计算机辅助编程系统完成。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念最早使用的程序载体是穿孔纸带，常用的是单位标准穿孔带，它可以由各种颜色的纸带、塑料带或金属带制成。穿孔带的尺寸和孔的排列如图1-2所示。每行共有9个孔，其中直径￠1.17mm的小孔为同步孔。信息以代码的形式按规定的格式存储在穿孔带上。实际上，代码就是由一些小孔按一定规律排列的二进制图案，每一行代码分别表示一个十进制的数字、字母或符号。国际上通用EIA代码和ISO代码，目前我国统一使用ISO代码。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念2.输入装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号传送至数控装置的内存储器。输入装置最早使用光电阅读机，以后大量使用磁记录原理的磁带机和软盘驱动器。还可以通过数控装置控制面板上的输入键，按工件的程序清单用手工方式直接输入内存储器(MDI方式)，也可以用通信方式由计算机直接传送给数控装置。光电阅读机(如图1-3所示)曾经在程序输入中发挥过重要作用，它用红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代码，将孔的排列图案转换为电信号送入数控装置。它具有较高的阅读速度和抗干扰性。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念数控机床在加工工件之前将穿孔纸带送入光电阅读机，启动数控装置后，便发出指令启动光电阅读机。主动轮3在电动机2的驱动下，始终以一定的转速旋转，电磁铁12吸合衔铁11，使压轮13把穿孔带压向主动轮3,穿孔带被带动从光源5、透镗4和9只光敏元件10之间通过，穿孔带上的代码被转换成相应的电脉冲信号，经放大与整形，输入数控装置译码和寄存。当穿孔带上出现程序段的结束代码(通常用NL或LF)时，制动电磁铁9将衔铁7吸合(启动电磁铁12复位)，将穿孔带夹住并停止送带。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念3.数控系统数控系统是数控机床的关键环节。输入装置送来的电脉冲信号，通过数控系统的逻辑电路或计算机数控系统软件进行译码和寄存。这些指令和数据将作为控制与运算的原始依据。数控系统的控制器接收相应的指令对有关数据进行运算和处理，输出各种信息和指令，控制机床各部分按程序要求实现某一操作。这些电信号中最基本的是将与各坐标轴位移量相对应的电脉冲数，经驱动电路送至伺服控制系统，使各坐标轴完成刀具相对工件的进给运动。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念4.强电控制装置强电控制装置的主要功能是接收数控装置控制的内置式可编程控制器(PLC)输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念5.伺服控制系统伺服控制系统接收来自数控系统的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动。由于伺服控制系统是数控机床的最后控制环节，它的伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的生产率、加工精度以及表面加工质量。目前，常用的伺服驱动器件有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。由于交流伺服电动机具有良好的性能价格比，正逐渐成为首选的伺服驱动器件。除了三大类电动机以外，伺服控制系统还必须包括相应的驱动电路。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念6.检测装置在半闭环和闭环伺服控制装置中，使用位置检测装置间接或直接测量执行部件的实际进给位移，并与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。常用的位移检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅及磁栅等。返回下一页上一页第一节数控技术的基本概念7.机床数控机床是高精度、高生产率的自动化加工机床。与传统的普通机床相比，数控机床在整体布局、外部造型、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、支承系统和排屑系统等方面有很大的差异。这些差异能更好地满足数控技术的要求，并充分适应数控加工的特点。通常对机床的精度、静刚度、动刚度和热刚度等提出了更高的要求，而传动链则要求尽可能的简单。返回上一页第二节数控系统的分类数控机床的品种很多，可以从几个不同的角度对数控系统进行分类。一、按被控制机床的运动方式分类1.点位控制数控系统如图1-4所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。返回下一页第二节数控系统的分类2.点位直线控制数控系统如图1-5所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。返回下一页上一页第二节数控系统的分类3.轮廓控制数控系统亦称连续轨迹控制，如图1-6所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。返回下一页上一页第二节数控系统的分类二、按数控装置分类1.硬线数控系统硬线数控(NC)又称普通数控。这类数控系统的输入、插补运算控制等功能均由专用的固定的数字逻辑电路来实现。一般来说，不同的数控机床，其控制电路也不同。因此系统的通用性和灵活性较差，而且成本较高。这类系统在20世纪70年代初应用较为广泛。返回下一页上一页第二节数控系统的分类2.计算机数控系统计算机数控(CNC)系统是在硬线数控系统的基础上发展起来的。它的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用大规模集成电路制成，因此又称为微机数控(MNC),其部分或全部控制功能由系统软件来实现，所以不同功能的机床其系统软件也就不同。而修改或增减系统功能时，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。返回下一页上一页第二节数控系统的分类这类系统在20世纪70年代中期，随着微电子技术的发展和微型计算机的出现以及集成电路的集成度的不断提高才得到迅速发展，并逐渐成为主流。它与NC系统相比具有如下特点:.采用了软件控制程序，系统灵活可变，易于变化和扩展;.硬件采用了模块化结构，系统的通用性强;·采用了大规模集成电路，系统的可靠性高;.有丰富的指令系统和高速运算能力，易于实现复杂程序的控制;.有自诊断程序，系统使用维护方便。返回下一页上一页第二节数控系统的分类三、按伺服驱动系统控制方式分类1.开环数控系统开环数控系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图1-7所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。开环数控系统的特点是结构简单，成本较低，技术容易掌握。一般适用于中、小型的经济型数控机床，特别适用于旧机床改造的简易数控机床。返回下一页上一页第二节数控系统的分类2.闭环数控系统如图1-8所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。闭环数控系统的特点是精度高、速度快，但调试维修较困难，系统复杂，成本高。一般适用于精度较高的数控设备，如数控精密镗铣床。返回下一页上一页第二节数控系统的分类3.