計(jì)算機(jī)數(shù)控原理

第4章

計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置

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4.1概述

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4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展

----------------毒71數(shù)控系統(tǒng)的演變一

誕生年代

分類世代系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成

世界我國

硬件數(shù)第一代1952年1958年電子管、繼電器，模擬電路

控NC第二代1959年1965年晶體管，數(shù)字電路（分立元件）

第三代1965年1972年集成數(shù)字電路

第四代1970年1976年內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中規(guī)模集成電路

第五代1974年1982年內(nèi)裝微處理器的NC字符顯示，故障自診斷

計(jì)算機(jī)

數(shù)控1979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

CNC1981年人機(jī)對話,動態(tài)圖形顯示,實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償,適應(yīng)機(jī)床無人

化運(yùn)轉(zhuǎn)要求

1987年32位CPU,可控15軸，設(shè)定0.0001mm進(jìn)給速度24m/min,帶前

饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化系統(tǒng)。

1991年利用RISC技術(shù)64位系統(tǒng)。

1995年微機(jī)開放式CNC系統(tǒng)。

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4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展

2006-10-20

4.1.1CNC技術(shù)的發(fā)展

表4,3數(shù)控系統(tǒng)的功能水平

項(xiàng)目低檔中檔高檔

分辨率10jum10.1jLim

進(jìn)給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min

聯(lián)動軸數(shù)2-3軸2-4軸或3-5軸以上

主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位

伺服系統(tǒng)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)

有內(nèi)裝PC,功能極強(qiáng)的內(nèi)裝PC,甚至有軸控制功能

內(nèi)裝PLC無

數(shù)碼管,簡單的CRT字符有字符圖形或三維圖形顯示

顯示功能顯示

還可能有MAP通

通信功能無RC232c和DNC接口訊接口和聯(lián)網(wǎng)功

能

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4.1.2CNC系統(tǒng)的組成

EIA（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:“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

ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）的定義:“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)床移動和加

工零件”。

CNC系統(tǒng)與NC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、處理和控制的計(jì)算機(jī)，即

數(shù)字控制裝置。

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4.1.2CNC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。

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4.1.3UNI裝直H'J組炊不U_LTF

原理

2006-10-20CNC系統(tǒng)平臺

4.1.3CNC裝置的組成和工作原理

硬件結(jié)構(gòu)：CPU,存儲器，總線、外設(shè)等。

軟件結(jié)構(gòu)：是一種用于零件加工的、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)。

系統(tǒng)

初始化程序管理系統(tǒng)控制軟件

編輯存儲錄放管理軟件控制軟件

圖4.1CNC軟件的構(gòu)成

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4.1.3CNC裝置的組成和工作原理

3.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)

過CNC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

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。

簡要工作過程：

1）輸入：

輸入內(nèi)容—零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

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，

通訊接口輸入及連接上級計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入

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4.1.3CNC裝置的組成和工作原理

2）譯碼：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)

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)。

3）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。

4）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

間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。

5）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

置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。

6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號輸入、輸出和控制。

7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。

8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。

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4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)

1.數(shù)控裝置的主要功能

（1）控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)

（2）準(zhǔn)備功能（G功能）

（3）插補(bǔ)功能

（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)

（5）進(jìn)給功能（F）

1）切削進(jìn)給速度2）同步進(jìn)給速度3）快速進(jìn)給速度4）進(jìn)給倍

率。

（6）補(bǔ)償功能

1）刀具長度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償

2）工藝量的補(bǔ)償

（7）固定循環(huán)加工功能

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4.1.4CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)

（8）輔助功能（M代碼）

（9）字符圖形顯示功能

（10）程序編制功能：手工編程、在線編程、自動編程

（11）輸入、輸出和通訊功能

（12）自診斷功能

2.CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

1）靈活性大

2）通用性強(qiáng)

3）可靠性高

4）可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能

5）使用維修方便

6）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

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4.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

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4.2.1CNC裝置的硬件構(gòu)成

單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖

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4.2.2CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

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.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)

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4.2.3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件

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（PC）、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

①只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存儲器（RAM）

它們的用途：

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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

②CMOSRAM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。

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4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

1.多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(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)。

