1、2019/10/19,第 4 章 计算机数控(CNC)装置,2019/10/19,4.1 概 述,2019/10/19,4.1.1 CNC技术的发展,表4.1数控系统的演变,2019/10/19,4.1.1 CNC技术的发展,表42 数控系统的技术进步状况,2019/10/19,4.1.1 CNC技术的发展,表43 数控系统的功能水平,2019/10/19,4.1.2 CNC系统的组成,EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。ISO(国际标
2、准化组织)的定义:“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。CNC系统与NC系统 数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即 数字控制装置。,2019/10/19,4.1.2 CNC系统的组成,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,
3、2019/10/19,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,2019/10/19,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。 软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。,2019/10/19,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,3. 工作原理通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程：1）输入：
4、输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入,2019/10/19,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6
5、）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,2019/10/19,4.1.4 CNC装置的主要功能和特点,1.数控装置的主要功能（1）控制轴数和联动轴数（2）准备功能（G功能）（3）插补功能（4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准（5）进给功能（ F ）1）切削进给速度 2) 同步进给速度 3）快速进给速度 4）进给倍率 。（6）补偿功能1） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿2）工艺量的补偿（7）固定循环加工功能,2019/10/19,4.
6、1.4 CNC装置的主要功能和特点,（8）辅助功能（M代码） （9）字符图形显示功能 （10）程序编制功能：手工编程、 在线编程、自动编程 （11）输入、输出和通讯功能 （12）自诊断功能 2.CNC数控装置的特点1）灵活性大 2）通用性强3）可靠性高4）可以实现丰富、复杂的功能 5）使用维修方便6）易于实现机电一体化,2019/10/19,4.2 CNC装置的硬件结构,2019/10/19,4.2.1 CNC装置的硬件构成,单微处理器硬件结构图,2019/10/19,CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 单微处理机结构:见上图 多微处
7、理机CNC装置的结构：1. 主从结构2. 多主结构3. 分布式结构4. 多通道结构,4.2.2 CNC装置的体系结构,2019/10/19,单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。 单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 1.微处理器和总线微处理器：运算、控制 总线：CPU与各组成部件、接口等之
8、间的信息公共传输线，包括控制 、地址和数据三总线。 2.存储器 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）它们的用途：,4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构,2019/10/19, 只读存储器（ROM）：系统程序 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息 CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.位置控制单元对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）C轴位置控制：包括位置和速度控制刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板
9、。,4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,1.多微处理机CNC装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。（1）功能模块1）CNC管理模块2）存储器模块 3）CNC插补模块4）位置控制模块5）操作控制数据输入、输出和显示模块6）PLC模块,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,（2）共享总线结构结构与仲裁主模块与从模块总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码
10、方案模块之间的通讯：公共存储器总线：STD bus （支持8位和16位字长）Multi bus （型支持16位字长，型支持32位字长）S-100 bus （可支持16位字长）VERSA bus （可支持32位字长）VME bus （可支持32位字长）,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,图4 .9 串行总线仲裁连接方式,主模块1,主模块2,主模块3,总线优 先权入,总线优 先权出,总线 忙,入,忙,出,入,忙,出,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,（3）共享存储器结构,20
11、19/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,（4）共享总线和共享存储器型结构,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,2019/10/19,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,（5）多通道结构通道结构（Channel Structure），即两种以上程序的并行处理。2.多微处理机CNC装置结构的特点（1）计算处理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的适应性和扩展性（4）硬件易于组织规模生产,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,一、开放式数控系统的产生随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、
12、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。 体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。 开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,二、开放体系结构CNC的优点 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标
13、准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； 标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠
14、性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,三、开放式数控装置的概念结构,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,四、国内外开放式数控系统的研究进展1.几大研究计划 美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划 欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automa
15、tion Systems)计划 日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划 华中I型基于IPC的CNC开放体系结构 航天I型CNC系统基于PC的多机CNC开放体系结构,2019/10/19,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,2.开放程度： 1）CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件 2）用户操作界面的开放。 3）NC内核的深层次开放( PC+实时硬插件； PC+实时软中断)。 3.开放式数控系统的发展趋势： 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放
