計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)

1、 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置 4.1 概 述 4.1.1 CNC技術(shù)的發(fā)展分類分類世代世代誕生年代誕生年代系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成世界世界我國我國硬件數(shù)硬件數(shù)控控NCNC第一代第一代第二代第二代第三代第三代19521952年年19591959年年19651965年年19581958年年19651965年年19721972年年電子管、繼電器，模擬電路電子管、繼電器，模擬電路晶體管，數(shù)字電路（分立元件）晶體管，數(shù)字電路（分立元件）集成數(shù)字電路集成數(shù)字電路計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)控?cái)?shù)控CNCCNC第四代第四代19701970年年19761976年年內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中規(guī)模集成電路內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中規(guī)模

2、集成電路第五代第五代19741974年年19821982年年內(nèi)裝微處理器的內(nèi)裝微處理器的NCNC字符顯示，故障自診斷字符顯示，故障自診斷19791979年年19811981年年19871987年年19911991年年19951995年年超大規(guī)模集成電路，大容量存儲器，可編程接口，遙控接口超大規(guī)模集成電路，大容量存儲器，可編程接口，遙控接口人機(jī)對話人機(jī)對話, ,動態(tài)圖形顯示動態(tài)圖形顯示, ,實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償, ,適應(yīng)機(jī)床無人適應(yīng)機(jī)床無人化運(yùn)轉(zhuǎn)要求化運(yùn)轉(zhuǎn)要求3232位位CPUCPU，可控，可控1515軸，設(shè)定軸，設(shè)定0.0001mm0.0001mm進(jìn)給速度進(jìn)給速度24m/min24

3、m/min，帶前，帶前饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化 系統(tǒng)。系統(tǒng)。利用利用RISCRISC技術(shù)技術(shù)6464位系統(tǒng)。位系統(tǒng)。微機(jī)開放式微機(jī)開放式CNCCNC系統(tǒng)。系統(tǒng)。4.1.1 CNC技術(shù)的發(fā)展年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191CPUCPU3000C/29013000C/2901單片機(jī)單片機(jī)1616位微處理器位微處理器3232位微處理器位微處理器6464位位伺服伺服驅(qū)動驅(qū)動直流模擬伺服直流模擬伺服交流模交流模擬伺服擬伺服交流數(shù)字伺服交流數(shù)字伺服最小最小設(shè)定設(shè)定單位單位1 10.10.

4、10.010.01進(jìn)給進(jìn)給速度速度高速、高精度型高速、高精度型2.1m/min2.1m/min8.4m/min8.4m/min33.7m/min33.7m/min 高速型高速型15m/min15m/min 60m/min 60m/min快速快速9.6m/min9.6m/min15m/min15m/min24m/min24m/min60m/min60m/min240m/min240m/min擴(kuò)充擴(kuò)充功能功能用軟件擴(kuò)充數(shù)控功能、用軟件擴(kuò)充數(shù)控功能、刀具補(bǔ)償，固定循環(huán)，刀具補(bǔ)償，固定循環(huán)，存儲器運(yùn)行存儲器運(yùn)行用軟件充實(shí)人機(jī)接口，彩色用軟件充實(shí)人機(jī)接口，彩色顯示，會話編程，仿真顯示，會話編程，仿真32

5、32位位CPUCPU，高速、高精度加工，高速、高精度加工，數(shù)字伺服，高速主軸，智能化開放數(shù)字伺服，高速主軸，智能化開放 系統(tǒng)系統(tǒng)4.1.1 CNC技術(shù)的發(fā)展mm項(xiàng)目項(xiàng)目低檔低檔中檔中檔高檔高檔分辨率分辨率 10 101 1 0.1 0.1進(jìn)給速度進(jìn)給速度 8-15 m/min 8-15 m/min15-24 m/min15-24 m/min15-100 m/min15-100 m/min聯(lián)動軸數(shù)聯(lián)動軸數(shù) 2-3 2-3軸軸 2-4 2-4軸或軸或3-53-5軸以上軸以上主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用位甚至采用RISCRISC的的6464位位伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)

6、、開環(huán)步進(jìn)電機(jī)、開環(huán)直流及交流閉環(huán)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)直流及交流閉環(huán)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)內(nèi)裝內(nèi)裝PLCPLC無無有內(nèi)裝有內(nèi)裝PCPC，功能極強(qiáng)的內(nèi)裝，功能極強(qiáng)的內(nèi)裝PCPC，甚至有軸控制功能，甚至有軸控制功能顯示功能顯示功能數(shù)碼管數(shù)碼管, ,簡單的簡單的CRTCRT字符字符顯示顯示有字符圖形或三維圖形顯示有字符圖形或三維圖形顯示通信功能通信功能無無RC232CRC232C和和DNCDNC接口接口還可能有還可能有MAPMAP通通訊接口和聯(lián)網(wǎng)訊接口和聯(lián)網(wǎng)功能功能m4.1.2 CNC系統(tǒng)的組成 EIA(EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會美國電子工業(yè)協(xié)會) )所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的定義所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的

