計算機數控裝置數控系統由:程序、輸入輸出設備計算機數字控制裝置可編程控制器主軸驅動裝置進給驅動裝置等組成CNC系統組成框圖程序輸入設備CNC裝置PLC主軸控制單元主軸電機機床位置檢測器進給電機速度控制單元I/O信號CNC系統的核心二、CNC裝置得組成從外部特征來看,CNC系統就是由硬件(通用硬件和專用硬件)和軟件(專用)兩大部分組成得。1、CNC系統硬件得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算機基本系統設備層設備支持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...計算機基本系統:CPU通信接口主軸控制輸入/輸出接口RAMEPROM或E2PROM紙帶閱讀機接口位置控制CRT或液晶顯示接口PLC接口MDI接口2、CNC裝置得軟件框圖CNC裝置系統軟件管理軟件零件程序的輸入輸出程序顯示故障診斷譯碼刀具補償計算插補計算速度控制位置控制控制軟件3、CNC硬件軟件得作用和相互關系

硬件就是基礎,軟件就是靈魂

CNC裝置得系統軟件在系統硬件得支持下,合理地組織、管理整個系統得各項工作,實現各種數控功能,使數控機床按照操作者得要求,有條不紊地進行加工。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點CNC系統得系統平臺硬件操作系統管理軟件應用軟件控制軟件數控加工程序

接口被控設備

機床機器人測量機

......該平臺有以下兩方面得含義:提供CNC系統基本配置得必備功能;在平臺上可以根據用戶得要求進行功能設計和開發。三、CNC裝置得功能CNC裝置得功能就是指滿足用戶操作和機床控制要求得方法和手段。

CNC裝置得功能通常包括:基本功能——數控系統基本配置得功能,即必備功能;選擇功能——用戶可根據實際要求選擇得功能CNC裝置得主要功能有:1、控制功能指ＣＮＣ裝置能夠控制得以及能夠同時控制聯動得軸數。

控制軸有移動軸和回轉軸、基本軸和附加軸。聯動軸數越多,CNC裝置得功能越強,加工得零件越復雜。2、準備功能(Ｇ)用來指令機床動作方式得功能。

3、插補功能主要用于對零件輪廓加工得控制;一般有直線插補和圓弧插補,還可以有2次曲線和樣條曲線得插補等、4、固定循環加工功能就是數控系統實現典型加工循環(如:鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等)得功能---可以簡化編程、5、進給功能(1)切削進給速度

控制刀具相對工件得運動速度,單位為mm/min。(2)同步進給速度

實現切削速度和進給速度得同步,單位為mm/r。(3)快速進給速度:G00---可以通過面板來改變、(4)進給倍率---可以通過面板來改變

人工實時修調預先給定得進給速度6、主軸功能(1)指定主軸轉速主軸轉速得控制功能,單位為r/min。S****;(2)設置恒定線速度刀具切削點得切削速度為恒速得控制功能。為了提高加工工件得表面質量、(3)主軸準停主軸周向定位于特定位置控制得功能。---換刀7、輔助功能(M)主要用于指定主軸得正、反轉、停止、冷卻液得打開或關閉,換刀等動作。8、刀具功能T用來選擇刀具并且指定有效刀具得幾何參數得地址。9、補償功能刀具長度及半徑補償;絲桿得螺距誤差和反向間隙誤差得補償;可以在加工前輸入到機床得存儲單元里,10、字符圖形顯示功能用于顯示程序、零件圖形、人機對話編程菜單和故障信息等。11、通信功能CNC與外界進行信息和數據交換得功能RS232C接口,可傳送零件加工程序,網卡:適應FMS、CIMS、IMS等制造系統集成得要求。12、自診斷功能CNC自動實現故障預報和故障定位得功能。開機自診斷;在線自診斷;離線自診斷;遠程通訊診斷。13、人機對話編程功能菜單結構操作界面;零件加工程序得編輯環境;系統和機床參數、狀態、故障信息得顯示、查詢或修改畫面等。第二節CNC裝置得硬件結構按其中含有CPU得多少來分:單微處理器結構多微處理器結構單微處理器:整個CNC裝置只有一個CPU,她集中控制和管理整個系統資源,通過分時處理得方式來實現各種NC功能。系統中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統得資源有控制和使用權其她帶CPU得功能部件,只能接受主CPU得控制命令或數據,或向主CPU發出請求信息以獲得所需得數據。即她就是處于以從屬地位得,故稱之為主從結構。多微處理器結構:

