數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

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1、第2章 數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng),本章主要內(nèi)容 2.1 典型數(shù)控系統(tǒng)介紹 2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理 2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 2.5 數(shù)據(jù)處理 2.6 數(shù)控系統(tǒng)的插補原理 2.7 逐點比較法,本章知識點,1典型數(shù)控系統(tǒng)：FANUC、SIEMENS和HNC- 21的簡介 2數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理 3數(shù)控系統(tǒng)軟件的特點與結(jié)構(gòu)模式 4零件程序的輸入、譯碼、刀具補償和處理用緩沖 區(qū)等數(shù)據(jù)處理 5. 可編程控制器（PLC）的相關(guān)知識 6數(shù)控系統(tǒng)的插補原理與插補方法。 7常用插補法方法：逐點比較法的介紹,下一頁,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.1 FANUC數(shù)控系

2、統(tǒng)介紹 日本FANUC公司生產(chǎn)的CNC產(chǎn)品主要有FS0、FS3、FS6、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我國用戶使用的系列主要有FS0、FS15、FS16、FS18、FS21/210等。 1FS0系列 1985年FANUC公司推出了FS0系列面板裝配式數(shù)控系統(tǒng)，它的主要特點是體積小、價格低，適用于機電一體化的數(shù)控機床。FS0系列數(shù)控一般由主電路板、PLC板、附加I/O板、圖形控制板和電源組成。,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,FS0系列數(shù)控系統(tǒng)有多種規(guī)格。常用的數(shù)控系統(tǒng)型號有：FS0-MA/MB/MEA/MC/MF用于加工中心、數(shù)控銑床和

3、鏜床； FS0-TA/TB/TEA/TC/TF用于數(shù)控車床； FS0-TTA/TTB/ TTC用于一個主軸雙刀架或兩個主軸雙刀架的四軸數(shù)控車床； FS0-GA/GB用于數(shù)控磨床； FS0-用于回轉(zhuǎn)頭壓力機。 其中，T型用于單刀架單主軸的數(shù)控車床；TT型用于單主軸雙刀架或雙主軸雙刀架的數(shù)控車床；M型用于數(shù)控銑床或加工中心；G型用于數(shù)控磨床；F型是對話型數(shù)控系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2FS6系列 1979年推出的FS6系列數(shù)控系統(tǒng)，是具備一般功能和部分高級功能的中級型CNC系統(tǒng)。其中，6M適用于數(shù)控銑、鏜床和加工中心；6T適用于數(shù)控車床。 3FS10/11/12系列 1

4、984年推出的FS10/11/12系列數(shù)控系統(tǒng)為多微處理器控制系統(tǒng)。FS10/11/12系列數(shù)控系統(tǒng)適用于大、中型數(shù)控機床，具有很多規(guī)格，可用于各種機床，規(guī)格型號有M型、T型、TT型和F型。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,4FS15系列 1987年FANUC公司推出新的FS15系列多微處理器控制數(shù)控系統(tǒng)，稱之為AI-CNC系統(tǒng)（人工智能數(shù)控系統(tǒng)）。它適用于大型機床、復(fù)合機床的多軸控制和多系統(tǒng)控制。 5FS16系列 FS16系列是功能上位于FS15系列和FS0系列之間的最數(shù)控系統(tǒng)，在作為控制用的32位復(fù)合指令集計算機CISC（Complex Instruction Set Com

5、puter）上又增加了32位精減指令集計算機RISC（Reduced Instruction Set Computer）。FS16系列采用高速32位FANUC BUS和TFT彩色液晶薄型顯示器等新技術(shù)。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,6FS18系列 FS18系列是緊接著FS16系列推出的32位數(shù)控系統(tǒng)，在功能上也是位于FS15系列和FS0系列之間，但低于FS16系列。 7FS21/210系列 FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系統(tǒng)，該系統(tǒng)常用的數(shù)控系統(tǒng)型號有FANUC 21i-MA/MB、FANUC 21i-TA/TB等。本系列的數(shù)控系統(tǒng)適用于中、小型數(shù)控機床。,上

6、一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.2 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)介紹 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)是由德國SIEMENS公司生產(chǎn)，產(chǎn)品主要有SINUMERIK 3、SINUMERIK 8、SINUMERIK 810、SINUMERIK 820、SINUMERIK 850、SINUMERIK 880、SINUMERIK 840、SINUMERIK 802等系列。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,1SINUMERIK 3系列 SINUMERIK 3系列數(shù)控系統(tǒng)適用于各種機床控制，有M型、T型、TT型、G型和N型等。此外，3T系統(tǒng)借助于轉(zhuǎn)換功能，可使一般的數(shù)控車床變成一個柔性車

7、削中心。 SINUMERIK 3系列數(shù)控系統(tǒng)主要由中央處理單元、存儲器模塊、操作面板接口、外部連接接口、PLC中央處理單元、PLC存儲模塊、編程器接口、邏輯模塊及各種輸入/輸出模塊等組成。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2SINUMERIK 8系列 SIEMENS公司于20世紀(jì)80年代初期推出，適用于各種數(shù)控機床。 SINUMERIK 8系列數(shù)控系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源模塊、存儲模板、各種位置控制模板、測量接口模板、操作面板、電源模板和譯碼電路模板、PLC與CNC接口模板、PLC和CNC信號傳遞模板及系統(tǒng)軟件模板等組成。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,3SINUMERIK 810/

