計算機數(shù)控裝置　

CNC系統(tǒng)的組成

數(shù)控程產(chǎn)信息的輸入以及輸"系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出

識別和解釋數(shù)控程序，完成

主軸、和進給軸驅(qū)動控制

數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷處理

7

輸入/機

床

輸出

本

裝置7

體

接受數(shù)控裝置的開關(guān)命令，完成主軸選速、起停和方向控制

功能，換刀功能，冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制功能以1

及其他機床輔助功能

CNC系統(tǒng)的特點

靈活性大：可改變和擴展其功能。

通用性「硬件采用模塊化設(shè)計，易于擴展,

改變軟件可適應(yīng)不同需求。

可靠性，：采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路;

程序被檢查后才被調(diào)用，保證加工過程中的

故障停機。

功能強大：多功能、可以完成復(fù)雜零件的一

次成形。

使用維修方便：內(nèi)置自診斷程序，軟件檢查

程序。

5.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控裝置、輸入輸出裝置、機床

電器邏輯控制裝置和驅(qū)動裝置等組成。

數(shù)控裝i：數(shù)控系統(tǒng)的核心

輸入輸出裝手：用于控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，監(jiān)控數(shù)

控系統(tǒng)的運行，進行機床操作面板及機床機電控制/

監(jiān)測機構(gòu)的邏輯處理和監(jiān)控，并為數(shù)控裝置提供機

床狀態(tài)和有關(guān)應(yīng)答信號。

機床電器邏輯控制裝置：接受數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)控

輔助功熊控制命令，實現(xiàn)數(shù)控機床的順序控制。目

前大多采用PLC控制。

驅(qū)動裝，：以軸為單位的獨立體，用以控制各軸的

運動。

5.2.1常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)

總線式模塊化結(jié)構(gòu)的CNC。藤限2位RISC（精簡

指令集）芯片、數(shù)學(xué)協(xié)處理器及閃爍存儲器等。多

用于多軸控制的高擋數(shù)控機床。

以單板或?qū)Ｓ眯酒澳０褰M成結(jié)構(gòu)緊而2。多

用于中檔數(shù)控機床。

基于通用計算機（PC或IPC）基礎(chǔ)上開發(fā)白zo

可充分利用通用計算機豐富的軟件資源，可隨計算

機硬件進行升級。

前兩種CNC系統(tǒng)硬件需專門設(shè)計，通用性較差，

三種硬件無需專門設(shè)計，改變軟件即可構(gòu)成不同

CNC系統(tǒng)，通用性好。

5.2.2單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)

1.單微處理器結(jié)構(gòu)

只有一個微處理

器，集中控制、

分時處理數(shù)控裝

置的各個任務(wù)。

「2.多微處理器結(jié)構(gòu)

多微處理器結(jié)構(gòu)是指全系統(tǒng)中有兩個或兩個以

上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲器進

行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)CNC系統(tǒng)均采

用多微處理器結(jié)構(gòu)。

緊耦合結(jié)構(gòu)：兩個或兩個以上的微處理器構(gòu)成

的處理部件之間采用緊耦合（相關(guān)T商t

集中的操作系統(tǒng)，共享資源。

松耦合結(jié)構(gòu)：兩個或兩個以上的微處理器構(gòu)成

的功能模塊之間采用松耦合（具有相對獨■

或相關(guān)性弱），有多重操作系統(tǒng)有效地實現(xiàn)并

行處理。

1)多微處理器CNC的典型結(jié)構(gòu)

(1)共享總線結(jié)；：通過總線連接系統(tǒng)內(nèi)的各個模

塊。

主模塊控制系統(tǒng)總線，某一時刻只能有一個主模塊

占用總線，各模塊通過仲裁電路判別各模塊的優(yōu)先

級,進而共享總線資源。_____________________

1系統(tǒng)總線3

插補模塊PLC功能位置控制

主軸控制

模塊模塊

(CPU)模塊

(CPU)(CPU)

(2)共享存儲結(jié)樸、

采用多端口存儲器來凄現(xiàn)各微處理器之間的相

互連接和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地

址、

5.2.3開放式CNC的硬件結(jié)構(gòu)

L開放式CNC的定義

定義：開放式CNC系統(tǒng)必須真密小網(wǎng)應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)

地運行于系統(tǒng)平臺上的能力，提而向功能地動態(tài)重

構(gòu)工具，同時提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用戶界面。

具有以下特征：

可二操作）：不同應(yīng)用程序模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化地應(yīng)用程

序接口運行于系統(tǒng)平臺，不同模塊之間保持平等地相

互操作能力。

一可移植，：示同應(yīng)用程序模塊可運行于不同供應(yīng)商提

供的不同系統(tǒng)平臺上。

［縮放『：增加和減少系統(tǒng)功能僅僅表現(xiàn)為特定模塊

單元的裝載與卸載。

可相”替代怡：不同性能與可靠性和不同功能能力的

功能模塊可以相互替代。

2.基于PC（或IPC）開放式CNC的硬

件配置形式

1）基于PC的有限開放CNC

（1）PC連接型CNC

結(jié)構(gòu)：CNC與PC通過串行線連接。

特點：容易實現(xiàn)，已有CNC幾乎不需改動即可應(yīng)用。

PC基本CNC系統(tǒng)