7、定義:“CNC:“CNC是用一個(gè)存儲程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲器中的是用一個(gè)存儲程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口置是接口”。 ISO( ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織) )的定義的定義:“:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動和動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動和加工零件加工零件”。 CNC CNC系統(tǒng)與系統(tǒng)與NCNC系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)

8、控系統(tǒng)分輪廓控制和點(diǎn)位控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計(jì)算機(jī)，處理和控制的計(jì)算機(jī)，即即數(shù)字控制裝置。數(shù)字控制裝置。4.1.2 CNC系統(tǒng)的組成 從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。4.1.3 CNC裝置的組成和工作原理 CNC系統(tǒng)平臺系統(tǒng)平臺硬件硬

9、件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理軟件管理軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件控制軟件控制軟件數(shù)控加工程序數(shù)控加工程序接接口口被控設(shè)備被控設(shè)備機(jī)機(jī)床床機(jī)器人機(jī)器人測量機(jī)測量機(jī).4.1.3 CNC裝置的組成和工作原理 1.1.硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu): : CPU CPU，存儲器，總線、，存儲器，總線、外設(shè)外設(shè)等等。2.2.軟件結(jié)構(gòu)軟件結(jié)構(gòu)：是一種用于是一種用于零件零件加工的、實(shí)時(shí)控制的、特殊的（或稱加工的、實(shí)時(shí)控制的、特殊的（或稱專用的）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。專用的）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。 系系 統(tǒng)統(tǒng)初始化初始化系統(tǒng)控制軟件系統(tǒng)控制軟件程序管理程序管理編輯編輯存儲存儲錄放錄放管理軟件管理軟件控制軟件控制軟件輸入程序輸入程序輸出程序輸出程序顯

10、示程序顯示程序診斷程序診斷程序譯碼程序譯碼程序補(bǔ)償計(jì)算補(bǔ)償計(jì)算速度控制速度控制插補(bǔ)程序插補(bǔ)程序位控程序位控程序圖圖4.1 CNC4.1 CNC軟件的構(gòu)成軟件的構(gòu)成 4.1.3 CNC裝置的組成和工作原理 3. 3. 工作原理工作原理 通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過過CNCCNC裝置譯碼，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個(gè)坐標(biāo)裝置譯碼，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個(gè)坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動各軸運(yùn)動。并進(jìn)行實(shí)時(shí)位

11、置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)電動機(jī)，帶動各軸運(yùn)動。并進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。軸能精確地走到所要求的位置。 簡要工作過程：簡要工作過程： 1 1）輸入）輸入： 輸入內(nèi)容輸入內(nèi)容零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。 輸入方式輸入方式穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入，穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入， 通訊接口輸入及連接上級計(jì)算機(jī)的通訊接口輸入及連接上級計(jì)算機(jī)的DNCDNC接口輸入接口輸入4.1.3 CNC裝置的組成和工作原理 2 2）譯碼：）譯碼：以以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī)一個(gè)程序

12、段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī) 能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專 用區(qū)內(nèi)。用區(qū)內(nèi)。3 3）數(shù)據(jù)處理）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。 4 4）插補(bǔ)：）插補(bǔ)：插補(bǔ)的任務(wù)是通過插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之插補(bǔ)的任務(wù)是通過插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之 間進(jìn)行間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5 5）位置控制：）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論

13、位置與實(shí)際反饋位 置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6 6）I/OI/O處理：處理：處理處理CNCCNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號輸入、輸出和控制。裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號輸入、輸出和控制。7 7）顯示：）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8 8）診斷：）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。 4.1.4 CNC裝置的主要功能和特點(diǎn) 1.1.數(shù)控裝置的主要功能數(shù)控裝置的主要功能 （1 1）控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)）控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù) （2 2）準(zhǔn)備功能（）準(zhǔn)備功

14、能（G G功能）功能） （3 3）插補(bǔ)功能）插補(bǔ)功能 （4 4）主軸速度功能：主軸轉(zhuǎn)速的編碼方式、恒定線速度、主軸定向準(zhǔn)）主軸速度功能：主軸轉(zhuǎn)速的編碼方式、恒定線速度、主軸定向準(zhǔn) （5 5）進(jìn)給功能（）進(jìn)給功能（ F F ） 1 1）切削進(jìn)給速度）切削進(jìn)給速度 2) 2) 同步進(jìn)給速度同步進(jìn)給速度 3 3）快速進(jìn)給速度）快速進(jìn)給速度 4 4）進(jìn)給倍率）進(jìn)給倍率 。 （6 6）補(bǔ)償功能）補(bǔ)償功能 1 1） 刀具長度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償?shù)毒唛L度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償 2 2）工藝量的補(bǔ)償）工藝量的補(bǔ)償 （7 7）固定循環(huán)加工功能）固定循環(huán)加工功能 4.1.4 CNC裝置的主要功能

