1、数数 控控 技技 术术第四章第四章 计算机数控（计算机数控（CNCCNC）系统系统主讲教师主讲教师 罗罗 哲哲一、一、CNCCNC系统的构成与功能系统的构成与功能1 1、数字控制的任务、数字控制的任务数控机床的任务，主要在于制造各种规定的几何形状。机械制造技术中，被加工零件的几何形状千变万化，主要有回转体零件回转体零件和非回转体零件非回转体零件。从控制技术观点来分析各种加工方法时，主要着眼于几何规律几何规律方面的控制。机械制造工艺中的数字控制就是使工件与刀具的相对运动形成规定的几何轨迹。机床数字控制的根本任务就是运动轨迹行程量行程量控制和开关量开关量控制。总体采用G、M代码和S、T、F等。柔性
2、自动化要求CNC具有通信和DNC（直接控制）功能。市场个性化和适应性要求CNC自身具有结构上的开放性和功能上的可重构性。2 2、CNCCNC系统的组成系统的组成根据机床数字控制任务，CNC系统采用了计算机作为控制部件，通过常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而能对机床运动进行实时控制。只要改变计算机的控制软件就能实现一种新的控制方法，这是CNC的最大特点特点。输入设备输出设备计算机硬件与数控系统软件可编程控制器PLC主轴控制单元电气控制单元速度控制单元主轴电动机机床电器进给电动机位置检测CNCCNC系统的一般结构框图系统的一般结构框图CNC控制器编程计算机操作面板纸带阅读机打印
3、机穿孔机电传机显示设备程序处理机床轨迹处理机床轨迹运动的数字控制运动的数字控制处理开关量处理开关量的逻辑控制的逻辑控制3 3、CNCCNC控制器一般的工作过程控制器一般的工作过程CNC的工作是在计算机硬件的支持下，执行软件控制功能的全过程。（1 1）输入）输入：输入CNC控制器通常有零件程序零件程序、机床机床参数参数和补偿数据补偿数据。机床参数和除刀具尺寸外的补偿数据一般在机床出厂或在用户安装调试时已设定好，所以主要是零件程序和刀具尺寸补偿数据的输入。输入形式有光电阅读机纸带输入纸带输入、键盘输入键盘输入、磁盘磁盘输入输入和连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入。CNC输入工作方式有存储
4、方式存储方式和NCNC方式方式，前者将整个零件程序全部输入再调出，后者边输入边加工。（2 2）译码）译码：译码处理是将零件程序的一个程序段作为单位进行处理。译码处理将零件轮廓信息、进给速度F和其他辅助信息（M、S、T）解释后，存放在指定的内存专用区域。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查，发现错误立即报警。（3 3）刀具补偿）刀具补偿：刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。刀具补偿作用就是把零件轮廓轨迹按已定的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心轨迹。高档CNC刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判断，即C刀具补偿功能。（4 4）进给速度处理）进给速度处理：数控加工程序给定的刀具相对工件的移
5、动速度是在各坐标合成运动方向上的速度，即F代码指令值。速度处理首先按合成速度来计算各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量准备。同时处理机床的最低和最高速度限制及自动加减速。（5 5）插补）插补：要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”工作，此即所谓插补。插补是在规定的周期内执行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，经过若干插补周期后，完成一个程序段加工。（6 6）位置控制）位置控制：位置控制是处在伺服回路的位置环上，如图。其主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给
6、电动机。这部分工作可由硬件或软件来完成，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。（7 7）I/OI/O处理处理：主要是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制。（8 8）显示）显示：为操作者提供方便，包括：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息等显示。有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。（9 9）诊断）诊断：自动故障诊断是现代CNC所必须具备的功能，通常有联机诊断和脱机诊断两种功能。联机诊断联机诊断是指CNC中的自诊断程序，融合在各个部分，随时检查不正常的事件。脱机诊断脱机诊断是在CNC不工作情况下的诊断，通过配备的各种脱机诊断程序对存
7、储器、外围设备接口和I/O接口进行检查。脱机诊断也可采用远程通信方式进行，即所谓的远程诊断。远程诊断是把用户的CNC通过网络与远程通信诊断中心的计算机相连，由诊断中心计算机对CNC进行诊断、故障定位和修复。输 入译 码S、M、T指令处理坐标及刀补处理G指令处理插补运算F速度处理可编程控制器PLC主轴控制与辅助操作处理插补预处理伺服驱动位置控制输出坐标轴运动与位置检测CNCCNC信息流程信息流程零件程序程序段终点信号S、M、T执行完信号主轴电动机和电气控制进给电动机输入层存储层工作存储层调节层机床控制层4 4、CNCCNC控制器的功能控制器的功能CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。通常
