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1、第第4章章 数控系统的硬件和软件数控系统的硬件和软件4.1 概述概述4.2 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 4.3 数控系统的数控系统的I/O接口接口 4.4 数控系统的通信数控系统的通信 4.5 数控系统的软件结构数控系统的软件结构 4.6 数控机床用可编程序控制器数控机床用可编程序控制器 4.1 概述概述4.1.1 计算机数控系统的概念计算机数控系统的概念 按照美国电子工业协会按照美国电子工业协会(Electronic Industries Association-EIA)数控标准化委员会的定义，计算机数控标准化委员会的定义，计算机数控数控(CNC)系统是用计算机通过执行其存储器内的
2、程序来完系统是用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。的一种专用计算机系统。下一页 返回4.1 概述概述 CNC系统根据输入的程序系统根据输入的程序(或指令或指令)，由计算机进行插补，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹。插补计算出的位置数据输出到运算，形成理想的运动轨迹。插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电动机带动执行机构，加工出所需要的零件。伺服单元，控制电动机带动执行机构，加工出所需要的零件。 CNC系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装系统是由程序、
3、输入输出设备、计算机数字控制装置置(CNC装置装置)、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱、主轴驱动和进给驱动装置等组成。数控系统的核心是动装置等组成。数控系统的核心是CNC装置，如装置，如图图4-1所示。所示。下一页上一页返回4.1 概述概述4.1.2 计算机数控装置的组成计算机数控装置的组成 CNC装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器（装置由硬件和软件组成。硬件由微处理器（CPU）、）、存储器、位置控制、输入存储器、位置控制、输入/输出（输出（I/O）接口、可编程序控）接口、可编程序控制器（制器（PLC）、图形控制、电源等模块组成，硬件组成如）、图形控制、电源等模块组
4、成，硬件组成如图图4-2所示。软件则由系统软件和应用软件组成。为了实现所示。软件则由系统软件和应用软件组成。为了实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系系统各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。在系统软件的控制下，统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件由管理软并发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件由管理软件和控制软件组成，如件和控制软件组成，如图图4-3所示。管理软件承担零件加工所示。管理软件承担零件加工程序的输入输出、程序的输入输出、I/O处理、系统的显示和故障诊断。控制处理
5、、系统的显示和故障诊断。控制软件则承担译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位软件则承担译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位置控制等工作。置控制等工作。下一页上一页返回4.1 概述概述1计算机数控装置中的微型计算机计算机数控装置中的微型计算机 微型计算机（以下简称微机）是计算机数控装置中的核微型计算机（以下简称微机）是计算机数控装置中的核心，与通用计算机一样，它包括中央处理器心，与通用计算机一样，它包括中央处理器(CPU)、内部存、内部存储器、储器、I/O接口以及时钟、译码等辅助电路。接口以及时钟、译码等辅助电路。下一页上一页返回4.1 概述概述 中央处理器中央处理器(CPU)由运算器
6、和控制器两部分组成。运算由运算器和控制器两部分组成。运算器是对数据进行算术和逻辑运算的部件。在运算过程中，运器是对数据进行算术和逻辑运算的部件。在运算过程中，运算器不断地得到由存储器提供的数据，并将运算的中间结果算器不断地得到由存储器提供的数据，并将运算的中间结果送回存储器暂时保存起来。控制器从存储器中依次取出组成送回存储器暂时保存起来。控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执程序的指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。行操作的控制信号，使指令得以执行。 下一页上一页返回4.1 概述概述 存储器用于存储系统软件和
7、零件加工程序，并将运算的存储器用于存储系统软件和零件加工程序，并将运算的中间结果以及处理后的结果储存起来。它包括存放系统控制中间结果以及处理后的结果储存起来。它包括存放系统控制软件的存储器软件的存储器(ROM)和存放中间数据的存储器和存放中间数据的存储器(RAM)两部两部分。分。ROM中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入的，用来完成的，用来完成CNC系统的各项功能。系统的各项功能。 下一页上一页返回4.1 概述概述 输输入入/输输出出接接口口是是中中央央处处理理器器和和外外界界联联系系的的通通路路，它它提提供供物物理理的的连连接接手手段段，完
8、完成成必必要要的的数数据据格格式式和和信信号号形形式式的的转转换换。I/O接接口口按按功功能能可可分分为为两两类类：一一类类连连接接常常规规的的输输入入输输出出设设备备以以实实现现程程序序的的输输入入输输出出及及人人机机交交互互的的界界面面，称称之之为为通通用用的的I/O接接口口；另另一一类类则则连连接接专专用用的的控控制制和和检检测测装装置置，实实现现机机床床的的位位置置和和工工作作状状态态的的控控制制与与检检测测，这这是是CNC系系统统专专有有的的，称称之为机床控制之为机床控制I/O接口。接口。下一页上一页返回4.1 概述概述2输入输入/输出装置输出装置 输入输入/输出部分包括各种类型的输
