1、1第第2 2章章 數控系統數控系統本章內容：本章內容：1.CNC1.CNC的組成、工作過程、功能與特點的組成、工作過程、功能與特點2.CNC2.CNC的硬件結構的硬件結構3.CNC3.CNC系統的軟件結構系統的軟件結構4.CNC4.CNC系統的插補原理系統的插補原理22.12.1 數控系統的總體結構和各部分功能數控系統的總體結構和各部分功能2.1.1 2.1.1 數控系統的總體結構數控系統的總體結構 數控系統的工作過程數控系統的工作過程： 數控機床加工零件，首先必須將被加工零件的幾何數據和工藝數據按規定的代碼和程序格式編寫加工程序，然后將所編寫程序指令輸入到機床的數控系統中，數控系統再將程序（

2、代碼）進行譯碼、數據處理、插補運算，向機床各個坐標的伺服機構和輔助控制裝置發出信息和指令，驅動機床各運動部件，控制所需要的輔助運動，最后加工出合格零件。這些信息和指令包括：各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量、各狀態的控制信號。 3 數控系統的結構（FANUC-6MB）4CNCCNC系統的組成及特點系統的組成及特點CNC是在NC的基礎上發展起來的，其部分或全部控制功能通過軟件來實現。只要更改控制程序，無需更改硬件電路，就可改變控制功能。因此，CNC系統在通用性、靈活性、使用范圍等諸方面具有更大的優越性。5CNCCNC系統的組成系統的組成CNC數控系統由程序、輸入輸出設備、計算機數字控制系統

3、、可編程邏輯控制器(PLC)、主軸驅動裝置和進給驅動裝置等組成，習慣上稱為CNC系統。 CNC系統由硬件和軟件組成，軟件在硬件的支持下運行，離開軟件硬件便無法工作，二者缺一不可。 6CNCCNC系統的組成系統的組成（1 1）CNCCNC系統硬件的層次結構系統硬件的層次結構由計算機基本系統、設備支持層、設備層三部分組成。計計 算算 機機 基基 本本 系系 統統設設備備層層設設備備支支持持層層接 口人機控制運動控制PMC其他I/O其他設備計算機系統顯示設備輸入/出設備機 床機器人測量機 .CNC系統硬件的層次結構7CNCCNC系統的組成系統的組成（2） CNC系統軟件的功能結構 CNC系統軟件是具

4、有實時性和多任務性的專用操作系統，該操作系統由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。其結構框圖如圖所示。8操作系統管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機交互交互位置控制輸入輸出管理插補運算故障診斷處理速度處理機床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補償.3-2 CNC 軟件系統功能框圖9CNCCNC系統的組成系統的組成（3 3）CNCCNC硬件軟件的作用和相互關系硬件軟件的作用和相互關系 CNC系統的系統軟件在系統硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統的各項工作，實現各種數控功能，使數控機床按照操作者的要求，有條不紊地進行加工。 CNC系統的硬件和軟件構成了CNC系統的系統平臺，如圖所示。1

5、0CNCCNC系統的組成系統的組成CNC系統平臺系統平臺硬件硬件操作系統操作系統管理軟件管理軟件應用軟件應用軟件控制軟件控制軟件數控加工程序數控加工程序 接接口口被控設備被控設備 機機 床床 機器人機器人 測量機測量機 .11CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理 CNC系統在其硬件環境支持下，按照系統監控軟件的控制邏輯，對輸入、譯碼、刀具補償、速度規劃、插補、位置控制、IO口處理、顯示和診斷等方面進行控制。（1）輸入數據處理程序 輸入數據處理程序接收輸入的零件加工程序，將其用標準代碼表示的加工指令和數據進行編譯、整理，按所規定的格式存放。有些系統還要進一步進行刀具半徑偏移的計算，或為插補運

6、算和速度控制等進行一些預處理。12CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理輸入數據處理程序一般包括下面三項內容： 輸入 譯碼 數據處理13CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理（2）插補運算及位置控制程序 插補運算程序完成CNC系統中插補器的功能，即實現坐標軸脈沖分配的功能。 脈沖分配包括點位、直線以及曲線三個方面。 插補運算的結果輸出，經過位置控制部分(這部分工作既可由軟件完成，也可由硬件完成)控制伺服系統運動，控制刀具按預定的軌跡加工。位置控制的主要任務是在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電動機。14CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理（