半闭环数控系统如图1-9所示，半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。半闭环数控系统的特点是结构简单，系统不易受机械传动装置干扰，工作稳定性好，精度虽没有闭环数控系统高，调试却比闭环方便。故中等精度以上的数控机床大多数采用半闭环数控系统，如加工中心。返回下一页上一页第二节数控系统的分类四、按数控系统的功能水平分类这种分类方法只是在人们谈论数控机床水平时使用，实际上并没有一个明确的定义和确切的界限，且不同时期、不同国家的分类含义也不同。数控系统的水平是按主要技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来确定的。通常可以分为高档、中档、低档三类。我们通常用以下几个方面作为评价档次的参考指标，见表1-1所示。返回上一页第三节数控系统的产生和发展一、数控系统的产生20世纪40年代末，美国帕森斯公司(ParsonsCO)和麻省理工学院(MIT)共同合作，于1952年研制出第一台三坐标直线插补连续控制的立式数控铣床。从第一台数控铣床问世至今50多年中，随着微电子技术的不断发展，特别是计算机技术的迅速发展，数控系统的发展已经历了两个阶段和六代的发展，即:返回下一页第三节数控系统的产生和发展1.数控(NC)阶段·第一代数控系统:1952-1959年，采用电子管、继电器元件;.第二代数控系统:1959年开始，采用晶体管元件;.第三代数控系统:1965年开始，采用集成电路。2.计算机数控(CNC)阶段·第四代数控系统:1970年开始，采用大规模集成电路及小型计算机;·第五代数控系统:1974年开始，采用微型计算机;.第六代数控系统:1990年开始，基于PC机。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展随着数控系统的发展，其功能不断增多，柔性不断增强，性能价格比不断提高，与此同时，伺服系统和检测元件的性能不断改善，其控制精度也不断提高。近10年来，由于国外很多知名公司的潜心研究和大力开发，各种不同层次的数控系统快速产生并迅速发展，数控系统正在发生着日新月异的变化。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展二、数控系统的发展方向1.高速、高精度数控系统的高速度表现为在相同的最小移动量的情况下可以获得较高的移动速度。高速度主要取决于数控装置数据处理的速度，采用高速CPU是提高数控装置速度的最有效手段。日本FANUC公司所有最新型号的CNC系统已从32位微处理器发展到64位微处理器，主机频率由30MHz提高到2.8GHz。该公司的FS15数控系统采用32机，最小位移单位0.1μm的情况下最大进给速度达到了100m/min。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展FS16和FS18数控系统还采用了简化与减少控制基本指令的精简指令计算机(ReducedInstructionSetComputer,RISC)，它能进行高速度的数据处理，指令速度可达到100万条指令每秒。一个程序段的处理时间可以达到0.5ms，在连续1mm的移动指令下能实现的最大进给速度可达120to/min。在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位，主轴高速化的手段是直接将电动机与主轴连接成一体，从而将主轴转速提高到40000~50000r/min，最高转速可达100000~120000r/min，使得切削时间缩短了80%。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展2.伺服系统方面(1)采用数字伺服系统使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现了数字化。FANUCL5系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器来的位置信息以及检出的电动机电流信息一起，在专用的微处理器芯片内进行控制位置、速度和电动机电流的运算，最后向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展(2)采用现代控制理论提高跟随精度当数控系统发出位置指令后，由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制，但是由于它们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大了很多，有时还可采用专用芯片的办法使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，提高了跟随精度。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展(3)采用高分辨率的位置编码器一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器(脉冲发生器)，用来检测电动机的角位移。显然，编码器的分辨率越高，电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840脉冲/r。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展3.实现多种补偿功能数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如:.直线度的补偿。随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高机床工作台运动的直线度;.采用新的丝杠导程误差补偿。用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化;返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展.丝杠、齿轮间隙补偿;.热变形误差补偿。这种补偿方法用来补偿由于机床热变形而产生的机床几何位置变化所引起的加工误差;.刀具长度、半径补偿;.存储型补偿。这种补偿方法可根据机床使用中的实际情况(如机床零件的磨损情况等)适时地修订补偿值。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展4.网络化伺服驱动在网络化伺服驱动器研究方面，美国、德国和日本在技术上处于领先行列。我国的交流伺服研究起步比较晚，到目前为止，网络化交流伺服控制系统刚刚问世，国内的一些运动控制研究所对网络化全数字交流伺服驱动系统进行了研究，研制了基于CAN总线的网络化交流伺服控制系统并已投入实际应用。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展5.提高数控系统的可靠性提高数控系统的可靠性可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大幅度降低了系统的故障率。当前国外数控装置的MTBF值(平均无故障时间)已达6000h以上，马伙动装置达30000h以上。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展此外，现代数控系统还具有人工智能(AI)功能的故障诊断系统，可用它来诊断数控系统及机床的故障。把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处理方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因。