数控系统的定义及组成课件.ppt

1、第三章机床数控系统 3.1数控系统的定义及组成数控系统的定义及组成 数控是数字控制(Numeric Control，NC)的简称。我们当前的机床数控系统是在传统的硬件数控的基础上发展起来的。它用一台计算机代替硬件数控装置，由软件实现部分或全部数控功能。因此，机床数控系统是一种包含计算机在内的用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程。第三章机床数控系统 根据不同的被控对象，有各种数控系统存在，其中，最早产生的、目前应用最为广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统，即以加工机床为被控对象的数字控制系统，例如数控车床、数控铣床、数控线切割机、数控加工中心等。机床数控是具有高附加

2、值的技术密集型产品，实现了高度的机电一体化。它集机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统的机械加工工艺发生了质的变化。第三章机床数控系统 机床数控系统一般由输入输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、伺服驱动装置、辅助控制装置等部分组成，有些数控系统还配有位置检测装置，如图31所示。其中数控装置是数控系统的核心部分，它由硬件和软件两大部分共同构成，硬件主要包括微处理器(CPU)、存储器和各种接口；软件主要有系统软件和应用软件。应用软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件，如CADCAM软件。系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，它存放在计算

3、机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等。第三章机床数控系统 图31机床数控系统的组成 第三章机床数控系统 1 1输入输出装置输入输出装置CNC机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等。此外，输入的程序有时并非全部正确，还需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系统和

4、操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，CNC系统中就必须具备必要的交互设备，即输入输出装置。第三章机床数控系统 键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备，操作人员可通过键盘和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令，即进行手动数据输入(MDI)，因此，键盘是MDI中最主要的输入设备。数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，也可以是机床的加工信息。较简单的显示器只有若干个数码管，显示的信息也很有限；较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富；低档的显示器或液晶显示器只能显示字符，中高档的

5、显示系统能显示图形。数控加工程序编制好后，一般存放在便于输入到数控装置的一种控制介质上。传统的方式是将编制好的程序记录在穿孔纸带或磁带上，然后由纸带阅读机或磁带机输入数控系统，因此，纸带阅读机和磁带机是早期数控机床的典型输入设备。第三章机床数控系统 2 2数控装置数控装置数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，并对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，从而完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或是计算机数控装置。前者称做硬件数控装置，或NC装置，其数控功能由硬件逻辑电路实现；后者称为CNC装置，其数控功能由硬件和软件共同实现。数

6、控装置将数控加工程序信息按两类控制量分别输出，从而控制机床各组成部分实现各种数控功能：一类是连续控制量，送往伺服驱动装置；另一类是离散的开关控制量，送往PLC逻辑控制装置。第三章机床数控系统 数控装置控制机床的动作概括起来主要有：（1）机床主运动，包括主轴的启/停、转向和速度选择。（2）机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向和进给速度的选择等。（3）刀具的选择和刀具的长度、半径补偿。（4）其他辅助运动，如工作台的锁紧和松开、工作台的旋转与分度、工件的夹紧与松开、冷却液的开/关及空运行等。（5）自诊断及通信功能等。第三章机床数控系统 3 3伺服驱动装置伺服驱动装置伺服驱动装

7、置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。伺服驱动装置由驱动电路和伺服电动机组成，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的主传动系统和进给传动系统。主轴伺服驱动装置接收来自PLC的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服驱动装置在每个插补周期内接收数控装置的位移指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制功能。根据所选电动机的不同，伺服驱动装置的控制对象可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机。伺服驱动装置有开环、半闭环和闭环之分。由于主轴的运动没有进给轴的要求高，因此，有时普通数控车、铣床的主轴电机不是伺服电动机，而是普通电动机。第三章机床

8、数控系统 4 4辅助控制装置辅助控制装置辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置。通过可编程序控制器(PLC)来实现，PLC和数控装置相互配合，共同完成数控机床的控制。数控装置主要完成与数字运算和程序管理等有关的功能，如零件程序的编辑、译码、插补运算、位置控制等。PLC主要完成与逻辑运算有关的动作。零件加工程序中的M代码、S代码、T代码等顺序动作信息，经译码后转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床的相应开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助功能。它接收机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的动作；另一方面通过伺服驱动装置控制