7、3）速度控制程序 編程所給的刀具移動速度是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動坐標方向的分速度。速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度，即根據給定的速度代碼(或其他相應的速度指令)，控制插補運算的頻率，以保證按預定速度進給。 速度控制可以用兩種方法實現：一種是用軟件方法，如程序計數法實現；另一種用定時計數電路由外部時鐘計數，運用中斷方法來實現。15CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理（4）系統管理程序 為數據輸入、處理及切削加工過程服務的各個程序均由系統管理程序進行調度，因此，它是實現CNC系統協調工作的主體軟件。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、

8、故障信號等引起的中斷進行處理。水平較高的管理程序可使多道程序并行工作。有的管理程序還安排進行自動編程工作，或對系統進行必要的預防性診斷。16CNCCNC系統的工作原理系統的工作原理（5）診斷程序 診斷程序可以在運行中及時發現系統的故障，并指示出故障的類型。也可以在運行前或發生故障后，檢查各種部件(接口、開關、伺服系統)的功能是否正常，并指出發生故障的部位。還可以在維修中查找有關部件的工作狀態，判別其是否正常，對于不正常的部件給予顯示，便于維修人員能及時處琿。17CNCCNC系統的特點系統的特點（1）具有靈活性和通用性qCNC系統的功能大多由軟件實現，且軟硬件采用模塊化的結構，使系統功能的修改、

9、擴充變得較為靈活。qCNC系統其基本配置部分是通用的，不同的數控機床僅配置相應的特定的功能模塊，以實現特定的控制功能。18（2）數控功能豐富q插補功能：插補功能：二次曲線、樣條、空間曲面插補q補償功能：補償功能：運動精度補償、隨機誤差補償、非線性誤 差補償等q人機對話功能：人機對話功能：加工的動、靜態跟蹤顯示，高級人機對話窗口q編程功能：編程功能：G代碼、籃圖編程、部分自動編程功能。19（3）可靠性高qCNC系統采用集成度高的電子元件、芯片是可靠性的保證。q許多功能由軟件實現，使硬件的數量減少。q豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟件實現)，從而可使系統的故障發生的頻率和發生故障后的修復時間降低

10、。20（4）使用維護方便q操作使用方便：操作使用方便：用戶只需根據菜單的提示，便可進行正確操作。q編程方便：編程方便：具有多種編程的功能、程序自動校驗和模擬仿真功能。q維護維修方便：維護維修方便：部分日常維護工作自動進行(潤滑，關鍵部件的定期檢查等)，數控機床的自診斷功能，可迅速實現故障準確定位。21 （5）易于實現機電一體化 數控系統控制柜的體積小(采用計算機，硬件數量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減小)，使其與機床在物理上結合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。221 基本功能（數控系統都應具備） 控制功能，準備功能，插補功能，進給功能，主軸功能， 輔助功能，刀具管理功能，

11、顯示功能2 擴展功能 補償功能，自診斷功能、固定循環功能，通信功能，人機對話編程功能，圖形顯示功能等 數控系統的功能23 硬件 軟件 幾種典型的軟硬件界面的劃分程序輸入數據處理插補位控速控伺服電機測量計算機數控系統由硬件和軟件組成，數控系統軟件和硬件的功能界面：24 哪些功能由軟件來實現，哪些功能由硬件來實現，或怎樣確定軟件和硬件在數控系統中所承擔的任務。 四種功能界面的劃分，代表了不同時期的數控系統產品。數控系統發展的趨勢是軟件承擔的任務越來越多。這主要是由于計算機的運算處理能力不斷增強，使軟件運行的速度大大提高的結果。這種趨勢并不是一成不變的，隨著電子技術的發展，硬件的成本也在不斷降低，如

12、果硬件的制造可以做到象軟件一樣靈活，能夠根據特殊需求，專門制做的時候，硬件所擔負的功能還會逐步增加。 252. 2 數控系統的硬件結構數控系統的硬件結構 1、單處理器結構 單微處理器數控系統由于其結構簡單，價格低，在經濟型數控系統中應用廣泛。在單微處理器結構中，整個系統由一個微處理器來完成數據存儲和處理、插補運算、輸入輸出控制、顯示等功能,并對其進行控制和處理。采用集中控制、分時處理的控制方式。單個微處理器通過總線與存儲器、輸入輸出接口及其它接口相連，構成整個CNC系統。某些CNC系統雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制系統總線，占用總線資源，而其他微處理器只作為專用控制部

