數控技術第3版課件4第四章-計算機數控裝置

第四章計算機數控裝置第一節(jié)概述第二節(jié)ＣＮＣ裝置硬件結構第三節(jié)ＣＮＣ裝置軟件結構第四節(jié)ＣＮＣ裝置的數據預處理第四章計算機數控裝置第一節(jié)概述第二節(jié)ＣＮＣ裝置硬件結構CNC系統(tǒng)從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量為控制對象并使其協(xié)調運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。CNC系統(tǒng)第一節(jié)概述一、CNC系統(tǒng)的組成程序輸入設備數控裝置CNC輸出設備可編程控制器PLC主軸控制單元速度控制單元主軸電機機床進給電機位置檢測CNC系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)由數控程序、輸入輸出設備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、主軸驅動裝置、進給驅動裝置和檢測裝置等組成。第一節(jié)概述一、CNC系統(tǒng)的組成程序輸入設備輸出設備可編機床數控運動控制邏輯控制位移控制速度、加速度軌跡控制簡單邏輯輸入輸出控制組合邏輯控制主軸電機定位正反轉、停止冷卻泵電機啟動、停止其他輔助控制…定時潤滑刀庫控制主軸管理超程等…機床不同，運動控制軸數、聯(lián)動軸數、邏輯控制的復雜程度都有所不同。第一節(jié)概述機床數控運動控制邏輯控制位移控制速度、加速度軌跡控制簡單邏輯二、CNC裝置的組成

CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組成。第一節(jié)概述硬件是基礎，軟件是靈魂。CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺。二、CNC裝置的組成CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。C第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)硬件的層次結構CNC系統(tǒng)硬件組成CNC裝置實質上是一種專用計算機，它除了具有一般計算機的結構外，還有和數控機床功能有關的功能模塊結構和接口單元。第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)硬件的層次結構CNC系統(tǒng)硬件組成CNC第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)軟件組成從本質特征來看，CNC裝置軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統(tǒng)。從功能特征來看，該數控裝置的軟件系統(tǒng)由管理軟件和控制軟件兩部分組成。為了提高機床的進給速度控制，一些實時控制可以由硬件來完成，如硬件插補器。這樣CPU作些插補前的準備工作，而位置控制由硬件電路完成。第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)軟件組成從本質特征來看，CNC裝置第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)軟件組成操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機交互位置控制輸入輸出管理插補運算故障診斷處理速度處理機床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補償......第一節(jié)概述CNC系統(tǒng)軟件組成操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程

CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應用軟件控制軟件數控加工程序

接口被控設備機床機器人測量機

......第一節(jié)概述CNC平臺CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應用軟件控制軟件數控加通過各種輸入方式，接受機床加工零件的各種數據信息，經過CNC裝置譯碼，再進行計算機的處理、運算，然后將各個坐標軸的分量送到各控制軸的驅動電路，經過轉換、放大去驅動伺服電動機，帶動各軸運動。并進行實時位置反饋控制，使各個坐標軸能精確地走到所要求的位置?；仡櫍篊NC裝置的工作原理第一節(jié)概述通過各種輸入方式，接受機床加工零件的各種數據信息，經三、CNC裝置的功能控制功能

