計算機數(shù)控裝置

計算機數(shù)控裝置2/9/2025第三章計算機數(shù)控裝置本章主要內(nèi)容：了解數(shù)控裝置的組成熟悉數(shù)控裝置的硬件熟悉數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構掌握插補原理掌握刀具半徑補償原理了解數(shù)控系統(tǒng)的故障診斷功能了解可編程控制器2/9/2025§3.1概述了解下面內(nèi)容：CNC裝置的組成CNC裝置的工作過程CNC裝置的優(yōu)點CNC裝置的功能2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成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(zhì)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(diào)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〕兩大局部組成的。2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成CNC系統(tǒng)硬件的層次結構由計算機根本系統(tǒng)、設備支持層、設備層三局部組成2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成CNC系統(tǒng)軟件的功能結構從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)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，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩局部組成。它是CNC系統(tǒng)活的靈魂。其結構框圖如圖3-2所示2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成操作系統(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......2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成CNC硬件軟件的作用和相互關系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，實現(xiàn)各種數(shù)控功能，使數(shù)控機床按照操作者的要求，有條不紊地進行加工。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，如圖3-3所示2/9/2025§3.1.1CNC裝置的組成圖3-3CNC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(shù)控加工程序

接口被控設備

機床機器人測量機

......2/9/2025§3.1.2CNC裝置的工作過程數(shù)控系統(tǒng)加工零件的過程：將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡，用代碼按照規(guī)定的規(guī)那么和格式編制程序數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，進行相應的運算、處理數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作之間相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)刀具與工件之間的相對運動，自動完成零件的加工2/9/2025§3.1.2CNC裝置的工作過程CNC裝置對輸入程序的加工和處理過程逼近處理將曲線進行逼近處理，將其分解為微線段插補運算將微線段進行分解，獲得各個軸上的進給分量指令輸出根據(jù)各軸的進給分量，發(fā)送指令協(xié)調(diào)各軸運動注意：插補時，每次進給的時間一般固定2/9/2025§3.1.3CNC裝置的優(yōu)點具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟件實現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結構，使系統(tǒng)功能的修改、擴充變得較為靈活CNC裝置其根本配置局部是通用的，不同的數(shù)控機床僅配置相應的特定的功能模塊，以實現(xiàn)特定的控制功能2/9/2025§3.1.3CNC裝置的優(yōu)點數(shù)控功能豐富插補功能：二次曲線、樣條、空間曲面插補補償功能：運動精度補償、隨機誤差補償、非線性誤差補償?shù)热藱C對話功能：加工的動、靜態(tài)跟蹤顯示，高級人機對話窗口編程功能：G代碼、籃圖編程、局部自動編程功能2/9/2025§3.1.3CNC裝置的優(yōu)點可靠性高CNC裝置采用集成度高的電子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保證許多功能由軟件實現(xiàn)，使硬件的數(shù)量減少豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟件實現(xiàn))，從而可使系統(tǒng)的故障發(fā)生的頻率和發(fā)生故障后的修復時間降低2/9/2025§3.1.3CNC裝置的優(yōu)點使用維護方便操作使用方便：用戶只需根據(jù)菜單的提示，便可進行正確操作編程方便：具有多種編程的功能、程序自動校驗和模擬仿真功能維護維修方便：局部日常維護工作自動進行(潤滑，關鍵部件的定期檢查等)，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速實現(xiàn)故障準確定位2/9/2025§3.1.3CNC裝置的優(yōu)點易于實現(xiàn)機電一體化數(shù)控系統(tǒng)控制柜的體積小〔采用計算機，硬件數(shù)量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減小〕，使其與機床在物理上結合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能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(shù)控裝置的功能包括根本功能和選擇功能根本功能——數(shù)控系統(tǒng)根本配置的功能，即必備功能選擇功能——用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能控制功能CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數(shù)CNC的進給軸分類：移動軸〔X、Y、Z〕和回轉軸〔A、B、C〕根本軸和附加軸〔U、V、W〕聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復雜，編程也越困難2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能準備功能〔G功能〕指令機床動作方式的功能2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能插補功能和固定循環(huán)功能插補功能是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能固定循環(huán)功能是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)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2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能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(xiàn)切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r進給倍率〔進給修調(diào)率〕——人工實時修調(diào)預先給定的進給速度2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能主軸功能數(shù)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——人工實時修調(diào)預先設定的主軸轉速。2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能輔助功能〔M功能〕用于機床輔助操作的功能2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能刀具管理功能實現(xiàn)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?shù)毒邏勖狡跁r，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具CNC系統(tǒng)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2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能人機對話功能菜單結構操作界面零件加工程序的編輯環(huán)境系統(tǒng)和機床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能自診斷功能CNC自動實現(xiàn)故障預報和故障定位的功能開機自診斷在線自診斷離線自診斷遠程通訊診斷2/9/2025§3.1.4CNC裝置的功能通訊功能CNC與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能RS232C接口，可傳送零件加工程序DNC接口，可實現(xiàn)直接數(shù)控MAP(制造自動化協(xié)議)模塊網(wǎng)卡：適應FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求2/9/2025§3.2CNC裝置的硬件結構主要內(nèi)容了解CNC裝置的硬件結構〔單機和多機〕了解CNC裝置中各個模塊及其功能〔主板和總線、顯卡、輸入輸出模塊、存儲模塊、設備輔助接口模塊、位置控制模塊了解CNC裝置中兩類多主結構：共享總線結構和共享存儲器結構2/9/2025§3.2.1概述CNC裝置從它的硬件組成結構來看，假設按其中含有CPU的多少來分，可分為下面幾類:2/9/2025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(xiàn)各種NC功能。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(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。即它是處于以附屬地位的，故稱之為主從結構。§3.2.1概述2/9/2025多機系統(tǒng):CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關系又可將其分為：多主結構：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過公共存儲器進行交換信息。分布式結構：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，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息?！?.2.1概述2/9/2025CNC裝置是按模塊化設計的方法構造的模塊化設計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成假設干種具有獨立功能的單元模塊,并配上相應的驅動軟件。系統(tǒng)設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構的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025優(yōu)點：實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設計的條件是總線(BUS)標準化。采用模塊化結構時，CNC系統(tǒng)設計工作那么可歸結為功能模塊的合理選用。§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025I/O設備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅動1功能驅動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標準PC計算機CNC裝置CNC系統(tǒng)CNC系統(tǒng)硬件框圖