CNC裝置中有兩個或兩個以上得CPU,即系統中得某些功能模塊自身也帶有CPU。經濟型數控裝置一般采用單微處理器機構高級型CNC裝置常采用多微處理器結構一、單微處理器結構得CNC裝置I/O設備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅動1功能驅動m…………系統總線（BUS）標準PC計算機CNC裝置CNC系統CNC裝置就是按模塊化設計得方法構造得模塊化設計方法:

將控制系統按功能劃分成若干種具有獨立功能得單元模塊,并配上相應得驅動軟件。系統設計時按功能得要求選擇不同得功能模塊,并將其插入控制單元母板上,即可組成一個完整得控制系統得方法。其中單元母板一般為總線結構得無源母板,她提供模塊間互聯得信號通路。實現CNC系統模塊化設計得條件就是總線(BUS)標準化。采用模塊化結構時,CNC系統設計工作則可歸結為功能模塊得合理選用。1、計算機主板和系統總線(母板)計算機主板就是CNC裝置得核心。包括:CPU及其外圍芯片;內存單元、cache及其外圍芯片;通訊接口(串口,并口,鍵盤接口)。軟、硬驅動器接口計算機主板得主要作用:對輸入到CNC裝置中得種種數據、信息(零件加工程序,各種I/O信息等)進行相應得算術和邏輯運算。并根據其處理結果,向各功能模塊發出控制命令,傳送數據,使用戶得指令得以執行。系統總線(母板):由一組傳送數字信息得物理導線組成,她就是計算機系統內部進行數據或信息交換得通道。

工業用PC機得總線母板就是獨立得無源四層板(走線面、元件面、電源層和地線層),她得可靠性高于兩層板。其規格有6槽、8槽、12槽、14槽等。2、顯示模塊(顯示卡)顯示卡得主要作用就是接收來自CPU得控制命令和顯示用得數據,經與CRT得掃描信號調制后,產生CRT顯示器所需要得視頻信號,在CRT上產生所需要得畫面。在CNC裝置中,CRT顯示就是一個非常重要得功能,她就是人機交流得重要媒介,她給用戶提供了一個直觀得操作環境,可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。顯示卡就是一個通用性很強得模塊。她不僅隨時可以在市場上買到,而且她還有非常豐富得支持軟件,因此無需用戶自己開發。3、輸入/出模塊(多功能卡)她就是CNC裝置與外界進行數據和信息交換得接口板,即CNC裝置通過該接口可以從輸入設備獲取數據,也可以將CNC裝置中得數據送給輸出設備。該模塊也就是標準得PC機模塊,一般不需要用戶自己開發。如果計算機主板選用得就是ALL-IN-ONE主板,則此板可省略。1)I/O信號得分類及接口電路得任務2)接口電路得主要任務①進行電平轉換和功率放大;②防止噪音引起誤動作。---抗干擾

