1、CNC系统和系统和CNC装置装置CNC系统：数控装置、系统：数控装置、PLC、伺服系统、伺服系统5CPUEPROMRAM输入接口输出接口MDICRT接口位置控制接口其它接口磁带或磁盘机接 口总线一、单微处理器结构与多微处理器结构一、单微处理器结构与多微处理器结构CNCCNC装置装置总线CPUEPROMRAMMDI/CRT接口PLC纸带阅读机接口I/O接口位置控制穿孔机、电传机接口通信接口数控面板CRT纸带阅读机纸带穿孔机电传机机床速度控制单元MCNC管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线插补（CPU
2、2）来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共 享存储器开放式数控装置开放式数控装置1 传统数控系统存在的问题传统数控系统存在的问题专用软硬件的封闭性，各数控系统厂商的产品不兼容专用软硬件的封闭性，各数控系统厂商的产品不兼容系统功能固定，用户无法重新定义和扩展系统功能固定，用户无法重新定义和扩展缺乏与其他设备的互联和网络互联通道，不利于企业缺乏与其他设备的互联和网络互联通道，不利于企业的网络化和信息化的网络化和信息化人机界面不灵活人机界面不灵活开放式数控装置开放式数控装置2 国外对开放式数控系统的研究国外对开放式数控系统的研究 美国：美
3、国：1981 NGC 计划，计划，1991 SOSAS 标准标准 1994 OMAC 计划计划 (OPEN MODULAR ARCHITECTURE CONTROL)欧洲：欧洲：1992 OSAC 计划计划 (OPENSYSYTEM ARCHITECTURE FOR CONTROLS WITHIN AUTOMATION SYSYTEM)日本日本:OSEC 计划计划 (OPENSYSTEM ENVIROMENT FOR CONTROLLER)中国：中国：2000年年“新一代开放式数控系统平台新一代开放式数控系统平台”研究计划研究计划开放式数控装置开放式数控装置3 开放式数控系统应具有的特征开放式
4、数控系统应具有的特征 模块化：模块化：功能，体系结构功能，体系结构 标准化标准化 平台无关性平台无关性 可再开发可再开发 适应网络操作方式适应网络操作方式 基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成NC+PC 的复合式结构的复合式结构PC+NC 的递阶式结构的递阶式结构PC+I/O 的软件化结构的软件化结构PC+功率接口的集成化结构功率接口的集成化结构PC+实时网络的分布式结构实时网络的分布式结构1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：NC+PC 的复合式结构的复合式结构 Nc+Pc复合式结构复合式结构又称专用数控
5、加又称专用数控加Pc前端的结构，是一前端的结构，是一种由专用数控装种由专用数控装置与通用置与通用PC相结合相结合构成的双平台复合构成的双平台复合结构。这类结构的结构。这类结构的组成框图如图组成框图如图6-l所所示。示。基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+NC 的递阶式结构的递阶式结构(PMAC视频）视频）PC+NC的递阶式的递阶式结构是以结构是以PC为基为基础，在其上扩展各础，在其上扩展各类数控模块所形成类数控模块所形成的一种的一种PC数控系数控系统的典型结构。与统的典型结构。与NC+PC结构不同，结构不同，PC+N
6、c结构的重心结构的重心在在PC，组成系统，组成系统所需的其他模块将所需的其他模块将根据被控对象的要根据被控对象的要求灵活确定，因而求灵活确定，因而具有良好的开放性。具有良好的开放性。基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+I/O 的软件化结构的软件化结构 PC+IO软件化结构的基本软件化结构的基本思想是，采用功能更强大的思想是，采用功能更强大的PC硬件平台和更有效的实时硬件平台和更有效的实时程序设计技术，将程序设计技术，将PC+NC系系统中统中NC部分的控制功能部分的控制功能(由由单片机和单片机和DSP加硬件完成的加硬件
7、完成的进给轴运动控制、主轴运动进给轴运动控制、主轴运动控制、开关量控制等控制、开关量控制等)纳入到纳入到Pc平台中，由平台中，由PC的主的主CPU来完成，从而减小来完成，从而减小PC数控系数控系统的硬件规模，使统的硬件规模，使PC数控的数控的硬件系统仅为硬件系统仅为PC硬件平台硬件平台+少量的少量的I0接口，形成接口，形成PC+IO替代替代PC+NC的软件化数的软件化数控系统结构。控系统结构。基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+功率接口的集成化结构功率接口的集成化结构基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件