只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展6.CNC系统的智能化随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在自适应控制、自动编程、自动检测、软件精度补偿、应用模式识别、故障自动诊断、动态加工图像显示等方面。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展7.具有更高的通信功能越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者DNC(DirectNumericalControl,DNC)系统，这就要求CNC系统提高联网能力。一般CNC系统都具有RS-232和RS-422远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据交换。为了满足不同了家、不同类型数控机床联网功能的要求，现代数控系统大都具有MAP(制造自动化协议)接口(现在已实现了MAP6.0版本)，并采用光缆通信以提高数据传送速度和可靠性。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展三、几种典型数控系统结构1.计算机直接数控(DirectNumericalControl,DNC)DNC系统也称为计算机群控系统，是以一台计算机直接控制和管理一群数控设备的系统。产品加工程序由一台计算机储存和管理，根据加工需要分时地将加工程序传递给各台数控设备。计算机还可对数控设备的工作情况进行管理与统计以及加工程序的编辑、修改等。DNC系统可分为直接型、间接型和分布式三类。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展2.柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)柔性制造单元(FMC)(FlexibleManufacturingCell)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工作装置组成的，如图1-10所示。中心控制计算机负责作业调试、自动检测与工况自动监控等功能;工件装在自动交换工作装置上并由中心计算机控制传送到加工中心;加工中心进行数控加工。柔性制造单元的使用使得加工的柔性、加工精度和生产效率更高。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展柔性制造系统(FlexibleManufacturingsystem,FMS)是将一群数控设备与工件、工具与切屑的自动传输线相配合，并由计算机统一管理与控制所组成的计算机群控自动线，如图1-11所示。整个系统具有高加工效率和较强的柔性。FMS不仅实现了生产过程中信息流的自动化，还实现了传递各种物质流的自动化。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展3.计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS）是采用现代计算机技术将制造工厂全部活动(设计、制造、装配、市场调查与决策、销售、管理等)所需的各种分散的自动化系统的有机集成，如图1-12所示。它的基础是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、数据库系统(DBS)、物料需求计划(MRP)等。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展CIMS通常由管理信息系统、产品设计与制造工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统以及计算机网络和数据库系统等6个分系统组成。以下分别介绍这几个分系统:(1)管理信息系统这个系统包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等管理信息功能。通过信息的集成，可达到缩短产品生产周期、减少占用流动资金、提高企业应变能力的目的。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展(2)产品设计与制造工程设计自动化系统用计算机来辅助产品设计、制造准备和产品性能测试等阶段的工作(也就是CAD/CAPP/CAM系统)，使产品的开发更高效、更优质、自动化地进行。(3)制造自动化系统常用的是FMS系统。这个系统根据产品的工程技术信息、车间层的加工指令，完成对零件毛坯加工的作业调度、制造等工作。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展(4)质量保证系统包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评估、控制与跟踪等功能。系统保证从产品设计、制造、检验到售后服务的整个过程顺利进行。(5)计算机网络系统它是支持CIMS各个分系统的开放型网络通信系统。采用国际标准和工业标准规定的网络协议进行互联。以分布方式满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和实时控制。返回下一页上一页第三节数控系统的产生和发展(6)数据库系统它是支持CIMS各分系统的数据库，以实现企业数据的共享和信息集成。由上述可知，CIMS是建立在多项先进技术基础上的高技术制造系统，是面向21世纪的生产制造技术。为了赶上工业先进国家的机械制造水平，我国863计划(即高技术研究和发展计划)中已将CIMS在我国的发展和应用列为一个主题，并开展了关键技术攻关工作。返回上一页图1-1数控机床的组成返回图1-2单位标准穿孔带返回图1-3光电阅读机结构示意图返回图1-4点位控制示意图返回图1-5点位直线控制示意图返回图1-6轮廓控制示意图返回图1-7开环数控系统框图返回图1-8闭环数控系统框图返回图1-9半闭环数控系统框图返回表1-1不同档次数控功能及指标表返回图1-10FMC柔性制造单元返回图1-11FMC柔性制造系统返回图1-12CIMS的组成图返回第2章CNC数控系统的基本结构第一节概述第二节CNC系统的硬件结构第三节CNC系统的软件结构第一节概述数控系统(NCS)是数字控制系统简称，英文名称为NumericalControlSystem，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控(HardNC),1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。返回下一页第一节概述计算机数控(ComputerizedNumericalControl,CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置(包括检测装置)等组成。返回下一页上一页第一节概述一、CNC系统的组成把计算机技术应用于机床的控制系统，是数控机床发展史上的一个重要里程碑，这是因为它综合了现代计算机技术、自动控制技术、传感器及测量技术、机械制造技术等领域的最新成就，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。从自动控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，即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。返回下一页上一页第一节概述计算机数控(CNC)与传统的硬线数控(NC)相比有很多的优点，其中最根本的一点就是，CNC的许多数控功能是由软件实现的，因而较硬线数控具有更大的柔性，即它很容易通过软件的改变来实现数控功能的更改或扩展。今天，硬线数控已被计算机数控所取代。由上述讨论可知，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。