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1、数控机床与编程数控机床与编程宁波大学宁波大学机械学院机械学院二二0 0一一0 0年年第二章 数控系统及工作原理 第一节第一节 概述概述第二节第二节 数控插补原理数控插补原理第三节第三节 数控补偿原理数控补偿原理第四节第四节 位移与速度检测位移与速度检测第五节第五节 伺服驱动与控制伺服驱动与控制第六节第六节 CNCCNC装置装置第七节第七节 CNCCNC系统中的可编程控制器（系统中的可编程控制器（PLCPLC） 第六节 CNC装置CNCCNC系统包括系统包括CNCCNC装置、装置、PLCPLC和部分输和部分输入输出设备，其核心是入输出设备，其核心是CNCCNC装置。装置。 CNCCNC装置由硬件
2、和软件构成，软件在硬装置由硬件和软件构成，软件在硬件的支持下完成所要求的数控功能。件的支持下完成所要求的数控功能。 一、数控装置硬件结构 硬件结构类型硬件结构类型 按按CNCCNC装置中各印制电路板的插接方式，可以装置中各印制电路板的插接方式，可以分为分为大板式结构和模块式结构大板式结构和模块式结构。按按CNCCNC装置中微处理器的个数，可以分为装置中微处理器的个数，可以分为单微单微处理器结构和多微处理器结构处理器结构和多微处理器结构。按按CNCCNC装置硬件的制造方式，可以分为装置硬件的制造方式，可以分为专用型专用型结构和通用型结构结构和通用型结构。按按CNCCNC装置的开放程度又可分为装置
3、的开放程度又可分为封闭式结构、封闭式结构、PCPC嵌入嵌入NCNC式结构、式结构、NCNC嵌入嵌入PCPC式结构和软件型式结构和软件型开放式结构。开放式结构。 （一）大板式结构和模块式结构 1 1大板式结构大板式结构 由主电路板、位置控制板、由主电路板、位置控制板、PLCPLC板、图形控制板和电源单板、图形控制板和电源单元等组成，其特征是将主电路做成大块印制电路板，称为元等组成，其特征是将主电路做成大块印制电路板，称为主板，其他电路制成小板，可插在大板的插槽内。主板，其他电路制成小板，可插在大板的插槽内。 主板上是控制核心电路，称微机基本系统，由主板上是控制核心电路，称微机基本系统，由CPUC
4、PU、存储存储器（器（ROMROM和和RAMRAM）、）、定时和中断等控制电路组成。通常定时和中断等控制电路组成。通常还将还将CNCCNC装置一些特有的功能电路（如位置控制电路）和对装置一些特有的功能电路（如位置控制电路）和对外接口也制作在主板上。外接口也制作在主板上。 大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。性低。FANUC 6MB CNCFANUC 6MB CNC系统采用大板式结构。系统采用大板式结构。2 2模块式结构模块式结构 特点是将整个特点是将整个CNCCNC装置按功能划分为若干个功能模块，每装置按功能划分为若干个功能
5、模块，每个功能模块按模块化方法做成尺寸相同的印制电路板（称为个功能模块按模块化方法做成尺寸相同的印制电路板（称为功能模板），各板均可插接到符合相应工业标准总线的母板功能模板），各板均可插接到符合相应工业标准总线的母板插槽内。对应各功能模块的控制软件也是模块化的。插槽内。对应各功能模块的控制软件也是模块化的。 常用的功能模板有常用的功能模板有CPUCPU板、扩展存储器板、位置控制板、板、扩展存储器板、位置控制板、PLCPLC板、图形板和通信板等。板、图形板和通信板等。连接各模板的总线可选用各种工业标准总线，如工业连接各模板的总线可选用各种工业标准总线，如工业PCIPCI总总线、线、STDSTD总
6、线等。总线等。 模块化结构的模块化结构的CNCCNC装置设计简单，调试与维修方便，具有装置设计简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。良好的适应性和扩展性。 FANUC 15FANUC 15系列的系列的CNCCNC系统就采用了模块式结构。系统就采用了模块式结构。 （二）单微处理器结构和多微处理器结构 1 1单微处理器结构单微处理器结构 只有一个只有一个CPUCPU，集中控制和管理整个系统资源，通过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数控功能。分时处理的方式来实现各种数控功能。优点：投资小，结构简单，易于实现。优点：投资小，结构简单，易于实现。缺点：系统功能受到缺点：