13、件，不能控制系統總線，不能訪問主存儲器，它們組成主從結構，故也歸于單微處理器結構中。262. 2 數控系統的硬件數控系統的硬件CPUEPROMRAMIN接口接口OUT接口接口紙帶紙帶閱讀機閱讀機MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口總總線線1、單微處理機數控系統27 用80C31單片機組成的簡易數控系統的硬件系統圖28CPU紙帶機接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能單微處理機數控系統的結構 29單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字

14、控制 微處理器 微處理器CPU是CNC系統的核心，主要由運算器和控制器兩部分組成。 運算器含算術邏輯運算、寄存器和堆棧等部件，對數據進行算術和邏輯運算。 控制器從存儲器中依次取出組成程序的指令，經過譯碼，向CNC系統各部分按順序發出執行操作的控制信號，使指令得以執行。同時接收執行部件發回來的反饋信息，控制器根據程序中的指令信息及這些反饋信息，決定下一步命令操作。30單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制 總線 總線是由賦予一定信號意義的物理導線構成，按信號的物理意義，可分為數據總線、地址總線、控制總線三組。數據總線為各部件之間傳送數據，數據總線的位數和傳送的數據寬度相等，采用雙方向線。地

15、址總線傳送的是地址信號，與數據總線結合使用，以確定數據總線上傳輸的數據來源地或目的地，采用單方向線。控制總線傳輸的是管理總線的某些控制信號，如數據傳輸的讀寫控制、中斷復位及各種確認信號，采用單方向線。31單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制存儲器 存儲器用于存放數據、參數和程序等。系統控制程序存放在可擦寫只讀存儲器(EPROM)中，即使系統斷電控制程序也不會丟失。程序只能被CPU讀出，不能隨機寫入，必要時可用紫外線擦除EPROM，再重寫監控程序。常用的EPROM有2732、2764、27128、27256、27512、27010等。 運算的中間結果存放在隨機存儲器(RAM)中，常用的R

16、AM有6264、62256等。存放在RAM中的數據能隨機地進行讀寫，但如不采取適當的措施，斷電后存放信息會丟失。32單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制 IO(輸入輸出)接口 CNC系統和機床之間的信號一般不直接連接，而通過輸入(Input)和輸出(Output)接口(IO)電路連接。接口電路的主要任務如下： 1）進行必要的電氣隔離，防止干擾信號引起誤動作。 2）進行電平轉換和功率放大。 33單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制 MDICRT接口 MDI手動數據輸入是通過數控面板上的鍵盤操作。當掃描到有鍵按下時，將數據送入移位寄存器，經數據處理判別該鍵的屬性及其有效，并進行相關

17、的監控處理。 CRT(陰極射線管)接口在CNC軟件控制下，在單色或彩色CRT(或LCD)上實現字符和圖形顯示，對數控代碼程序、參數、各種補償數據、坐標位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形和動態刀具軌跡等進行實時顯示。 34單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制位置控制模塊 速度控制、位置反饋等單元組成位置環控制模塊。機床數控系統對位置環的控制要求是無超調、無滯后、特性硬、抗干擾能力強；對速度環的要求是大慣性、大調速比(一般大于1：2000)、特性硬。下圖是位置環與速度環示意圖。 35單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制 可編程控制器 可編程控制器(Programmable

18、Logic Controller)簡稱PLC，替代傳統機床強電繼電器邏輯控制，利用邏輯運算實現各種開關量的控制。 CNC系統和PLC的數據交換和處理過程如下：1）CNC系統將要PLC處理的數據寫到DPRAM中；2）PLC從DPRAM中讀取數據，并進行相關邏輯檢測、邏輯 運算和處理；3）一方面PLC用處理的結果通過輸出接口控制機床電氣，另一方面將處理的狀態通過DPRAM反饋給CNC系統；4）CNC系統根據反饋結果，進行相關處理和顯示。36單處理器計算機數字控制單處理器計算機數字控制 通信接口 當CNC系統用作設備層和工作層控制器組成分布式數控系統DNC或柔性制造系統FMS時，還要與上級計算機或直

19、接數字控制器DNC進行數字通信。37 2、多微處理器結構 多微處理器數控系統可以滿足現代數控機床高速度、高精度、多功能的要求。在多微處理器結構中有兩個或兩個以上微處理器。多微處理器CNC系統采用模塊化技術，由多個功能模塊組成。有管理模塊、插補模塊、位置控制模塊、存儲器模塊、操作面板管理和顯示模塊以及PLC模塊等。多微處理器CNC系統在結構上可分為共享存儲器結構和共享總線結構 38（1）多微處理器CNC系統的基本功能模塊 多微處理器結構的CNC系統，一般由六種功能模塊組成，通過增加相應的功能模塊，可實現一些特殊功能。CNC管理模塊 該模塊組織和管理整個CNC系統各功能協調工作。CNC插補模塊該模

