1、第一节标准型数控系统的总体结构一、CNC系统的基本构成图8-1CNC系统的基本构成主要功能：位置控制：刀具与工件的相对位置及轨迹控制（即程序编制中的G代码功能）。功能控制：主要是开关量控制信号处理（即程序编制中的M代码功能）。信号处理：系统运行状态信号的分析处理（信号检测和处理）系统组成：输入输出设备、CNC装置、伺服驱动及位置检 测装置、辅助机能驱动电路、数控系统软件。二、各组成部分的作用从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。从外部
2、特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。三、CNC系统的功能划分CNC装置的硬件结构按其中含有CPU的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。第二节标准型数控系统的硬件结构CNC装置的硬件结构CPUROMRAMIN接口OUT接口可编程控制MDI/CRT接口位置控制其它接口总线单微处理器硬件结构图单微处理器数控装置:以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU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，完成数控加工各个任务。一个微 处理器完成所有的 功能采用总 线结构结构简 单，易于实
3、现功能受 限制单微处 理器结构组成：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；存储器只读存储器（ROM）：系统程序随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息CMOSRAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数位置控制单元对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）对主轴控制，一般只包括速度控制 C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）CNC系统的硬件结构多微处 理器结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在
4、某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。CNC系统的硬件结构多微处理机结构结构形式：可分：分布式、主从式、总线式。分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。主从式：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。总线式（多主式）：主总线连接多个CPU，可直接访问所有系统资源，解决总线争用问题。典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构FANUC BUS操作面板图形显示模块(CPU)通信模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)I/O单元位置控制模块(
5、CPU)伺服驱动单元主轴控制模块(CPU)主轴单元FANUC 15系统硬件结构共享总线结构CRT/MDI结构特征：o 功能模块分为带有CPU的主模块和从模块（RAM/ROM，I/O模块）；o 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；o 采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。第四章共享存储器结构I/O(CPU)公共存储器插补(CPU)多CPU共享存储器框图从机床来的控制信号CRT(CPU)至机床的控制信号轴控制（CPU）结构特征：o 面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；o 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访
6、问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。大板式结构功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC装置。开放式数控系统结构开放的含义可移植性：系统的应用模块无需
7、经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。单元开放式 数控系统概念结构软件配置单元标准计算机硬件硬件 数控系统配置 基本硬 件DOS(WINDOWS)数控功能应用程序应用程序接口实时多任务操作系统NC构件库开放式 数控系统结构形式软数控：SoftCNC以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。PC内嵌入运动控制卡:把多轴运动控制卡插入传统的PC
8、中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。PC内嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PC板，提供键盘，使PC与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。ARM+DSP嵌入式数控系统结构ARM微处理器：接受指令、编译；并行多任务调度和资源管理等。配备多种接口。DSP数字信号处理器：采用哈佛结构，处理速度快；运算能力强；
9、方便用户设计和调试等。在高性能数控系统中有重要的应用价值。可编程控制器的基本组成1.微处理器2.存储器3.输入部分4.输出部分5.编程器CPUEEPROM用户程序EPROM系统软件总线RAM编程器电 源输入输出模块功能开关和指示器可编程控制器PLC定义可编程控制器最早在美国通用汽车公司的自动装配线上使用并获得了成功。它是以微处理器技术为基础，综合了计算机、自动化和通信技术的一种新型工业控制装置。电池程序执行过程（1）输入采样阶段以扫描方式顺序读入所有输入端子的状态并存入输入状态寄存器。（2）程序执行阶段按先左后右、先上后下的次序逐条扫描内存中的每一条指令，并从输入状态寄存器中读入所有输入端子的
10、状态。输出状态寄存器的内容是由指令的执行结果决定的。（3）输出刷新阶段当所有的指令执行完毕后，由控制器将输出状态寄存器的内容转储到输出锁存器中，这才是PLC的实际输出。至此，PLC完成了一个工作循环。可编程控制器PLCCNC系统中的PLC数 数控 控装 装置 置可 可编 编程 程控 控制 制器 器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑.数控装 置、可编程控制器、机床之间的关系 图CNC计算机PLCI/O电路操作面板强电电路主轴单元进给控制单元进给电动机辅助动作换刀动作冷却排屑主轴电动机MS、TCNC装置可编程控制器PLC类型内装型、独立型1.内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号
