計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

湖南大學(xué)

機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院

1

數(shù)控技術(shù)內(nèi)容

進(jìn)

執(zhí)■

行

給

機(jī)

傳

構(gòu)

動(dòng)

機(jī)

構(gòu)

2

想象力比知識(shí)更重要。

數(shù)控技術(shù)

第五章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC)

5ACNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

53CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)；

5.4CNC系統(tǒng)的，空制原理與功能

5.5%年鏤/償原理

5.6典遍數(shù)控系統(tǒng)一/

數(shù)控技術(shù)

重點(diǎn)：

單微處理器與多微處理器數(shù)控系統(tǒng)

CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理當(dāng)國時(shí)中斷處理

■\、

難點(diǎn)：‘

開放式CNC硬徉建舄

\\A\\

5.1CNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

CNC一ComputerNumericalControl

定義：借助計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行其得儲(chǔ)器內(nèi)的程序來

完成數(shù)控要求的部分或者全部功露J并配有接口電路、

伺服驅(qū)動(dòng)裝置的一種專用機(jī)嬲遂統(tǒng)。

也可解釋為：一種日瀛藏系統(tǒng)，它能自動(dòng)完成

信息的輸入、譯碼、運(yùn)算，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加

工過程?！梆?/p>

主要任剁嗜儲(chǔ)程序、完成插補(bǔ)、將計(jì)算結(jié)果輸藍(lán)

出伺服系統(tǒng)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

數(shù)控技術(shù)

5.1CNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)的組成

數(shù)控程序等信息的輸入以及輸入內(nèi)容和系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出

識(shí)別和解釋數(shù)控程序，完成數(shù)據(jù)，口[

計(jì)算和邏輯判斷處理,以二。聲軸和進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)控制

3-，3

、驅(qū)動(dòng)控制/

A裝置70機(jī)

輸入/

床

輸出裝

本

置、機(jī)床電器邏不

A輯控制裝置V體

接受數(shù)控裝置的開關(guān)命令，完成主軸選速、起停和方向控制功能，換刀功

能，冷卻、液壓、氣動(dòng)、潤滑^^制功能以及其他機(jī)床輔助功能

5.1CNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，

主要功能：正確識(shí)別和解釋數(shù)控加工程序，對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行

各種數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷處理，完成各種輸入、輸出任務(wù)。

形式：專用硬件數(shù)控裝置一數(shù)字邏輯電路

計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）'V

信息輸出：連續(xù)控制電廠上驅(qū)動(dòng)控制裝置

離強(qiáng)翥濟(jì)交量——機(jī)床電器邏輯控制裝置

>5.1CNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)

☆靈活性大

只要改變系統(tǒng)軟件，就可改變和擴(kuò)展其功能，補(bǔ)充新

技術(shù)，延長硬件結(jié)構(gòu)的使用期

☆通用性強(qiáng)

硬件有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu)，易于擴(kuò)展

☆可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能

如高次曲線插補(bǔ)、動(dòng)靜態(tài)圖形顯示等功能

5.1CNC系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

(

☆可靠性高

許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,

用大規(guī)模和特大規(guī)模通用和專用集成電路

☆使用維修方便

CNC的診斷程序使維修非常方便

☆易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用先進(jìn)的

制造安裝技術(shù),使CNC裝置尺寸大為縮小。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)備層

機(jī)床

機(jī)器人

測(cè)量機(jī)

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

CNC裝置硬件組成

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

5.2.1常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)——按硬件制造方分

1.專用型CNC裝置

=>總線式模塊化結(jié)構(gòu)

采用功能化結(jié)構(gòu)。展功能要求可選用人一

9、11和13個(gè)槽的控制單元母板。在控制單元

母板上插入各種不同功能模塊的印刷電路板。

=>單板或?qū)Ｓ眯酒澳０褰M成的緊湊結(jié)構(gòu)

組成：由主電路板、PLC板、附加I/O板、

圖形控制板和電源單元等組成。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.PC式CNC系統(tǒng)

＞采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)作為CNC系統(tǒng)支撐平臺(tái)；

?不同數(shù)控制造廠僅需插入自己的控制卡和CNC軟件即可構(gòu)

