1、第第4章章 数控系统的硬件和软件数控系统的硬件和软件4.1 概述概述4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口 4.4 数控系统的通信数控系统的通信 4.5 数控系统的软件结构数控系统的软件结构 4.6 数控机床用可编程序控制器数控机床用可编程序控制器 4.1 概述概述4.1.1 计算机数控系统的概念计算机数控系统的概念 按照美国电子工业协会按照美国电子工业协会(Electronic Industries Association-EIA)数控标准化委员会的定义，计算机数控标准化委员会的定义，计算机数控数控(CNC)系统是用计算机通过执行其存储器内的
2、程序来完系统是用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。的一种专用计算机系统。下一页 返回4.1 概述概述 CNC系统根据输入的程序系统根据输入的程序(或指令或指令)，由计算机进行插补，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹。插补计算出的位置数据输出到运算，形成理想的运动轨迹。插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电动机带动执行机构，加工出所需要的零件。伺服单元，控制电动机带动执行机构，加工出所需要的零件。CNC系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装系统是由程序、输
3、入输出设备、计算机数字控制装置置(CNC装置装置)、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱、主轴驱动和进给驱动装置等组成。数控系统的核心是动装置等组成。数控系统的核心是CNC装置，如装置，如图图4-1所示。所示。下一页上一页返回4.1 概述概述4.1.2 计算机数控装置的组成计算机数控装置的组成 CNC装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器（CPU）、存储器、位置控制、输入）、存储器、位置控制、输入/输出（输出（I/O）接口、）接口、可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）、图形控制、电源等模块组成，硬）、图形控制、电源等模块组成，硬件组成
4、如件组成如图图4-2所示。软件则由系统软件和应用软件组成。所示。软件则由系统软件和应用软件组成。为了实现为了实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下，件。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件由管理软件和控制软件组成，如由管理软件和控制软件组成，如图图4-3所示。管理软件承担所示。管理软件承担零件加工程序的输入输出、零件加工程序的输入输出、I/O处理、系统的显示和故障诊处理、系统的显示
5、和故障诊断。控制软件则承担译码处理、刀具补偿、速度处理、插补断。控制软件则承担译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位置控制等工作。运算、位置控制等工作。下一页上一页返回4.1 概述概述1计算机数控装置中的微型计算机计算机数控装置中的微型计算机 微型计算机（以下简称微机）是计算机数控装置中的核微型计算机（以下简称微机）是计算机数控装置中的核心，与通用计算机一样，它包括中央处理器心，与通用计算机一样，它包括中央处理器(CPU)、内部存、内部存储器、储器、I/O接口以及时钟、译码等辅助电路。接口以及时钟、译码等辅助电路。下一页上一页返回4.1 概述概述 中央处理器中央处理器(CPU)由运算器和控
6、制器两部分组成。运算由运算器和控制器两部分组成。运算器是对数据进行算术和逻辑运算的部件。在运算过程中，运器是对数据进行算术和逻辑运算的部件。在运算过程中，运算器不断地得到由存储器提供的数据，并将运算的中间结果算器不断地得到由存储器提供的数据，并将运算的中间结果送回存储器暂时保存起来。控制器从存储器中依次取出组成送回存储器暂时保存起来。控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执程序的指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。行操作的控制信号，使指令得以执行。下一页上一页返回4.1 概述概述 存储器用于存储系统软件和零件加