9、主轴电动机的转动。第三章机床数控系统 5 5位置检测装置位置检测装置位置检测装置与伺服驱动装置配套组成半闭环和闭环伺服驱动系统。位置检测装置通过直接或间接测量执行部件的实际进给位移量，反馈到数控装置并与指令（理论)位移量进行比较，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动，以提高系统精度。第三章机床数控系统 3.2数控系统的基本原理数控系统的基本原理 3.2.13.2.1数控系统的工作过程数控系统的工作过程数控机床的编程人员在编制好零件加工程序后，就可以由操作人员输入（包括MDI输入、由输入装置输入和通信输入）至数控装置，并存储在数控装置的零件程序存储区内。要加工时，操作者可用菜单命令调入需要的

10、零件加工程序到加工缓冲区，数控装置在采样到来自控制面板的“循环启动”指令后，即对加工缓冲区内的零件加工程序进行自动处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），加工出符合图纸要求的零件。这个过程可以用图32表示。第三章机床数控系统 图32数控系统的工作过程 第三章机床数控系统 3.2.23.2.2程序的存储程序的存储CNC系统一般在计算机的存储器中开辟一个零件程序区，输入时将零件整个加工程序一次送入存储区。零件加工程序在零件程序存储区中连续存放，段与段之间、程序与程序之间不留任何空间。零件程序存储区中设有一个零件程序目录表和取程序

11、指针单元，该指针单元的内容永远指向下一步存入或取出单元的地址。数控系统的程序输入和读出过程分别如图33和图34所示。第三章机床数控系统 图33数控系统的程序输入过程 第三章机床数控系统 图34数控系统的程序读出过程 第三章机床数控系统 3.2.33.2.3译码译码所谓“译码”就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成CNC装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。具体来讲，译码就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中。译码可在加工前一次性将整个程序翻

12、译完，并在译码过程中对程序进行语法检查，若有语法错误则报警，即所谓的编译方式；另一种处理方式是在加工过程中进行译码，即计算机在进行加工控制时，利用空闲时间来对后面的程序段进行译码，称为解释方式。第三章机床数控系统 3.3刀具补偿原理刀具补偿原理 3.3.13.3.1刀具半径补偿刀具半径补偿编制零件加工程序时，一般按零件图样中的轮廓尺寸来决定零件程序段的运动轨迹。但在实际切削加工时，是按刀具中心运动轨迹进行控制的，因而刀具中心轨迹必须与零件轮廓线之间偏离一个刀具半径值，才能保证零件轮廓尺寸的准确性。为此，CNC装置应该能够根据零件轮廓信息和刀具半径值自动计算出刀具中心的运动轨迹，使其自动偏离零件

13、轮廓一个刀具半径值，如图35所示。这种自动偏移计算就称为刀具半径补偿。准备功能G代码中的G40、G41和G42是刀具半径补偿功能指令。G40用于取消刀补，G41和G42用于建立刀补。沿着刀具前进方向看，G41是刀具位于被加工工件轮廓左侧，称为刀具半径左补偿；G42是刀具位于被加工工件轮廓右侧，称为刀具半径右补偿。第三章机床数控系统 图35零件轮廓和刀具中心轨迹 第三章机床数控系统 图36建立刀具补偿 第三章机床数控系统 刀具半径补偿过程一般分为三步：（1）刀补的建立。刀具从起刀点接近工件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径，偏置方向由G41、G42决定，如图36所示。（2）刀补的执行