15、和特點(diǎn)（8 8）輔助功能（）輔助功能（M M代碼）代碼）（9 9）字符圖形顯示功能）字符圖形顯示功能（1010）程序編制功能：手工編程、）程序編制功能：手工編程、 在線編程、自動編程在線編程、自動編程（1111）輸入、輸出和通訊功能）輸入、輸出和通訊功能（1212）自診斷功能）自診斷功能2.CNC2.CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)數(shù)控裝置的特點(diǎn) 1 1）靈活性大）靈活性大 2 2）通用性強(qiáng)）通用性強(qiáng) 3 3）可靠性高）可靠性高 4 4）可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能）可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能 5 5）使用維修方便）使用維修方便 6 6）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化4.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 4.2

16、.1 CNC裝置的硬件構(gòu)成 CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口閱讀機(jī)閱讀機(jī)接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口總線總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖 CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)分為：單微處理機(jī)和多微處理機(jī)系統(tǒng)，中 高檔的CNC裝置以多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)為多。 單微處理機(jī)結(jié)構(gòu):見上圖 多微處理機(jī)CNC裝置的結(jié)構(gòu)： 1 1. . 主從結(jié)構(gòu) 2. 多主結(jié)構(gòu) 3. 分布式結(jié)構(gòu) 4. 多通道結(jié)構(gòu) 4.2.2 CNC裝置的體系結(jié)構(gòu) 單微處理機(jī)數(shù)控裝置:是以一個(gè)CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工

17、各個(gè)任務(wù)。單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)： 微處理器、存儲器、總線、接口等。 接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器（PLC）、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)接口，以及其它選件接口等。1.微處理器和總線 微處理器：運(yùn)算、控制 總線：CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制 、地址和數(shù)據(jù)三總線。2.存儲器 只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存儲器（RAM） 它們的用途： 4.2.3 單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 只讀存儲器（ROM）：系統(tǒng)程序 隨機(jī)存儲器（RAM）：運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、 標(biāo)志信息 CMO

18、S RAM或磁泡存儲器：加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)3.位置控制單元 對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制（包括位置和速度控制）。 （對主軸的控制一般只包括速度控制） C軸位置控制：包括位置和速度控制 刀庫位置控制（簡易位置控制） 進(jìn)給軸位置控制的硬件：大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片、 位置控制模板。 4.2.3 單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) VSVS1.多微處理機(jī)多微處理機(jī)CNCCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)裝置的典型結(jié)構(gòu) 總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu): :共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)。共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)

19、。 （1 1）功能模塊）功能模塊 1 1）CNCCNC管理模塊管理模塊 2 2）存儲器模塊）存儲器模塊 3 3）CNCCNC插補(bǔ)模塊插補(bǔ)模塊 4 4）位置控制模塊）位置控制模塊 5 5）操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊）操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊 6 6）PLCPLC模塊模塊 4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) VSVS（2 2）共享總線結(jié)構(gòu)）共享總線結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)與仲裁結(jié)構(gòu)與仲裁 主模塊與從模塊主模塊與從模塊 總線仲裁及其方式：串行方式和并行方式總線仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行總線仲裁方式：優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定。串行總線仲裁方式：優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定。 并行

20、總線仲裁方式：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案并行總線仲裁方式：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案 模塊之間的通訊模塊之間的通訊：公共存儲器公共存儲器 總線：總線：STD bus STD bus （支持（支持8 8位和位和1616位字長）位字長） Multi bus Multi bus （型支持型支持1616位字長，位字長，型支持型支持3232位字長）位字長） S-100 bus S-100 bus （可支持（可支持1616位字長）位字長） VERSA bus VERSA bus （可支持（可支持3232位字長）位字長） VME bus VME bus （可支持（可支持3232位字長）位字長） 4.2.

21、4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 圖圖4 .9 串行總線仲裁連接方式串行總線仲裁連接方式主模塊主模塊1主模塊主模塊2主模塊主模塊3入入忙忙出出入入忙忙出出4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 圖圖4 .10 并行總線仲裁連接方式并行總線仲裁連接方式總線優(yōu)總線優(yōu) 總線總線 總線優(yōu)總線優(yōu)先權(quán)入先權(quán)入 忙忙 先權(quán)出先權(quán)出入入 忙忙 出出譯譯 器器 碼碼入入 忙忙 出出優(yōu)先權(quán)編器碼優(yōu)先權(quán)編器碼4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) （3 3）共享存儲器結(jié)構(gòu)）共享存儲器結(jié)構(gòu) VS圖圖4 .11 MTC1的的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖裝置結(jié)構(gòu)框圖(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(

22、2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2鍵盤鍵盤(中央中央)CPU1(插補(bǔ)插補(bǔ))CPU3串口和串口和收發(fā)器收發(fā)器CRTCCRT字符字符發(fā)生器發(fā)生器并行并行接口接口反饋脈沖反饋脈沖處理處理反饋信號反饋信號適配器適配器機(jī)床機(jī)床接口接口模擬量模擬量接口接口RS232CXYZCW4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) （4 4）共享總線和共享存儲器型結(jié)構(gòu)）共享總線和共享存儲器型結(jié)構(gòu) 圖圖4 .12 FUNUC11的的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖裝置結(jié)構(gòu)框圖鍵盤鍵盤紙帶機(jī)紙帶機(jī)手搖盤手搖盤PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主主CPU68000SSURS232

