《數(shù)控原理與系統(tǒng)》課件第2章

第2章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置2.1概述

2.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

習(xí)題

2.1概

述

數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，數(shù)控裝置有兩種類型：一種是完全由硬件邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置，即NC裝置；另一種是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，即CNC裝置。NC裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置，由于NC裝置本身的缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在NC裝置已基本被CNC裝置取代，因此，本章講的數(shù)控裝置主要針對CNC裝置而言。

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)，其基本組成如圖2-1所示?，F(xiàn)代數(shù)控裝置不僅能通過讀取信息載體方式獲得數(shù)控加工程序，還可以通過其它方式獲得，如通過鍵盤方式輸入和編輯數(shù)控加工程序；通過通信方式輸入其它計(jì)算機(jī)程序編輯器、自動編程器、CAD/CAM系統(tǒng)或上位機(jī)所提供的數(shù)控加工程序。高檔數(shù)控裝置本身已包含一套自動編程系統(tǒng)或CAD/CAM系統(tǒng)，只需采用鍵盤輸入相應(yīng)的信息，數(shù)控裝置本身就能生成數(shù)控加工程序。

圖2-1數(shù)控系統(tǒng)的基本組成

2.1.1CNC裝置的工作過程

1.輸入輸入CNC裝置的有零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償量等數(shù)據(jù)。輸入的形式有光電閱讀機(jī)輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、連接上級計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入和網(wǎng)絡(luò)輸入。從CNC裝置工作方式看，有存儲工作方式輸入和MDI(ManualDirectInput，手工直接輸入)工作方式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗(yàn)和代碼轉(zhuǎn)換等工作。輸入的全部信息存放在CNC裝置的內(nèi)部存儲器中。

2.譯碼不論系統(tǒng)工件在MDI方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序段為單位進(jìn)行處理的，把其中的各種零件輪廓信息(如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等)、加工速度信息(F代碼)和其它輔助信息(M、S、T代碼等)按照一定的語法規(guī)則解釋成計(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)存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯誤會立即報(bào)警。

3.刀具補(bǔ)償?shù)毒哐a(bǔ)償包括刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。通常CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補(bǔ)償作用是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補(bǔ)償?shù)墓ぜ€包括程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補(bǔ)償。

4.進(jìn)給速度處理編程所給的刀具移動速度，是在各坐標(biāo)的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度來計(jì)算各運(yùn)動坐標(biāo)的分速度。在有些CNC裝置中，對于機(jī)床允許的最低速度和最高速度的限制及軟件的自動加減速等也在這里處理。

5.插補(bǔ)插補(bǔ)的任務(wù)是在一條給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。插補(bǔ)程序在每個插補(bǔ)周期運(yùn)行一次，在每個插補(bǔ)周期內(nèi)，根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。通常經(jīng)過若干次插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)加工完一個程序段軌跡，即完成從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作。

6.位置控制位置控制處在伺服回路的位置環(huán)上，這部分工作既可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件完成。它的主要任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi)，將理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電機(jī)。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，以提高機(jī)床的定位精度。

7.I/O處理

I/O處理主要處理CNC裝置面板開關(guān)信號，機(jī)床電氣信號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋、冷卻等)。

8.顯示

CNC裝置的顯示主要用于零件程序的顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、報(bào)警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形顯示。

9.診斷現(xiàn)代CNC裝置都具有聯(lián)機(jī)診斷和脫機(jī)診斷的能力。聯(lián)機(jī)診斷是指CNC裝置中的自診斷程序，隨時(shí)檢查不正確的事件。脫機(jī)診斷是指CNC裝置配備有各種脫機(jī)診斷程序，以檢查存儲器、外圍設(shè)備(CRT、閱讀機(jī)、穿孔機(jī))、I/O接口等。脫機(jī)診斷還可以采用遠(yuǎn)程通信方式進(jìn)行，即所謂的遠(yuǎn)程診斷，把用戶的CNC通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程通信診斷中心的計(jì)算機(jī)相連，對CNC裝置進(jìn)行診斷、故障定位和修復(fù)。