返回下一页上一页第一节概述1.数控系统的一般硬件结构广义数控系统的结构框图如图2-1所示，即由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成，它是CNC系统的物质基础。返回下一页上一页第一节概述2.CNC系统软件的功能性结构从本质特征来看，CNC系统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，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统的灵魂，其结构枢图如图2-2所示。CNC系统平台的构筑方式就是CNC系统的体系结构。体系结构为系统的分析、设计和建造提供框架。在下一节里将分别按硬件和软件两方面对CNC系统的体系结构进行讨论。返回下一页上一页第一节概述二、CNC系统的工作过程一般来说，让我们来回顾一下在普通机床上加工零件时，机床操作者总是根据工序卡的要求，在加工过程中不断地操作机床改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数(位置、速度等)，使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的合格零件。返回下一页上一页第一节概述在CNC机床上，加工过程中的人工操作均被数控系统所取代。其工作过程如下:首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。图2-4为将要加工的零件，其形状用曲线L描述。加工该零件就是要控制刀具T相对于该零件按轨迹曲线L运动。CNC系统对输入加工程序的运算和处理的核心部分有以下三步。返回下一页上一页第一节概述1.逼近处理首先对曲线L进行逼近处理，即按系统的插补时间△t和加工所要求的进给速度F，将L分割成若干短直线△L1，△L2,…，△Li，…，这里

△Li=F△t(i=1，2，…)则当△t→0时，折线段之和接近曲线L,即

当F为常数时，由于△t对于一个数控系统而言恒为常数，故△Li的长度也为常数，只不过其斜率与在L上的位置有关。返回下一页上一页第一节概述2.插补运算在计算出△Li后，必须将其分解为x轴及Y轴移动分量△xi和△yi(在△ti时间内)，它们将随着△Li在L上位置的不断变化而变化，但它们满足:

且有

由于△Li的斜率是不断变化的，因此进给速度在X方向及Y方向的分量Fx与Fy以及它们之间的比值Fx/Fy几乎都在不断变化。返回下一页上一页第一节概述3.指令输出将计算出在△t时间内的△xi和△yi作为指令输出给X轴和Y轴，以控制它们联动。由此可知，只要能连续地自动控制X,Y两个进给轴在△t时间内的移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。返回下一页上一页第一节概述三、CNC系统的主要功能1.准备功能准备功能即G功能，指令机床动作方式的功能。2.控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的控制进给轴有移动轴、回转轴、基本轴和附加轴。返回下一页上一页第一节概述3.进给功能数控系统进给速度的控制功能，主要有以下三种:·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，用于加工螺纹;·进给倍率(进给修调率):人工实时修调进给速度，即通过面板的倍率波段开关在0%~200%对预先设定的进给速度实现实时修调。返回下一页上一页第一节概述4.辅助功能辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能。5.补偿功能(1)刀具半径和长度补偿功能该功能按零件轮廓编制的程序去控制刀具中心的轨迹，以及在刀具磨损或更换时(刀具半径和长度变化)，可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功能由G指令实现。返回下一页上一页第一节概述(2)传动链误差包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能，即事先测量出螺距误差和反向间隙，并按要求输入到CNC系统相应的存储单元内，在坐标轴运行时，对螺距误差进行补偿;在坐标轴反向时，对反向间隙进行补偿。(3)智能补偿功能对诸如机床几何误差造成的综合加工误差、热变形引起的误差、静态弹性变形误差以及由刀具磨损所带来的加工误差等，都可采用现代先进的人工智能、专家系统等技术建立模型，利用模型实施在线智能补偿，这是数控技术正在研究开发的技术。返回下一页上一页第一节概述6.插补功能和固定循环功能所谓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。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，而现在较为高档的数控系统还备有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线以及样条曲线插补等功能。返回下一页上一页第一节概述7.自诊断功能一般的CNC系统或多或少都具有自诊断功能，尤其是现代的CNC系统，这些自诊断功能主要是用软件来实现的。具有此功能的CNC系统可以在故障出现后迅速查明故障的类型及部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。通常不同的CNC系统所设置的诊断程序不同，可以包含在系统程序之中，在系统运行过程中进行检查，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，查找故障的部位。有的CNC系统可以进行远程通信诊断。返回下一页上一页第一节概述8.刀具管理功能刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。加工中心都应具有此功能，刀具几何尺寸是指刀具的半径和长度，这些参数供刀具补偿功能使用;刀具寿命一般是指时间寿命，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具;另外，CNC系统都具有T功能即刀具号管理功能，它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。返回下一页上一页第一节概述9.主轴功能数控系统的主轴的控制功能，主要有以下几种:·切削速度(主轴转速):刀具切削点切削速度的控制功能，单位为m/min(r/min);.恒线速度控制:刀具切削点的切削速度为恒速控制的功能，如端面车削的恒速控制;返回下一页上一页第一节概述.主轴定向控制:主轴轴向定位控制于特定位置的功能;.C轴控制:主轴轴向任意位置控制的功能;.切削倍率(主轴修调率):人工实时修调切削速度，即通过面板的倍率波段开关在0%~200%之间对预先设定的主轴速度实现实时修调。返回下一页上一页第一节概述10.通信功能CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。通常CNC系统都具有RS-2320接口，可与上级计算机进行通信，传送零件加工程序，有的还备有DNC(直接数字控制/分布式控制)接口，以利实现直接数控。更高档的系统还可与MAP(制造自动化协议)相连，以适应FMS、CIMS、IMS(整体维修解决方案)等大制造系统集成的要求。返回下一页上一页第一节概述11.人一机对话功能在CNC系统中配有单色或彩色CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示屏)，通过软件可实现字符和图形的显示，以方便用户的操作和使用。