數(shù)控技術(shù)計算機(jī)數(shù)控裝置

第4章

計算機(jī)數(shù)控裝置4.1CNC簡介計算機(jī)數(shù)控裝置是指對機(jī)床進(jìn)行自動化控制，并完成零件自動加工的專用電子計算機(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程分解為各運動軸的位置控制指令，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)，在運行過程中，不斷引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)機(jī)床加工過程的自動控制。數(shù)控系統(tǒng)的基本組成包括控制器和驅(qū)動裝置(JB/T8832-2001)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO對計算機(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)床移動和加工零件”。14.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（1）自從1952年世界上第一臺數(shù)控機(jī)床在美國誕生以后，機(jī)床進(jìn)入了數(shù)控時代。數(shù)控機(jī)床的誕生成為世界工業(yè)界一個重要的里程碑。隨著電子元器件、計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，計算機(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)展計算機(jī)中二進(jìn)制運算離不開電子元件的支持，最早的計算機(jī)是由電子管組成運算單元。24.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（2）電子管是最早期的電信號放大器，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，成為新的運算器件。數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)隨著計算機(jī)硬件的發(fā)展和變革也進(jìn)行了更新?lián)Q代。1952年美國MIT利用電子管成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動、利用脈沖乘法器原理的試驗性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上，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，因為數(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（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、集成電路三種時期。這一時期的特點是數(shù)控裝置中的插補、軌跡控制等功能是由硬件元器件組成的電路實現(xiàn)的。1970年以后數(shù)控裝置開始以計算機(jī)作為核心硬件實現(xiàn)數(shù)控裝置的各種功能。由最初以小型計算機(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算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。44.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展（4）這一時期的特點是數(shù)控裝置的譯碼、軌跡規(guī)劃、插補、位置控制由計算機(jī)軟件實現(xiàn)。這一時期的數(shù)控裝置被稱作計算機(jī)數(shù)控裝置或軟件數(shù)控裝置。數(shù)控裝置發(fā)展到計算機(jī)數(shù)控裝置時期后，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（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。為了解決這些問題，1987年美國提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）計劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計劃。這些計劃旨在推動國際數(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，其推廣是計算機(jī)數(shù)控裝置發(fā)展的必然趨勢。64.1.1CNC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，這是一種面向過程的編程語言。比如G01是直線插補，G02是順時針方向圓弧插補。機(jī)床加工過程中的每一條路徑都需要采用程序指令編寫。國際標(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年底成為國際標(biāo)準(zhǔn)草案，由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC184工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會正式命名為ISO14649。74.1.1CNC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一系列問題的研究，但其發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。按照其發(fā)展趨勢，STEP-NC將可能廢棄沿用已久的G、M代碼，代之以新的數(shù)控語言，使得現(xiàn)場編程方式大為改觀84.1.2CNC系統(tǒng)的基本組成計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種用計算機(jī)通過執(zhí)行其存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、計算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給驅(qū)動裝置(包括檢測裝置)等組成，如圖所示。94.1.2CNC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)動裝置，實現(xiàn)機(jī)床的運動完成加工任務(wù)。驅(qū)動裝置包括主軸驅(qū)動、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)動裝置之間通過標(biāo)準(zhǔn)模擬控制量、高速脈沖串、離散開關(guān)量以及通過總線的數(shù)字信號等方式傳遞指令。104.1.3CNC裝置的組成CNC裝置的組成包括硬件和軟件兩部分，實現(xiàn)對機(jī)床各驅(qū)動元件（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）的信號采集和實時處理。（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)場總線接口等）等幾部分。114.1.3CNC裝置的組成CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是一臺專用計算機(jī)，具有CPU、存儲器、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動指令推動數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸運動。