CNC系统的软硬件结构

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1、第三章 CNC系统的软硬件结构第一节 概述第二节 CNC装置的硬件结构一、CNC装置的硬件构成二、单微处理器结构三、多微处理器结构第三节 CNC装置的功能及特点一、CNC装置的功能二、CNC装置的特点第四节 CNC装置的软件结构一、CNC装置的多任务并行处理二、CNC装置的软件结构第一节第一节 概概 述述 数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成的一个系统。CNC系统的核心是CNC装置，CNC装置的性能决定数控系统的性能。CNC装置主要用于控制

2、机床的运动,完成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种曲线加工，CNC装置都执行同一基本流程，即首先读取零件程序，再进行程序段的译码和预处理，然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制。下图为CNC装置的基本控制流程。输入译码、预处理插补位置控制电机 第二节第二节 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。 CNC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，两者缺一不可。软件包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由零件加工程序的输入输出程序、显示程序和诊断程序等组成。控

3、制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成。 一、CNC装置的硬件构成CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。各组成部分的作用如下：中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。位置控制 主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。图3-2 CNC装置硬件构成CP

4、UEPROMRAM输入接口输出接口MDICRT接口位置控制其它接口磁带或磁盘机接 口总线 二、单微处理器结构 CNC装置硬件结构一般分为单微处理器结构和多微处理器结构。 在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各项任务。有的CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。单微处理器CNC装置组成框图如下图所示。图3-5 单微处理器CNC装置组成框图总线CPUEPROMRAMMDI/

5、CRT接口PLC纸带阅读机接口I/O接口位置控制穿孔机、电传机接口通信接口数控面板CRT纸带阅读机纸带穿孔机电传机机床速度控制单元M 单微处理器CNC装置组成硬件的作用 微处理器微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施：采用协处理器；由硬件完成一部分插补工作；采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。经济型CNC装置常采用8位的微处理器芯片或采用单片机芯片(8位或16位)作为微处理器，一般CNC装置通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的C

6、NC装置都采用64位微处理器芯片。 2. 总线总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。 (1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，采用单向线。 (2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。 (3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。 3. 存储器存储器是用来存放数据、参数和程序的。(1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的EPR

7、OM有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。(2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。(3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。 4. PLCPLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序进行逻辑运算来实现M、S、T功能的译码与控制。PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC是CNC装置的一个部件，可以共享CNC装置的CPU，也可以配置单独的CPU。独立型PLC完全独立于CNC装置，本身具有完备的硬件（CPU、ROM、RAM等）和软

8、件，可以独立完成规定的控制任务。 5. 位置控制CNC装置中的位置控制模块和速度控制单元、位置检测及反馈控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐标位置控制，包括工作台的前后左右移动、主轴箱的移动及绕某一直线坐标轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。 6. I/O接口接口对CNC装置来说,由机床向CNC传送的信号称为输入信号，由CNC向机床传送的信号称为输出信号。输入输出信号的主要类型有：直流数字输入信号，直流数字输出信号，直流模拟输出信号，直流模拟输入信号，交流输入信号，交流输出信号。直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它接收、发送模拟

9、量信号的设备。交流信号用于直接 控制功率执行器件。接口电路的主要任务：进行电平转换和功率放大。为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的信号进行电气隔离。采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之间要接入D/A和A/D转换电路。信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响，会发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施并限制信号的传输距离。 CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置； 结构简单，容易实现； 单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其

10、功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。 单微处理器单微处理器CNC装置的结构特点装置的结构特点 三、多微处理器结构多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。紧耦合结构中，各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在松耦合结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高

11、进给速度、高精度、高效率的数控要求。（一）多微处理器多微处理器CNC装置的基本功能模块装置的基本功能模块模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。CNC管理模块管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。CNC插补模块插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。位置控制模块位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速

12、度控制的模拟电压，驱动进给电机。存储器模块存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。PLC模块模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。指令、数据的输入输出及显示模块指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。 （二）多微处理器多微处理器 CNC装置的典型结构装置的典型结构 多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。共享总线结构在共享总线结构中，将各功

13、能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。下图共享总线结构框图。CNC管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线 共享存储器结构共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。下图为共享存储器结构框图。插补（CPU2

14、）来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共 享存储器 （三）多微处理器结构的特点多微处理器结构的特点为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。 多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。 能够进行多种语言显示。第三节 CNC装置的功能及特点CNC装置采用了微处理器、存储器、接口芯片等，通过软件实现

