機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用3-1和數(shù)控機(jī)床編程及加工

3.1計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的基本概念計算機(jī)數(shù)控(computerizednumericalcontrol,簡稱CNC)系統(tǒng)是用計算機(jī)控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，由一臺計算機(jī)完成以前機(jī)床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對機(jī)床運動進(jìn)行實時控制。CNC系統(tǒng)：由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC裝置、PLC、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給(伺服)驅(qū)動裝置組成。數(shù)控系統(tǒng)（書P2）：是指計算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程序控制器、進(jìn)給驅(qū)動與主軸驅(qū)動裝置等相關(guān)設(shè)備的總稱。有時則僅指其中的計算機(jī)數(shù)字控制裝置。為區(qū)別起見將其中的計算機(jī)數(shù)字控制裝置稱為數(shù)控裝置。?3.1計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的基本概念由于使用了CNC裝置，使系統(tǒng)具有軟件功能，又用PLC取代了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維修也方便，并且具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。

?3.2微處理器數(shù)控[MNC]系統(tǒng)的組成微處理器數(shù)控系統(tǒng)(MNC)：大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構(gòu)成的計算機(jī)裝置，故也可稱微處理器數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。MNC一般由中央處理單元(CPU)和總線、存儲器(ROM，RAM)、輸入/輸出(I/O)接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備、PLC、主軸控制單元、速度進(jìn)給控制單元等組成。為MNC的組成原理圖。?3.2微處理器數(shù)控[MNC]系統(tǒng)的組成?3.2微處理器數(shù)控[MNC]系統(tǒng)的組成?3.2微處理器數(shù)控[MNC]系統(tǒng)的組成?3.2.1中央處理單元（CPU）和總線（BUS）CPU是微型計算機(jī)的核心，由運算器、控制器和內(nèi)寄存器組成。它對系統(tǒng)內(nèi)的部件及操作進(jìn)行統(tǒng)一的控制，運算器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)運算；控制器則是將存儲器中的程序指令進(jìn)行譯碼并向CNC裝置的各部分發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，且根據(jù)所接收的反饋信息決定下一步的命令操作。

總線（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導(dǎo)線構(gòu)成。CPU與存儲器、I/O接口及外設(shè)間通過總線聯(lián)系?？偩€按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）地址總線（AB）和控制總線（CB）.數(shù)控系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn)總線有S—100，MULTIBUS，STD及VWE總線等。?3.2.1中央處理單元（CPU）和總線（BUS）1CPU;BUSCPU:

由運算器、控制器、內(nèi)部寄存器構(gòu)成衡量CPU的兩個因素:1）位數(shù)2）速度

作用:對系統(tǒng)內(nèi)部工件及操作進(jìn)行統(tǒng)一控制,按照程序中指令的要求進(jìn)行各種運算,使系統(tǒng)成為一個有機(jī)整體.BUS:

總線,信息公共通路的總稱物理導(dǎo)線分為:地址總線(DB)數(shù)據(jù)總線(AB)控制總線(CB)?3.2.2存儲器[memory]

（1）概述存儲器作用用于存儲系統(tǒng)軟件(管理軟件和控制軟件)和零件加工程序等;井將運算的中間結(jié)果和處理后的結(jié)果(數(shù)據(jù))存儲起來。?3.2.2存儲器[memory]①隨機(jī)存取存儲器(讀寫存儲器)RAM(randomaccessmemory)用來存儲零件加工程序或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，與外存交換信息以及作推棧用等。其存儲單元的內(nèi)容既可讀出又可寫入或改寫。②只讀存儲器器(read-onlymemory)專門存放系統(tǒng)軟件(控制程序、管理程序、表格和常數(shù))的存儲駱，使用時其存儲單元的內(nèi)容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會因斷電而丟失內(nèi)容。。?3.2.2存儲器[memory]RAM(隨機(jī)存儲器)既可讀入也可寫出,用來存放①程序②參數(shù)③中間結(jié)果①②均應(yīng)保持。ROM:只讀存儲器，存放系統(tǒng)軟件又分為:EPROM、E2ROM、閃存。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備

