第五章计算机数控（ CNC ）装置

第五章计算机数控（CNC）装置

5.1　概述 • 　一、CNC系统的组成 • 　二、CNC装置的结构 • 三、CNC装置的工作原理 • 四、CNC装置的特点 • 　五、CNC装置的功能 • 5.2CNC系统的硬件结构 • 　　一、单微处理器结构 • 　　二、多微处理器结构 • 　　三、其它类型数控系统 • 5.3CNC系统的软件结构 • 　　一、CNC系统软硬件的分工 • 　　二、CNC系统控制软件的特点 • 　　三、CNC系统的软件结构

5.1　概述 一、CNC系统的组成 • 1、定义： • EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。 • ISO(国际标准化组织)的定义:“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。 • CNC系统与NC系统 • 　　数控系统分轮廓控制和点位控制系统。 • 数控系统的核心是：完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。

数控加工程序 被控设备机床机器人测量机 ...... 控制软件应用软件管理软件接口操作系统硬件 CNC系统平台 2、 CNC系统的组成 • 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 • 　　从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。

CPU EPROM或 E2PROM MDI接口 PLC接口 RAM CRT 或液晶显示接口输入/输出接口主轴控制位置控制通信接口纸带阅读机接口 CNC装置的硬件组成二、CNC装置的结构 CNC装置由硬件和软件组成 1.硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。

系统系统控制软件初始化程序管理存储录放管理软件控制软件编辑输入程序输出程序显示程序诊断程序译码程序补偿计算速度控制插补程序位控程序 CNC软件的构成 2.软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。

三、CNC装置的工作原理 • 工作原理： • 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。 • 简要工作过程： • 1）输入： • 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 • 输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入

2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。 • 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 • 4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 • 5）位置控制：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，用其差值去控制进给伺服电机。 • 6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 • 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 • 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。

四、CNC装置的特点 1、灵活性大 2、通用性强 3、可靠性高 4、可以实现丰富、复杂的功能 5、使用维修方便 6、易于实现机电一体化五、CNC装置的功能 1、数控装置的主要功能　　（1）控制功能（控制轴数和联动轴数）　　（2）准备功能（G功能）　　（3）插补功能　　（4）固定循环加工功能　　（5）进给功能（ F ）　　①切削进给速度 ② 同步进给速度 ③快速进给速度 ④进给倍率。

（6）补偿功能 1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2）工艺量的补偿　　（7）主轴速度功能：①主轴转速的编码方式、 ②恒定线速度、 ③主轴定向准停　　（8）辅助功能（M代码）　　（9）字符图形显示功能　　（10）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程　　（11）输入、输出和通讯功能　　（12）自诊断功能

ROM RAM IN接口 OUT接口 CPU 总线阅读机接口 MDI/CRT接口位置控制其它接口 5.2CNC系统的硬件结构 CNC装置的硬件构成单微处理器硬件结构图

CNC装置的体系结构 CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 ■ 单微处理机结构:见上图 ■ 多微处理机CNC装置的结构： 1. 主从结构 2. 多主结构 3. 分布式结构 4. 多通道结构

一、单微处理器结构 单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。　　接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 1.微处理器和总线　　微处理器：运算、控制　　总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。 2.存储器　　① 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）　　它们的用途：

● 只读存储器（ROM）：系统程序 ● 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息 ② CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.位置控制单元 ●对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制） ●C轴位置控制：包括位置和速度控制 ●刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。

二、多微处理器结构 1.多微处理机CNC装置的基本功能模块（1）功能模块 1）CNC管理模块:系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断 2）存储器模块: 3）CNC插补模块:译码、刀具补偿计算、坐标位移量的计算和进结速度处理等插补前的预处理。然后进行插补计算 4）位置控制模块:插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点，伺服系统滞后量的滥视和漂移补偿．最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。 5）操作控制数据输入、输出和显示模块: 6）PLC模块:零件加工程序中的辅助功能和从机床来的信号在PLC模块中作逻辑处理，实现各功能与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、工件数量和运转时间的计数等。

2.多微处理机CNC装置的典型结构 多微处理机互连方式有：总线互连、环型互连和交叉开关互连　　总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。（1）共享总线结构结构与仲裁主模块与从模块（带有CPU或DMA器件）总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案模块之间的通讯：公共存储器总线：STD bus （支持8位和16位字长） Multi bus （Ⅰ型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长） S-100 bus （可支持16位字长） VERSA bus （可支持32位字长） VME bus （可支持32位字长）

主模块1 主模块2 主模块3 总线优先权出总线忙总线优先权入出入忙入忙出串行总线仲裁连接方式

主模块1 总线优总线总线优先权入忙先权出主模块2 入忙出主模块3 入忙出 … 优先权编器码译器码并行总线仲裁连接方式

CNC管理模块 （CPU）主存储器模块自动编程模块（CPU）操作面板显示模块系　统　总　线 CNC插补模块（CPU） PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块多微处理机共享总线结构的优缺点多微处理机共享总线结构如图所示。优点：结构简单、系统配置灵活、扩展模块容易，由于是无源总线所以造价低。缺点：会引起“竞争”，信息传输率较低，总线一旦出现故障．整个系统受影响。多微处理机共享总线结构框图

