數(shù)控技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置課件

第4章

計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置4.1CNC簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是指對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化控制，并完成零件自動(dòng)加工的專用電子計(jì)算機(jī)。它接收零件的尺寸和工藝等信息，按照一定的算法將加工過(guò)程分解為各運(yùn)動(dòng)軸的位置控制指令，完成零件加工。數(shù)控系統(tǒng)

用數(shù)值數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，不斷引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過(guò)程的自動(dòng)控制。數(shù)控系統(tǒng)的基本組成包括控制器和驅(qū)動(dòng)裝置(JB/T8832-2001)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控的定義為“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的代碼，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件”。1第4章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置4.1CNC簡(jiǎn)介14.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（1）自從1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)誕生以后，機(jī)床進(jìn)入了數(shù)控時(shí)代。數(shù)控機(jī)床的誕生成為世界工業(yè)界一個(gè)重要的里程碑。隨著電子元器件、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置也發(fā)生了翻天覆地的變化，表現(xiàn)為硬件、軟件的發(fā)展。（1）CNC硬件的發(fā)展計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制運(yùn)算離不開電子元件的支持，最早的計(jì)算機(jī)是由電子管組成運(yùn)算單元。24.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（1）自從1952年世界上第一臺(tái)4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（2）電子管是最早期的電信號(hào)放大器，其體積大、功耗高。晶體管、集成電路發(fā)明后代替了電子管的位置，成為新的運(yùn)算器件。數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和變革也進(jìn)行了更新?lián)Q代。1952年美國(guó)MIT利用電子管成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、利用脈沖乘法器原理的試驗(yàn)性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)立式銑床上，這是世界上第一代數(shù)控系統(tǒng)。1959年，電子行業(yè)研制出晶體管器件，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)中廣泛使用晶體管和印刷電路板，數(shù)控系統(tǒng)跨入第二代。34.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（2）電子管是最早期的電信號(hào)放大4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（3）1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它的體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。1970年以前的數(shù)控裝置被稱為硬件數(shù)控（NC），主要經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路三種時(shí)期。這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置中的插補(bǔ)、軌跡控制等功能是由硬件元器件組成的電路實(shí)現(xiàn)的。1970年以后數(shù)控裝置開始以計(jì)算機(jī)作為核心硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的各種功能。由最初以小型計(jì)算機(jī)為主體發(fā)展為以微機(jī)、嵌入式微處理器等為核心組件的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。44.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（3）1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（4）這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置的譯碼、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)、位置控制由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。這一時(shí)期的數(shù)控裝置被稱作計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置或軟件數(shù)控裝置。數(shù)控裝置發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置時(shí)期后，逐漸形成單微處理器數(shù)控、多微處理器數(shù)控和開放式數(shù)控三種。前兩種數(shù)控裝置是由某一家生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立研發(fā)和生產(chǎn)的專用數(shù)控裝置，又稱為封閉式數(shù)控系統(tǒng)。54.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（4）這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置的4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（5）不同品牌的封閉式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不同，互換性差甚至根本不具備互換性。數(shù)控裝置的生產(chǎn)也僅限制在自己企業(yè)內(nèi)部完成。這都限制了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和普及。為了解決這些問(wèn)題，1987年美國(guó)提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）計(jì)劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計(jì)劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計(jì)劃。這些計(jì)劃旨在推動(dòng)國(guó)際數(shù)控裝置各功能元件的標(biāo)準(zhǔn)化，硬件系統(tǒng)組成也按照一定的體系標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。開放式數(shù)控具有明顯的優(yōu)越性，其推廣是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置發(fā)展的必然趨勢(shì)。64.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（5）不同品牌的封閉式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（6）（2）CNC加工程序軟件的發(fā)展目前的數(shù)控裝置編程幾乎全部采用ISO6983G代碼編程，這是一種面向過(guò)程的編程語(yǔ)言。比如G01是直線插補(bǔ)，G02是順時(shí)針?lè)较驁A弧插補(bǔ)。機(jī)床加工過(guò)程中的每一條路徑都需要采用程序指令編寫。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1996年開始制定新的面向?qū)ο驨C編程標(biāo)準(zhǔn)STEP-NC，2001年底成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC184工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會(huì)正式命名為ISO14649。74.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（6）（2）CNC加工程序軟件的4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（7）STEP-NC基于制造特征進(jìn)行編程，告訴CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步驟作為基本單位，將特征與技術(shù)信息聯(lián)系到一起。STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)僅完成了一部分，相關(guān)的技術(shù)包括CAD、CAM、CNC一系列問(wèn)題的研究，但其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。按照其發(fā)展趨勢(shì)，STEP-NC將可能廢棄沿用已久的G、M代碼，代之以新的數(shù)控語(yǔ)言，使得現(xiàn)場(chǎng)編程方式大為改觀84.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（7）STEP-NC基于制造特征4.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種用計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置(包括檢測(cè)裝置)等組成，如圖所示。94.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一4.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成CNC系統(tǒng)是指包括CNC裝置和驅(qū)動(dòng)控制兩部分的整體。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。CNC裝置的主要功能是正確識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序，根據(jù)加工程序生成各種控制指令，并將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)完成加工任務(wù)。驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給軸控制、機(jī)床I/O（冷卻液、照明、限位等功能）。CNC裝置與驅(qū)動(dòng)裝置之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模擬控制量、高速脈沖串、離散開關(guān)量以及通過(guò)總線的數(shù)字信號(hào)等方式傳遞指令。104.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成CNC系統(tǒng)是指包括CNC裝置4.1.3CNC裝置的組成CNC裝置的組成包括硬件和軟件兩部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床各驅(qū)動(dòng)元件（伺服電機(jī)、繼電器、氣缸等）的控制以及各傳感器（限位開關(guān)等）的信號(hào)采集和實(shí)時(shí)處理。（1）CNC裝置的硬件組成不同品牌的CNC裝置的硬件組成有所不同，但是大體包括計(jì)算機(jī)組件（CPU、內(nèi)存、硬盤、顯示器、鍵盤等）、系統(tǒng)總線、接口電路（模擬量輸入/出、數(shù)字量輸入/出、現(xiàn)場(chǎng)總線接口等）等幾部分。114.1.3CNC裝置的組成CNC裝置的組成包括硬件和軟件兩4.1.3CNC裝置的組成CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，具有CPU、存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等。其外設(shè)通常是指輸出接口及后續(xù)裝置，最主要的是輸出伺服運(yùn)動(dòng)指令推動(dòng)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。在CNC裝置中，一般將顯示器和機(jī)床操作面版做在一起，以便實(shí)現(xiàn)手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入；將CPU、存儲(chǔ)器、位置控制器、輸出接口等做在一起，構(gòu)成CNC裝置。