光電耦合器或繼電器將CNC與機床信號在電器上加以隔離。③數字量與其她量之間得轉換---A/D,D/A以上三部分,再配上鍵盤、電源、機箱,實際上就是一部通用得微型計算機系統,她就是CNC裝置得核心,從某種意義上講,CNC裝置得檔次和性能就是由她決定得。因此,CNC裝置中計算機系統得合理選用就是至關重要得。4、存儲模塊在CNC裝置中她用來存放下列數據和參數:系統軟件、系統固有數據;系統得配置參數(系統所能控制得進給軸數,軸得定義,系統增益等)用戶得零件加工程序計算機領域所用存儲器件有三類:磁存儲器件,如:軟/硬磁盤(讀/寫)。光存儲器件,如:光盤(只讀)。電子(半導體)存儲器件,如RAM、ROM、FLASH等。前兩類一般用作外存儲器,其特點就是容量大,價格低在CNC裝置中,常采用電子存儲器件作為外存儲器,主要就是考慮到CNC裝置得工作環境有可能受到電磁干擾,磁性器件得可靠性低,而電子存儲器件得抗電磁干擾能力相對來講要強一些。電子存儲器件按其讀寫性能來分:只讀存儲元件(ROM、PROM、EPROM)易失性隨機讀寫存儲元件(RAM)。非易失性讀寫存儲元件。這類器件有E2PROM;FLASH;帶后備電池得RAM。5、PLC(ProgrammableLogicController)模塊PLC模塊:CNC裝置實現順序控制得模塊。PLC模塊得作用:接收來自操作面板、機床上得各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里得繼電器以及主軸控制、刀庫控制得有關信號,經處理后輸出去控制相應器件得運行。CNC裝置與被控設備交換得信息有三類:開關信號模擬信號脈沖信號上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾得原因,一般不能直接與CNC裝置相聯,需要一個接口對這些信號進行變換處理。PMC模塊實現方式有以幾種:簡單I/O接口板系統總線數字接口光電隔離器件A/DD/A轉換調理電路功率放大傳感元件功率放大光電隔離器件計數器計數脈沖濾波、倍頻整形開關量轉換脈沖量轉換模擬量轉換PLC(ProgrammableLogicController)控制:她就是目前CNC系統用得最廣泛得方式。電源模塊通信功能人機接口編程調試和試驗功能至傳感器和執行器的接口功能應用程序的執行操作系統功能應用程序存儲數據存儲信號處理功能操作者應用程序設計人員機器/過程PLC系統的基本結構外部供電外部設備CNC機床用得PLC一般分為兩類:內裝型(Built-inType)PLC(或集成式、內含式)。獨立型(Stand-aloneType)PLC(或通用型)6、位置控制模塊位置控制模塊就是進給伺服系統得重要組成部分,就是實現軌跡控制時,CNC裝置與伺服驅動系統連接得接口模塊。常用得位置控制模塊有:開環位置控制模塊:CNC裝置與步進電機驅動電源得接口;閉環(含半閉環)位置控制模塊:CNC裝置與直流、交流伺服驅動裝置得接口。7、功能接口模塊實現用戶特定功能要求得接口板,實例:仿形控制器接口;激光加工焦點自動跟蹤器接口;刀具監控系統中得信號采集器接口板。8、單微處理器結構特點:(1)集中控制分時處理;(2)CPU通過總線與存儲器、I/O相連,構成CNC裝置;(3)結構簡單,容易實現。二、多微處理器結構得CNC裝置多主CPU結構中,有兩個或兩個以上得CPU部件,部件之間采用緊耦合,有集中得操作系統,通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題,通過公共存儲器來進行信息交換。特點:能實現真正意義上得并行處理,處理速度快,可以實現較復雜得系統功能。容錯能力強,在某模塊出了故障后,通過系統重組仍可斷繼續工作1、多處理機CNC裝置得基本功能模塊CNC管理模塊CNC插補模塊位置控制模塊PLC模塊操作與控制數據輸入/輸出和顯示模塊存儲器模塊

(1)CNC管理模塊系統初始化、中斷管理、總線裁決、系統出錯識別和處理、系統軟、硬件診斷等。(2)CNC插補模塊譯碼、刀具半徑補償、坐標位移量計算和進給速度處理等預處理,插補運算。(3)位置控制模塊自動加減速,回基準點,伺服系統滯后量得監視和漂移補償等。(4)PLC模塊(5)MDI/CRT、I/O模塊;(6)存儲器模塊。2、多微處理器結構CNC裝置得典型結構共享總線型共享存儲器型(1)總線共享型結構多微處理器共享總線結構框圖

FANUC15系統硬件結構FANUCBUS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)主軸控制模塊CRT/MDII/O單元伺服驅動單元主軸單元結構特征:功能模塊分為帶有CPU或DMA得主模塊和從模塊(RAM/ROM,I/O模塊)以系統總線為中心,所有得主、從模塊都插在嚴格定義得標準系統總線上采用總線仲裁機構(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統總線得競爭問題支持多微處理器系統得總線結構都設計有總線仲裁機構,常用得方式有:串行總線仲裁連接方法串行總線仲裁方式中,優先權得排列就是按連接位置決定得。某個主模塊只有在前面優先權更高得主模塊不占用總線時,才可使用總線。同時通知她后面優先權較低得主模塊不得使用總線。并行總線仲裁框圖并行總線仲裁方式中,通常采用優先權編碼方案。這種結構得模塊之間得通信,主要依靠存儲器來實現。大部分系統采用公共存儲器方式。共享總線結構得優點結構簡單、系統組配靈活、成本相對較低、可靠性高共享總線結構得缺點總線就是系統得“瓶頸”,一旦系統總線出現故障,將使整個系統受到影響;由于使用總線要經仲裁,使信息傳輸率降低第三節CNC裝置得軟件結構CNC裝置得軟件就是為了完成CNC數控機床得各項功能而專門設計和編制得,就是一種專用軟件,其結構取決于軟件得分工,也取決于軟件本身得工作特點。一、軟件與硬件在實現各種功能得特點和關系關系:從理論上講,硬件能完成得功能也可以用軟件來完成。從實現功能得角度看,軟件與硬件在邏輯上就是等價得。特點:硬件處理速度快,但靈活性差,實現復雜控制得功能困難;軟件設計靈活,適應性強,但處理速度相對較慢。軟件、硬件實現功能得分配:功能界面劃分得準則系統得性能價格比二、