在CNC系统中这类功能有:菜单结构的操作界面;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。返回下一页上一页第一节概述四、CNC系统的主要优点1.数控功能丰富由于CNC系统中的计算机具有较强的计算能力，因此，使其实现复杂的数控功能成为可能，如:.插补功能:二次曲线插补、样条插补、空间曲面插补;·补偿功能:运动精度补偿、随机补偿、非线性补偿等;.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、蓝图编程、部分自动编程功能。返回下一页上一页第一节概述2.使用维护方便.操作使用方便:现在大多数数控机床的操作采用了菜单结构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作;.编程方便:现代数控机床大多具有多种编程的功能，并且都具有程序自动校验和模拟仿真功能;.维护维修方便:数控机床的许多日常维护工作都由数控系统承担(润滑、关键部件的定期检查等)，另外，数控机床的自诊断功能，可迅速确定故障位置，方便维修人员。返回下一页上一页第一节概述3.易于实现机电一体化由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件的集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减小。因此，数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。返回下一页上一页第一节概述4.灵活性和通用性与早期的硬线数控系统相比，CNC系统在功能的修改和扩充、适应性方面都具有较大的灵活性和通用性。这是由于CNC系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件的支持下来实现的，因此，若要改变、扩充其功能，均可通过对软件的修改和扩充来实现。返回下一页上一页第一节概述另一方面，CNC系统的硬件和软件大多是采用模块化的结构，使系统的扩充、扩展变得较方便和灵活。不仅如此，按模块化方法组成的CNC系统基本配置部分(软件和硬件)是通用的，不同的数控机床(如车床、铣床、磨床、加工中心、特殊机床)只要配置相应的功能模块(软件和硬件)，就可满足这些机床的特定控制功能。这种通用性对数控机床的培训、学习以及维护维修也是相当方便的。返回下一页上一页第一节概述5.可靠性高CNC系统的高可靠性可以从以下儿方面看出:·CNC系统总是采用集成度高的电子元件、芯片，采用VLSI(超大规模集成电路)本身就是可靠性的保证;.许多功能由软件实现，使硬件的数量减少;·丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统故障发生的频率降低，发生故障后的修复时间缩短。返回上一页第二节CNC系统的硬件结构CNC系统的硬件结构按含有CPU的多少来分，可分为单机系统和多机系统。一、CNC系统的硬件结构分类1.单机系统它是指整个CNC系统只有一个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数控功能。其特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。返回下一页第二节CNC系统的硬件结构2.多机系统它是指整个CNC系统中有两个或两个以上的CPU，也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据这些CPU间的相互关系的不同又可将其分为:返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(1)主从结构系统在该系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统的资源(系统存储器、系统总线)有控制和使用权，而其他带有CPU的功能部件(通常称之为智能部件)，则无权控制和使用系统资源，它只能接收主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。只有一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构，称之为主从结构。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(2)多主结构系统在该系统中有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制或使用权。该结构系统功能部件之间采用紧耦合(即均挂在系统总线上，集中在一个机箱内)，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换系统信息。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(3)分布式结构系统该系统有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境(系统总线、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，各模块间采用通信方式交换信息。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构早期的计算机数控系统都是单机系统，到了20世纪80年代中期，市场上已有多机系统的产品了，其中绝大部分是主从结构的系统。目前，多主结构和分布结构的系统由于结构较复杂，操作系统的设计较困难，加之主从结构系统能满足数控加工的大多数要求，故这两种结构的CNC系统较少。从硬件的体系结构来看，单机结构与主从结构极其相似，因此，在本帝也称单机结构与主从结构为单主结构的系统。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构二、单机或主从结构模块的功能介绍图2-5是单机或主从结构的CNC系统硬件结构枢图。这类CNC系统的硬件由若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，即所谓的模块化结构。采用这种结构对CNC系统的设计和生产以及维修都有极大好处。实现这种结构的方法称为模块化设计方法。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构所谓模块化设计方法就是: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，按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插人控制单元母板上，组成一个完整的控制系统，其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。这种方法称之为模块化设计方法。实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。而采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构下面我们从功能方面来讨论图2-5所示CNC系统中各硬件模块的作用。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构1.计算机主板它是CNC系统的核心，由于目前CNC系统普遍采用了基于PC机的系统体系结构，即CNC系统的计算机系统在功能上完全与标准的PC机一样，各硬件模块也均与PC机总线标准兼容。其目的是利用PC机丰富的软件和硬件OEM资源，提高系统的适应性、开放性，降低价格，缩短新产品的开发周期。CNC系统的计算机系统与普通的商用PC机在结构上略有不同，从系统的可靠性出发，它的主板与系统总线(母板)是分离的，即系统总线是一单独的无源母板。