8、构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+功率接口的集成化结构功率接口的集成化结构 根据根据PC+I/OPC+I/O结构的思想，如果进一步将数控系统底层的结构的思想，如果进一步将数控系统底层的所有信息处理和控制功能所有信息处理和控制功能(包括伺服驱动器中的控制功能包括伺服驱动器中的控制功能)纳纳入到入到PCPC平台中，由平台中，由PCPC的主的主CPUCPU来完成，则来完成，则PCPC数控系统的外部数控系统的外部硬件规模将减至最小，即只剩下与执行装置连接的功率接口，硬件规模将减至最小，即只剩下与执行装置连接的功率接口，由此形成由此形成PC+PC+功率接口的高度集成化的功率
9、接口的高度集成化的PCPC数控系统结构。数控系统结构。在集成化数控系统中，所有数控功能全部由软件来实现，在集成化数控系统中，所有数控功能全部由软件来实现，彻底消除了各子系统的冗余硬件及连接各子系统的硬件接口彻底消除了各子系统的冗余硬件及连接各子系统的硬件接口和通信线路，并有效简化软件接口和软件结构。因此，集成和通信线路，并有效简化软件接口和软件结构。因此，集成化化PCPC数控系统中数控系统中“集成集成”的含义，不仅仅是一般意义下的信的含义，不仅仅是一般意义下的信息集成，而是从硬件、软件到信息的全面集成。息集成，而是从硬件、软件到信息的全面集成。基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件
10、构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+实时网络的分布式结构实时网络的分布式结构基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成1 PC 化数控系统的体系构架：化数控系统的体系构架：PC+实时网络的分布式结构实时网络的分布式结构 分布式结构系统的基本思想是将组成数控系统的下层子系统分布式结构系统的基本思想是将组成数控系统的下层子系统(如数字如数字式伺服系统、主轴驱动系统、式伺服系统、主轴驱动系统、PLc等等)，通过以光缆等为介质的实时网络，通过以光缆等为介质的实时网络与与Pc数控装置连接起来，组成一完整的高性能数控系统。这类系统的典数控装置连接起来，组成一完整的高
11、性能数控系统。这类系统的典型结构如图型结构如图65所示。图中，各进给轴驱动器和主轴驱动器均为全数字所示。图中，各进给轴驱动器和主轴驱动器均为全数字化结构，其控制核心广泛采用高速化结构，其控制核心广泛采用高速DsP，以实现位置控制、速度控制、，以实现位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂控制算法。另外，一般要求各子系矢量变换控制、直接转矩控制等复杂控制算法。另外，一般要求各子系统自身带有实时网络接口，以免去用户加装网络接口的麻烦。由于这种统自身带有实时网络接口，以免去用户加装网络接口的麻烦。由于这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进系统采用分布式计算和控
12、制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通信和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，并减轻行通信和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，并减轻Pc主主机的负担，易于使整个数控系统具有较高的性能。同时，由于采用一根机的负担，易于使整个数控系统具有较高的性能。同时，由于采用一根光缆即可实现控制器与所有执行装置问的连接，因而非常有利于构成复光缆即可实现控制器与所有执行装置问的连接，因而非常有利于构成复杂大系统，以解决重大装备和复杂系统的控制问题。此外，分布式结构杂大系统，以解决重大装备和复杂系统的控制问题。此外，分布式结构非常有利于数控系统的扩展，例如，要为数控系统增加两个坐标轴控制非
13、常有利于数控系统的扩展，例如，要为数控系统增加两个坐标轴控制功能，只需将驱动器接人已有网络即可，不必增加接口卡和相应的连线。功能，只需将驱动器接人已有网络即可，不必增加接口卡和相应的连线。基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成2 PC 数控装置的硬件平台数控装置的硬件平台-PC 机硬件结构：机硬件结构：基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成3 PC 数控装置的总体结构：数控装置的总体结构：考虑考虑PC机种类及接口总线机种类及接口总线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成3 PC 数控装置的总体结构：数控装置的总体结构：考虑考虑PC机种类及接口总线