§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025

計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。功能結構：CPU及其外圍芯片；內(nèi)存單元、cache及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅動器接口§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025系統(tǒng)總線(母板)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：數(shù)據(jù)總線地址總線：控制總線：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槽、14槽等?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025

顯示模塊(顯示卡)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?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025在CNC裝置中，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其操作過程。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)?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025輸入/出模塊(多功能卡)它是CNC裝置與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設備。該模塊也是標準的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ALL-IN-ONE主板，那么此板可省略?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025以上三局部，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CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關重要的?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025電子盤(存儲模塊)電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放以下數(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)所能控制的進給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；用戶的零件加工程序。§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025計算機領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〔半導體〕存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025電子存儲器件一般用作內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。假設按其讀寫性能來看，它又可分為三類只讀存儲元件〔ROM、PROM、EPROM〕易失性隨機讀寫存儲元件〔RAM〕。非易失性讀寫存儲元件。這類器件有：E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環(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。因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025

PLC(ProgrammableLogicController)模塊PLC模塊：CNC裝置實現(xiàn)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(jīng)處理后輸出去控制相應器件的運行。CNC裝置與被控設備交換的信息有三類：開關信號、模擬信號、脈沖信號?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025上述信號由于其類型、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?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025

PLC模塊變換處理其目的：滿足CNC系統(tǒng)的輸入輸出要求。信號轉換主要包括以下幾個方面：電平轉換；A/D、D/A轉換；數(shù)字量與脈沖量相互轉換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025PMC模塊實現(xiàn)方式有以幾種：簡單I/O接口板：系統(tǒng)總線數(shù)字接口光電隔離器件A/DD/A轉換調(diào)理電路功率放大傳感元件功率放大光電隔離器件計數(shù)器計數(shù)脈沖濾波、倍頻整形PMC模塊硬件邏輯框圖開關量轉換脈沖量轉換模擬量轉換§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025PLC〔ProgrammableLogicController〕控制：它是目前CNC系統(tǒng)用得最廣泛的方式。電源模塊通信功能人機接口編程調(diào)試和試驗功能至傳感器和執(zhí)行器的接口功能應用程序的執(zhí)行操作系統(tǒng)功能應用程序存儲數(shù)據(jù)存儲信號處理功能操作者應用程序設計人員機器/過程PLC系統(tǒng)的基本結構外部供電外部設備第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結構§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025CNC機床用的PLC一般分為兩類：內(nèi)裝型〔Built-inType〕PLC〔或集成式、內(nèi)含式〕。獨立型〔Stand-aloneType〕PLC〔或通用型〕§3.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025位置控制模塊位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成局部，是實現(xiàn)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有：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?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025

功能接口模塊實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，實例：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?！?.2.2單機或主從結構模塊的功能介紹2/9/2025華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)是我國為數(shù)不多具有自主版權的高性能數(shù)控系統(tǒng)之一。它以通用的工業(yè)PC機〔IPC〕為根底，采用開放式的體系結構，從而使華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量得到了保證。它適合多坐標(2-5)數(shù)控鏜銑床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數(shù)控機床(數(shù)控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床〔激光加工機、線切割機等〕。

華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介2/9/2025采用模擬式交流/直流伺服單元ALL-IN-ONECPU卡顯示卡位置控制板n位置控制板1電子盤速度控制單元1速度控制單元n無源母板（系統(tǒng)總線BUS)標準PC計算機CNC裝置光隔I/O板機床開關量I/O按鈕站、狀態(tài)燈NC鍵盤CNC系統(tǒng)多功能板主軸控制模板主軸編碼器手搖脈沖發(fā)生器定制功能接口網(wǎng)絡卡COM2串口………華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)硬件結構圖

華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介2/9/2025采用數(shù)字式交流伺服單元ALL-IN-ONECPU卡顯示卡電子盤數(shù)字交流伺服單元1數(shù)字交流伺服單元4無源母板（系統(tǒng)總線BUS)標準PC計算機CNC裝置光隔I/O板機床開關量I/O按鈕站、狀態(tài)燈NC鍵盤CNC系統(tǒng)多功能板主軸控制?？熘鬏S編碼器手搖脈沖發(fā)生器定制功能接口網(wǎng)絡卡COM2串口……華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)硬件結構圖四串口通信板

華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介2/9/2025教學型(經(jīng)濟型)數(shù)控系統(tǒng)打印機接口計算機主板顯示卡多功能板步進電機單元1步進電機單元8系統(tǒng)總線（BUS)標準PC計算機機床開關量I/O操作面板主軸編碼器手搖脈沖發(fā)生器控制面板定制功能接口網(wǎng)絡卡……多功能NC接口板光隔I/O接口軟/硬盤驅動器控制柜華中Ⅰ型教學數(shù)控系統(tǒng)硬件結構圖