在CNC裝置中，一般將顯示器和機(jī)床操作面版做在一起，以便實現(xiàn)手動數(shù)據(jù)輸入；將CPU、存儲器、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1功能驅(qū)動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計算機(jī)CNC裝置CNC系統(tǒng)134.1.3CNC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裝置對機(jī)床進(jìn)行運動控制實時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)容的計算：軌跡規(guī)劃、插補運算、主軸控制、刀具補償計算等。144.1.3CNC裝置的組成154.1.4CNC裝置的主要功能和特點1.CNC裝置的工作過程和功能CNC系統(tǒng)是一個位置控制系統(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運動的控制，完成零件的自動加工，下圖所示為CNC系統(tǒng)控制零件自動加工的主要功能和流程。16圖CNC系統(tǒng)控制零件自動加工的主要功能和流程4.1.4CNC裝置的主要功能和特點2.CNC裝置的特點（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、樣條等插補功能；車、銑等的刀補功能；G代碼譯碼功能；絲杠誤差補償功能。并且CNC裝置針對機(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)床自動控制中所有功能要求。174.1.4CNC裝置的主要功能和特點（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)自動化產(chǎn)品，具有高可靠性特點。主要是由于目前CNC裝置的市場主要是國外西門子、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用和人員。目前，國內(nèi)的CNC裝置的市場占有率低的主要原因就是可靠性相對較低，這也是由于國內(nèi)CNC裝置起步較晚，難以與國際成熟的競爭對手相比。184.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)數(shù)控裝置的硬件可以認(rèn)為是一臺“計算機(jī)”加外部接口電路，它是整個CNC裝置的“軀體”，是CNC軟件運行的基礎(chǔ)平臺。根據(jù)其計算機(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)現(xiàn)在生產(chǎn)和新研制的數(shù)控機(jī)床都是采用微型計算機(jī)數(shù)控裝置。從價格、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：單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)按電路板的結(jié)構(gòu)特點可分為：大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)204.2.1單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置以一個中央處理器（CPU）為核心，CPU通過總線與存儲器以及各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工中的各種任務(wù)。由于單微處理器數(shù)控裝置只有一個中央處理器（CPU），其功能受到CPU字長、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)雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個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)。214.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)（1）在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理機(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。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(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過系統(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、共享存儲器結(jié)構(gòu)型224.2.2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)字控制這個總?cè)蝿?wù)劃分成多個子任務(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)（3）①CNC管理模塊，這是實現(xiàn)管理和組織整個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)出錯的識別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷等功能由該模塊完成。②CNC插補模塊，該模塊完成零件程序的譯碼、刀具半徑補償、坐標(biāo)位移量的計算和進(jìn)給速度處理等插補前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補計算，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)（4）③PLC模塊，零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床來的信號等在這個模塊中作邏輯處理，實現(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)臺分度，工件數(shù)量和運轉(zhuǎn)時間的計數(shù)等。④位置控制模塊，該模塊將插補后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測器測得的位置實際值進(jìn)行比較，求出差值，然后通過系統(tǒng)增益調(diào)整，進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移及誤差補償。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），用于控制伺服進(jìn)給電機(jī)運行。254.2.2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存儲器模塊，該模塊存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，是各功能模塊間數(shù)據(jù)傳送得共享存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器。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)（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)（7）2）共享存儲器結(jié)構(gòu)采用多端口存貯器來實現(xiàn)多微處理器之間的互連和通信、即數(shù)據(jù)交換，每個端口都配備有一套數(shù)據(jù)、地址和控制線，以供端口訪問，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突問題。