14、机种类及接口总线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成3 PC 数控装置的总体结构：数控装置的总体结构：考虑考虑PC机种类及接口总线机种类及接口总线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成3 PC 数控装置的总体结构：数控装置的总体结构：考虑考虑PC机种类及接口总线机种类及接口总线图图7-8 母板背板的基于母板背板的基于PC104的数控装置的数控装置基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成3 PC 数控装置的总体结构：数控装置的总体结构：考虑考虑PC机种类及接口总线机种类及接口总线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4 针对针对PC
15、机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：ISA总线总线进给轴速度指令：模拟电压进给轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压限位、零点信号：数字电平限位、零点信号：数字电平反馈信号：鉴向、倍频、计数反馈信号：鉴向、倍频、计数基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：ISA总线总线 进给轴速度指令：模拟电压进给轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压限位、零点信号：数字电平限位、零点信号：数字电平反馈信号：鉴向、倍频、计数反馈信号：鉴向、倍频、计数基于基
16、于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：42p166 PCI总线总线 进给轴速度指令：脉冲进给轴速度指令：脉冲主轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压限位、零点信号：数字电平限位、零点信号：数字电平反馈信号：鉴向、倍频、计数反馈信号：鉴向、倍频、计数基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：42p166 PCI总线总线 进给轴速度指令：脉冲进给轴速度指令：脉冲主轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压限位、零点信号：数字电平限位、
17、零点信号：数字电平反馈信号：鉴向、倍频、计数反馈信号：鉴向、倍频、计数基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4 针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：USB基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：USB进给轴速度指令：脉冲进给轴速度指令：脉冲主轴速度指令：模拟电压主轴速度指令：模拟电压反馈信号：鉴向、倍频、计数反馈信号：鉴向、倍频、计数基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4 针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：USB
18、 进给轴速度指令：进给轴速度指令：无线无线反馈信号：反馈信号：无线无线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成4 针对针对PC机不同总线设计数控接口的例：机不同总线设计数控接口的例：USB 进给轴速度指令：无线进给轴速度指令：无线反馈信号：无线反馈信号：无线基于基于PC的的 数控装置的硬件构成数控装置的硬件构成开放式数控装置开放式数控装置4 目前开放式数控系统的形式目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点和所具有的特点（1）形式）形式：PC+NC,PC+I/O,PC+软件软件（2）特点）特点：软件化系统内核，柔性和开放性软件化系统内核，柔性和开放性 CNC 装置与驱动器和装置与驱
19、动器和PLC连接的发展方向连接的发展方向 是现场总线是现场总线较强的网络操作功能较强的网络操作功能发展方向：发展方向：标准的软件化开放式的控制器标准的软件化开放式的控制器开放式数控装置开放式数控装置表表7-1 各种现场总线及其应用场合和主要参数各种现场总线及其应用场合和主要参数SECOS总线：应用总线：应用 图图7-21 具有传统的具有传统的10V模拟速度接口的现代伺服系统结构模拟速度接口的现代伺服系统结构插补器插补器KpD/AA/D伺服伺服放大器放大器伺服伺服电动机电动机位置测位置测量装置量装置位置反位置反馈接口馈接口实际位置实际位置10V模拟量模拟量速度给定速度给定具有模拟量接口的数字调节
