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1、CNC第四章计算机数控装置硬件电路伺服系统数控机床第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置计算机计算机硬件电路硬件电路伺服系统伺服系统数控机床数控机床数控指令输入数控指令输入本章内容本章内容 概述概述 CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）典型的典型的CNCCNC系统简介系统简介 CNC装置装置CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.1 4.1 概述概述从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速系统是一种位置、速度（还包
2、括电流）控制系统，其本质上是以多执行度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件部件(各运动轴各运动轴)的的位移量、速度位移量、速度为控制对象并使其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。统的计算机控制系统。从外部特征来看，从外部特征来看，CNC系统是由系统是由硬件（通用硬件硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。两大部分组成的。CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNCCNC系统平台系统平台操作系统操作系统硬硬件件管理软件管理软件控制软件控制软件接接口
3、口4.1 4.1 概述概述数控加工程序数控加工程序被控设备被控设备机机 床床机器人机器人测量机测量机.主轴电机进给伺服电机机床控制面板CNCCNC键盘第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置I/O模块等PC+CNC+PLC驱动系统电子手轮CNC4.1 4.1 概述概述CNC系统基本组成系统基本组成第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置 CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，二者缺一不可。软件硬件便无法工作，二者缺一不可。CNC4.1 4.1 概述概述第四章第四章计算机数控装置计算机数控装置 CNC装置
4、软件装置软件系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输输入入程程序序输输出出程程序序显显示示程程序序诊诊断断程程序序译译码码程程序序补补偿偿计计算算速速度度控控制制插插补补程程序序位位控控程程序序 图图4.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 软件结构软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、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。特殊的（或称专用的）计算机操作系统。功能特征功能特征:其操作系统由其操作系统由CNC管理软件和管理软件和CNC控制控制软件两部分组成。它是软件两部分
5、组成。它是CNC系统的灵魂。系统的灵魂。CNC4.1 4.1 概述概述CNC装置的组成装置的组成 第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置 CNC装置硬件组成装置硬件组成CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.1 4.1 概述概述CNC系统工作过程系统工作过程输入输入译码译码数据处理数据处理插补插补将各个坐标轴的分量送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，带动各轴运动动机，带动各轴运动实时位置反馈控制，使各个坐标实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。轴能精确地走到所要求的位置。1
6、 1）输入）输入输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式输入方式磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的接口输入及连接上位计算机的DNCDNC接口输入。接口输入。CNC2）译码：）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。内存专用区内。3）数据处理）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。：包括刀
7、具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：）插补：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“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5）位置控制：）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。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：处理处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。制。7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置
8、、机床状态等。8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构CNC装置的硬件结构装置的硬件结构按其中含有按其中含有CPU的多少可分为：的多少可分为：单单微处理机结构和微处理机结构和多多微处理机结构；微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为：大板大板结构和结构和模块化模块化结构。结构。第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单单微处理机微处理机1.1.
9、单微处理器数控装置单微处理器数控装置:以一个以一个CPU（中央（中央处理器）为核心，处理器）为核心，CPU通过总线与存储通过总线与存储器和各种接口相连接，采取器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理集中控制、分时处理的工作的工作方式，完成数控加工各个任务。方式，完成数控加工各个任务。一个微处理器完成所有的功能一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构采用总线结构 结构简单，易于实现结构简单，易于实现 功能受限制功能受限制单微处理器结构组成：单微处理器结构组成：微处理器（微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；运算、控制）、存储器、总线、接口；第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC
10、4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理机单微处理机CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口可编程可编程控制控制MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理机单微处理机存储器：存储器：只读存储器（只读存储器（ROM）：系统程序；：系统程序；随机存储器（随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息；据、
11、运行中的状态、标志信息；CMOSRAM或磁泡存储器或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参：加工的零件程序、机床参数、刀具参数；数、刀具参数；CNC4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理机单微处理机位置控制单元：位置控制单元：对进给运动的坐标轴位置进行控制（对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置包括位置和速度控制和速度控制）；）；对主轴控制，一般只包括速度控制；对主轴控制，一般只包括速度控制；C轴位置控制：轴位置控制：包括位置和速度控制；包括位置和速度控制；刀库位置控制（简易位置控制）。刀库位置控制（简易位置控制）。第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC第四章
12、第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机2.多微处理器结构多微处理器结构在一个数控系统中有在一个数控系统中有两个或两个以上两个或两个以上的微处理器，分的微处理器，分别实现相应的数控功能。别实现相应的数控功能。特点：特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实能实现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，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。通过系统重组仍可断继续工作。CNC第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置4.2
13、CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机2.多微处理机结构多微处理机结构结构形式结构形式：主从式、分布式、总线式。：主从式、分布式、总线式。主从式：主从式：主控主控CPUCPU、从控、从控CPUCPU，主控，主控CPUCPU才能控制和访问才能控制和访问总线，通过总线对从控总线，通过总线对从控CPUCPU控制、监视、协调。控制、监视、协调。分布式：分布式：各各CPUCPU独立、完整，通过外部通信链路连接起独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。总线式（多主式）：总线式（多主式）：主总线连接多个主
14、总线连接多个CPUCPU，可直接访问，可直接访问所有系统资源所有系统资源,通过总线仲裁器解决总线争用问题。通过总线仲裁器解决总线争用问题。典型结构典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。共享总线型、共享存储器型及混合型结构。CNCFANUC BUS操作面板操作面板图形显示图形显示模块模块(CPU)通信模块通信模块(CPU)自动编程模块自动编程模块(CPU)主存储主存储器模块器模块插补模块插补模块(CPU)PLC模块模块(CPU)I/O单元单元位置控制模块位置控制模块(CPU)伺服驱动单元伺服驱动单元主轴控制模块主轴控制模块(CPU)主轴单元主轴单元FANUC 15系统硬件结构系统硬件结
15、构4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机1)1)共享总线结构共享总线结构CRT/MDI第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机1 1）共享总线结构的特征：）共享总线结构的特征：功能模块分为带有功能模块分为带有CPU的主模块和从模块的主模块和从模块（RAM/ROM，I/O模块）模块）；以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；的标准系统总线上；采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使采用总线仲裁机
16、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。用系统总线的竞争问题。第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机2)共享存储器结构共享存储器结构I/OI/O(CPU)(CPU)公共存公共存储器储器插补插补(CPU)(CPU)多多CPUCPU共享存储器框图共享存储器框图从机床来的控制信号从机床来的控制信号CRTCRT(CPU)(CPU)至机床的控制信号至机床的控制信号轴控制轴控制（CPUCPU）第四章第四章 计算机数控装置计算机数控装置CNC4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构多微处理机多微处理机2 2）共享存储器结构的特征：）共享存储器结构的特征：面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；块之间的互连和通讯；采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的由于多端口存储器设计较复杂，而且对两
