第二講數(shù)控系統(tǒng)的基本(jib^n)結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)由基本硬件與控制軟件組成。目前各數(shù)控廠家的產(chǎn)品可以(蛇痂歸納為兩種風(fēng)格：一種是采用專用硬件，其控制軟件簡單；另一種是采用通用硬件，其控制軟件復(fù)雜。一、基本硬件(yingjidn)構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)(CNC)基本(jiben)硬件通常由微機基本系統(tǒng)、人機界面(renjTjiemian)接口、通信接口、進給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功能控制接口等部分組成，如圖2—1所示。撮機基本系統(tǒng)數(shù)據(jù)線地址線控制蝶EPROMRAMZ31ZLZK鍵盤顯示舞接口三6CRT面板接口操作面■板?aa機床操作O=y手播豚沖定時梏.中斷控制器=＞伺服電動機模擬量輸出接口位置反慎接口服單元光電編四器r(M測速發(fā)土速度伺電機」進埼軸位置控料接口模攝量輸出接口主柚驅(qū)動裝置手搖脈沖發(fā)生器發(fā)生扉接口頑真面接口主軸電功機主軸反鈾r計數(shù)器接口光電編碼器計算機智能通信及外設(shè)接口通信接口主軸控制接口開美晝輸入掛口開關(guān)量MST姓制接口強電箱圖2—1數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖FANUC0i數(shù)控裝置構(gòu)成(gbuch^ng)框圖如圖2—2所示。FANUC3MA數(shù)控裝置構(gòu)成(gbuch^ng)框圖如圖2—3所示。機床圖2—2FANUC0i數(shù)控裝置構(gòu)成㈠、微機（woijD基本系統(tǒng)通常微機（woijD基本系統(tǒng)是由CPU、存儲器（EPROM、RAM）、定時器、中斷控制器等幾個主要部分（bdfen）組成。1、CPUCPU是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心（h6xin），常見的中低檔數(shù)控系統(tǒng)基本上采用8位或16位CPU，如8088/8086、8031等。隨著CPU系統(tǒng)向高精度方向發(fā)展，要求其最小設(shè)定單位越來越小，同時又要求CPU系統(tǒng)能滿足大型機床的需要，當(dāng)最小設(shè)定單位是1pm時，16位二進制數(shù)所表示（b始o(jì)sh］）的最大坐標(biāo)為-32.767~+32.767mm，這顯然是不夠的，而采用32位二進制數(shù)時，最大坐標(biāo)范圍約為-2000-+2000m，因此數(shù)控系統(tǒng)一般采用24位二進制數(shù)，其坐標(biāo)范圍為-8388.607~+8388.607mm。因此選用8位CPU就需要三個或四個字節(jié)運算，這就嚴(yán)重影響了運算速度，當(dāng)最小設(shè)定單位為0.1pm時，這個問題將更加嚴(yán)重。因此現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大多采用16位或32位的CPU，以滿足其性能指標(biāo),如采用8位CPU，則為多CPU結(jié)構(gòu)。例如FANUC15、SIEMENS840、FAGOR8050等系統(tǒng)均為32位CPU，而FAGOR8025系統(tǒng)則采用8位多CPU結(jié)構(gòu)。2、EPROMEPROM用于固化系統(tǒng)控制軟件，數(shù)控系統(tǒng)的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。在數(shù)控系統(tǒng)中，硬軟件有密切的關(guān)系，由于軟件的執(zhí)行速度較硬件慢，當(dāng)CPU功能較弱時，則需要專用硬件解決問題或采用多CPU結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化與通用化總線結(jié)構(gòu)，因此不同的機床數(shù)控系統(tǒng)可以采用基本相同的硬件結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)的改進與擴展十分方便。在硬件相對不變的情況下，軟件仍有相當(dāng)大的靈活性。擴充軟件就可以擴展CNC的功能，而且軟件的這種靈活性有時會對數(shù)控系統(tǒng)的功能產(chǎn)生極大的影響。在國外，軟件的成本甚至超過硬件。例如FANUC3T與3M的差別僅在EPROM中的軟件，F(xiàn)ANUC3M二軸半聯(lián)動變?yōu)槿S聯(lián)動也僅需要更換EPROM中的軟件。逸擇對?印制板揍口手捆昧沖歡生囂?]24VL4-L5V-1&V接收器口*邑口EROM酰帶圓讀機/零孔機單元島拆J除沖發(fā)生器驅(qū)動靠■口電踏■制膠_~j7v逸擇對?印制板揍口手捆昧沖歡生囂?]24VL4-L5V-1&V接收器口*邑口EROM酰帶圓讀機/零孔機單元島拆J除沖發(fā)生器驅(qū)動靠■口電踏■制膠_~j主印制店圖2—3FANUC3MA數(shù)控裝置構(gòu)成3、RAMRAM中存放可能(keneng)改寫的信息，在圖2—4中，除中斷(zhongduan)堆棧存放區(qū)和控制軟件(系統(tǒng)(xltbng))數(shù)據(jù)暫存區(qū)外，均有后備(hbubOi)電池

