1、 计算机数控计算机数控( (CNC)CNC)装置装置 1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展 分类分类世代世代 诞生年代诞生年代 系统元件及电路构成系统元件及电路构成 世界世界我国我国 硬件数硬件数 控控NCNC 第一代第一代 第二代第二代 第三代第三代 19521952年年 19591959年年 19651965年年 19581958年年 19651965年年 19721972年年 电子管、继电器，模拟电路电子管、继电器，模拟电路 晶体管，数字电路（分立元件）晶体管，数字电路（分立元件） 集成数字电路集成数字电路 计算机计算机 数控数控 CNCCNC 第四代第四代19701
2、970年年19761976年年内装小型计算机，中规模集成电路内装小型计算机，中规模集成电路 第五代第五代19741974年年19821982年年内装微处理器的内装微处理器的NCNC字符显示，故障自诊断字符显示，故障自诊断 19791979年年 19811981年年 19871987年年 19911991年年 19951995年年 超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口 人机对话人机对话, ,动态图形显示动态图形显示, ,实时软件精度补偿实时软件精度补偿, ,适应机床无人适应机床无人 化运转要求化运转要求 3232位位CPUCPU
3、，可控可控1515轴，设定轴，设定0.00010.0001mmmm进给速度进给速度2424m/minm/min，带前带前 馈控制的交流数字伺服、智能化馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。系统。 利用利用RISCRISC技术技术6464位系统。位系统。 微机开放式微机开放式CNCCNC系统。系统。 1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展 年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191 CPUCPU30003000C/2901C/2901位片机位片机1616位微处理器位微处理器3232位微处理器位微处理器6
4、464位位 伺服伺服 驱动驱动 直流模拟伺服直流模拟伺服 交流模交流模 拟伺服拟伺服 交流数字伺服交流数字伺服 最小最小 设定设定 单位单位 1 10.10.10.010.01 进给进给 速度速度 高速、高精度型高速、高精度型2.12.1m/minm/min8.48.4m/minm/min33.733.7m/minm/min 高速型高速型1515m/minm/min 60 60m/minm/min 快速快速9.69.6m/minm/min1515m/minm/min2424m/minm/min6060m/minm/min240240m/minm/min 扩充扩充 功能功能 用软件扩充数控功能、
5、用软件扩充数控功能、 刀具补偿，固定循环，刀具补偿，固定循环， 存储器运行存储器运行 用软件充实人机接口，彩色用软件充实人机接口，彩色 显示，会话编程，仿真显示，会话编程，仿真 3232位位CPUCPU，高速、高精度加工，高速、高精度加工， 数字伺服，高速主轴，智能化开放数字伺服，高速主轴，智能化开放 系统系统 1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展 mm 项目项目低档低档中档中档高档高档 分辨率分辨率 10 101 1 0.1 0.1 进给速度进给速度 8-15 8-15 m/minm/min15-24 15-24 m/minm/min15-100 15-100 m/min
6、m/min 联动轴数联动轴数 2-3 2-3轴轴 2-4 2-4轴或轴或3-53-5轴以上轴以上 主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用位甚至采用RISCRISC的的6464位位 伺服系统伺服系统步进电机、开环步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统直流及交流闭环、全数字交流伺服系统 内装内装PLCPLC无无 有内装有内装PCPC，功能极强的内装功能极强的内装PCPC，甚至有轴控制功能甚至有轴控制功能 显示功能显示功能 数码管数码管, ,简单的简单的CRTCRT字符字符 显示显示 有字符图形或三维图形显示有字符图形或三维图形显示 通信功能通信功能无无RC232CR
7、C232C和和DNCDNC接口接口 还可能有还可能有MAPMAP通讯接通讯接 口和联网功能口和联网功能 m EIA(EIA(美国电子工业协会美国电子工业协会) )所属的数控标准化委员会的定义所属的数控标准化委员会的定义: :“CNCCNC 是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的 控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装 置是接口置是接口”。 ISO(ISO(国际标准化组织国际标准化组织) )的定义的定义: :“数控系统是一种控制系统，
8、它自数控系统是一种控制系统，它自 动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和 加工零件加工零件”。 CNCCNC系统与系统与NCNC系统系统 数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统分轮廓控制和点位控制系统。 数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即 数字控制装置。数字控制装置。 从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由系统是由硬硬 件（通用硬件和专用硬件）和软件件（通用硬件和专用硬件）和软件 （专用）（专用）两大部分组成的。两大部