(1)I/O接口指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機(jī)與外設(shè)要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設(shè)與存儲器間不能直接通信，需靠CPU傳遞信息，通過CPU對I/O接口的讀或?qū)懖僮?，完成外設(shè)與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設(shè)送出信息的接口稱為輸出接口，外設(shè)向CPU傳遞信息的接口稱輸入接口，此外還有雙向接口。功能:

外設(shè)不能直接與存儲器進(jìn)行通訊,需要通過CPU對I/O接口的讀寫操作來完成外設(shè)與存儲器之間的信息交換。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備(1)I/O接口微機(jī)中I/O接口包括硬件電路和軟件兩部分。由于選用的I/O設(shè)備或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而應(yīng)用程序也不同。I/O接口硬件電路主要由地址譯碼、I/O讀寫譯碼和I/O接口芯片(如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器等)組成。在CNC系統(tǒng)中I/O的擴(kuò)展為控制對象或外部設(shè)備提供輸入/輸出通道，實現(xiàn)機(jī)床的控制和管理功能，如開關(guān)量控制、邏輯狀態(tài)監(jiān)測、鍵盤、顯示器接口等。I/O接口電路同與其相連的外設(shè)硬件電路特性密切相關(guān)，如驅(qū)動功率、電平匹配、干擾抑制等。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備輸入/輸出部分包括各種類型的輸入/輸出設(shè)備（又稱外部設(shè)備）以及輸入/輸出接口控制部件。其外部設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)（紙帶輸入機(jī)）、CRT顯示器、鍵盤、穿孔機(jī)以及面板等。光電閱讀機(jī)是用來輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序的；穿孔機(jī)則作為復(fù)制零件程序紙帶之用，以便保存檢查零件程序；鍵盤主要用作輸入操作命令及編輯修改數(shù)據(jù)段，也可以用作少量零件加工程序的輸入；CRT作為顯示器及監(jiān)控之用；操作面板可供操作員改變操作方式，輸入整定數(shù)據(jù)以及啟停加工等。除此之外，外部輸入設(shè)備還包括磁盤、磁帶、通迅輸入、網(wǎng)絡(luò)等輸出設(shè)備還包括打印機(jī)。輸入/輸出接口是計算機(jī)和機(jī)床之間聯(lián)系的橋梁和通道。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備(2)外部I/O設(shè)備及I/O接口典型的輸入/輸出接口控制部件有紙帶輸入機(jī)接口、盒式磁帶輸入機(jī)接口、數(shù)控系統(tǒng)操作面板接口、進(jìn)給伺服控制接口以及字符顯示器（CRT）接口等。①紙帶閱讀機(jī)接口②穿孔機(jī)和電傳機(jī)接口③MDI/CRT接口?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備①紙帶閱讀機(jī)接口CNC裝置采用8單位紙帶閱讀機(jī)。它以發(fā)光二極管作為發(fā)光體，光敏三極管為光信號接收器，把紙帶的8孔信號變換為電信號。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備①紙帶閱讀機(jī)接口由CPU的數(shù)據(jù)總線將閱讀機(jī)的操作控制信號送到輸入控制寄存器、控制相應(yīng)的電磁鐵正向走紙帶、反向走紙帶或停止走紙帶，并控制相應(yīng)的走帶電動機(jī)和紙帶盤電動機(jī)工作。紙帶盤由卷盤控制開關(guān)控制，可接通紙帶盤電動機(jī)和釋放紙帶盤。