8、有：（1 1）轴控制功能）轴控制功能：CNC可控制的和同时控制的轴数。对于数控机床运动的轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。控制轴数越多，尤其是同时控制的轴数越多，CNC控制器就越复杂，多轴联动的零件程序编制也越困难。（2 2）准备功能）准备功能：也称G功能，用来指令机床运动方式，包括基本移动、平面选择、准备设定、刀具补偿、固定循环、米英制转换等指令。（3 3）插补功能）插补功能：CNC通过软件插补实现刀具运动的轨迹。分为粗插补和精插补。粗插补时，软件每次插补一个小线段数据。精插补时，伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出。（4 4）进给功能）进给功能：用F直接指令各轴进给速度，
9、包括：切削进给速度，以每分钟进给的毫米数指定。同步进给速度，以主轴每转进给的毫米数规定，主轴需装位置编码器，目的是便于切螺纹。快速进给速度，通过参数设定，用G00指令。进给倍率，通过面板上的进给倍率开关给定。（5 5）主轴功能）主轴功能：就是指定主轴转速的功能，用S代码和其后的数字表示，多为S4位，单位为r/min。（6 6）辅助功能）辅助功能：用来指令主轴的启、停和转向；切屑液的开和关；刀库的启、停等，用M代码的2位数。（7 7）刀具功能和第二辅助功能）刀具功能和第二辅助功能：刀具功能用来选择所需刀具,用T的2位或4位数表示。第二辅助功能指定工作台分度，用B代码3位数表示。（8 8）补偿功能
10、）补偿功能：一种是指刀具尺寸补偿和程序段自动转接，以简化程序。另一种是指丝杠的螺距误差和反向间隙或者热变形补偿等。（9 9）字符、图形显示功能）字符、图形显示功能：CNC控制器可配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。（1010）自诊断功能）自诊断功能：为了防止故障的发生或扩大以及在故障出现后可迅速查明故障的类型及部位，以减少故障停止时间而设置自诊断程序。诊断程序一般都可以包含在系统程序中，在运行过程中进行检查和诊断，也可作服务性程序脱机诊断。（1111）通信功能）通信功能：CNC控制器都具有RS232通信接口，有的还备有DNC接口，还有的CNC可与MAP（制造自动化协议）相连
11、，介入工厂通信网络。DNC设有缓冲存储器，可以数控格式输入，也可以二进制格式输入，进行高速传输。（1212）人机交互图形编程功能）人机交互图形编程功能：目的是进一步提高数控机床的开动率和编程效率。可以直接根据蓝图输入简单表示的几何尺寸生成程序；可以用对话式编程；可以用宏程序编程。二、二、CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构CNC的软件功能要有相应的硬件水准来支持。已有的或常规的CNC必须趋向开放式的CNC。1 1、常规、常规CNCCNC的硬件结构的硬件结构（1 1）常规）常规CNCCNC发展的主要形式发展的主要形式大体上有三种：一种是总线式模块化结构总线式模块化结构CNCCNC，元器件采用
12、了32位的RISC（精简指令集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等；用于多轴控制高档数控机床。第二种是以单板或专用芯片及模板单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC。大量用于中档和经济型数控机床。第三种是基于通用计算机基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC。其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，而且可以随着计算机硬件的升级而升级。前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机，其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的，不具有通用性。第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC，通用性大，易于维修。（2 2）单微处理器结构）单微处理器结构：是CNC发
13、展初期采用的结构，由于只有一个微处理器能控制系统总线，占有总线资源，CNC的各个任务都以集中控制、分时处理的方式完成。如图为单微处理器结构CNC框图，其中微处理器CPU是CNC的核心，主要由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。总 线CPUEPROM纸带阅读机机床操作I/O接口纸带阅读机接口位置控制速度控制单元MMRAM穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口PCL接口主轴控制单元穿孔机电传机数控面板CRT单微处理器单微处理器CNCCNC结构结构进给电动机位置反馈速度反馈（3 3）多微处理器结构）多微处理器结构CNC的多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器