華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)(硬件)簡介2/9/2025

多主CPU結構中，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行信息交換?！?.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025多主結構的特點：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)工作多主結構的結構形式：共享總線結構型共享存儲器結構型?！?.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025共享總線結構：FANUCBUS操作面板圖形顯示模塊(CPU)通訊模塊(CPU)自動編程模塊(CPU)主存儲器模塊插補模塊(CPU)PLC模塊(CPU)位置控制模塊(CPU)主軸控制模塊CRT/MDII/O單元伺服驅動單元主軸單元FANUC15系統(tǒng)硬件結構§3.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025結構特征：功能模塊分為帶有CPU或DMA的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)，以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上，采用總線仲裁機構(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?！?.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025共享總線結構的優(yōu)點結構簡單、系統(tǒng)組配靈活、本錢相對較低、可靠性高共享總線結構的缺點總線是系統(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?！?.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025共享存儲器結構顯示CPU鍵盤中央CPU插補CPU串口和收發(fā)器CTRC并行接口反饋脈沖和處理EPROMEPROMRAM/EPROM512RAMRAM512

字符發(fā)生器CRT模擬量輸出機床接口反饋信號收發(fā)器……XYZCW共享存儲器結構CNC系統(tǒng)硬件結構§3.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025結構特征：面向共公存儲器來設計的，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計較復雜，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，所以這種結構一般采用雙端口存儲器〔雙端口RAM〕?！?.2.4多主結構的CNC系統(tǒng)硬件簡介2/9/2025§3.3

CNC系統(tǒng)軟件結構

CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而又復雜的實時系統(tǒng)。本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關系，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來分析CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換過程，并從多任務性和實時性的角度來分析CNC系統(tǒng)軟件的結構特點，最后介紹一個典型CNC裝置系統(tǒng)軟件的結構。2/9/2025軟件與硬件在實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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裝置軟件和硬件的功能界面2/9/2025軟件、硬件實現(xiàn)功能的分配就是——軟件硬件功能界面劃分。功能界面劃分的準那么：系統(tǒng)的性能價格比一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面2/9/2025數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸入預處理位置檢測插補運算位置控制速度控制伺服電機程序硬件硬件硬件硬件硬件軟件軟件軟件軟件軟件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢⅣ一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面2/9/2025

CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務：如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉速指令和輔助動作指令，控制加工設備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025加工程序譯碼譯碼緩沖區(qū)刀補處理刀補緩沖區(qū)速度預處理插補緩沖區(qū)插補處理運行緩沖區(qū)伺服驅動位控處理位置反饋PLC控制CNC裝置數(shù)據(jù)轉換流程示意圖

CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025譯碼(解釋)將用文本格式〔通常用ASCII碼〕表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成后續(xù)程序〔本例是指刀補處理程序〕所要求的數(shù)據(jù)結構〔格式〕。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025數(shù)據(jù)結構例如：StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//緩沖區(qū)狀態(tài)，0空；1準備好。intblock_num；//以BCD碼的形式存放本程序段號。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的數(shù)值〔μm〕。intF,S；//F〔mm/min〕S〔r/min〕。charG0；//以標志形式存放G指令。charG1；charM0；//以標志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段換刀的刀具號。charD；//存放刀具補償?shù)牡毒甙霃街怠；CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025以標志形式存放G指令例如

CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025在系統(tǒng)軟件中各程序間的數(shù)據(jù)交換方式一般都是通過緩沖區(qū)進行的。該緩沖區(qū)由假設干個數(shù)據(jù)結構組成，當前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送入緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序〔如刀補程序〕從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進行工作。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789----------------------------------------StructPROG_BUFFER{

charbuf_state；0：(開始)；1〔；〕⑨intblock_num；06〔N06〕①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；〔X200〕⑥COOR[2]=300000；〔Y300〕⑦intF,S；F=200；〔F200〕⑧charG0；D5=0；〔G90〕②D6,D7=0,1〔G41〕③D1=1；〔G01〕⑤……charD；D=11〔D11〕④}；CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025刀補處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標值。根據(jù)R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點〔P’e/P〃e〕坐標值。根據(jù)本段與前段連接關系，進行段間連接處理。.刀補處理(計算刀具中心軌跡)Pe〔200，300〕XRP0〔72，48〕Pe〞Pe’G41G42YCNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025速度預處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量，供插補程序使用。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025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；園弧：總角位移量α。該數(shù)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)的合成進給量：ΔL=F*Δt/60〔μm〕式中：F--進給速度值〔mm/min〕；△t--數(shù)控系統(tǒng)的插補周期〔ms〕LαCNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025插補計算主要功能：根據(jù)操作面板上“進給修調(diào)〞開關的設定值，計算本次插補周期的實際合成位移量：△L1=△L*修調(diào)值將△L1按插補的線形〔直線，園弧等〕和本插補點所在的位置分解到各個進給軸，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)存放在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行。CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025

位置控制處理f（）+++-++插補輸出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差△X3△Y3實際位置X2新Y2新反饋位置增量△X2、△Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY位置控制轉換流程CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025位置控制完成以下幾步計算：計算新的位置指令坐標值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊+△Y1；計算新的位置實際坐標值：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；△Y3=Y1新-Y2新；計算速度指令值：VX=f〔△X3〕；VY=f〔△Y3〕CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025f()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送給伺服驅動單元，控制電機運行，實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制CNC裝置的數(shù)據(jù)轉換流程2/9/2025CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件那么可看成是一個專用實時操作系統(tǒng)。由于其應用領域是工業(yè)控制領域〔多任務性、實時性〕，因此，分析和了解這些要求是至關重要的，因為它既是系統(tǒng)設計和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標的過程。同時，這些要求也應是CNC系統(tǒng)軟件的特點。§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025CNC控制要求的多任務性任務定義：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。CNC的功能那么可定義為CNC的任務：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、…CNC系統(tǒng)的任務要求并行處理：為了保證控制的連續(xù)性和各任務執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務必須采用并行處理，而不能逐一處理?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025…譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低資源〔CPU〕分時共享圖