16、式数控系统。 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的需求。 3）网络化,2019/10/19,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构,VS,VS,1.点位/直线控制的一般概念（单轴数控）用于钻床、镗床、机能简单的车床点位控制 只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。直线控制 刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。,2019/10/19,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构,2.点位/直线数控系统数控装置的结构,图4.16 点位/直线控制系统,201
17、9/10/19,4.3 CNC装置的软件结构,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,1. CNC装置软件硬件的界面,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,2. 系统软件的内容及结构类型系统软件的组成：（管理和控制）管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,3. 多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性,图4 .18 CNC
18、装置软件任务分解 图4 .19软件任务的并行处理,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,（2）并行处理并行处理：是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类：“资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”。资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统） 在单CPU结构的CNC系统中
19、，可采用“资源分时共享”并行处理技术。 资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。 “资源分时共享”的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题。 其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,资源分时共享技术的特征,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU； 在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务
20、还是逐一执行的。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,2)并发处理和流水处理（对多资源的系统）,在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术： 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理； 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,流水处理技术的涵义,流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定
21、的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,流水处理技术示意图,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,并发处理和流水处理的特征,在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。 并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,3）并行处理中的信息交换和同步 在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。 各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现
22、的。,图4.22 CNC装置通过缓冲区交换信息框图,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,图4.23 纸带读写同步说明,2019/10/19,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,4. 实时中断处理（1）CNC系统的中断类型1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入中断。2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。3）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。4）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。（2）CNC系统中断结构模式1）前后台软件结构中的中断模式2）中断型软件结构中的中断模式,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,VS,
23、VS,1. 零件程序的输入零件程序的输入包括两方面的内容:1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。2）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓冲存储区）。,图4.25 输入过程,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,VS,VS,2. 数据处理程序数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、辅助功能处理和进给速度计算等部分 。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。（1）译码定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以
24、一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。方法：解释和编译。 内容：整理和存放。 1）不按字符格式的整理与存放方法。2）保留字符格式的整理与存放。,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,（2）刀具补偿定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。种类：长度补偿和半径补偿。1）B功能刀具半径补偿计算直线加工时刀具补偿,图4.28 直线刀具补偿,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,圆弧加工时刀具半径补偿,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,* B功能刀具半径不能处理尖角过渡问题,2019/10/
25、19,4.3.2 输入和数据处理,2）C功能刀具半径补偿处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况。,图4.31 由NC到CNC刀补的改进措施,2019/10/19,4.3.2 输入和数据处理,图4.32 G41直线与直线转接情况,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,1.进给速度计算 开环系统:速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,
26、（1）开环系统进给速度的计算脉冲的频率决定进给速度。（4.7）为脉冲当量，单位：mm ， 则 （4.8） 两轴联动时，各坐标轴速度为:合成速度（即进给速度）V为 （4.9）,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,（2）半闭环和闭环系统的速度计算:确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。 直线插补速度计算： a)程序段投影 Lx=xe-x0 Ly=ye-y0 b)直线方向余弦 cos=Lx/L cos=Ly/L c)一个插补周期的步长（ L ）L=（1/60）Ft，速度F单位：mm/min，插补周期t单位：ms，L单位:m d)各坐标轴在一个采样插补周期的运动步长 x
27、=Lcos=Fcost/60 (m) y =Lsin=Fsint/60 =Lcos= Fcost/60 (m),2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,圆弧插补时速度计算（插补原理不同，计算方法也不同）步长分配系数（速度系数）,J,I,X,Y,O,AO,E,Ai-1,Ai,C(IO,JO),Xi,Yi,i,Ii-1,Ji-1,R,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,2.进给速度控制 常用的控制方法： 计时法 用于脉冲增量插补。 时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达到速度控制的目的。 积分法,2019/10/19,4.3.