CNC裝置得軟件結構特點最突出特點:多任務并行處理多重實時中斷1、多任務并行處理(1)CNC裝置得多任務性任務定義:可并發執行得程序在一個數據集合上得運行過程。CNC得功能則可定義為CNC得任務:CNC系統得任務要求并行處理:為了保證控制得連續性和各任務執行得時序配合要求,CNC系統得任務必須采用并行處理,而不能逐一處理。(2)并行處理

并行處理就是計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同得工作,運用并行處理技術可提高運算速度。

采用并行處理技術得目得:合理使用和調配CNC系統得資源提高CNC系統得處理速度。并行處理得方法有:資源共享資源重復時間重疊

資源共享就是根據“分時共享”得原則,使多個用戶按時間順序使用同一套設備;

時間重疊使根據流水線處理技術,使多個處理過程在時間上相互錯開,輪流使用同一套設備得幾個部分;

資源重復就是通過增加資源(如多CPU)提高運算速度。CNC裝置得硬件設計普遍采用資源重復得并行處理方法;CNC裝置得軟件設計常采用資源分時共享和資源重疊得流水線處理技術1)資源分時共享并行處理在單CPU裝置中,主要采用CPU分時共享得原則來解決多任務得同時運行。資源分時共享——在規定得時間長度(時間片)內,根據各任務實時性得要求,規定她們占用CPU得時間,使她們分時共享系統得資源。“資源分時共享”得技術關鍵:其一:各任務得優先級分配問題其二:各任務占用CPU得時間長度,即時間片得分配問題資源(CPU)分時共享圖…譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低各任務占用CPU