124.1.3CNC裝置的組成CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是一4.1.3CNC裝置的組成I/O主板顯卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位控板n位控板1PLC模塊主軸控制機(jī)床I/O面板速度控制1速度控制n功能驅(qū)動(dòng)1功能驅(qū)動(dòng)m…………系統(tǒng)總線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計(jì)算機(jī)CNC裝置CNC系統(tǒng)134.1.3CNC裝置的組成I/O主板顯卡功能模板m功能4.1.3CNC裝置的組成（2）CNC裝置的軟件組成CNC裝置的軟件分為管理軟件和控制軟件兩部分。其中管理軟件是CNC裝置作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行各元件之間協(xié)同工作必須的軟件環(huán)境，并完成CNC裝置的文件處理、人機(jī)交互、顯示、輸入輸出管理、故障診斷等任務(wù)。控制軟件特指CNC裝置對(duì)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性要求較高的軟件模塊，這是CNC裝置所特有的功能模塊?？刂栖浖荂NC裝置軟件的核心部分?？刂栖浖仨毦邆洳⑦M(jìn)行以下內(nèi)容的計(jì)算：軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算、主軸控制、刀具補(bǔ)償計(jì)算等。144.1.3CNC裝置的組成（2）CNC裝置的軟件組成144.1.3CNC裝置的組成154.1.3CNC裝置的組成154.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)1.CNC裝置的工作過(guò)程和功能CNC系統(tǒng)是一個(gè)位置控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是根據(jù)輸入的加工程序和數(shù)據(jù)，進(jìn)行刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，完成零件的自動(dòng)加工，下圖所示為CNC系統(tǒng)控制零件自動(dòng)加工的主要功能和流程。16圖CNC系統(tǒng)控制零件自動(dòng)加工的主要功能和流程4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)1.CNC裝置的4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)2.CNC裝置的特點(diǎn)（1）具有豐富的數(shù)控功能CNC裝置具備機(jī)床加工中所需要的直線、圓弧、樣條等插補(bǔ)功能；車、銑等的刀補(bǔ)功能；G代碼譯碼功能；絲杠誤差補(bǔ)償功能。并且CNC裝置針對(duì)機(jī)床控制具有豐富的接口，包括電機(jī)控制指令接口、編碼器反饋接口、機(jī)床回零及限位開關(guān)接口等。CNC裝置能夠滿足機(jī)床自動(dòng)控制中所有功能要求。174.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)2.CNC裝置的特4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)（2）封閉性一般的CNC裝置都不允許用戶更改其中的程序代碼，控制算法等。CNC裝置的靈活性不足，一般只能用在機(jī)床的控制中。位置控制算法一般采用帶前饋的PID算法，用戶無(wú)法更改其中的控制算法。（3）可靠性高CNC裝置作為工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品，具有高可靠性特點(diǎn)。主要是由于目前CNC裝置的市場(chǎng)主要是國(guó)外西門子、法達(dá)科等其廣泛的用戶群以及產(chǎn)量使得這些公司能夠在質(zhì)量控制、可靠性控制方面投入足夠的研究費(fèi)用和人員。目前，國(guó)內(nèi)的CNC裝置的市場(chǎng)占有率低的主要原因就是可靠性相對(duì)較低，這也是由于國(guó)內(nèi)CNC裝置起步較晚，難以與國(guó)際成熟的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比。184.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)（2）封閉性184.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件可以認(rèn)為是一臺(tái)“計(jì)算機(jī)”加外部接口電路，它是整個(gè)CNC裝置的“軀體”，是CNC軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)。根據(jù)其計(jì)算機(jī)類型的不同，可以分為單微處理器型、多微處理器型和開放式數(shù)控裝置。目前廣泛使用的CNC裝置的硬件沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的CNC裝置在結(jié)構(gòu)、外形、接口電路等方面都存在很大的差別。開放式數(shù)控裝置的核心內(nèi)容是制定統(tǒng)一的CNC裝置硬件、軟件標(biāo)準(zhǔn)。194.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件可以認(rèn)為是4.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在生產(chǎn)和新研制的數(shù)控機(jī)床都是采用微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。從價(jià)格、功能和使用等性能指標(biāo)考慮，可分為經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型三類數(shù)控裝置；按微處理器的數(shù)目可分為：?jiǎn)挝⑻幚砥骱投辔⑻幚砥鹘Y(jié)構(gòu)按電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)204.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在生產(chǎn)和新研制的數(shù)控機(jī)床都是4.2.1單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置以一個(gè)中央處理器（CPU）為核心，CPU通過(guò)總線與存儲(chǔ)器以及各種接口相連接，采取集中控制、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工中的各種任務(wù)。由于單微處理器數(shù)控裝置只有一個(gè)中央處理器（CPU），其功能受到CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、處理速度、尋址能力等因素的限制，為提高處理能力，人們常采用增加協(xié)處理器以提高運(yùn)算速度，采用帶CPU的PLC和CRT智能部件等。這種系統(tǒng)雖然有兩個(gè)以上的微處理器，但其中只有一個(gè)主微處理器能控制總線，其它的CPU只是附屬的專用智能部件，它們組成的是主從結(jié)構(gòu)，故仍被歸類為單微處理器結(jié)構(gòu)。214.2.1單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置以4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（1）在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理機(jī)，CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過(guò)總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來(lái)解決總線爭(zhēng)用問(wèn)題，通過(guò)公共存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行信息交換。特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯(cuò)能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過(guò)系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作結(jié)構(gòu)形式：共享總線結(jié)構(gòu)型、共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)型224.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（1）在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（2）（1）功能模塊多微處理機(jī)數(shù)控裝置把機(jī)床數(shù)字控制這個(gè)總?cè)蝿?wù)劃分成多個(gè)子任務(wù)，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一般均采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)微處理器分管各自的任務(wù)，形成特定的功能單元、即功能模塊。各功能單元之間可采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)；也可采用松耦合，用多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。模塊化結(jié)構(gòu)的多微處理機(jī)數(shù)控裝置中的基本功能模塊一般有以下6種，如下圖所示。234.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（2）（1）功能模塊4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（3）①CNC管理模塊，這是實(shí)現(xiàn)管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)的功能模塊，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線仲裁、系統(tǒng)出錯(cuò)的識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷等功能由該模塊完成。②CNC插補(bǔ)模塊，該模塊完成零件程序的譯碼、刀具半徑補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，為各坐標(biāo)軸提供位移給定值。244.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（3）①CNC管理模4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（4）③PLC模塊，零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床來(lái)的信號(hào)等在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟、停，刀具交換，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。④位置控制模塊，該模塊將插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測(cè)器測(cè)得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，求出差值，然后通過(guò)系統(tǒng)增益調(diào)整，進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移及誤差補(bǔ)償。在此之前還要得到并輸出速度控制的模擬電壓（或數(shù)字信號(hào)），用于控制伺服進(jìn)給電機(jī)運(yùn)行。254.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（4）③PLC模塊，4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（5）⑤操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊，該模塊包括零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)以及各種操作命令的輸入、輸出以及顯示所需的各種接口電路和程序。⑥存儲(chǔ)器模塊，該模塊存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，是各功能模塊間數(shù)據(jù)傳送得共享存儲(chǔ)器。每個(gè)CPU控制模塊中還有局部存儲(chǔ)器。隨著CNC裝置的功能與結(jié)構(gòu)的不同，功能模塊的劃分和多少也不同。如果要進(jìn)一步擴(kuò)充功能，可再增加相應(yīng)的模塊。264.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（5）⑤操作控制數(shù)據(jù)4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（6）（2）通信方式多微處理器的CNC置一般采用總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)有共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及它們的混合型結(jié)構(gòu)等。1）共享總線型結(jié)構(gòu)274.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（6）（2）通信方式4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（7）2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用多端口存貯器來(lái)實(shí)現(xiàn)多微處理器之間的互連和通信、即數(shù)據(jù)交換，每個(gè)端口都配備有一套數(shù)據(jù)、地址和控制線，以供端口訪問(wèn)，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問(wèn)的沖突問(wèn)題。當(dāng)微處理器數(shù)量增多時(shí)，往往會(huì)由于爭(zhēng)用共享而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)效率，因此這種結(jié)構(gòu)功能擴(kuò)展比較困難。28圖