15、过去难以实现的许多功能，因此CNC装置的功能要比过去的NC装置的功能丰富得多，更加便于适应数控机床的复杂控制要求。一、CNC装置的功能数控装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC装置的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能指令代码上。下面简要介绍以下CNC装置的功能。 控制功能控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时CNC装置就越复杂，编制零件加工程序

16、也就越困难。 准备功能准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环等指令。它用地址G和它后续的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00G99共100种。 插补功能CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。

17、 固定循环加工功能用数控机床加工零件，一些典型的加工工序，如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削、切螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。固定循环中的G代码指令的动作程序要比一般的G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。 进给功能进给功能用F直接指令各轴的进给速度 进给速度表示刀具每分钟移动的距离,单位是mm/min 同步进给速度为主轴每转时进给轴的进给量,单位是mm/r。 快速进给速度它是通过参数设定的，用G00指令指定，同时可以通过操作面板上的快速倍率开关修正。 进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，可以对程

18、序中指定的F值进行修正。倍率可在0%200%之间变化。 主轴功能主轴功能就是指定主轴转速的功能，用地址S和它后续的数值表示，单位是r/min。主轴的转向要用M03、M04指令指定。 辅助功能辅助功能是数控加工中不可缺少的辅助操作，用地址M和它后续的数字表示。在ISO标准中，可有M00M99共100种。辅助功能用来规定主轴的起、停，冷却液的开、关等。 刀具功能刀具功能是用来选择刀具，用地址T和它后续的数值表示。刀具功能一般要和辅助功能一起使用。 补偿功能加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此CN

19、C装置设计了补偿功能，它可以把刀具长度、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，它就按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。 字符显示功能CNC装置可以配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀具运动轨迹等。（十一）自诊断功能CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。（十二）通信功能通常具有RS232C接口，有还备有DNC接口。现在部分数控机床还具有网卡，可以接

20、入互联网。（十三）在线编程功能此功能可以在数控加工过程中进行，因此不占用机时。在线编程时使用的自动编程软件有：人机交互式自动编程系统、APT语言编程系统、蓝图直接编程系统等。（一）具有灵活性与NC装置相比，灵活性是CNC装置的主要特点，只要改变系统软件，就可以改变和扩展其功能。（二）具有通用性在CNC装置中，硬件有多种通用的模块化结构，而且易于扩展，主要依靠系统软件变化来满足机床的各种不同要求。（三）可靠性高CNC装置的零件程序在加工前被一次送入存储器，并经过检查后方可调用。许多功能由软件实现，硬件结构大大简化，特别是采用大规模和超大规模集成电路，使可靠性得到很大提高。（四）具有丰富的数控功能

21、CNC装置利用计算机的计算能力，可以实现许多复杂的数控功能，如高次曲线插补、动态图形显示、各种补偿功能等。（五）使用维修方便由于CNC装置具有诊断功能，使维修变得容易。又由于具有编程功能，使编程变得简单。这些都表现出较好的使用性。 二、CNC装置的特点装置的特点第四节 CNC装置的软件结构 一、CNC装置的多任务并行处理CNC装置的系统软件必须完成管理和控制两项任务。CNC装置的管理任务包括输入、I/O处理、显示、诊断等；控制任务控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。在许多情况下，CNC装置中的管理和控制的某些工作必须同时进行，即所谓的并行处理，这是由CNC装置的工作特点决定

22、的。例如，在加工过程中，显示任务与控制任务必须同时执行，同时在控制软件的运行中，其本身的各项处理任务也需要同时执行。如译码、刀具补偿、和速度处理任务需和插补任务同时执行，插补任务又需和位置控制任务同时进行。下图给出各任务之间的并行处理关系，图中的双箭头表示两者之间有并行处理关系。图3- 多任务并行处理示意图二、CNC装置的软件结构常见的CNC装置软件结构有前后台式软件结构和中断式软件结构。 前后台式软件结构前后台式软件结构适合于采用集中控制的单微处理器结构的CNC装置。在这种软件结构中，CNC系统软件由前台程序和后台程序组成。前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，这些功能都与机床动

23、作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中实时中断程序不断插入，前后台程序相互配合完成加工任务。图3- 为前后台式软件结构示意图。图3- 前后台式软件结构示意图中断式软件结构 中断式软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。中断式软件结构适用于多微处理器结构的CNC装置。习 题 CNC系统由哪几部分组成？ CNC装置的基本控制流程是什么？ CNC装置硬件结构由哪几种形式，其特点分别是什么？ 多微处理器的CNC装置包括哪些基本功能模块，各功能模块的主要作用什么？ CNC装置的系统软件必须完成哪两项任务，其内容是什么？ 常见的CNC装置的软件结构形式有哪两种？它们适合的对象是什么？