23、RS232位控位控位控位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM圖形顯示圖形顯示80878087OPCCRT機(jī)床機(jī)床I/O坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸 坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸主軸主軸其中其中OPC操作控制器；操作控制器；BAC總線仲裁控制器；總線仲裁控制器；IOC輸入輸出控制器；輸入輸出控制器；CAP自動編程單元；自動編程單元；SSU系統(tǒng)支持單元；系統(tǒng)支持單元；PMC可編程機(jī)床控制器可編程機(jī)床控制器4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 圖圖4 .13 雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖 圖圖4 .13多多CPU共享存儲器框圖共享存儲器框圖端口端口1存儲存儲控制邏輯控制邏輯地址和數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)

24、多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存共享存儲器儲器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制軸控制（COU4）插補(bǔ)插補(bǔ)(CPU3)端口端口2中斷中斷控制控制從機(jī)床來的從機(jī)床來的控制信號控制信號至機(jī)床的至機(jī)床的控制信號控制信號4.2.4 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) VSVS（5 5）多通道結(jié)構(gòu)）多通道結(jié)構(gòu) 通道結(jié)構(gòu)（通道結(jié)構(gòu)（Channel StructureChannel Structure），即兩種以上程序的并行處理。），即兩種以上程序的并行處理。2.2.多微處理機(jī)多微處理機(jī)CNCCNC裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) （1 1）計(jì)算處理速度高）計(jì)算處理速度高 （2 2）可靠性高）可靠性高 （3 3

25、）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性 （4 4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu) VSVS一、開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生 隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的需求，需要一種靈活（功能可組、可擴(kuò)展、可添加）的開放式數(shù)控系統(tǒng)，打破當(dāng)前的“封閉式的”數(shù)控系統(tǒng)。體系開放化定義（IEEE）： 具有在不同的工作平臺上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)： 系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化( Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征,允許通過對

26、構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成構(gòu)造，應(yīng)該是可移植的和透明的；4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu) VSVS二、開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點(diǎn)向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗；4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu) VSVS向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提

27、供一個(gè)方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達(dá)到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強(qiáng)市場供應(yīng)能力和競爭能力。4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu) VSVS三、開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件硬件配置配置單元單元軟件軟件配置配置單元單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)基本硬件基本硬件數(shù)控功能數(shù)控功能應(yīng)用程序應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫構(gòu)件庫4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu) VSVS 四、國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研

28、究進(jìn)展 1.幾大研究計(jì)劃美國：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)計(jì)劃歐共體：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)計(jì)劃日本：OSEC(Open System Environment for Controller)計(jì)劃華中I型基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)基于PC的多機(jī)CNC開放體系結(jié)構(gòu)4.2.5 開放式數(shù)控裝置的體系

29、結(jié)構(gòu) VSVS2.2.開放程度開放程度：1 1）CNCCNC可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件2 2）用戶操作界面的開放。）用戶操作界面的開放。3 3）NCNC內(nèi)核的深層次開放內(nèi)核的深層次開放( ( PC+ PC+實(shí)時(shí)硬插件；實(shí)時(shí)硬插件； PC+ PC+實(shí)時(shí)軟中斷實(shí)時(shí)軟中斷) )。3.3.開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：1 1）在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件）在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件 技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、先進(jìn)、適銷的經(jīng)濟(jì)、合理的開放式數(shù)技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、先進(jìn)、適銷的經(jīng)濟(jì)

30、、合理的開放式數(shù) 控系統(tǒng)?？叵到y(tǒng)。2 2）主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率（高速）高自動化加工的）主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率（高速）高自動化加工的 需求。需求。3 3）網(wǎng)絡(luò)化）網(wǎng)絡(luò)化4.2.6 點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)VSVS1.1.點(diǎn)位點(diǎn)位/ /直線控制的一般概念（單軸數(shù)控）直線控制的一般概念（單軸數(shù)控） 用于鉆床、鏜床、機(jī)能簡單的車床用于鉆床、鏜床、機(jī)能簡單的車床 點(diǎn)位控制點(diǎn)位控制只控制刀具相對應(yīng)于工件定位，由某一定位點(diǎn)向下一定點(diǎn)運(yùn)動時(shí)不進(jìn)只控制刀具相對應(yīng)于工件定位，由某一定位點(diǎn)向下一定點(diǎn)運(yùn)動時(shí)不進(jìn)行切削，對運(yùn)動路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。行切削，對運(yùn)動路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。 直線控制直

31、線控制刀具沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動，并對工件進(jìn)行切削加工。在加工過程中不但刀具沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動，并對工件進(jìn)行切削加工。在加工過程中不但要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運(yùn)動的終點(diǎn)。要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運(yùn)動的終點(diǎn)。4.2.6 點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)2.2.點(diǎn)位點(diǎn)位/ /直線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)直線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)顯示顯示進(jìn)給脈沖進(jìn)給脈沖發(fā)生器發(fā)生器M、S、T寄存控制寄存控制加減速及加減速及停止判斷停止判斷伺服伺服驅(qū)動驅(qū)動機(jī)床機(jī)床測量測量輸入輸入譯碼譯碼位置計(jì)數(shù)位置計(jì)數(shù)與比較與比較F圖圖4.16 4.16 點(diǎn)位點(diǎn)位/ /直線控制系統(tǒng)直線控制系統(tǒng)4.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 4.3.1