準備功能

插補功能固定循環(huán)功能

進給功能主軸功能輔助功能刀具功能補償功能

顯示功能通訊功能

自診斷功能第一節(jié)概述CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。數控裝置的功能包括基本功能和選擇功能?；竟δ堋獢悼叵到y(tǒng)基本配置的功能，即必備功能；選擇功能——用戶可根據實際要求選擇的功能。三、CNC裝置的功能控制功能準備功能插補功能固定循環(huán)功三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述控制功能CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數，它是數控裝置的重要性能指標。CNC的控制軸分有：移動軸（X、Y、Z）和回轉軸（A、B、C）；基本軸和附加軸（U、V、W）。數控車床一般只需X、Z兩軸聯(lián)動控制。數控銑床、鉆床以及加工中心等需要三軸控制以及三軸以上聯(lián)動控制。聯(lián)動控制軸數越多，CNC系統(tǒng)就越復雜，編程也越困難。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述控制功能CNC能控制和能聯(lián)動三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述準備功能（G）功能指令機床動作方式的功能。它包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標設定、刀具補償、鏡像、固定循環(huán)加工、公英制轉換、子程序等指令。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述準備功能（G）功能指令機床動三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述插補功能和固定循環(huán)功能插補功能是數控裝置實現零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。實現插補功能的方法有逐點比較法、數字積分法、直接函數法和雙DDA法等固定循環(huán)功能是數控裝置實現典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述插補功能和固定循環(huán)功能插補功三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述進給功能進給速度的控制功能。進給速度——控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min。同步進給速度——實現切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r。只有主軸裝有位置編碼器的機床才能指令同步進給速度進給倍率（進給修調率）——人工實時修調預先給定的進給速度。使用倍率開關不用修改零件加工程序就改變進給速度。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述進給功能進給速度的控制功能。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述主軸功能數控系統(tǒng)的主軸的控制功能。主軸轉速——主軸轉速的控制功能，單位為r/min。恒線速度控制——刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能。該功能主要用于車削和磨削加工中，使工件端面質量提高。主軸修調率——人工實時修調預先設定的主軸轉速。主軸準停——該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止。加工中心必須有主軸準停功能，主軸準停后實施卸刀和裝刀動作。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述主軸功能數控系統(tǒng)的主軸的控制三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述輔助功能（M功能）用于指令機床輔助操作的功能。主要用于指定主軸的正轉、反轉、停止、冷卻泵的打開和關閉、換刀等動作。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述輔助功能（M功能）用于指令機三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述刀具功能實現對刀具幾何尺寸和壽命的管理功能。刀具幾何尺寸（半徑和長度），供刀具補償功能使用；刀具壽命是指時間壽命，當刀具壽命到期時，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具；CNC裝置都具有刀具號（T）管理功能，用于標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述刀具功能實現對刀具幾何尺寸和三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述補償功能刀具半徑和長度補償功能：實現按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術進行建模，利用模型實施在線補償。CNC裝置采用補償功能可以把這些補償量輸入到其內部儲存器，在控制機床進給時按一定的計算方法將這些補償量補上。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述補償功能刀具半徑和長度補償功三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述通信功能主要完成上級計算機與CNC裝置之間的數據和命令傳送。一般帶有RS32C串行接口，實現DNC方式加工高級的帶有FMS接口，按MAP（制造自動化協(xié)議）通信，實現車間與工廠的自動化三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述通信功能主要完成上級計算機與三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述自診斷功能CNC自動實現故障預報和故障定位的功能。CNC裝置中安裝了各種診斷程序，這些程序可以嵌入其它功能程序中，在CNC裝置運行過程中進行檢查和診斷。三、CNC裝置的功能第一節(jié)概述自診斷功能CNC自動實現故障第二節(jié)CNC裝置硬件結構CNC裝置體系結構CNC裝置的工作過程是在硬件的支持下，執(zhí)行系統(tǒng)軟件的過程，數控裝置的控制功能在很大程度上取決于硬件結構。CNC裝置按體系結構可以分為專用體系結構和開放式體系結構兩大類。

CNC裝置的硬件結構按照控制功能的復雜程度可分為單微處理機硬件結構和多微處理機硬件結構。第二節(jié)CNC裝置硬件結構CNC裝置體系結構第二節(jié)CNC裝置硬件結構一、單微處理機結構的CNC裝置單微處理機硬件結構的CNC裝置特點：⑴CNC裝置內有一個微處理器，對存儲、插補計算、輸入輸出控制、CRT顯示等功能實現集中控制分時處理；⑵微處理器通過總線與存儲器、輸入輸出控制等接口電路相連，構成CNC裝置；⑶結構簡單，容易實現。

第二節(jié)CNC裝置硬件結構一、單微處理機結構的CNC裝置單微第二節(jié)CNC裝置硬件結構1、單機系統(tǒng):整個CNC裝置只有一個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各種NC功能。該CPU既要對鍵盤輸入和CRT顯示處理，又要進行譯碼、刀補計算以及插補等實時處理，這樣進給速度顯然受到影響。2、主從結構，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。其它帶CPU的功能部件只能接受主CPU的控制命令或數據，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數據。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結構，也歸類于單微處理機結構一、單微處理機結構的CNC裝置第二節(jié)CNC裝置硬件結構1、單機系統(tǒng):整個CNC裝置只有第二節(jié)CNC裝置硬件結構單微處理機結構的CNC裝置框圖D/ACPU紙帶機接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能總線進給電機主軸電機單微處理機結構的數控裝置有微處理器、存儲器、總線、I/O接口、MDI接口、CRT或液晶顯示接口、PLC接口、主軸控制、紙帶閱讀機接口、通訊接口等組成第二節(jié)CNC裝置硬件結構單微處理機結構的CNC裝置框圖D/第二節(jié)CNC裝置硬件結構(1)微處理器和總線微處理器（CPU）是CNC裝置的核心，主要有運算器和控制器兩部分組成。運算器刀補計算、插補運算、位置控制計算及其它數據的計算和邏輯運算?？刂破鲝拇鎯ζ髦幸来稳〕龀绦蛑噶睿涍^譯碼，向CNC裝置各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，使指令得以執(zhí)行。同時接受執(zhí)行部件發(fā)回來的反饋信息，決定下一步命令操作?？偩€是將微處理器、存儲器和輸入/輸出接口等相對獨立的裝置或部件聯(lián)系起來，并傳送信息的公共通道。數據總線地址總線控制總線第二節(jié)CNC裝置硬件結構(1)微處理器和總線第二節(jié)CNC裝置硬件結構(2)存儲器存儲器用于存放數據、參數和程序等，包括只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩類。