8、820系列 SIEMENS公司于20世紀(jì)80年代中期推出，該系列產(chǎn)品分為M、T、G型等。其中M型用于數(shù)控鏜床、銑床和加工中心；T型用于數(shù)控車床；G型用于數(shù)控磨床。此系統(tǒng)一般用于中、小型數(shù)控機床。 SINUMERIK 810/820系列數(shù)控系統(tǒng)由CPU模塊、位置控制模塊、系統(tǒng)程序存儲器模塊、文字圖形處理模塊、接口模塊、I/O模塊、CRT顯示器及操作面板組成。 如P50圖2-2所示為SINUMERIK 810數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,4SINUMERIK 850/880系列 20世紀(jì)80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 850/880系列數(shù)控系統(tǒng)。該系列產(chǎn)品適用于

9、高度自動化水平的機床及柔性制造系統(tǒng)，有850M、850T、880M和880T等規(guī)格。SINUMERIK 850/880最多可控制30個主、輔坐標(biāo)軸和6個主軸，可實現(xiàn)16個工位聯(lián)動控制。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,5SINUMERIK 802系列 20世紀(jì)90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 802系列數(shù)控系統(tǒng)。 其中802S和802C是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，可帶3個進(jìn)給軸。802S采用帶有脈沖及方向信號的步進(jìn)驅(qū)動接口，可配接STEPDRIVEC/C+步進(jìn)驅(qū)動器和五相混合式步進(jìn)電機或FMSTEPDRIVE步進(jìn)驅(qū)動器和1FL3系列三相步進(jìn)電動機，如P51 圖2-3

10、所示為SINUMERIK 802S數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；802C則包含有傳統(tǒng)的-10V10V接口，可配接SIMODRIVE611驅(qū)動裝置。802S/C除了3個進(jìn)給軸外，都有一個-10V+10V接口，用于連接主軸驅(qū)動。 SINUMERIK 802S/C包含操作面板、機床控制面板、CNC單元及PLC模塊，可安裝在通用的安裝導(dǎo)軌上。 SINUMERIK 802D是數(shù)字式的數(shù)控系統(tǒng)，可控制最多4個數(shù)字進(jìn)給軸和一個主軸。如P52圖2-4所示。數(shù)控系統(tǒng)通過PROFIBUS總線與I/O模塊和數(shù)字驅(qū)動模塊相連接，主軸通過模擬接口控制。SINUMERIK 802S/802C/802D采用SIMATIC S7-200PL

11、C指令集對系統(tǒng)內(nèi)部PLC進(jìn)行編程。,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,2.1.3 HNC-21數(shù)控系統(tǒng)介紹 國產(chǎn)華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)采用基于工業(yè)計算機作為硬件平臺的開放式體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)路線，充分利用PC軟、硬件的豐富資源，通過軟件技術(shù)的創(chuàng)新，實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)的突破。如圖2-5所示為華中“世紀(jì)星”系列產(chǎn)品。 1“世紀(jì)星”系統(tǒng)配置主要特點如下： （1）基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)，先進(jìn)的開放式體系結(jié)構(gòu)?？膳c數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心、車銑復(fù)合等機床配套。 （2）“世紀(jì)星”系統(tǒng)有普及型（HNC-21）和功能型（HNC-22）兩個系列，可配6個進(jìn)給軸，最大聯(lián)動軸數(shù)為6軸。進(jìn)給軸控制接口類型有脈沖、模擬、串口等多種類型

12、，可連接多種伺服電機和步進(jìn)電機。既可用作半閉環(huán)、閉環(huán)控制，也可用作開環(huán)控制。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（3）系統(tǒng)配置7.7英寸彩色液晶顯示器（分辨率640480象素），也可配10.4英寸TFT彩色液晶顯示器（分辨率640480象素），畫面美觀、清晰、直觀。 （4）可選配電子盤、硬盤、軟驅(qū)、網(wǎng)絡(luò)等存儲器，極大地方便用戶的程序輸入。用戶程序可斷電儲存容量達(dá)16MB。程序存儲個數(shù)無限制,直至存儲器寫滿。 （5）標(biāo)準(zhǔn)配置40路輸入和32路輸出，不需擴(kuò)展即可滿足大部分?jǐn)?shù)控車、銑和加工中心的控制要求，并可根據(jù)需要擴(kuò)展到128路輸入和128路輸出。 （6）面板包含標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車、銑床操作按

13、鈕和狀態(tài)指示燈，使用戶操作直觀明了。顯示屏亮度具有手動和自動調(diào)節(jié)功能。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（7）DNC接口通訊功能，DNC最大速度115.2KB/S；可選配局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）連接功能，可實現(xiàn)數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)速度可達(dá)10100MB/S。 2“世紀(jì)星”系統(tǒng)功能主要特點如下： （1）編程語言采用國際通用的G代碼編程，具有直線、圓弧、螺旋線插補功能，支持程序的旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具補償、宏程序、子程序調(diào)用、多種坐標(biāo)系設(shè)定等功能。支持MasterCAM、UG、ProE和CAXA等CAD/CAM系統(tǒng)生成的數(shù)控加工程序。 （2）支持公制/英制輸入，絕對值/增量值編程，每分鐘/每

14、轉(zhuǎn)進(jìn)給和直徑/半徑編程等功能。,上一頁,下一頁,返回,3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（3）提供多種固定循環(huán)和復(fù)合循環(huán)，數(shù)控車床內(nèi)（外）徑粗車復(fù)合循環(huán)支持凹槽加工功能。固定循環(huán)和復(fù)合循環(huán)的使用可以用一個程序段來完成一個加工循環(huán)，使編程大大簡化。 （4）數(shù)控車床支持倒角（直角、圓角）、螺紋切削，螺紋切削具有多頭螺紋加工功能，并可加工變螺距螺紋。數(shù)控銑床既支持柔性攻絲也支持剛性攻絲，剛性攻絲的使用提高了加工效率, 保證螺紋精度。 （5）支持恒線速度切削功能，根據(jù)刀尖的位置自動變化主軸速度，使切削線速度保持恒定，以滿足工件加工的工藝要求，大大提高精加工面粗糙度，延長刀具的使用壽命。,上一頁,下一頁,返回,