14、。一旦刀补建立，则刀补一直维持，直至被撤消，在刀补进行过程中，刀具中心轨迹始终偏离程编轨迹一个刀具半径值的距离。（3）刀补的撤消。刀具撤离工件，回到退刀点，退刀点应位于零件轮廓之外，此时刀具中心运动到程编终点(一般为起刀点)。第三章机床数控系统 1.B功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿我们先来看直线B刀具半径补偿的计算。如图37所示，被加工直线段的起点在坐标原点O，终点A的坐标为(Xe、Ye)。假定上一程序段加工完后，刀具中心在O点且其坐标已知，刀具半径为r。现在需要计算的是刀具补偿后直线段OA的终点坐标(Xe，Y e)。设直线段终点刀具半径补偿AA的投影坐标为(X，Y)，则,eeeeYYYXX

15、X第三章机床数控系统 而 2e2ee2e2eecossinYXXrrYYXYrrX故 2e2eeee2e2eeee,YXrXYYYXrYXX第三章机床数控系统 图37直线刀具半径补偿 第三章机床数控系统 下面再来分析圆弧B刀具半径补偿的计算。如图38所示，被加工圆弧的圆心在坐标原点，圆弧半径为R，圆弧起点A的坐标为(X0，Y0)，圆弧终点B的坐标为(Xe，Ye)，刀具半径为r。假定上一程序段加工结束后刀具中心点为A，且其坐标(X0，Y0)为已知，那么圆弧刀具半径计算的目的就是要计算出刀具中心圆弧的终点B的坐标(Xe，Ye)，设BB的投影坐标为(X，Y)，则,eeeeYYYXXX而 RXrrXe

16、cos第三章机床数控系统 RYrrYesin故 RYrYYRXrXXeeeeee,第三章机床数控系统 图38圆弧刀具半径补偿 第三章机床数控系统 上述刀具半径补偿的方法有一个共同点，即加工轮廓的连接是以圆弧进行的，这就产生了一些无法避免的缺点。首先，当遇到加工外轮廓尖角时，如图39所示C点，由于轮廓尖角处始终处于切削状态，尖角加工的工艺性就比较差。在磨削加工中尤其突出，所需加工的尖角往往会被加工成小圆弧，其次，在内轮廓加工时，由于刀具中心轨迹的交点不易求得，如图39所示C点，因此不得不由程序员人为地编进一个辅助加工的过渡圆弧，并且还要求这个过渡圆弧的半径必须大于刀具的半径。这就给编程工作带来了

17、麻烦，一旦疏忽，就会因刀具的干涉而产生过切削现象。这就限制了B刀具半径补偿方法在一些复杂的、要求较高的数控系统中的应用。第三章机床数控系统 图39轮廓加工时的刀具半径补偿 第三章机床数控系统 2.C2.C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿以往C和C点不易求得，主要是受到数控装置的运算速度和硬件结构的限制。随着CNC技术的发展，数控系统的工作方式、运算速度及存储器容量都有了很大的改进和增加，采用直线或圆弧过渡，直接求出刀具中心轨迹交点的刀具半径补偿方法已经能够实现了，这种方法被称为C功能刀具半径补偿，简称C刀补。第三章机床数控系统 CNC系统中C刀补时数控系统的工作方式如图310所示。在CNC系统

18、中设置工作寄存器AS，存放正在加工的程序段信息，刀具半径补偿缓冲区CS存放下一个加工程序段的信息，缓冲寄存区BS存放再下一个加工程序段的信号，输出寄存器OS存放进给伺服系统的控制信息。当系统启动后，第一段程序先被BS读入，在BS中算得其编程轨迹被送到CS暂存；又将第二段程序读入BS，算出其编程轨迹，并对第一、第二段程序的编程轨迹连接方式进行判别，按判别结果对第一段编程轨迹作相应修正。修正结束后，顺序地将修正后的第一段编程轨迹由CS送到AS，第二段编程轨迹由BS送到CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送伺服机构执行。第三章机床数控系统 图310C刀补时数控系统的工作方