20、模块具有模拟量接口的数字调节模块(带伺服放大器带伺服放大器)数控装置数控装置伺服计算机伺服计算机速度调节速度调节定子电流定子电流调节调节开放式数控装置开放式数控装置图图7-22 具有数字式位置接口的现代伺服系统结构具有数字式位置接口的现代伺服系统结构插补器插补器SERCOS接口接口伺服伺服放大器放大器伺服伺服电动机电动机位置测位置测量装置量装置SERCOS接口接口具有具有SERCOS接口的数字调节模块接口的数字调节模块(带伺服放大器带伺服放大器)具有具有SERCOS接口的接口的数控装置数控装置32bit位置给定位置给定伺服计算机伺服计算机速度调节速度调节定子电流定子电流调节调节位置调节位置调节
21、精插补精插补开放式数控装置开放式数控装置SECOS总线：总线：图图7-23 具有数字式速度接口的现代伺服系统结构具有数字式速度接口的现代伺服系统结构SERCOS接口接口伺服伺服放大器放大器伺服伺服电动机电动机位置测位置测量装置量装置SERCOS接口接口具有具有SERCOS接口的数字调节模块接口的数字调节模块(带伺服放大器带伺服放大器)具有具有SERCOS接口的接口的数控装置数控装置实际位置实际位置速度给定速度给定伺服计算机伺服计算机速度调节速度调节定子电流定子电流调节调节插补器插补器KpSECOS总线：应用总线：应用 5p194开放式数控装置开放式数控装置开放式数控装置开放式数控装置基于基于L
22、inux的开放式结构数控系统：的开放式结构数控系统：系统的组成系统的组成图图4-32 软件化数控系统结构方案软件化数控系统结构方案应用程序接口应用程序接口操作系统操作系统Linux网络硬件层网络硬件层(高速以太网等高速以太网等)车间层网络或车间层网络或Intranet/Internet现场总线硬件层现场总线硬件层(高速高速RS422总线等总线等)计算机硬件环境计算机硬件环境实时操作系实时操作系统统RTLinux通信管通信管理系统理系统现场总线可现场总线可插拔协议层插拔协议层应用程序接口应用程序接口配置系统配置系统参数管理参数管理数据库数据库人机界面人机界面PLC编程编程环境环境NC程序程序解释
23、器解释器ORB及可插拔及可插拔协议层协议层通信管理通信管理系统系统设备层现场总线设备层现场总线连接连接电动机驱动和现场电动机驱动和现场I/O区享内存或区享内存或FIFO运动控制运动控制过程控制过程控制逻辑控制逻辑控制轴控制轴控制调度器调度器主轴控制主轴控制开放式数控装置开放式数控装置5 开放式数控系统一例开放式数控系统一例 25p159基于基于Linux的开放式结构数控系统：的开放式结构数控系统：系统的组成系统的组成设备级现场总线拓扑结构设备级现场总线拓扑结构机床操作面板机床操作面板高速串行接口板高速串行接口板可连接可连接32个接点个接点,传输速率传输速率12Mbps,传输距离传输距离100m
24、高速串行接口板高速串行接口板电动机电动机驱动器驱动器1电动机电动机驱动器驱动器n主主PLC模块模块从从PLC模块模块1 从从PLC模块模块nRS-485子网子网图图4-33 设备层现场总线网络拓扑结构图设备层现场总线网络拓扑结构图开放式数控装置开放式数控装置5 开放式数控系统一例开放式数控系统一例 25p159数控软件的数据转换流程数控软件的数据转换流程加工程序译码刀补处理速度控制插补处理位置控制伺服驱动PLC处理位置反馈开关量控制数控软件的功能数控软件的功能数控软件数控软件管管 理理控控 制制输输入入I/OI/O处处理理显显示示诊诊断断通通讯讯速速度度处处理理刀刀具具补补偿偿译译码码插插补补
25、位位置置控控制制多任务并行处理的实现多任务并行处理的实现 （1 1）资源分时共享资源分时共享 0ms 4ms 8ms 12ms 16ms位置控制 插补运算 背景程序各任务占用各任务占用CPU时间示意图时间示意图时间重叠流水处理示意图时间重叠流水处理示意图1 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 4t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 时间 t1 t2 t3 t4 t5 t6 时间 a）顺序处理 b）并行处理空 间N3 N2 N1空间N2 N1输出输出前后台程序的运行关系前后台程序的运行关系故障处理；位置控制；插补运算；译码；刀补；速度处理；输入/输出；显示。
26、循环执行后台程序前台程序中断执行 前后台式软件在运行前后台式软件在运行过程中的过程中的调度管理调度管理功能由功能由背景程序完成。背景程序完成。背景程序通过设置标背景程序通过设置标志来达到对实时中断程序志来达到对实时中断程序的管理和控制。的管理和控制。初 始 化 中 断 管 理 系 统（硬件+软件）0 级 中断服务程序1 级 中断服务程序2 级 中断服务程序N级中断服务程序例：例：FUNUC 7系统系统译码译码 传传 送送 缓冲缓冲CRT运动伺服控制运动伺服控制插补插补命令命令反馈反馈状态状态执行执行存储程序存储程序数控加工程序数控加工程序MDI程序程序操作面板操作面板动作逻辑控制动作逻辑控制机