2.1.2CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)

1.基本功能

(1)控制功能?？刂乒δ苤饕从矯NC裝置能夠控制和同時(shí)(聯(lián)動)控制的軸數(shù)?？刂戚S包括移動軸、回轉(zhuǎn)軸以及附加軸。聯(lián)動軸可以完成輪廓軌跡加工。普通數(shù)控車床只需2軸控制2軸聯(lián)動；一般銑床需要3軸控制，聯(lián)動有2軸半和3軸聯(lián)動控制；一般加工中心為3軸聯(lián)動和多軸控制?？刂戚S數(shù)越多，特別是同時(shí)控制軸數(shù)越多，CNC裝置的功能越強(qiáng)。同時(shí)，CNC裝置就越復(fù)雜，編制程序也越困難。

(2)準(zhǔn)備功能。準(zhǔn)備功能也稱G功能，是指用來控制機(jī)床動作方式的功能。ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定準(zhǔn)備功能有G00～G99共100種，數(shù)控系統(tǒng)可從中選用，目前許多數(shù)控系統(tǒng)已用到超過G99以外的代碼。準(zhǔn)備功能用來指定機(jī)床動作方式，包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等。它用字母G與數(shù)字組合來表示，G代碼有模態(tài)(該種代碼直到出現(xiàn)同一組的其它G代碼時(shí)，一直有效，即續(xù)效)和非模態(tài)(僅在指令的程序段內(nèi)有效)兩種模式。

(3)插補(bǔ)功能。插補(bǔ)功能是指CNC裝置可實(shí)現(xiàn)各種曲線軌跡插補(bǔ)運(yùn)算的功能。如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和其它二次曲線與多坐標(biāo)高次曲線插補(bǔ)。插補(bǔ)計(jì)算實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，即CNC裝置插補(bǔ)計(jì)算速度要能同時(shí)滿足機(jī)床坐標(biāo)軸對進(jìn)給速度和分辨率的要求。它可用硬件或軟件兩種方式來實(shí)現(xiàn)，硬件插補(bǔ)方式比軟件插補(bǔ)方式速度快，如日本FANUC公司就采用DDA硬件插補(bǔ)專用集成芯片。但目前由于微處理器的位數(shù)和頻率的提高，大部分系統(tǒng)還是采用了軟件插補(bǔ)方式，并把插補(bǔ)功能劃分為粗、精插補(bǔ)兩步，以滿足其實(shí)時(shí)性要求。軟件每次插補(bǔ)一個小線段稱為粗插補(bǔ)。根據(jù)粗插補(bǔ)結(jié)果，將小線段分成單個脈沖輸出，稱為精插補(bǔ)。

(4)主軸功能。它是指主軸轉(zhuǎn)速的功能，用字母S和2～4位數(shù)字表示。有恒轉(zhuǎn)速(r/min)和表面恒線速(mm/min)兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式。恒定線速度對保證車床或磨床加工工件端面及錐面質(zhì)量很有意義。主軸定向準(zhǔn)停功能使主軸在徑向的某一位置準(zhǔn)確停止，有自動換刀功能的機(jī)床必須選取有這一功能的CNC裝置。

(5)進(jìn)給功能。它反映了刀具進(jìn)給速度，一般用F代碼直接指定各軸的進(jìn)給速度。主要有以下幾種功能：①切削進(jìn)給速度。一般進(jìn)給量為1mm/min～24m/min。在選用系統(tǒng)時(shí)，該指標(biāo)應(yīng)和坐標(biāo)軸移動的分辨率結(jié)合起來考慮，如24m/min的速度是在分辨率為1m時(shí)達(dá)到的。

②

同步進(jìn)給速度。它指進(jìn)給軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，單位為mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器(一般為脈沖編碼器)的機(jī)床才能指定同步進(jìn)給速度。③

快速進(jìn)給速度。一般為進(jìn)給速度的最高速度，它通過參數(shù)設(shè)定，用G00指令執(zhí)行快速。④

進(jìn)給倍率。操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，倍率可在0%～200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開關(guān)不用修改程序就可以改變進(jìn)給速度。