§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025各任務占用CPU

時間示意圖

§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025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(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務。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，各個任務還是逐一執(zhí)行的。§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025并發(fā)處理和流水處理〔對多資源的系統(tǒng)〕§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025

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§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025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束外〕均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和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?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025

實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制實時性任務的定義和分類實時性定義:任務的執(zhí)行有嚴格時間要求〔任務必須規(guī)定時間內(nèi)完成或響應〕，否那么將導致執(zhí)行結果錯誤或系統(tǒng)故障的特性。實時性任務分類:強實時性任務實時突發(fā)性任務；實時周期性任務弱實時性任務§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025強實時性任務實時突發(fā)性任務：任務的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件。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：任務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。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務處理的實時性是關鍵。在任務的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務中斷?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025弱實時性任務這類任務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)設計時，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設置成不同的優(yōu)先級〔級別較低〕，再由系統(tǒng)調(diào)度程序對它們進行合理的調(diào)度。這類任務主要包括：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?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025搶占式優(yōu)先調(diào)度機制

多任務系統(tǒng)的任務調(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)度法搶占式優(yōu)先調(diào)度法非搶占式優(yōu)先調(diào)度法§3.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025搶占式優(yōu)先調(diào)度機制功能搶占方式：在CPU正在執(zhí)行某任務時，假設另一優(yōu)先級更高的任務請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務，轉而響應優(yōu)先級高任務的請求優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時，當同時有多個任務請求執(zhí)行時，優(yōu)先級高的任務將優(yōu)先得到滿足?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025搶占式優(yōu)先調(diào)度機制的實現(xiàn)方式硬件主要提供支持中斷功能的芯片和電路，如中斷管理芯片〔8259或功能相同的芯片〕，定時器計數(shù)器〔8253、8254等〕等。軟件主要完成對硬件芯片的初始化、任務優(yōu)先級的定義、任務切換〔斷點的保護于恢復、中斷向量的保存與恢復等〕等?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025

CNC系統(tǒng)中采用的任務調(diào)度機制搶占式優(yōu)先調(diào)度；時間片輪換調(diào)度；非搶占式優(yōu)先調(diào)度?！?.4

CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點2/9/2025§3.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式結構模式：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務的劃分方式、任務調(diào)度機制、任務間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。結構模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個任務的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求。2/9/2025.前后臺型結構模式該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩局部：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，它是一個實時中斷效勞程序。后臺程序(背景程序):完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/輸出、插補預處理〔譯碼、刀補處理、速度預處理)等弱實時性的任務，它是一個循環(huán)運行的程序，其在運行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025前后臺程序運行關系圖

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§3.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025前后臺型結構模式的特點任務調(diào)度機制:優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)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)部各子任務采用的是順序調(diào)度。信息交換:緩沖區(qū)。前臺和后臺程序之間以及內(nèi)部各子任務之間的。實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先級等級、也無搶占機制。

該結構僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結構?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025.中斷型結構模式這種結構是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務模塊分別安排在不同級別的中斷效勞程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)〔由硬件和軟件組成〕對各級中斷效勞程序實施調(diào)度管理。整個軟件就是一個大的中斷管理系統(tǒng)?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025中斷型軟件系統(tǒng)結構圖

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………………1n2§3.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025中斷型結構模式的特點任務調(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8級〕，強實時性任務可安排在優(yōu)先級較高的中斷效勞程序中。模塊間的關系復雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護和擴充。80～90年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結構?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025.基于實時操作系統(tǒng)的結構模式實時操作系統(tǒng)〔RealTimeOperatingSystemRTOS〕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，還具有任務管理、多種實時任務調(diào)度機制〔如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉調(diào)度等〕、任務間的通信機制〔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)的根底上進行開發(fā)?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025基于實時操作系統(tǒng)軟件結構圖

RTOS模塊（任務）1模塊（任務）2模塊（任務）

……§3.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025基于實時操作系統(tǒng)的結構模式的優(yōu)點弱化功能模塊間的耦合關系CNC各功能模塊之間在邏輯上存在著耦合關系，在時間上存在著時序配合關系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結構模式中，需用許多全局變量標志和判斷、分支結構，致使各模塊間的關系復雜。在本模式中，設計者只須考慮模塊自身功能的實現(xiàn)，然后按規(guī)那么掛到實時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關系、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系。§3.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025系統(tǒng)的開放性和可維護性好從本質(zhì)上講，前述結構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)將是的完全封閉〔對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此〕，假設想對系統(tǒng)進行功能擴充和修改將是困難的。在本模式中，系統(tǒng)功能的擴充或修改，只須將編寫好的任務模塊〔模塊程序加上任務控制塊〔TCB〕〕，掛到實時操作系統(tǒng)上〔按要求進行編譯〕即可。因而，采用該模式開發(fā)的CNC系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護性?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核〔任務管理、調(diào)度、通信機制〕的設計開發(fā)的往往是很復雜的，而且工作量也相當大。當以現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)為內(nèi)核時，即可大大減少系統(tǒng)的開發(fā)工作量和開發(fā)周期?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)CNC系統(tǒng)的方法在商品化的實時操作系統(tǒng)下開發(fā)CNC系統(tǒng)，國外有些著名CNC系統(tǒng)廠家采用了這種方式。將通用PC機操作系統(tǒng)〔DOS、WINDOWS〕擴充擴展成實時操作系統(tǒng)，然后在此根底上開發(fā)CNC系統(tǒng)軟件。目前國內(nèi)有些CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家就是采用的這種方法。該法的優(yōu)點在于DOSWINDOWS是得到普遍應用的操作系統(tǒng)，擴充擴展相對較容易，有利于形成具有我國自主版權的數(shù)控軟件，這是一種適合我國國情的好方法?！?.5