?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備②穿孔機(jī)和電傳機(jī)接口由CPU將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)寄存器，再經(jīng)驅(qū)動門送到穿孔機(jī)進(jìn)行紙帶穿孔。同時經(jīng)過并行→串行轉(zhuǎn)換器將并行數(shù)據(jù)變換成串行數(shù)據(jù)送到電傳機(jī)。當(dāng)接口作為輸入口時，電傳機(jī)的串行數(shù)據(jù)送到移位寄存器，當(dāng)一組數(shù)據(jù)傳送完畢后發(fā)出中斷請求時，如果CPU響應(yīng)此中斷，則接收移位寄存器的數(shù)據(jù)。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備③MDI/CRT接口

手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)是通過數(shù)控面板上的鍵盤(常為軟觸鍵)進(jìn)行操作的。當(dāng)CPU掃描到按下鍵的信號時，就將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，其輸出經(jīng)過報警檢查。若不報警，數(shù)據(jù)經(jīng)選擇門、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送入RAM中：若報警則數(shù)據(jù)不送入RAM。?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備③MDI/CRT接口CRT接口在CNC軟件的配合下，在9in單色或14in彩色CRT上實現(xiàn)字符和圖形顯示，可以顯示程序、參數(shù)、各種補償數(shù)據(jù)、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對話編程菜單、零件圖形(平面或立體)及刀具動態(tài)軌跡等。

?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備(3)機(jī)床的I/O控制通道機(jī)床的I/O控制通道是指微機(jī)與機(jī)床之間的聯(lián)接電路。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床的控制，通常由數(shù)控系統(tǒng)中的I/O控制器和I/O控制軟件共同完成。機(jī)床的I/O通道：微機(jī)與機(jī)床的連接電路：aI/O電路的功能特點：①傳送信息可靠。②進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換、D/A—A/D。③抗干擾性。bI/O控制器構(gòu)成：I/O接口、光電隔離、信息轉(zhuǎn)換等組成、?3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備I/O控制器常由I/O接口、光電隔離和信息轉(zhuǎn)換幾部分組成，如圖3．2．7所示。微機(jī)通過I/O接口輸出數(shù)字量或開關(guān)量控制信息，經(jīng)過光電隔離電路，再經(jīng)功率放大，驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件。?②典型開關(guān)型I／O接口(a)輸入接口接收機(jī)床操作面板各開關(guān)、按鈕的信號及機(jī)床各種限位開關(guān)的信號．3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備?②典型開關(guān)型I／O接口(b)輸出接口將機(jī)床各種工作狀態(tài)燈的信息送到機(jī)床操作面板，把控制機(jī)床動作的信號送到強(qiáng)電柜。它有繼電器輸出電路和無觸點輸出電路之分，3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備?②典型開關(guān)型I／O接口(b)輸出接口將機(jī)床各種工作狀態(tài)燈的信息送到機(jī)床操作面板，把控制機(jī)床動作的信號送到強(qiáng)電柜。它有繼電器輸出電路和無觸點輸出電路之分，3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備?(c)光電隔離電路

3.2.3輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備濾波吸收來抑制干擾信號的產(chǎn)生，然后采用光電隔離的辦法使微機(jī)與強(qiáng)電部件不共地，阻斷干擾信號的傳導(dǎo)，同時實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

?3.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按微處理器分類：單微處理機(jī)與多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)1．單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)只有1個微處理機(jī)，采用集中控制、分時方法處理數(shù)控的各個任務(wù)。在這種單微機(jī)結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由1個微機(jī)來完成,因此CNC裝置的功能將受到微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因案的影響和限制。單微處理器：只有一個CPU、采用集中控制分時方法處理數(shù)控的各個任務(wù)。缺點：①不易進(jìn)行功能的擴(kuò)展和提高。②處理速度低、數(shù)控功能差。：單CPU的彌補：增加浮點協(xié)處理器、8086+8087硬件分擔(dān)插補采用全智能化的CRT、PLC部件。?多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC是把機(jī)床數(shù)字控制這個總?cè)蝿?wù)劃分為子任務(wù)（也稱為子功能模塊）。在硬件方面，以多個微處理機(jī)配以相應(yīng)的接口形成多個子系統(tǒng)，把劃分的子任務(wù)分配給不同的子系統(tǒng)承擔(dān)，由各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)動作完成數(shù)控。?在多微處理機(jī)的結(jié)構(gòu)中，有由兩個或兩個以上的微處理機(jī)構(gòu)成的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，共享資源；或者由兩個或兩個以上的微處理機(jī)構(gòu)成的功能模塊，功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)有效地實現(xiàn)并行處理。應(yīng)注意的是，有的CNC裝置雖然有兩個以上的微處理機(jī)，但其中只有一個微處理機(jī)能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機(jī)成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問存儲器。它們組成主從結(jié)構(gòu)，故應(yīng)歸于單微處理機(jī)的結(jié)構(gòu)中。?多CPU結(jié)構(gòu)分類：共存儲器