主板则做成插卡形式，且集成度更高，即所谓的All-In-One主板。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构计算机主板外观如图2-6所示，这种主板主要包括以下的功能结构:·CPU芯片及其外围芯片;·内存单元、Cache及其外围芯片;·通信接口(串口，并口，键盘接口);.软、硬驱动器接口。各功能模块的组成原理与普通微型计算机的原理完全一样，这里不再一一讲述。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构计算机主板的主要作用是:对输入到CNC系统中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算，并根据其处理结果向其他功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构2.系统总线它是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是计算机系统内部(CNC系统内部)进行数据或信息交换的通道，从功能上来讲，它可分三组:.数据总线:它是各模块间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，它是双向总线;.地址总线:它是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，可以确定数据总线上的数据的来源地或目的地，它是单向总线;返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构.控制总线:它是一组传送管理或控制信号的总线(如数据的读、写、控制，中断、复位、I/O读/写及各种确认信号等)，它是单向总线。一般作为工业用PC机的总线母板是独立的无源四层印制电路板，即其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。用户可根据CNC系统功能板的多少进行选择。无源母板的外观如图2-7所示。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构3.输入/输出模块(多功能卡)该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。它是CNC系统与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC系统中的CPU通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也可以将CNC系统中的数据输送给外部设备。这些输入/输出设备是:返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构.输入设备:软盘驱动器;.输出设备:打印机;·输入/输出设备:磁盘驱动器、磁带机等;.通信接口:串行接口RS-232。如果计算机主板选用的是All-In-One主板，则此板可省略。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。这个系统是CNC系统的核心，从某种意义上讲，它的档次和性能决定了CNC系统的档次和性能，因此，CNC系统计算机子系统的合理选用是至关重要的。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构4.显示卡显示卡是一个通用性很强的模块。现在市场上出售的有VGA卡、SVGA卡，早期的有CGA、EGA等。在CNC系统中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，使用户能快速地熟悉适应其操作过程。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构显示卡的主要作用是:接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，由CRT中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需要的画面。显示卡这种硬件不仅可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无须用户自己开发。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构5.电子盘(1)电子盘存储内容电子盘是CNC系统特有的存储模块，在CNC系统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、系统增益等);.用户的零件加工程序。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(2)存储器件种类目前在计算机领域所用存储器件有三类:.磁性存储器件，如软磁盘、硬磁盘，它们都是可随机读/写的;.光存储器件，如光盘;.半导体存储器件，又称电子存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般作为外存储器，其特点是容量大，价格低。电子存储器件一般作为内存储器，其价格高于前两类。若按其读/写性能来看，它又可分为三类。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构.只读存储元件(ROM、PROM和EPROM)其特点是只能读出其存放的数据，而不能随时修改它们。它用于固化调试通过了的系统软件和系统固有的参数。.易失性随机读/写存储元件(RAM)。其特点是可以随时对其进行读/写操作，一旦掉电其信息将会全部丢失。它又有动态和静态之分，动态:价格低，速度慢，主要用作计算机系统的内存;静态:价格高，速度快，主要用作计算机系统的缓存器Cache。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构·非易失性读/写存储元件。其特点是可以随时对其进行读/写操作，即使掉电信息也不会丢失。它用于存放系统的配置参数，零件加工程序。一般它们读的速度要快于写的速度。这类存储器件有EEPROM、FLASH、带后备电池的RAM。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构在CNC系统中，常采用电子存储器件作为外存储器，而不采用磁性存储器件，主要是考虑到CNC系统的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。因为这些由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。目前电子盘的规格有1.44MB、2.88MB、6MB、12MB、128MB、256MB等。电子盘的逻辑框图如图2-8所示。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构6.设备辅助控制接口模块CNC系统对设备的控制分为两类:一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”;另一类是对设备动作的“顺序控制”。对数控机床而言，“顺序控制”是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构在CNC系统中实现顺序控制的模块是设备辅助控制接口模块，由图2-9可看出，设备辅助控制接口模块主要接收来自操作面板、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。通过对以上信号进行分析可知，CNC系统与被控设备之间要交换的信息有三类:开关量信号、模拟量信号和脉冲量信号。