掉電保護功能，即當(dāng)電源消失后，由電池來維持RAM芯片電壓，以保持其中信息，其原理示意如圖2—5所示。現(xiàn)在大量(MliMg)使用的CMOS半導(dǎo)體RAM芯片如62648(8K),62256(32K),628128(128K)，其維持功耗很低。如日立HM628128芯片，其電源電壓大于2V即可維持信息不丟失，并且維持電流小于IaA左右，這就大大延長了電池的使用壽命。圖2—4數(shù)控系統(tǒng)RAM區(qū)分配(fQnpOi)示意圖地址技二rj數(shù)據(jù)線圖2—4數(shù)控系統(tǒng)RAM區(qū)分配(fQnpOi)示意圖地址技二rj數(shù)據(jù)線vKR4M陽一+5V~j~后備電灣~36-4.5V4、定時器與中斷(zhongduan)控制器定時器與中斷(zhongduan)控制器用于計算機系統(tǒng)的定時控制與多級中斷管理。㈡、接口(jiekou)1、人機界面接口

數(shù)控系統(tǒng)的人機界面包括以下四部分：鍵盤（MDI）：用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等。顯示器（CRT）:用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。操作面板（OPERATORPANEL）:用于對機床進行操作。手搖脈沖發(fā)生器（MPG）:用于手動控制機床坐標(biāo)軸的運動，類似普通機床的搖手柄（圖2—6）。（1）鍵盤在數(shù)控系統(tǒng)中亦稱為MDI（ManualDataInput）面板或數(shù)控面板，它由英文字母鍵、功能鍵、數(shù)字鍵等組成，用于編制加工程序、修改參數(shù)等。鍵盤的接口比較簡單，與通常的計算機一樣大多采用掃描矩陣原理。FANUC0-TD的數(shù)控面板如圖2—圖2—6手搖脈沖發(fā)生7圖2—6手搖脈沖發(fā)生（2）數(shù)控系統(tǒng)處于不同的操作功能時，顯示器所顯示的內(nèi)容是不同的。在編程時，其顯示的是被編輯的加工程序，而加工時，則顯示當(dāng)前各坐標(biāo)軸的坐標(biāo)位置和機床的狀態(tài)信息。有些數(shù)控系統(tǒng)還具有圖形模擬功能，這時顯示器則顯示模擬加工過程的刀具走刀路徑，可以檢查加工程序的正確與否。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已大量采用高分辨率彩色顯示器或液晶顯示器，顯示的圖形也由二維平面圖形變?yōu)槿S動態(tài)圖形；（3）操作面板又稱機床操作面板，不同的數(shù)控機床由于（y6uy①其所需的動作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手動方式下對機床的操作以及自動方式下對運動的操作或干涉。FANUC0-TD的機床（jichuang）操作面板如圖2—8所示。