以存儲器為中心，各模塊工作時，通過優(yōu)先接受使用請求，使用完成要撤消，釋放存儲器。

共總線

以總線為中心，各模塊工作時，僅有一個模塊可占用總線，多個請求時由總線仲裁器來裁決。?3.3.2大板結(jié)構(gòu)和與功能模塊式結(jié)構(gòu)按照電路板結(jié)構(gòu)分：

1）大板結(jié)構(gòu)：主電路板是大板，其他電路板是小印刷電路板，它們插在電路板的插槽內(nèi)一塊構(gòu)成CNC裝置，F(xiàn)ANUC-C,0等

2）模塊化結(jié)構(gòu)：控制單元母版框架，各功能模塊，軟件硬件的設(shè)計成模塊化

特點：各功能塊功能獨立，便于開發(fā)同一功能的系列產(chǎn)品，維修維護(hù)方便?3.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)的特點一個系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。其他相關(guān)的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統(tǒng)的核心部分。由此可見，大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能/價格比，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計。大板結(jié)構(gòu)雖有上述優(yōu)點，但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產(chǎn)。?3.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)的特點FANUCCNC6MB就采用了這種大板式結(jié)構(gòu)，其框圖如圖3．3．5所示。圖中主電路板(大印刷電路板)上有控制核心電路、位置控制電路、紙帶閱讀機(jī)接口、3個軸的位置反饋量輸入接口和速度控制且輸出接口、手搖脈沖發(fā)生器接口、I／O擴(kuò)展板接口和6個小印刷電路板的插槽。?3.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)功能模塊式結(jié)構(gòu)在采用功能模塊式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，整個CNC裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計都采用模塊化設(shè)計方法，即每個功能模塊被做成尺寸相同的印刷電路扳(稱功能模塊)，而相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。這樣形成一個“交鑰匙”CNC系統(tǒng)產(chǎn)品系列。用戶只要按需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，再將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就搭成了自己需要的CNC系統(tǒng)控制裝置。常見的功能模塊有CNC控制板、位置控制板、PLC板、圖形板、通信板及主存儲器模板等6種。具體見P71?3.4CNC系統(tǒng)軟件CNC系統(tǒng)是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運行提供了支持環(huán)境。同一般計算機(jī)系統(tǒng)一樣，由于軟件和硬件在邏輯上是等價的，所以在CNC系統(tǒng)中，由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成。但是硬件和軟件各有不同的特點。硬件處理速度較快，但造價較高，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度較慢。因此在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的分配比例是由性能價格比決定的。?3.4CNC系統(tǒng)軟件CNC系統(tǒng)中實時性要求最高的任務(wù)就是插補和位控，即在一個采樣周期中必須完成控制策略的計算，而且還要留一定的時間去做其他的事。CNC系統(tǒng)的插補器既可面向軟件也可面向硬件。歸結(jié)起來，主要有以下三種類型：（A）不用軟件插補器，插補完全由硬件完成的CNC系統(tǒng)。（B）由軟件插補器完成粗插補，由硬件插補器完成精插補的CNC系統(tǒng)。（C）帶有完全用軟件實施的插補器的CNC系統(tǒng)。?3.4CNC系統(tǒng)軟件上述第一種CNC系統(tǒng)常用單CPU結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。它通常不存在實時速度問題。由于插補方法受到硬件設(shè)計的限制，其柔性較低。第二種CNC系統(tǒng)通常沒有計算瓶頸，因為精確插補由硬件完成。刀具軌跡所需的插補，由程序準(zhǔn)備并使之參數(shù)化。程序的輸出是描述曲線段的參數(shù)，諸如起點、終點、速度、插補頻率等，這些參數(shù)都是作為硬件精插補器的輸入。下頁三種典型軟硬件界面第三種CNC系統(tǒng)需用快速計算機(jī)計算出刀具軌跡。