14、能控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。具体有紧耦合和松耦合两种结构型式。所谓紧耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强）紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源。所谓松耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合（具有相对独立性或相松耦合（具有相对独立性或相关性弱）关性弱），有多重操作系统有效地实现并行处理。1）多微处理器CNC的典型结构共享总线结构，如图。总 线管理模块（CPU）操作面板显示模块主存储器模块会话式编程模块（CPU）主轴控制模块位置控制模块（CPU）PLC功能模块（CPU）插补模块（CPU）共享存储器结构，如图。共
15、享存储器I/O（CPU1）CRT（CPU2）轴控制（CPU4）插补（CPU3）2）多微处理器的CNC的基本功能模块主要有以下六种基本功能模块：CNCCNC管理模块管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。CNCCNC插补模块插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插补计算，给定各坐标轴的位置值。位置控制模块位置控制模块。PLC(PMC)PLC(PMC)模块模块。零件程序中的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。命令与数据输入输出和显示模块命令与数据输入输出和显示模块。存储器模块存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间
16、数据传送用的共享存储器。2 2、开放式、开放式CNCCNC的硬件结构的硬件结构1981年美国空军开始了著名的“NGC（Next Generational Controller下一代控制器）”的计划，首先提出了开放体系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一便是提出了“开放式系统体系结构标准规范（SOSASSpecification of an Open System Architecture Standard）”。自199O年开始，在美国海军支持下，国家标准技术研究院提出了“EMC(增强型机床控制器)”由通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出了“OMAC（Open Modular Archite
17、cture Systems开放模块体系结构控制器）”，它相似于欧洲的“OSACA（Open System Architecture for Controls Within Automation Systems对于自动化系统的开放体系结构）”。NGC的特征是：(1)是否基于工业标准硬件平台和总线结构?(2)对于运动控制软件是否采用工业标准的开放操作系统?(3)能否采用流行的硬件和软件与工厂网络相联结?(4)能否运转流行的软件而不降低机床的性能?(5)能否安装从不同的商家得到的流行硬件?(6)设计或第三方开发者能否应用标准工具和文件格式、编程接口建立用户实时的应用?(7)能否访问和修改所有级别的控
18、制软件?(8)控制商家能否提供文件格式的开发工具，允许访问系统的所有级别?(9)对与I/O的接口，是否控制器使用标准的现场总线?(10)是否可以把控制器与不同厂家的伺服装置相接口?(11)控制器是否可以与多用户广控制的网络相连接?(12)所有的编程是不是采用标准的流行的编程工具?（1）开放式CNC的定义1）可互操作性（Interoperability）不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，不同模块之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这就要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。2）可移植性（Portability）不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同的系统平台之
19、上，这是解决CNC软件的公用问题。要求设计的软件与设备无关。3）可缩放性（Scalability）增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载与卸载。4）可相互替代性（Interchangeability）不同性能与可靠性和不同功能的功能模块可以相互替代。一个开放式CNC的开放性体现在：提供标准化环境的基础平台，允许不同开发商所提供不同功能的软、硬件模块介入，以构成满足不同需求的CNC。开放式数控系统是从全新的角度分析和实现数控的功能，强调系统对控制需求的可重构性和透明性，以及系统功能面向多供应商。（2）基于PC(或IPC)开放式CNC的硬件配置形式1）基于PC的有限开放CNC大多通过改造原有
20、CNC系统的接口，使CNC系统能与PC互连，由PC承担CNC人机界面功能。具体有 PC连接型CNC如图,是将现有CNC与PC用串行线直接相连而构成。基本CNC系统串行线 PC内藏型CNC，如图。是指在CNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。ISA总线接口软盘驱动器32位CPU总线转换器VGAPCMCIA卡硬盘驱动器PC机键盘显示器键盘CNCPMCFANUC总线其它可选件MMC-IV2）基于PC的可开放CNC是在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而成，也称CNC内藏型。专用CNC卡包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。CNC卡CNC系统软件系统软件三、三、CNCCNC的软件结