當(dāng)微處理器數(shù)量增多時，往往會由于爭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4.2.3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，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、不同的編程語言、多種實時操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)接口、五花八門的人機(jī)界面等，不僅帶來了使用上的復(fù)雜性，也給車間物流的集成帶來了很多困難。294.2.3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)所存在的問題，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼提出了設(shè)計開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問題，使數(shù)控系統(tǒng)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。1987年美國提出了NGC(theNextGenerationwork-station/machineController)計劃，之后歐共體和日本先后提出了OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）計劃和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計劃。這些計劃的實施推動了開放式體系結(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)(3)（1）開放式體系結(jié)構(gòu)的定義目前尚有不同說法，但可以肯定其應(yīng)該具有下列特點:①以分布式控制的原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)是可移植的和透明的。②根據(jù)需要可實現(xiàn)重構(gòu)和編輯，以便實現(xiàn)一個系統(tǒng)的多種用途，即可實現(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)(4)③各模塊相互獨立，在此平臺上，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性的模塊加入其中。通過初始化系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)功能分配，保證機(jī)床廠、用戶廠對系統(tǒng)實施補充、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，以便使各相對獨立的功能模塊通過通信實現(xiàn)信息交換，并滿足實時控制要求。324.2.3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①向未來技術(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)(6)（3）基于通用個人計算機(jī)（PC機(jī)）的數(shù)控系統(tǒng)鑒于NGC等計劃過于龐大與復(fù)雜，以及個人計算機(jī)性能和質(zhì)量的提高、數(shù)量的增加、價格的下降、人們對通用PC機(jī)熟悉程度的深化，因此有不少廠家開發(fā)了基于通用個人計算機(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)計任務(wù)大大減輕，并能方便地實現(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)(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、存儲器、軟硬盤驅(qū)動器、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)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；良好的人機(jī)界面會使操作更加方便；開放式體系結(jié)構(gòu)更便于在企業(yè)內(nèi)外實現(xiàn)集成。354.3CNC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實現(xiàn)，因此，系統(tǒng)軟件的設(shè)計及功能是CNC裝置的關(guān)鍵。計算機(jī)數(shù)控裝置的軟件是整個系統(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)的各項功能而專門設(shè)計和編制的，其管理作用類似于計算機(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、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程以及CNC故障診斷程序。364.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點（1）多任務(wù)性和實時性CNC裝置是機(jī)床的控制系統(tǒng)，在硬件支持下，由軟件來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，這類程序的實時性要求不高；系統(tǒng)的控制任務(wù)包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制、開關(guān)量I/O控制等，這類程序要完成實時性很強(qiáng)的控制任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件具有多任務(wù)性和實時性兩大特點。374.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點在多數(shù)情況下，CNC要完成數(shù)控加工任務(wù)，必須同時進(jìn)行幾個任務(wù)的處理，即所謂的并行處理。例如，為使操作人員及時了解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執(zhí)行等；針對數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)性和實時性兩大特點，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)，各個微處理器并行地執(zhí)行各自的實時任務(wù)。從軟件出發(fā)，可采用設(shè)備分時共享并行處理技術(shù)、時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（2）設(shè)備分時共享并行處理在單CPU的CNC系統(tǒng)中，或在多CPU數(shù)控系統(tǒng)的某個需要處理多任務(wù)的CPU中，一般采用分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。在使用分時共享并行處理的計算機(jī)系統(tǒng)中，必須將各個任務(wù)按其所需時間的長短分割成一個個子任務(wù)，一個微處理器用時間片輪轉(zhuǎn)的方式處理完成多任務(wù)，即按照某種輪換次序給每個子任務(wù)分配CPU時間，進(jìn)行各子任務(wù)的處理，從微觀上看各子任務(wù)分時占用CPU，從宏觀上看，在一段時間內(nèi)，CPU并行地完成了各子任務(wù)，如同自動線的流水作業(yè)。394.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點在設(shè)備分時共享并行處理中，要充分地利用計算機(jī)的高速數(shù)據(jù)計算和處理能力，保證每個任務(wù)的合理響應(yīng)時間。