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1、CNC本章内容第四章 计算机数字控制装置nullCNC装置的硬件结构nullCNC装置的软件结构null可编程控制器（PLC）null典型的CNC系统简介CNC4.1 概述一、 CNC系统 功能：CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，以多执行部件 (各运动轴 )的位移量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。二、 CNC系统 组成：程序、输入装置、输出装置、 CNC装置、 PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。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 。CNC面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模
2、块机床控制面板CNC键盘驱动系统三、 CNC系统组成简介4.1 概述CNC1、组成：中央处理单元（ CPU）和总线、存储器（ ROM、RAM）、输入 /输出（ I/O）接口及相应的外设、 PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元。磁带软盘CRT/LED磁带机磁盘驱动器MDI键盘操作控制面板上位机 /编程机外部存储器I/O接口电路I/O缓冲与接口通道CPURAM ROM机床位置控制机床逻辑控制与检测开关量/数控量 出开关量/数控量 入位置检测A/D 入D/A出速度控制电动机ABDBCB4.1 概述CNC2、中央处理单元（ CPU）和总线（ BUS）1)中央处理单元 CPU计算机系统的核心，由运算器
3、、控制器和内存寄存器组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。2)总线（ BUS）总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线1. 地址总线： 传送地址信息的通道。2. 数据总线： 传送数据信息的通道，数据线的数量决定了数据传送、运算和处理的规模。3. 控制总线： 地址总线和数据总线分别是外部设备和 CPU之间传送地址信息和数据信息的通道。控制总线是完成各种控制功能的通道。4.1 概述CNC3、存储器 （ memory）1)功用 ：存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中间结果和处理后的结果存储起来。2)种类 ：半导体存储器3)分类
4、：随机存取存储器 RAM只读存储器 ROM串行存储器双极型MOS型固定ROM（掩膜ROM）一次性可编程ROM（PROM）光可擦除可编程ROM（EPROM）电可擦除可编程ROM（E2PROM）存储系统软件存放工作参数、加工程序4.1 概述CNC4、输入 /输出（ I/O）接口电路及相应的外部设备1)I/O接口接口电路是 CPU与外部设备之间的连接电路 。 CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。分输入接口、输出接口、双向接口。2)I/O接口功能o把外设送往 CNC的信息转换成 CPU能接受的格式；o把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式o在 C
5、NC与外设间起缓冲作用（平衡信号电平和传输速率）4.1 概述CNC3、 I/O接口o人机界面接口o通信网络接口o进给轴的位置控制接口o主轴控制接口oMST控制接口键盘MDI显示器CRT操作面板手摇脉冲发生器4.1 概述CNC例： MDI接口框图译码驱动器移位寄存器控制选通检查报警选择器门电路移位寄存器RAMRC电路C1C2键盘定时控制门电路沿检测RC电路门电路RC电路门电路DINSRI-N4.1 概述CNC4.2 CNC系统的硬件结构CNC系统的硬件结构，按其中含有 CPU的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。CNC一、单微处理机结构和多
6、微处理机结构1、单微处理机结构o整个 CNC装置只有一个 CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种 NC功能。o主从结构，系统中只有一个 CPU(称为主 CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带 CPU的功能部件，只能接受主 CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。4.2 CNC系统的硬件结构CNC2、多微处理机结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机， CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器 (由硬件和软件组成 )来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：能实现
7、真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作结构形式 ：共享总线结构型、共享存储器结构型。4.2 CNC系统的硬件结构CNC共享存储器结构显示 CPU键盘中央 CPU 插补 CPU串口和收发器CTRC并行接口反馈脉冲处理EPROM EPROMRAM/EPROM512 RAMRAM 512 字符发生器CRT模拟量输出 机床接口反馈信号收发器 X Y Z C W4.2 CNC系统的硬件结构CNC结构特征：o 面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯。o 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口
8、存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口 RAM）。4.2 CNC系统的硬件结构CNCFANUC BUS操作面板图形显示模块 (CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元 主轴单元FANUC 15系统硬件结构4.2 CNC系统的硬件结构 共享总线结构CNC结构特征：o 功能模块分为带有 CPU或 DMA的主模块和从模块 (RAM/ROM， I/O模块 )。o
9、 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上。o 采用总线仲裁机构 (电路 )来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。4.2 CNC系统的硬件结构CNC二、大板式结构与功能模块式结构1、大板式结构CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。4.2 CNC系统的硬件结构CNC2、功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成CNC装置。4.2 CNC系统的硬
10、件结构CNC4.3 CNC系统的软件一、CNC系统软件的组成与功能1、组成CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。操作系统管理软件 控制软件零件程序管理显示处理输入输出管理机床输入输出位置控制故障诊断处理插补运算主轴控制编译处理刀具补偿.CNC2、CNC系统的软件功能输入程序任务：把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。译码程序将程序段中的工件轮廓信息、加工进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法检查，发现错误立即报警。数据处理程序任务：刀
11、具半径补偿程序、速度计算程序、辅助功能的处理。4.3 CNC系统的软件CNC数据处理程序 刀具半径补偿刀补处理的主要工作：o根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。o根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。o根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。B（ XB， YB）XRA（ XA， YA）G41G42Y4.3 CNC系统的软件CNC刀具半径补偿方法 ：oB刀补：对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。但无法满足实际应用中的许多要求，现在用得较少。oC刀补采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时) 过切，以避免产生过切ABC”CBAG41
12、刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C数据处理程序 刀具半径补偿4.3 CNC系统的软件CNC数据处理程序 速度计算任务：加工程序给定的进给速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。4.3 CNC系统的软件CNC插补计算程序任务：在所需的路径或轮廓线上的起点和终点之间，根据某一数学函数如直线、圆弧、高阶函数，来确定其多个中间点位置坐标的运算过程。插补程序以系统规定的插补周期t定时运行，在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后 ，插补加工完一个程序段轨迹。经插补计算后的数
13、据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。4.3 CNC系统的软件CNC伺服（位置）控制软件任务在每个插补周期内，各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将理论位置与实际反馈位置进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。4.3 CNC系统的软件CNC输出程序任务：o进行伺服控制o反向间隙补偿o进行丝杠螺距误差补偿oM、S、T辅助功能输出管理程序诊断程序4.3 CNC系统的软件CNC二、CNC系统软件的特点和结
14、构1、 CNC装置的软件系统特点多任务性与并行处理技术o多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、 o并行处理：系统在 同一时间间隔 或 同一时刻 内完成两个或两个以上任务处理。o并行处理的实现方式：资源分时共享（单CPU）资源重叠流水处理（多CPU）4.3 CNC系统的软件CNC资源分时共享（单CPU）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。o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。4.3 CNC系统的软件CNC资
15、源重叠流水处理（多CPU）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，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。o资源重叠流水处理的特征流水处理在任何时刻（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。流水处理的关键是 时间重叠4.3 CNC系统的软件CNC多重实时中断处理中断：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程序处理完毕后，再返回继续执行原程序。多重中断：将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回接着处理低级中断尚未完成的工作。
16、实时：任务的执行有严格时间要求（任务必须在规定时间内完成或响应）实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。4.3 CNC系统的软件CNC2、 CNC装置的软件结构的分类前后台型结构此结构将CNC系统软件划分成两部分：o前台程序: 主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性强的任务，它是一个实时中断服务程序。o后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时