15、3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（6）具有小線段連續(xù)高速加工功能（G64）和準(zhǔn)確定位功能（G61），加減速控制采用S曲線加減速。G64支持程序超前預(yù)處理，超前預(yù)讀程序，將小線段按連續(xù)軌跡高速進(jìn)給，根據(jù)拐角大小，自適應(yīng)控制進(jìn)給速度，保證拐點處的誤差小于跟蹤誤差的允差設(shè)定，特別適合加工CAD/CAM生成的復(fù)雜模具加工程序。 （7）8重子程序調(diào)用，宏程序支持邏輯運算符（AND、OR、NOT）、函數(shù)（SIN、COS、TAN、ATAN、ATAN2,、ABS、INT、SQRT、EXP）、條件判別語句（IF、ELSE、ENDIF）和循環(huán)語句（WHILE、ENDW），可實現(xiàn)復(fù)雜的運算，功能強大。用戶使用變量進(jìn)行算術(shù)

16、、邏輯和函數(shù)的混合運算，可編制各種復(fù)雜的零件加工程序，減少甚至免除繁瑣計算，大大精簡程序量。,上一頁,下一頁,返回,3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本原理,（8）支持單、雙向螺距補償和反向間隙補償，螺距補償數(shù)據(jù)最多可達(dá)256點。具有跟蹤誤差允差設(shè)定與報警功能，數(shù)控系統(tǒng)實時監(jiān)控機床實際坐標(biāo)，對機床的非正常運行狀態(tài)進(jìn)行報警。 （9）具有斷點保存與恢復(fù)功能，大零件程序加工可分時段加工，系統(tǒng)記憶上次中斷加工時的狀態(tài)，為用戶提供極大的方便。 （10）三維圖形實時顯示刀具軌跡和零件形狀，界面實時加工參數(shù)顯示，包括坐標(biāo)位置（機床、工件、相對）、跟蹤誤差、剩余進(jìn)給、M、S、T和進(jìn)給速度、倍率等，顯示內(nèi)容豐富。 （11）空運

17、行和圖形化程序校驗功能，方便加工代碼的編制和檢驗。具有后臺編程功能。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,（12）具有進(jìn)給修調(diào)、快速修調(diào)和主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)三種控制功能，修調(diào)范圍達(dá)到10150。 （13）系統(tǒng)采用漢字用戶界面，提供完善的在線幫助功能（程序代碼和幫助圖例），操作簡便，易于掌握和使用。 （14）支持自動換刀、刀具長度補償和刀尖半徑補償。數(shù)控車床系統(tǒng)支持多種對刀方式（相對刀偏和絕對刀偏），刀補具有圓弧半徑補償，滿足高精度加工的要求。 （15）支持指定程序行加工、任意程序行加工和程序跳段功能，加工代碼的控制更加方便、靈活。 （16）提供二次開發(fā)接口，可按用戶要求定制控制系統(tǒng)的功能，

18、適合專用機床控制系統(tǒng)的開發(fā)。,上一頁,下一頁,返回,2.1典型數(shù)控系統(tǒng)介紹,其它數(shù)控系統(tǒng)介紹 除了以上的三種系統(tǒng)，還有： 日本的Mitsubishi（三菱）控制系統(tǒng) 美國的ALLEN-BRADLEY（A-B）系統(tǒng) 西班牙的FAGOR（發(fā)格）系統(tǒng) 美國的CINCINNATI（辛辛那提）系統(tǒng) 日本的OKUMA（大隈）系統(tǒng) 法國的Num（紐目）系統(tǒng) 德國的Heidenhain（海德漢）系統(tǒng) 德國的DECKEK控制系統(tǒng) 意大利的FIDIA系統(tǒng) 德國的HELLER系統(tǒng)和美國的馬豪數(shù)控系統(tǒng)等。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是由各種邏輯元件、

19、記憶元件組成的邏輯電路，是固定接線的硬件結(jié)構(gòu)，由元件實現(xiàn)全部數(shù)控功能。從外部看，數(shù)控系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成，如圖2-6所示。 數(shù)控系統(tǒng)的控制精度主要取決于硬件，而控制功能主要取決于軟件。 數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制、幾何數(shù)據(jù)處理以及零件程序的執(zhí)行均由CPU統(tǒng)一控制，即數(shù)控系統(tǒng)為軟件控制系統(tǒng)。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成如圖2-7所示。主要由操作面板、輸入/輸出裝置、計算機數(shù)控裝置、伺服單元、驅(qū)動裝置、可編程邏輯控制器PLC等組成。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,1操作面板 操作面板是操作人員與機床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行信

20、息交流的工具，它由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤類似）和顯示器組成。數(shù)控系統(tǒng)一般采用集成式操作面板，分為三大區(qū)域：顯示區(qū)，NC鍵盤區(qū)和機床控制面板區(qū)。如圖2-8所示。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2輸入/輸出裝置 輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的數(shù)字信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。 輸出裝置的作用是顯示加工過程中必要的信息，如坐標(biāo)值、報警信號等。 數(shù)控機床加工的過程是機床數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流的過程，輸入、輸出裝置就是這種人機交互設(shè)備，典型的有鍵盤和顯示器。計算機數(shù)控系統(tǒng)還可以用通訊的方式進(jìn)行信息的交換，這是實現(xiàn)CAD/CAM集成、F