多微處理機(jī)數(shù)控裝置共享存貯器結(jié)構(gòu)圖4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（7）2）共享存儲(chǔ)器4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(1)目前，大多數(shù)商品化數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、A-B數(shù)控系統(tǒng)、NUM數(shù)控系統(tǒng)及我國(guó)的一些數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)都屬于專用型系統(tǒng)。專用型CNC裝置，由于大批量生產(chǎn)和保密的需要，其硬件和軟件是由制造廠專門設(shè)計(jì)和制造的，一般具有布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，專用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但所形成的是封閉式體系的數(shù)控系統(tǒng)，具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語(yǔ)言、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)接口、五花八門的人機(jī)界面等，不僅帶來(lái)了使用上的復(fù)雜性，也給車間物流的集成帶來(lái)了很多困難。294.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(1)目前，大多數(shù)商品化4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(2)為解決封閉式的體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼提出了設(shè)計(jì)開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問(wèn)題，使數(shù)控系統(tǒng)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。1987年美國(guó)提出了NGC(theNextGenerationwork-station/machineController)計(jì)劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計(jì)劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計(jì)劃。這些計(jì)劃的實(shí)施推動(dòng)了開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究。304.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(2)為解決封閉式的體系4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(3)（1）開放式體系結(jié)構(gòu)的定義目前尚有不同說(shuō)法，但可以肯定其應(yīng)該具有下列特點(diǎn):①以分布式控制的原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)是可移植的和透明的。②根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)重構(gòu)和編輯，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的多種用途，即可實(shí)現(xiàn)CNC、PLC、RC（RobotControl）或CC（CellControl）等在內(nèi)的控制功能。314.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(3)（1）開放式體系結(jié)4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(4)③各模塊相互獨(dú)立，在此平臺(tái)上，系統(tǒng)廠、機(jī)床廠和最終用戶都可很容易地把一些專用功能和其它有個(gè)性的模塊加入其中。通過(guò)初始化系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)功能分配，保證機(jī)床廠、用戶廠對(duì)系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)充、擴(kuò)展、裁減或修改。④要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便使各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)信息交換，并滿足實(shí)時(shí)控制要求。324.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(4)③各模塊相互獨(dú)立，4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(5)（2）開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)①向未來(lái)技術(shù)開放。由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容。②標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面和編程語(yǔ)言，方便用戶使用，提高操作效率。③向用戶特殊要求開放，方便更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力和融入用戶自身的技術(shù)訣竅，創(chuàng)造自己的名牌產(chǎn)品。④可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)，提高可靠性和降低成本。334.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(5)（2）開放式體系結(jié)4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(6)（3）基于通用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）的數(shù)控系統(tǒng)鑒于NGC等計(jì)劃過(guò)于龐大與復(fù)雜，以及個(gè)人計(jì)算機(jī)性能和質(zhì)量的提高、數(shù)量的增加、價(jià)格的下降、人們對(duì)通用PC機(jī)熟悉程度的深化，因此有不少?gòu)S家開發(fā)了基于通用個(gè)人計(jì)算機(jī)式CNC系統(tǒng)如總部位于意大利的FIDIA公司，華中理工大學(xué)數(shù)控技術(shù)研究所等這種系統(tǒng)可以充分利用微機(jī)工業(yè)所提供的先進(jìn)技術(shù)和PC機(jī)十分豐富的軟硬件資源，可使設(shè)計(jì)任務(wù)大大減輕，并能方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，進(jìn)而提高產(chǎn)品性能和降低成本，并極大地方便使用與維修。344.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(6)（3）基于通用個(gè)人4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(7)如在硬件方面可充分利用PC機(jī)固有的CPU、BIOS、協(xié)處理器、存儲(chǔ)器、軟硬盤驅(qū)動(dòng)器、串行和并行端口及中斷、顯示、鍵盤控制器和擴(kuò)展插槽等；在軟件方面可充分利用PC機(jī)的操作系統(tǒng)技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；良好的人機(jī)界面會(huì)使操作更加方便；開放式體系結(jié)構(gòu)更便于在企業(yè)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)集成。354.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(7)如在硬件方面可充分4.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能大都采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及功能是CNC裝置的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟件是整個(gè)系統(tǒng)的“靈魂”，是控制機(jī)床完成加工任務(wù)的核心內(nèi)容。CNC裝置的軟件又稱為系統(tǒng)軟件，是數(shù)控加工的一種專用軟件，是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的，其管理作用類似于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。本節(jié)主要介紹CNC軟件的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程以及CNC故障診斷程序。364.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能大都采用軟件來(lái)4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性CNC裝置是機(jī)床的控制系統(tǒng)，在硬件支持下，由軟件來(lái)完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)的管理任務(wù)包括通信、顯示、診斷、零件程序的輸入以及人機(jī)界面管理，這類程序的實(shí)時(shí)性要求不高；系統(tǒng)的控制任務(wù)包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量I/O控制等，這類程序要完成實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的控制任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件具有多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性兩大特點(diǎn)。374.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性34.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在多數(shù)情況下，CNC要完成數(shù)控加工任務(wù)，必須同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)任務(wù)的處理，即所謂的并行處理。例如，為使操作人員及時(shí)了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)執(zhí)行等；針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性兩大特點(diǎn)，有多種并行處理技術(shù)。從硬件出發(fā)，可以采用設(shè)備重復(fù)的并行處理技術(shù)，如采用多微處理器并行處理CNC系統(tǒng)，各個(gè)微處理器并行地執(zhí)行各自的實(shí)時(shí)任務(wù)。從軟件出發(fā)，可采用設(shè)備分時(shí)共享并行處理技術(shù)、時(shí)間重疊流水處理技術(shù)和多重中斷的并行處理技術(shù)。384.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在多數(shù)情況下，CNC要完4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（2）設(shè)備分時(shí)共享并行處理在單CPU的CNC系統(tǒng)中，或在多CPU數(shù)控系統(tǒng)的某個(gè)需要處理多任務(wù)的CPU中，一般采用分時(shí)共享的原則來(lái)解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。在使用分時(shí)共享并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，必須將各個(gè)任務(wù)按其所需時(shí)間的長(zhǎng)短分割成一個(gè)個(gè)子任務(wù)，一個(gè)微處理器用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式處理完成多任務(wù)，即按照某種輪換次序給每個(gè)子任務(wù)分配CPU時(shí)間，進(jìn)行各子任務(wù)的處理，從微觀上看各子任務(wù)分時(shí)占用CPU，從宏觀上看，在一段時(shí)間內(nèi)，CPU并行地完成了各子任務(wù)，如同自動(dòng)線的流水作業(yè)。