只讀存儲器(ROM)專門存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數），使用時其存儲單元的內容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會因斷電而丟失內容。隨機存儲器（RAM）用來存儲零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數據、輸入數據、中間計算結果等，其存儲單元的內容既可以讀出又可寫入或改寫。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(2)存儲器第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口

CNC裝置和機床之間的信號一般不直接連接，需要通過輸入和輸出I/O接口電路連接。

接口電路的主要作用有：一是進行必要的電氣隔離，防止干擾信號引起誤動作。主要用光電耦合器或繼電器將CNC裝置和機床之間的信號在電氣上加以隔離。二是進行電平轉換和功率放大。一般CNC裝置的信號是TTL電平，而機床控制的信號通常不是TTL電平，負載較大，需要進行必要的信號電平轉換和功率放大。三是進行模擬量與數字量之間轉換。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口

同其它工業(yè)上的輸入/輸出接口一樣CNC裝置與機床間的接口也有國際標準，稱為“機床/數控接口”標準。數控裝置與機床以及機床電器設備之間的接口分為三種類型第一類：與驅動控制器和測量裝置之間的連接電路第二類：電源及保護電路第三類：開/關信號和代碼連接電路第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口同其它工業(yè)上的第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口

第一類接口傳送的信息是CNC裝置與伺服單元、伺服電機、位置監(jiān)測和速度檢測之間的控制信息，它們屬于數字控制、伺服控制和檢測控制。第二類電源及保護電路由數控機床強電線路中的電源控制電路構成。強電線路由電源變壓器、繼電器、接觸器、保護開關、熔斷器等連接而成，為驅動主軸電機、輔助電機、電磁鐵、電磁閥、離合器等功率執(zhí)行元件供電。強電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電路直接連接，只能通過中間繼電器、熱保護器、控制開關等轉換。第三類開/關信號和代碼連接電路是CNC裝置與機床參考點、限位、面板開關等以及一些輔助功能輸出控制連接的信號。當數控機床沒有用PLC時，這些信號在CNC裝置與機床之間直接傳送，當有PLC時，除一些高速信號外，均通過PLC輸入/輸出第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口第一類接口傳送第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口

CNC裝置與被控設備交換的信號有三類：數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、交流輸入輸出。這些信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與CNC裝置相聯(lián)，需要一個接口對這些信號進行變換處理。接口電路主要包括以下幾個方面任務（1）電平轉換：一般CNC裝置的信號是TTL電平，而控制機床和來自機床的電信號電平通常不是TTL電平，因此要進行電平轉換，在重負載情況下，還要進行功率放大。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口CNC裝置與被第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口

接口電路主要包括以下幾個方面任務（2）A/D、D/A轉換：CNC裝置的微處理器只能處理數字量而對于模擬量控制的地方，則需數/模（D/A)轉換器，同理，將模擬量輸入到CNC裝置需要模/數（A/D)轉換器。（3）防止噪聲引起誤動作：阻斷外部的干擾信號進入計算機，用光電耦合器或繼電器將CNC裝置和機床之間的信號在電器上加以隔離。以提高CNC裝置運行的可靠性。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(3)I/O接口接口電路主要包第二節(jié)CNC裝置硬件結構(4)MDI/CRT接口

MDI手動數據輸入通過數據面板上的鍵盤進行操作。當掃描到有鍵按下時，將數據送入移位寄存器，經數據處理判別該鍵的屬性及其有效性，并進行相關的監(jiān)控處理。

CRT接口在CNC裝置軟件的控制下，在單色或彩色CRT上實現字符和圖形顯示，對數控代碼程序、參數、各種補償數據、零件圖形和動態(tài)刀具軌跡等進行實時顯示。

第二節(jié)CNC裝置硬件結構(4)MDI/CRT接口第二節(jié)CNC裝置硬件結構(5)位置控制模塊位置控制模塊的主要功能是對數控機床的進給運動坐標軸的位置進行控制。進給坐標軸的位置控制硬件一般采用大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片和位置控制模板。