9、分组成的。 CNC系统平台系统平台 硬件硬件 操作系统操作系统 管理软件管理软件 应用软件应用软件控制软件控制软件 数控加工程序数控加工程序 接接口口 被控设备被控设备 机机床床 机器人机器人 测量机测量机 . 1.1.硬件结构硬件结构: : CPUCPU，存储器，总线、外设等存储器，总线、外设等。 2.2.软件结构软件结构：是一种用于是一种用于零件零件加工的、实时控制的、特殊的（或称加工的、实时控制的、特殊的（或称 专用的）计算机操作系统。专用的）计算机操作系统。 系系 统统 初始化初始化 系统控制软件系统控制软件 程序管理程序管理 编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件
10、输入程序输入程序 输出程序输出程序 显示程序显示程序 诊断程序诊断程序 译码程序译码程序 补偿计算补偿计算 速度控制速度控制 插补程序插补程序 位控程序位控程序 图图2.1 2.1 CNCCNC软件的构成软件的构成 3. 3. 工作原理工作原理 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经 过过CNCCNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标 轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服 电动机，带动各轴
11、运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标 轴能精确地走到所要求的位置。轴能精确地走到所要求的位置。 简要工作过程：简要工作过程： 1 1）输入：）输入： 输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入， 通讯接口输入及连接上级计算机的通讯接口输入及连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入 2 2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机以一个程序段为单位，根据一
12、定的语法规则解释、翻译成计算机 能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专 用区内。用区内。 3 3）数据处理：）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 4 4）插补：）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之 间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。 5 5）位置控制：）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际
13、反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6 6）I/OI/O处理：处理：处理处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。 1.1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能 （1 1）控制轴数和联动轴数）控制轴数和联动轴数 （2 2）准备功能（）准备功能（G G功能）功能） （3 3）插补功能）
14、插补功能 （4 4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准 （5 5）进给功能（）进给功能（ F F ） 1 1）切削进给速度切削进给速度 2) 2) 同步进给速度同步进给速度 3 3）快速进给速度）快速进给速度 4 4）进给倍率）进给倍率 。 （6 6）补偿功能）补偿功能 1 1） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2 2）工艺量的补偿）工艺量的补偿 （7 7）固定循环加工功能）固定循环加工功能 （8 8）辅助功能（）辅助功能（M M代码）代码） （9 9）字符图形显示功能
15、）字符图形显示功能 （1010）程序编制功能：手工编程、）程序编制功能：手工编程、 在线编程、自动编程在线编程、自动编程 （1111）输入、输出和通讯功能）输入、输出和通讯功能 （1212）自诊断功能）自诊断功能 2.2.CNCCNC数控装置的特点数控装置的特点 1 1）灵活性大）灵活性大 2 2）通用性强）通用性强 3 3）可靠性高）可靠性高 4 4）可以实现丰富、复杂的功能）可以实现丰富、复杂的功能 5 5）使用维修方便）使用维修方便 6 6）易于实现机电一体化）易于实现机电一体化 1.2 CNC1.2 CNC装置的硬件装置的硬件 结构结构 1.2.1 CNC1.2.1 CNC装置的硬件构
16、成装置的硬件构成 CPU ROMRAMIN接口接口OUT接口接口 阅读机阅读机 接口接口 MDI/CRT 接口接口 位置位置 控制控制 其它其它 接口接口 总线总线 单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图 CNCCNC装置的体系结构分为：装置的体系结构分为：单微处理机和多单微处理机和多 微处理机系统，中微处理机系统，中 高档的高档的CNCCNC装置以装置以多微处理机结构为多。多微处理机结构为多。 单微处理机结构单微处理机结构: :见上图见上图 多微处理机多微处理机CNCCNC装置的结构：装置的结构： 1. 主从结构主从结构 2. 2. 多主结构多主结构 3. 3. 分布式结构分布式结构 4.