(1)功能模塊

1)CNC管理模塊"

S

2)存儲器模塊

3)CNC插補(bǔ)模塊

4)位置控制模塊

5)操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊

6)PLC模塊

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4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（2）共享總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)與仲裁

主模塊與從模塊

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。

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：公共存儲器

總線：STDbus（支持8位和16位字長）

Multibus（I型支持16位字長，II型支持32位字長）

S-100bus（可支持16位字長）

VERSAbus（可支持32位字長）

9nVMEbus（可支持32位字長）

4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.9串行總線仲裁連接方式

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4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.10并行總線仲裁連接方式

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4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（3）共享存儲器結(jié)構(gòu)

圖4.11MTC1的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（4）共享總線和共享存儲器型結(jié)構(gòu)

其中OPC-操作控制器；BAC-總線仲裁控制器；IOC-輸入輸出控制器;

CAP-自動編程單元；SSU-系統(tǒng)支持單元；PMC-可編程機(jī)床控制器

2006-10-20圖4.12FUNUC11的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.13雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖圖4.13多CPU共享存儲器框圖

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4.2.4多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

(5)多通道結(jié)構(gòu)

通道結(jié)構(gòu)(ChannelStructure),即兩種以上程序的并行處理。

2.多微處理機(jī)CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

(1)計(jì)算處理速度高,

(2)可靠性高

(3)有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性

(4)硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

—三開放式數(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)：

V

具有在不同的工作平臺上均5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(InterchangeabiIity)的特征

■允許通過對構(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；

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

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)

V

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；

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

-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。

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

三、開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)

數(shù)控功能

應(yīng)用程序

應(yīng)用程序接口

實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM

件

硬

置數(shù)控系統(tǒng)

NC構(gòu)件庫配DOS(WINDOWS)

元

單基本硬件

標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

四、國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展

1.幾大研究計(jì)劃

■美國：NGC(TheNextGenerationWork-station/Machine

V

Controller)和OMAC(OpenModularArchitectureController)

計(jì)劃

■歐共體：OSACA(OpenSystemArchitectureforControl

withinAutomationSystems)計(jì)劃

?日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)戈ll

■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)

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4.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)

1）CNC可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件

2）用戶操作界面的開放。

3）近內(nèi)核的深層次開放（①PC+器時(shí)硬插件；②PC+實(shí)時(shí)軟中斷）。

3.開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：

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

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)

控系統(tǒng)。

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

需求。

3）網(wǎng)絡(luò)化

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4.2.6點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)

1.點(diǎn)位/直線控制的一般概念（單軸數(shù)控）

用于鉆床、像床、機(jī)能簡單的車床

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)行切削，對運(yùn)動路徑?jīng)]有嚴(yán)格要求。

直線控制

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

但要控制切削進(jìn)給的速度，還要控制運(yùn)動的終點(diǎn)。

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4.2.6點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)

2點(diǎn)位/直線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝

2006-10-20圖4.16點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)

4.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.CNC裝置軟件硬件的界面

第一種

第二種

第三種

圖4.17三種典型的軟硬件界面關(guān)系

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）

管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理

等程序。K

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。

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)。

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

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.多任務(wù)并行處理

(1)CNC裝置的在任務(wù)姓

CNC裝置

3_位控

管理控制

I/O

譯碼插補(bǔ)

刀補(bǔ)

速度處理位控

圖4.18CNC裝置軟件任務(wù)分解圖4.19軟件任務(wù)的并行處理

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4?斗具并行晶件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。

并行處理的分類：

“資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊”和“資前共享”。

資源共享：

根據(jù)“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。

時(shí)間重疊：

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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

D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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中斷級別高

中斷級別低

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

/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8nls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)。"

S

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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2）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CPU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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

A流水處理技術(shù)的涵方~

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

V

務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一記的順序安排每個(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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

順序處理并行處理

流水處理技術(shù)示意」

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

＞并發(fā)處理和流水處理的特征

,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。

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3）并行處理中的信息交換和同步

在CNC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。

圖4.22CNC裝置通過緩沖區(qū)交換信息框圖

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖4.23紙帶讀寫同步說明

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4.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.實(shí)時(shí)中斷處理