（2）共享存储器结构 　　这种结构的多微处理机，采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互连和通信。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。由于同一时刻只能有一个微处理机对多端口存储器读或写，所以功能复杂而要求增加微处理机数量时，会因争取共享而造成信息传送的阻塞．降低系统效率，这种结构扩展较困难。

512 K (2K) EAM (56K) EPROM (16K) EPROM 512 K (16K) EPROM (26K) RAM (2K) EAM 串口和收发器 (CRT) CPU2 (中央) CPU1 VS (插补) CPU3 键盘 RS232C 并行接口反馈脉冲处理 CRTC 字符发生器模拟量接口机床接口反馈信号适配器 CRT X Y Z C W GE公司的 MTC1的CNC装置结构框图

（3）共享总线和共享存储器结构 　　多微处理机CNC装置采用共享总线，又共享存储器的结构形式能较好地完成并行多任务实时处理的数控功能。 FANUC11CNC装置是为柔性制造系统(FMS)所用数控机床设计的，除能实现多坐标控制外，还能实现在线(后台)自动编程、加工过程和程编零件的图形显示以及与主机的通讯等。系统有公用的存储器，各自的CPU还有自己的存储器。按功能，可划分基本的数控部分，会话式自动编程部分，CRT图形显示部分和可编程控制器PLC(也叫PMC：可编程机床控制器)等。　　功能模块包括如下部分： 1)主处理单元完成基本的数控任务及系统管理，主CPU为68000，16位处理器。 2)图形显示单元完成数控加工的图形显示(CPU为8086)和在线的人机对话自动编程（CPU为8086 ＋8087）。 3)总线仲裁控制器(BAC) 对请求总线使用权的CPU进行裁决，按优先级分配总线使用权、以及产生信号，使没有得到总线控制权的CPU处于等待状态。此外，BAC还具有位操作、并行DMA(直接存储器存取)控制和串行DMA控制等特殊功能。

4)接口SSU 这是系统支持单元，它是CNC装置与机床和机器人等设备的接口。功能部件有；位置控制芯片(MD87103)，其输出接坐标铀的进结驱动装置和主轴驱动装置，位置控制芯片的输入为插补来的速度指令和位置测量元件的反馈信号；用于传送高速信号的高速I/O口；2ms的插补定时器。 5)操作板控制器OPC 用于和各种操作外设相连。主要包括：键盘信号的接收和驱动；CRT的控制接口；手摇脉冲发生器接口；用于和纸带阅读机、穿孔机等外设相连的RS232C接口和20mA电流回路接口；操作开关和显示接口。 6)输入输出控制器IOC 它接收和传送可编程控制器PMC和机床开关控制的按钮、限位开关、继电器等之间的信号。PMC的CPU为68000(16位微处理器)。 7)存储器该系统有多种存储器，除主存储器外，各CPU都有各自的存储器。大容量磁泡存储器可达4MB，可存储4km纸带的零件程序。PMC的ROM为128kD。顺序逻辑程序可达16000步。系统控制程序ROM容量为256kB。

ROM RAM ROM RAM 键盘纸带机手摇盘 PMC 68000 CAP 8086+8087 RAM ROM 主CPU 68000 BAC OPC IOC SSU 图形显示 8087 CRT ROM RAM RS232 RS232 位控位控位控机床I/O 坐标轴坐标轴主轴其中 OPC– 操作控制器； BAC –总线仲裁控制器； IOC –输入输出控制器； CAP –自动编程单元；SSU –系统支持单元；PMC –可编程机床控制器 FUNUC11的CNC装置结构框图

端口1 从机床来的控制信号至机床的控制信号 I/O (CPU) 控制中断地址和数据多路转换器存储控制逻辑 CRT (CPU2) 共享存储器 RAM 插补 (CPU3) 轴控制（CPU4）端口2 双端口存储器结构框图　　　多CPU共享存储器框图　　共享存储器的多CPU CNC装置还采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通讯。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。图4.13是一个双端口存储器结构框图。它配有两套数据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好。两个端口同时访问时，由内部硬件裁决其中一个端口优先访问。图4.14是多微处理器共享存储器采用多端口结构的框图。

（5）多通道结构 　　通道结构（Channel Structure），即两种以上程序的并行处理。 3.多微处理机结构CNC装置的优点（1）运算速度快、性能价格比高（2）有良好的适应性和扩展性（3）可靠性高（4）硬件易于组织规模生产

开放式数控系统的产生 • 产生的原因： • 　　当今的CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，因此需要开放结构的数控系统。　　 现在CNC技术（核心为CNC控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于PC的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，成本高。 用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。 • 　　随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。 • 体系开放化定义（IEEE）： • 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统 • 应用进行互操作的系统。三、其它类型数控系统 1、开放式数控装置（OPEN CNC ）的体系结构

■ 系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征 • ■ 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；开放式数控系统特点： • 开放体系结构CNC的优点 • 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期 • 标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗； • 向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； • 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力