CNC系統(tǒng)軟件結構模式2/9/2025§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹

華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件的實時操作環(huán)境是在DOS操作系統(tǒng)上擴充擴展而成的。以該環(huán)境為內(nèi)核，實現(xiàn)了一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，它能提供方便的二次開發(fā)環(huán)境，使之能靈活地組配不同類型的數(shù)控系統(tǒng)和擴充系統(tǒng)的功能。因而，這種結構具有良好的開放性和可維護性。2/9/2025

編輯程序參數(shù)設置解釋程序PLC管理MDI故障顯示……過程控制軟件NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟件過程層軟件NABASE華中

I

型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025

軟件結構概述華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件由兩局部組成：底層軟件〔軟件平臺〕上層軟件(過程層軟件)§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025底層軟件〔軟件平臺〕圖中虛線以下的局部：DOS、RTM和NCBIOSRTM模塊：為自主開發(fā)的實時多任務管理模塊，負責CNC系統(tǒng)的任務管理調(diào)度。NCBIOS模塊：為根本輸入系統(tǒng)，管理CNC系統(tǒng)所有的外部控制對象，包括設備驅動程序〔I/O〕的管理、位置控制、PLC控制、插補計算以及內(nèi)部監(jiān)控等。NCBASE：RTM和NCBIOS的統(tǒng)稱。編輯程序參數(shù)設置解釋程序PLC管理MDI故障顯示……過程控制軟件NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟件過程層軟件NABASE§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025上層〔過程控制層〕軟件：虛線以上局部。主要功能模塊：編輯程序、參數(shù)設置、譯碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關功能子模塊。不同數(shù)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能的區(qū)別和增減均在這一層實現(xiàn)。各功能模塊都通過NCBIOS與底層進行信息交換，使上層模塊與系統(tǒng)的硬件無關。這便是本系統(tǒng)具有開放性的關鍵所在。編輯程序參數(shù)設置解釋程序PLC管理MDI故障顯示……過程控制軟件NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟件過程層軟件NABASE§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025.NCBASE的功能

實時多任務調(diào)度該功能由RTM模塊實現(xiàn)，它是通過DOS的INT08中斷功能構造的調(diào)度核心來實現(xiàn)對多任務調(diào)度的?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025調(diào)度核心結構及其多任務調(diào)度圖

刀補運算譯碼解釋動態(tài)顯示人機界面PLC功能數(shù)據(jù)采集插補運算位置控制時鐘中斷服務程序任務調(diào)度程序調(diào)度核心§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025調(diào)度核心程序框圖§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025CNC任務的劃分及優(yōu)先級確實定華中I型將任務劃分為8個，優(yōu)先級從高到低排列為：位置控制任務〔4ms〕；插補計算任務〔8ms〕；數(shù)據(jù)采集任務〔12ms〕；PLC任務〔16ms〕；刀補運算任務〔條件〔緩沖區(qū)〕驅動〕；譯碼解釋任務〔條件〔緩沖區(qū)〕驅動〕；動態(tài)顯示任務〔96ms〕；人機界面〔菜單管理，一次性死循環(huán)任務〕?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025設備驅動程序功能：滿足不同的控制對象〔加工中心、銑床、車床、磨床等〕不同硬件配置對不同驅動程序的要求。實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性。實現(xiàn)：在配置系統(tǒng)時，將所有的硬件模塊的驅動程序都在NCBIOS的NCBIOS.CFG〔類似于DOS的CONFIG.SYS文件〕中說明。系統(tǒng)在運行時，NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預先的設置，調(diào)入對應模塊的驅動程序，建立相應的接口通道?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025位置控制位置控制是NCBIOS的一個固定程序，其主要功能是接受插補運算程序送來的位置控制指令，經(jīng)進行螺距誤差補償、傳動間隙補償、極限位置判別等處理后，輸出速度指令值給位置控制模塊。§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025

插補器華中I型為數(shù)控系統(tǒng)多通道〔最多可達4通道〕數(shù)控系統(tǒng)，每個通道有一個插補器，相應就創(chuàng)立一個插補任務。該任務主要完成以下工作：直線、圓弧、螺紋、攻絲以及微小直線段〔供自由曲線和自由曲面加工用〕等的插補運算?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025

PLC調(diào)度

PLC調(diào)度的主要任務是：故障報警處理、MST處理、急停和復位處理、虛擬軸驅動處理、刀具壽命管理、操作面板開關處理、指示燈及突發(fā)事件處理等?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025.NCBIOS提供給上層軟件的接口NC功能調(diào)用接口插補器接口：供插補預處理〔譯碼、刀補、速度預處理〕的數(shù)據(jù)給底層軟件；故障信息交換接口；設備調(diào)用接口。§3.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025數(shù)據(jù)通訊區(qū)上層軟件通過數(shù)據(jù)區(qū)觀察系統(tǒng)的狀態(tài)，包括坐標軸狀態(tài)〔軸位置、跟隨誤差、運動速度〕、輸入/輸出狀態(tài)、PLC內(nèi)部狀態(tài)等?！?.6華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結構介紹2/9/2025§3.7CNC裝置的插補原理主要內(nèi)容插補方法：脈沖增量插補和數(shù)字增量插補升降速控制〔選講〕重點內(nèi)容：數(shù)字增量插補：直線插補和圓弧插補2/9/2025§3.7.1概述插補的概念插補(Interpolation)：根據(jù)給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法或插補原理。插補算法：對應于每種插補方法(原理)的各種實現(xiàn)算法。插補功能是輪廓控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征。2/9/2025.評價插補算法的指標