圖2—7FANUC0-TD的數(shù)控面板(mianban)圖2—8FANUC0-TD的機床操作(caozuo)面板2、通信接口通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口，因此與外設(shè)以及上級計算機的連接很方便。高檔(gaodang)數(shù)控系統(tǒng)還具有RS485、MAP以及其它各種網(wǎng)絡(luò)接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)線FMS以及計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。3、進給軸的位置控制接口實現(xiàn)進給軸的位置控制包括三個方面的內(nèi)容：一是進給速度的控制，二是插補運算，三是位置閉環(huán)控制。插補方法有基準(zhǔn)脈沖法與采樣數(shù)據(jù)法。基準(zhǔn)脈沖法就是CNC系統(tǒng)每次插補以脈沖的形式提供給位置控制單元，這種插補方法的進給速度與控制精度較低，主要用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。而采樣數(shù)據(jù)法計算出給定時間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的位置增量，同時接收機床的實際位置反饋，根據(jù)插補所得到的命令位置與反饋位置的差來控制機床運動，因此采樣數(shù)據(jù)法可以根據(jù)進給速度的大小來計算一個時間間隔內(nèi)的位置增量。只要CPU的運算速度較快，給定時間間隔選擇得較小，就可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制。進給軸位置控制接口包括(baokuo)模擬量輸出接口和位置反饋計數(shù)接口。模擬量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(一般(yiban)為十二位至十六位)，輸出(shuchu)模擬電壓的范圍為-10~+10V，用以控制速度伺服單元。模擬電壓(dianya)的正負(fù)和大小分別決定了電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。位置反饋計數(shù)接口能檢測并記錄位置反饋元件(如光電編碼器)所發(fā)回的信號，從而得到進給軸的實際(shiji)位置。此接口還具有失線檢測功能，任意一根反饋信號的線斷了都會引起失線報警。在進行位置控制的同時，數(shù)控系統(tǒng)還進行自動升降速處理，即當(dāng)機床啟動、停止或在加工過程中改變進給速度時，數(shù)控系統(tǒng)自動進行線性規(guī)律或指數(shù)規(guī)律的速度升降處理。對于一般機床可采用較為簡單的直線線性升降速處理，對于重型機床則需使用指數(shù)升降速處理，以便使速度變化平滑。4、主軸控制接口主軸S功能可分為無級變速、有級變速和分段無級變速三大類。當(dāng)數(shù)控機床配有主軸驅(qū)動裝置時，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進行無級變速，否則需要S、M、T接口實現(xiàn)有級變速。為提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機

床多采用分段無級變速，這可以利用輔助功能M41~M44和主軸模擬量控制配合完成。主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、主軸準(zhǔn)停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。分意式真US豚沖

編碼器電池揄??山3)」1&示狀布/報*的LED保險振示器插座(5.1)存格器備用電池(44)電源指示燈存惟卡擂柚電源插座<43)申行主輔或模報主摘摘座申行主駐或位置編碼器插座「循上丘3)」伺服放大器插座。-11)手插豚肺發(fā)生舞捕座(5,分意式真US豚沖