19、式 第三章机床数控系统 在执行时，CPU又命令BS读入第三段程序，再根据BS、CS中的第二、第三段编程轨迹的连接方式，对CS中的第二段编程轨迹进行修正，如此下去。可见C刀具半径补偿工作状态下CNC系统内总是同时存有三个程序段的信息，以保证C刀具半径补偿的实现。常见的数控系统一般只具有直线和圆弧两种插补功能，因此，根据它们的相互连接关系可组成四种连接形式，即直线接直线、直线接圆弧、圆弧接直线、圆弧接圆弧。第三章机床数控系统 首先定义转接角，它为两个相邻零件轮廓线段交点处在工件侧的夹角，如图311所示，其变化范围为0360。图中所示为直线接直线的情形，而对于轮廓线段为圆弧时，只要用其在交点处的切线

20、作为角度定义的对应直线即可。根据转接角的不同，可以将C刀补的各种转接过渡形式划分为如下三类：（1）当180360时，属缩短型刀补；（2）当90180时，属伸长型刀补；（3）当090时，属插入型刀补。第三章机床数控系统 对于插入型刀补，可以插入一个圆弧段转接过渡，插入圆弧的半径为刀具半径；也可以插入13个直线段转接过渡。前者使转接路径最短，但尖角加工的工艺性比较差；后者能保证在尖角加工时有良好的工艺性。第三章机床数控系统 图311转接角定义示意图(a)G41情况;(b)G42情况 第三章机床数控系统 在执行刀具半径补偿的三个步骤中，均会有上述三种转接过渡类型。图312所示为刀补建立过程中可能碰到

21、的三种转接形式。图313所示为刀补进行过程中可能碰到的三种转接形式。图314所示为刀补撤消过程中可能碰到的三种转接形式。第三章机床数控系统 图312刀补建立示意图(a)缩短型;(b)伸长型;(c)插入型 第三章机床数控系统 图313刀补进行示意图(a)缩短型;(b)伸长型;(c)插入型 第三章机床数控系统 图314刀补撤消示意图(a)缩短型;(b)伸长型;(c)插入型 第三章机床数控系统 3.3.23.3.2刀具长度补偿刀具长度补偿在数控立式铣床加工中心上，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖不在原初始加工的编程位置时，必须在Z向进给中，通过伸长(见图315)或缩短1个偏置值f的办法来补偿其尺寸的变

22、化，以保证加工深度仍然能够达到原设计位置。第三章机床数控系统 图315刀具长度补偿 第三章机床数控系统 刀具长度补偿由准备功能G43、G44、G49(有的是G40)以及H（有的是D代码）代码指定，用G43、G44指令指定偏置方向。其中G43为正向偏置，G44为负向偏置，G49为补偿撤消，H代码指令指示偏置存储器中存储偏置量的地址。无论是绝对或增量指令的情况，G43指令都是将H代码指定的已存入偏置存储器中的偏置值加到主轴运动指令终点坐标值上去，而G44则相反，它是从主轴运动指令终点坐标值中减去偏置值。G43、G44是模态G代码。在H后跟两位数指定偏置号，在每个偏置号所对应的偏置存储区中，通过键盘

23、或纸带预先设置相应刀具的长度补偿值。对应偏置号00即H00的偏置值通常不设置，取为0，这就相当于刀具长度补偿撤消指令G49。第三章机床数控系统 在图315中，所画刀具实线为刀具实际位置，虚线为刀具编程位置，则刀具长度补偿控制程序如下：设定H01=-4.0(偏置值)N10G91G00G43Z32.0H01；实际Z向将进给32.0+（4.0）=36.0N20G01Z21.0F500；Z向将从36.0位置进给到57.0位置N30G00G49Z53.0；Z向将退回到53.0+4.0位置，即返回初始位置 第三章机床数控系统 3.3.33.3.3刀具位置补偿刀具位置补偿刀具位置补偿主要应用于数控车床中。当

24、采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件，或同一尺寸的刀具因换刀重调、磨损引起尺寸变化时，为了编程方便和不改变已编制好的程序，利用数控系统的刀具位置补偿功能，只需将刀具尺寸变化值输入数控系统，数控系统就可以自动地对刀具尺寸变化进行补偿。如图316所示，车床的四方旋转刀架装有不同尺寸的刀具，并以1号刀具的刀尖A点为所有刀具的编程起点，且对应坐标值为（X1，Z1），B点为2号刀具刀尖逆时针旋转所到达的位置。很明显，1号刀具刀尖与2号刀具刀尖存在一个位置偏差（Xd，Zd），我们通过手动使2号刀具的刀尖也到达A点，此时数控车床屏幕上所对应的坐标值我们假设为（X2，Z2），则2号刀具的位置补偿值为 第三