7、工程序，并将运算的存储器用于存储系统软件和零件加工程序，并将运算的中间结果以及处理后的结果储存起来。它包括存放系统控制中间结果以及处理后的结果储存起来。它包括存放系统控制软件的存储器软件的存储器(ROM)和存放中间数据的存储器和存放中间数据的存储器(RAM)两部两部分。分。ROM中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入的，用来完成的，用来完成CNC系统的各项功能。系统的各项功能。下一页上一页返回4.1 概述概述 输入输入/输出接口是中央处理器和外界联系的通路，它提供输出接口是中央处理器和外界联系的通路，它提供物理的连接手段，完成必要的数据格式和信
8、号形式的转换。物理的连接手段，完成必要的数据格式和信号形式的转换。I/O接口按功能可分为两类：一类连接常规的输入输出设备接口按功能可分为两类：一类连接常规的输入输出设备以实现程序的输入输出及人机交互的界面，称之为通用的以实现程序的输入输出及人机交互的界面，称之为通用的I/O接口；另一类则连接专用的控制和检测装置，实现机床接口；另一类则连接专用的控制和检测装置，实现机床的位置和工作状态的控制与检测，这是的位置和工作状态的控制与检测，这是CNC系统专有的，称系统专有的，称之为机床控制之为机床控制I/O接口。接口。下一页上一页返回4.1 概述概述2输入输入/输出装置输出装置 输入输入/输出部分包括各
9、种类型的输入输出部分包括各种类型的输入/输出设备（又称外输出设备（又称外部设备）以及输入部设备）以及输入/输出接口控制部件。其外部设备主要包输出接口控制部件。其外部设备主要包括光电阅读机、括光电阅读机、CRT显示器、键盘、穿孔机以及面板等。其显示器、键盘、穿孔机以及面板等。其中光电阅读机是用来输入系统程序和零件加工程序的；中光电阅读机是用来输入系统程序和零件加工程序的；CRT作为显示器及监控之用；键盘主要用作输入操作命令及编辑作为显示器及监控之用；键盘主要用作输入操作命令及编辑修改数据，也可以用作少量零件加工程序的输入；穿孔机则修改数据，也可以用作少量零件加工程序的输入；穿孔机则作为复制零件程
10、序纸带之用，以便保存和检查零件程序；操作为复制零件程序纸带之用，以便保存和检查零件程序；操作面板可供操作员改变操作方式，输入设定数据以及启停加作面板可供操作员改变操作方式，输入设定数据以及启停加工等。典型的输入工等。典型的输入/输出接口控制部件有纸带输入机接口、输出接口控制部件有纸带输入机接口、盒式磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控盒式磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控制接口以及字符显示器（制接口以及字符显示器（CRT）接口等。）接口等。下一页上一页返回4.1 概述概述3可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）数控机床的控制在控制侧数控机床的控制在控制侧(即即NC侧
11、侧)有各坐标轴的运动有各坐标轴的运动控制，在机床侧控制，在机床侧(即即MT侧侧)有各种执行机构的逻辑顺序控制。有各种执行机构的逻辑顺序控制。可编程序控制器处于可编程序控制器处于NC和和MT之间，对之间，对NC和和MT的输入、输的输入、输出信息进行处理，用软件实现机床侧的控制逻辑，亦即用出信息进行处理，用软件实现机床侧的控制逻辑，亦即用PLC提高提高 CNC系统的灵活性、可靠性和利用率，并使结构系统的灵活性、可靠性和利用率，并使结构更紧凑。更紧凑。下一页上一页返回4.1 概述概述 数控机床用可编程序控制器有内装型数控机床用可编程序控制器有内装型(Built in Type)和独立型和独立型(St
12、and-alone Type)两种。两种。PLC的应用程序的应用程序(Application Program)，即，即PLC程程序，通常用梯形图表示。编制序，通常用梯形图表示。编制PLC程序的设备有程序的设备有PLC专用编专用编程机、编程器、有程机、编程器、有PLC编程功能的编程功能的CNC系统或配有系统或配有PLC编程编程系统软件的个人计算机系统软件的个人计算机(或工作站或工作站)。下一页上一页返回4.1 概述概述4位置控制装置位置控制装置 位置控制装置由伺服机构和执行元件组成。伺服机构包位置控制装置由伺服机构和执行元件组成。伺服机构包括速度控制单元和位置控制单元两部分。经插补运算得到的括速
13、度控制单元和位置控制单元两部分。经插补运算得到的每个坐标轴在单位时间间隔内的位移量送往位置控制单元，每个坐标轴在单位时间间隔内的位移量送往位置控制单元，由它生成伺服电动机速度指令发往速度控制单元。速度控制由它生成伺服电动机速度指令发往速度控制单元。速度控制单元接收速度反馈信号，对伺服电动机进行速度闭环控制；单元接收速度反馈信号，对伺服电动机进行速度闭环控制；同时位置控制单元接收实际位置反馈，并修正速度指令，实同时位置控制单元接收实际位置反馈，并修正速度指令，实现机床运动的准确控制。执行元件可以是交流或直流伺服电现机床运动的准确控制。执行元件可以是交流或直流伺服电动机。动机。下一页上一页返回4.