具有多軸（坐標(biāo)）控制的機(jī)床，須要裝備專用CPU的多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)完成算術(shù)運算。位片式處理器和I/O處理器用來加速控制任務(wù)的完成。?3.4CNC系統(tǒng)軟件實際上，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的界面關(guān)系是不固定的。在早期的NC系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)的全部工作都由硬件來完成，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是硬件成本的下降，計算機(jī)參與了數(shù)控系統(tǒng)的工作，構(gòu)成了所謂的計算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)。但是這種參與的程序在不同的年代和不同的產(chǎn)品中是不一樣的。圖說明了三種典型CNC裝置的軟硬件界面關(guān)系。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能CNC系統(tǒng)軟件可分為管理軟件與控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補運算和位置控制等功能軟件。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能1.輸人程序輸人程序的功能有兩個：一是把零件程序從閱讀機(jī)或鍵盤經(jīng)相應(yīng)的緩沖器輸入到零件程序存儲器；二是將零件程序從零件程序存儲器取出送人緩沖器。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能1.輸人程序輸入程序中均有閱讀機(jī)中斷處理程序、鍵盤中斷處理程序和輸入管理程序。閱讀機(jī)中斷處理程序?qū)⒐怆婇喿x機(jī)的零件加工程序，在輸入管理程序的配合下將內(nèi)部代碼存入零件程序存儲區(qū)。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能2．譯碼程序譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或MDI緩沖器中逐個讀入字符，先識別出其中的文字碼和數(shù)字碼，然后根據(jù)文字碼所代表的功能，將后續(xù)數(shù)字碼送到相應(yīng)譯碼結(jié)果緩沖器單元中。譯碼程序的功能主要包括代碼識別和功能代碼的解釋兩部分代碼識別：代碼識別就是通過軟件將取出的字符與內(nèi)部碼數(shù)字相比較。若相等則說明輸入了該字符，并設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志或轉(zhuǎn)成相應(yīng)處理。譯碼的實時性要求不高，可在數(shù)控系統(tǒng)軟件的后臺程序中完成，即可利用系統(tǒng)軟件的空余時間來進(jìn)行譯碼。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能2．譯碼程序譯碼程序的功能主要包括代碼識別和功能代碼的解釋兩部分功能代碼的解釋要進(jìn)行功能代碼的譯碼，首先要建立一個與數(shù)控加工程序緩沖器相對應(yīng)的譯碼結(jié)果緩沖器(又稱文字緩沖寄存器)。對于具體的CNC系統(tǒng)，譯碼結(jié)果緩沖器的格式和規(guī)模是固定不變的。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能2．譯碼程序：程序段“N05G90G01X106Y-60F46M05LF?數(shù)據(jù)處理程序有三個任務(wù)，即刀具半徑補償，速度計算(即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度)以及輔助功能的處理等。刀具半徑補償是把零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡；速度計算確定加工數(shù)據(jù)段的運動速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進(jìn)給速度F計算出顛率f，而閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)則根據(jù)F算出位移量(△L)；輔助功能處理是指換刀，主軸啟動、停止，冷卻液開、停等輔助功能的處理(即M，S，T功能的傳送及其先后順序的處理)。數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補工作及速度控制程序的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實時處理能力，故也稱為預(yù)計算。下面將著重介紹刀具半徑補償，速度處理將在插補計算程序中的預(yù)計算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)容中介紹。3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能?（1）刀具半徑補償