成CNC系統(tǒng)，不設(shè)計(jì)專門硬件；

?由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)以百萬計(jì)，其生產(chǎn)成本很

低，繼而降低CNC系統(tǒng)的成本。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

5.2.2按CPU的多少分

1單微處理器結(jié)構(gòu)-只有一個(gè)微處理器，集中控制、分時(shí)處

■平愀處理說口仃.理數(shù)控裝置的各個(gè)任務(wù)。

CPU總線

AikA

VV

I/OCRTPC位置

CMOSRS-

接接控控

ROM

232口口制制

控制控制速度控

機(jī)床CRT

媒介面板制單元

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1).基本概念

整個(gè)CNC裝置只有一個(gè)CPU,集中控制和管理整個(gè)

系統(tǒng)資源，通過分時(shí)處理的方式實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。

2).特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)投資小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)功能受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力

缺點(diǎn)和運(yùn)算速度等因素的限制，現(xiàn)在已被多機(jī)系統(tǒng)

的主從結(jié)構(gòu)所取代。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

=＞主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU,但只有一個(gè)

CPU（主CPU）處于主導(dǎo)地位，對(duì)系統(tǒng)資源有控制和使用

權(quán)，其他CPU處于從屬地位，不能控制系統(tǒng)總線，只

能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請(qǐng)求

信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.多微處理器結(jié)構(gòu)

管理模塊I/O接口存儲(chǔ)器模塊輔助功能I

多機(jī)系統(tǒng)CNC系統(tǒng)并聯(lián)數(shù)據(jù)總線

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1）.基本概念

整個(gè)CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上CPU,

就是系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU。

兩個(gè)或兩個(gè)以上CPU構(gòu)成的處理部件之間有兩種結(jié)

構(gòu)形式：

緊耦合（相關(guān)性強(qiáng)）

有集中的操作系統(tǒng)，共享資源

松耦合（具有相對(duì)獨(dú)立性或相關(guān)性弱）

有多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2).分類

=＞多主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶CPU的功能部件對(duì)

系統(tǒng)資源有控制和使用權(quán)。模塊間采用緊耦合。

二〉分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的帶CPU的功能

模塊，每個(gè)模塊有獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，模塊間

采用松耦合。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3)特點(diǎn)

＞實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快。

＞容錯(cuò)能力強(qiáng)。

4).結(jié)構(gòu)形式

1).共享總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)組配靈活、可靠性高

。FANUC系統(tǒng)

2).共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

*美國GE公司的MTC1-CNC系統(tǒng)

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

什么是模塊化設(shè)計(jì)方法:

i?O將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨(dú)立功能的

單元模塊。

每個(gè)模塊配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，按功能要求選擇不

"㈡同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，組

成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。

模塊化設(shè)計(jì)的條件：

總線(BUS)標(biāo)準(zhǔn)化

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

5.2.3開放式CNC的硬件結(jié)構(gòu)

隨著技術(shù)、市場(chǎng)、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)等多方面的快速變

化，對(duì)CNC數(shù)控系統(tǒng)的柔性化和通用化提出更高的

要求。

開放式系統(tǒng)的定義：必須具備不同應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)

地運(yùn)用于系統(tǒng)平臺(tái)上的能力，提供面向功能的動(dòng)態(tài)

重構(gòu)工具，同時(shí)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序用戶界

lif

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

>開放式系統(tǒng)的特征：

可互操作性

不同應(yīng)用程序模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)，不同

模塊之間保持平等地相互操作能力。

可移植性

不同應(yīng)用程序模塊可運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的不同系統(tǒng)平臺(tái)上。

可縮放性

增加和減少系統(tǒng)功能僅僅表現(xiàn)為特定模塊單元的裝載與卸載。

可相互替代性

不同性能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可以相互替代。

52CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

基于PC（或IPC）開放式CNC的硬件配置形式

1）基于PC的有限開放CNC

（1）PC連接型CNC

結(jié)構(gòu)：CNC與PC通過串、《僦號(hào)接。'

特點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，0有鼠^幾乎不需改動(dòng)即可應(yīng)用。

八八、一、

PC基本CNC系統(tǒng)

52CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

(2)PC內(nèi)藏型CNC

結(jié)構(gòu)：CNC內(nèi)部加裝PGPC與CNC之間通過總線連接。

特點(diǎn):保持了CNC原有的性能、可露峰和功能，并且數(shù)據(jù)

傳送快，系統(tǒng)響應(yīng)快。1

52CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2）基于PC的可開放CNC

,結(jié)構(gòu)：通用PC機(jī)的擴(kuò)展槽%魁卷用CNC卡。！

特點(diǎn)：CNC卡完成包括加面軌跡生成等幾乎所有

CNC處理功能。充分保證系統(tǒng)性能，軟件通用

性強(qiáng)…編程能最活。,

數(shù)控技術(shù)

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.3.1CNC系統(tǒng)軟件的組成

＞CNC是一個(gè)實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

＞數(shù)控的基本功能是由各種功能子程序?qū)崿F(xiàn)的。

＞CNC軟件分為應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件。

＞應(yīng)用軟件包括零件數(shù)控加工或其他輔助軟件，如CAD/CAM軟

件。

＞系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專門軟件，也

叫控制軟件，存放在計(jì)算機(jī)EPROM內(nèi)存中。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

[CNC軟件

應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件/控制軟件

管

輸入數(shù)據(jù)處診速插

理

理程序斷度補(bǔ)

零件數(shù)控程

程控運(yùn)

加工或其序

他輔助軟輸譯序制算

件入碼程程

程程序序

序序

*-*■**■*■*5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.3.2CNC常規(guī)與開放式軟件結(jié)構(gòu)

CNC裝置的硬件和軟件構(gòu)成了CNC裝置的系統(tǒng)平臺(tái):

數(shù)控加工系統(tǒng)

1___廠^

根據(jù)用

要求開發(fā)/

被控設(shè)備

應(yīng)用控制,、機(jī)床

軟件軟件/-接口，機(jī)器人

管理程序\/測(cè)量機(jī)

操作系統(tǒng)??????

硬件

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)有以下兩個(gè)方面的含義：

*該平臺(tái)提供CNC裝置基本配置的必備功能

*該平臺(tái)根據(jù)用戶要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和開發(fā)

CNC平臺(tái)的建構(gòu)方式就是CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)。

CNC裝置的功能

數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能

［功能［——硬件實(shí)現(xiàn)（處理速度快，造價(jià)較高）

用戶可以根據(jù)要求選擇的功能

——軟件實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、

處理速度慢）

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

1.CNC系統(tǒng)軟、硬件的界面

>CNC中軟、硬件的分配比例是由性能價(jià)格比決定，

很大程度涉及軟硬件技術(shù)的發(fā)展水平。

>現(xiàn)代CNC系統(tǒng)軟、硬件的界面并不是固定不變的,

而是隨著軟硬件的水平和成本，以及CNC所具有的性

能不同而發(fā)生變化的。

>CNC軟件勢(shì)必發(fā)展成以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多層次的

軟件結(jié)構(gòu)，這在基于PC的CNC系統(tǒng)中尤為明顯。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

＞常規(guī)CNC的軟件設(shè)計(jì)中，大多利用基于數(shù)據(jù)

流圖的程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。

＞開放式CNC的軟件設(shè)計(jì)中，采用面向?qū)ο蟮?/p>

設(shè)計(jì)方法，更穩(wěn)定且可重用。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理

>CNC的功能則可定義為CNC的任務(wù)：

顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控

制、.一

>CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處理：

為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時(shí)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。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

并行處理定義：

系統(tǒng)在同一時(shí)間間隔或同一時(shí)刻內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)

以上任務(wù)處理的方法。

，5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

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。

□并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：

/資源重復(fù)——硬件設(shè)計(jì)

,時(shí)間重疊流水處理——軟件設(shè)計(jì)

/資源分時(shí)共享——軟件設(shè)計(jì)

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

時(shí)間重疊流水處理

>時(shí)間重疊流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源(CPU),將大

任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)，彼此關(guān)系，然后按一定的順序安

排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)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。(

1

>在任何時(shí)刻(流水處理除開始和結(jié)束外)均有兩個(gè)或兩

個(gè)以上的任務(wù)在同時(shí)執(zhí)行。

A流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)