21、MS和CIMS的基本技術(shù)。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,通常采用的通訊方式有： （1）串行通訊（RS232等串行通訊接口）。 （2）自動控制專用接口和規(guī)范（DNC和MAP等）。 （3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（INTERNET和LAN等）。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,3計算機數(shù)控裝置（CNC裝置） 數(shù)控裝置是計算機數(shù)控系統(tǒng)的核心，它包括微處理器CPU、存儲器、局部總線、外圍邏輯電路及與數(shù)控系統(tǒng)其它組成部分聯(lián)系的接口及相應(yīng)控制軟件。如P54圖2-9所示。 數(shù)控裝置輸出的信號有各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度，進(jìn)給方向和位移指令，還有主軸的變速，換向和啟停信號，選擇和交

22、換刀具的指令，控制冷卻液，潤滑油啟停，工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉(zhuǎn)位輔助指令信號等。如圖2-10所示為典型數(shù)控系統(tǒng)面板，分別為FANUC 0i、華中世紀(jì)星HNC-21T及西門子802S數(shù)控裝置。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,4伺服單元 伺服單元分為主軸伺服和進(jìn)給伺服，分別用來控制主軸電動機和進(jìn)給電動機。伺服單元接收來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令，這些指令經(jīng)變換和放大后通過驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)變成執(zhí)行部件進(jìn)給的速度、方向、位移。因此伺服單元是數(shù)控裝置與機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數(shù)控裝置的微弱指令信號放大成控制驅(qū)動裝置的大功率信號。 伺服單元就其系統(tǒng)而言又有開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系

23、統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之分，其工作原理亦有差別。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,5驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置將伺服單元的輸出變?yōu)闄C械運動，它與伺服單元一起是數(shù)控裝置和機床傳動部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它們有的帶動工作臺，有的帶動刀具，通過幾個軸的綜合聯(lián)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。 與伺服單元相對應(yīng)，驅(qū)動裝置有步進(jìn)電機，直流伺服電機和交流伺服電機等。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,6可編程控制器（PLC） 可編程控制器（PLC）是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)

24、部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程。 當(dāng)PLC用于控制機床順序動作時，稱為PMC(Programmable Machine Controller)模塊，它在數(shù)控裝置中接收來自操作面板，機床上的各行程開關(guān)，傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制，刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運行。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點 1、靈活性 這是數(shù)控系統(tǒng)的突出優(yōu)點。對于數(shù)控系統(tǒng)，只要改變相應(yīng)的控制程序就可以補充和開發(fā)新的功能，并不必制造新的硬件

25、。數(shù)控系統(tǒng)能夠隨著工廠的發(fā)展而發(fā)展，也能適應(yīng)將來改變工藝的要求。在數(shù)控設(shè)備安裝之后，新的技術(shù)還可以補充到系統(tǒng)中去，這就延長了系統(tǒng)的使用期限。因此，CNC系統(tǒng)具有很大的“柔性”靈活性。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點 2、通用性 在 CNC 系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)，依靠軟件變化來滿足被控設(shè)備的各種不同要求。采用標(biāo)準(zhǔn)化接口電路，給機床制造廠和數(shù)控用戶帶來了許多方便。于是，用一種 CNC 系統(tǒng)就可能滿足大部分?jǐn)?shù)控機床 (包括車床、銑床、加工中心、鉆鏜床等) 的要求，還能滿足某些別的設(shè)備應(yīng)用。當(dāng)用戶要求某些特殊功能時，僅僅是改變某些軟件而已。由于在工廠中使用同一類型

26、的控制系統(tǒng)，培訓(xùn)和學(xué)習(xí)也十分方便。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點 3、可靠性 在CNC系統(tǒng)中，由于許多功能都由軟件實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)所需元器件數(shù)目大為減少，整個系統(tǒng)的可靠性大大改善，特別是隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的采用，系統(tǒng)可靠性更為提高。 據(jù)美國第13屆 NCS 年會統(tǒng)計的世界上數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間是：硬線NC系統(tǒng)為136h ，小型計算機CNC系統(tǒng)為984h ，而微處理機 CNC 系統(tǒng)據(jù)日本發(fā)那科公司宣稱已達(dá)23000h 。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點 4、易于實現(xiàn)許多復(fù)雜的功能 CNC 系統(tǒng)可以利用計算機的高度計算

27、能力，實現(xiàn)一些高級的復(fù)雜的數(shù)控功能。刀具偏移、英公制轉(zhuǎn)換、固定循環(huán)等都能用適當(dāng)?shù)能浖绦蛴枰詫崿F(xiàn)；復(fù)雜的插補功能，例如拋物線插補、螺旋線插補等也能用軟件方法來解決；刀具補償也可在加工過程中進(jìn)行計算；大量的輔助功能都可以被編程；子程序概念的引入，大大簡化了程序編制。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的特點 5、使用維修方便 CNC 系統(tǒng)的一個吸引人的特點是有一套診斷程序，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，減少了維修的停機時間。 另外，還可以備有數(shù)控軟件檢查程序，防止輸入非法數(shù)控程序或語句，這將給編程帶來許多方便。 有的CNC系統(tǒng)還有對話

28、編程、藍(lán)圖編程，使程序編制簡便，不需很高水平的專業(yè)編程人員。,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的基本原理 CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家編制好CNC控制軟件（也稱為系統(tǒng)程序）后，都要把它固化在ROM（EPROM）（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）中，系統(tǒng)接上電源后即自動由CPU按照此固化的程序運行。,上一頁,下一頁,返回,2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成與基本原理,數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制零件程序的執(zhí)行，其他任務(wù)可以說是為了更好地完成這一任務(wù)而進(jìn)行的輔助和配合。 一個零件程序的執(zhí)行首先要輸入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補和位置控制，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)