編碼器電池揄??山3)」1&示狀布/報*的LED保險振示器插座(5.1)存格器備用電池(44)電源指示燈存惟卡擂柚電源插座<43)申行主輔或模報主摘摘座申行主駐或位置編碼器插座「循上丘3)」伺服放大器插座。-11)手插豚肺發(fā)生舞捕座(5,可I/Og搪座高速申行威線微型搠》(*)(in機床w插座(S3)MD1插座(5.2)分商式檢測葬LT插槽UO設(shè)備1/F插座印>Oi系列控制單元怛％槽｝L「機床UF插座俱3)5、MST控制(kbngzh])接口數(shù)控系統(tǒng)的MST功能是通過(tongguo)開關(guān)量輸入/輸出接口完成(除S模擬量輸出(shuchu)外)。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的MST功能(gOngn^ng)，通過開關(guān)量輸出接口送至強電箱，而機床與強電箱的信號則通過開關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。MST功能的開關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，在數(shù)控機床中一般采用可編程控制器(PLC)來實現(xiàn)MST功能。FANUC0i系列各組成單元的構(gòu)成如圖2—9所示。二、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能與結(jié)構(gòu)㈠、控制軟件的結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件常采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是前后(qianhou)臺型結(jié)構(gòu)，另一種是中斷型結(jié)構(gòu)。對于前后臺型軟件結(jié)構(gòu)，其軟件可劃分為兩類，一類是與機床控制直接相關(guān)的實時控制部分(bdfen)，其構(gòu)成了前臺程序。前臺程序又稱實時中斷服務(wù)程序，它是以一定周期定時發(fā)生的，中斷周期一般小于10ms。另一類是循環(huán)執(zhí)行的主程序，稱為后臺程序，后臺程序又稱背景程序。前后臺程序的結(jié)合(jiehe)構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件。在前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中，后臺程序完成協(xié)調(diào)管理、數(shù)據(jù)譯碼、預(yù)計算數(shù)據(jù)以及顯示坐標(biāo)等無實時性要求的任務(wù)。而前臺程序完成機床監(jiān)控、操作面板狀態(tài)掃描、插補計算、位置控制以及PLC可編程控制器功能(gOngneng)等實時控制。前后臺軟件的同步與協(xié)調(diào)以及前后臺軟件中各功能模塊之間的同步，通過設(shè)置各種標(biāo)志位來進行。由于每次中斷發(fā)生，前臺程序響應(yīng)的途徑不同，因此執(zhí)行時間也不同，但最大執(zhí)行時間必須小于中斷周期，而兩次中斷之間的時間正是用來執(zhí)行背景主程序的。除初始化程序之外，各功能模塊安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中無前后臺之分，只有(zhlyou)級別的差別。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)常用的操作功能，其軟件一般分為各功能模塊。㈡、數(shù)控系統(tǒng)的功能1、系統(tǒng)管理功能用于系統(tǒng)各功能模塊的管理與調(diào)度。2、加工程序的管理與編輯數(shù)控系統(tǒng)RAM區(qū)中存有所有加工程序的目錄，每個目錄項包括程序名、起址、終址、字節(jié)數(shù)等信息。通過目錄區(qū)可以對加工程序進行管理。可以對零件加工程序進行刪除、更名、復(fù)制、編輯等操作。在編輯時如果對某些數(shù)控指令的含義不清楚，還可以利用系統(tǒng)的提示與幫助功能。3、參數(shù)設(shè)置在參數(shù)設(shè)置模塊中，可以對各種參數(shù)進行設(shè)置。數(shù)控系統(tǒng)中大致有四類參數(shù)。刀具參數(shù)數(shù)控系統(tǒng)具有刀具長度補償與半徑補償功能。以數(shù)控車床系統(tǒng)為例，其刀具參數(shù)表如圖2—10所示。其中：X值為刀具沿X軸的長度偏置；Z值為刀具沿Z軸的長度偏置；T值為刀尖的補償方向，代碼(0~9)；R值為刀具的刀尖圓弧半徑。

⑵G53~G59參數(shù)G53~G59在數(shù)控編程中用于坐標(biāo)系的零點偏置，其偏置值相對于機床坐標(biāo)系的零點。其參數(shù)表如圖2—11所示。FANUCSeriesO-TDHTBlooooottCURSORPAGEEOBRESET瘁IFANUCSeriesO-TDHTBlooooottCURSORPAGEEOBRESET瘁I圖2—10刀具(daoju)參數(shù)表PAGEFANUCScriesO-TDDttIWHJTCURSORPAGEFANUCScriesO-TDDttIWHJTCURSOR圖2—11G53~G59坐標(biāo)(zubbiao)參數(shù)表(3)絲杠的間隙(jianx])與螺距誤差表