28、3 速度处理和加减速控制,VS,VS,（1）程序计时法 原理用途：点位直线控制系统。脉冲增量。空运转等待时间越短，发出进给脉冲频率越高，速度就越快。,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,（2）时钟中断法原理：求一种时钟频率，用软件控制每个时钟周期内 的插补次数。适用：脉冲增量插补原理 （3）设置V/L积分器方法DDA插补方法中，速度F代码是用进给速度数（FRN）给定的。将FRN作为与坐标积分器串联之速度积分器的被积函数，使用经计算得到的累加频率，可产生适当的速度积分器溢出频率。将它作为坐标积分器的累加频率，就能使DDA插补器输出的合成速度保持恒定。,2019/1
29、0/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,3.数据采样原理CNC装置的加、减速控制 加减速控制目的：保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡 方法： 插补前加减速控制插补后加减速控制 瞬时速度与稳定速度 V=THK/(601000) 加减速曲线 指数加减速线性加减速钟形加减速S曲线加减速,2019/10/19,4.3.3 速度处理和加减速控制,VS,VS,2019/10/19,4.3.4 插补计算,VS,主要算一个插补周期的X，Y，以直线为例： 1）L%=L*倍率 （L%倍率后的每周期公式进给量） 2）L1新= L1旧+L% （L1新上次插补点与程序段起点之间距离；L1
30、旧本次插补点与程序段起点之间距离） 3）X3新= L1新cos（X轴投影）y3新= L1新cos 4）x2= X3新- X3旧（本次插补周期的输出位置增量值）。 y2= y3新- y3旧,2019/10/19,4.3.5 位置控制,VS,VS,任务： 1）每个位置反馈采样周期，将插补给定与反馈值进行比较，用差值去控制电机 2）增量调整 3）螺距补偿，间隙补偿,2019/10/19,4.3.5 位置控制,2019/10/19,4.3.5 位置控制,VS,VS,位置控制完成以下几步计算： 计算新的位置指令坐标值： X2新= X2旧+X2；Y2新= Y2旧 +Y2； 计算新的位置实际坐标值： X1新
31、= X1旧+X1；Y1新= Y1旧 +Y1 计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)： X3= X2新- X1新； Y3= Y2新- Y1新；,2019/10/19,4.3.6 故障诊断,VS,VS,方法1 运行中诊断:1）代码和检查内存2）格式检查（奇、偶、补偿指令、数据超限）3）双向传递检查4）清单检验，用打印机、CRT5）电压温度、速度检测监控 2 停机诊断 有自诊断程序 3 通讯诊断 由诊断中心进行，发出诊断程序。,2019/10/19,4.3.6 故障诊断,远程诊断技术,2019/10/19,4.5 CNC装置的接口电路,2019/10/19,4.5.1 概述,VS,VS,CNC装置与
32、下列设备进行数据传送和信息通讯： 1.数据输入输出设备2.外部机床控制面板3.通用的手摇脉冲发生器 4.进给驱动线路和主轴驱动线路RS-232C接口 工业局部网络通讯接口 通讯协议,2019/10/19,4.5.2 键盘输入及接口,VS,VS,2019/10/19,4.5.3 显示器及接口,VS,VS,操作面板 它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。 它是数控机床特有部件。,2019/10/19,4.5.4 机床开关量及接口,数控机床上的接口规范 数控机床“接口”：是指数控系统与机床电气控制设备（由继电器、接触器组成的强电
33、）之间的电气连接部分。,2019/10/19,4.5.4 机床开关量及接口,2.数控机床上的输入、输出接口电器 输入/输出信号的种类：1. 直流数字输入/输出信号2. 直流模拟输入/输出信号:用于进给坐标轴和主轴的伺服控制（或其它接收、发送模拟信号的设备）3. 交流输入/输出信号直流模拟信号：用于直接控制功率执行器件。,2019/10/19,4.5.5 串行通讯及接口,通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行方式或并行方式。 通讯规则（procedure）或通讯协
34、议（protocol） 异步协议和同步协议 异步串行接口标准：RS-232C/20mA电流环和RS-422/RS-449,2019/10/19,4.5.6 网络通讯及接口,MAP（Manufacturing Automation Protocol）：制造自动化协议。是美国GM公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通讯标准。 特点：1）网络为总线结构，采用适于工业环境的令牌通行网络访问方式。2）采用了适应工业环境的技术措施，提高了可靠性3）具有较完善的明确而针对性强的高层协议，以支持工业应用。4）具有较完善的体系和互连技术，使网络易于配置和扩展。低层可配最小MAP（只配数据链路层、物理层和应用层），高层次应用可配备完整的MAP（包括7层协议）。5）针对CIM需要开发的。 现场总线 :计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统（DCS）的基础上发展起来的。,