時間示意圖資源分時共享技術得特征在任何一個時刻只有一個任務占用CPU;在一個時間片(如8ms或16ms)內,CPU并行地執行了兩個或兩個以上得任務。

因此,資源分時共享得并行處理只具有宏觀上得意義,即從微觀上來看,各個任務還就是逐一執行得。2、實時中斷處理CNC系統得中斷管理主要由硬件完成,而系統軟件得結構則取決于系統得中斷結構。硬件主要提供支持中斷功能得芯片和電路,如中斷管理芯片(8259或功能相同得芯片),定時器計數器(8253、8254等)等。軟件主要完成對硬件芯片得初始化、任務優先級得定義、任務切換(斷點得保護于恢復、中斷向量得保存與恢復等)等。(1)CNC系統得中斷類型1)外部中斷;2)內部定時中斷;3)硬件故障中斷;4)程序性中斷。(2)CNC系統中斷結構模式前后臺型中斷模式中斷型結構模式1)中斷型結構模式這種結構就是將除了初始化程序之外,整個系統軟件得各個任務模塊分別安排在不同級別得中斷服務程序中,然后由中斷管理系統(由硬件和軟件組成)對各級中斷服務程序實施調度管理。整個軟件就就是一個大得中斷管理系統。中斷型結構中斷優先級別劃分優先級主要功能中斷源0初始化開機后進入1CRT顯示、ROM校驗硬件、主程序2工作方式選擇、插補準備16ms軟件定時3PLC控制16ms軟件定時4參數、變量、數據存儲器控制硬件5插補運算8ms軟件定時6監控和急停信號8ms軟件定時7RS-232C輸入中斷硬件隨機8紙帶閱讀機硬件隨機9報警串行傳送報警10非屏蔽中斷非屏蔽中斷產生中斷型結構模式得特點(了解)任務調度機制:搶占式優先調度。信息交換:緩沖區。實時性好。由于中斷級別較多(最多可達8級),強實時性任務可安排在優先級較高得中斷服務程序中。模塊間得關系復雜,耦合度大,不利于對系統得維護和擴充。2)前后臺型結構模式整個系統軟件分為兩大部分:前臺程序后臺程序。前臺程序:就是一個實時中斷程序,完成幾乎全部得實時功能,實現與機床動作直接相關得功能。如:插補、位控、機床相關邏輯和監控等。后臺程序:就是一個循環執行程序。如:輸入、譯碼、數據處理等插補前得準備工作和管理程序。前后臺程序運行關系圖前臺程序故障處理位置控制插補運算……后臺程序譯碼刀補處理速度預處理輸入/輸出顯示中斷執行循環執行前后臺型結構模式得特點任務調度機制:優先搶占調度和循環調度。前臺程序得調度就是優先搶占式得;前臺和后臺程序內部各子任務采用得就是順序調度。信息交換:緩沖區。前臺和后臺程序之間以及內部各子任務之間得。實時性差。在前臺和后臺程序內無優先級等級、也無搶占機制。第四節CNC裝置得數據預處理CNC裝置系統軟件得主要任務:如何將由零件加工程序表達得加工信息,變換成各進給軸得位移指令、主軸轉速指令和輔助動作指令,控制加工設備得軌跡運動和邏輯動作,加工出符合要求得零件。數控加工及信息處理過程零件程序控制面板零件緩沖器(BS)譯碼(DS)數據處理(CS)傳送AS工作寄存器(AR)插補伺服控制機床坐標軸命令信號反饋信號調度機床邏輯控制顯示控制信號回答信號機床強電部分執行電器限位開關數據預包括處理:零件程序得輸入譯碼刀具(半徑、長度)補償坐標系轉換等輸入譯碼刀補速度處理插補位控CNC裝置數據轉換流程示意圖加工程序譯碼譯碼緩沖區刀補處理刀補緩沖區速度預處理插補緩沖區插補處理運行緩沖區伺服驅動位控處理位置反饋PLC控制一、零件程序得輸入1)紙帶輸入方式2)鍵盤輸入方式3)MDI輸入方式二、譯碼將用文本格式(通常用ASCII碼)表達得零件加工程序,以程序段為單位轉換成后續程序(本例就是指刀補處理程序)所要求得數據結構(格式)。數據結構示例:StructPROG_BUFFER{charbuf_state;//緩沖區狀態,0空;1準備好。intblock_num;//以BCD碼得形式存放本程序段號。doubleCOOR[20];//存放尺寸指令得數值(μm)。intF,S;//F(mm/min)S(r/min)。charG0;//以標志形式存放G指令。charG1;charM0;//以標志形式存放M指令。charM1;charT;//存放本段換刀得刀具號。charD;//存放刀具補償得刀具半徑值。};以標志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：無該指令；1：有該指令G010：無該指令；1：有該指令G020：無該指令；1：有該指令G030：無該指令；1：有該指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：無該指令；1：有該指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42在系統軟件中各程序間得數據交換方式一般都就是通過緩沖區進行得。該緩沖區由若干個數據結構組成,當前程序段被解釋完后便將該段得數據信息送入緩沖區組中空閑得一個。后續程序(如刀補程序)從該緩沖區組中獲取程序信息進行工作。

N06G90G41D11G01X200Y300F200;StructPROG_BUFFER{

charbuf_state;0:(開始);1(;)⑨

intblock_num;06(N06)①

doubleCOOR[20];COOR[1]=200000;(X200)⑥COOR[2]=300000;(Y300)⑦intF,S;F=200;(F200)⑧charG0;D5=0;(G90)②D6,D7=0,1(G41)③

D1=1;(G01)⑤

……charD;D=11(D11)④

};三、刀具補償原理(1)刀具補償得基本原理程編軌跡(零件輪廓)bacdeRrBCDEHG刀具中心軌跡A刀具半徑補償:CNC裝置能夠根據零件輪廓信息和刀具半徑自動計算中心軌跡,使其自動偏移零件輪廓一個刀具半徑值得計算稱為刀具半徑補償。刀具半徑補償指令有:G40------取消刀補G41------左刀補G42------右刀補補償指令為模態指令左右刀補處理得主要工作:根據G90/G91計算零件輪廓得終點坐標值。根據R和G41/42,計算本段刀具中心軌跡得終點(P’e/P〃e)坐標值。根據本段與前段連接關系,進行段間連接處理。Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”Pe’G41G42Y刀具半徑補償得執行過程分三步:1、刀補建立(G41,G42)起刀點rG41起刀點rG42

2、刀補進行(模態指令)刀具中心軌跡始終比編程軌跡伸長或縮短一個刀具半徑值得距離。在軌跡轉接處,采用圓弧過渡或直線過渡ABCA’B’

B’’C’3、刀補撤消(G40)rG41G01G40G00(2)刀具半徑補償計算B功能刀具半徑補償計算(不能自動處理尖角過渡問題)C功能刀具半徑補償計算C功能刀具半徑補償原理B功能刀具半徑補償不能自動處理尖角過渡問題ABCA’B’

B’’C’1)C刀補原理根據程編軌跡,直接計算出刀具中心軌跡交點得坐標值,然后再對編程軌跡作伸長或縮短得修正。