7、系统功能受到CPUCPU字长、数据宽度、寻址能力字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。和运算速度等因素的限制。在在CNCCNC系统发展的初期使用较多，现在已经被多微处系统发展的初期使用较多，现在已经被多微处理器的主从结构取代。理器的主从结构取代。 2 2多微处理器结构多微处理器结构 按各按各CPUCPU之间的关系又分成主从、多主和分布之间的关系又分成主从、多主和分布三种不同的结构。三种不同的结构。 （1 1）主从式结构）主从式结构 （2 2）分布式结构）分布式结构 每个每个CPUCPU都有自己完整和独立的系统，即功能模块。在都有自己完整和独立的系统，即功能模块。在每个功能模块内，每个
8、功能模块内，CPUCPU有自己的运行环境（总线、存储有自己的运行环境（总线、存储器、操作系统等），各功能模块之间采用松耦合，即在空间器、操作系统等），各功能模块之间采用松耦合，即在空间上可以较分散，通过一条外部通信链路连接在一起，采用通上可以较分散，通过一条外部通信链路连接在一起，采用通信的方式交换信息和共享资源。信的方式交换信息和共享资源。 （3 3）多主结构）多主结构 多主结构的多微处理器多主结构的多微处理器CNCCNC装置中有两个或两个以上主装置中有两个或两个以上主CPUCPU及其功能模块对系统资源有控制或使用权，这些功能及其功能模块对系统资源有控制或使用权，这些功能模块之间采用紧耦合，
9、即采用总线互连方式，有集中的操模块之间采用紧耦合，即采用总线互连方式，有集中的操作系统，可共享资源。作系统，可共享资源。多个主多个主CPUCPU之间通过总线仲裁器来解决并行总线的争用问之间通过总线仲裁器来解决并行总线的争用问题，通过公共存储器来交换信息。题，通过公共存储器来交换信息。典型的有共享总线结构、共享存储器结构。典型的有共享总线结构、共享存储器结构。 1 1）功能模块）功能模块CNCCNC管理模块：管理模块：主要完成初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别主要完成初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能，负责管理和组织整个和处理、系统硬件与软件诊断等功能
10、，负责管理和组织整个CNCCNC装置有装置有条不紊地工作。条不紊地工作。CNCCNC插补模块：插补模块：主要完成插补前预处理和实时插补计算。主要完成插补前预处理和实时插补计算。位置控制模块：位置控制模块：负责对插补输出的指令位置（或位移）和检测反馈的实负责对插补输出的指令位置（或位移）和检测反馈的实际位置（或位移）进行比较并获得位置偏差，进行速度和位置控制。际位置（或位移）进行比较并获得位置偏差，进行速度和位置控制。PLCPLC（或或PMCPMC）模块：模块：负责对零件程序中的开关量顺序控制指令负责对零件程序中的开关量顺序控制指令( (S S、M M、T)T)、来自机床操作面板的控制信号和机床
11、上各行程开关的信号进行逻来自机床操作面板的控制信号和机床上各行程开关的信号进行逻辑处理，实现机床的启停、换刀、转台分度、工件计数等功能，以及辑处理，实现机床的启停、换刀、转台分度、工件计数等功能，以及各功能和操作方式之间的联锁等。各功能和操作方式之间的联锁等。输入输出和显示模块：输入输出和显示模块：用于零件程序、参数和数据以及各种操作命令的用于零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入输出和各种信息的显示。输入输出和各种信息的显示。存储器模块：存储器模块：提供程序和数据存储的存储器以及各功能模块间数据传送提供程序和数据存储的存储器以及各功能模块间数据传送用的共享存储器用的共享存储器。 2 2）