串行線國畫H

其他可選件PC機鍵盤顯示器鍵盤

2）基于PC的可開放CNC

結(jié)構(gòu)：通用PC機的擴展槽》卻入專用CNC卡

特點：CNC卡完成包括加工軌跡生成等幾乎

所有CNC處理功能。充分保證系統(tǒng)性能，軟

件通用性強，編程處理靈活。

5.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5.3.1CNC系統(tǒng)成

包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。

應(yīng)用軟件：包括零件數(shù)控加工程序或其他輔助

軟件。\

系統(tǒng)軟。：為實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項功能所編制的

專用軟件。也稱為控制軟件。

系統(tǒng)軟件通常包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補

運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷

程序。

1.輸入數(shù)據(jù)處理程序

?功能：接收輸六口零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示

的加工指令和數(shù)據(jù)進行器碼e數(shù)據(jù)處理，并按照規(guī)

定格式存放。主要包括輸工程定、譯碼程序和數(shù)據(jù)

處理程序等組成，有些CNC系魂還具有補償計算、

為插補運算和速度控制等進行的予^^。

（1）輸入程序

將加工程序讀入存放在程序存儲器中，或?qū)⒓庸こ?/p>

序從程序存儲器中讀出，送入緩沖區(qū)，以便譯碼用

⑵譯碼程序

數(shù)控加工程序按零件加工順序記載著機床加工所需

的各種信息，其中包括零件加工的軌跡信息（如幾

何形狀和幾何尺寸等）（幾何數(shù)據(jù)）、工藝信息

（如進給速度和主軸轉(zhuǎn)速等）（工藝數(shù)據(jù)）和開關(guān)

命令（如換刀、冷卻液開/關(guān)等）（開關(guān)功能）。

譯碼定義：將輸入的數(shù)控岷程序按照一定規(guī)則翻譯

成為數(shù)控裝置中計算機能識贏贅產(chǎn)形式，并按約定

的格式存放在指定的譯碼結(jié)果緩貓J

譯碼功能：代碼的識別和功能代碼的解釋'

(3)數(shù)據(jù)處理程序

包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能處理等。

刀具半徑補償：將工件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化為刀具中心軌跡

速度計算：解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運動。

2.插補計算程序

CNC系統(tǒng)是一種實時控制系統(tǒng)，一邊插補運算，

一邊進行加工。插補運算的速度直接影響著機床

的進給速度。

3.速度控制程序

根據(jù)給定的速度值控制插補運算的頻率，確保預(yù)

定的進給速度。'

4.管理程序

負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)輸入、處理、插補運算等服務(wù)程序進

行調(diào)度管理。1

5.診斷程序|1

在程序中發(fā)現(xiàn)故障，并指出故障問題。

5.3.2CNC的軟件結(jié)構(gòu)

1.CNC中軟、硬件界面與質(zhì)據(jù)臀

CNC系統(tǒng)中，軟件設(shè)計靈活，;強，但處

理速度慢；硬件處理速度快，但息適應(yīng)

性差。CNC中硬、軟件的分配比例由性能曲;格

決定。

CNC中硬、軟件界面隨著硬、軟件的水平和成

本以及CNC所具有的性能不同而不同。

CNC軟件勢必發(fā)展成為以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多

層次的軟件結(jié)構(gòu)。1

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，CNC軟件更穩(wěn)定，

并且具有可重用性。

2.CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實時中斷處理

CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性表現(xiàn)在其軟件必須完成管理

和控制兩大任務(wù)。

系統(tǒng)管理包括輸入、I/O處理、意或、診斷；系統(tǒng)

控制包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位

置控制。

CNC系統(tǒng)的并行性表現(xiàn)在其多任務(wù)必須協(xié)調(diào)工作。

CNC系統(tǒng)任務(wù)