14、1 概述概述4.1.3 计算机数控装置的工作原理计算机数控装置的工作原理 CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码处理、数据处理、刀具补偿、速度控制逻辑，对输入、译码处理、数据处理、刀具补偿、速度控制、插补运算与位置控制、制、插补运算与位置控制、I/O处理、显示和诊断等方面进处理、显示和诊断等方面进行控制。行控制。下一页上一页返回4.1 概述概述1输人输人 输入到输入到CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。常用的输入方式有键盘手动输入、光电阅读机纸带输入、据。常用的输入方式
15、有键盘手动输入、光电阅读机纸带输入、磁盘输入、磁带输入、通信接口磁盘输入、磁带输入、通信接口RS-232输入、连接上一级输入、连接上一级计算机的计算机的 DNC接口输入以及通过网络通信方式输入。接口输入以及通过网络通信方式输入。CNC装置在输入过程中还需完成程序检验和代码转换等工作。输装置在输入过程中还需完成程序检验和代码转换等工作。输入的全部信息存放在入的全部信息存放在CNC装置的内部存储器中。装置的内部存储器中。下一页上一页返回4.1 概述概述2译码处理译码处理 译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理，每译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理，每个程序段中含有零件的轮廓信息、要
16、求的加工速度以及其他个程序段中含有零件的轮廓信息、要求的加工速度以及其他的辅助信息的辅助信息(换刀、切削液开停等换刀、切削液开停等)，这些信息在计算机作插，这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前必须翻译成计算机内部能识别的语言，补运算与控制操作之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。在译码过程中，还要完成对程译码程序就承担着此项任务。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。下一页上一页返回4.1 概述概述3数据处理数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅数据处理程序一般包括刀具半径
17、补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。一般来说，对输入数据处理的程序的实时助功能的处理等。一般来说，对输入数据处理的程序的实时性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。下一页上一页返回4.1 概述概述4插补运算及位置控制插补运算及位置控制 插补运算程序完成插补运算程序完成CNC系统中插补器的功能，即实现坐系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配的功能。脉冲分配包括点位、直线以及曲线三标轴脉冲分配的功能。脉冲分配包括点位、直线以及曲线三个方面，由
18、于现代微机具有完善的指令系统和相应的算术子个方面，由于现代微机具有完善的指令系统和相应的算术子程序，给插补计算提供了许多方便。可以采用一些更方便的程序，给插补计算提供了许多方便。可以采用一些更方便的数学方法提高轮廓控制的精度，而不必顾忌会增加硬件线路。数学方法提高轮廓控制的精度，而不必顾忌会增加硬件线路。下一页上一页返回4.1 概述概述 插补运算的结果输出，经过位置控制部分插补运算的结果输出，经过位置控制部分(这部分工作既可这部分工作既可由软件完成，也可由硬件完成由软件完成，也可由硬件完成)控制伺服系统运动，控制刀具控制伺服系统运动，控制刀具按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期
19、按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务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电动机。在位置控制中，通常还要完成位置差值去控制进给电动机。在位置控制中，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，以提高机床的定位精度。偿，以提高机床的定位精度。下一页上一页返回4.1 概述概述 水平较高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插补运水平较高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插补运算与速度控制的空闲时刻进行数据的输入处理，即调用各
20、功算与速度控制的空闲时刻进行数据的输入处理，即调用各功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，且保证在本数据段加工过程中将下一数据段准备完毕，一旦且保证在本数据段加工过程中将下一数据段准备完毕，一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。有的本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。有的管理程序还安排进行自动编程工作，或对系统进行必要的预管理程序还安排进行自动编程工作，或对系统进行必要的预防性诊断。防性诊断。下一页上一页返回4.1 概述概述5输入输入/输出处理输出处理 输入输入/输出处理主要是处理输出处理主要是处理C