穩(wěn)定性指標插補運算是一種迭代運算，存在著算法穩(wěn)定性問題。插補算法穩(wěn)定的充必條件：在插補運算過程中，對計算誤差和舍入誤差沒有累積效應。插補算法穩(wěn)定是確保輪廓精度要求的前提?！?.7.1概述2/9/2025插補精度指標插補精度：插補輪廓與給定輪廓的符合程度，它可用插補誤差來評價。插補誤差分類：逼近誤差〔指用直線逼近曲線時產(chǎn)生的誤差〕；計算誤差〔指因計算字長限制產(chǎn)生的誤差〕；圓整誤差其中，逼近誤差和計算誤差與插補算法密切相關。§3.7.1概述2/9/2025采用逼近誤差和計算誤差較小的插補算法；采用優(yōu)化的小數(shù)圓整法，如：逢奇〔偶〕四舍五入法、小數(shù)累進法等。一般要求上述三誤差的綜合效應小于系統(tǒng)的最小運動指令或脈沖當量?！?.7.1概述2/9/2025

合成速度的均勻性指標合成速度的均勻性：插補運算輸出的各軸進給率，經(jīng)運動合成的實際速度〔Fr〕與給定的進給速度〔F〕的符合程度。速度不均勻性系數(shù)：合成速度均勻性系數(shù)應滿足： λmax≤1%§3.7.1概述2/9/2025插補算法要盡可能簡單，要便于編程因為插補運算是實時性很強的運算，假設算法太復雜，計算機的每次插補運算的時間必然加長，從而限制進給速度指標和精度指標的提高。§3.7.1概述2/9/2025.插補方法的分類脈沖增量插補(行程標量插補)特點：每次插補的結果僅產(chǎn)生一個單位的行程增量〔一個脈沖當量〕。以一個一個脈沖的方式輸出給步進電機。其根本思想是：用折線來逼近曲線〔包括直線〕?！?.7.1概述2/9/2025插補速度與進給速度密切相關。因而進給速度指標難以提高，當脈沖當量為10μm時，采用該插補算法所能獲得最高進給速度是3-4m/min。脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較簡單，通常僅用加法和移位運算方法就可完成插補。因此它比較容易用硬件來實現(xiàn)，而且，用硬件實現(xiàn)這類運算的速度很快的。但是也有用軟件來完成這類算法的。§3.7.1概述2/9/2025這類插補算法有：逐點比較法；最小偏差法；數(shù)字積分法；目標點跟蹤法；單步追綜法等它們主要用早期的采用步進電機驅動的數(shù)控系統(tǒng)。由于此算法的速度指標和精度指標都難以滿足現(xiàn)在零件加工的要求，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)已很少采用這類算法了?！?.7.1概述2/9/2025

數(shù)字增量插補(時間標量插補)特點：插補程序以一定的時間間隔定時(插補周期)運行，在每個周期內(nèi)根據(jù)進給速度計算出各坐標軸在下一插補周期內(nèi)的位移增量〔數(shù)字量〕。其根本思想是：用直線段〔內(nèi)接弦線，內(nèi)外均差弦線，切線〕來逼近曲線〔包括直線〕。插補運算速度與進給速度無嚴格的關系。因而采用這類插補算法時，可到達較高的進給速度〔一般可達10m/min以上〕。§3.7.1概述2/9/2025數(shù)字增量插補的實現(xiàn)算法較脈沖增量插補復雜，它對計算機的運算速度有一定的要求，不過現(xiàn)在的計算機均能滿足要求。這類插補方法有：數(shù)字積分法(DDA)、二階近似插補法、雙DDA插補法、角度逼近插補法、時間分割法等。這些算法大多是針對圓弧插補設計的。這類插補算法主要用于交、直流伺服電機為伺服驅動系統(tǒng)的閉環(huán)，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可用于以步進電機為伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，而且，目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大多數(shù)都采用這類插補方法?！?.7.1概述2/9/2025§3.7.2脈沖增量插補算法逐點比較法是這類算法最典型的代表，它是一種最早的插補算法，該法的原理是：CNC系統(tǒng)在控制過程中，能逐點地計算和判別運動軌跡與給定軌跡的偏差，并根據(jù)偏差控制進給軸向給定輪廓靠擾，縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓。2/9/2025逐點比較法工作過程圖

偏差判別終點判別進給輸出偏差計算終點到退出§3.7.2脈沖增量插補算法返回2/9/2025逐點比較法加工的原理〔直線〕

(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直線X直線:Fm=Xe

*Ym

-Ye

*Xm

Fm＞0在直線上方，+X向輸出一步

Fm＝0在直線上+X向輸出一步Fm＜0在直線下方，+Y向輸出一步§3.7.2脈沖增量插補算法2/9/2025圓弧:Fm=Xm2+Ym2-R2Fm＞0在圓外，-Y向輸出一步Fm＝0在圓上，+X向輸出一步Fm＜0在圓內(nèi)，+X向輸出一步RXY(Xm，Ym)