32、 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1. CNC1. CNC裝置軟件硬件的界面裝置軟件硬件的界面 圖4 .17 三種典型的軟硬件界面關(guān)系紙紙帶帶輸輸入入插補(bǔ)插補(bǔ)準(zhǔn)備準(zhǔn)備插插補(bǔ)補(bǔ)位位控控紙紙帶帶輸輸入入插補(bǔ)插補(bǔ)準(zhǔn)備準(zhǔn)備插插補(bǔ)補(bǔ)位位控控速速控控電電機(jī)機(jī)測量測量第一第一種種第二第二種種第三第三種種硬硬件件硬硬件件軟軟件件硬硬件件硬硬件件軟軟件件軟軟件件硬硬件件硬硬件件1、軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能的特點(diǎn)和關(guān)系 關(guān)系：從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實(shí)現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的。 特點(diǎn)： 硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。 軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對較慢。 2

33、 、軟件、硬件實(shí)現(xiàn)功能的分配就是 軟件硬件功能界面劃分。3 、功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價(jià)格比。 4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS 2. 2. 系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：如何將由零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移如何將由零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動和邏指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。輯動作，加工出符合要求的零件。 系統(tǒng)軟件的組成：系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）（管理和

34、控制） 管理部分：管理部分：輸入、輸入、I/OI/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理 等程序。等程序。 控制部分：控制部分：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。 管理方式：管理方式： 單微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。單微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。 多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元 4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3. 3. 多任務(wù)并行處理多任務(wù)并行處理 （1 1）CNCCNC裝置的多任務(wù)性裝置

35、的多任務(wù)性 圖圖4 .18 CNC裝置軟件任務(wù)分解裝置軟件任務(wù)分解 圖圖4 .19軟件任務(wù)的并行處理軟件任務(wù)的并行處理CNC裝置裝置管管理理控控制制輸入輸入顯示顯示位控位控診斷診斷I/O插補(bǔ)插補(bǔ)位控位控譯譯碼碼刀刀補(bǔ)補(bǔ)速度處理速度處理輸輸入入I/O處處理理顯顯示示診診斷斷通通訊訊譯譯碼碼刀刀具具補(bǔ)補(bǔ)償償速速度度處處理理位位置置控控制制插插補(bǔ)補(bǔ)4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS（2 2）并行處理）并行處理為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時(shí)序配合要求，為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時(shí)序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。用并行處理，而不能逐一處理。 并

36、行處理并行處理： 是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的的 工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是合理使用和調(diào)配工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是合理使用和調(diào)配 CNC CNC 系統(tǒng)的資源系統(tǒng)的資源, ,提高了運(yùn)行速度。提高了運(yùn)行速度。 并行處理的分類：并行處理的分類： “ “資源重復(fù)資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊時(shí)間重疊”和和“資源共享資源共享”。 資源共享：資源共享： 根據(jù)根據(jù)“分時(shí)共享分時(shí)共享”的原則，使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。的原則，使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。 時(shí)間重疊：時(shí)間重疊： 根據(jù)流水線處理技

37、術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用 同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS1）資源分時(shí)共享并行處理（對單一資源的系統(tǒng)） 在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。 資源分時(shí)共享在規(guī)定的時(shí)間長度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源。 “資源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵： 其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。 其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長度，即 時(shí)間片的分配問題。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS診斷診斷I/O處理處理輸入輸入

38、插補(bǔ)插補(bǔ)準(zhǔn)備準(zhǔn)備顯示顯示初始化初始化插補(bǔ)插補(bǔ)位控位控鍵盤鍵盤 中斷級別高中斷級別高中斷級別低中斷級別低4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS 在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU； 在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。 因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微 觀上來看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS2)2)并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采 用以下兩種并行處理技術(shù)： 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CP

39、U上同時(shí)執(zhí)行 并發(fā)處理； 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS 流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)(任務(wù)的分法與資源重復(fù)的多少有關(guān))，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS并行處理并行處理1231232tt空間空間時(shí)間時(shí)間順序處理順序處理輸輸出出輸輸出出CPU1時(shí)間時(shí)間t+t tt空間空間111333222輸輸出出輸輸出出輸輸出出CPU1CPU2CPU

40、34.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在任何時(shí)刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3 3）并行處理中的信息交換和同步）并行處理中的信息交換和同步在在CNCCNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號指針來實(shí)現(xiàn)的各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號指針來實(shí)現(xiàn)的。圖圖4.22 CNC4.22 CNC裝置通過緩沖區(qū)交換信息框圖裝置通過緩沖區(qū)交換信息框圖紙帶紙