9、入输出部分包括各种类型的输入/输出设备（又称外输出设备（又称外部设备）以及输入部设备）以及输入/输出接口控制部件。其外部设备主要包括输出接口控制部件。其外部设备主要包括光电阅读机、光电阅读机、CRT显示器、键盘、穿孔机以及面板等。其中显示器、键盘、穿孔机以及面板等。其中光电阅读机是用来输入系统程序和零件加工程序的；光电阅读机是用来输入系统程序和零件加工程序的；CRT作作为显示器及监控之用；键盘主要用作输入操作命令及编辑修为显示器及监控之用；键盘主要用作输入操作命令及编辑修改数据，也可以用作少量零件加工程序的输入；穿孔机则作改数据，也可以用作少量零件加工程序的输入；穿孔机则作为复制零件程序纸带之
10、用，以便保存和检查零件程序；操作为复制零件程序纸带之用，以便保存和检查零件程序；操作面板可供操作员改变操作方式，输入设定数据以及启停加工面板可供操作员改变操作方式，输入设定数据以及启停加工等。典型的输入等。典型的输入/输出接口控制部件有纸带输入机接口、盒式输出接口控制部件有纸带输入机接口、盒式磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控制接磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控制接口以及字符显示器（口以及字符显示器（CRT）接口等。）接口等。下一页上一页返回4.1 概述概述3可编程序控制器（可编程序控制器（PLC） 数控机床的控制在控制侧数控机床的控制在控制侧(即即NC侧侧)有各
11、坐标轴的运动有各坐标轴的运动控制，在机床侧控制，在机床侧(即即MT侧侧)有各种执行机构的逻辑顺序控制。有各种执行机构的逻辑顺序控制。可编程序控制器处于可编程序控制器处于NC和和MT之间，对之间，对NC和和MT的输入、输的输入、输出信息进行处理，用软件实现机床侧的控制逻辑，亦即用出信息进行处理，用软件实现机床侧的控制逻辑，亦即用PLC提高提高 CNC系统的灵活性、可靠性和利用率，并使结构更系统的灵活性、可靠性和利用率，并使结构更紧凑。紧凑。下一页上一页返回4.1 概述概述 数控机床用可编程序控制器有内装型数控机床用可编程序控制器有内装型(Built in Type)和独立型和独立型(Stand-
12、alone Type)两种。两种。 PLC的应用程序的应用程序(Application Program)，即，即PLC程程序，通常用梯形图表示。编制序，通常用梯形图表示。编制PLC程序的设备有程序的设备有PLC专用编专用编程机、编程器、有程机、编程器、有PLC编程功能的编程功能的CNC系统或配有系统或配有PLC编程编程系统软件的个人计算机系统软件的个人计算机(或工作站或工作站)。下一页上一页返回4.1 概述概述4位置控制装置位置控制装置 位置控制装置由伺服机构和执行元件组成。伺服机构包位置控制装置由伺服机构和执行元件组成。伺服机构包括速度控制单元和位置控制单元两部分。经插补运算得到的括速度控制
13、单元和位置控制单元两部分。经插补运算得到的每个坐标轴在单位时间间隔内的位移量送往位置控制单元，每个坐标轴在单位时间间隔内的位移量送往位置控制单元，由它生成伺服电动机速度指令发往速度控制单元。速度控制由它生成伺服电动机速度指令发往速度控制单元。速度控制单元接收速度反馈信号，对伺服电动机进行速度闭环控制；单元接收速度反馈信号，对伺服电动机进行速度闭环控制；同时位置控制单元接收实际位置反馈，并修正速度指令，实同时位置控制单元接收实际位置反馈，并修正速度指令，实现机床运动的准确控制。执行元件可以是交流或直流伺服电现机床运动的准确控制。执行元件可以是交流或直流伺服电动机。动机。下一页上一页返回4.1 概
14、述概述4.1.3 计算机数控装置的工作原理计算机数控装置的工作原理 CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码处理、数据处理、刀具补偿、速度控制逻辑，对输入、译码处理、数据处理、刀具补偿、速度控制、插补运算与位置控制、制、插补运算与位置控制、I/O处理、显示和诊断等方面进处理、显示和诊断等方面进行控制。行控制。下一页上一页返回4.1 概述概述1输人输人 输入到输入到CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。常用的输入方式有键盘手动输入、光电阅读机纸带输入、据。常用的输入方式有键盘
15、手动输入、光电阅读机纸带输入、磁盘输入、磁带输入、通信接口磁盘输入、磁带输入、通信接口RS-232输入、连接上一级输入、连接上一级计算机的计算机的 DNC接口输入以及通过网络通信方式输入。接口输入以及通过网络通信方式输入。CNC装置在输入过程中还需完成程序检验和代码转换等工作。输装置在输入过程中还需完成程序检验和代码转换等工作。输入的全部信息存放在入的全部信息存放在CNC装置的内部存储器中。装置的内部存储器中。下一页上一页返回4.1 概述概述2译码处理译码处理 译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理，每译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理，每个程序段中含有零件的轮廓信息、要求的加
16、工速度以及其他个程序段中含有零件的轮廓信息、要求的加工速度以及其他的辅助信息的辅助信息(换刀、切削液开停等换刀、切削液开停等)，这些信息在计算机作插，这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前必须翻译成计算机内部能识别的语言，补运算与控制操作之前必须翻译成计算机内部能识别的语言，译码程序就承担着此项任务。在译码过程中，还要完成对程译码程序就承担着此项任务。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。下一页上一页返回4.1 概述概述3数据处理数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。一般来说，对输入数据处理的程序的实时助功能的处理等。一般来说，对输入数据处理的程序的实时性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。下一页上一页返回4.1 概述概述4插补运算及位置控制插补运算及位置控制 插补运算程序完