(6)刀具功能。刀具功能包括選擇的刀具數(shù)量和種類、刀具的編碼方式和自動換刀的方式。用字母T和后續(xù)2～4位數(shù)字來表示。

(7)輔助功能。輔助功能是數(shù)控加工中不可缺少的輔助操作，一般從M00～M99共100種。各種型號的數(shù)控裝置具有輔助功能的多少差別很大，而且有許多是自定義的。常用的輔助功能有程序停、主軸正/反轉(zhuǎn)、冷卻液接通和斷開、換刀等。

(8)字符圖形顯示功能。CNC裝置可配置不同尺寸的單色或彩色CRT顯示器，通過軟件和接口實(shí)現(xiàn)字符和圖形顯示。可以顯示程序、機(jī)床參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對話編程菜單、零件圖形、動態(tài)刀具模擬軌跡等。

(9)自診斷功能。CNC裝置中設(shè)置了各種診斷程序，可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大。不同的CNC裝置設(shè)置的診斷程序不同，可以包含在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查和診斷。也可作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后進(jìn)行診斷，查找故障部位。有的CNC裝置可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診斷。

2.選擇功能

1)補(bǔ)償功能

(1)刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧補(bǔ)償。補(bǔ)償功能可以補(bǔ)償?shù)毒吣p以及換刀時(shí)刀位點(diǎn)的變化。

(2)工藝量的補(bǔ)償。包括坐標(biāo)軸的反向間隙補(bǔ)償和進(jìn)給傳動件的傳動誤差補(bǔ)償，如絲杠螺距補(bǔ)償、進(jìn)給齒條齒距誤差補(bǔ)償、機(jī)架的溫度變形補(bǔ)償?shù)取?/p>

2)固定循環(huán)加工功能用數(shù)控機(jī)床加工零件，一些典型的加工工序，如鉆孔、攻螺紋、鏜孔、深孔鉆削、切螺紋等，所需完成的動作循環(huán)十分典型，將這些典型動作預(yù)先編好程序并存儲在內(nèi)存中，用G代碼進(jìn)行指定，即為固定循環(huán)指令。使用固定循環(huán)指令可以簡化編程。固定循環(huán)加工指令有鉆孔、鏜孔、攻螺紋循環(huán)、復(fù)合加工循環(huán)等。此外，子程序和宏程序也可簡化編程，并擴(kuò)大編程功能。

3)通信功能

CNC裝置與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。通常CNC裝置都有RS-232C接口，可與上級計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，傳送零件加工程序，有的還備有DNC接口，以利于實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控。更高檔的CNC裝置還能與制造自動化的協(xié)議MAP相連，進(jìn)入工廠通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)FMS、FA、CIMS的要求。

4)人機(jī)對話編程功能人機(jī)對話編程功能不但有助于編制復(fù)雜零件的程序，而且可以方便編程。如藍(lán)圖編程只要輸入圖樣上表示幾何尺寸的簡單命令，就能自動生成加工程序；對話式編程可根據(jù)引導(dǎo)圖和說明進(jìn)行示教編程，并具有工序、刀具、切削條件等自動選擇的智能功能。

2.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1單微處理器CNC結(jié)構(gòu)

1.單微處理器結(jié)構(gòu)所謂單微處理器結(jié)構(gòu)，是指在CNC裝置中只有一個微處理器(CPU)，工作方式是集中控制，分時(shí)處理數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)，如存儲、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入/輸出控制、CRT顯示等。某些CNC裝置中雖然用了兩個以上的CPU，但能夠控制系統(tǒng)總線的只是其中的一個CPU，它獨(dú)占總線資源，通過總線與存儲器、輸入/輸出控制等各種接口相連。其它的CPU則作為專用的智能部件，它們不能控制總線，也不能訪問存儲器。這是一種主從結(jié)構(gòu)，故被歸屬于單微處理器結(jié)構(gòu)中。單微處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示，其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置可劃分為計(jì)算機(jī)部分、位置控制部分、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口及外圍設(shè)備。微處理器CPU是CNC裝置的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，首先讀取工件加工程序，對加工程序段進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令，進(jìn)行對該加工程序段的實(shí)時(shí)插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服控制。它還將輔助動作指令通過可編程控制器(PLC)送到機(jī)床，同時(shí)接收由PLC返回的機(jī)床各部分信息并予以處理，以決定下一步的操作。