位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅動系統(tǒng)連接的接口模塊。

常用的位置控制模塊：開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅動電源的接口；閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅動裝置的接口。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(5)位置控制模塊常用的位置第二節(jié)CNC裝置硬件結構(6)可編程控制器（PLC）

可編程控制器（PLC）的功能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床的繼電器邏輯控制來實現各種開關量的控制。數控機床中使用PLC可以分為兩類：一類是“內裝型”PLC，它是為實現機床的順序控制而專門設計制造的。另一類是“獨立型”PLC，它是在技術規(guī)范、功能和參數上均可滿足數控機床要求的獨立部件。PLC模塊：CNC裝置實現順序控制的模塊。PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經處理后輸出去控制相應器件的運行。第二節(jié)CNC裝置硬件結構(6)可編程控制器（PLC）PL第二節(jié)CNC裝置硬件結構二、多微處理機結構的CNC裝置在多微處理機結構的CNC裝置中，由于有兩個或兩個以上的微處理機構成的處理部件，處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，資源共享，或者有兩個或者兩個以上的微處理機結構的功能模塊，功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)有效地實現并行處理，所以能克服單微處理機結構的不足，使CNC裝置的性能有較大提高。在單微處理機結構的CNC裝置中，因為只有一個CPU，只能采用集中控制，該CPU既要對鍵盤輸入和CRT顯示處理，又要進行譯碼、刀補計算以及插補等實時控制處理，這樣進給速度顯然受影響。

第二節(jié)CNC裝置硬件結構二、多微處理機結構的CNC裝置在多第二節(jié)CNC裝置硬件結構1.CNC管理模塊該模塊管理和組織整個CNC裝置個功能協(xié)調工作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)錯誤識別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。還完成數控代碼編譯、坐標計算和轉換、刀具補償和進給速度處理等插補前的預處理。2.存儲器模塊該模塊存放程序和數據，為主存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器。主存儲器模塊是各功能模塊間數據傳送的共享存儲器。3.CNC插補模塊該模塊根據前面的編譯指令和數據進行插補計算，按規(guī)定的插補類型通過插補計算為各坐標軸提供位置給定值。多微處理機結構的CNC裝置基本功能模塊第二節(jié)CNC裝置硬件結構1.CNC管理模塊多微處理機結構第二節(jié)CNC裝置硬件結構4.位置控制模塊該模塊根據插補后的坐標位置給定值與位置檢測器測得的的位置是機制進行比較，經過一定的控制算法，最后得到速度控制的模擬電壓，去驅動進給伺服電動機，實現無超調、無滯后、高性能的閉環(huán)位置控制。5.指令、數據的輸入輸出及顯示模塊該模塊包括零件加工程序、參數和數據、各種操作命令的輸入/輸出及顯示等所需要的各種接口電路，如紙帶閱讀機接口、穿孔機、鍵盤、CRT接口、通信接口等。6.PLC功能模塊該模塊將零件程序中的開關功能和由機床來的信號等進行邏輯處理，實現各功能和操作方式之間的連鎖，機床電器設備的啟、停，刀具交換，轉臺分度，工件數量和運轉時間的計數等。第二節(jié)CNC裝置硬件結構4.位置控制模塊第二節(jié)CNC裝置硬件結構2.多微處理機CNC裝置的典型結構（１）共享總線型結構所有部件共享總線，只有主模塊能控制系統(tǒng)總線;同一時刻只能有一個主模塊占用總線;有總線仲裁機構。總線CNC管理模塊（CPU）主存儲器模塊自動編程模塊（CPU）操作面板顯示模塊CNC插補模塊（CPU）PLC功能模塊(CPU)位置控制模塊(CPU)主軸控制模塊