29、控系統(tǒng)輸出的指令驅(qū)動機床完成加工。 如圖2-11所示為數(shù)控系統(tǒng)的工作過程。,上一頁,下一頁,返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件類型 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，按其中含有CPU的多少可劃分為單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)。 1.單機系統(tǒng) 是指整個數(shù)控系統(tǒng)只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種數(shù)控功能。 其特點是投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但系統(tǒng)功能受CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等的限制，現(xiàn)已被多機系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所替代。,上一頁,下一頁,返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.多機系統(tǒng) 是指整個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些

30、功能模塊自身也帶有CPU。根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為： （1）主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)中只有一個CPU( 稱為主CPU) 對系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)，其它帶CPU 的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU 發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一個CPU處于主導(dǎo)地位，其它CPU處于從屬地位，故稱之為主從結(jié)構(gòu)。,上一頁,下一頁,返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),（2）多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合（即均掛在系統(tǒng)總線上，集中在一個機箱內(nèi)）有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器（軟件和硬件）來解決總線爭用問題，通過公共存儲器

31、進(jìn)行交換信息。 （3）分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環(huán)境（系統(tǒng)總線、存儲器、操作系統(tǒng)等），模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，且采用通訊方式交換信息。,上一頁,下一頁,返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.2 單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的硬件介紹 單機系統(tǒng)按組成數(shù)控裝置的電路板的結(jié)構(gòu)特點可分為大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。 大板式結(jié)構(gòu)的特點是：CNC裝置內(nèi)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等，其他相關(guān)子板，如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。大板式結(jié)構(gòu)的CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、價格低、有很高的性

32、能價格比。A-B公司的8601就是大板式結(jié)構(gòu)的CNC。,上一頁,下一頁,返回,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),模塊化結(jié)構(gòu)的特點是：將CPU、存儲器、輸入輸出控制、位置檢測、顯示部件等分別做成插件板，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。硬件模塊形成一個特定的功能單元，成為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此間可進(jìn)行信息交換。模塊化結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用有FANUC公司的15系統(tǒng)、A-B公司的8600 CNC、FAGOR的8050 CNC等。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),如圖2-12所示是單機或主從結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。 數(shù)控裝置是按模塊化設(shè)計的方法構(gòu)造

33、的。這類數(shù)控系統(tǒng)的硬件由具有若干功能不同的模塊組成，這些模塊既是系統(tǒng)的組成部分，又有相對的獨立性，即具有模塊化結(jié)構(gòu)。模塊化結(jié)構(gòu)對數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)以及維修都有極大好處。實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的方法稱為模塊化設(shè)計方法。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),模塊化設(shè)計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨立功能的單元模塊，并配上相應(yīng)的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設(shè)計的條件是總線(BUS) 標(biāo)準(zhǔn)化。采用模塊化結(jié)構(gòu)時，

34、CNC系統(tǒng)設(shè)計工作則可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。 下面從功能方面討論一下圖2-12所示數(shù)控系統(tǒng)中各硬件模塊的作用。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),1. 計算機主板和系統(tǒng)總線(母板) 計算機主板。 P60如圖2-13，計算機主板是CNC裝置的核心。數(shù)控系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)在功能上完全與普通標(biāo)準(zhǔn)PC機一樣，各硬件模塊也與PC機總線標(biāo)準(zhǔn)兼容，只是在結(jié)構(gòu)上稍有不同：主板與系統(tǒng)總線（母板）是分離的，即系統(tǒng)總線是一單獨的無源母板。主板做成插卡形式，集成度更高，即All-In-One主板。 計算機主板的主要作用： 對輸入到CNC裝置中的各種數(shù)據(jù)、信息( 零件加工程序，各種I/O信息等) 進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運算。

35、并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),系統(tǒng)總線(母板) ： 是由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換的通道。從功能上來說可分三組： 數(shù)據(jù)總線：是各模塊之間數(shù)據(jù)交換的通道，線的根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等，是雙向總線； 地址總線：是傳送數(shù)據(jù)存放地址的總線，與數(shù)據(jù)總線結(jié)合，可以確定數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)的來源地或目的地，是單向總線； 控制總線： 是一組傳送管理和控制信號的總線，是單向總線。 一般工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12

36、槽、14槽等。 P61圖2-14為無源母板的外觀。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2. 顯示模塊(顯示卡) 顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。市場有VGA卡等 在數(shù)控系統(tǒng)中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應(yīng)其操作過程。 顯示卡的主要作用： 接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),3. 輸入/輸出模塊 ( 多功能卡) 它是數(shù)

37、控系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即數(shù)控系統(tǒng)通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)控裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。 該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是標(biāo)準(zhǔn)主板，則此板可省略。 輸入設(shè)備有：軟盤驅(qū)動器； 輸出設(shè)備有：打印機； 輸入/輸出設(shè)備有：磁盤驅(qū)動器、磁帶機。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),若將以上三部分（計算機主板和系統(tǒng)總線、顯示模塊、輸入/輸出模塊），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統(tǒng)，它是數(shù)控裝置的核心，從某種意義上講，數(shù)控裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，數(shù)控裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的。,2.3 數(shù)控系