圖2-2單微處理器結(jié)構(gòu)組成

位置控制部分包括位置控制單元和速度控制單元。位置控制單元接收經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)位移量，控制伺服電動機(jī)工作，并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號，修正位置指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動的準(zhǔn)確控制。同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元，速度控制單元將速度指令與速度反饋信號相比較，修正速度指令，用其差值去控制伺服電動機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

數(shù)據(jù)輸入/輸出接口與外圍設(shè)備是CNC裝置與操作者之間交換信息的橋梁。例如，通過MDI方式或串行通信，可將工件加工程序送入CNC裝置。通過CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其它信息。在單微處理器結(jié)構(gòu)中，由于僅由一個微處理器進(jìn)行集中控制，故其功能將受CPU字長、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。如果插補(bǔ)等功能由軟件來實(shí)現(xiàn)，則數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)與處理速度就成為突出的矛盾。解決矛盾的措施可以有：增加浮點(diǎn)協(xié)處理器、采用帶有CPU的PLC和CRT等智能部件。

2.單微處理器CNC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)CNC裝置內(nèi)只有一個微處理器，對存儲、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入/輸出控制、CRT顯示等功能實(shí)現(xiàn)集中控制和分時(shí)處理。

(2)微處理器通過總線與存儲器、輸入/輸出控制等接口電路相連，構(gòu)成CNC裝置。

(3)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

2.2.2多微處理器CNC結(jié)構(gòu)多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置是將數(shù)控機(jī)床的總?cè)蝿?wù)劃分為多個子任務(wù)，每個子任務(wù)均由一個獨(dú)立的CPU來控制。圖2-3為多微處理器CNC的組成框圖。下面介紹其中幾個主要模塊。

圖2-3多微處理器CNC的組成框圖

1.多微處理器CNC的基本功能模塊多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置，一般由基本功能模塊組成，通過增加功能模塊，可實(shí)現(xiàn)某些特殊功能。

(1)?CNC管理模塊。該模塊管理和組織整個CNC系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調(diào)工作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)錯誤識別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。該模塊還完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀具半徑補(bǔ)償、速度規(guī)劃和處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理。

(2)?CNC插補(bǔ)模塊。該模塊根據(jù)前面的編譯指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，按規(guī)定的插補(bǔ)類型通過插補(bǔ)計(jì)算為各個坐標(biāo)提供位置給定值。

(3)位置控制模塊。插補(bǔ)后的坐標(biāo)作為位置控制模塊的給定值，而實(shí)際位置通過相應(yīng)的傳感器反饋給該模塊，經(jīng)過一定的算法控制，實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無滯后、高性能的位置閉環(huán)。

(4)?PLC模塊。零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床傳來的信號在這個模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟/停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。

(5)操作面板監(jiān)控和顯示模塊。該模塊包括零件程序、參數(shù)、各種操作命令和數(shù)據(jù)的輸入(如軟盤、硬盤、鍵盤、各種開關(guān)量和模擬量的輸入、上級計(jì)算機(jī)輸入等)、輸出(如通過軟盤、硬盤、各種開關(guān)量和模擬量的輸出、打印機(jī)輸出)、顯示(如通過LED、CRT、LCD等)所需要的各種接口電路。

(6)存儲器模塊。該模塊作為程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。

2.多微處理器CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

(1)共享總線結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)是以系統(tǒng)總線為中心的多微處理器CNC裝置，