25、章机床数控系统 Xd2=X2-X1，Zd2=Z2-Z1 我们只要把这个值（Xd2，Zd2）输入数控系统，然后利用刀具功能T就能实现对刀具补偿值的运用。对于3、4号刀具可以采用类似方法建立刀具位置补偿值。第三章机床数控系统 图316刀具刀尖位置偏差示意图 第三章机床数控系统 3.4数控系统的硬件数控系统的硬件 3.4.13.4.1数控系统的硬件构成数控系统的硬件构成硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能，不同的数控系统其组成结构不同，功能也相差甚远。经济型数控系统的硬件多数是以8位或16位单片机或者以8位或16位微处理器(简称MPU)为主构成的系统，其进给驱动采用步进电动机，

26、控制轴数和联动轴数为23。由于其数控系统的精度和速度都较低，功能比较简单，而且往往是开环控制，因此一般只能用于某些要求较低的数控机床，或者是用于旧机床改造。标准型数控系统也称为全功能数控系统，其精度和速度都较高，功能比较齐全，而且基本都是半闭环或全闭环控制，因此广泛应用于各种中、高档数控机床。鉴于经济型数控系统现在用得很少了，这里只介绍标准型数控系统的硬件。第三章机床数控系统 3.4.23.4.2标准型数控系统的硬件结构标准型数控系统的硬件结构标准型数控系统的硬件，按CNC装置中各电路板的插接方式可分为大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数可分为单微处理器结构和多微处理器结构；按硬件的制

27、造方式可分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置的开放程度可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。第三章机床数控系统 图317大板式结构示意图 第三章机床数控系统 1 1大板式结构大板式结构大板式结构CNC系统的CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板，其他电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。图317为大板式结构示意图。FANUCCNC6MB采用的就是这种大板式结构，其结构示意图如图318所示。图中主电路板(大印刷电路板)上有控制核心电路、位置控制电路、纸带阅读

28、机接口、三个轴的位置反馈量输入接口和速度控制量输出接口、手摇脉冲发生器接口、I/O扩展板接口和六个小印刷电路板的插槽。第三章机床数控系统 控制核心电路为微机基本系统，由CPU、存储器、定时和中断控制电路组成。存储器包括ROM和RAM，ROM(常用EPROM)用于固化数控系统软件，RAM用于存放可变数据，如堆栈数据和控制软件暂存数据，对数控加工程序和系统参数等可变数据存储区域应具有掉电保护功能，如磁泡存储器和带电池的RAM，当主电源不供电时，能保持其信息不丢失。六个插槽内分别可插入用于保存数控加工程序的磁泡存储器板、附加轴控制板、CRT显示控制和I/O接口、控制用ROM板、PMC板及当位置反馈传

29、感元件采用旋转变压器或感应同步器时的旋变/感应同步器控制板。第三章机床数控系统 图318FANUCCNC6MB结构示意图 第三章机床数控系统 2 2功能模块式结构功能模块式结构在采用功能模块式结构的CNC装置中，将整个CNC装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每一个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板(称为功能模板)，相应功能模块的控制软件也模块化。用户只需按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的CNC系统控制装置。常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。例如，功能模块式

30、结构的全功能型数控车床系统框图如图319所示，系统由CPU板(为微机基本系统)、存储器板、显示控制板、手摇脉冲发生器接口板、键盘和录音机接口板、强电输入接口板、强电输出接口板、伺服控制接口板和三块轴反馈板共11块板组成，连接各模块的总线可按需选用各种工业标准总线，如工业PC总线、STD总线和Q总线等。FANUC系统15系列就采用了功能模块式结构。第三章机床数控系统 图319功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图 第三章机床数控系统 3 3单微处理器结构单微处理器结构单微处理器数控系统以微处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，并采用集中控制、分时处理的工作方式，来完

