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1、第三章 CNC系统结构及方法,CNC系统组成及特点 计算机数控系统硬件结构 CNC系统软件结构及控制 CNC系统常见外设及接口 CNC系统实例,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,一、CNC系统的定义及结构,定义,CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算 机内的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能， 在计算机之外的唯一装置是接口。CNC与NC的区别,方框图,CNC控制器,指令输入,计算机,硬件电路,伺服系统,数控机床,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,一、CNC系统的定义及结构,系统方框图,C P U,存 储 器,手动
2、 数据 输入 显示 单元 接口,纸 带 输 入 机 接 口,纸 带 穿 孔 机 接 口,数 据 输 入 接 口,数 据 输 出 接 口,零 件 程 序 存 储 器,位置 控制 单元,放 大 器,D/A 转换,速度 控制 单元,模 拟 主 轴 输 出,C R T 接 口,盒 式 磁 带 机 接 口,旋转式感 应同步器,数控机床原理与系统,西工大机电学院,D/A 转 换,旋转变压器,直流电机,3-1 CNC系统的结构及组成,二、CNC系统软件,输入数据处理程序 插补运算及位置控制程序 速度控制程序 系统管理程序 诊断程序,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,二、CN
3、C系统软件,1. 输入数据处理程序,接收零件加工程序，并进行翻译、整理，按照一 定的格式存放，有些数控系统还进行刀补、插补、速 度控制的预计算。实时性要求不高，输入数据处理充分些，可减轻 实时控制（插补、位置控制）的负担。输入：多种接口，均产生中断请求译码：语法检查、加工程序存放等数据处理：刀补、速度计算、辅助功能的处理等,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,二、CNC系统软件,2. 插补运算及位置控制程序,插补根据不同的插补方法计算出下一步的进给量，并 输出给位置控制系统，位置控制还需要进行误差补偿、 增益调整等。实时性要求高。可采用粗插补和精插补结合位置控制
4、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，用其插 值去控制进给电机。还要完成位置回路增益调整、各 坐标方向的螺距误差补偿和反响间隙补偿。,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,二、CNC系统软件,3. 速度控制程序,目的是控制脉冲分配的速度，与插补计算方法有 关；速度突变时，自动进行加减速控制。速度控制的常用方法软件方法硬件定时器,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,二、CNC系统软件,4. 系统管理程序,对各功能程序进行调度，是整个系统协调工作。,5. 诊断程序,自动检查系统的故障，并指出
5、故障发生的部位。 在线 离线,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-1 CNC系统的结构及组成,三、计算机数控系统的特点,1. 灵活性 2. 通用性 3. 可靠性 4. 易于实现许多复杂的功能 5. 使用维修方便,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-2 计算机数控系统硬件结构,一、CNC系统的硬件构成特点,整体式、分体式 大板式结构、模块化结构 单微处理器、多微处理器,二、单微处理器结构,一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构 结构简单，易于实现 功能受限制,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-2 计算机数控系统的硬件结构,三、多微处理器结构,1. 结构特点,性能价格比高 采用模块
6、化结构具有良好的适应性和扩展性 可靠性高 硬件易于组织规模化生产,2. 典型结构,共享总线结构 共享存储器结构,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,一、CNC系统的软硬件组合类型,按照插补器可分为三种：完全硬件插补器软硬件插补器完全软件插补器,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,二、CNC系统的控制软件结构特点,1. 多任务并行处理,多任务,输入 I/O处理,显示 诊断,译码 刀补,速度处理 插补,位置控制,数控机床原理与系统,西工大机电学院,输入,显示,诊断,控制,I/O,译码,刀补,速度 处理,插补,管理,CNC 系统,控
7、制,位置 控制,初始化,诊断,显示,I/O,插补,位控,中断 优先 级从 高到 低,插补 准备,输入,键盘,3-3 CNC系统软件结构及控制,二、CNC系统的控制软件结构特点,1. 多任务并行处理,并行处理指计算机在同一时间内完成两种或两种或两 种以上相同性质或性质不同的工作多CPU、串并转换资源分时共享资源重叠流水处理,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,二、CNC系统的控制软件结构特点,2. 实时中断处理,满足时实性和多任务的要求，中断结构决定了系 统软件结构外部中断内部定时器中断硬件故障中断程序性中断,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系
8、统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断,1. 输入,输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘 输入方式：中断，有相应的中断服务程序 功能：奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、 字地址格式、信息完整性、输入设备控制、将零 件程序存入零件程序存储器,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,2. 译码,将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能识别 的语言，有硬件译码（并行，快）和软件译码（串行、 相对慢一些）。功能是把程序段中的各数据根据前后文字地址送 到相应的缓冲寄存器中