394.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（2）設(shè)備分時(shí)共享并行處4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在設(shè)備分時(shí)共享并行處理中，要充分地利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力，保證每個(gè)任務(wù)的合理響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)任務(wù)允許占用CPU的時(shí)間要受到一定限制，通常是這樣處理的，如在加工程序的譯碼、數(shù)據(jù)處理中，可在其中的某些地方設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)讓出CPU，待到下一個(gè)運(yùn)行時(shí)間里自動(dòng)跳到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。404.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在設(shè)備分時(shí)共享并行處理中4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（3）時(shí)間重疊流水處理當(dāng)CNC處在零件加工工作方式時(shí)，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備（包括譯碼和數(shù)據(jù)處理）、插補(bǔ)和位置控制四個(gè)子過(guò)程組成。如果每個(gè)子過(guò)程的處理時(shí)間分別為t1，t2，t3，t4，那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個(gè)零件程序段，即第一個(gè)程序段處理完后再處理第二個(gè)程序段，依次類推，這種順序處理的時(shí)間關(guān)系如圖4-5a所示。414.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（3）時(shí)間重疊流水處理44.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從圖中可以看出，此時(shí)在兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為t的間隔，同樣在第二個(gè)和第三個(gè)程序段的輸出之間也會(huì)有這種時(shí)間間隔。由于這種時(shí)間間隔較大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停，進(jìn)而使刀具時(shí)走時(shí)停，這種刀具時(shí)走時(shí)停在加工工藝上是不允許的。424.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從圖中可以看出，此時(shí)在兩4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)消除這種時(shí)間間隔的方法是時(shí)間重疊流水處理技術(shù)，采用這種技術(shù)的時(shí)間關(guān)系如圖4-5b所示。其關(guān)鍵是時(shí)間重疊，即在每一段較小的時(shí)間間隔內(nèi)，不再僅處理一個(gè)子過(guò)程，而是處理兩個(gè)或更多的子過(guò)程。這樣以來(lái)，每個(gè)零件程序段的輸出之間的時(shí)間間隔大為減小，從而保證了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和刀具移動(dòng)的連續(xù)性。434.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)消除這種時(shí)間間隔的方法是4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（4）實(shí)時(shí)中斷處理CNC控制軟件的另一個(gè)重要特征是實(shí)時(shí)中斷處理，CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性決定了系統(tǒng)中斷成為成個(gè)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。對(duì)于有實(shí)時(shí)要求，且各種任務(wù)互相交錯(cuò)并發(fā)的多任務(wù)控制系統(tǒng)，可采用多重中斷的并行處理技術(shù)，這時(shí)實(shí)時(shí)任務(wù)被按排成不同優(yōu)先級(jí)別的中斷服務(wù)程序，或在同一個(gè)中斷程序中按其優(yōu)先級(jí)高低而順序運(yùn)行。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)，其中斷類型有下列幾種：444.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（4）實(shí)時(shí)中斷處理444.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)①外部中斷。主要有外部監(jiān)控終端（如急停、檢測(cè)儀器到位等）和操作面板鍵盤輸入中斷。前一種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高，通常把這種中斷安排在較高的優(yōu)先級(jí)上，而操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。②內(nèi)部定時(shí)中斷。主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時(shí)中斷合二為一，但在處理時(shí)，總是先處理位置控制，然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。③硬件故障中斷。這是各種硬件故障檢測(cè)裝置產(chǎn)生的中斷，如：存儲(chǔ)器出錯(cuò)，定時(shí)器出錯(cuò)，插補(bǔ)運(yùn)算器超時(shí)等。④程序性中斷。它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況而引起的報(bào)警中斷，如各種溢出，運(yùn)算中出現(xiàn)零作除數(shù)等。454.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)①外部中斷。主要有外部監(jiān)4.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（1）CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是數(shù)控機(jī)床控制機(jī)床進(jìn)行工作過(guò)程中位置、速度、主軸轉(zhuǎn)速等信息的傳遞和變換過(guò)程。這一過(guò)程包含計(jì)算機(jī)數(shù)控的幾個(gè)核心功能，且都采用軟件完成。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括以下幾個(gè)核心內(nèi)容：（1）數(shù)控程序輸入數(shù)控程序輸入是計(jì)算機(jī)數(shù)控讀入由用戶編寫的加工程序的過(guò)程。一般有文本程序和圖形程序兩種。文本程序讀入是數(shù)控機(jī)床普遍采用的方式。文本程序以文件形式保存在U盤等存儲(chǔ)介質(zhì)中，數(shù)控系統(tǒng)讀取指定路徑中的文本程序。圖形程序編程方法在一些特種機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床上普遍采用464.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（1）CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是4.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（2）（2）譯碼譯碼是從數(shù)控程序中獲得加工所需的各種信息的過(guò)程。這里所指的各種信息包括零件輪廓信息（如直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，圓弧的圓心、半徑、起始角和終止角等），速度信息（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等）以及刀具補(bǔ)償、刀庫(kù)控制、冷卻液?jiǎn)⑼５容o助信息。圖形程序譯碼是從Dxf文件中獲取加工輪廓信息的過(guò)程。一個(gè)DXF文件包括6個(gè)段：標(biāo)題段、類別段、表段、塊段、實(shí)體段、對(duì)象段。在每段的開始和結(jié)束處有起始段標(biāo)記和段中止標(biāo)記，文件結(jié)尾有文件結(jié)束標(biāo)志EOF474.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（2）（2）譯碼474.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（3）（3）軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃的作用是根據(jù)譯碼得到的用戶設(shè)定速度指令重新規(guī)劃適合機(jī)床加工的速度指令。軌跡規(guī)劃主要進(jìn)行加減速控制和速度連接。加減速控制的原因是由于機(jī)床不能瞬時(shí)達(dá)到用戶設(shè)定速度，并且一般要求機(jī)床運(yùn)行到指定位置點(diǎn)時(shí)速度為零。速度連接是根據(jù)相鄰兩段運(yùn)動(dòng)指令將兩段運(yùn)動(dòng)連接，而不需要機(jī)床先從第一段速度減速到靜止，再加速運(yùn)行到第二段速度。484.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（3）（3）軌跡規(guī)劃484.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（4）（4）插補(bǔ)所謂插補(bǔ)是根據(jù)譯碼后得到的零件輪廓特征點(diǎn)尺寸，結(jié)合速度指令信息、刀具補(bǔ)償?shù)葏?shù)在已知的特征點(diǎn)之間插入一些中間點(diǎn)的過(guò)程。換言之，就是“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化過(guò)程”。插補(bǔ)之所以是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置必備的功能，是因?yàn)轵?qū)動(dòng)傳動(dòng)部件運(yùn)行的伺服電機(jī)必須在一個(gè)“很小”的時(shí)間間隔內(nèi)給定一個(gè)位置指令才能保證多個(gè)軸按照指定的路徑協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)間間隔叫做“插補(bǔ)周期”。在機(jī)床運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置不斷地發(fā)送位置指令給每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)單元的，插補(bǔ)周期一般為1-10毫秒內(nèi)的一個(gè)固定值。494.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（4）（4）插補(bǔ)494.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（5）（5）位置控制位置控制環(huán)節(jié)由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)、位置（角度）傳感器共同組成。位置控制一般是以周期為“插補(bǔ)周期”一半的固定時(shí)間為周期運(yùn)行的。這個(gè)周期成為“位控周期”。在一個(gè)位控周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置對(duì)每個(gè)“位置環(huán)”進(jìn)行兩次PID校正運(yùn)算，根據(jù)當(dāng)期插補(bǔ)模塊生成的位置指令進(jìn)行控制，輸出為伺服電機(jī)的速度指令。伺服驅(qū)動(dòng)單元本身可以進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的控制。因此，數(shù)控機(jī)床的位置控制是一個(gè)三環(huán)串級(jí)控制。一般為了防止機(jī)床出現(xiàn)過(guò)切，位置控制都是一個(gè)過(guò)阻尼系統(tǒng)，即實(shí)際位置值總是滯后與位置指令的。504.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（5）（5）位置控制504.3.3CNC裝置的故障診斷數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件組成復(fù)雜，故障排查工作比較復(fù)雜。故障自診斷包括開機(jī)自診斷、運(yùn)行自診斷、通信診斷、離線診斷等幾種。（1）開機(jī)自診斷