優(yōu)點：結構簡單、配置靈活缺點：總線是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦系統(tǒng)總線出現故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；共享總線時會引起“競爭”，降低傳輸效率。第二節(jié)CNC裝置硬件結構2.多微處理機CNC裝置的典型結第二節(jié)CNC裝置硬件結構（２）共享存儲器型結構采用多端口存儲器實現各CPU之間通信,每個端口都配有一套數據、地址、控制線，以供端口訪問。由多端口邏輯電路解決訪問的沖突問題缺點功能擴展困難第二節(jié)CNC裝置硬件結構（２）共享存儲器型結構采用多端口存第二節(jié)CNC裝置硬件結構3.多微處理機CNC裝置的優(yōu)點（１）運算速度快、性能價格比高（２）適應性強、擴展容易（３）可靠性高（４）硬件易于組織規(guī)?；a第二節(jié)CNC裝置硬件結構3.多微處理機CNC裝置的優(yōu)點（第二節(jié)CNC裝置硬件結構三、開放式體系結構數控系統(tǒng)開放式體系結構數控系統(tǒng)必須具備不同應用程序能協(xié)調地運行于系統(tǒng)平臺上的能力，提供面向功能地動態(tài)重構工具，同時提供統(tǒng)一標準化地應用程序用戶界面。具有以下特征:可互操作性：不同應用程序模塊通過標準化地應用程序接口運行于系統(tǒng)平臺，不同模塊之間保持平等地相互操作能力?？梢浦残裕翰煌瑧贸绦蚰K可運行于不同供應商提供的不同系統(tǒng)平臺上?？煽s放性：增加和減少系統(tǒng)功能僅僅表現為特定模塊單元的裝載與卸載?？上嗷ヌ娲裕翰煌阅芘c可靠性和不同功能能力的功能模塊可以相互替代。1.開放式體系結構數控系統(tǒng)的定義第二節(jié)CNC裝置硬件結構三、開放式體系結構數控系統(tǒng)第二節(jié)CNC裝置硬件結構

2.開放式CNC系統(tǒng)的體系結構（1）專用CNC＋PC主版：采用傳統(tǒng)數控專用模板＋通用的PC模塊可以共享計算機的一部分軟件、硬件資源，有一定的靈活性。具有某些開放式的特點，但是柔性不夠。（2）通用PC＋開放式運動控制器完全采用以PC為硬件平臺的數控系統(tǒng)機床的運動控制和邏輯控制由獨立的運動器完成，由PC硬件插件而構成典型系統(tǒng)：美國DeltaTau公司的PMAC控制器特點：目前較為先進的技術，但仍要依賴于專用運動控制卡第二節(jié)CNC裝置硬件結構2.開放式CNC系統(tǒng)的第二節(jié)CNC裝置硬件結構

2.開放式CNC系統(tǒng)的體系結構（3）完全PC型的全軟件形式的數控系統(tǒng)：以應用軟件的形式實現運動控制正處于研究階段，還未形成產品主要研究：歐盟的OSACA工程第二節(jié)CNC裝置硬件結構2.開放式CNC系統(tǒng)的1.輔助M功能

PLC完成的M功能是很廣泛的。根據不同的M代碼，可控制主軸的正反轉及停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開、關、卡盤的夾緊和松開，以及自動換刀裝置機械手取刀、歸刀等運動。四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二節(jié)CNC裝置硬件結構1.輔助M功能四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二2.主軸S功能