圓弧

逐點比較法加工的原理〔圓弧〕§3.7.2脈沖增量插補算法2/9/2025.插補周期的選擇

插補周期Δt與精度δ、速度F的關系

δYXρ△L§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025

插補周期Δt與插補運算時間T

的關系一旦系統(tǒng)各種線形的插補算法設計完畢，那么該系統(tǒng)插補運算的最長時間Tmax就確定了。顯然要求：

Tmax

<Δt在采用分時共享的CNC系統(tǒng)中，

Tmax

<Δt/2這是因為系統(tǒng)除進行插補運算外，CPU還要執(zhí)行諸如位置控制、顯示等其他任務?！?.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025

插補周期Δt與位置控制周期ΔtP

的關系

Δt=nΔtPn=0，1，……

由于插補運算的輸出是位置控制的輸入，因此插補周期要么與位置控制周期相等、要么是位置控制周期的整數(shù)倍，只有這樣才能使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。例如，日本FANUC7M系統(tǒng)的插補周期是8ms，而位置控制周期是4ms。華中I型數(shù)控系統(tǒng)的插補周期也是8ms，位置控制周期可以設定為1ms、2ms、4ms、8ms。§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025.直線插補算法在設計直線插補程序時，通常將插補計算坐標系的原點選在被插補直線的起點，如下圖，設有一直線OPe，O(0,0)為起點，Pe(Xe,Ye)為終點，要求以速度F(mm/min)，沿OPe進給。

Pe(Xe,Ye)△LPi+1(Xi+1,Yi+1)Pi(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025設插補周期為Δt(ms)，那么在Δt內(nèi)的合成進給量△L為：假設Δt=8ms那么：式中：直線插補公式的推導

Pe(Xe,Ye)△LPi+1(Xi+1,Yi+1)Pi(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025上述算法是先計算△Xi后計算△Yi，同樣還可以先計算△Yi后計算△Xi，即：

Pe(Xe,Ye)△LPi+1(Xi+1,Yi+1)Pi(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025插補公式的選用可以證明，從插補精度的角度考慮，插補公式的選用原那么為：這個結論的實質(zhì)就是在插補計算時總是先計算大的坐標增量，后計算小的坐標增量?！?.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025公式的歸一化處理為程序設計的方便，引入引導坐標的概念，即將進給增量值較大的坐標定義為引導坐標G，進給增量值較小的定義為非引導坐標N。這樣便可將八組插補公式歸結為一組：§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025.園弧插補算法采用時間分割插補法進行園弧插補的根本方法是用內(nèi)接弦線逼近圓弧。設計圓弧插補程序時，通常將插補計算坐標系的原點選在被插補圓弧的圓心上，如下圖，以第一象限順圓〔G02〕插補為例來討論圓弧插補原理。

Pe(Xe,Ye)P0(X0,Y0)YδXR△LAG02Pi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)ODB§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025圓弧插補公式的推導圖中Pi(Xi，Yi)為圓上某一插補點A，Pi+1(Xi+1，Yi+1)為圓上下一插補點C，直線段AC〔=△L〕為本次的合成進給量，D為AC的中點，輔助線DYm垂直于Y軸，δ為本次插補的逼近誤差。有圖的幾何關系可得：

YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmγiαiO△αi§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025那么有：

YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmγiαiO△αi§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025由于△Yi，δ未知，可進行以下近似替換：△Yi-1≈△YiR＞＞δ，R≈R-δ；那么有：cosγi=〔Yi-△Yi-1/2〕/R上式中△Yi-1是上一次插補運算中自動生成的。但是在開始時沒有△Y0，可采用DDA法求取該值：△X0=△L*Y0/R△Y0=△L*X0/RYδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmγiαiO△αi§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025

YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmγiαiO△αi§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025同直線插補一樣,上述算法是先計算△Xi后計算△Yi，同樣還可以先計算△Yi后計算△Xi，即：這兩個公式的選用原那么同直線一樣?！?.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025公式的歸一化處理考慮不同的象限和不同的插補方向〔G02/G03〕，那么該算法的圓弧插補計算公式將有16組。為了程序設計的方便，同樣在引入引導坐標后，可將16組插補計算公式歸結為2組：§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025順圓插補〔G02〕和逆圓插補〔G03〕在各象限采用公式的情況如下圖：ABABABABBABABABAG02G03§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025近似計算誤差的影響