指計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置從開始通電到進(jìn)入正常運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)為止，由其內(nèi)部診斷程序自動(dòng)執(zhí)行的系統(tǒng)診斷，是檢查整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)是否具備正常的工作條件。（2）運(yùn)行自診斷

指計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)數(shù)控裝置中所允許的程序及與之連接的外部設(shè)備，如伺服驅(qū)動(dòng)單元等進(jìn)行的實(shí)時(shí)自動(dòng)診斷。運(yùn)行自診斷包括檢測(cè)進(jìn)給軸電機(jī)過(guò)載，程序編制錯(cuò)誤等。514.3.3CNC裝置的故障診斷數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件組成復(fù)雜，4.3.3CNC裝置的故障診斷（3）離線診斷離線診斷是指采用專門工具和設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件故障排查，這些設(shè)備包括邏輯分析儀，測(cè)試用計(jì)算機(jī)，模擬操作面板以及專用的工程師面板和便攜式測(cè)試儀器等。（4）通信診斷用戶CNC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)通信電纜與生產(chǎn)企業(yè)的診斷中心通信，由診斷中心的發(fā)出診斷程序，CNC進(jìn)行某種運(yùn)行，同時(shí)收集數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的狀態(tài)，從而完成對(duì)CNC系統(tǒng)的故障診斷。524.3.3CNC裝置的故障診斷（3）離線診斷524.4CNC裝置的接口與通信CNC裝置的接口與通信是將CNC裝置與其他元器件連接起來(lái)的通道。4.4.1概述計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置需要與操作面板、數(shù)控鍵盤、人機(jī)界面、伺服驅(qū)動(dòng)單元、手搖脈沖發(fā)生器等外部設(shè)備連接，組成控制機(jī)床所需的系統(tǒng)。這些接口包括CNC裝置的輸入輸出接口和通信接口兩種接口是保證信息快速、正確傳送的關(guān)鍵部分，現(xiàn)代CNC裝置都具有完備的數(shù)據(jù)傳送和通信接口。據(jù)CNC裝置的型號(hào)和價(jià)格定位，一般分為總線型、模擬量型和高速脈沖型。534.4CNC裝置的接口與通信CNC裝置的接口與通信是將CN4.4.2輸入/輸出接口根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4336-1981（E）機(jī)床電氣設(shè)備設(shè)備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置接口分為四類。第一類是與驅(qū)動(dòng)命令有關(guān)的連接電路。這類信號(hào)包括CNC裝置到伺服驅(qū)動(dòng)單元的指令信號(hào)，主軸驅(qū)動(dòng)指令等。第二類是與檢測(cè)系統(tǒng)和測(cè)量傳感器間的連接電路。這類信號(hào)包括光柵尺、編碼盤等之間的信號(hào)連接。第三類是電源及保護(hù)電路。這類接口包括計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)單元的工作電源，電機(jī)電樞電路等。第四類是通斷信號(hào)和代碼信號(hào)連接電路。這類信號(hào)包括“急?！?，“進(jìn)給保持”，“NC準(zhǔn)備好”，“行程極限”，“復(fù)位”，“NC報(bào)警”等。544.4.2輸入/輸出接口根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4336-1984.4.3串行通信接口串行通信因其所需電線數(shù)量少，相距較遠(yuǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)交換非常具有優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣的串行通信為RS485總線。要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，最簡(jiǎn)單的485總線可以用兩根雙絞線即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備的互聯(lián)。RS-485是為了彌補(bǔ)RS-232通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而指定的。554.4.3串行通信接口串行通信因其所需電線數(shù)量少，相距較遠(yuǎn)4.4.4網(wǎng)絡(luò)通信接口計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通常采用以ISO開放式互連系統(tǒng)參考模型的七層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的有關(guān)協(xié)議。近年來(lái)，制造自動(dòng)化協(xié)議MAP（ManufacturingAutomationProtocal）已成為應(yīng)用于工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。西門子、FANUC、A-B等公司生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中可以配置MAP2.1或MAP3.0的網(wǎng)絡(luò)通信接口。MAP是美國(guó)GM公司發(fā)起和開發(fā)的應(yīng)用于工廠車間環(huán)境的通用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。564.4.4網(wǎng)絡(luò)通信接口計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通常采用以ISO開第4章

計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置4.1CNC簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是指對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化控制，并完成零件自動(dòng)加工的專用電子計(jì)算機(jī)。它接收零件的尺寸和工藝等信息，按照一定的算法將加工過(guò)程分解為各運(yùn)動(dòng)軸的位置控制指令，完成零件加工。數(shù)控系統(tǒng)

用數(shù)值數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，不斷引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過(guò)程的自動(dòng)控制。數(shù)控系統(tǒng)的基本組成包括控制器和驅(qū)動(dòng)裝置(JB/T8832-2001)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控的定義為“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的代碼，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件”。57第4章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置4.1CNC簡(jiǎn)介14.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（1）自從1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)誕生以后，機(jī)床進(jìn)入了數(shù)控時(shí)代。數(shù)控機(jī)床的誕生成為世界工業(yè)界一個(gè)重要的里程碑。隨著電子元器件、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置也發(fā)生了翻天覆地的變化，表現(xiàn)為硬件、軟件的發(fā)展。（1）CNC硬件的發(fā)展計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制運(yùn)算離不開電子元件的支持，最早的計(jì)算機(jī)是由電子管組成運(yùn)算單元。584.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（1）自從1952年世界上第一臺(tái)4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（2）電子管是最早期的電信號(hào)放大器，其體積大、功耗高。晶體管、集成電路發(fā)明后代替了電子管的位置，成為新的運(yùn)算器件。數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和變革也進(jìn)行了更新?lián)Q代。1952年美國(guó)MIT利用電子管成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、利用脈沖乘法器原理的試驗(yàn)性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)立式銑床上，這是世界上第一代數(shù)控系統(tǒng)。1959年，電子行業(yè)研制出晶體管器件，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)中廣泛使用晶體管和印刷電路板，數(shù)控系統(tǒng)跨入第二代。594.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（2）電子管是最早期的電信號(hào)放大4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（3）1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它的體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。1970年以前的數(shù)控裝置被稱為硬件數(shù)控（NC），主要經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路三種時(shí)期。這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置中的插補(bǔ)、軌跡控制等功能是由硬件元器件組成的電路實(shí)現(xiàn)的。1970年以后數(shù)控裝置開始以計(jì)算機(jī)作為核心硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的各種功能。由最初以小型計(jì)算機(jī)為主體發(fā)展為以微機(jī)、嵌入式微處理器等為核心組件的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。604.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（3）1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（4）這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置的譯碼、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)、位置控制由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。這一時(shí)期的數(shù)控裝置被稱作計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置或軟件數(shù)控裝置。數(shù)控裝置發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置時(shí)期后，逐漸形成單微處理器數(shù)控、多微處理器數(shù)控和開放式數(shù)控三種。前兩種數(shù)控裝置是由某一家生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立研發(fā)和生產(chǎn)的專用數(shù)控裝置，又稱為封閉式數(shù)控系統(tǒng)。614.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（4）這一時(shí)期的特點(diǎn)是數(shù)控裝置的4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（5）不同品牌的封閉式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不同，互換性差甚至根本不具備互換性。數(shù)控裝置的生產(chǎn)也僅限制在自己企業(yè)內(nèi)部完成。這都限制了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和普及。為了解決這些問(wèn)題，1987年美國(guó)提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）計(jì)劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計(jì)劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計(jì)劃。