（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型

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

中斷。，

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。

3）硬件故障中斷種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。

4）程序性中斷程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。

（2）CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式

1）前后臺軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

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4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

1.零件程序的輸入

零件程序的輸入包括兩方面的內(nèi)容：

1）從閱讀機(jī)、鍵盤輸入到零件程序存儲器。

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)）。

圖4.25輸入過程

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4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

2.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）、

輔助功能處理和進(jìn)給速度計(jì)算等部分。另外，還包括諸如換刀、主軸啟

停、冷卻液開、閉等輔助功能。

（1）譯碼K

定義：譯碼程序是以程序段為隼位對信息進(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?。?、加工速度F和其它輔助信息

（M.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)

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

錯(cuò)誤立即報(bào)警。

方法：解釋和編譯。

內(nèi)容：整理和存放。1）不按字符格式的整理與存放方法。

2）保留字符格式的整理與存放。

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4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

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。

x=x+Ax

1)B功能刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算f

y=y+Ay

?直線加工時(shí)刀具補(bǔ)償

ZXOA=ZA'AK=a

2006-10-20圖4.28直線刀具補(bǔ)償

4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

---------?圓弧加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償---------

%=&±?

、幾二”土與

/BOX=AB'BK=a

Ax=rcoscr=r

R

Ay=rsin?=r-

'RJ

'rx

演=x±o

eR,

圖4.29圓弧刀具半徑補(bǔ)償

”二”±2

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4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

*B功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題

刀具

圖4.30B刀補(bǔ)的交叉點(diǎn)和間斷點(diǎn)

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4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

處理兩個(gè)程序段間轉(zhuǎn)接（即尖角過渡）的各種情況。

a）NC方式b）改進(jìn)的NC方式c）CNC方式

2006-10-20圖4.31由NC至IJCNC刀補(bǔ)的改進(jìn)措施

4.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

2006-10-20

圖4.32G41直線與直線轉(zhuǎn)接情況

4.3.3速度處理和加減速控制

1.進(jìn)給速度計(jì)算

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)。

V

速度計(jì)算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。

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

速度計(jì)算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣

周期的輪廓步長。

2006-10-20

4.3.3速度處理和加減速控制

(1)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。

F=3fx60(mm/min)(4.7)

3為脈沖當(dāng)量，單位：mm,v

sF

則f=-----(4.8)

608

兩軸聯(lián)動時(shí)，各坐標(biāo)軸速度為：

Vx-60fx3

Vy-60fyS

合成速度(即進(jìn)給速度)V為V=皿+評=F(4.9)

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4.3.3速度處理和加減速控制

(2)半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算：

直線插補(bǔ)速度計(jì)算：；B'(X，」,、

a)程序段投影

L『xJ-x。，Ly=yJ-y。'

b)直線方向余弦

cosaCOSV

=LXY/LJ￡=L/L

c)一個(gè)插補(bǔ)周期的步長(AL)

AL=(1/60)F?At,速度F單位：mm/min,插補(bǔ)周期At單位：ms,

AL單位:〃m

d)各坐標(biāo)軸在一個(gè)采樣插補(bǔ)周期的運(yùn)動步長

Ax=AL?cosa二Feos?！鱰/60(〃m)

2006-1oA(y二AL?sina二Fsina?△t/60二AL?cos￡=Fcos￡?At/60(〃m)

一八

4.3.3一一

圓弧插補(bǔ)保隙度訐算（插方法也不同）

FAtJji

Ax=Fcos^Ar/60==1

z607?

F\t

60R

2.=L-FRN■

d60

F

FRN=—

R

4r步長分配系數(shù)

（速度系數(shù)）

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艇黑智理和加減速控制------------

常用的控制方法：

計(jì)時(shí)法用于脈沖增量插補(bǔ)。

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)

到速度控制的目的。

積分法V/.