12、共享总线结构）共享总线结构 主模块主模块从模块从模块3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 （三）专用型结构和通用型结构 1 1专用型结构专用型结构： 由各制造厂专门设计和制造，具有布局合由各制造厂专门设计和制造，具有布局合理、结构紧凑、专用性强等优点。封闭式的体系理、结构紧凑、专用性强等优点。封闭式的体系结构。如结构。如FANUCFANUC系统、系统、SIEMENSSIEMENS系统、美国系统、美国A-BA-B系统系统等。目前在生产中使用的数控设备大多数都是采等。目前在生产中使用的数控设备大多数都是采用这类用这类CNCCNC装置。装置。 2 2通用型结构：通用型结构： 以工业以工业PCPC机
13、作为硬件支撑平台，再根据数控机作为硬件支撑平台，再根据数控功能的需要插入专用控制卡，与数控软件一起构功能的需要插入专用控制卡，与数控软件一起构成相应成相应CNCCNC装置。开放性和可维修性好。目前，世装置。开放性和可维修性好。目前，世界各国都在致力于这类界各国都在致力于这类CNCCNC系统的研发。美国系统的研发。美国ANILAMANILAM公司和公司和AIAI公司生产的公司生产的CNCCNC装置均属这种类装置均属这种类型。型。 （四）封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构 1 1封闭式结构封闭式结构 封闭式结构封闭式结构CNCCNC装置的功能扩展、改变和维修，都必
14、须求助装置的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商，对用户来说这些方面是不开放的。于系统供应商，对用户来说这些方面是不开放的。 FANUC FANUC 0 0、MITSUBISHIM MITSUBISHIM 5050、SIEMENS SIEMENS 810810等系统都属于等系统都属于封闭体系结构的封闭体系结构的CNCCNC系统。系统。2 2PCPC嵌入嵌入NCNC式结构式结构 采用在采用在CNCCNC装置内部加装装置内部加装PCPC的方法来进一步扩展功能，使的方法来进一步扩展功能，使CNCCNC系统具有一定的开放性。但由于其基础部分仍然是传统的系统具有一定的开放性。但由于其基础部分仍然
15、是传统的CNCCNC系统，其体系结构还是不开放的，用户无法介入系统的核系统，其体系结构还是不开放的，用户无法介入系统的核心。心。FANUC FANUC 18i18i和和1616i i、SIEMENS SIEMENS 840D840D、Num Num l060l060、AB AB 9 9360360等等CNCCNC系统均是这种结构，其结构复杂、功能强大，但价格昂系统均是这种结构，其结构复杂、功能强大，但价格昂贵。贵。 3 3NCNC嵌入嵌入PCPC式结构式结构这类这类CNCCNC系统由开放式体系结构的运动控制卡加系统由开放式体系结构的运动控制卡加PCPC机构成。机构成。运动控制卡本身就是一个运动
16、控制卡本身就是一个CNCCNC系统，可以单独使用，通常选系统，可以单独使用，通常选用高速用高速DSPDSP作为作为CPUCPU，具有很强的运动控制和顺序逻辑控制能具有很强的运动控制和顺序逻辑控制能力。力。美国美国Delta Delta TauTau公司用公司用PMACPMAC多轴运动控制卡构造的多轴运动控制卡构造的PMAC CNCPMAC CNC系统、日本系统、日本MAZAKMAZAK公司用三菱电机的公司用三菱电机的MELDAS MAGIC 64MELDAS MAGIC 64构造的构造的MAZATROL 640 CNCMAZATROL 640 CNC数控系统等。数控系统等。 4 4软件型开放式结构软件型开放式结构 数控软件全部装在计算机中，用户只需选配计算机及其与伺数控软件全部装在计算机中，用户只需选配计算机及其与伺服系统和外设之间的标准化接口。用户可以在服系统和外设之间的标准化接口。用户可以在Windows NTWindows NT平平台上，利用开放的台上，利用开放的CNCCNC内核，开发所需的各种功能，构成各内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能种类型的高性能CNCCNC系