21、NC装置和机床之间来往信装置和机床之间来往信号输入、输出和控制。号输入、输出和控制。CNC装置和机床之间必须通过光电隔装置和机床之间必须通过光电隔离电路进行隔离，确保离电路进行隔离，确保CNC装置稳定运行。装置稳定运行。下一页上一页返回4.1 概述概述6显示显示 CNC装置显示主要是为操作者提供方便，通常应具有：装置显示主要是为操作者提供方便，通常应具有：零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图形显示、报警显示等功能。态模拟图形显示、报警显示等功能。下一页上一页返回4.1 概述概述7诊断程序诊断程序 CNC装置利用内部自诊
22、断程序可以进行故障诊断，主要装置利用内部自诊断程序可以进行故障诊断，主要有启动诊断和在线诊断两种。启动诊断是指有启动诊断和在线诊断两种。启动诊断是指CNC装置每次从装置每次从通电开始至进入正常的运行准备状态中，系统相应的自诊断通电开始至进入正常的运行准备状态中，系统相应的自诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设等是否正程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设等是否正常。只有当检查到的各个项目都确认正确无误后，整个系统常。只有当检查到的各个项目都确认正确无误后，整个系统才能进入正常运行的准备状态。否则，才能进入正常运行的准备状态。否则，CNC装置将通过网络、装置将通过网络、TFT、
23、CRT或用硬件（如发光二极管）报警方式显示故障的或用硬件（如发光二极管）报警方式显示故障的信息。此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。信息。此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。只有排除故障之后只有排除故障之后CNC装置才能正常运行。装置才能正常运行。下一页上一页返回4.1 概述概述 在线诊断是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的在线诊断是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的内装诊断程序，通过定时中断扫描检查内装诊断程序，通过定时中断扫描检查CNC装置本身及外设。装置本身及外设。只要系统不停电，在线诊断就持续进行。只要系统不停电，在线诊断就持续进行。上一页返回4.2 数
24、控系统的硬件结构数控系统的硬件结构4.2.1 按硬件制造方式分类按硬件制造方式分类 CNC系统硬件结构根据其硬件制造方式的不同可分为两系统硬件结构根据其硬件制造方式的不同可分为两类：专用型类：专用型CNC系统和个人计算机式系统和个人计算机式CNC系统。系统。下一页 返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构1专用型专用型CNC系统系统 这类这类CNC系统的硬件由各制造厂专门设计和制造的，没系统的硬件由各制造厂专门设计和制造的，没有通用性。其中，又有大板式结构和模块化结构之分。有通用性。其中，又有大板式结构和模块化结构之分。大板式结构的大板式结构的CNC装置一般由主电路板、装置一般由主电路
25、板、PLC板、附加板、附加I/O板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印制板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印制板，其他电路板为小板并插在大电路板上的插槽内，大板结板，其他电路板为小板并插在大电路板上的插槽内，大板结构示意图如构示意图如图图4-4所示。大板式结构紧凑，体积小，可靠性所示。大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，有很高的性价比，也便于机床的一体化设计。但它的硬高，有很高的性价比，也便于机床的一体化设计。但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。件功能不易变动，不利于组织生产。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 模块化结构的模块化结构的CNC装置，
26、是将整个装置，是将整个CNC装置按功能划分装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块的硬件按模块化方法设计为若干个功能模块，每个功能模块的硬件按模块化方法设计成尺寸相同的印刷电路板（称为功能模板），各板均可插到成尺寸相同的印刷电路板（称为功能模板），各板均可插到符合相应工业标准总线的母板的插槽内。功能模块的控制软符合相应工业标准总线的母板的插槽内。功能模块的控制软件也是模块化的。于是可按积木形式构成件也是模块化的。于是可按积木形式构成CNC装置，使设计装置，使设计简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。下一页上一页返回4.2 数控系统的
27、硬件结构数控系统的硬件结构2个人计算机式个人计算机式CNC系统系统 以往以往CNC系统硬件由不同系统硬件由不同NC制造厂设计和制造，硬件彼制造厂设计和制造，硬件彼此间不能交换及替代。近几年采用工业标准计算机亦即工业此间不能交换及替代。近几年采用工业标准计算机亦即工业PC机作为机作为CNC系统的支撑平台，不同数控制造厂仅需插入系统的支撑平台，不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和自己的控制卡和CNC软件即可构成软件即可构成CNC系统，不设计专门的系统，不设计专门的硬件。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本硬件。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很低，继而也就降低了很低，继而也