這些計(jì)劃旨在推動(dòng)國(guó)際數(shù)控裝置各功能元件的標(biāo)準(zhǔn)化，硬件系統(tǒng)組成也按照一定的體系標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。開放式數(shù)控具有明顯的優(yōu)越性，其推廣是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置發(fā)展的必然趨勢(shì)。624.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（5）不同品牌的封閉式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（6）（2）CNC加工程序軟件的發(fā)展目前的數(shù)控裝置編程幾乎全部采用ISO6983G代碼編程，這是一種面向過(guò)程的編程語(yǔ)言。比如G01是直線插補(bǔ)，G02是順時(shí)針?lè)较驁A弧插補(bǔ)。機(jī)床加工過(guò)程中的每一條路徑都需要采用程序指令編寫。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1996年開始制定新的面向?qū)ο驨C編程標(biāo)準(zhǔn)STEP-NC，2001年底成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC184工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會(huì)正式命名為ISO14649。634.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（6）（2）CNC加工程序軟件的4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（7）STEP-NC基于制造特征進(jìn)行編程，告訴CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步驟作為基本單位，將特征與技術(shù)信息聯(lián)系到一起。STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)僅完成了一部分，相關(guān)的技術(shù)包括CAD、CAM、CNC一系列問(wèn)題的研究，但其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。按照其發(fā)展趨勢(shì)，STEP-NC將可能廢棄沿用已久的G、M代碼，代之以新的數(shù)控語(yǔ)言，使得現(xiàn)場(chǎng)編程方式大為改觀644.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（7）STEP-NC基于制造特征4.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種用計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置(包括檢測(cè)裝置)等組成，如圖所示。654.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一4.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成CNC系統(tǒng)是指包括CNC裝置和驅(qū)動(dòng)控制兩部分的整體。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。CNC裝置的主要功能是正確識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序，根據(jù)加工程序生成各種控制指令，并將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)完成加工任務(wù)。驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給軸控制、機(jī)床I/O（冷卻液、照明、限位等功能）。CNC裝置與驅(qū)動(dòng)裝置之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模擬控制量、高速脈沖串、離散開關(guān)量以及通過(guò)總線的數(shù)字信號(hào)等方式傳遞指令。664.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成CNC系統(tǒng)是指包括CNC裝置4.1.3CNC裝置的組成CNC裝置的組成包括硬件和軟件兩部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床各驅(qū)動(dòng)元件（伺服電機(jī)、繼電器、氣缸等）的控制以及各傳感器（限位開關(guān)等）的信號(hào)采集和實(shí)時(shí)處理。（1）CNC裝置的硬件組成不同品牌的CNC裝置的硬件組成有所不同，但是大體包括計(jì)算機(jī)組件（CPU、內(nèi)存、硬盤、顯示器、鍵盤等）、系統(tǒng)總線、接口電路（模擬量輸入/出、數(shù)字量輸入/出、現(xiàn)場(chǎng)總線接口等）等幾部分。674.1.3CNC裝置的組成CNC裝置的組成包括硬件和軟件兩4.1.3CNC裝置的組成CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，具有CPU、存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等。其外設(shè)通常是指輸出接口及后續(xù)裝置，最主要的是輸出伺服運(yùn)動(dòng)指令推動(dòng)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。在CNC裝置中，一般將顯示器和機(jī)床操作面版做在一起，以便實(shí)現(xiàn)手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入；將CPU、存儲(chǔ)器、位置控制器、輸出接口等做在一起，構(gòu)成CNC裝置。684.1.3CNC裝置的組成CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是一4.1.3CNC裝置的組成I/O主板顯卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位控板n位控板1PLC模塊主軸控制機(jī)床I/O面板速度控制1速度控制n功能驅(qū)動(dòng)1功能驅(qū)動(dòng)m…………系統(tǒng)總線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計(jì)算機(jī)CNC裝置CNC系統(tǒng)694.1.3CNC裝置的組成I/O主板顯卡功能模板m功能4.1.3CNC裝置的組成（2）CNC裝置的軟件組成CNC裝置的軟件分為管理軟件和控制軟件兩部分。其中管理軟件是CNC裝置作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行各元件之間協(xié)同工作必須的軟件環(huán)境，并完成CNC裝置的文件處理、人機(jī)交互、顯示、輸入輸出管理、故障診斷等任務(wù)?？刂栖浖刂窩NC裝置對(duì)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性要求較高的軟件模塊，這是CNC裝置所特有的功能模塊?？刂栖浖荂NC裝置軟件的核心部分?？刂栖浖仨毦邆洳⑦M(jìn)行以下內(nèi)容的計(jì)算：軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算、主軸控制、刀具補(bǔ)償計(jì)算等。704.1.3CNC裝置的組成（2）CNC裝置的軟件組成144.1.3CNC裝置的組成714.1.3CNC裝置的組成154.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)1.CNC裝置的工作過(guò)程和功能CNC系統(tǒng)是一個(gè)位置控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是根據(jù)輸入的加工程序和數(shù)據(jù)，進(jìn)行刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，完成零件的自動(dòng)加工，下圖所示為CNC系統(tǒng)控制零件自動(dòng)加工的主要功能和流程。72圖CNC系統(tǒng)控制零件自動(dòng)加工的主要功能和流程4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)1.CNC裝置的4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)2.CNC裝置的特點(diǎn)（1）具有豐富的數(shù)控功能CNC裝置具備機(jī)床加工中所需要的直線、圓弧、樣條等插補(bǔ)功能；車、銑等的刀補(bǔ)功能；G代碼譯碼功能；絲杠誤差補(bǔ)償功能。并且CNC裝置針對(duì)機(jī)床控制具有豐富的接口，包括電機(jī)控制指令接口、編碼器反饋接口、機(jī)床回零及限位開關(guān)接口等。CNC裝置能夠滿足機(jī)床自動(dòng)控制中所有功能要求。734.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)2.CNC裝置的特4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)（2）封閉性一般的CNC裝置都不允許用戶更改其中的程序代碼，控制算法等。CNC裝置的靈活性不足，一般只能用在機(jī)床的控制中。位置控制算法一般采用帶前饋的PID算法，用戶無(wú)法更改其中的控制算法。（3）可靠性高CNC裝置作為工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品，具有高可靠性特點(diǎn)。主要是由于目前CNC裝置的市場(chǎng)主要是國(guó)外西門子、法達(dá)科等其廣泛的用戶群以及產(chǎn)量使得這些公司能夠在質(zhì)量控制、可靠性控制方面投入足夠的研究費(fèi)用和人員。目前，國(guó)內(nèi)的CNC裝置的市場(chǎng)占有率低的主要原因就是可靠性相對(duì)較低，這也是由于國(guó)內(nèi)CNC裝置起步較晚，難以與國(guó)際成熟的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比。744.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)（2）封閉性184.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件可以認(rèn)為是一臺(tái)“計(jì)算機(jī)”加外部接口電路，它是整個(gè)CNC裝置的“軀體”，是CNC軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)。根據(jù)其計(jì)算機(jī)類型的不同，可以分為單微處理器型、多微處理器型和開放式數(shù)控裝置。目前廣泛使用的CNC裝置的硬件沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的CNC裝置在結(jié)構(gòu)、外形、接口電路等方面都存在很大的差別。開放式數(shù)控裝置的核心內(nèi)容是制定統(tǒng)一的CNC裝置硬件、軟件標(biāo)準(zhǔn)。754.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件可以認(rèn)為是4.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在生產(chǎn)和新研制的數(shù)控機(jī)床都是采用微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。從價(jià)格、功能和使用等性能指標(biāo)考慮，可分為經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型三類數(shù)控裝置；按微處理器的數(shù)目可分為：?jiǎn)挝⑻幚砥骱投辔⑻幚砥鹘Y(jié)構(gòu)按電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)764.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在生產(chǎn)和新研制的數(shù)控機(jī)床都是4.2.1單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置以一個(gè)中央處理器（CPU）為核心，CPU通過(guò)總線與存儲(chǔ)器以及各種接口相連接，采取集中控制、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工中的各種任務(wù)。由于單微處理器數(shù)控裝置只有一個(gè)中央處理器（CPU），其功能受到CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、處理速度、尋址能力等因素的限制，為提高處理能力，人們常采用增加協(xié)處理器以提高運(yùn)算速度，采用帶CPU的PLC和CRT智能部件等。這種系統(tǒng)雖然有兩個(gè)以上的微處理器，但其中只有一個(gè)主微處理器能控制總線，其它的CPU只是附屬的專用智能部件，它們組成的是主從結(jié)構(gòu)，故仍被歸類為單微處理器結(jié)構(gòu)。774.2.1單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置以4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（1）在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理機(jī)，CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過(guò)總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來(lái)解決總線爭(zhēng)用問(wèn)題，通過(guò)公共存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行信息交換。