38、統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),4. 電子盤(存儲模塊) 電子盤存儲內(nèi)容。電子盤是數(shù)控裝置特有的存儲模塊。在數(shù)控裝置中它用來存放下列數(shù)據(jù)和參數(shù)：系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進(jìn)給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等) ；用戶的零件加工程序。 存儲器的種類。目前，計算機領(lǐng)域所用存儲器件有三類： 磁存儲器件，如：軟/硬磁盤（讀/寫）； 光存儲器件，如：光盤（只讀）； 電子（半導(dǎo)體）存儲器件，如 RAM 、ROM 、FLASH 等。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。 電子存儲器件一般用作內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類： 只讀存儲

39、元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）。特點是只能讀出存放的數(shù)據(jù)，不能隨時修改數(shù)據(jù)。用于固化調(diào)試通過了的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數(shù)。 易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。特點是可以隨時對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，一旦掉電存儲信息將會丟失。有動態(tài)和靜態(tài)之分，動態(tài)：價格低、速度慢，主要用作計算機系統(tǒng)的內(nèi)存；靜態(tài)：價格高，速度快，用作計算機系統(tǒng)的緩存器Cache。 非易失性讀寫存儲元件。特點是可以隨時對其進(jìn)行讀寫操作，即使掉電，信息不會丟失。主要用作存放系統(tǒng)的配置參數(shù)，零件加工程序。 這類器件有：E2PROM ；FLASH ；帶后備電池的RAM 。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),在數(shù)控系統(tǒng)中，常采用電

40、子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到數(shù)控系統(tǒng)的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。 因Flash組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進(jìn)行的，故稱其為電子盤。常用USB接入，外存儲器又稱為U盤。電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB，128MB，256MB等。目前U盤容量可達(dá)幾個GB。P63 圖2-18所示為電子盤的邏輯框圖。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),5. 設(shè)備輔助控制接口模塊PLC(Programmable Logic Controller)模塊 數(shù)控系統(tǒng)的控制有兩類：一類是對各坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”；

41、一類是對設(shè)備動作的“順序控制”。 數(shù)控機床的“順序控制”是指數(shù)控機床運行中，以數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的啟停、換向，刀具的加緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進(jìn)行控制。 PLC模塊：數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)順序控制的模塊。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),從P63圖2-19可以看出PLC 模塊的作用： 接收來自操作面板、機床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運行。 數(shù)控系統(tǒng)與被控設(shè)備交換的信息有三類： 開關(guān)量信號、模擬量信號、脈沖量信號。 上述信號由于

42、其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與數(shù)控系統(tǒng)相連，需要一個接口（設(shè)備輔助控制接口）對這些信號進(jìn)行變換處理。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),信號變換處理的目的是： 進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以滿足數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出要求。 阻斷外部的干擾信號進(jìn)入計算機，在電氣上將數(shù)控系統(tǒng)與外部信號進(jìn)行隔離，以提高數(shù)控系統(tǒng)運行的可靠性。 因此，設(shè)備輔助控制接口模塊必須能完成兩個任務(wù)： 電平轉(zhuǎn)換和功率放大； 電氣隔離；,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),目前，設(shè)備輔助控制接口的實現(xiàn)方式有： 簡單I /O接口板。如P63圖2-19所示。在改接口電路中，光電隔離器件起電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換作用；調(diào)理電路對輸入信號進(jìn)行整形濾波等處理

43、。 PLC控制。這是目前數(shù)控系統(tǒng)采用最為廣泛的一種方式。它的基本結(jié)構(gòu)如P64圖2-20所示。數(shù)控機床用的PLC 一般分為兩類： 內(nèi)裝型（Built-in Type ）PLC（或集成式、內(nèi)含式） 獨立型（Stand-alone Type ）PLC（或通用型）,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),6. 位置控制模塊 位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC 裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。如P65圖2-23所示。 常用的位置控制模塊有： 開環(huán)位置控制模塊：CNC 裝置與步進(jìn)電機驅(qū)動電源的接口； 閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊：CNC 裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。,2.3

44、數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),7. 功能接口模塊 該模塊實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，要求用戶向生產(chǎn)廠家定制，無需自己開發(fā)。如： 仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2.3.3 多主結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的硬件簡介 多主CPU 結(jié)構(gòu)中，有兩個或兩個以上的CPU 部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線 仲裁器( 由硬件和軟件組成) 來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進(jìn)行信息交換。 多主結(jié)構(gòu)的特點： 能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。 容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。,2

45、.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),多主結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式： 共享總線結(jié)構(gòu)型 共享存儲器結(jié)構(gòu)型。 1.共享總線結(jié)構(gòu)型 以系統(tǒng)總線為中心，把數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊分為帶有CPU 的主模塊和從模塊 (RAM/ROM ，I/O 模塊 ) ，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上。采用總線仲裁機構(gòu) ( 電路) 來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。 如圖2-26所示。 共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高； 共享總線結(jié)構(gòu)的缺點： 總線是系統(tǒng)的“ 瓶頸” ，一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；由于使用總線要經(jīng)仲裁，使信息傳輸率降低。,2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),2

46、.共享存儲器結(jié)構(gòu)型 面向共公存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊，采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。 由于多端口存儲器設(shè)計較復(fù)雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。 如圖2-27所示。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.1 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的功能界面 數(shù)控系統(tǒng)軟件是一個典型而又復(fù)雜的實時系統(tǒng)，它的許多控制任務(wù)，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑的補償、插補運算、位置控制以及精度補償?shù)榷际怯绍浖崿F(xiàn)的。 從邏輯上講，這些任務(wù)可以看作一個個功能模塊，其間存在著耦合關(guān)