28、就降低了CNC系统的成本。若工业系统的成本。若工业PC机出现机出现故障，修理及更换均很容易。美国故障，修理及更换均很容易。美国ANILAM公司和公司和AI公司公司生产的生产的CNC系统均属这种类型。系统均属这种类型。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构4.2.2 按所用的按所用的CPU分类分类 CNC系统硬件结构一般分为单微处理器和多微处理器两系统硬件结构一般分为单微处理器和多微处理器两大类。初期的大类。初期的CNC和现有一些经济型和现有一些经济型CNC采用单微处理器结采用单微处理器结构。随着机械制造技术的发展，对数控机床提出复杂功能、构。随着机械制造技术的发展，对数控
29、机床提出复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求，以及适应更高层次的自动高进给速度和高加工精度的要求，以及适应更高层次的自动化化FMS和和CIMS的要求，因此多微处理器结构得到迅速发展，的要求，因此多微处理器结构得到迅速发展，它反映了当今数控系统的新水平。它反映了当今数控系统的新水平。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构1单微处理器结构的数控系统单微处理器结构的数控系统 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制，在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制，分时处理数控的各个任务。而有的分时处理数控的各个任务。而有的CNC系统虽然有两个以上系统虽然有两个以上的
30、微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源；而其他微处理器成为专用的智能部件，不能占有总线资源；而其他微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成主从结构，故控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成主从结构，故被归类于单微处理器结构中。单微处理器结构框图如被归类于单微处理器结构中。单微处理器结构框图如图图4-5所示。所示。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 单微处理器结构的基本组成如下：单微处理器结构的基本组成如下：微处理器和总线；微处理器和总线；存储器；存储器；纸带阅
31、读机接口；纸带阅读机接口；纸带穿孔机和电传机接口；纸带穿孔机和电传机接口；I/O接口；接口；MDI/CRT接口，接口，位置控制器；位置控制器；PLC。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构单微处理器结构的单微处理器结构的CNC系统具有如下一些特点：系统具有如下一些特点：(1)CNC系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制分时处理。显示等功能都由它集中控制分时处理。(2)微处理器通过总线与存储器、输入微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等各种接口相输出控制等各种接口相
32、连，构成连，构成CNC系统。系统。(3)结构简单，制造容易。结构简单，制造容易。(4)单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能将受微单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 由于插补等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处由于插补等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处理速度成为一对突出的矛盾。为解决这个矛盾，可以增加浮理速度成为一对突出的矛盾。为解决这个矛盾，可以增加浮点协处理器，由硬件分担精插补，采用有微处
33、理器的点协处理器，由硬件分担精插补，采用有微处理器的PLC和和CRT等智能部件，或者采用多微处理器的结构。等智能部件，或者采用多微处理器的结构。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构2多微处理器结构的数控系统多微处理器结构的数控系统（1）多微处理器的特点）多微处理器的特点性价比高性价比高 采用多微处理器完成各自特定的功能，适应多轴控采用多微处理器完成各自特定的功能，适应多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的控制要求，同时，因单制、高精度、高进给速度、高效率的控制要求，同时，因单个低规格个低规格CPU的价格较为便宜，因此其性能价格比较高。的价格较为便宜，因此其性能价格比较高
34、。模块化结构模块化结构 采用模块化结构具有良好的适应性与扩展性，结采用模块化结构具有良好的适应性与扩展性，结构紧凑，调试、维修方便。构紧凑，调试、维修方便。通信功能强大通信功能强大 具有很强的通信功能，便于实现具有很强的通信功能，便于实现FMS、FA、CIMS。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构（2）多微处理器结构的组成）多微处理器结构的组成 多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置，一般由六种功能模块组成，装置，一般由六种功能模块组成，通过增加相应的功能模块，可实现一些特殊功能。通过增加相应的功能模块，可实现一些特殊功能。CNC管理模块管理模块 该模块管理和组织整
35、个该模块管理和组织整个CNC系统各功能协系统各功能协调工作，如系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误调工作，如系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。该模块还完成数控代码编识别和处理、系统软硬件诊断等。该模块还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插补前的预处理。补前的预处理。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构CNC插补模块插补模块 该模块根据前面的编译指令和数据进行插补该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供