每個任務(wù)允許占用CPU的時間要受到一定限制，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，當(dāng)程序運行到斷點時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。404.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點（3）時間重疊流水處理當(dāng)CNC處在零件加工工作方式時，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補準(zhǔn)備（包括譯碼和數(shù)據(jù)處理）、插補和位置控制四個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為t1，t2，t3，t4，那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個零件程序段，即第一個程序段處理完后再處理第二個程序段，依次類推，這種順序處理的時間關(guān)系如圖4-5a所示。414.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點從圖中可以看出，此時在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔，同樣在第二個和第三個程序段的輸出之間也會有這種時間間隔。由于這種時間間隔較大，會導(dǎo)致電機(jī)時轉(zhuǎn)時停，進(jìn)而使刀具時走時停，這種刀具時走時停在加工工藝上是不允許的。424.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點消除這種時間間隔的方法是時間重疊流水處理技術(shù)，采用這種技術(shù)的時間關(guān)系如圖4-5b所示。其關(guān)鍵是時間重疊，即在每一段較小的時間間隔內(nèi)，不再僅處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。這樣以來，每個零件程序段的輸出之間的時間間隔大為減小，從而保證了電機(jī)運轉(zhuǎn)和刀具移動的連續(xù)性。434.3.1CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點（4）實時中斷處理CNC控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理，CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為成個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。對于有實時要求，且各種任務(wù)互相交錯并發(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)，這時實時任務(wù)被按排成不同優(yōu)先級別的中斷服務(wù)程序，或在同一個中斷程序中按其優(yōu)先級高低而順序運行。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①外部中斷。主要有外部監(jiān)控終端（如急停、檢測儀器到位等）和操作面板鍵盤輸入中斷。前一種中斷的實時性要求很高，通常把這種中斷安排在較高的優(yōu)先級上，而操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。②內(nèi)部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時中斷合二為一，但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。③硬件故障中斷。這是各種硬件故障檢測裝置產(chǎn)生的中斷，如：存儲器出錯，定時器出錯，插補運算器超時等。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警中斷，如各種溢出，運算中出現(xiàn)零作除數(shù)等。454.3.2CNC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)行工作過程中位置、速度、主軸轉(zhuǎn)速等信息的傳遞和變換過程。這一過程包含計算機(jī)數(shù)控的幾個核心功能，且都采用軟件完成。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括以下幾個核心內(nèi)容：（1）數(shù)控程序輸入數(shù)控程序輸入是計算機(jī)數(shù)控讀入由用戶編寫的加工程序的過程。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（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程。這里所指的各種信息包括零件輪廓信息（如直線的起點和終點，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）以及刀具補償、刀庫控制、冷卻液啟停等輔助信息。圖形程序譯碼是從Dxf文件中獲取加工輪廓信息的過程。一個DXF文件包括6個段：標(biāo)題段、類別段、表段、塊段、實體段、對象段。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（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)床不能瞬時達(dá)到用戶設(shè)定速度，并且一般要求機(jī)床運行到指定位置點時速度為零。速度連接是根據(jù)相鄰兩段運動指令將兩段運動連接，而不需要機(jī)床先從第一段速度減速到靜止，再加速運行到第二段速度。484.3.2CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（4）（4）插補所謂插補是根據(jù)譯碼后得到的零件輪廓特征點尺寸，結(jié)合速度指令信息、刀具補償?shù)葏?shù)在已知的特征點之間插入一些中間點的過程。換言之，就是“數(shù)據(jù)點的密化過程”。插補之所以是計算機(jī)數(shù)控裝置必備的功能，是因為驅(qū)動傳動部件運行的伺服電機(jī)必須在一個“很小”的時間間隔內(nèi)給定一個位置指令才能保證多個軸按照指定的路徑協(xié)調(diào)運動，這個時間間隔叫做“插補周期”。在機(jī)床運動的整個過程中，計算機(jī)數(shù)控裝置不斷地發(fā)送位置指令給每個伺服驅(qū)動單元的，插補周期一般為1-10毫秒內(nèi)的一個固定值。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)由計算機(jī)數(shù)控裝置、驅(qū)動單元、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“插補周期”一半的固定時間為周期運行的。這個周期成為“位控周期”。在一個位控周期內(nèi)，計算機(jī)數(shù)控裝置對每個“位置環(huán)”進(jìn)行兩次PID校正運算，根據(jù)當(dāng)期插補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三環(huán)串級控制。一般為了防止機(jī)床出現(xiàn)過切，位置控制都是一個過阻尼系統(tǒng)，即實際位置值總是滯后與位置指令的。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、運行自診斷、通信診斷、離線診斷等幾種。（1）開機(jī)自診斷

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

指計算機(jī)數(shù)控裝置在