《數(shù)控技術(shù)》第四章(第一節(jié))

1、第四章 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng) 概述 CNC的軌跡控制原理 刀具位置補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償 進(jìn)給速度和加減速控制 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、CNC系統(tǒng)的構(gòu)成與功能1、數(shù)字控制的任務(wù)？ 使工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成規(guī)定的幾何軌跡。根本任務(wù)是運(yùn)動(dòng)軌跡行程量控制和開關(guān)量控制。還有網(wǎng)絡(luò)通信和直接控制（DNC）功能，這是從柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展要求看。2、CNC系統(tǒng)的組成 CNC系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器。可編程控制器PLCCNC控制器計(jì)算機(jī)硬件與數(shù)控系統(tǒng)軟件輸出設(shè)備打 印 機(jī)穿 孔 機(jī)電 傳 機(jī)顯示設(shè)備輸入設(shè)備編程計(jì)算機(jī)操作面板電子手輪紙帶閱讀機(jī)程序電氣控制單 元機(jī)床電器速度控制單 元位置檢測(cè)進(jìn)給電機(jī)主軸控制

2、 單 元主軸電機(jī)CNC系統(tǒng)的組成流程框圖CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3、CNC控制器一般工作原理（1）輸入：常有零件程序、機(jī)床參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)；輸入工作方式有存儲(chǔ)方式（程序一次全部輸入到CNC）和NC方式（一邊輸入一邊加工）。（2）譯碼：按一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)形式。（3）刀具補(bǔ)償（4）進(jìn)給速度處理：合成運(yùn)動(dòng)方向上的數(shù)據(jù)。（5）插補(bǔ)（6）位置控制（7） I/O處理：指CNC與機(jī)床之間電氣信號(hào)的輸入、輸出處理和控制（如換刀、主軸變速換檔、；冷卻等）。（8）顯示（9）診斷：自動(dòng)故障診斷。聯(lián)機(jī)診斷指隨時(shí)檢查不正常的事件；脫機(jī)診斷：CNC此時(shí)不工作，也可采用遠(yuǎn)程通信方式。CNC的信息流程表示其

3、工作內(nèi)容和過(guò)程的信息流程表示其工作內(nèi)容和過(guò)程4、CNC控制器的功能（1）軸控制功能：同時(shí)控制軸數(shù)越多，CNC控制器就越復(fù)雜。（2）準(zhǔn)備功能（3）插補(bǔ)功能（4）進(jìn)給功能：切削進(jìn)給速度、同步進(jìn)給速度、快速進(jìn)給速度、進(jìn)給倍率。（5）主軸功能（6）輔助功能（7）刀具功能和第二輔助功能：第二輔助功能指定工作臺(tái)的分度。（8）補(bǔ)償功能（9）字符、圖形顯示功能（10）自診斷功能（11）通信功能：適應(yīng)FMS和CIMS等需求。（12）人機(jī)交互圖形編程功能二、CNC的硬件結(jié)構(gòu)（常規(guī)與開放式）1、常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)（1）常規(guī)CNC發(fā)展的主要形式技術(shù)上成熟的有三種形式：一種：總線式模塊化結(jié)構(gòu)（高檔）；二種：以單板或?qū)?/p>

4、用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的CNC（中檔）；三種：基于通用計(jì)算機(jī)（PC或IPC）基礎(chǔ)上開發(fā)的CNC。（2）單微處理器結(jié)構(gòu) 用于CNC發(fā)展初期和一些經(jīng)濟(jì)型CNC，以集中控制分時(shí)處理方式完成。功能的 實(shí)現(xiàn)與處理速度成為一對(duì)突出的矛盾。單微處理器結(jié)構(gòu)CNC框圖（3）多微處理器結(jié)構(gòu)1）多微處理器CNC的典型結(jié)構(gòu)兩個(gè)以上CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲(chǔ)器A 共享總線結(jié)構(gòu)（STD、MDTI、S100、VERSA、VME）公共存儲(chǔ)器方式共享總線B 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)多端口存儲(chǔ)器，當(dāng)功能復(fù)雜、CPU數(shù)量增多時(shí)，會(huì)爭(zhēng)用共享造成信息阻塞。共享存儲(chǔ)器2）多微處理器CNC的基本功能模塊CNC管理模塊CNC插補(bǔ)模塊位置控制模塊P