17、 4. 多通道结构多通道结构 单微处理机数控装置单微处理机数控装置: :是以一个是以一个CPUCPU（中央处理器）为核心，中央处理器）为核心，CPUCPU通过总通过总 线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成 数控加工各个任务。数控加工各个任务。 单微处理机结构：单微处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等。微处理器、存储器、总线、接口等。 接口包括接口包括I/OI/O接口、串行接口、接口、串行接口、CRT/MDICRT/MDI接口、数控技术中的控制单元接口、数控技术中的控制单元 部件和接口电路，如
18、位置控制单元、可编程控制器（部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PCPC）、）、主轴控制单元、主轴控制单元、 穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 1.1.微处理器和总线微处理器和总线 微处理器：运算、控制微处理器：运算、控制 总线：总线：CPUCPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控 制制 、地址和数据三总线。、地址和数据三总线。 2.2.存储器存储器 只读存储器（只读存储器（ROMROM）和随机存储器（和随机存储器（RAMRAM） 它们的用途：它们的用途： 只读存储器
19、（只读存储器（ROMROM）：）：系统程序系统程序 随机存储器（随机存储器（RAMRAM）：）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的运算的中间结果、需显示的数据、运行中的 状态、标志信息状态、标志信息 CMOS RAMCMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.3.位置控制单元位置控制单元 对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控 制）。制）。 （对主轴的控制一般只包括速度控制）（对主轴的控制一般只包括速度控制） C C轴位置控制：包括位置和速
20、度控制轴位置控制：包括位置和速度控制 刀库位置控制（简易位置控制）刀库位置控制（简易位置控制） 进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、 位置控制模板。位置控制模板。 V S V S 1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构: :共享总线型、共享存储器型及混合型结构。共享总线型、共享存储器型及混合型结构。 （1 1）功能模块）功能模块 1 1）CNCCNC管理模块管理模块 2 2）存储器模块）存储器模块 3 3）CNCCNC插补模块插补模块 4 4）位置
21、控制模块）位置控制模块 5 5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块 6 6）PLCPLC模块模块 V S V S （2 2）共享总线结构）共享总线结构 结构与仲裁结构与仲裁 主模块与从模块主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。 并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯：模块之间的通讯：公共存储器公共存储器 总线：总线：STD bus STD bus
22、（支持支持8 8位和位和1616位字长）位字长） Multi bus Multi bus （型支持型支持1616位字长，位字长，型支持型支持3232位字长）位字长） S-100 bus S-100 bus （可支持可支持1616位字长）位字长） VERSA bus VERSA bus （可支持可支持3232位字长）位字长） VME bus VME bus （可支持可支持3232位字长）位字长） 图图2 .9 串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式 主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3 入入忙忙出出入入忙忙 出出 并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式 总线优总线优 总线总线 总线优总
23、线优 先权入先权入 忙忙 先权出先权出入入 忙忙 出出 译译 器器 码码 入入 忙忙 出出 优先权编器码优先权编器码 （3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 V S MTC1的的CNC装置结构框图装置结构框图 (16K) EPROM (16K) EPROM (56K) EPROM (2K) EAM (26K) RAM (2K) EAM 512 K 512 K (CRT) CPU2 键盘键盘 (中央中央) CPU1 (插补插补) CPU3 串口和串口和 收发器收发器 CRTC CRT 字符字符 发生器发生器 并行并行 接口接口 反馈脉冲反馈脉冲 处理处理 反馈信号反馈信号 适配器适配器 机床机
24、床 接口接口 模拟量模拟量 接口接口 RS232C XYZCW （4 4）共享总线和共享存储器型结构）共享总线和共享存储器型结构 FUNUC11的的CNC装置结构框图装置结构框图 键盘键盘纸带机纸带机手摇盘手摇盘 PMC 68000 CAP 8086+8087 ROMRAM 主主CPU 68000 SSU RS232RS232位控位控位控位控位控位控 IOC BAC ROMRAMROMRAM RAMROM 图形显示图形显示 80878087 OPC CRT 机床机床I/O 坐标轴坐标轴 坐标轴坐标轴主轴主轴 其中其中OPC操作控制器；操作控制器；BAC总线仲裁控制器；总线仲裁控制器；IOC输入
25、输出控制器；输入输出控制器； CAP自动编程单元；自动编程单元；SSU系统支持单元；系统支持单元；PMC可编程机床控制器可编程机床控制器 双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 多多CPU共享存储器框图共享存储器框图 端口端口1 存储存储 控制逻辑控制逻辑 地址和数据地址和数据 多路转换器多路转换器 RAM共享存共享存 储器储器 I/O (CPU) CRT (CPU2) 轴控制轴控制 （COU4） 插补插补 (CPU3) 端口端口2 中断中断控制控制 从机床来的从机床来的 控制信号控制信号 至机床的至机床的 控制信号控制信号 V S V S （5 5）多通道结构）多通道结构 通道结构（通道结