21、构的软件结构1 1、CNCCNC中软、硬件界面与数据转换中软、硬件界面与数据转换在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可由软件完成。CNCCNC中三种典型的软硬件界面中三种典型的软硬件界面输入插补准备插补位置控制速度控制执行电机位置检测软件软件软件硬件硬件硬件3 硬件2 硬件1 硬件零件程序机床在CNC中，直线、圆弧和其他曲线控制功能的数据转换过程是类同的。如图为直线控制功能的数据转换过程。2 2、CNCCNC系统的多任务并行处理与实时中断处理系统的多任务并行处理与实时中断处理CNC的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两大任务。CNC系统任务管理控制输 入I
22、/O处理显 示诊 断译 码刀 补速度处理插 补位置控制CNCCNC的任务分解的任务分解CNC的各项任务必须协调工作，在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。如图。输入显示诊断I/O控制译码刀具补偿速度控制插补位置控制CNCCNC的任务并行处理关系需求的任务并行处理关系需求所谓并行处理并行处理，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上相同或不同的工作。资源重复资源重复：用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。如在CNC硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。并行处理方法有资源重复资源重复、时间重叠时间重叠和资源分时资源分时共享共享等处理方法。时间重叠
23、时间重叠：也称资源重叠流水处理资源重叠流水处理，根据流水处理技术，使多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用同一套设备的几个部分。例如一个零件程序段的数据转换过程可由下列子过程组成：零件程序输入子过程 处理时间为 Dt1插补准备子过程 处理时间为 Dt2插补子过程 处理时间为 Dt3位置控制子过程 处理时间为 Dt412341234输出输出时间空间Dt1Dt4顺顺序序处处理理12341234输出输出时间空间Dt1Dt41234输出1234输出流流水水处处理理资源分时共享资源分时共享：使多个用户按时间顺序使用同一套设备。例如在单CPU的CNC中，主要采用CPU分时共享原则来解决多任务的同时运行。此
24、时需解决各任务何时占用CPU及占用多少时间。这个问题在CNC中通常采用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。输入插补准备诊断I/O处理显示初始化插补位控键盘中断优先级CNC系统控制软件的另一个主要特征是实时中断处理实时中断处理，其中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。CNCCNC系统的中断类型有系统的中断类型有：1、外部中断：光电阅读机读孔中断；外部监控中断（优先）；键盘及操作面板输入中断。2、内部定时中断：插补周期定时中断；位置采样周期定时中断（优先）。3、硬件故障中断：各硬件故障检测装置发出的中断。4、程序性中断：程序中出现的各种异常情况报警中断。3 3、常规、常规
25、CNCCNC的软件结构的软件结构CNC的软件结构决定于系统采用的中断结构。常规的CNC中，已有的结构模式有中断型结构中断型结构和前前后台型结构后台型结构。（1）中断型结构模式此类型的结构特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信安排来实现。如FANUE-BESK 7CM CNC系统的软件结构就是一个典型的中断型结构。（2）前后型结构模式这种软件的结构特点是前台程序为一个中断服务程序，它几乎承担了全部实时的功能，而后台程序或背景程序只是完成管理功能和非实时性任务（如插补准备
26、）。后台程序是一个循环运行的程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。如美国A-B7360 CNC软件即为此结构模式。4、开放式CNC的软件结构根据开放式控制系统的要求，除它的硬件要采用基于标准总线的公用的模块化设计外，其软件应采用平台技术、统一的标准规范和面向功能元拓朴结构的应用软件，以保证系统具有开放的基本特征。一个开放式CNC系统的结构可以分为两个部分：统一的系统平台统一的系统平台和由各功能结构单元对象（Architecture ObjectAO，简称功能元对象）组成的应用软件模块应用软件模块 （或称系统参考结构）图形系统应用程序界面通信系统
27、AOAOAOAOAO配置系统应用软件系统软件硬 件系系统统平平台台（1）开放式CNC总体结构框图（2）系统平台系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统硬件由机床的功能需求决定。系统的软件分为三个部分：系统核心：如操作系统、通信系统、实时配置系统等，它们构成了整个控制系统运行的基础。可选的系统软件：如数据库系统、图形系统等。标准的应用程序界面（Application Program Interface API）。API是系统功能元对象进入系统平台的唯一途径。（3）系统参考结构（应用软件模块）参考结构描述了一个控制系统由哪些AO模块组成，以及这些模块提供什么开放式接口。建立系统参考结构的关键是有效地利用成组技术、面向对象技术作为工具，把握好系统功能的分解和划分，析取各种控制功能的共有属性和私有特性，明确和定义各功能模块和功能元的行为及它们的相互操作界面。