31、成数控加工中的各项任务。图320为单微处理器结构框图。第三章机床数控系统 图320单微处理器结构框图 第三章机床数控系统 单微处理器结构的数控装置具有如下特点：（1）CNC系统内只有一个CPU，所有的数控功能和管理功能，诸如数控加工程序的输入、数据预处理、插补计算、数据输入输出、位置控制、人机交互处理和诊断等功能都依靠它来集中控制，分时处理。（2）CPU通过总线与存储器、各种接口(包括纸带阅读机等输入设备接口、开关量接口、MDICRT接口)、位置控制器等相连，从而构成CNC系统。（3）结构简单，容易实现。第三章机床数控系统（4）因为只有单CPU集中控制，所以其功能将受到微处理器字长、数据寻址能

32、力和运算速度等因素的限制。由于插补等功能由软件来实现，因此进给速度受到的影响较大。在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器，为了增加这种结构CNC装置的功能，并提高系统处理速度，可采用下述措施：采用高性能的微处理器；采用协处理器以增强运算功能，提高运算处理速度；采用大规模集成电路来完成一些实时性要求高的任务，诸如插补计算和位置控制等；采用带微处理器的CRT控制和PLC等智能部件。第三章机床数控系统 4 4多微处理器结构多微处理器结构在多微处理器中，由两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CPU都可享用系统公用存储器或IO接口，并分担一

33、部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块构成CNC系统。如果某个模块出了故障，其他模块仍能工作，可靠性高。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，这样便于组织规模生产，能够形成批量生产并保证质量。第三章机床数控系统 1）多微处理器结构CNC装置的基本功能模块在设计多微处理器结构的CNC装置时，可根据具体情况合理划分其功能模块。常见的有下面六种基本功能模块，如果希望扩充功能，则可以再增加相应的模块。（

34、1）CNC管理模块。它具有管理和组织整个CNC系统工作过程的职能。例如系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软/硬件诊断等。（2）CNC插补模块。它能够对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理工作。然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，并向各个坐标轴发出位置指令值。第三章机床数控系统（3）位置控制模块。它将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电动机。（4）PC模块。它能够对加工程序中的开关功能和来自机床的信

35、号进行逻辑处理，以实现各功能与操作方式之间的连锁。例如机床电气设备的启动与停止、刀具交换、回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。第三章机床数控系统（5）数据输入、输出和显示模块。它包括加工程序、参数、数据和各种操作命令的输入(如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等)和输出(如通过打印机、纸带穿孔机等)以及显示(如通过CRT、液晶显示器等)所需要的各种接口电路。（6）存储器模块。它是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。第三章机床数控系统 2）多微处理器结构CNC装置的典型结构采用多微处理器结构的CNC装置，有共享总线和共享存储器两种典型结构。共享总线结构以系统总

36、线为中心，把组成CNC装置的各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块，如管理模块、控制模块、插补模块是主模块，RAMROM模块或IO模块是从模块。所有主、从模块共享都是严格定义的标准系统总线。第三章机床数控系统 系统总线的作用是有效地连接各个模块，并按照要求交换各种数据和控制信息，从而构成一个完整的系统。在系统中只有主模块有权控制并使用系统总线。当多个主模块同时请求使用系统总线时，必须要由仲裁电路判别出各模块优先级的高低，优先级的高低按每个主模块担负任务的重要程度预先安排好。总线裁决通常有串行方式和并行方式两种。在串行总线裁决方式中，按连接顺序决定优先级的高低。对于某个

37、主模块来说，只有当其前面优先级更高的主模块不占用总线时，才能使用总线。这时，其后优先级较低的主模块不能使用总线。在并行总线裁决中，判别主模块优先级的高低需配置一个专用逻辑电路，一般采用优先权编码方案。第三章机床数控系统 各模块之间的通信主要由公共存储器来实现。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息。能够支持共享总线结构的总线有：STD总线、MULTIBUS总线、S100总线、VERSA总线以及VME总线等。共享总线结构的典型代表是FANUC15系统。它按功能的不同可将系统划分为若干个功能模块，其中带有CPU的称为主模块，不带CPU的称为从模块。根