間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快

速性。

tt+Z\t

順序處理

并行處理

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

資源分時(shí)共享并行處理

?在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，采用“資源分時(shí)共享”并

行處理技術(shù)。

A資源分時(shí)共享——規(guī)定的時(shí)間長度（時(shí)間片）內(nèi)，各任

務(wù)實(shí)時(shí)性要求，規(guī)定占用CPU的時(shí)間，分時(shí)共享資源。

>“資源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：

其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問題。

其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長度，即時(shí)間片的分配

問題。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

中

斷

優(yōu)

先

級(jí)

由

高

到

低

資源（CPU）分時(shí)共享圖

***i***^*-**5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

Oms4ms8ms12ms16ms

位置控制

插補(bǔ)運(yùn)算

背景程序

各任務(wù)占用CPU時(shí)間示匕.

-5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

資源分時(shí)共享技術(shù)的特征

,在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU;

/在一個(gè)時(shí)間片（如81ns或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行

了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。

因此，資源分時(shí)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(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.實(shí)時(shí)中斷處理

-------CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個(gè)重要特征。

>CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性決定了系統(tǒng)中斷成為整

個(gè)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。

>中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定

了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)的中斷類型

1）外部中斷

1口二＞閱讀機(jī)中斷和外部監(jiān)控中斷

業(yè)口鍵盤操作面板輸入中斷

2）內(nèi)部定時(shí)中斷f插補(bǔ)周期定時(shí)中斷

1位置采樣定時(shí)中斷

3）硬件故障中斷：各種硬件故障檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的中斷.

4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)異常情況的報(bào)警中斷。

CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4.常規(guī)CNC的軟件結(jié)構(gòu)

前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)

中斷型軟件結(jié)構(gòu)

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

前后臺(tái)型的軟件結(jié)構(gòu)

前臺(tái)程序（實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序）

系統(tǒng)的核心，承擔(dān)幾乎全部實(shí)時(shí)功能

如插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷。

后臺(tái)程序（背景程序）

完成插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作和調(diào)度管理,

如顯示、插補(bǔ)預(yù)處理、程序編輯。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

＞前臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)的功能與機(jī)床的動(dòng)作直接相關(guān)；后臺(tái)程序

是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序。

＞系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，再進(jìn)入后臺(tái)程序，同時(shí)開放

實(shí)時(shí)中斷程序，每隔一定的時(shí)間執(zhí)行一次實(shí)時(shí)中斷服務(wù)

程序（此時(shí)后臺(tái)程序停止運(yùn)行），執(zhí)行完畢后返回后臺(tái)

程序。

＞如此循環(huán)往復(fù)，兩者相互配合，共同完成數(shù)控的全部功

＞一般適用于單處理器集中式控制，對(duì)CPU的性能要求較

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

前后臺(tái)運(yùn)行的相互關(guān)系如圖所示

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

中斷型軟件結(jié)構(gòu)

一、什么是中斷型軟件結(jié)構(gòu)

指除了初始化程序外，整個(gè)控制程序分成若干各

不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序。所有的各種功能子程序

均被安排成級(jí)別不同的中斷程序，管理功能主要通

過各級(jí)中斷程序之間的相互通訊來解決。

二、中斷型軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

實(shí)時(shí)性好，但模塊關(guān)系復(fù)雜，耦合度大

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

一般在中斷型結(jié)構(gòu)的CNC軟件體系中，控制CRT顯示的模

塊為低級(jí)中斷（0級(jí)中斷），只要系統(tǒng)中沒有其他中斷

級(jí)別請(qǐng)求，總是執(zhí)行。級(jí)中斷，即系統(tǒng)進(jìn)行CRT顯示。

其他程序模塊，如譯碼處理、刀具中心軌跡計(jì)算、鍵盤

控制、I/O信號(hào)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、終點(diǎn)判別、伺服系統(tǒng)位

置控制等處理，分別具有不同的中斷優(yōu)先級(jí)別。

開機(jī)后，系統(tǒng)程序首先進(jìn)入初始化程序，進(jìn)行初始化狀

態(tài)的設(shè)置、ROM檢查等工作。初始化后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入0級(jí)中