36、位置计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值。给定值。位置控制模块位置控制模块 插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构PLC模块模块 零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床块中作逻辑处理
37、，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时电气设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。间的计数等。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构操作面板监控和显示模块操作面板监控和显示模块 零件程序、参数、各种操作命令和零件程序、参数、各种操作命令和数据的输入数据的输入(如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等入、上级计算机输入等)、输出、输出(如通过软盘、硬盘、各种开如通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机关量和模拟量的输出、打印机)、显
38、示、显示(如通过如通过LED、CRT、LCD等等)所需要的各种接口电路。所需要的各种接口电路。存储器模块存储器模块 该模块指程序和数据的主存储器，或功能模块间该模块指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。数据传送用的共享存储器。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构（3）多微处理器系统的典型结构）多微处理器系统的典型结构 在处理器中有一个作为主处理器负责管理和协调系统中在处理器中有一个作为主处理器负责管理和协调系统中所有处理器的工作。每个处理器有各自的存储器及控制程序，所有处理器的工作。每个处理器有各自的存储器及控制程序，当需要占用系统总线及其他公用资
39、源当需要占用系统总线及其他公用资源(如存储器、如存储器、I/O设备设备)时，需申请占用总线，由主处理器按各个处理器优先级决定时，需申请占用总线，由主处理器按各个处理器优先级决定由谁来使用总线。如由谁来使用总线。如图图4-6所示为一典型的多处理器所示为一典型的多处理器CNC系系统，这个系统中共有四个微处理器模块板，在主处理器的统统，这个系统中共有四个微处理器模块板，在主处理器的统一管理下分担不同的控制任务。一管理下分担不同的控制任务。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构微处理器微处理器1 主处理器，主要处理与外部设备之间的输入与输主处理器，主要处理与外部设备之间的输入与输
40、出，同时负责系统总线的管理和任务调配。出，同时负责系统总线的管理和任务调配。微处理器微处理器2 完成零件加工程序的译码、预处理计算，负责刀完成零件加工程序的译码、预处理计算，负责刀具长度与半径补偿，实现刀具轨迹计算、工作循环和子程序具长度与半径补偿，实现刀具轨迹计算、工作循环和子程序的管理等功能。的管理等功能。微处理器微处理器3 完成直线和圆弧插补与位置控制工作。完成直线和圆弧插补与位置控制工作。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构微处理器微处理器4 实现可编程序控制器功能，通过输入、输出模块实现可编程序控制器功能，通过输入、输出模块与机床相连，它把加工程序指令的辅助动
41、作发往机床，控制与机床相连，它把加工程序指令的辅助动作发往机床，控制如主轴起停、换刀等动作，同时也从机床各部件接收反馈信如主轴起停、换刀等动作，同时也从机床各部件接收反馈信号加以处理。号加以处理。此外，还有主存储器模块、主轴控制模块等。此外，还有主存储器模块、主轴控制模块等。上述系统中各微型计算机模块均采用上述系统中各微型计算机模块均采用16位位8086CPU，并在有关模块上配置并在有关模块上配置8087浮点运算协处理器，它是一种功浮点运算协处理器，它是一种功能强、灵活性大的能强、灵活性大的CNC系统。系统。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构4.2.3 32位微处理器
42、位微处理器CNC系统系统 如如图图4-7所示为所示为FANUC FSl5系列系列CNC系统组成情况。系统组成情况。这个系统采用了这个系统采用了32位位CPU，这样使得从输入，这样使得从输入NC数据到计算数据到计算出伺服电动机位移量的出伺服电动机位移量的CNC功能处理速度大大提高。此外，功能处理速度大大提高。此外，采用伺服电动机内装高速响应和高分辨率的脉冲编码器，使采用伺服电动机内装高速响应和高分辨率的脉冲编码器，使系统的快速进给速度和切削速度在分辨率为系统的快速进给速度和切削速度在分辨率为1m时达到了时达到了100m/min，从而实现了位置控制的高速、高精度性能。，从而实现了位置控制的高速、高
43、精度性能。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 为了实现机床逻辑动作的高速处理，为了实现机床逻辑动作的高速处理，FANUC FSl5系列系列CNC系统采用了高速可编程序机床控制器系统采用了高速可编程序机床控制器(PLC)，实现对阶，实现对阶梯图语言的高速处理。梯图语言的高速处理。FANUC公司开发了公司开发了PLC专用的处理专用的处理器，使得器，使得PLC的基本指令为的基本指令为0.25s/步，这样步，这样FANUC FSl5系列系列CNC系统就具备了系统就具备了M、S、T的高速处理功能，因的高速处理功能，因此允许在一个加工程序段内多次指令此允许在一个加工程序段内多次指