概念：在進(jìn)行內(nèi)輪廓加工時，要使刀具中心偏移零件的內(nèi)輪廓一個刀具半徑值，而在進(jìn)行外輪廓加工時，要使刀具中心偏移零件的外輪廓表面一個刀具半徑值。這種偏移即稱為刀具半徑補償。左刀補，用G41指令代碼表示右刀補，用G42指令代碼表示當(dāng)不需要進(jìn)行刀補時，用G40表示G41,G42和G40均屬于模態(tài)代碼，一旦執(zhí)行便一直有效，直到同組兵他代碼出現(xiàn)后才被取消。3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能?在早期的硬件數(shù)控系統(tǒng)中，由于其內(nèi)存容量和數(shù)據(jù)處理能力的限制，不可能完成很復(fù)雜的大量計算，相應(yīng)的刀具償功能較為簡單，一般采用B功能刀具補償方法。這種方法僅根據(jù)本段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀補，不能解決程序段之間的過渡問題，這樣編程人員必須事先估計出刀補后可能出現(xiàn)的間斷點和交叉點的情況，進(jìn)行人為處理，將工件輪廓轉(zhuǎn)接處處理成圓弧過渡形式。3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能（2）刀具半徑補償中執(zhí)行程序段的工作方式

1）刀具補償建立方式

若上一程序段上G40狀態(tài)，本程序段是G41/G42狀態(tài)，則該程序段處于刀具補償建立方式。

2）刀具補償進(jìn)行方式

若上一程序段是G41/G42，本程序段仍然是G41/G42狀態(tài)，則該程序段處于刀補方式。可能有三種交接情況：直線與直線、直線與圓弧、圓弧與圓弧。由于刀補矢量始終垂直于輪廓表面，因此當(dāng)直線與直線、直線與圓弧或圓弧與圓弧不相切時，需產(chǎn)生過渡，圓弧，見書P76的圖3.4.8。刀心與編程軌跡始終偏離一個刀具半徑的距離。

3）刀具補償取消方式

若上一程序段為G41/G42狀態(tài)，本程序段是G40狀態(tài)，則該程序段處于刀具補償取消方式。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能（3）C功能刀具半徑補償