41、帶緩沖緩沖存儲區(qū)存儲區(qū)譯碼譯碼緩沖緩沖存儲區(qū)存儲區(qū)插補(bǔ)插補(bǔ)緩沖緩沖存儲區(qū)存儲區(qū)插補(bǔ)插補(bǔ)工作工作存儲區(qū)存儲區(qū)插補(bǔ)插補(bǔ)輸出輸出存儲區(qū)存儲區(qū)紙紙帶帶譯碼譯碼插補(bǔ)插補(bǔ)準(zhǔn)備準(zhǔn)備交換交換插補(bǔ)插補(bǔ)4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圖4.23 紙帶讀寫同步說明-讀指針讀指針R-寫指針寫指針WMVSVS進(jìn)口進(jìn)口W=(W+1)Mod(M)寫第一個(gè)字符到寫第一個(gè)字符到紙帶緩沖寄存器紙帶緩沖寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口出口停光電機(jī)停光電機(jī)進(jìn)口進(jìn)口出口出口啟動光電機(jī)啟動光電機(jī)R=(R+1)Mod(M)從紙帶緩沖存從紙帶緩沖存儲儲區(qū)讀出一個(gè)字區(qū)讀出一個(gè)字符符(R-W)Mod(M)=1?4.3.1 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) VSVS

42、 4. 4. 實(shí)時(shí)中斷處理實(shí)時(shí)中斷處理 （1 1）CNCCNC系統(tǒng)的中斷類型系統(tǒng)的中斷類型 1 1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入 中斷。中斷。 2 2）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。 3 3）硬件故障中斷）硬件故障中斷 種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。 4 4）程序性中斷）程序性中斷 程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。 （2 2）CNCCNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式

43、 1 1）前后臺）前后臺軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式 前臺程序前臺程序 : : 主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制 、故障、故障診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。 后臺程序后臺程序 ( ( 背景程序背景程序 ): ): 完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入 / / 輸輸出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理 ) ) 等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序，其在運(yùn)行過程中

44、，不斷地定時(shí)被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完行的程序，其在運(yùn)行過程中，不斷地定時(shí)被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。成零件的加工任務(wù)。 2 2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式 背景程序背景程序初始初始化化實(shí)施中斷實(shí)施中斷程序程序4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 VSVSCNCCNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程 輸入、譯碼、預(yù)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、輸出、管理與診斷輸入、譯碼、預(yù)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、輸出、管理與診斷1. 1. 零件程序的輸入零件程序的輸入 零件程序的輸入包括兩方面的內(nèi)容零件程序的輸入包括兩方面的內(nèi)容: : 1 1）從閱讀

45、機(jī)、鍵盤輸入到零件程序存儲器。從閱讀機(jī)、鍵盤輸入到零件程序存儲器。 2 2）從零件程序存儲器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲區(qū)）。從零件程序存儲器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲區(qū)）。 圖4.25 輸入過程閱讀機(jī)閱讀機(jī)零件程序存儲器零件程序存儲器MDI鍵盤鍵盤零件程序緩沖區(qū)零件程序緩沖區(qū)MDI緩沖區(qū)緩沖區(qū)譯碼譯碼4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 VSVS2. 2. 數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)處理程序又叫插補(bǔ)準(zhǔn)備程序，包括譯碼、刀補(bǔ)（運(yùn)動軌跡計(jì)算）、數(shù)據(jù)處理程序又叫插補(bǔ)準(zhǔn)備程序，包括譯碼、刀補(bǔ)（運(yùn)動軌跡計(jì)算）、輔助功能處理和進(jìn)給速度計(jì)算等部分輔助功能處理和進(jìn)給速度計(jì)算等部分 。另外，還

46、包括諸如換刀、主軸啟停、。另外，還包括諸如換刀、主軸啟停、冷卻液開、閉等輔助功能。冷卻液開、閉等輔助功能。 （1 1）譯碼）譯碼 定義：譯碼程序是以程序段為單位對信息進(jìn)行處理，把其中的各種工定義：譯碼程序是以程序段為單位對信息進(jìn)行處理，把其中的各種工件輪廓信息（如起點(diǎn)、終點(diǎn)，直線和圓?。⒓庸に俣燃喞畔ⅲㄈ缙瘘c(diǎn)、終點(diǎn)，直線和圓?。?、加工速度F F和其它輔助信息和其它輔助信息（M.S.TM.S.T）依照計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放在指定的內(nèi)）依照計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)間。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法存專用區(qū)間。在譯碼

47、過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯(cuò)誤立即報(bào)警。錯(cuò)誤立即報(bào)警。 方法：解釋和編譯。方法：解釋和編譯。 內(nèi)容：整理和存放。內(nèi)容：整理和存放。 1 1）不按字符格式的整理與存放方法。）不按字符格式的整理與存放方法。 2 2）保留字符格式的整理與存放。）保留字符格式的整理與存放。4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 （2 2）刀具補(bǔ)償）刀具補(bǔ)償 定義：將編程時(shí)工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡數(shù)據(jù)。定義：將編程時(shí)工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡數(shù)據(jù)。 種類：長度補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償。種類：長度補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償。 1 1）B B功能刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算功能刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算 直線加工時(shí)刀具補(bǔ)償直線加工時(shí)刀具補(bǔ)償圖圖4.