然而上述信号一般不能直接与CNC系统相连，需要一个接口(即设备辅助控制接口)对这些信号进行变换处理，其目的是:返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构·对上述信号进行相应的转换，以满足CNC系统输入/输出的要求。输入时，必须将被控设备有关的状态信息转换成数字形式，以满足计算机对输入/输出信号的要求;输出时，应满足各种有关执行元件的输入要求。信号转换主要包括电平转换、数字量与模拟量的相互转换、数字量与脉冲量的相互转换以及功率匹配等;.阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC系统与外部信号进行隔离，以提高CNC系统运行的可靠性。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构由此可知，设备辅助控制接口的功能必须能完成上述两个任务:即电平的转换和功率放大;电气隔离。目前，设备辅助控制接口的实现方式有以下几种:(1)简单I/O接口板如图2-9所示，在该接口电路中，光电隔离器件起电气隔离和电平转换作用;调理电路对输入信号进行整形、滤波等处理。其他功能块的作用是显而易见的，这里不再赘述。而信号间的互锁、连锁、延时控制，则由后续的继电器逻辑来实现，其柔性较差，体积庞大。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(2)PLC(ProgramableLogicController)控制这种控制是目前CNC系统用得最广泛的方式。它的基本结构框图如图2-10所示。CNC机床用的PLC一般分为两类:一类是CNC系统的生产了家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型(Built-inType)PLC(或称集成式、内含式)。内装型PLC是CNC系统的一部分，它与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的。这种类型的PLC一般不能独立工作，它是CNC系统的一个功能模块，是CNC系统功能的扩展，两者是不能分离的。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构由于PLC与CNC之间的连线较少，且PLC内的信息也能通过CNC系统的显示器显示，使PLC的编程更为方便，而且故障诊断的功能也有提高，从而提高了CNC系统的可靠性。另一类是由专业化生产了家生产的PLC产品来实现顺序控制，称为独立型(Stand-aloneType)PLC，或称为“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC系统的，它具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构在数控机床选用独立型PLC时，主要考虑能满足以下要求:输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等。由于这种类型PLC的生产了家较多，品种、类型丰富，使用户有较大的选择余地，可以选择自己熟悉的产品，而且其功能的扩展也较方便。独立型PLC与CNC系统之间是通过输入/输出接口连接的。国内已引进应用的独立型PLC有:西门子公司的SIMAT-IC55,S7系列产品;A-B公司的PLC系列产品;FANUC公司的PMC-J系列产品等。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构7.位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，实现轨迹控制时，是CNC系统与伺服驱动系统连接的接口模块。在数控机床中，通常由若干进给伺服系统控制的进给轴构成成形运动系统，每个坐标轴(进给轴)都有一套独立的位置控制器。该位置控制器的作用是:接收CNC插补运算后输出的位置控制命令，如△x、△y、△z等，经相应调节运算(位置控制通常是比例调节运算)输出速度控制指令，然后进行相应的变换后(D/A转换)，输出速度指令电压给速度控制单元，去控制伺服电动机运行;对于闭环控制或半闭环控制，它还要回收实际位置信号和实际速度信号，以供位置和速度闭环控制运算使用。目前，常用的位置控制模块有如下类型。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(1)开环位置控制模块开环控制系统的驱动电动机是步进电动机，该控制模块的硬件结构如图2-11所示。数字/脉冲变换的功能是将CPU送来的进给指令(数字量)变换成相应频率(与进给速度相适应)的指令脉冲量，该功能可用具有计数器功能的芯片来实现，如8253等;脉冲整形的功能是调整输出脉冲的占空比，提高脉冲波形的质量，该功能一般由D触发器和相应的门电路组成;环行分配器的功能是将指令脉冲，按步进电动机要求的通电方式(如四相八拍、五相十拍等)进行分配，使之按规定的方式通电和断电，从而控制步进电动机旋转。光电隔离器件的功能如前所述。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构(2)闭环位置控制模块闭环控制系统所使用的驱动电动机通常是直流伺服电动机、交流伺服电动机，这类驱动电动机用于位置控制系统时，只能采用闭环控制，而不能用于开环控制。所以闭环位置控制模块的结构要比开环的复杂。闭环位置控制模块的原理枢图如图2-12所示。由图可知，该模块由以下三部分组成:返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构.速度指令电压转换部分它由锁存器、光电隔离器、D/A转换器和方向控制与功率放大器组成。锁存器接收CPU计算出的速度指令值并进行锁存，为D/A转换器提供数据;该数据经光电隔离器进行电气隔离;D/A转换器将速度指令值(数字量)转换成模拟量，经功率放大后得到速度指令电压，由它控制进给速度的大小;进给速度方向的控制则由方向控制电路来实现。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构.位置反馈脉冲回收部分它由幅值比较电路、倍频电路、展宽选通电路、光电隔离器和计数器组成。幅值比较电路接收来自光电脉冲编码盘的三组脉冲信号(A、A、B、B、Z、Z),输出A、B、Z三相脉冲。幅值比较电路的作用一是改善脉冲波形的前沿，二是滤掉由长线传愉而引入的干扰信号;A、B两相经四倍频器后，从CK端愉出的波形频率是A或B的四倍，Q端愉出电动机旋转方向的信号。当A超前B，电动机正向旋转时，Q=0;反之，Q=1。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构此信号作为方向选通信号;CK端愉出的脉冲经展宽电路后，送入选通电路，该电路根据Q的极性分别将反馈脉冲送入正向计数器或负向计数器;经光电隔离器后，计数器对反馈脉冲进行计数，CPU则定时从该计数器读取计数值，经运算处理即可得到电动机的实际位移值。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构·速度反馈电压转换部分进给伺服系统的速度控制单元需要一个速度反馈电压，以形成速度闭环。如图2-12的右上部分所示，由四倍频器CK端愉出的脉冲频率正比于电动机的转速，利用线性的频率/电压转换(F/V变换)电路可将该脉冲信号转换成正比于电动机转速的电压信号，经后面的方向控制和功率放大电路变换，即可获得带极性的速度反馈电压信号Vg。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构