其主要特點是在程序段轉(zhuǎn)換時（如折線或直線與圓弧不相切時）采用圓弧過渡。這種方法在拐角處銑刀刃與工件間的接觸產(chǎn)生一停頓時間，工藝性不好，不適合3坐標(biāo)以上的刀具半徑補償。計算機(jī)數(shù)控的刀具半徑補償一般都采用直線過渡的方法，在系統(tǒng)程序中有一個刀具半徑子程序，需要時可調(diào)用之。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能插補運算程序完成NC系統(tǒng)中插補器的功能，即實現(xiàn)坐標(biāo)軸脈沖分配的功能。脈沖分配包括點位、直線以及曲線三個方面，由于現(xiàn)代微機(jī)具有完善的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的算術(shù)子程序，給插補計算提供了許多方便。插補運算的結(jié)果輸出，經(jīng)過位置控制部分（這部分工作既可由軟件完成，也可由硬件完成），去帶動伺服系統(tǒng)運動，控制刀具按預(yù)定的軌跡加工。位置控制的主要任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機(jī)床的定位精度。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能編程所給的刀具移動速度，是在各坐標(biāo)的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度來計算各運動坐標(biāo)方向的分速度。前已述及，速度指令以兩種方式給出，一種是以每分鐘進(jìn)給量（或代碼）給出；另一種是以主軸每轉(zhuǎn)毫米數(shù)給出。銑床和加工中心以前一種為多數(shù)，而車床則以后一種為多數(shù)，或者二者都有之。速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度，即根據(jù)給定的速度代碼（或其他相應(yīng)的速度指令），控制插補運算的頻率，以保證按預(yù)定速度進(jìn)給。當(dāng)速度明顯突變時，要進(jìn)行自動加減速控制，避免速度突變造成伺服系統(tǒng)的失調(diào)。速度控制可以用兩種方法實現(xiàn)：一種是用軟件方法，如程序計數(shù)法實現(xiàn)；另一種用定時計數(shù)電路由外部時鐘計數(shù)運用中斷方法來實現(xiàn)。此外，用軟件對速度控制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并與硬件的速度積分器相結(jié)合，可以實現(xiàn)高性能的恒定合成速度控制，并大大提高插補進(jìn)給的速度。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能輸出程序的功能有如下幾項：1）進(jìn)行伺服控制。2）反向間隙補償處理反向間隙值由程序預(yù)置。若某一軸由正向變成負(fù)向運動，則在反向前輸出Q個正向脈沖；反之，若由負(fù)向變成正向運動，則在反向前輸出Q個負(fù)向脈沖（Q為反向間隙，因?qū)嶋H情況而異）。3）進(jìn)行絲杠螺距誤差補償4）M,S,T輔助功能的輸出M,S,T代碼大多是開/關(guān)量控制，由機(jī)床強(qiáng)電執(zhí)行。一般需在軟件設(shè)計前確認(rèn)哪些輔助功能是在插補輸出之后才執(zhí)行（如M02,M05,M09,M30等），哪些輔助功能必須在插補輸出之前執(zhí)行（M03,M04,M08及S,T功能）。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能為數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序均由系統(tǒng)管理程序進(jìn)行調(diào)度，因此，它是實現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入處理，即調(diào)用各功能子程序，完成下一數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理工作，且保證在本數(shù)據(jù)段加工過程中將下一數(shù)據(jù)段準(zhǔn)備完畢。一旦本數(shù)據(jù)段加工完結(jié)就立即開始下一數(shù)據(jù)段的插補加工。有的管理程序還安排進(jìn)行自動編程工作，或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行必要的預(yù)防性診斷。?3.4.1CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示出故障的類型。也可以在運行前或發(fā)生故障后，檢查各種部件（接口、開關(guān)、伺服系統(tǒng)）的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。還可以在維修中查找有關(guān)部件的工作狀態(tài)，判別其是否正常，對于不正常的部件給予顯示，便于維修人員能及時處理。?3.4.2CNC系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)特點CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務(wù)計算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當(dāng)今計算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，其中最突出的是多任務(wù)并行處理和多重實時中斷。下面分別加以介紹。（1）多任務(wù)并行處理