近似計算對插補的影響為：對插補精度無影響，算法本身可保證每個插補點均落在圓弧上。對合成進給速度均勻性的有影響。但是影響很小，可以證明：λmax<0.3%。對逼近誤差也有一定的影響γ’iγiγ”i△L”△L’△LXY0§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025.幾個問題的說明上面所推導的公式均是在第一象限，而且規(guī)定了進給方向，當這些條件不滿足時，插補的公式將是不同的，請同學們在課后自己推導一下。由于每個象限的公式不同，這里便存在一個過象限的問題(指園弧插補)，如何在過象限時即能順利而均勻連續(xù)切換，算法又簡單，是值得討論的題目。終點判別的問題，這里而涉及到兩個問題在程序中間的程序段的終點判別要考慮與下面程序段聯(lián)接的問題在要求降速為零的程序段中，有一個減速起點的問題升降速處理問題§3.7.3數(shù)字增量插補算法2/9/2025加減速控制的必要性保證系統(tǒng)精度和系統(tǒng)的品質(zhì)，防止產(chǎn)生沖擊、振蕩或者超程、失步等誤差評價指標：快速性、平穩(wěn)性和穩(wěn)定性〔前提：保證精度〕§3.7.4加減速控制2/9/2025幾種升降速規(guī)律線性升降速指數(shù)升降速§3.7.4加減速控制2/9/2025兩種控制方案前升降速處理：先進行升降速處理，后插補〔能夠保證精度〕后升降速處理：先進行插補處理，后進行升降速處理〔精度保證較差，很少使用〕§3.7.4加減速控制2/9/2025升降速的處理如果后一程序段的速度比本段的高，那么不處理，在后段程序開始時進行加速處理；如果后一程序段的速度比本段的低，那么在本段進行減速處理降速點判定和特別降速處理§3.7.4加減速控制2/9/2025小結本次課程主要介紹了插補原理，介紹了脈沖增量插補和數(shù)字增量插補方法以及加減速控制核心內(nèi)容是數(shù)字增量插補方法2/9/2025.刀具半徑補償?shù)母靖拍钍裁词堑毒甙霃窖a償(ToolRadiusCompensationoffset)根據(jù)按零件輪廓編制的程序和預先設定的偏置參數(shù)，數(shù)控裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’§3.8.1刀具半徑補償?shù)母靖拍?/9/2025.刀具半徑補償功能的主要用途實現(xiàn)根據(jù)編程軌跡對刀具中心軌跡的控制?？煞乐乖诩庸ぶ杏捎诘毒甙霃降淖兓?如由于刀具損壞而換刀等原因)而重新編程的麻煩。刀具半徑誤差補償，由于刀具的磨損或因換刀引起的刀具半徑的變化，也不必重新編程，只須修改相應的偏置參數(shù)即可。減少粗、精加工程序編制的工作量。由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時，均要為精加工工序預留加工余量。加工余量的預留可通過修改偏置參數(shù)實現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個程序?！?.8.1刀具半徑補償?shù)母靖拍?/9/2025.刀具半徑補償?shù)某Ｓ梅椒ǎ築刀補：有R2法，比例法，該法對加工輪廓的連接都是以園弧進行的。如圖示，其缺點是：在外輪廓尖角加工時，由于輪廓尖角處，始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差。在內(nèi)輪廓尖角加工時，由于C〞點不易求得(受計算能力的限制)編程人員必須在零件輪廓中插入一個半徑大于刀具半徑的園弧，這樣才能防止產(chǎn)生過切。這種刀補方法，無法滿足實際應用中的許多要求。因此現(xiàn)在用得較少，而用得較多的是C刀補?！?.8.1刀具半徑補償?shù)母靖拍?/9/2025C刀補它的主要特點是采用直線作為輪廓之間的過渡，因此，它的尖角性好，并且它可自動預報(在內(nèi)輪廓加工時)過切，以防止產(chǎn)生過切。§3.8.1刀具半徑補償?shù)母靖拍?/9/2025.刀具半徑補償?shù)墓ぷ鬟^程

刀補建立刀補進行刀補撤銷。起刀點刀補建立刀補進行刀補撤銷編程軌跡刀具中心軌跡§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025.C機能刀具半徑補償?shù)霓D接形式和過渡方式

轉接形式在一般的CNC裝置中，均有園弧和直線插補兩種功能。而C機能刀補的主要特點就是來用直線過渡，由于采用直線過渡，實際加工過程中，隨著前后兩編程軌跡的連接方法的不同，相應的加工軌跡也會產(chǎn)生不同的轉接情況：直線與直線園弧與直線直線與園弧園弧與園弧§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025α刀具中心軌跡編程軌跡非加工側加工側α非加工側編程軌跡刀具中心軌跡加工側過渡方式軌跡過渡時矢量夾角α的定義：指兩編程軌跡在交點處非加工側的夾角α

§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025根據(jù)兩段程序軌跡的矢量夾角α和刀補方向的不同，又有以下幾種轉接過度方式：縮短型：矢量夾角α≥180°

刀具中心軌跡短于編程軌跡的過渡方式。伸長型：矢量夾角90°≤α＜180°

刀具中心軌跡長于編程軌跡的過渡方式。插入型：矢量夾角α＜90°

在兩段刀具中心軌跡之間插入一段直線的過渡方式?！?.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025.刀具中心軌跡的轉接形式和過渡方式列表刀具半徑補償功能在實施過程中，各種轉接形式和過渡方式的情況，如下面兩表所示。表中實線表示編程軌跡；虛線表示刀具中心軌跡；α為矢量夾角；r為刀具半徑；箭頭為走刀方向。表中是以右刀補〔G42〕為例進行說明的，左刀補〔G41〕的情況于右刀補相似，就不再重復。§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025刀具半徑補償?shù)慕⒑统废?.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025刀具半徑補償?shù)倪M行過程§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025.刀具半徑補償?shù)膶嵗x入OA，判斷出是刀補建立，繼續(xù)讀下一段。讀入AB，因為∠OAB＜90o，且又是右刀補〔G42〕，由表可知，此時段間轉接的過渡形式是插入型。那么計算出a、b、c的坐標值，并輸出直線段oa、ab、bc，供插補程序運行。BcbAOCDEa§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025讀入BC，因為∠ABC＜90o，同理，由表可知，段間轉接的過渡形式是插入型。那么計算出d、e點的坐標值，并輸出直線cd、de。讀入CD，因為∠BCD＞180o，由表可知，段間轉接的過渡形式是縮短型。那么計算出f點的坐標值，由于是內(nèi)側加工，須進行過切判別〔過切判別的原理和方法見后述〕，假設過切那么報警，并停止輸出，否那么輸出直線段ef。BfedcbAOCDEa§3.8.2刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?/9/2025讀入DE〔假定由撤消刀補的G40命令〕，因為90o＜∠ABC＜180o，由于是刀補撤消段，由表可知，段間轉接的過渡形式是伸長型。那么計算出g、h點的坐標值，然后輸出直線段fg、gh、hE。刀具半徑補償處理結束。Bf