譯「插補

廠

U—I

刀具補償

譯

速

位

診

輸

顯

刀HG

碼-

度

I/O置

處

入

斷

示

補^rL

控

處

理I

制速度處理

理位置控制

并行處理

定義：計算機在同二同一時間間隔內(nèi)完成兩種

或兩種以上相同或不同的士作、常采用資源重復(fù)、時

間重疊和資源分時共享等方法。

資源重曼：用多套相同或不同的設(shè)備同時完成多種相

同或不同的任務(wù)。

時間重疊：根據(jù)流水處理技術(shù)，使得多個處理過程在

時間上相互錯開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個部分，

也稱為資源重疊流水處理。

資源共享：多個用戶按照時間順序使用同一套設(shè)備。

CNC硬件通常采用資源重復(fù)并行處理方法o—

CNC軟件設(shè)計主要采用資源重疊的流水線處理和資源

分時共享的并行處理方法。

1234輸出

123412__34輸出

34

時間重疊流水處理

CPU分時共學(xué)并行處理

中斷處理

CNC中斷管理主要由藤惟成，系統(tǒng)的中斷

結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。CNC系統(tǒng)的中

斷類型有以下幾種。

外部中斷：主要有光電閱讀機讀孔中斷，外

部監(jiān)控中斷和鍵盤及操作面板中斷。

內(nèi)部定!：王要有插補周期定時中斷和

位置采樣定時中斷。

硬件故障中斷：各種硬件故障檢閱裝置發(fā)出

的中斷。

程序性中斷：程序中出現(xiàn)的各種異常情況的

報警中斷。

3.常規(guī)CNC的軟件結(jié)構(gòu)

CNC軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)采用而中斷笆構(gòu)決定。

1）中斷型結(jié)構(gòu)模式

除初始化程序外，將CNC的各功能模塊分別安排在不同級

別的中斷程序中，無前后臺之分。通過林啰疔的優(yōu)先級

由CPU響應(yīng)中斷。\:

2）前、后臺型結(jié)構(gòu)模式

將整個CNC軟件分為前臺程序和后臺程序。\

前臺程序為實時中斷程序，承擔(dān)幾乎全部實時任務(wù)，實現(xiàn)

插補、位置控制和數(shù)控機床開關(guān)邏輯控制等實時功能。

后臺程序，也稱為背景程序，是一個循環(huán)運行程序，實現(xiàn)

數(shù)控加工程序的輸入、預(yù)處理和管理等任務(wù)。

在后臺程序的循化運行過程中，前臺實時中斷程序不斷的

定時插入，兩者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。

4.開放式CNC的軟件結(jié)構(gòu)

開放式CNC系統(tǒng)軟"應(yīng)采用平臺技術(shù)、同一的標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范和面向功能元（對象）不赴結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件，

以保證系統(tǒng)具有開放的基本特*

1）開放式CNC總體結(jié)構(gòu)

分為兩部分：統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺和由各功能結(jié)構(gòu)單元

對象組成的應(yīng)用軟件模塊（或系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)）。

2)系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)平臺由系統(tǒng)硬件和系琢軟件組成。

系統(tǒng)硬件由機床的功能需求決占、

系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)核心(如操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)

實時配置系統(tǒng)等)、可選的系統(tǒng)軟件該數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)等)和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序界面。、

操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實時配置系統(tǒng)構(gòu)成了整個

控制系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。

(1)操作系統(tǒng)

⑵通信系統(tǒng)1

(3)配置系統(tǒng)

5.系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)是用來精確描述功能元對象和功能模塊之間

的關(guān)系，以及各模塊之間的關(guān)系；精確定義各模塊和各功

能元對象的行為和屬性，以及模塊和功能元對象與系統(tǒng)平

臺之間的界面，以保證不同供應(yīng)商提供的功能模塊在不同

平臺之上的協(xié)調(diào)工作。

控制

人機控制11邏輯控制11運動控制|軸控制|過程控制

運動控制

運動管理解釋準(zhǔn)備執(zhí)行

準(zhǔn)備

幾何運特性前瞻

3層

5.4CNC系統(tǒng)的控制原理與功能

5.4.1CNC系統(tǒng)釁缶I」原理

1.零件程序的輸入

手動輸入和自動輸入兩種。

2.譯碼

具體地說，譯碼是將零件程序中的零件逐廓信

息（如起點、終點、直線或圓弧等）、進給速

度信息（F代碼）和其他輔助信息（M、S、T

代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋為計算機能

夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放

在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。

3.刀具補償

分為刀具長度補償和刀具半徑補償。

1）刀具長度補償

在數(shù)控立式銃鏈床上，當(dāng)?shù)毒吣p或更換刀具使

得Z向刀尖不在原初始加工的程編位置時，必須在

Z向進給中，通過伸長或縮短1個偏置值e的方法來

補償其尺寸變化，以保證加工的深度仍然達到原

設(shè)計的要求。

2）刀具半徑補償

數(shù)控裝置使得刀具中心偏移零件輪廓一個指定的

刀具半徑值。

4.插補

在一條已知起點和終點的曲線上自動進行數(shù)據(jù)

點的密化工作。

5.位置控制、

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，用其差值控制進給電

機，以實現(xiàn)對位置的精確控制。

6.速度控制

1）脈沖增量插補方式的速度計算\I

脈沖增量插補用于以步進電機為執(zhí)行元件的開

環(huán)伺服系統(tǒng)。

在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，進給脈沖的頻率決定了坐

標(biāo)軸的移動速度。進給脈沖的數(shù)量決定論坐標(biāo)

軸的移動位移。

速度計算是根據(jù)程編F值確定脈沖頻率值。步進

電機每走一步，坐標(biāo)軸移動一個脈沖當(dāng)量6。進

給速度F與脈沖頻率f之間的關(guān)系如下。