1)CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性。CNC系統(tǒng)通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中，因此它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統(tǒng)的控制部分包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制。在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進(jìn)行。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點例如當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在加工控制狀態(tài)時，為了使操作人員能及時地了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時運行。當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在NC加工方式時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而當(dāng)控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行。例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼，刀具補償和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補又必須與位置控制同時進(jìn)行。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點2）并行處理的概念。并行處理是指計算機(jī)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。（a）任務(wù)分解圖（b）任務(wù)并行處理圖（c）CPU分時共享圖?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點為了保證加工的連續(xù)性，即刀具在各程序段間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須同時進(jìn)行，而插補又必須與位置控制同時進(jìn)行。圖(b)是CNC系統(tǒng)任務(wù)并行處理關(guān)系，雙箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關(guān)系。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點目前在CNC系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，已廣泛使用資源重復(fù)的并行處理方法，如采用多CPU的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。而在CNC系統(tǒng)的軟件設(shè)計中則主要采用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術(shù)。3）資源分時共享。在單CPU的CNC系統(tǒng)中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。一般來講，在使用分時共享并行處理的計算機(jī)系統(tǒng)中，首先要解決的問題是各任務(wù)占用CPU時間的分配原則，這里面有兩方面的含義：其一是各任務(wù)何時占用CPU；其二是允許各任務(wù)占用CPU的時間長短。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點在CNC系統(tǒng)中，對各任務(wù)使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來解決。圖（c）是一個典型CNC系統(tǒng)各任務(wù)分時共享CPU的時間分配圖。系統(tǒng)在完成初始化以后自動進(jìn)入時間分配環(huán)中，在環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。而對于系統(tǒng)中一些實時性很強(qiáng)的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊，分別放在不同中斷優(yōu)先級上，環(huán)外的任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。每個任務(wù)允許占CPU的時間受到一定的限制，通常是這樣處理的，對于某些占有CPU時間比較多的任務(wù)，如插補準(zhǔn)備，可以在其中的某些地方設(shè)置斷點，當(dāng)程序運動到斷點處時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點4）資源重疊流水處理。當(dāng)CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補準(zhǔn)備（包括譯碼、刀具補償和速度處理）、插補、位置控制4個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為△t1，△t2，△t3，△t4，那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t=△t1+△t2+△t3+△t4如果以順序方式處理每個零件程序段，即第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段，依此類推，這種順序處理的時間空間關(guān)系如下圖所示?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點從圖上可以看出，如果等到第一個程序段處理完之后才開始對第二個程序段進(jìn)行處理，那么在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔。同樣在第二個程序段與第三個程序段的輸出之間也會有時間間隔，依此類推。這種時間間隔反映在電機(jī)上就是電機(jī)的時轉(zhuǎn)時停，反映在刀具上就是刀具的時走時停。不管這種時間間隔多么小，這種時走時停在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法是用流水處理技術(shù)。采用流水處理后的時間空間關(guān)系如圖（b）所示。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內(nèi)不是處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。經(jīng)過流水處理后從時間t4開始，每個程序段的輸出之間不再有間隔，從而保證了電機(jī)轉(zhuǎn)動和刀具移動的連續(xù)性。從圖（b）中可以看出，流水處理要求每個處理子過程的運算時間相等。而實際上在CNC系統(tǒng)中每個子過程所需的處理時間都是不同的，解決的辦法是取最長的子過程處理時間為流水處理時間間隔。這樣當(dāng)處理時間較短的子過程時，處理完成之后就進(jìn)入等待狀態(tài)。?3.4.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點（2）實時中斷處理CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。其中斷類型有外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。（A）外部中斷。主要有紙帶光電閱讀機(jī)讀孔中斷、外部監(jiān)控中斷（如緊急停、限位開關(guān)到位等）和鍵盤操作面板輸入中斷。（B）內(nèi)部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。（C）硬件故障中斷。它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。（D）程序性中斷。它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等。?3.5CNC系統(tǒng)的工作過程一個數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至輸出位置控制值需要經(jīng)過下圖所示的幾個環(huán)節(jié)。經(jīng)過輸入系統(tǒng)的工作，將數(shù)據(jù)段送入零件程序緩沖器，然后由譯碼程序?qū)⑤斎氲牧慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言，送入譯碼結(jié)果寄存器。再通過數(shù)據(jù)處理程序?qū)㈩A(yù)計算出的刀補參數(shù)（刀補后的本程序段終點坐標(biāo)）、速度分量及有關(guān)輔助功能送入數(shù)據(jù)處理結(jié)果緩沖器，經(jīng)插補后將本次插補周期的輸出位移增量值送至插補工作寄存器，再經(jīng)伺服控制處理，將段值經(jīng)計算成為新指令位置值，同時將反饋的位置增量加上原實際位置得出現(xiàn)在的實際位置值。經(jīng)比較計算出新指令位置和實際位置的差值，乘上位置增益，得到位置控制的輸出值，即為速度指令。之后便進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

?數(shù)控機(jī)床編程及加工機(jī)械工程實驗教學(xué)中心實驗?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機(jī)床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機(jī)上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機(jī)床上對工件進(jìn)行加工；結(jié)合機(jī)械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機(jī)械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機(jī)床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機(jī)床完成相應(yīng)的運動。機(jī)械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機(jī)械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機(jī)械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機(jī)床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