38、据不同的配置可选用7、9、11和13个功能模块插件板。所有主从模块都插在配有总线(传输速度很快的FANUCBUS)插座的机柜内，通过共享总线把各个模块有效地连接在一起，并按要求交换各种数据和信息，从而组成一个完整的实时多任务系统，以实现CNC的预定功能，其硬件结构如图321所示。第三章机床数控系统 图321FANUC15系统的共享总线结构 第三章机床数控系统 FANUC15系统的主CPU为Motorola68020(32位)，在内装的PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块中也都有各自的CPU，可构成最小至最大的系统，控制215个轴。共享总线结构的优点是：系统配置灵活、结构简单、容易

39、实现、造价低、可靠性高。共享总线结构的缺点是：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，整个系统将受到影响；同时，由于使用总线要经仲裁，这就会引起竞争，从而使信息传输效率降低。第三章机床数控系统 共享存储器结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通信。同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一主模块对多端口存储器进行访问(读写)，因此，也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而且对于两个以上的主模块，可能会因争用存储器而造成存储器传输信息的阻塞，使系统效率降低，从而给扩展功能造成困难，因此一般采用双端口存储器(双端口

40、RAM)。西班牙FAGOR公司的8025系统就是一种共享存储器结构的CNC系统，其共享存储器结构如图322所示。第三章机床数控系统 图322FAGOR8025系统的共享存储器结构 第三章机床数控系统 FAGOR8025系统共有3个CPU：中央CPU负责数控程序的编辑和译码，刀具和机床参数的输入；显示CPU把中央CPU的指令和显示数据送到视频电路进行显示，此外还定时扫描键盘和倍率开关状态并送到中央CPU进行处理；插补CPU用来完成插补运算、位置控制、I/O控制和RS232通信等任务，另外还向中央CPU提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。中央CPU与显示CPU和插补CPU之间各有512

41、B的公共存储器用于交换信息。第三章机床数控系统 5 5专用型结构和个人计算机式结构专用型结构和个人计算机式结构专用型结构CNC系统的硬件由各制造厂家专门设计和制造，其布局合理，结构紧凑，专用性强，但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。如FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国AB系统、法国NUM系统及我国的一些数控系统生产厂家生产的数控系统都属于专用型结构。个人计算机式结构的CNC系统是以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件，来构成相应的CNC装置的。第三章机床数控系统 因工业标准PC机采用与一般PC机相同的总线标准，所

42、以个人计算机式结构的CNC系统综合了一般PC机和工业标准PC机的特点，其具体反映在下述几个方面：（1）与一般PC机完全兼容，且易于实现升级换代。近几年来，个人计算机的应用越来越广，其丰富的软件资源和大量的硬件资源给人们提供了一个极为优越的开发环境。又因为PC机的生产数以万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本，修理及更换都很方便。此外，与其他类型的工控机相比，工业标准PC机具有更强的通信功能，各类PC机均有网络适配器，可用以构成各种局域网。第三章机床数控系统（2）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。工业标准PC机采用无源总线底板和结构坚实的工业标准机箱，全部组件为插入式，带紧固装置，能经受

43、较强的冲击、振动和电磁干扰。工业标准PC机的主板包括了普通微机的全部组件和功能(CPU、高速缓冲器Cache、系统内存、系统BIOS、RS232C接口、打印机接口、键盘接口、磁盘驱动器接口、时钟和扩展总线等)，并采用表面封装技术制造，机箱内有正压的空气过滤系统，具有抗潮湿和腐蚀性气体的能力，它还采用了大功率抗干扰的开关电源。由于个人计算机式结构的CNC系统有诸多优点，且能满足用户对CNC系统硬件通用性的要求，因此有不少数控厂家都开发了个人计算机式结构的CNC系统，如美国的ANILAN公司和AI公司。第三章机床数控系统 图323以工业PC机为技术平台的数控系统结构框图 第三章机床数控系统 6 6