数控功能 应用程序软件配置单元应用程序接口 NC构件库实时多任务操作系统RTM 硬件配置单元 DOS(WINDOWS) 数控系统基本硬件标准计算机硬件开放式数控装置的概念结构

1）发展情况： 美国： OMAC1981年，美国国防部为减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始一项名为“下一代控制器（NGC）”的计划，成立 “美国国家科学制造中心”，于1991年终止，完成了“开放式系统体系结构标准SOSAS）”。1995年，在NGC的基础上，美国国防部又资助开始了由20个公司合作的“OASAY”计划，目的是建立8个控制器并在6个不同的系统平台上测试这8个控制器。 1994年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司开始了一项名为：“开放式模块化体系结构控制器（OMAC-Open Modular Architecture Controls）”的计划。国内外开放式数控系统的研究进展

1992年在欧洲，启动了一项“自动化系统中控制器的开放系统体系结构（OSACA-Open System Architecture for Controls within Automation Systems）”的联合计划。由22家欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参加，后来扩大到27名会员。　　 日本： OSEC1995年日本六家公司:东芝机器制造公司、丰田机器厂、MAZAK公司、日本IBM、三菱电子公司和SML公司共同实施了“控制器开放系统环境计划。OSEC-Open System Environment for Controllers”的计划。OMAC、OSACA、OSEC是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划。这几大开放数控系统计划正在执行中，已有了自己的标准和样机产品。　　华中I型——基于IPC的CNC开放体系结构　　航天I型CNC系统——基于PC的多机CNC开放体系结构　　欧洲： OSACA

2）开放性： 开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化(用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：　　①可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。　　②可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。　　③互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。　　④可维护性：用户修方便。　　⑤统一的人机界面。3）结构：目前开放的数控系统结构有3种：　　①基于PC的CNC系统（软数控： Soft CNC）：以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。

② PC嵌入式:把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。③ PC + CNC（融合系统）：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向PC在的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取了：增加一块PC板，提供键盘，使PC与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。4.开放式数控系统的发展趋势：1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数控系统。2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的需求。3）网络化

纸带输入插补准备插补位控第一种软件硬件硬件输入电机纸带插补准备位控速控插补测量第二种硬件软件硬件第三种硬件硬件软件三种典型CNC装置软硬件的分工 5.3CNC系统的软件结构一、CNC装置软硬件的分工

二、CNC系统控制软件的特点 CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控制软件也用了计算机软件技术中的许多先进技术。其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点。系统软件的组成：（管理和控制）管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。　　控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式：　　单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。　　多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元。

输入 CNC装置位控显示管理控制诊断 I/O 显示输入 I/ O 处理诊断通讯译码刀具补偿速度处理插补位置控制译码刀补速度处理插补位控装置软件任务分解　　　　　　　软件任务的并行处理多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性

（2）并行处理 并行处理：是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类：　　“资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”。资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。　　资源重复：资源重复是通过增加资源(如多CPU)提高运算速度

1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统） • 在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。 • 资源分时共享——在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。 • “资源分时共享”的技术关键： • 其一：各任务的优先级分配问题。 • 其二：各任务占用CPU的时间长度，即 • 时间片的分配问题。

插补中断级别高 VS VS 位控中断级别低键盘资源（CPU）分时共享图初始化诊断 I/O 处理输入插补准备显示

资源分时共享技术的特征 • 在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； • 在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。

2)并发处理和流水处理（对多资源的系统） • 在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术： • 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行——并发处理； • 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。

流水处理技术的涵义 • 流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。

输出输出输出输出空间空间输出 3 3 3 CPU3 VS VS 2 2 2 CPU2 CPU1 CPU1 t 2t t t+△t 时间时间顺序处理并行处理 1 1 1 1 1 2 2 3 3 流水处理技术示意图

并发处理和流水处理的特征 • 在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。 • 并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。

纸带缓冲存储区 译码缓冲存储区插补缓冲存储区插补工作存储区插补输出存储区纸插补准备带译码交换插补 CNC装置通过缓冲区交换信息框图 3）并行处理中的信息交换和同步　　在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。

2. 实时中断处理 （1）CNC系统的中断类型 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入中断。 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。 3）硬件故障中断种硬件故障检测装置发出的中断。 4）程序性中断程序中出现的异常情况的报警中断。（2）CNC系统中断结构模式 1）前后台软件结构中的中断模式 2）中断型软件结构中的中断模式

初始化 实施中断程序背景程序三、CNC系统的软件结构前后台软件结构中的中断模式特点这种模型的特点是前台程序是一个中断服务程序，完成全部实时功能(如插补和位置控制)。后台程序(背景程序)是一个循环程序，它包括管理软件和插补准备程序。后台程序运行时实时中断程序不断插入．与后台程序相互配合，共同完成零件加工任务。图4—24是这种结构的前后台程序关系图。 • 中断型软件结构中的中断模式 • 这种模式的特点是除了初始化程序之外．整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。

第五章计算机数控（ CNC ）装置