S用來指定主軸轉速。CNC裝置將S代碼送入PLC，經過電平轉換(獨立型PLC)、譯碼、數據轉換、限位控制和D/A變換，最后輸給主軸電機伺服系統(tǒng)。其中限位控制是當S代碼對應的轉速大于規(guī)定的最高轉速時，限定最高轉速，當S代碼對應的轉速小于規(guī)定的最低轉速時，限定最低轉速，為了提高主軸轉速的穩(wěn)定性，增大轉矩、調整轉速范圍，還可增加1～2級機械變速檔。通過PLC的M代碼功能實現。四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二節(jié)CNC裝置硬件結構2.主軸S功能四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二3.刀具T功能數控系統(tǒng)通過PLC可管理刀庫，進行刀具自動交換。處理的信息包括選刀方式，刀具累計使用的次數，刀具剩余壽命和刀具刃磨次數等。四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二節(jié)CNC裝置硬件結構3.刀具T功能四、CNC裝置中M、S、T功能的PLC實現第二PLC、CNC、機床間的信息交換1、PLC給CNC的信號：主要有機床各坐標基準點信號，M、S、T功能的應答信號2、PLC給機床的信號：主要是控制機床執(zhí)行件的執(zhí)行信號，如電磁鐵、接觸器、繼電器的動作信號以及確保機床各運動部件狀態(tài)的信號及故障指示。3、機床給PLC的信息：主要有機床操作面板上各開關、按鈕等信息，其中包括機床的起動、停止，機械變速選擇，主軸正/反轉、停止，冷卻液的開/關，各坐標的點動和刀架、夾盤的松/夾等信號，以及上述各部件的限位開關等保護裝置、主軸伺服保護監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準備等信號。第二節(jié)CNC裝置硬件結構PLC、CNC、機床間的信息交換1、PLC給CNC的信號第三節(jié)CNC裝置軟件結構一、CNC裝置軟件硬件的分工軟件與硬件實現各種功能的特點和關系關系：從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實現功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價的。特點：硬件處理速度快，但靈活性差，實現復雜控制的功能困難。軟件設計靈活，適應性強，但處理速度相對較慢。CNC裝置軟件：設計靈活，適應性強，但 處理速度較慢；硬件：處理速度快，但價格較貴。支持功能界面劃分的準則：系統(tǒng)的性能價格比第三節(jié)CNC裝置軟件結構一、CNC裝置軟件硬件的分工第三節(jié)CNC裝置軟件結構一、CNC裝置軟件硬件的分工三種典型的軟硬件界面關系紙帶輸入插補準備插補位控紙帶輸入插補準備插補位控速控電機測量第一種第二種第三種硬件硬件軟件硬件硬件軟件軟件硬件硬件第三節(jié)CNC裝置軟件結構一、CNC裝置軟件硬件的分工第三節(jié)CNC裝置軟件結構二、CNC裝置的軟件組成CNC裝置的軟件是為了完成數控機床的各項功能專門設計和編制的專用軟件，通常稱為系統(tǒng)軟件。CNC裝置的系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩大部分組成的。管理軟件包括：輸入/輸出、顯示、診斷等；控制軟件包括：譯碼、刀具補償、速度控制、插補運算和位置控制等。第三節(jié)CNC裝置軟件結構二、CNC裝置的軟件組成C第三節(jié)CNC裝置軟件結構三、CNC裝置軟件結構的特點

CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務計算機控制系統(tǒng)，它的控制軟件也采用了計算機軟件技術中的許多先進技術。CNC系統(tǒng)的軟件結構，無論其硬件是采用單微處理器結構還是多微處理器結構，都具有兩個特點：多任務并行處理和多重實時中斷兩項技術的運用。第三節(jié)CNC裝置軟件結構三、CNC裝置軟件結構的特點第三節(jié)CNC裝置軟件結構

CNC系統(tǒng)的多任務性表現在其軟件必須完成管理和控制兩大任務。在數控加工過程中，多數情況下以上兩項工作須同時進行。1.多任務并行處理(1)CNC裝置的多任務性系統(tǒng)任務管理控制輸入輸出顯示I/O處理診斷譯碼刀補速度處理插補位置控制第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC系統(tǒng)的多任務性表現在其第三節(jié)CNC裝置軟件結構并行處理是指計算機在同一時間間隔內完成兩種或兩種以上的性質相同或不同的工作。(2)并行處理并行處理的分類：

資源共享：根據“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備。

時間重疊：根據流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。資源重復：用多套相同或不同的設備同時完成多種相同或不同的任務。

CNC硬件通常采用資源重復并行處理方法；CNC軟件設計主要采用資源重疊的流水線處理和資源分時共享的并行處理方法。第三節(jié)CNC裝置軟件結構并行處理是指計算機在同一時間間隔內資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結構的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術。資源分時共享——在規(guī)定的時間長度（時間片）內，根據各任務實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源。技術關鍵：其一：各任務的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）其他譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序中斷級別高中斷級別低其他譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序中斷級別各任務占用CPU時間示意圖各任務占用CPU時間示意圖

資源分時共享技術的特征在任何一個時刻只有一個任務占用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務。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，各個任務還是逐一執(zhí)行的。資源分時共享技術的特征在任何一個時刻只有一個任務占用CPU流水處理技術的涵義利用重復的資源（CPU），將一個大的任務分成若干個子任務(任務的分法與資源重復的多少有關)，這些小任務是彼此關系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務，就象在一條生產線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。

時間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3并行處理1231232tt空間時間順序處理輸出輸出CPU1流水處理技術的涵義利用重復的資源（CPU），將一個流水處理技術的涵義

資源重疊流水處理的特征：流水處理在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。

流水處理的關鍵是時間重疊。是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。流水處理技術的涵義資源重疊流水處理的特征：并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）在多CPU結構的CNC系統(tǒng)中，根據各任務之間的關聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術：若任務間的關聯(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；若任務間的關聯(lián)程度較高，即一個任務的輸出是另一個任務的輸入，則可采取流水處理的方法來實現并行處理。并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）在多CPU結構的C第三節(jié)CNC裝置軟件結構(３)并行處理中的信息交換和同步