48、28 4.28 直線刀具補(bǔ)償直線刀具補(bǔ)償 VSVSYXA(x,y)A(x,y)yxOO ryyyxxxAKAXOA2222cossinyxxrryyxyrrx2222yxrxyyyxryxx4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 圓弧加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償圓弧加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償 圖圖4.29 4.29 圓弧刀具半徑補(bǔ)償圓弧刀具半徑補(bǔ)償r(x0,Y 0)(xe,Y e)(Xe,ye,yyyxxxeeeeBKBBOXRyrryRxrrxeesincosRryyyRrxxxeeeeee4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 * * B B功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題 VSVS 圖圖4.30

49、B4.30 B刀補(bǔ)的交叉點(diǎn)和間斷點(diǎn)刀補(bǔ)的交叉點(diǎn)和間斷點(diǎn)ABC”CBAG41刀具刀具G42刀具刀具編程軌跡編程軌跡刀具中心軌跡刀具中心軌跡C4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 2 2）C C功能刀具半徑補(bǔ)償功能刀具半徑補(bǔ)償 處理兩個(gè)程序段間轉(zhuǎn)接（即尖角過渡）的各種情況處理兩個(gè)程序段間轉(zhuǎn)接（即尖角過渡）的各種情況。 圖圖4.31 4.31 由由NCNC到到CNCCNC刀補(bǔ)的改進(jìn)措施刀補(bǔ)的改進(jìn)措施工作寄存器工作寄存器AS輸出寄存器輸出寄存器OS緩沖寄存器緩沖寄存器BS工作寄存器工作寄存器AS輸出寄存器輸出寄存器OS緩沖寄存器緩沖寄存器BS刀具補(bǔ)償緩沖刀具補(bǔ)償緩沖區(qū)區(qū)CS工作寄存器工作寄存器AS輸出寄存器輸出

50、寄存器OSa)NCa)NC方式方式b)b)改進(jìn)的改進(jìn)的NCNC方式方式c)CNCc)CNC方式方式4.3.2 輸入和數(shù)據(jù)處理 圖圖4.32 G414.32 G41直線與直線轉(zhuǎn)接情況直線與直線轉(zhuǎn)接情況VSVS4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS 1.1.進(jìn)給速度計(jì)算進(jìn)給速度計(jì)算開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng): : 速度通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。速度通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。 速度計(jì)算的方法是根據(jù)程編的速度計(jì)算的方法是根據(jù)程編的F F值來確定該頻率值。值來確定該頻率值。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng): : 采用數(shù)據(jù)采樣方法進(jìn)行插補(bǔ)加工采用數(shù)據(jù)采樣方法進(jìn)行插補(bǔ)加工 速度計(jì)算是根

51、據(jù)程編的速度計(jì)算是根據(jù)程編的F F值，將輪廓曲線分割為采樣值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長。周期的輪廓步長。 4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS （1 1）開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)給速度的計(jì)算）開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)給速度的計(jì)算 脈沖的頻率決定進(jìn)給速度。脈沖的頻率決定進(jìn)給速度。 （4.74.7） 為脈沖當(dāng)量，單位：為脈沖當(dāng)量，單位：mm mm ，則則 （4.84.8）兩軸聯(lián)動時(shí)，各坐標(biāo)軸速度為兩軸聯(lián)動時(shí)，各坐標(biāo)軸速度為: : 合成速度（即進(jìn)給速度）合成速度（即進(jìn)給速度）V V為為 （4.94.9） min)/mm(60f F 60Ff xxf60v yyf60v FvvV2y2x 4.3.3 速度處理和加

52、減速控制 （2 2）半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算）半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算: : 確定一個(gè)采樣周期的輪廓步長和各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步長。確定一個(gè)采樣周期的輪廓步長和各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步長。直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)速度計(jì)算速度計(jì)算：a)a)程序段投影程序段投影L Lx x=x=xe e-x-x0 0 L Ly y=y=ye e-y-y0 0 b)b)直線方向余弦直線方向余弦coscos=L=Lx x/L cos/L cos=L=Ly y/L/Lc)c)一個(gè)插補(bǔ)周期的步長（一個(gè)插補(bǔ)周期的步長（L L）L=L=（1/601/60）F Ft t，速度，速度F F單位：單位：mm/minmm/min，插補(bǔ)周期，插補(bǔ)周期t

53、 t單位：單位：msms， L L單位單位: :m md)d)各坐標(biāo)軸在一個(gè)采樣插補(bǔ)周期的運(yùn)動步長各坐標(biāo)軸在一個(gè)采樣插補(bǔ)周期的運(yùn)動步長x =x =L Lcoscos=Fcos=Fcost/60 (t/60 (m) m) y =y =L Lsinsin=Fsin=Fsint/60 =t/60 =L Lcoscos= Fcos= Fcost/60 (t/60 (m)m)VSVSYYOOXXXXYYA(X0 ,Y0)ABB(Xe ,Ye)A(X0,Y0)B(Xe ,Ye)ABLLXLY4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS圓弧插補(bǔ)時(shí)速度計(jì)算（插補(bǔ)原理不同，計(jì)算方法也不同）圓弧插補(bǔ)時(shí)速度計(jì)算（插補(bǔ)