26、构（Channel StructureChannel Structure），），即两种以上程序的并行处理。即两种以上程序的并行处理。 2.2.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 （1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 （2 2）可靠性高）可靠性高 （3 3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产 V S V S V S V S V S V S V S V S 硬件硬件 配置配置 单元单元 软件软件 配置配置 单元单元 标准计算机硬件标准计算机硬件 数控系统数控系统 基本硬件基本硬件 数控功能数控功能 应用
27、程序应用程序 DOS(WINDOWS) 实时多任务操作系统实时多任务操作系统RTM 应用程序接口应用程序接口 NC构件库构件库 V S V S V S V S 2.2.开放程度：开放程度： 1 1）CNCCNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件可以直接地或通过网络运行各种应用软件 2 2）用户操作界面的开放。）用户操作界面的开放。 3 3）NCNC内核的深层次开放内核的深层次开放( ( PC+PC+实时硬插件；实时硬插件； PC+PC+实时软中断实时软中断) )。 3.3.开放式数控系统的发展趋势：开放式数控系统的发展趋势： 1 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件）
28、在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件 技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数 控系统。控系统。 2 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的 需求。需求。 3 3）网络化）网络化 V S V S 1.1.点位点位/ /直线控制的一般概念（单轴数控）直线控制的一般概念（单轴数控） 用于钻床、镗床、机能简单的车床用于钻床、镗床、机能简单的车床 点位控制点位控制 只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进只控制刀
29、具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进 行切削，对运动路径没有严格要求。行切削，对运动路径没有严格要求。 直线控制直线控制 刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但 要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。 2.2.点位点位/ /直线数控系统数控装置的结构直线数控系统数控装置的结构 显示显示 进给脉冲进给脉冲 发生器发生器 M、S、T 寄存控制寄存控制 加减速及加减速及 停止判断停止判断 伺服伺服 驱动驱动 机床机床 测量测量 输入输入 译码译码 位置计数位
30、置计数 与比较与比较 F 点位点位/ /直线控制系统直线控制系统 1.3 CNC1.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 1. 1. CNCCNC装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面 三种典型的软硬件界面关系 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 纸纸 带带 输输 入入 插补插补 准备准备 插插 补补 位位 控控 速速 控控 电电 机机 测量测量 第一第一 种种 第二第二 种种 第三第三 种种 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 软软 件件 软软 件件 硬硬 件件 硬硬 件件 V S V S 2. 2. 系统软件的内容及结构类型系统软件的
31、内容及结构类型 系统软件的组成：系统软件的组成：（管理和控制）（管理和控制） 管理部分：输入、管理部分：输入、I/OI/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。等程序。 控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。 管理方式：管理方式： 单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元 3. 3. 多任务并行处理多任务并行处
32、理 （1 1）CNCCNC装置的多任务性装置的多任务性 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 软件任务的并行处理软件任务的并行处理 CNC装置装置 管管理理控控制制 输入输入 显示显示位控位控 诊断诊断I/O 插补插补 位控位控 译译码码 刀刀补补 速度处理速度处理 输输 入入 I/ O 处处 理理 显显 示示 诊诊 断断 通通 讯讯 译译 码码 刀刀 具具 补补 偿偿 速速 度度 处处 理理 位位 置置 控控 制制 插插 补补 V S V S （2 2）并行处理）并行处理 并行处理并行处理： 是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或
33、两种以 上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。 并行处理的分类：并行处理的分类： “资源重复资源重复”，“时间重叠时间重叠”和和“资源共享资源共享”。 资源共享：资源共享： 根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。 时间重叠：时间重叠： 根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用 同一套设备的几个部分。同一套设备的几个部分。 V S V S V S V S 诊断诊断
34、 I/O 处理处理 输入输入 插补插补 准备准备 显示显示 初始化初始化 插补插补 位控位控 键盘键盘 中断级别高中断级别高 中断级别低中断级别低 V S V S 因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上 的意义，即从微的意义，即从微 观上来看，各个任务还是逐一执行的。观上来看，各个任务还是逐一执行的。 V S V S 2)2)并发处理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多在多CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可系统中，根据各任务之间的关联程度，可 采采 用以下两种并行处理技术：用以下两