特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯(cuò)能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過(guò)系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作結(jié)構(gòu)形式：共享總線結(jié)構(gòu)型、共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)型784.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（1）在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（2）（1）功能模塊多微處理機(jī)數(shù)控裝置把機(jī)床數(shù)字控制這個(gè)總?cè)蝿?wù)劃分成多個(gè)子任務(wù)，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一般均采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)微處理器分管各自的任務(wù)，形成特定的功能單元、即功能模塊。各功能單元之間可采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)；也可采用松耦合，用多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。模塊化結(jié)構(gòu)的多微處理機(jī)數(shù)控裝置中的基本功能模塊一般有以下6種，如下圖所示。794.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（2）（1）功能模塊4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（3）①CNC管理模塊，這是實(shí)現(xiàn)管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)的功能模塊，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線仲裁、系統(tǒng)出錯(cuò)的識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷等功能由該模塊完成。②CNC插補(bǔ)模塊，該模塊完成零件程序的譯碼、刀具半徑補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，為各坐標(biāo)軸提供位移給定值。804.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（3）①CNC管理模4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（4）③PLC模塊，零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床來(lái)的信號(hào)等在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟、停，刀具交換，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。④位置控制模塊，該模塊將插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測(cè)器測(cè)得的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，求出差值，然后通過(guò)系統(tǒng)增益調(diào)整，進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移及誤差補(bǔ)償。在此之前還要得到并輸出速度控制的模擬電壓（或數(shù)字信號(hào)），用于控制伺服進(jìn)給電機(jī)運(yùn)行。814.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（4）③PLC模塊，4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（5）⑤操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊，該模塊包括零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)以及各種操作命令的輸入、輸出以及顯示所需的各種接口電路和程序。⑥存儲(chǔ)器模塊，該模塊存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，是各功能模塊間數(shù)據(jù)傳送得共享存儲(chǔ)器。每個(gè)CPU控制模塊中還有局部存儲(chǔ)器。隨著CNC裝置的功能與結(jié)構(gòu)的不同，功能模塊的劃分和多少也不同。如果要進(jìn)一步擴(kuò)充功能，可再增加相應(yīng)的模塊。824.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（5）⑤操作控制數(shù)據(jù)4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（6）（2）通信方式多微處理器的CNC置一般采用總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)有共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及它們的混合型結(jié)構(gòu)等。1）共享總線型結(jié)構(gòu)834.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（6）（2）通信方式4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（7）2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用多端口存貯器來(lái)實(shí)現(xiàn)多微處理器之間的互連和通信、即數(shù)據(jù)交換，每個(gè)端口都配備有一套數(shù)據(jù)、地址和控制線，以供端口訪問(wèn)，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問(wèn)的沖突問(wèn)題。當(dāng)微處理器數(shù)量增多時(shí)，往往會(huì)由于爭(zhēng)用共享而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)效率，因此這種結(jié)構(gòu)功能擴(kuò)展比較困難。84圖

多微處理機(jī)數(shù)控裝置共享存貯器結(jié)構(gòu)圖4.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（7）2）共享存儲(chǔ)器4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(1)目前，大多數(shù)商品化數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、A-B數(shù)控系統(tǒng)、NUM數(shù)控系統(tǒng)及我國(guó)的一些數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)都屬于專用型系統(tǒng)。專用型CNC裝置，由于大批量生產(chǎn)和保密的需要，其硬件和軟件是由制造廠專門設(shè)計(jì)和制造的，一般具有布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，專用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但所形成的是封閉式體系的數(shù)控系統(tǒng)，具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語(yǔ)言、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)接口、五花八門的人機(jī)界面等，不僅帶來(lái)了使用上的復(fù)雜性，也給車間物流的集成帶來(lái)了很多困難。854.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(1)目前，大多數(shù)商品化4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(2)為解決封閉式的體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼提出了設(shè)計(jì)開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問(wèn)題，使數(shù)控系統(tǒng)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。1987年美國(guó)提出了NGC(theNextGenerationwork-station/machineController)計(jì)劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計(jì)劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計(jì)劃。這些計(jì)劃的實(shí)施推動(dòng)了開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究。864.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(2)為解決封閉式的體系4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(3)（1）開放式體系結(jié)構(gòu)的定義目前尚有不同說(shuō)法，但可以肯定其應(yīng)該具有下列特點(diǎn):①以分布式控制的原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)是可移植的和透明的。②根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)重構(gòu)和編輯，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的多種用途，即可實(shí)現(xiàn)CNC、PLC、RC（RobotControl）或CC（CellControl）等在內(nèi)的控制功能。874.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(3)（1）開放式體系結(jié)4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(4)③各模塊相互獨(dú)立，在此平臺(tái)上，系統(tǒng)廠、機(jī)床廠和最終用戶都可很容易地把一些專用功能和其它有個(gè)性的模塊加入其中。通過(guò)初始化系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)功能分配，保證機(jī)床廠、用戶廠對(duì)系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)充、擴(kuò)展、裁減或修改。④要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便使各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)信息交換，并滿足實(shí)時(shí)控制要求。884.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(4)③各模塊相互獨(dú)立，4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(5)（2）開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)①向未來(lái)技術(shù)開放。由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容。②標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面和編程語(yǔ)言，方便用戶使用，提高操作效率。③向用戶特殊要求開放，方便更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力和融入用戶自身的技術(shù)訣竅，創(chuàng)造自己的名牌產(chǎn)品。④可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)，提高可靠性和降低成本。894.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(5)（2）開放式體系結(jié)4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(6)（3）基于通用個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）的數(shù)控系統(tǒng)鑒于NGC等計(jì)劃過(guò)于龐大與復(fù)雜，以及個(gè)人計(jì)算機(jī)性能和質(zhì)量的提高、數(shù)量的增加、價(jià)格的下降、人們對(duì)通用PC機(jī)熟悉程度的深化，因此有不少?gòu)S家開發(fā)了基于通用個(gè)人計(jì)算機(jī)式CNC系統(tǒng)如總部位于意大利的FIDIA公司，華中理工大學(xué)數(shù)控技術(shù)研究所等這種系統(tǒng)可以充分利用微機(jī)工業(yè)所提供的先進(jìn)技術(shù)和PC機(jī)十分豐富的軟硬件資源，可使設(shè)計(jì)任務(wù)大大減輕，并能方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，進(jìn)而提高產(chǎn)品性能和降低成本，并極大地方便使用與維修。