47、系；從時間上講，各功能模塊之間存在一個時序和配合問題。,上一頁,下一頁,返回,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),軟件結(jié)構(gòu)取決于CNC系統(tǒng)中的軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。在信息處理方面，軟件和硬件在邏輯上是等價的，有些由硬件能完成的工作原則上也能由軟件完成。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),但是，硬件和軟件在實現(xiàn)這些功能時各有不同的特點： 1.硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。 2.軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度相對較慢。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),所以，到底哪些功能由軟件來實現(xiàn)，哪些功能由硬件來實現(xiàn)，即如何合理確定CNC裝置軟件硬件的功能分擔(dān)是數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的

48、重要任務(wù)，這就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。 功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比。 隨著功能要求的不同，不同產(chǎn)品的軟硬件界面是不一樣的，如圖2-28所示就是數(shù)控系統(tǒng)功能界面劃分的幾種方法。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.2 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 數(shù)控系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是： 如何將由零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。 如圖2-29所示為數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1. 譯碼 ( 解釋 ) 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用 ASCII

49、 碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。 該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值；進(jìn)給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。 譯碼后的數(shù)據(jù)存放在譯碼緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.刀具補償處理(計算刀具中心軌跡) 用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),刀補處理主要進(jìn)行以下幾項工作：

50、 根據(jù)絕對坐標(biāo)/增量坐標(biāo)（G90/G91）計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值。 根據(jù)刀具半徑R和刀具半徑補償?shù)姆较颍℅41/G42），計算刀具中心軌跡的終點坐標(biāo)值； 根據(jù)本段和前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在刀補緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),3. 速度預(yù)處理（插補預(yù)處理） 速度預(yù)處理主要功能是：根據(jù)加工程序給定的進(jìn)給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量，供插補程序使用。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),速度處理程序主要完成以下幾步計算： 計算本段總位移量： 直線：合成位移量L； 圓?。嚎偨俏灰屏?。 該數(shù)據(jù)供插補程序判斷減速起點和終點之用。 計算每個插補周期內(nèi)的

51、合成進(jìn)給量： L= Ft/60 （m） 式中：F--進(jìn)給速度值（mm/min）； t--數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms） 經(jīng)速度預(yù)處理程序轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在插補緩沖區(qū)，以供插補程序使用。 以上兩步有時統(tǒng)稱為插補預(yù)處理。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),4. 插補處理 插補的概念：根據(jù)給定的信息，在理想輪廓（或軌跡）上的已知兩點之間，確定一些中間點的方法。 插補程序的主要功能： 計算插補周期的實際合成位移量： L1=L*修調(diào)值 分解L1 （X1、Y1） 將L1按插補的線形（直線，圓弧等）和本插補點所在的位置分解到各個進(jìn)給軸，作為各軸的位置控制指令（X1、Y1）。 經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放

52、在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。 插補模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期t定時運行。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),5.位置控制處理 位置控制處理主要進(jìn)行各進(jìn)給軸跟隨誤差（ X3 ，Y3）的計算，并進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，其輸出為位移速度控制指令（ VX ，VY）。 如圖2-30 所示為位置控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),位置控制完成以下幾步計算： 計算新的位置指令坐標(biāo)值： X1新= X1舊+X1；Y1新= Y1舊 +Y1； 計算新的位置實際坐標(biāo)值： X2新= X2舊+X2；Y2新= Y2舊 +Y2 計算跟隨誤差(指令位置值 實際位置值)： X3= X1新- X2新；

53、 Y3= Y1新- Y2新； 計算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),f(*)是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實現(xiàn)的。VX、VY送給伺服驅(qū)動單元，控制電機運行，實現(xiàn)數(shù)控裝置的軌跡控制。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.4.3 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的特點 1.多任務(wù)性與并行處理技術(shù) （1）數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)性 “任務(wù)”定義： 可并行執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。 數(shù)控系統(tǒng)的功能可定義為數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)，分兩大類： 管理任務(wù)：系統(tǒng)資源管理、子任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)的程序管理、顯示、診斷等子任務(wù)； 控制任務(wù)：

54、數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。如譯碼、刀補、速度預(yù)處理、插補處理、位置控制等。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)并非順序處理，而是要求多任務(wù)并行處理： 為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。,,圖2-31 多任務(wù)并行處理關(guān)系,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),比如：P73,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),（2）基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù) 并行處理定義： 系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理的方法。 采用并行處理技術(shù)的目的： 合理使用和調(diào)配CNC系統(tǒng)的資源。 提高CNC系統(tǒng)的處理速度。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),并行處理的

55、實現(xiàn)方式： 資源分時共享 并發(fā)處理和流水處理 這些實現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),資源分時共享（對單機系統(tǒng)） 在單CPU結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)。 資源分時共享在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源。 “資源分時共享”的技術(shù)關(guān)鍵（時間分配原則）： 其一：各任務(wù)何時占用CPU，即任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。 其二：各任務(wù)占用CPU的時間長度，即 時間片的分配問題。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),一般在單機系統(tǒng)中，采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先級搶占調(diào)度相結(jié)合來解決時間分配問題。,圖2

56、-32（a） CPU分時共享圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,背景程序,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖2-32（b） 各任務(wù)占用CPU 時間示意圖,,,,,,,,,,,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),資源分時共享技術(shù)的特征: 在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU； 在一個時間片（如8ms或1

57、6ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務(wù)。 因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務(wù)還是逐一執(zhí)行的,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),并發(fā)處理和流水處理（對多機系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)： 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行 并發(fā)處理； 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),流水處理技術(shù)的涵義: 流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個大的任務(wù)分成若干個子任務(wù)(任務(wù)的分法與資源

58、重復(fù)的多少有關(guān))，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),流水處理技術(shù)示意圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),由圖可以看出： 采用流水處理方式可以大大縮短了輸出的時間間隔； 在任何一個時刻（起點、終點除外），均有兩個或兩個以上的任務(wù)在并發(fā)處理；,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),并發(fā)處理和流水處理的特征： 在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個或兩個以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。 并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，是以資源重復(fù)的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價換得時間上的快速性。,2