35、种并行处理技术： V S V S V S V S 并行处理并行处理 123123 2tt 空间空间 时间时间 顺序处理顺序处理 输输 出出 输输 出出 CPU1 时间时间 t+t tt 空间空间 111 333 2 22 输输 出出 输输 出出 输输 出出 CPU1 CPU2 CPU3 3 3）并行处理中的信息交换和同步）并行处理中的信息交换和同步 在在CNCCNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。 各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。 CNCCNC装置通过缓冲区交换信息框图装置
36、通过缓冲区交换信息框图 纸带纸带 缓冲缓冲 存储区存储区 译码译码 缓冲缓冲 存储区存储区 插补插补 缓冲缓冲 存储区存储区 插补插补 工作工作 存储区存储区 插补插补 输出输出 存储区存储区 纸纸 带带译码译码插补插补 准备准备 交换交换插补插补 纸带读写同步说明 -读指针读指针R -写指针写指针W M V S V S 进口进口 W=(W+1)Mod(M) 写第一个字符到写第一个字符到 纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器 (R-W)Mod(M)=2? 出口出口 停光电机停光电机 进口进口 出口出口 启动光电机启动光电机 R=(R+1)Mod(M) 从纸带缓冲存储从纸带缓冲存储 区读出一个字符区读出
37、一个字符 (R-W)Mod(M)=1? 纸带读写同步说明 出口出口 -读指针读指针R -写指针写指针W M V S V S 进口进口 W=(W+1)Mod(M) 写第一个字符到写第一个字符到 纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器 (R-W)Mod(M)=2? 停光电机停光电机 进口进口 出口出口 启动光电机启动光电机 R=(R+1)Mod(M) 从纸带缓冲存储从纸带缓冲存储 区读出一个字符区读出一个字符 (R-W)Mod(M)=1? 4. 4. 实时中断处理实时中断处理 （1 1）CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入）外部中断：
38、纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入 中断。中断。 2 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。 3 3）硬件故障中断）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。种硬件故障检测装置发出的中断。 4 4）程序性中断）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。程序中出现的异常情况的报警中断。 （2 2）CNCCNC系统中断结构模式系统中断结构模式 1 1）前后台软件结构中的中断模式）前后台软件结构中的中断模式 2 2）中断型软件结构中的中断模式）中断型软件结构中的中断模式 背景程序背景程序 初始初始 化化实施中断实
39、施中断 程序程序 一、插补的基本概念一、插补的基本概念 数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的 一系列加工点、用基本线型拟合，完成所谓的数据一系列加工点、用基本线型拟合，完成所谓的数据“密化密化” 工作。工作。 插补有二层意思：插补有二层意思： 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧 等）；等）； 二是用基本线型拟合其它轮廓曲线。二是用基本线型拟合其它轮廓曲线。 插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补 运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插
40、补原理也叫轨运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨 迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。 下面以基本线型直线、圆弧生成为例，论述插补原下面以基本线型直线、圆弧生成为例，论述插补原 理。理。 1.4 CNC装置的插补原理 1.4.1 概述 二、二、 插补方法的分类插补方法的分类 硬件插补器硬件插补器 完成插补运算的装置或程序称为插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器 软件插补器软件插补器 软硬件结合插补器软硬件结合插补器 1.1.基准脉冲插补基准脉冲插补 每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各每次插补结
41、束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各 坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标 运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的 方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。 2.2.数据采样插补数据采样插补 采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分 割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，割为每个插补周期的进给直线段（又
42、称轮廓步长）进行数据密化， 以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给 量（一个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装量（一个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装 置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较， 有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。 数据采样插补方法有：直线函数法、扩展数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDADDA、二阶递归算法等。二阶递归算法等。 1.