904.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(6)（3）基于通用個(gè)人4.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(7)如在硬件方面可充分利用PC機(jī)固有的CPU、BIOS、協(xié)處理器、存儲(chǔ)器、軟硬盤驅(qū)動(dòng)器、串行和并行端口及中斷、顯示、鍵盤控制器和擴(kuò)展插槽等；在軟件方面可充分利用PC機(jī)的操作系統(tǒng)技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；良好的人機(jī)界面會(huì)使操作更加方便；開放式體系結(jié)構(gòu)更便于在企業(yè)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)集成。914.2.3開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)(7)如在硬件方面可充分4.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能大都采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及功能是CNC裝置的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟件是整個(gè)系統(tǒng)的“靈魂”，是控制機(jī)床完成加工任務(wù)的核心內(nèi)容。CNC裝置的軟件又稱為系統(tǒng)軟件，是數(shù)控加工的一種專用軟件，是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的，其管理作用類似于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。本節(jié)主要介紹CNC軟件的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程以及CNC故障診斷程序。924.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能大都采用軟件來(lái)4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性CNC裝置是機(jī)床的控制系統(tǒng)，在硬件支持下，由軟件來(lái)完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)的管理任務(wù)包括通信、顯示、診斷、零件程序的輸入以及人機(jī)界面管理，這類程序的實(shí)時(shí)性要求不高；系統(tǒng)的控制任務(wù)包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量I/O控制等，這類程序要完成實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的控制任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件具有多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性兩大特點(diǎn)。934.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性34.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在多數(shù)情況下，CNC要完成數(shù)控加工任務(wù)，必須同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)任務(wù)的處理，即所謂的并行處理。例如，為使操作人員及時(shí)了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)執(zhí)行等；針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性兩大特點(diǎn)，有多種并行處理技術(shù)。從硬件出發(fā)，可以采用設(shè)備重復(fù)的并行處理技術(shù)，如采用多微處理器并行處理CNC系統(tǒng)，各個(gè)微處理器并行地執(zhí)行各自的實(shí)時(shí)任務(wù)。從軟件出發(fā)，可采用設(shè)備分時(shí)共享并行處理技術(shù)、時(shí)間重疊流水處理技術(shù)和多重中斷的并行處理技術(shù)。944.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在多數(shù)情況下，CNC要完4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（2）設(shè)備分時(shí)共享并行處理在單CPU的CNC系統(tǒng)中，或在多CPU數(shù)控系統(tǒng)的某個(gè)需要處理多任務(wù)的CPU中，一般采用分時(shí)共享的原則來(lái)解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。在使用分時(shí)共享并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，必須將各個(gè)任務(wù)按其所需時(shí)間的長(zhǎng)短分割成一個(gè)個(gè)子任務(wù)，一個(gè)微處理器用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式處理完成多任務(wù)，即按照某種輪換次序給每個(gè)子任務(wù)分配CPU時(shí)間，進(jìn)行各子任務(wù)的處理，從微觀上看各子任務(wù)分時(shí)占用CPU，從宏觀上看，在一段時(shí)間內(nèi)，CPU并行地完成了各子任務(wù)，如同自動(dòng)線的流水作業(yè)。954.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（2）設(shè)備分時(shí)共享并行處4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在設(shè)備分時(shí)共享并行處理中，要充分地利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力，保證每個(gè)任務(wù)的合理響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)任務(wù)允許占用CPU的時(shí)間要受到一定限制，通常是這樣處理的，如在加工程序的譯碼、數(shù)據(jù)處理中，可在其中的某些地方設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)讓出CPU，待到下一個(gè)運(yùn)行時(shí)間里自動(dòng)跳到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。964.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在設(shè)備分時(shí)共享并行處理中4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（3）時(shí)間重疊流水處理當(dāng)CNC處在零件加工工作方式時(shí)，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備（包括譯碼和數(shù)據(jù)處理）、插補(bǔ)和位置控制四個(gè)子過(guò)程組成。如果每個(gè)子過(guò)程的處理時(shí)間分別為t1，t2，t3，t4，那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個(gè)零件程序段，即第一個(gè)程序段處理完后再處理第二個(gè)程序段，依次類推，這種順序處理的時(shí)間關(guān)系如圖4-5a所示。974.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（3）時(shí)間重疊流水處理44.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從圖中可以看出，此時(shí)在兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為t的間隔，同樣在第二個(gè)和第三個(gè)程序段的輸出之間也會(huì)有這種時(shí)間間隔。由于這種時(shí)間間隔較大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停，進(jìn)而使刀具時(shí)走時(shí)停，這種刀具時(shí)走時(shí)停在加工工藝上是不允許的。984.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從圖中可以看出，此時(shí)在兩4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)消除這種時(shí)間間隔的方法是時(shí)間重疊流水處理技術(shù)，采用這種技術(shù)的時(shí)間關(guān)系如圖4-5b所示。其關(guān)鍵是時(shí)間重疊，即在每一段較小的時(shí)間間隔內(nèi)，不再僅處理一個(gè)子過(guò)程，而是處理兩個(gè)或更多的子過(guò)程。這樣以來(lái)，每個(gè)零件程序段的輸出之間的時(shí)間間隔大為減小，從而保證了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和刀具移動(dòng)的連續(xù)性。994.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)消除這種時(shí)間間隔的方法是4.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（4）實(shí)時(shí)中斷處理CNC控制軟件的另一個(gè)重要特征是實(shí)時(shí)中斷處理，CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性決定了系統(tǒng)中斷成為成個(gè)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。對(duì)于有實(shí)時(shí)要求，且各種任務(wù)互相交錯(cuò)并發(fā)的多任務(wù)控制系統(tǒng)，可采用多重中斷的并行處理技術(shù)，這時(shí)實(shí)時(shí)任務(wù)被按排成不同優(yōu)先級(jí)別的中斷服務(wù)程序，或在同一個(gè)中斷程序中按其優(yōu)先級(jí)高低而順序運(yùn)行。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)，其中斷類型有下列幾種：1004.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（4）實(shí)時(shí)中斷處理444.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)①外部中斷。主要有外部監(jiān)控終端（如急停、檢測(cè)儀器到位等）和操作面板鍵盤輸入中斷。前一種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高，通常把這種中斷安排在較高的優(yōu)先級(jí)上，而操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。②內(nèi)部定時(shí)中斷。主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時(shí)中斷合二為一，但在處理時(shí)，總是先處理位置控制，然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。③硬件故障中斷。這是各種硬件故障檢測(cè)裝置產(chǎn)生的中斷，如：存儲(chǔ)器出錯(cuò)，定時(shí)器出錯(cuò)，插補(bǔ)運(yùn)算器超時(shí)等。④程序性中斷。它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況而引起的報(bào)警中斷，如各種溢出，運(yùn)算中出現(xiàn)零作除數(shù)等。1014.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)①外部中斷。主要有外部監(jiān)4.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（1）CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是數(shù)控機(jī)床控制機(jī)床進(jìn)行工作過(guò)程中位置、速度、主軸轉(zhuǎn)速等信息的傳遞和變換過(guò)程。這一過(guò)程包含計(jì)算機(jī)數(shù)控的幾個(gè)核心功能，且都采用軟件完成。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括以下幾個(gè)核心內(nèi)容：（1）數(shù)控程序輸入數(shù)控程序輸入是計(jì)算機(jī)數(shù)控讀入由用戶編寫的加工程序的過(guò)程。一般有文本程序和圖形程序兩種。文本程序讀入是數(shù)控機(jī)床普遍采用