斷CRT顯示處理。此后系統(tǒng)就進(jìn)入各種中斷的處理。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

該模式的軟件結(jié)構(gòu)如圖所示

初始化

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.開放式CNC的軟件結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序界面（API）

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

1.CNC系統(tǒng)的控制原理

CNC系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

邛卜

卜

嬴

運(yùn)

刀

序

±程

區(qū)

區(qū)

沖

新

緩

照

緩

插

刀

速

加

譯

度

補(bǔ)

補(bǔ)

工

預(yù)

處

碼

處

程

處

序

理

理

理

1

_J

譯

碼

黏

股

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

1）零件程序的輸入

,?鍵盤?______________

I閱讀機(jī)I---------存儲(chǔ)器

通訊方式IJ

插入I刪除I修正I

CNC系統(tǒng)中通常的工作方式為存儲(chǔ)器工作方式。

用鍵盤命令調(diào)出零件程序存儲(chǔ)器中指定的零件程序O

但在工作中還允許用鍵盤輸入修正程序。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

2）譯碼

＞將輸入的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控加工程序按一定的規(guī)則翻譯成數(shù)控

系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并按約定的格式存

放在指定的譯碼結(jié)果緩存器中。

＞譯碼處理都是將零件程序的一個(gè)程序段作為單位進(jìn)行處

理。

＞譯碼包括：零件輪廓信息、進(jìn)給速度信息、其他輔助信

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

N06G90G41DOIG01X200Y300F200;

StructPROG.BUFFER{

charbufLstate;0:(開始)；：！(；)◎

intblock_num;06(N06)①

doubleCOOR[20];COOR[1]=200000;(X200)⑥

COOR[2]=300000;(Y300)⑦

intF,S;F=200;(F200)⑧

charGO;D5=0;(G90)②

D6,D7=0,l(G41)③

Dl=l;(G01)⑤

charD;D=01(DOI)④

)；

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

3）刀補(bǔ)處理（計(jì)算刀具中心軌跡）

刀補(bǔ)處理的主要工作：

根據(jù)G90/G91計(jì)算零件輪廓的

終點(diǎn)坐標(biāo)值。

根據(jù)R和G41/42,計(jì)算本段刀

具中心軌跡的終點(diǎn)（P'e/P〃e）

坐標(biāo)值。

根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進(jìn)

行段間連接處理。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

4）速度處理

主要功能是根據(jù)加工程序給定的進(jìn)給速度F,計(jì)算在每

個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動(dòng)量，供插補(bǔ)程序使用。

速度處理程序主要完成以下幾步計(jì)算：

□計(jì)算本段總位移量：

直線：合成位移量L;

園弧：總角位移量a。

該數(shù)供插補(bǔ)程序判斷減速起點(diǎn)和終點(diǎn)之用。

□計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量：

AL=F*At/60（pm）

式中：F一進(jìn)給速度值（mm/min）;At一數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期（ms）

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

5）插補(bǔ)計(jì)算

主要功能：

口根據(jù)操作面板上“進(jìn)給修調(diào)”開關(guān)的設(shè)定值，計(jì)算

本次插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量：

△L[=/L*修調(diào)值

口將AL按插補(bǔ)的線形（直線，園弧等）和本插補(bǔ)點(diǎn)

所在的位置分解到各個(gè)進(jìn)給軸，作為各軸的位置控

制指令（。

經(jīng)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放在運(yùn)行緩沖區(qū)中，以供位

置控制程序之用。本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期定時(shí)

運(yùn)行。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

6）位置控制處理

位置控制轉(zhuǎn)換流程

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

位置控制完成以下幾步計(jì)算：

□計(jì)算新的位置指令坐標(biāo)值：

Xi新二X］舊+/X］；丫1新=Y］舊+/丫1；

□計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：

乂2新二X?舊+/X?；丫?新二丫?舊+/丫2

□計(jì)算跟隨誤差（指令位置值一實(shí)際位置值）：

△X3二X1新-X?新；，丫3二丫1新-丫2新；

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

□計(jì)算速度指令值：

Vx=f(2IX3)；vY=f(嘰)