加工程序譯碼刀補預處理插補處理位置控制伺服驅動PLC控制位置反饋速度預處理譯碼緩沖區(qū)刀補緩沖區(qū)插補緩沖區(qū)運行緩沖區(qū)在CNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖存儲區(qū)來實現。第三節(jié)CNC裝置軟件結構(３)并行處理中的信息交換和同步2.實時中斷處理第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC裝置的多任務性和實時性決定了中斷成為整個裝置必不可少的組成部分。CNC裝置的中斷管理主要靠硬件完成，而其中中斷結構決定了CNC裝置軟件的結構。CNC系統(tǒng)的中斷類型：外部中斷：主要有光電閱讀機讀孔中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤及操作面板中斷。內部定時中斷：主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。硬件故障中斷：各種硬件故障檢閱裝置發(fā)出的中斷。程序性中斷：程序中出現的各種異常情況的報警中斷。2.實時中斷處理第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC裝置第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC中斷結構模式有：中斷型結構和前后臺型結構中斷型軟件結構

中斷型軟件結構沒有前后臺之別，除初始化程序外，根據各控制模塊實時要求不同，將控制程序安排成不同級別的中斷服務程序。初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務程序

級中斷服務程序

級中斷服務程序級中斷服務程序………………第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC中斷結構模式有：中斷型結構和第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC中斷結構模式有：中斷型結構和前后臺型結構前后臺型軟件結構前后臺型軟件結構適合于采用集中控制的單微處理器CNC系統(tǒng)。前臺程序為實時中斷程序，后臺程序主要用來完成準備工作和管理工作。前臺程序故障處理位置控制插補運算……后臺程序譯碼刀補處理速度預處理輸入/輸出顯示中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行第三節(jié)CNC裝置軟件結構CNC中斷結構模式有：中斷型結構和第四節(jié)CNC裝置的數據預處理CNC裝置控制刀具相對于工件作出符合零件輪廓軌跡的相對運動通過插補實時控制實現，而插補所需信息（如曲線種類、起點終點坐標、進給速度等），需要通過預處理得到。預處理包括零件程序的輸入、譯碼、刀具（半徑、長度）補償計算和坐標轉換等。第四節(jié)CNC裝置的數據預處理CNC裝置控制刀具相對于工件作零件程序的輸入包括兩方面的內容:1）從閱讀機、鍵盤輸入到零件程序存儲器。

2）從零件程序存儲器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲區(qū)）。

一、零件程序的輸入第四節(jié)CNC裝置的數據預處理閱讀機零件程序存儲器MDI鍵盤零件程序緩沖區(qū)MDI緩沖區(qū)譯碼零件程序的輸入包括兩方面的內容:一、零件程序的輸入第四節(jié)C一、零件程序的輸入第四節(jié)CNC裝置的數據預處理2、數據存放形式在零件程序存儲器中可以儲存多個零件程序，零件程序一般是按順序存放的，為了方便零件程序的調用。在零件程序存儲器中還開辟了目錄區(qū)，在目錄區(qū)中按固定格式存放著相應零件程序的有關信息，形成目錄表，目錄表的每一項對應一個零件程序。儲存的零件程序通常已不用ISO代碼或EIA代碼表示，而是將它轉換為某些數控內部代碼。（如表4-2）例如：程序N10G91G01X100Y-50F150M03LF轉換成數控內部碼如表4-3，為該零件程序段存儲器中的信息。一、零件程序的輸入第四節(jié)CNC裝置的數據預處理2、數據存放一、零件程序的輸入第四節(jié)CNC裝置的數據預處理3、零件加工程序的編輯將零件加工程序輸入后，常常需對該程序編輯，編輯工作主要有插入、刪除、替換和修改等操作。一、零件程序的輸入第四節(jié)CNC裝置的數據預處理3、零件加工二、譯碼譯碼程序又稱翻譯程序，它把零件程序段的各種工件輪廓信息(如起點、終點、直線或圓弧等)、加工速度F和其它輔助信息(M、S、T)按一定規(guī)律翻譯成計算機系統(tǒng)能識別的數據形式，并按系統(tǒng)規(guī)定的格式放在譯碼結果緩沖器中。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現語法錯誤立即報警。方法：解釋和編譯。解釋方法：是將輸入程序整改成某種形式，在執(zhí)行時由計算機順序取出進行分析、判斷和處理，即一邊解釋一邊執(zhí)行。編譯方法：是將輸入程序作為源程序，對它進行編譯，形成由機器指令組成的目的程序，然后計算機執(zhí)行這個目的程序。第四節(jié)CNC裝置的數據預處理二、譯碼譯碼程序又稱翻譯程序，它把零件程序段的各種工件輪廓信二、譯碼譯碼的工作：代碼識別和各項功能的譯碼第四節(jié)CNC裝置的數據預處理代碼識別（由軟件完成）二、譯碼譯碼的工作：代碼識別和各項功能的譯碼第四節(jié)CNC裝二、譯碼譯碼的工作：代碼識別和各項功能的譯碼第四節(jié)CNC裝置的數據預處理各功能碼的譯碼經代碼識別設立了各功能代碼的標志后，就可以分別對各功能碼進行處理了。對于不同的CNC系統(tǒng)來說，編程格式有自己的規(guī)定，所以可以將譯碼結果緩沖器的設置與零件程序段格式相對應。（如表4-4）各個功能代碼的處理方式是不盡相同的，表4-4，除G代碼和M代碼分組外，其與功能代碼只有一項，其地址在內存中是指定的，因此，譯碼程序根據代碼識別設置的各功能碼的標志，確定其存放其相應數碼的地址，以便送入數據。（圖4-36）二、譯碼譯碼的工作：代碼識別和各項功能的譯碼第四節(jié)CNC裝二、譯碼譯碼過程第四節(jié)CNC裝置的數據預處理二、譯碼譯碼過程第四節(jié)CNC裝置的數據預處理第四節(jié)CNC裝置的數據預處理三、刀具補償原理刀補處理程序主要進行以下幾項工作：