把組成CNC裝置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、I/O模塊)兩大類，如圖2-4所示。所有主從模塊都插在配有總線插座的機(jī)柜內(nèi)，共享標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線的作用是把各個模塊有效地連接在一起。按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議交換各種數(shù)據(jù)和控制信息，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。

圖2-4多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖

(2)共享存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是以存儲器為中心組成的多微處理器CNC裝置，采用多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各CPU之間的互聯(lián)和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址和控制線，以供端口訪問，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突。但這種方式由于同一時(shí)刻只能有一個微處理器對多端口存儲器進(jìn)行讀/寫，所以功能復(fù)雜。當(dāng)要求微處理器數(shù)量增多時(shí)，會因爭用共享存儲器而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)效率，因此擴(kuò)展功能很困難。圖2-5為采用多微處理器共享存儲器的CNC系統(tǒng)框圖。

圖2-5多微處理器共享存儲器結(jié)構(gòu)

2.2.3CNC結(jié)構(gòu)與典型數(shù)控系統(tǒng)

1.大板式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)大板式結(jié)構(gòu)CNC裝置可由主電路板、ROM/RAM板、PLC板、附加軸控制板和電源單元等組成。主電路板是大印刷電路板，其它電路是小印刷電路板，它們插在大印刷電路板的插槽內(nèi)共同構(gòu)成CNC裝置，如圖2-6所示。

圖2-6大板式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-7大板式結(jié)構(gòu)FANUC6MB的系統(tǒng)框圖

圖中主電路板上有控制核心電路、位置控制電路、3個軸的位置反饋量輸入接口和速度控制量輸出接口、手搖脈沖發(fā)生器接口、I/O擴(kuò)展板接口和6個小印刷電路板的插槽?？刂坪诵碾娐窞槲C(jī)基本系統(tǒng)，由CPU、存儲器、定時(shí)和中斷控制電路組成。存儲器包括ROM和RAM，ROM(EPROM)用于固化數(shù)控系統(tǒng)軟件，RAM用于存儲可變數(shù)據(jù)，數(shù)控加工程序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域應(yīng)具有掉電保護(hù)功能。6個插槽內(nèi)可分別插入用于保存加工程序的存儲器板、附加軸控制板、CRT顯示控制和I/O接口板、擴(kuò)展存儲器板、可編程控制板及傳感器控制板等。

2.模塊式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)在采用功能模塊式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，將整個CNC裝置按功能劃分為多個功能模塊，硬件和軟件的設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)方法。每一個功能模塊被做成尺寸相同的印刷電路板(稱功能模板)，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。這種形式的CNC系統(tǒng)系列產(chǎn)品，用戶只要按需要選用各種控制單元母板及功能模板，將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就可組成自己需要的CNC系統(tǒng)。常見的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、圖形板和通信板等。例如，一種功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型銑床數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖2-8所示，系統(tǒng)由CPU板、擴(kuò)展存儲器板、顯示控制板、手輪接口板、鍵盤和錄音機(jī)板、強(qiáng)電輸出板、伺服接口板和三塊軸反饋板等共11個模塊組成，連接各模塊的總線可按需選用各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，如工業(yè)PC總線、STD總線等。FANUC系統(tǒng)15系列就采用了功能模塊化式結(jié)構(gòu)。

圖2-8模塊化全功能型銑床數(shù)控系統(tǒng)框圖

3.個人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)這類CNC系統(tǒng)是以工業(yè)PC機(jī)作為CNC裝置的支撐平臺，再由各數(shù)控機(jī)床制造廠根據(jù)數(shù)控的需要，插入自己的控制卡和數(shù)控軟件構(gòu)成相應(yīng)的CNC裝置。由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量大，其生產(chǎn)成本很低，繼而也就降低了CNC系統(tǒng)的成本。若工業(yè)PC機(jī)出故障，修理及更換均很容易。美國ANILAM公司和AI公司生產(chǎn)的CNC裝置均屬這種類型，圖2-9所示就是一種以工業(yè)PC機(jī)為技術(shù)平臺的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2-9以工業(yè)PC機(jī)為技術(shù)平臺的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)

NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)是由開放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動控制卡結(jié)合PC機(jī)構(gòu)成的。這種運(yùn)動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動控制能力和PLC控制能力。它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。它開放的函數(shù)庫可供用戶在Windows平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)，因而這種開放結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化控制的各個領(lǐng)域。如美國DehaTau公司用PMAC多軸運(yùn)動控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機(jī)構(gòu)造的MAZATROL640CNC等。

5.軟件型開放式結(jié)構(gòu)這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇靈活性，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動器和外部I/O裝置之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、CD-ROM和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣。用戶可以在WindowsNT平臺上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)所需的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)。與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比，因而最有生命力。其典型產(chǎn)品有美國MDSI公司的OpenCNC，德國PowerAutomation公司的PA8000NT等。

2.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

2.3.1CNC系統(tǒng)的軟/硬件界面

CNC裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了支持環(huán)境。CNC軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件，分為管理軟件和控制軟件兩大部分，如圖2-10所示。在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對輸入的加工程序自動進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制機(jī)床加工工件。

圖2-10CNC系統(tǒng)軟件框圖

圖2-11三種典型軟/硬件界面

2.3.2CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.CNC裝置的多任務(wù)并行處理

CNC系統(tǒng)軟件一般包括管理軟件和控制軟件兩大部分。管理軟件包括輸入、I/O處理、顯示、診斷等；而系統(tǒng)控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置補(bǔ)償?shù)?。在許多情況下，CNC的管理和控制工作必須同時(shí)進(jìn)行，即所謂的并行處理。例如，當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在加工控制狀態(tài)時(shí)，為了使操作人員能及時(shí)地了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在NC加工方式時(shí)，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行。而當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí)，其本身的一些處理模塊也必須同時(shí)運(yùn)行。例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，及刀具在各程序段之間不停刀，譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必須與插補(bǔ)模塊同時(shí)運(yùn)行，而插補(bǔ)又必須與位置控制同時(shí)進(jìn)行。

圖2-12CNC系統(tǒng)的任務(wù)并行處理

2.實(shí)時(shí)中斷處理

CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個重要特征是實(shí)時(shí)中斷處理。數(shù)控機(jī)床在加工零件的過程中，有些控制任務(wù)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。其中中斷類型有外部中斷、內(nèi)部定時(shí)中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。

(1)外部中斷。主要有紙帶光電閱讀機(jī)讀孔中斷、外部監(jiān)控中斷(如急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高，通常把它們放在較高的優(yōu)先級上，而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。

(2)內(nèi)部定時(shí)中斷。主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時(shí)中斷合二為一。但在處理時(shí)，總是先處理位置控制，然后再處理插補(bǔ)運(yùn)算。

(3)硬件故障中斷。它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷，如存儲器出錯、定時(shí)器出錯、插補(bǔ)運(yùn)算超時(shí)等。

(4)程序性中斷。它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報(bào)警中斷，如各種溢出、除零等。

3.CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式在CNC系統(tǒng)中，中斷處理是重點(diǎn)，工作量較大。就其采用的結(jié)構(gòu)而言主要有前、后臺型軟件結(jié)構(gòu)的中斷模式與中斷型軟件結(jié)構(gòu)的中斷模式。

(1)前后臺型軟件結(jié)構(gòu)的中斷模式。在此種軟件結(jié)構(gòu)中，整個控制軟件分為前臺程序和后臺程序。后臺程序即背景程序其實(shí)只是一個循環(huán)運(yùn)行程序，它完成管理及插補(bǔ)準(zhǔn)備等功能。在背景程序的運(yùn)行過程中，前臺實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入，與背景程序相配合，共同完成零件的加工任務(wù)。二者之間的關(guān)系如圖2-13所示。

圖2-13前、后臺型軟件結(jié)構(gòu)