27、床坐标轴机床坐标轴机床电气控制部分机床电气控制部分数据处理数据处理调调 度度装置内计算机装置内计算机CNC工作寄存器工作寄存器标志标志M、S、T应答应答命令命令M、S、T图图6-2 CNC装置内部信息流装置内部信息流CNC的控制流程的控制流程插补的基本概念插补的基本概念 加工加工程序段给出轮廓的起点、终点坐标和轮廓的曲线方程序段给出轮廓的起点、终点坐标和轮廓的曲线方程，数控系统实时计算，插入、补上中间坐标程，数控系统实时计算，插入、补上中间坐标,这一数据的密这一数据的密化工作称为插补化工作称为插补(Interpolation)(Interpolation)。（可看作是拟合的相反过。（可看作是拟
28、合的相反过程）程）插补的输出是轮廓的中间坐标值，运动轴伺服驱动系统插补的输出是轮廓的中间坐标值，运动轴伺服驱动系统根据这些坐标值控制坐标轴的位置形成运动轨迹。根据这些坐标值控制坐标轴的位置形成运动轨迹。插补算法的种类插补算法的种类 按插补原理按插补原理（插补算法）（插补算法）脉冲增量插补脉冲增量插补（基准脉冲插（基准脉冲插补）补）数字增量插补数字增量插补（数据采样插（数据采样插补）补）插补的实现：硬件插补（粗插补）、软件插补的实现：硬件插补（粗插补）、软件插补（精插补）。插补（精插补）。插补算法的种类插补算法的种类插补算法的种类插补算法的种类插补算法的种类插补算法的种类按曲线类型分类按曲线类型
29、分类直线插补直线插补圆弧插补圆弧插补抛物线插补抛物线插补螺旋线插补螺旋线插补样条曲线插补样条曲线插补曲面直接插补曲面直接插补脉冲增量插补算法脉冲增量插补算法 偏差判别偏差判别 坐标进给坐标进给 偏差计算偏差计算 终点判别终点判别脉冲增量插补算法脉冲增量插补算法逐点比较法逐点比较法插补流程插补流程 偏差判别：根据偏差值确定刀具相对加工曲线的位置。偏差判别：根据偏差值确定刀具相对加工曲线的位置。坐标进给：坐标进给：根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐标进给一步，以接近曲线。标进给一步，以接近曲线。偏差计算：偏差计算：计算新加工点相对曲线的偏差，作为下计算新加工点
30、相对曲线的偏差，作为下一步偏差判别的依据。一步偏差判别的依据。终点判别：终点判别：判断是否到达终点，未到达终点则返回判断是否到达终点，未到达终点则返回第一步，继续插补，到终点，则停止本程序段的插补。第一步，继续插补，到终点，则停止本程序段的插补。插补流程插补流程N偏差计算偏差计算偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给到达终点？到达终点？插补结束插补结束Y插补开始插补开始逐点比较法逐点比较法逐点比较法的特点是逐点比较法的特点是:运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，而且输出脉冲均运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，而且输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便。匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便。0e
31、eeeeexyyxFxyxyxxyyememyyxxememyyxxeexyyxF开始偏差判别坐标进给偏差计算终点判别结束YNyxL1F0L2L3F0F0F0L4F0F0F0F0(6，4)XY0E(6，0)(0，4)ennennyFFxFF121(5，9)XY0E222Ryxmm222RyxFmmm)(tfy niitttxxdtSn11010niixSxxyKxyeetKyytKxxeedtKydydtKxdxeedtKydyydtKxdxxeieininieeninieeKytKyyKxtKxx1111mieeemieeeymKyKyyxmKxKxx11nnKmK2121XY0(4，0)(
32、0，5)tRytRxsincosxdttdtRtRddyydttdtRtRddxcos)sin(sin)cos(xdtdyyydtdxxninitxxdtytyydtx11XY0(4，0)(0，4)12222byaxtbytaxsincosxdtabdyydtbadxxdtbabdyydtaabdx22xdtbyydtaxxdtbabdyydtaabdx2222xdtbyydtax2212222byax12222byaxsincoslylxLyLxeesincoslLN TFlFTLlLNeeeeyLFTyNyxLFTxNx11)2cos1(rerrFTrlrrrer8.!4)2/(!2)2/(1 1)2cos1(2422cosrFTrFTrrer8)()(88222）（m152Fl P115eexyxyeeexyltgtglxtgyltgllxtgyxxeeee2222222)(111)(1111cos11cos21i)21(itgtgsin21cos212121)21(lylxyyxxtgiiiiisin21cos21lylxtgii45sin2145cos21lylxtgii45sin2145cos21lylxtgii21costgllx2222)()(yyxxyxiiii)2()2(yyxxxyii左刀补G41右刀补G42起刀点刀补建立刀补撤销