44、NCNC嵌入嵌入PCPC式结构式结构NC嵌入PC式结构由开放体系结构运动控制卡PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库能提供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统，因此这种结构被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC和日本MAZAK公司用三菱电动机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等都是这种结构的数控系统。第三章机床数控系统 7 7软件型开放式结构软件型开放式结构软件型开放式结构的数

45、控系统是一种最新开放体系结构的数控系统。它能提供给用户最大的选择和灵活性。它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部IO之间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核开发所需的各种功能，以构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，软件型开放式结构的数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC和德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。第三章机床数控系统 3.5数控系统的软件数控系统的软件 数控装置

46、是由软件和硬件组成的。数控装置的许多控制任务，如零件程序的输入与译码，刀具半径的补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务之间存在着耦合关系。从时间上讲，这些任务之间存在着时序配合问题。在设计CNC装置的软件(系统软件)时，如何组织和协调这些任务，使之满足一定的时序及逻辑关系，就是CNC软件结构要考虑的问题。第三章机床数控系统 在信息处理方面，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件完成的工作，原则上也能由软件完成，但是硬件处理和软件处理有不同的特点：硬件处理速度快，但造价高、线路复杂、故障率高、适应性差，难以实现复杂的控制功能；而软件灵活，适应性强，但处理速度

47、相对较慢。因此，在CNC装置中，哪些功能应由硬件来实现，哪些功能应由软件来实现，即如何合理划分软硬件的界面是CNC装置结构设计的重要任务。总的原则是：能用软件完成的功能一般不用硬件来完成；能用微处理器来控制的尽量不用硬件电路来控制。最终用硬件还是软件通常是由性能价格比决定的。图324所示的为3种典型的CNC装置软硬件界面。现在的CNC装置常用后两种方案（，）。第三章机床数控系统 图3243种典型的CNC装置软硬件界面 第三章机床数控系统 3.5.13.5.1数控系统的软件构成数控系统的软件构成数控系统的软件主要分为系统软件和应用软件。应用软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件。系统软件是为实现

48、CNC系统各项功能所编制的专用软件，一般包括系统管理程序、输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序和诊断程序。数控系统软件的构成如图325所示。第三章机床数控系统 图325数控系统软件的构成 第三章机床数控系统 1.1.系统管理程序系统管理程序系统管理程序是系统软件的主循环程序，数控系统通电以后便进入这部分程序运行。系统管理程序主要由以下四部分组成：(1)初始化部分。同普通的计算机系统一样，当数控系统通电或复位时，首先应对系统进行初始化。例如可编程接口芯片送状态控制字，对某些I/O接口设置初始状态标志等。另外，对具有掉电保护和自恢复功能的系统，当初始化完毕，系统自检通过后，还要检查通电自恢

49、复状态位，如果条件为真，则立即转去恢复掉电前的系统状态，并接着掉电前的状态执行；如果条件不满足，则转到正常的启动运行程序，从控制面板上接收操作命令，并转去执行。第三章机床数控系统(2)接收命令环节。它的使命是接收操作者的命令，若不是命令，则循环等待。(3)命令分析。它的任务是对从键盘上输入的命令进行分析，并引导到执行该命令的相应的处理程序。(4)返回环节。它的任务是执行命令处理程序后，返回到管理程序接收命令环节，使系统处于等待新的操作的状态。第三章机床数控系统 2 2输入数据处理程序输入数据处理程序输入数据处理程序接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规

50、定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。(1)输入程序。它主要有两个任务：一个任务是从光电阅读机或键盘输入零件加工程序，并将其存放在工件程序存储器中；另一任务是从工件程序存储器中把零件加工程序逐段调出，进入缓冲区，以便译码时使用。第三章机床数控系统(2)译码程序。在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息、加工速度及其他辅助功能信息，这些信息在计算机作插补运算与控制操作前必须翻译成计算机内部能识别的语言。译码程序就承担着此项任务。(3)数据处理程序。它一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。刀