44、令M、S、T功能，大大缩功能，大大缩短了加工循环时间。短了加工循环时间。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 在在FANUC FSl5系列系列CNC系统以后开发的系统以后开发的FANUC FSl6和和FSl8系列系列CNC系统中，集中了更多的新技术，不但系统中，集中了更多的新技术，不但使数控系统适用于单机数控机床，而且还适用于使数控系统适用于单机数控机床，而且还适用于CIMS系统。系统。在在FANUC FSl6和和FSl8系列系列CNC系统中采用了系统中采用了32位位精简指令集精简指令集(RISC)和复杂指令集和复杂指令集(CISC)的多的多CPU及及32位位多总线，大
45、大提高了数据处理和数据传送速度，实现了最小多总线，大大提高了数据处理和数据传送速度，实现了最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小程序段，以高速的移动单位和最大的进给速度，便于用微小程序段，以高速度、高精度加工形状复杂的模具或其他复杂零件。度、高精度加工形状复杂的模具或其他复杂零件。下一页上一页返回4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 通过连接单元可将通过连接单元可将CNC系统并入网络构成系统并入网络构成FMS与与CIMS。此外，此外，CNC系统具有机器人控制功能，机器人直接可安装在系统具有机器人控制功能，机器人直接可安装在机床上，构成一体化加工单元。总之，现代机床上，构成一体化加工
46、单元。总之，现代CNC系统正朝着系统正朝着高速、高精度、智能化与系统化方向飞速发展。高速、高精度、智能化与系统化方向飞速发展。上一页返回4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口4.3.1 CNC装置的输入装置的输入/输出和通信要输出和通信要求求 一般对一般对CNC装置输入、输出和通信有四方面的要求：装置输入、输出和通信有四方面的要求：其一，用户要能将数控命令、代码输入系统，系统要具其一，用户要能将数控命令、代码输入系统，系统要具备拨盘、纸带、键盘、软驱、串口、网络之类的设备。其二，备拨盘、纸带、键盘、软驱、串口、网络之类的设备。其二，需具备按程序对继电器、电机等进行控制的能力和对相关开需具备
47、按程序对继电器、电机等进行控制的能力和对相关开关量关量(如超程、机械原点等如超程、机械原点等)进行检测的能力。进行检测的能力。下一页 返回4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口 其三，系统有操作信息提示，用户能对系统执行情况、电其三，系统有操作信息提示，用户能对系统执行情况、电机运动状态等进行监视，系统需配备有机运动状态等进行监视，系统需配备有LED(Light Emitting Diode，数码管，数码管)，CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管，阴极射线管)，LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器液晶显示器)，TFT(Thin Film Tran
48、sistor，薄膜晶体管，薄膜晶体管)等显示接口电路。其四，随着工厂自动化等显示接口电路。其四，随着工厂自动化(Factory Automation，FA)及计算机集成制造系统及计算机集成制造系统(CIMS)的发展，的发展，CNC装置作为分布式数控系统装置作为分布式数控系统(DNC)及柔性制造系统及柔性制造系统FMS的重要基础部件，应具有与的重要基础部件，应具有与DNC计算机或上级主计算机直接计算机或上级主计算机直接通信的功能或网络通信功能，以便于系统管理和集成。通信的功能或网络通信功能，以便于系统管理和集成。下一页上一页返回4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口4.3.2 数控系统的数控
49、系统的IO接口电路的作用接口电路的作用和要求和要求 一般接收机床操作面板上的开关、按钮信号、机床的各一般接收机床操作面板上的开关、按钮信号、机床的各种开关信号，把某些工作状态显示在操作面板的指示灯上，种开关信号，把某些工作状态显示在操作面板的指示灯上，把控制机床的各种信号送到强电柜等工作都要经过把控制机床的各种信号送到强电柜等工作都要经过I/O接口接口来完成。因此，来完成。因此，I/O接口是接口是CNC装置和机床、操作面板之间装置和机床、操作面板之间信号交换的转换接口。信号交换的转换接口。下一页上一页返回4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口I/O接口电路的作用和要求是：接口电路的作用和要
50、求是：（1）进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的）进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的破坏。破坏。（2）进行电平转换和功率放大，）进行电平转换和功率放大，CNC系统的信号往往是系统的信号往往是TTL脉冲或电平信号，而机床提供和需要的信号却不一定是脉冲或电平信号，而机床提供和需要的信号却不一定是TTL信号，而且有的负载比较大，因此需要进行信号的电平转换信号，而且有的负载比较大，因此需要进行信号的电平转换和功率放大。和功率放大。下一页上一页返回4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口 如如图图4-8所示为开关量信号输入接口电路，常用于限位开所示为开关量信号输入接口电路