1.計算本段零件輪廓的終點坐標值；

2.根據刀具的半徑值和刀具補償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置；

3.根據本段和下一段的轉接關系進行段間處理。建立刀補Ｇ４１撤消刀補Ｄ４０工件輪廓起刀點起刀點建立刀補Ｇ４２撤消刀補Ｄ４０工件輪廓a）左刀補G41b）右刀補G42第四節(jié)CNC裝置的數據預處理三、刀具補償原理刀補處理程序主第四節(jié)CNC裝置的數據預處理三、刀具補償原理刀具半徑補償在零件輪廓段的交點處需作適當的過渡處理。不能處理交點處的刀補（需要人為處理）－B功能刀補

直線過渡型（或圓弧過渡型）刀具半徑補償－C功能刀補第四節(jié)CNC裝置的數據預處理三、刀具補償原理刀具半徑補償在第四節(jié)CNC裝置的數據預處理1.B功能刀具半徑補償計算

B功能刀補能根據本段程序的輪廓尺寸進行刀具半徑補償，不能解決程序段之間的過渡問題，編程人員必須先估計刀補后可能出現的間斷點和交叉點等情況，進行人為處理。第四節(jié)CNC裝置的數據預處理1.B功能刀具半徑補償計算第四節(jié)CNC裝置的數據預處理(１)直線刀具半徑補償計算

被加工直線段OE起點在坐標原點，終點E的坐標為(x，y)。設刀具半徑為r，刀具偏移后E點移動到了E′點。E點刀具半徑矢量分量、為：E′點的坐標(，)為：yrxr?????íì+-=+=2222yxrxryxryryx?????íì+-=+=￠++=+=￠2222yxrxyryyyxryxrxxyxy￠x￠第四節(jié)CNC裝置的數據預處理(１)直線刀具半徑補償計算E第四節(jié)CNC裝置的數據預處理(2)圓弧刀具半徑補償計算如圖被加工圓弧AE，半徑為R，圓心在坐標原點，起點A′為上一個程序段終點的刀具中心點，已求出。

E點刀具半徑矢量分量、為：E′點的坐標為：?????íì==RyrrRxrreyex?????íì+=+=￠+=+=￠RyryryyRxrxrxxeeyeeeexeexryr第四節(jié)CNC裝置的數據預處理(2)圓弧刀具半徑補償計算E第四節(jié)CNC裝置的數據預處理

*B功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題

事實上，加工完第一個程序段，刀具中心落在B1點上，而第二個程序段的起點為B2，兩個程序段之間出現了斷點，只有刀具中心走一個從B1至B2的附加程序，即在兩個間斷點之間增加一個半徑為刀具半徑的過渡圓弧B1B2，才能正確加工出整個零件輪廓。第四節(jié)CNC裝置的數據預處理*B功能刀具