5、LC(PMC)模塊命令與數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊存儲(chǔ)器模塊 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于開放式數(shù)控系統(tǒng)都強(qiáng)調(diào)五個(gè)方面的性能特征： 即插即用(plug&play):數(shù)控功能采用模塊化的結(jié)構(gòu)且各模塊具有即插即用的能力，以滿足具體控制功能要求。 可移植性(portability):功能模塊可運(yùn)行于不同的控制系統(tǒng)內(nèi)。 可擴(kuò)展性(expandability):功能相似、接口相同的模塊之間可相互替換，有隨技術(shù)進(jìn)步而更新硬軟件的可能. 可縮放性(scalability):控制系統(tǒng)的大小（模塊的數(shù)量與實(shí)現(xiàn)）可根據(jù)具體的應(yīng)用增減，成為規(guī)?；盗挟a(chǎn)品. 互操作性(interoperability):模塊之間能相互協(xié)作(交換數(shù)據(jù))

6、，容易實(shí)現(xiàn)和其他自動(dòng)化設(shè)備互連。 因此，一個(gè)完全開放的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該是：以分布式控制原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的； 系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)是可縮放的，以便根據(jù)需要可方便實(shí)現(xiàn)重構(gòu)、編輯，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途.即可實(shí)現(xiàn)CNC,PLC,RC(Robot Control)和CC(Cell Control)等控制功能；系統(tǒng)中各模塊相互獨(dú)立，在此平臺(tái)上，系統(tǒng)廠、機(jī)床廠及最終用戶都可很容易地把一些專用功能和其它有個(gè)性的模塊加入其中，進(jìn)行 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，允許各模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，為此要有方便的支撐工具，各模塊接口協(xié)議應(yīng)明確，具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便各相對(duì)獨(dú)

7、立的功能模塊通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)信息交換，通過(guò)信息交換滿足實(shí)時(shí)控制要求；同時(shí)使來(lái)自不同供應(yīng)商的模塊之間具有相互操作性.只有這樣才能保證機(jī)床廠、用戶對(duì)系統(tǒng)作補(bǔ)充、擴(kuò)展或者修改。2、開放式CNC的硬件結(jié)構(gòu) 改變目前數(shù)控系統(tǒng)的封閉型設(shè)計(jì)，以適應(yīng)未來(lái)車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織模式，使CNC向模塊化、平臺(tái)化、工具化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。 我國(guó)前段時(shí)間還停留在原有封閉型CNC上。（1）開放式CNC定義 必須具備不同應(yīng)用程序能協(xié)調(diào)地運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)上的能力，提供面向功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)工具，同時(shí)，提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序用戶界面。特征：可操作性、可移植性、可縮放性和可相互替代性。（2）基于PC(或IPC)開放式CNC的硬件配置形

8、式1）基于PC的有限開放CNC PC機(jī)承擔(dān)CNC人機(jī)界面功能，原來(lái)的CNC系統(tǒng)不作結(jié)構(gòu)上的根本改變，這樣綜合了PC和原來(lái)CNC特點(diǎn)。A PC連接型CNC：低速串行線互連，響應(yīng)速度受到影響。B PC內(nèi)藏型CNC：具有數(shù)據(jù)傳送快，系統(tǒng)響應(yīng)快的特點(diǎn)。2）基于PC的可開放式CNC 在通用PC機(jī)的擴(kuò)展槽中加入專用CNC卡而組成（CNC內(nèi)藏型）三、CNC的軟件結(jié)構(gòu)（常規(guī)與開放式）1、CNC中軟、硬件界面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 CNC中軟、硬件的分配比例是由性能價(jià)格比決定的。2、CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理與實(shí)時(shí)中斷處理多任務(wù)：管理和控制許多任務(wù)必須協(xié)調(diào)地工作CNC系統(tǒng)是個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其軟件必然融進(jìn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟

9、件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷。平行處理：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相同或不同的工作。提高了運(yùn)算處理速度。 具體有以下3種：資源重復(fù)：用多套相同或不同的設(shè)備同時(shí)完成多種相同或不同的任務(wù)。時(shí)間重疊（資源重疊流水處理）：使多個(gè)處理過(guò)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。資源分時(shí)共享：使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。實(shí)時(shí)中斷處理：外部中斷、內(nèi)部定時(shí)中斷、硬件故障、程序型中斷。3、常規(guī)CNC的軟件結(jié)構(gòu)（1）中斷型結(jié)構(gòu)模式：除了初始化程序，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，成為一個(gè)大的多重中斷系統(tǒng)。 中斷型結(jié)構(gòu)

10、模式 這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各個(gè)任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對(duì)各級(jí)中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷管理系統(tǒng)。 中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制：搶占式優(yōu)先調(diào)度搶占式優(yōu)先調(diào)度。信息交換：緩沖區(qū)緩沖區(qū)。實(shí)時(shí)性好實(shí)時(shí)性好。由于中斷級(jí)別較多（最多可達(dá)8級(jí)），強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)可安排在優(yōu)先級(jí)較高的中斷服務(wù)程序中。模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充充。 8090年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件 + 軟

11、件）0級(jí)中斷服務(wù)程序 級(jí)中斷服務(wù)程序 級(jí)中斷服務(wù)程序級(jí)中斷服務(wù)程序1n2（2）前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式前臺(tái)程序?yàn)橐粋€(gè)中斷服務(wù)程序，幾乎承擔(dān)了全部的實(shí)時(shí)功能；后臺(tái)程序或背景程序：完成管理功能和非實(shí)時(shí)性任務(wù)（插補(bǔ)準(zhǔn)備），是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序。 該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩部分： 前臺(tái)程序前臺(tái)程序: : 主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、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。 后臺(tái)程序后臺(tái)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/輸出、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)行的程序，其在運(yùn)行過(guò)程中，不斷地定時(shí)被前臺(tái)中斷程序所

12、打斷，前后臺(tái)相互配合來(lái)完成零件的加工任務(wù)。前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系圖 前臺(tái)程序故障處理位置控制插補(bǔ)運(yùn)算后臺(tái)程序譯 碼刀補(bǔ)處理速度預(yù)處理輸入/輸出顯示中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行 前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式的特點(diǎn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。前臺(tái)程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。信息交換: :緩沖區(qū)。緩沖區(qū)。前臺(tái)和后臺(tái)程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的。實(shí)時(shí)性差。實(shí)時(shí)性差。在前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)無(wú)優(yōu)先級(jí)等級(jí)、 也無(wú)搶占機(jī)制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。 4、開放式CNC的軟件結(jié)構(gòu)要求：硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線的公用的模塊化設(shè)計(jì)外，軟件應(yīng)采用平臺(tái)技術(shù)，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和面向功能元（對(duì)象）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件，以保證系統(tǒng)具有開放式的基本特征。（1）開放式CNC總體結(jié)構(gòu)框圖兩個(gè)部分：統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)和由各功能結(jié)構(gòu)單元對(duì)象組成的應(yīng)用軟件模塊（或系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)）AO功能元對(duì)象（2）系統(tǒng)平臺(tái)（軟硬件組成）軟件：三個(gè)部分：a 系統(tǒng)核心，如操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實(shí)時(shí)配置系統(tǒng)；b 可選系統(tǒng)軟件：如數(shù)據(jù)系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)；c 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序界面（API）。操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配置系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。 常規(guī)CNC的配置系統(tǒng)屬于靜態(tài)配置，通過(guò)設(shè)置參數(shù)完成；開放式CNC的配置系統(tǒng)應(yīng)是