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(shí)現(xiàn)的。

Vx、丫丫送給伺服驅(qū)動(dòng)單元，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)CNC裝

置的軌跡控制

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

2.CNC系統(tǒng)的功能

CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方

法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能。

＞基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能；

＞選擇功能——用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

1）控制功能

——CNC系統(tǒng)可同時(shí)控制的軸數(shù)。

CNC的進(jìn)給軸分類：

移動(dòng)軸（X、Y、Z）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C）;

基本軸和附加軸（U、V、W）。

數(shù)控車床一般2根同時(shí)控制軸；

數(shù)控鐵床、數(shù)控錢床和加工中心需要3根或3根以上的

同時(shí)控制軸。

聯(lián)動(dòng)控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。

-4-^*5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

2）準(zhǔn)備功能（G功能）

指令機(jī)床動(dòng)作方式的功能。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

3）插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能

插補(bǔ)功能是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓（平面或

空間）加工軌跡運(yùn)算的功能。

＞固定循環(huán)功能是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)典型加工循

環(huán)（如：車削循環(huán)、鉆孔、攻絲、鏤孔、

深孔鉆削和切螺紋等）的功能

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

4）進(jìn)給功能

——進(jìn)給速度的控制功能。

進(jìn)給速度——控制刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)速度，（移

動(dòng)軸）單位為mm/min,（回轉(zhuǎn)軸）單

位為。/mino

同步進(jìn)給速度——實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，

單位為mm/ro（只有主軸上裝有位置

編碼器的數(shù)控車床才能指定，便于切削

螺紋編程）。

進(jìn)給倍率（進(jìn)給修調(diào)率）——人工實(shí)時(shí)修調(diào)預(yù)先給定

的進(jìn)給速度。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

5）主軸功能

——數(shù)控系統(tǒng)的主軸的控制功能。

□主軸轉(zhuǎn)速——主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，一般用S代碼指定,

單位為r/min和mm/min。

□恒線速度控制——刀具切削點(diǎn)的切削速度為恒速的控

制功能，保證車床和磨床加工工件端面質(zhì)量和不同直

徑的外圓的加工具有相同的切削速度。

□主軸定向控制——主軸周向定位于特定位置控制的功

能。

□C軸控制——主軸周向任意位置控制的功能。

□主軸修調(diào)率——人工實(shí)時(shí)修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

6）輔助功能（M功能）

——用于指令機(jī)床輔助操作的功能。

（主軸的啟、停和轉(zhuǎn)向；切削液的開和關(guān)；刀庫的

啟和彳亭。）

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

7）刀具管理功能

——實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bǔ)償功能使

用；

□刀具壽命是指時(shí)間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r(shí)，CNC系

統(tǒng)將提示用戶更換刀具；

□CNC系統(tǒng)都具有刀具號(hào)（T）管理功能，用于標(biāo)識(shí)刀

庫中的刀具和自動(dòng)選擇加工刀具。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

8）補(bǔ)償功能

□刀具半徑和長度補(bǔ)償功能：實(shí)現(xiàn)按零件輪廓編制的程

序控制刀具中心軌跡的功能。

□傳動(dòng)鏈誤差：包括螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙誤差補(bǔ)償

功能。

□非線性誤差補(bǔ)償功能：對(duì)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(shù)進(jìn)行建模，利用模型實(shí)施在線

補(bǔ)償。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

9）人機(jī)對(duì)話功能

在CNC裝置中這類功能有：

□菜單結(jié)構(gòu)操作界面；

□零件加工程序的編輯環(huán)境；

□系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查

詢或修改畫面等。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

)10)自診斷功能

——CNC自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)和故障定位的功能。

□開機(jī)自診斷；

□在線自診斷*;

□離線自診斷；

□遠(yuǎn)程通訊診斷*。

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

11）通訊功能

——CNC與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。

□RS232c接口，可傳送零件加工程序，

□DNC接口，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控，

□MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）模塊，

口網(wǎng)卡：適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要

求。

f"卜具半徑補(bǔ)償原理

)

5.5.1刀具半徑補(bǔ)償?shù)幕靖拍?/p>

1.什么是刀具半徑補(bǔ)償(ToolRadiusCompensationoffset)