(2)中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式。中斷型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是除了初始化程序之外，系統(tǒng)軟件中所有任務(wù)模塊均被安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來完成。表2-1所示為CNC系統(tǒng)各級中斷的主要功能。該終端優(yōu)先級共7級，其中0級為最低優(yōu)先級，實(shí)際上是初始化程序；1級為主控程序，當(dāng)沒有其它中斷時(shí)，該程序循環(huán)執(zhí)行；7級為最高級。除了第4級為硬件中斷(完成報(bào)警功能)之外，其余均為軟件中斷。

表2-1各級中斷的主要功能

①

0級中斷程序。0級中斷程序是初始化程序，是為整個系統(tǒng)的正常工作做準(zhǔn)備的。主要完成以下工作：清除RAM工作區(qū)；設(shè)置有關(guān)參數(shù)和偏移數(shù)據(jù)；初始化有關(guān)電路芯片。②

1級中斷程序。1級中斷程序是主控程序，即當(dāng)背景程序沒有其它中斷時(shí)，1級中斷程序始終運(yùn)行。主要完成：(a)CRT顯示控制；(b)ROM奇偶校驗(yàn)。③

2級中斷服務(wù)程序。2級中斷服務(wù)程序主要工作是對系統(tǒng)所處的各種工作狀態(tài)進(jìn)行處理。包括：(a)自動方式；(b)MDI方式；(c)點(diǎn)動增量方式；(d)手動連續(xù)進(jìn)給或手輪方式；(e)示教方式；(f)編輯方式。

④

3級中斷服務(wù)程序。3級中斷服務(wù)程序主要完成：(a)I/O映像處理，用于PLC開關(guān)量信號控制；(b)鍵盤掃描和處理；(c)M、S、T處理。將輔助功能，如主軸正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)(M03、M04)、切削液的開關(guān)(M08、M09)、主軸轉(zhuǎn)速(S指令)、換刀(M06及T指令)等控制信號輸出，以控制機(jī)床動作。⑤

4級中斷程序。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障時(shí)，由系統(tǒng)診斷程序進(jìn)行檢測，并將出錯信號以指示或CRT顯示出來。⑥

5級中斷服務(wù)程序。主要完成：(a)插補(bǔ)運(yùn)算；(b)坐標(biāo)位置修正；(c)間隙補(bǔ)償；(d)加減速控制。

⑦

6級中斷服務(wù)程序。這是一種軟件定時(shí)方法。通過這種定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)2級和3級的16ms定時(shí)中斷，并使其相隔8ms。當(dāng)2級或3級中斷還沒有返回時(shí)，不再發(fā)出中斷請求信號。⑧

7級中斷服務(wù)程序。當(dāng)紙帶通過光電閱讀機(jī)輸入時(shí)，光電閱讀機(jī)每讀到紙帶上一排孔的信息，立即向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個中斷請求信號，要求處理所讀到的一個字符。以上是一個典型的單微處理器數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的位置控制由硬件處理。當(dāng)位置控制用軟件處理時(shí)，則位置控制程序應(yīng)安排在插補(bǔ)同一級或更高級的中斷服務(wù)程序中。

2.3.3CNC系統(tǒng)軟件的工作過程

1.輸入

CNC系統(tǒng)中的零件加工程序，一般是通過鍵盤、磁盤或可移動磁盤、DNC等方式輸入的，在軟件設(shè)計(jì)中，這些輸入方式大都采用中斷方式來完成，且每一種輸入法均有一個相對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。如用鍵盤輸入時(shí)，每按一個按鍵，硬件就向主機(jī)CPU發(fā)出一次中斷申請，若CPU響應(yīng)中斷，則調(diào)用一次鍵盤服務(wù)程序，完成相應(yīng)的鍵盤命令的處理，鍵盤中斷服務(wù)程序的流程圖如2-14所示。

圖2-14鍵盤中斷服務(wù)程序

在CNC系統(tǒng)中，無論哪一種輸入方法，其存儲過程總是要經(jīng)過零件程序的輸入，然后將輸入的零件程序先存放在緩沖器中，再經(jīng)過緩沖器到達(dá)零件程序存儲器。零件程序的存儲和讀取過程如圖2-15所示。