54、原理不同，計(jì)算方法也不同） 步長分配系數(shù) （速度系數(shù)） 116060/cosidiiiJRtJFtFx116060/sinidiiiIRtIFtFyRtFd60tFRNd601RFFRN dJ JI IX XY YO OA AO OE EA Ai-1i-1A Ai iC C( (I IO O,J,JO O) )X Xi iY Yi iI Ii-1i-1J Ji-1i-1R R4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS2.2.進(jìn)給速度控制進(jìn)給速度控制 常用的常用的控制控制方法方法：計(jì)時(shí)法計(jì)時(shí)法 用于脈沖增量插補(bǔ)。用于脈沖增量插補(bǔ)。時(shí)鐘中斷法時(shí)鐘中斷法 用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù)，達(dá)用軟件

55、控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù)，達(dá) 到速度控制的目的。到速度控制的目的。積分法積分法 LV4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS3.3.數(shù)據(jù)采樣原理數(shù)據(jù)采樣原理CNCCNC裝置的加、減速控制裝置的加、減速控制 加減速控制目的：加減速控制目的：保證機(jī)床在啟動或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、保證機(jī)床在啟動或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、 失步、超程或振蕩失步、超程或振蕩 方法：方法： 插補(bǔ)前加減速控制插補(bǔ)前加減速控制 插補(bǔ)后加減速控制插補(bǔ)后加減速控制 瞬時(shí)速度與穩(wěn)定速度瞬時(shí)速度與穩(wěn)定速度 V V= =THK/THK/(60(601000)1000)加減速曲線加減速曲線 指數(shù)加減速指數(shù)加減速 線性加減速線性加減速 鐘形加

56、減速鐘形加減速 S S曲線加減速曲線加減速4.3.3 速度處理和加減速控制 VSVS插補(bǔ)前加減速控制 插補(bǔ)后加減速控制 原理 對合成速度（程編指令速度F）進(jìn)行控制 對各運(yùn)動坐標(biāo)軸分別進(jìn)行加減速控制 優(yōu)點(diǎn) 不影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度 不需預(yù)測減速點(diǎn)，在插補(bǔ)輸出為0時(shí)，開始減速，并通過一定的時(shí)間延遲逐漸靠近程序段終點(diǎn)。 缺點(diǎn) 需預(yù)測減速點(diǎn)，這要根據(jù)實(shí)際刀具位置與程序段之間距離來確定，計(jì)算工作量大。 合成位置可能不準(zhǔn)確，但這種影響只在加減速過程，進(jìn)入勻速狀態(tài)后，這種影響就不存在了。 4.3.4 插補(bǔ)計(jì)算 VS主要算一個(gè)插補(bǔ)周期的X，Y， 以直線為例：1）L%=L*倍率 （L%倍率后的每周期公式進(jìn)給

57、量）2）L1新= L1舊+L% （L1新上次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離； L1舊本次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離）3）X3新= L1新cos（X軸投影） y3新= L1新cos4）x2= X3新- X3舊（本次插補(bǔ)周期的輸出位置增量值）。 y2= y3新- y3舊本次插補(bǔ)點(diǎn)本次插補(bǔ)點(diǎn)（x3舊舊，y3舊舊）x2x2y2y2上次插補(bǔ)點(diǎn)上次插補(bǔ)點(diǎn)4.3.5 位置控制 VSVS1 1）每個(gè)位置反饋采樣周期，將插補(bǔ)給定與反饋值進(jìn)行比較，用）每個(gè)位置反饋采樣周期，將插補(bǔ)給定與反饋值進(jìn)行比較，用 差值去控制電機(jī)差值去控制電機(jī)2 2）增量調(diào)整）增量調(diào)整3 3）螺距補(bǔ)償，間隙補(bǔ)償）螺距補(bǔ)償，間隙補(bǔ)償插補(bǔ)插補(bǔ)速度單

58、元速度單元位控位控電機(jī)電機(jī)速檢速檢位檢位檢4.3.6 故障診斷 VSVS 方法 1 運(yùn)行中診斷: : 1）代碼和檢查內(nèi)存 2）格式檢查（奇、偶、補(bǔ)償指令、數(shù)據(jù)超限） 3）雙向傳遞檢查 4）清單檢驗(yàn)，用打印機(jī)、CRT 5）電壓溫度、速度檢測監(jiān)控2 停機(jī)診斷 有自診斷程序 3 通訊診斷 由診斷中心進(jìn)行，發(fā)出診斷程序。 4.3.6 故障診斷 遠(yuǎn)程診斷技術(shù)VSVS狀態(tài)檢測服務(wù)器狀態(tài)檢測服務(wù)器機(jī)床機(jī)床機(jī)床機(jī)床機(jī)床機(jī)床Internet異地專家異地專家診斷中心診斷中心Web服務(wù)器服務(wù)器CNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過程 實(shí)例（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程）G01XeYeF4.5 CNC裝置的接口電路 4.5.1 概述 VSVS CNCCNC裝置與下列設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和信息通訊：裝置與下列設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和信息通訊： 1. 1.數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 2. 2.外部機(jī)床控