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4.3.3速度處理和加減速控制

(1)程序計(jì)時(shí)法

原理

每次插補(bǔ)運(yùn)算后插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間

的等待時(shí)間

用途：點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)。脈沖增量。空運(yùn)轉(zhuǎn)等待時(shí)間越

短，發(fā)出進(jìn)給脈沖頻率越高，速度就越快。

2006-10-20

4.3.3速度處理和加減速控制

(2)時(shí)鐘中斷法

原理：求一種時(shí)鐘頻率，用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)

的插補(bǔ)次數(shù)。

適用：脈沖增量插補(bǔ)原理

(3)設(shè)置V/AL積分器方法

DDA插補(bǔ)方法中，速度F代碼是用進(jìn)給速度數(shù)(FRN)

給定的。將FRN作為與坐標(biāo)積分器串聯(lián)之速度積分器的被積

函數(shù)，使用經(jīng)計(jì)算得到的累加頻率，可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃俣确e

分器溢出頻率。將它作為坐標(biāo)積分器的累加頻率，就能使

DDA插補(bǔ)器輸出的合成速度保持恒定。

2006-10-20

4.3.3速度處理和加減速控制

3.數(shù)據(jù)采樣原理CNC裝置的加、減速控制

力口減速控制目的：保證機(jī)床在啟動或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、

失步、超程或振蕩

萬法：|插補(bǔ)前加減速控制S

、插補(bǔ)后加減速控制

瞬時(shí)速度與穩(wěn)定速度向THK/160*1000)

力口減速曲線指數(shù)加減速

線性加減速

鐘形加減速

2006-10-20S曲線加減速

4.3.3速度處理和加減速控制

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（程編指令對各運(yùn)動坐標(biāo)軸分別進(jìn)

速度F）進(jìn)行控制行加減速控制

優(yōu)點(diǎn)不影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的不需預(yù)測減速點(diǎn)，在插

位置精度：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

缺點(diǎn)需預(yù)測減速點(diǎn)，這要根害成位置可能不準(zhǔn)確，

據(jù)實(shí)際刀具位置與程序但這種影響只在加減速

段之間距離來確定，計(jì)過程，進(jìn)入勻速狀態(tài)

算工作量大。后，這種影響就不存在

2006-10-20

4.3.4插補(bǔ)計(jì)算

主要算一個(gè)插補(bǔ)周期的AX,AY,

以直線為例：

1）八叫二八比倍率

（AL%倍率后的每周期公式進(jìn)給量）

、V

2）L新=L］舊+AL%s

（匕新一上次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離;

L舊一本次插補(bǔ)點(diǎn)與程序段起點(diǎn)之間距離）

3）X3新=L］新cosa（X軸投影）

丫3新二J新cosB

4）Ax2=X3新-X3舊（本次插補(bǔ)周期的輸出位置增量值）。

△y2=丫3新—丫3舊

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4.3.5位置控制

任務(wù):

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

差值去控制電機(jī)

2)增量調(diào)整V

s

3)螺距補(bǔ)償,

2006-10-20

4.3.5位置控制

位置控制計(jì)算

2006-10-20

4.3.5位置控制

位置控制完成以下幾步計(jì)算：

□計(jì)算新的位置指令坐標(biāo)值：

X?新二X2I0+ZAX2；Y2^=丫2舊+/丫2；

計(jì)算新的位置實(shí)際坐標(biāo)值：

S

X1新=X]舊+/X1；丫1新二丫1舊+Z\Y]

□計(jì)算跟隨誤差（指令位置值一實(shí)際位置值）:

△X3=X2新一X1新；/丫3=丫2新一丫1新；

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4.3.6故障診斷

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)，用打由機(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。

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4.3.6故障診斷

遠(yuǎn)程診斷技術(shù)

V

診

斷

艮

中

音

心

能

異地專家

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4.5CNC裝置的接口電路

2006-10-20

4.5.1概述

CNC裝置與下列設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和信息通訊:

1,數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備

2.外部機(jī)床控制面板，

s

3.通用的手搖脈沖發(fā)生器

4.進(jìn)給驅(qū)動線路和主軸驅(qū)動線路

RS-232c接口

工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)通訊接口

通訊協(xié)議

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4.5.2鍵盤輸入及接口

V

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4.5.3顯示器及接口

■操作面板

□它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)

行信息交流的工具。r

□組成：按鈕站、狀態(tài)燈、窟

???0

鍵陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤xYzA

一樣）和顯示器；。砧環(huán)驅(qū)動.m給保持冷卻液開/大〃松〃J紫