9、。每个字符译码过程：建立格式标志确定存放地址确定调用“数码转换次数”,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,3. 预计算,减轻插补程序的负担，提高系统实时性。包括： 刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算、象限、进给 方向判断、进给速度换算、机床辅助功能判断等。,进给速度的控制方法：程序延时法：占用CPU资源中断法：定时器中断时间分割法：闭环、半闭环 加减速过程需要考虑,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,4. 插补计算（空间直线插补实例）,z,ze,A(x
10、e,ye,ze),xe,x,ye,y,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,4. 插补计算（空间直线插补实例）,10 8F=L = F60 1000 750,x = L cos ,y = L cos z = L cos ,cos =,cos =,cos =,xe,x + y +z,2 e,2 e,2 e,x e x xe,ye y ye,ze z ze,x,e,e,e,ye,x + y +z,2 e,2 e,2 e,ze,x + y +z,2 e,2 e,2 e, x, y, z,y,z,数控机床原理与系统,西工大机电学院,
11、3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,5. 输出,进行伺服控制 当进给方向变化时，要进行反向间隙补偿处理 进行丝杠螺距补偿 机床辅助功能输出,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,实例（数据转换流程）,XB0LXL%X2L1YB0LYY2位置 X 电机刀具 X速度插补 XLB131 补偿 Y处理 cosY3 控制 Y1B1cosXBA X2 X3LYBA Y2 Y3, X1 Y1,数控机床原理与系统,西工大机电学院,G01 译码 XA1 XeYA1 YeFA1F,反馈,3-3 CNC系统软件
12、结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,实例（数据转换示意）,y,（XB0新,YB0新）YBA r （X3旧,Y3旧） y2XBALy x2L,x,(XB0新,YB0新) YB0新-YB0旧 YA1,)(XB0旧,YB0旧XB0新-XB0XA1 YB1新旧,o,XB1新,x,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,实例（位置控制数据转换）,插补输出 X2、 Y2,指令位置 X2新、 Y2新,位控输出 X3、 Y3,实际位置 X1新、 Y1新,X2旧、 Y2旧,X1旧、 Y1旧,反馈位置增量 X1、 Y1,数控机床原理
13、与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,6. 管理与诊断软件,管理：只涉及CPU管理和外设管理 单CPU数控系统常见软件结构： 前后台型结构 中断型结构,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,6. 管理与诊断软件,前后台型结构：前台程序是一个实时中断服务程 序，几乎承担了全部的实时任务（插补位控 等）；后台程序是个循环程序，实现输入、译码、 数据处理、管理等任务。,中断型结构：除初始化外，系统软件各种任务模 块分别安排在不同级别的中断程序中，其管理功能 通过各级中断程序
14、之间的相互通信来解决。,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,三、CNC系统的控制软件及其工作过程,6. 管理与诊断软件,诊断 运行中诊断用代码和检查内存格式检查双向传输数据检查清单校验 停机诊断 通信诊断,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,CNC控制系统的发展趋势,存在问题,不同厂家产品不兼容 软硬件不能及时升级和更新 维护不方便,开放式数控系统的特点,硬件：关键硬件为工业PC通用标准件、运动控制 卡等 软件：模块化,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,CNC控制系统的发展趋势,开放的含义,
15、可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就 可以用于另一平台，仍然保持原有特性。 可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。 可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确 定方式交换数据。 规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规 模可按照需要调整。,开放人机界面、开放控制系统,数控机床原理与系统,西工大机电学院,3-3 CNC系统软件结构及控制,CNC控制系统的发展趋势,开放式数控系统的特征,项目,系统 平台,通讯 方式,编程 方法,特征标志,硬件 操作系统中间件,工厂网络 驱动网络 I/O网络,NC编程 PLC编程 人机界面 CNC软件,特征内容,具有标准总线的硬件系统标准操作系统标准中间
16、件,标准物理介质和通信协议,举例,工业微机 Vxworks、windowsDCOM、COBRA,以太网和TPC/IPSERCOS接口 Profibus、DeviceVet,DIN66025，RS-274IEC61131-3DDE，OPC编译、循环,标准NC编程语言 标准PLC编程语言 标准应用编程界面 标准应用程序界面,西工大机电学院,数控机床原理与系统,3-3 CNC系统软件结构及控制,CNC控制系统的发展趋势,商品化开放式数控系统的比较,数控系统,Fanuc 210i/210is,Siemens 840D/840Di,Allen Bradley9/PC,ISG OpenCNC,数控机床原理与系统,人机界面,系统平台,微机 WinCE/NT,微机 Win95/NT,微机 WinNT,CNC,系统平台,几乎完全封闭,几乎完全封闭,几乎完全封闭,编程接口,界面,完全 开放,完全 开放,