^2-13X精嫌距諼熹曲埃在半閉環(huán)與開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，傳動鏈的間隙直接影響加工精度jngdu),因此須測量出各軸的傳動間隙，并置入數(shù)控系統(tǒng)，由系統(tǒng)對間隙進行(jinxing)自動^2-13X精嫌距諼熹曲埃LEADSCREWERRORCOMPENSATION；Xi=__I*Xjn=_jo=_圖卜K絲江嫌匣誤差補博表此外，數(shù)控系統(tǒng)可對絲杠全行程(xingch^ng)上的螺距誤差進行補償，螺距誤差補償表如圖2—12所示，X為相對機床(jichuang)零點的坐標(biāo)值，AX為相應(yīng)點的誤差。該表中的誤差值可由激光(jiguang)干涉儀測出，該坐標(biāo)軸在運動時數(shù)控系統(tǒng)會按表中的誤差值自動進行補償。由于機床參考點是系統(tǒng)開機后尋找的坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)點，因此在機床參考點上誤差為零。圖2-13為X軸螺距(luoju)誤差曲線。(4)系統(tǒng)控制參數(shù)(canshU)系統(tǒng)控制參數(shù)涉及的范圍很廣，當(dāng)配接不同的機床時，系統(tǒng)控制參數(shù)要做相應(yīng)的改變。如圖2-14所示，其數(shù)據(jù)為8位二進制數(shù)。懋?dāng)?shù)00000N0000番號數(shù)據(jù)番號數(shù)據(jù)00011DODO101001110000000懋?dāng)?shù)00000N0000番號數(shù)據(jù)番號數(shù)據(jù)00011DODO1010011100000000002oooooonDDO010000000003011011110013000010000004oiiioin0014000001000005□mamon]511Q1D0DD0111011100)601000000-300701110111001701L1U11：300S0000110DD0]8gggggggg0009oooooooo00)91LUJIJUUUUU00101000000D0020oooooooo0019S0T1MDI［蜃數(shù)］:詮斷］［[]—FANUCSeries0-TDHALTfeHCURSOR4、手動操作與調(diào)整坐標(biāo)軸的移動控制坐標(biāo)軸的移動控制有三種方式：連續(xù)移動例如，按下操作面板上的+X，X坐標(biāo)則朝正方向連續(xù)移動，直至松開+X。移動的速度由F指令和速度倍率開關(guān)控制，如F=1000mm/min,倍率為50%，則移動速度為500mm/rain。點動按一下操作面板上的軸移動按鈕，相應(yīng)軸則移動一個固定的點動量，一般選擇為1、10、100或1000/|im。手搖脈沖(maichong)發(fā)生器移動首先(shouxian)選擇要移動的軸，然后系統(tǒng)即可根據(jù)手搖脈沖發(fā)生器的移動方向和發(fā)出的脈沖個數(shù)控制相應(yīng)軸的移動。可選擇手搖脈沖發(fā)生器一個(yige)脈沖所對應(yīng)的機床移動量為l、10、100或1000pm。

手動MST功能(gOngn^ng)的控制在手動調(diào)整(t始o(jì)zhOng)中，可以單獨指定執(zhí)行某一M、S、T功能，M、S、T功能在數(shù)控機床中是由繼電器網(wǎng)絡(luò)或PLC可編程控制器實現(xiàn)的。機床坐標(biāo)系的建立與返回參考點數(shù)控系統(tǒng)的許多功能，如軟極限行程保護(或稱存儲行程極限)、螺距誤差補償、G53-G59零點偏置、換刀點等，都是定義在機床坐標(biāo)系下的，因此對機床零點(機床參考點)的精度要求很高。機床坐標(biāo)系是通過系統(tǒng)執(zhí)行返回參考點來建立的，在參數(shù)區(qū)中可以設(shè)置每個軸機床零點與參考點的位置。因此，采用增量式位置編碼器的數(shù)控機床，開機后應(yīng)首先執(zhí)行返回參考點的動作，從而建立機床坐標(biāo)系。而采用絕對式位置編碼器的機床，機床參考點一次性調(diào)整好后，每次開機不需要進行回參考點的操作。5、零件的自動加工通過鍵盤和通信接口將準(zhǔn)備好的零件加工程序送入數(shù)控系統(tǒng)，然后就可啟動零件的自動加工功能，該功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心。零件自動加工的控制流程如圖2-15所示。圖2-15零件自動加工控制流程圖用戶輸入的數(shù)控加工程序存在內(nèi)存RAM中，其格式是自由的，字符也是按ASC'碼或者EIA碼存放的,因此必須將它們進行整理和分類，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部約定的格式，對數(shù)據(jù)則要進行分析與解釋。在此過程中，信息量無任何增加或減少，這是系統(tǒng)控制程序圖2-15零件自動加工控制流程圖分析與解釋后，加工程序中的M、S、T功能由系統(tǒng)傳至PLC可編程控制器，由PLC完成其控制，其實現(xiàn)方法與手動調(diào)整中相同。對運動功能，則需對加工軌跡進行刀具長度與半徑補償，補償后的刀具中心軌跡經(jīng)過插補運算和傳動間隙補償，即可得到每個控制周