43、4.2 1.4.2 脉冲增量插补脉冲增量插补 一、一、 逐点比较法逐点比较法 这是早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法，这是早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法， 适用于开环系统。适用于开环系统。 1.1.插补原理及特点插补原理及特点 原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都 要通过偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标同规定加工要通过偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标同规定加工 轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补 循环由偏差判别、进给、偏差函数
44、计算和终点判别四个步循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步 骤组成。骤组成。 逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲线插逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲线插 补。补。 特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均 匀，调节方便。匀，调节方便。 2.2.逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补 （1 1）偏差函数构造）偏差函数构造 对于第一象限直线对于第一象限直线OAOA上任一点上任一点 P(P(X,YX,Y):):X/Y X/Y = = Xe/Ye Xe/Ye 若刀具加工点为若刀具加工点为PiPi（X X
45、i i，Y Yi i），）， 则该点的偏差函数则该点的偏差函数F Fi i可表示为可表示为 若若F Fi i= 0= 0，表示加工点位于直线上；表示加工点位于直线上； 若若F Fi i 0 0，表示加工点位于直线上表示加工点位于直线上 方；方； 若若F Fi i 0 0，表示加工点位于直线下表示加工点位于直线下 方。方。 （2 2）偏差函数的递推计算）偏差函数的递推计算 采用偏差函数的递推式（迭代式）采用偏差函数的递推式（迭代式） 计算，计算， 既由前一点计算后一点既由前一点计算后一点 0 ee XYYX iieie FY XX Y Y X F0 Pi i(Xi i,Yi i) Ae(Xe,Y
46、e) O F Fi i = =Y Yi i X Xe -e -X Xi iY Ye e 若若F Fi i=0=0，规定向规定向 + +X X 方向走一步方向走一步 X Xi i+1 +1 = = X Xi i +1+1 F Fi i+1 +1 = = X Xe eY Yi i Y Ye e( (X Xi i +1+1) ) = =Fi Fi - -YeYe 若若F Fi i00，规定规定 + +Y Y 方向走一步，则有方向走一步，则有 Y Yi i+1 +1 = = Y Yi i +1+1 F Fi i+1 +1 = = X Xe e( (Y Yi i +1+1)-)-Y Ye eX Xi i
47、 = =Fi Fi + +XeXe （3 3）终点判别）终点判别 直线插补的终点判别可采用三种方法。直线插补的终点判别可采用三种方法。 1 1）判断插补或进给的总步数：；）判断插补或进给的总步数：； 2 2）分别判断各坐标轴的进给步数；）分别判断各坐标轴的进给步数； 3 3）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步 数。数。 （4 4）逐点比较法直线插）逐点比较法直线插 补举例补举例 对于第一象限直线对于第一象限直线OAOA，终点终点 坐标坐标X Xe e=6 ,Y=6 ,Ye e=4=4，插补从直线起点插补从直线起点O O开开 始，故始，故F F0 0=0 =0
48、 。终点判别是判断进给总终点判别是判断进给总 步数步数N=6+4=10N=6+4=10，将其存入终点判别计将其存入终点判别计 数器中，每进给一步减数器中，每进给一步减1 1，若，若N=0N=0，则则 停止插补。停止插补。 步数步数判别判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别 0 0F F0 0=0=0=10=10 1 1F=0F=0+ +X XF F1 1=F=F0 0-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=10-1=9=10-1=9 2 2F0F0F0+ +X XF F3 3=F=F2 2-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=8-1=7=8-1=7 4 4F0F0F0+
49、 +X XF F5 5=F=F4 4-y-ye e=4-4=0=4-4=0=6-1=5=6-1=5 6 6F=0F=0+ +X XF F6 6=F=F5 5-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=5-1=4=5-1=4 7 7F0F0F0+ +X XF F8 8=F=F7 7-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=3-1=2=3-1=2 9 9F0F0F0+ +X XF F10 10=F =F9 9-y-ye e=4-4=0=4-4=0=1-1=0=1-1=0 O A 9 8 75 4 3 2 1 6 10 Y X 3.3.逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补 （1 1）偏差函数）偏差
50、函数 任意加工点任意加工点P Pi i（X Xi i，Y Yi i），），偏差函数偏差函数F Fi i可表示为可表示为 若若F Fi i=0=0，表示加工点位于圆上；表示加工点位于圆上； 若若F Fi i00，表示加工点位于圆外；表示加工点位于圆外； 若若F Fi i00 F0 （2 2）偏差函数的递推计算）偏差函数的递推计算 1 1） 逆圆插补逆圆插补 若若FF0 0，规定向规定向- -X X方向方向 走一步走一步 若若F Fi i00，规定向规定向+ +Y Y方向方向 走一步走一步 2 2） 顺圆插补顺圆插补 若若F Fi i00，规定向规定向- -Y Y方向方向 走一步走一步 若若F F