59、.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制 1）實時性任務(wù)的定義和分類 實時性定義: 任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格時間要求（任務(wù)必須規(guī)定時間內(nèi)完成或響應(yīng)），否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤或系統(tǒng)故障的特性。 實時性任務(wù)分兩類: 強實時性任務(wù) 實時突發(fā)性任務(wù)；實時周期性任務(wù) 弱實時性任務(wù),2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),強實時性任務(wù) 實時突發(fā)性任務(wù)： 特點：任務(wù)的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件，有很強的實時性要求。主要包括故障中斷(急停，機械限位、硬件故障等)、機床PLC中斷、硬件（按鍵）操作中斷等。 實時周期性任務(wù)： 特點：任務(wù)是精確地按一定時間間隔發(fā)生的。主要包括插補運算、位置控制等任務(wù)。 為

60、保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實時性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),弱實時性任務(wù) 特點：這類任務(wù)的實時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內(nèi)得以運行即可。 在系統(tǒng)設(shè)計時，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設(shè)置成不同的優(yōu)先級（級別較低），再由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)λ鼈冞M(jìn)行合理的調(diào)度。 這類任務(wù)主要包括：CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動態(tài)顯示等。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先搶占調(diào)度機制 多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法： 循環(huán)調(diào)度法 簡單循環(huán)調(diào)度法 時間片輪換調(diào)度法 優(yōu)先調(diào)度

61、法 搶占式優(yōu)先調(diào)度法 非搶占式優(yōu)先調(diào)度法,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先搶占機制是一種基于實時中斷技術(shù)的任務(wù)調(diào)度機制。 是一種為了滿足數(shù)控系統(tǒng)實時任務(wù)的要求的調(diào)度技術(shù)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),優(yōu)先調(diào)度機制的兩個功能： 優(yōu)先調(diào)度： 在CPU空閑時，當(dāng)同時有多個任務(wù)請求執(zhí)行時，優(yōu)先級高的任務(wù)將優(yōu)先得到滿足。 搶占方式： 在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時，若另一優(yōu)先級更高的任務(wù)請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級高任務(wù)的請求。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),數(shù)控系統(tǒng)中采用的任務(wù)調(diào)度機制共有三種： 搶占式優(yōu)先調(diào)度； 時間片輪換調(diào)度； 非搶占式優(yōu)先調(diào)度。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2

62、.4.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式 結(jié)構(gòu)模式定義：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機制、任務(wù)間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。 結(jié)構(gòu)模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足數(shù)控系統(tǒng)的各種控制要求。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),目前，數(shù)控系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式有： 前后臺型結(jié)構(gòu)模式； 中斷型結(jié)構(gòu)模式； 基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),1.前后臺型結(jié)構(gòu)模式 該模式將數(shù)控系統(tǒng)軟件劃分成兩部分： 前臺程序: 主要完成插補運算、位置控制、故障診斷等實時性很強的任務(wù)，它是一個實時中斷服務(wù)程序。 后臺程序(背景程序):

63、完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/出、插補預(yù)處理等弱實時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運行的程序，在運行過程中，不斷地被前臺程序定時打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-34 前后臺程序運行關(guān)系圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),前后臺型結(jié)構(gòu)模式的特點： 任務(wù)調(diào)度機制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和順序調(diào)度。前臺程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。 前臺和后臺程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的信息交換通過緩沖區(qū)實現(xiàn)。 實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先等級、 也無搶占機制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的數(shù)控系統(tǒng)大都采用這種結(jié)

64、構(gòu)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),2.中斷型結(jié)構(gòu)模式 這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。 整個軟件就是一個大的中斷管理系統(tǒng)。模型如圖2-35所示。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-35 中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點： 任務(wù)調(diào)度機制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。 信息交換：緩沖區(qū)。 實時性好。由于中斷級別較多（最多可達(dá)8級），強實時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷服務(wù)程序中。 模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。 二十世

65、紀(jì)8090年代初的數(shù)控系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),3.基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式 實時操作系統(tǒng)（ RTOS， Real Time Operating System）是操作系統(tǒng)的一個重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實時任務(wù)調(diào)度機制（如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間的通信機制（如郵箱、消息隊列、信號燈等）等功能。由此可知，CNC系統(tǒng)軟件完全可以在實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),圖2-36 基于實時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點： 弱化功能模塊間的耦合關(guān)系

66、數(shù)控系統(tǒng)各功能模塊之間在邏輯上存在著耦合關(guān)系，在時間上存在著時序配合關(guān)系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結(jié)構(gòu)模式中，需用許多全局變量標(biāo)志和判斷、分支結(jié)構(gòu)，致使各模塊間的關(guān)系復(fù)雜。 在本模式中，設(shè)計者只須考慮模塊自身功能的實現(xiàn)，然后按規(guī)則掛到實時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點： 系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性好 從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機制，一旦開發(fā)完畢，系統(tǒng)將是完全封閉（對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此），若想對系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)充和修改將是困難的。 在本模式中，系統(tǒng)功能的擴(kuò)充或修改，只須將編寫好的任務(wù)模塊（模塊程序加上任務(wù)控制塊（TCB）），掛到實時操作系統(tǒng)上（按要求進(jìn)行編譯）即可。因而，采用該模式開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護(hù)性。,2.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點： 減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量 在數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（任務(wù)管理、調(diào)度、通信機制）的設(shè)計開發(fā)的往往是很復(fù)雜的，而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)