11、传送在CNC装置内部实现。MDI/CRT面板CNC计算机I/O电路操作面板强电电路主轴速度控制单元进给控制单元进给电动机辅助动作换刀动作冷却排屑主轴电动机MS、TI/O电路PLC装置I/O电 PLC路CNC装置2.独立型PLC独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。MDI/CRT面板ORARAUTO200.7M06210.7M19206.744.2ORCM1.6RST65.1R1222.6TM01206.64.5sTM01206.6主轴定向定向时间检验定向有误TM 203R定向ORCM1.6成。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理输入输出
12、管理机床输入输出位置控制故障诊断处理插补运算主轴控制编译处理刀具补偿.CNC系统软件的组成与功能组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组第三节标准型计算机数控系统的软件结构CNC系统的软件输入程序把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。译码程序将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。数据处理程序刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理程序缓冲存储区译码缓冲存储区插补缓冲存储区插补工作存储区插补输出存储区程序译码插补准备交换插补刀
13、补处理的主要工作：o根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。o根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。o根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。RB（XB，YB）G41G42A（XA，YA）XY刀具半径补偿对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。oC刀补采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时)过切，以避免产生过切。C”CBBAAG41刀具刀具编程轨迹G42刀具中心轨迹C刀具半径补偿的方法oB刀补速度处理加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。开环系统:通过控制向步进电机输
14、出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。OA95873 421610插补计算程序在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间点位置坐标的运算过程。中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。YXA(5,3)XY位置控制软件每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比较，用差值去控制电机。插补速度控制单元位控电机速检位检输出程序进行伺服控制反向间隙补偿丝杠螺距误差补偿M、S、T辅助功能输出管理程序诊断程序CNC系统的软件CNC系统软件的特点
15、和结构特点:多任务性与并行处理技术o多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、o并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。o并行处理的实现方式：资源分时共享（单CPU）资源重叠流水处理（多CPU）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。诊断I/O V处理 S输入插补准备
16、显示初始化插补位控键盘中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。时间并行处理空间顺序处理流水处理技术示意图输出输出CPU1 1 2 3 1 2 3t 2tt t+t时间空间323232输 输 输出 出 出CPU1 1 1 1CPU3CPU2分类前后台型结构o前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实
17、时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。o后台程序(背景程序):完成显示、程序编辑管理、系统输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。中断型结构此结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。功能模块型软件结构多微处理器CNC装置一般采用模块化结构,每个微处理器承担不同任务,形成特定功能模块,软件模块化，各功能模块之
18、间有明确的接口。轴控制功能完成一个工序的加工。这相当于在一台多通道模块化数控系统机床上可完成过去最多达16台机床的加工。自动上 下料的轴控制在PLC里增加了位置控 制功能，补充系统 轴控制数的不足轴同步控制功能数控系统功能发展趋势多通道 控制功能可以同时实现铣、磨、钻等16个以上工序的加工及动作，而目前国内数控系统，即使是最先进的5轴联动，也只能同时高精、高速加工的控制功能精细加减速功能，以减少加工冲击力锐角加工时最佳的自动减速功能追求小的程序段插补时间.前馈控制前瞻控制补偿由于反馈滞后所产生的误差，提高加工精度。在程序执行前，对运动数据进行计算处理和多段缓冲，从而控制刀具以很小的误差进行高速
19、运动。直线插补圆弧插补样条插补渐开线插补螺旋插补极坐标插补指数曲线插补圆柱插补假想坐标插补逆向插补多种插补功能反向间隙补偿螺距误差补偿直线度补偿垂直度补偿机械坐标系补偿工件坐标系补偿斜角补偿意外的力矩扰动补偿动态精度补偿阻尼误差补偿机械空间误差补偿机械误差补偿功能丰富的显示功能：实时图形显示、PLC梯形图显示等;丰富的编程功能;伺服系统数据和波形的显示，伺服系统参数的自动设定;具有多种管理功能：刀具及其寿命管理、故障、工作记录等;PLC程序编制方法增加：广泛采用C语言编写PLC程序;帮助功能:系统不但显示报警内容，而且能指出解决问题的方法。人机界面的友好网络功能RS232串行接口、网络接口、现场总线接口。安全与维修性不断完善1）硬软件的限位。2）急停。3）卡盘和尾座干涉区的设定。4）各种互锁功能。5）移动前的行程检查。6）各种安全报警的显示。7）伺服监控显示。8）输入输出界面显示。9）注重远距离故障诊断和维修功能开发。