20、塊 根據前面的編譯指令和數據進行插補計算，按規定的插補類型通過插補計算為各個坐標提供位置給定值。39 位置控制模塊 插補后的坐標作為位置控制模塊的給定值，而實際位置通過相應的傳感器反饋給該模塊，經過一定的控制算法，實現無超調、無滯后、高性能的位置閉環。PLC模塊 零件程序中的開關功能和由機床來的信號在這個模塊中作邏輯處理，實現各功能和操作方式之間的連鎖，機床電氣設備的啟停、刀具交換、轉臺分度、工件數量和運轉時間的計數等。40 操作面板監控和顯示模塊 零件程序、參數、各種操作命令和數據的輸入(如軟盤、硬盤、鍵盤、各種開關量和模擬量的輸入、上級計算機輸入等)、輸出(如通過軟盤、硬盤、各種開關量和模

21、擬量的輸出、打印機)、顯示(如通過LED、CRT、LCD等)所需要的各種接口電路。 存儲器模塊該模塊 指程序和數據的主存儲器，或功能模塊間數據傳送用的共享存儲器。41(2)多微處理器CNC系統的典型結構 多微處理器結構的CNC系統多為模塊化結構，通常采用共享總線和共享存儲器兩種典型結構實現模塊間的互聯與通信。 共享總線結構 以系統總線為中心的多微處理器CNC系統，把組成CNC系統的各個功能部件劃分為帶有CPU或DMA器件的主模塊和不帶CPU或DMA器件的從模塊(如各種RAM、ROM模塊、IO模塊)兩大類。系統總線的作用是把各個模塊有效地連接在一起，按照標準協議交換各種數據和控制信息，構成完整的

22、系統，實現各種預定的功能。42共享總線結構的特點：1、在系統中只有主模塊有權控制和使用系統總線。2、同一時刻只能由一個主模塊占有總線，通過仲裁電路裁決各主模塊同時請求系統總線的競爭，按負擔任務的重要程度預先安排好各主模塊的優先級別或高低順序。3、這種結構模塊之間的通信主要依靠存儲器來實現，大部分系統采用公共存儲器方式。 多微處理器結構的計算機多微處理器結構的計算機數字控制系統數字控制系統43 共享存總線結構CNC硬件結構 44FANUC BUS操作面板圖形顯示模塊(CPU)通訊模塊(CPU)自動編程模塊(CPU)主存儲器模塊插補模塊(CPU)PLC模塊(CPU)位置控制模塊(CPU)主軸控制模

23、塊CRT/MDII/O單元伺服驅動單元主軸單元FANUC 15系統硬件結構45共享存儲器結構 q 結構特征：結構特征： 面向共公存儲器來設計的，即采用多端口來實現各主模塊之間的互連和通訊， 采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結構一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。46 共享存儲器結構CNC硬件結構 47基于網絡的數控系統結構圖2.2.3 基于網絡的數控系統和開放式數控系統48 基于網絡的數控系統 數控系統各功能模塊間的通訊是按照SERCOS（Serial Co

24、mmunication System）協議進行的。圖4-7表示了SERCOS協議通訊的原理。由一個控制器和若干個伺服驅動器構成通訊回路。通訊以循環方式進行，每個循環的時間可設定為62s、125s、250s或其整數倍。循環時間的長短以保證控制器和伺服驅動器間的同步通訊為前提。圖中的Master表示運動控制器，Slave i表示連接在控制環路中的第i個伺服驅動器，MST表示同步信息，ATi表示第i個伺服驅動器發送的數據，MDT為控制器發送到網絡上的數據。49q開放式結構開放式結構 具有在不同的工作平臺上均能實現系統功能、具有在不同的工作平臺上均能實現系統功能、且可以與其他的系統應用進行互操作的系統

25、。且可以與其他的系統應用進行互操作的系統。 系統構件（軟件和硬件）具有標準化系統構件（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化與多樣化( Diversification)和互換性和互換性(Interchangeability)的特征的特征 允許通過對構件的增減來構造系統，實現系允許通過對構件的增減來構造系統，實現系統統“積木式積木式”的集成。構造應該是可移植的的集成。構造應該是可移植的和透明的；和透明的； 50數控系統的軟件結構數控系統管 理控 制輸入I/O處理顯示診斷通訊速度處理刀具補償譯碼插補位置控制2.3 2.3 數控系統的軟件數控系統的軟件2.3.1 數控系統的