图2-12所示的闭环位置控制模块是不带CPU的，因此，位置环的调节运算是CNC系统的CPU进行的，由于时间的限制，调节运算的算法只能采用较简单的，以满足CNC系统实时性的要求，一般采用比例调节。现在也有些位置控制模块自带CPU，则调节运算就在模块内进行，因而具有较大的灵活性，它可利用CPU的处理能力，采用一些调节效果好的算法，如比例加前馈算法、变结构算法、模糊控制算法等，以提高进给伺服系统的性能。返回下一页上一页第二节CNC系统的硬件结构8.功能接口模块该模块是实现用户特定功能要求的接口板，如对仿形数控铣床需增加仿形控制器、激光切割机的焦点自动跟踪功能(Z轴浮动控制器)、刀具监控系统中的信号采集器等。所有增加的功能，必须在CNC系统中增加相应的接口板才能实现。就目前的情况而言，用户特殊的功能要求，必须向CNC系统的生产厂家定制，一般来讲，用户是无法自行开发的。其原因是由于现在的CNC系统是封闭的，而不是开放的。现在数控技术的发展趋势之一就是研究开放式结构的CNC系统，一旦研制成功并推广使用，用户即可根据自己的要求来增减CNC系统的功能，这正是人们所追求的目标。返回上一页第三节CNC系统的软件结构CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可看成是一个个功能模块，模块之间存在着耦合关系;从时间上来讲，各功能模块之间存在一个时序配合问题。在设计CNC系统软件时，如何组织和协调这些功能模块，使之满足一定的时序及逻辑关系，就是CNC系统软件结构要考虑的问题。返回下一页第三节CNC系统的软件结构一、CNC系统软件、硬件功能界面CNC系统是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供支持环境。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，但是，硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点:·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。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构因此，哪些功能应由硬件实现，哪些功能应由软件实现，即如何合理确定软件、硬件的功能分担是CNC系统结构设计的重要任务。这就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。通常功能界面划分的准则是系统的性能价格比。图2-13是数控系统功能界面的几种划分方法。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构这四种功能界面是CNC系统在不同时期、不同产品的划分。其中后面两种是现在的CNC系统常用的两种方案。由图可知，划分方案从Ⅰ~Ⅳ，软件所承担的任务越来越多，硬件承担的任务越来越少。这主要是因为计算机技术在数控领域的广泛应用，并且随着计算机技术的发展，计算机的运算处理能力不断增强，使软件的运行效率大大提高，这就为用软件实现数控功能提供了技术上的支持;另一方面，随着数控技术的发展，人们对数控功能的要求也越来越高，若用硬件来实现这些功能不仅结构复杂，而且柔性差，有时甚至不可能，而用软件实现则具有较大的灵活性。因而用相对较少且标准化程度高的硬件，配以功能丰富的软件模块，构成CNC系统是当今数控技术发展的趋势。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构二、CNC系统的数据转换流程CNC系统软件的主要任务之一就是如何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。其数据转换的过程如图2-14所示。下面我们将以直线加工为例，从数据流的角度来考查CNC系统中数据的转换过程(圆弧以及其他曲线加工的数据转换流程大致是相同的)。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构1.译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式(通常用ASCII码)表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序(本例是指刀补处理程序)所要求的数据结构(格式)。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括X、Y、Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。一个译码缓冲区数据结构的例子如下:返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构在程序中一般都有若干个由这种结构组成的程序缓冲区组，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送人缓冲区组中空闲的一个。后续程序(如刀补程序)从该缓冲区中获取程序信息进行工作。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构2.刀补处理用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序，它主要进行以下几项工作:·根据绝对坐标(G90)或增量坐标(G91)，计算零件轮廊的终点坐标值;返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构.根据刀具半径和刀具半径补偿的方向(G41/42)，计算刀具半径补偿后本段刀具中心轨迹的终点坐标值;.根据本段与前段的连接关系，进行段间连续处理。经刀补处理程序转换的数据存放在刀补缓冲区中，以供后续程序之用。刀补缓冲区与译码缓冲区的结构相似，这里不再赘述。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构3.速度预处理该程序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。速度处理程序主要完成以下儿步计算:(1)计算本段总位移量对直线则计算其合成位移量，对圆弧就计算其总角位移量。这个数据供插补程序判断减速起点或终点之用。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构(2)计算每个插补周期内的合成进给量

△L=F△t/60式中，F是进给速度值(mm/min)，△t是数控系统的插补周期(ms)。经速度预处理程序转换的数据存放在插补缓冲区中，以供插补程序之用。以上两步有时统称插补预处理。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构4.插补计算本程序以系统规定的插补周期vt定时运行，其主要功能是:(1)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:

△L1=△Lx修调值(2)将△L1按插补的线形(直线、圆弧等)和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各进给轴的位置控制指令(△xi,△yi,…)。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。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构5.位置控制处理位置控制数据转换流程如图2-15所示。位置控制处理主要进行各进给轴跟随误差(△x3,△y3)的计算，并进行调节处理，其输出为位移速度控制指令(vx,vy)。返回下一页上一页第三节CNC系统的软件结构位置控制完成以下几步计算。(1)计算新的位置指令坐标值

(2)计算新的位置实际坐标值

返回下一页上一页第三节CNC