圖2-15程序的存取(a)零件程序存儲；(b)零件程序讀取

2.譯碼譯碼就是將輸入的零件程序譯成本系統(tǒng)所能識別的語言，譯碼的結(jié)果存放在指定的存儲區(qū)內(nèi)，通常稱為譯碼結(jié)果寄存器，譯碼程序的功能就是把程序段中各個數(shù)據(jù)根據(jù)其前后的文字地址送到相應(yīng)的寄存器中，圖2-16為譯碼程序流程圖。

圖2-16譯碼程序流程圖

譯碼可在正式加工前一次性將整個程序譯完，并在譯碼過程中對程序進(jìn)行語法檢查，若有語法錯誤則報(bào)警，這種方式稱為編譯；另一種方式是在加工過程中進(jìn)行譯碼，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工控制時(shí)，利用空閑時(shí)間來對后面的程序進(jìn)行譯碼，這種方式稱為解釋。用解釋方式，系統(tǒng)在運(yùn)行用戶程序之前通常也對用戶程序進(jìn)行掃描，進(jìn)行語法檢查，有錯誤報(bào)警。用編譯方法可以節(jié)省時(shí)間，使加工控制時(shí)數(shù)控系統(tǒng)不至于太忙，并可以在編譯的同時(shí)進(jìn)行語法檢查，但是需要占用較大內(nèi)存。一般數(shù)控代碼較簡單，用解釋方式占用的時(shí)間也不多，所以CNC系統(tǒng)常用解釋方式。

3.數(shù)據(jù)處理

1)進(jìn)給速度控制在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸的運(yùn)動速度是通過控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)的。開環(huán)控制的速度計(jì)算是根據(jù)編程的進(jìn)給速度F值來確定步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)走一步，相應(yīng)的坐標(biāo)軸移動一個脈沖當(dāng)量，進(jìn)給速度F(mm/min)與進(jìn)給脈沖頻率的關(guān)系為

兩軸聯(lián)動時(shí)，各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度分別為

FX＝60fXδFY＝60fYδ

式中，、分別為X軸、Y軸的進(jìn)給速度(mm/min)；、分別為X軸、Y軸步進(jìn)電動機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率。合成的進(jìn)給速度為

F＝

在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中，由于采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，因此進(jìn)給速度是根據(jù)編程的F值，計(jì)算出每個采樣周期的輪廓步長來獲得的。

2)加減速控制為了保證機(jī)床在啟動或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對傳送給伺服驅(qū)動裝置的進(jìn)給脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制。即在機(jī)床加速啟動時(shí)，保證加在驅(qū)動電動機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸增大；而當(dāng)機(jī)床減速停止時(shí)，保證在驅(qū)動電動機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸減小。在CNC系統(tǒng)中，加減速控制可以在插補(bǔ)前進(jìn)行，稱為前加減速控制；也可以在插補(bǔ)后進(jìn)行，稱為后加減速控制，如圖2-17所示。

圖2-17前加減速和后加減速控制

前加速控制僅對指令速度F進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是不會影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度，缺點(diǎn)是需要預(yù)測減速點(diǎn)，而預(yù)測減速點(diǎn)的計(jì)算量較大；后加減速控制時(shí)對各軸分別進(jìn)行加減速控制，不需要預(yù)測減速點(diǎn)，由于對各軸分別進(jìn)行控制，實(shí)際各坐標(biāo)軸的合成位置就可能不準(zhǔn)確，但這種影響只是在加減速過程中才存在，進(jìn)入勻速狀態(tài)時(shí)這種影響就沒有了。加減速實(shí)現(xiàn)的方式有線性加減速(勻加減速)、指數(shù)加減速和sin曲線(S)加減速。圖2-18為三種加減速的特性曲線。其中，線性加減速常用于點(diǎn)位控制系統(tǒng)中；指數(shù)和S曲線加減速常用于直線和輪廓控制系統(tǒng)中。

圖2-18加減速特性曲線(a)線性加速度；(b)指數(shù)加速度；(c)?S