26、軟件的基本任務51CNC的功能輸入、譯碼輸入、譯碼刀具補償、進給速度處理刀具補償、進給速度處理插補、位置控制插補、位置控制I/OI/O接口接口顯示、診斷顯示、診斷521. 輸入 將編寫好的數控加工程序輸入給CNC系統。方式有：紙帶閱讀機輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、通訊接口輸入及連接上一級計算機的DNC(Direct Numerical Control)接口輸入。 CNC系統在輸入過程中還要完成校驗和代碼轉換等工作，輸入的全部信息都放到CNC系統的內部存儲器中。 CNC軟件的基本任務53 譯碼處理是以一個程序段為單位對零件數控加工程序進行處理，把輸入的零件加工程序翻譯成數控系把輸入的零件加工程序翻

27、譯成數控系統要求的數據格式統要求的數據格式。在譯碼過程中，首先對程序段的語法進行檢查，若發現錯誤，立即報警。若沒有錯誤，則把程序段中的零件輪廓信息（如起點、終點、直線程序段中的零件輪廓信息（如起點、終點、直線或圓弧等）、加工速度信息（或圓弧等）、加工速度信息（F F代碼）和其它輔助信息代碼）和其它輔助信息（M M、S S、T T代碼等）代碼等）按照一定的語法規則解釋成微處理器能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存單元，準備為后續程序使用。 譯碼后的數據有兩種存放格式。 1 不按字符格式的存放方法 2 保留字符格式的存放方法2. 2. 譯碼54高4位 低4位 說 明 1 3 G

28、03 2 3 M 03 100 X值 50 Y值 0 Z值 0 I值 50 J值 0 K值 100 F值 不按字符格式的譯碼數據存放格式M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.；55 刀具長度補償和半徑補償 刀具半徑補償是把零件輪廓軌跡轉化成刀具中心軌跡，編程員只需按零件輪廓軌跡編程，減輕了工作量。刀具半徑補償處理程序主要進行以下幾項工作： 1 計算本段零件輪廓的終點坐標值； 2 根據刀具的半徑值和刀具補償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置； 3 根據本段和下一段的轉接關系進行段間處理。 3. 3. 數據預處理56合成速度、坐標方向的分速度 速度預處理程序主要完成以

29、下幾步計算： 1計算本程序段總位移量 2計算每個插補周期內的合成進給量 L=Ft/60（m） 式中，F 進給速度值（mm/min）； t 數控系統的插補周期（ms）。4. 4. 插補和位置控制插補和位置控制57 插補的任務是通過插補計算程序在已知有限信息的基礎上進行“數據點的密化”工作，即在起點和終點之間插入一些中間點。 1 根據速度倍率值計算本次插補周期的實際合成位移量； 2 計算新的坐標位置； 3 將合成位移分解到各個坐標方向，得到各個坐標軸的位置控制指令。 插補程序要實時性 插補58 圖 位置控制原理 位置控制是在伺服系統的每個采樣周期內，將精插補計算出的理論位置與實際反饋位置信息進行比

30、較，其差值作為伺服調節的輸入，經伺服驅動器控制伺服電機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。位置控制是強實時性任務強實時性任務，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內完成。伺服周期可以等于插補周期，也可以是插補周期的整數分之一。 指令位置 +插補輸出 +x2，y2- -位控輸出x3，y3 + X2新，Y2新實 際 位 置 增量x1，y1 實際位置X1新，Y1新 X2舊，Y2舊 X1舊，Y1舊 + + -位置控制591 計算新的指令坐標位置 X2新 = X2舊 + x2 Y2新 = Y2舊 + y22 計算實際坐標位置 X1新

31、= X1舊 + x1 Y1新 = Y1舊 + y13 計算位置控制輸出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是強實時性任務，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內完成。伺服周期可以等于插補周期，也可以是插補周期的整數分之一。60 CNC系統是一個獨立的控制單元，在數控加工中，CNC系統要完成管理和控制兩大任務。管理軟件要完成的任務包括輸入輸出處理、顯示、通信、和診斷等。控制軟件要完成的任務包括譯碼、刀具補償、速度控制、插補和位置控制、輔助功能控制等。 這些任務中有些可以順序執行，有些必須同時執行，如： （1） 顯示和控制任務必須同時執行，以便操作人員及時了解機床運行狀態； （2） 在加工過程中，為使加工過程連續，譯碼、刀補、