计算机数控系统.docx

1、计算机数控系统一、CNC系统的定义与结构计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控的基础上发展起来的，它用一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能。所以，它是一种包含有计算机在内的数字控制系统，根据计算机存储的控制程序执行部分或全部数控功能。依照EIA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一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。目前在计算机数控系统中所用的计算机已不再是小型计算机，而是微型计算机，用微机控制的系统称为MNC系统，亦统称为CNC系统。由于这二者的控制原理基本相同，因此本章将一并讨论这两种控

2、制系统。由上述定义可知，CNC系统与传统NC系统的区别在于：CNC系统附加一个计算机作为控制器的一部分，其组成框图如图3-1所示。图中的计算机接收各种输入信息(如键盘、面板等输入的指令信息)，执行各种控制功能(如插补计算、运行管理等等)。而硬件电路完成其他一些控制操作。图3-1 计算机数控系统方框图图3-2给出了较详细的微处理机数控系统（MNC）方框图。从图中可以看出 ，它主要由中央处理单元(CPU)，存储器、外部设备以及输入/输出接口电路等部分所组成。图3-2 微处理机数控系统方框图图3-3为某CNC铣床系统中外部设备通过其相应接口与计算机连接的示意图。图3-3 某CNC铣床系统中外部设备与

3、计算机的连接二、CNC系统软件这里指的是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，即存放于计算机内存中的系统程序。它一般由输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等组成。现分述如下：1、输入数据处理程序输入数据处理程序接收输入的零件加工程序，将其用标准代码表示的加工指令和数据进行翻译、整理，按所规定的格式存放。有些系统还要进一步进行刀具半径偏移的计算，或为插补运算和速度控制等进行一些预处理。总之，输入数据处理程序一般包括下述三项内容：(1) 输入。输入到CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。其输入方式有光电阅读机纸带输入、键盘输入、磁盘输入、磁带输入、开关量输

4、入和连接上一级计算机的DNC接口输入。从CNC装置的工作方式看，分为存储工作方式输入和NC工作方式输入。所谓存储工作方式，是将加工的零件程序一次且全部输入到CNC装置的内存中，加工时再从存储器逐个程序段调出。所谓NC工作方式是指CNC系统边输入边加工，即在前一个程序段正在加工时，输入后一个程序段内容。对于系统程序，有的固化在PROM中，有的亦是用阅读机输入。无论是用阅读机输入零件加工程序还是系统程序，均有一个阅读机中断处理程序及输入管理程序。前者的作用是将字符从阅读机读入计算机内的缓冲器，一次中断只读一个字符，中断信号由中导孔产生。输入管理程序负责缓冲器的管理、读入字符的存放及阅读机的启停(另

5、有硬件启停开关)等。(2) 译码。在输入的零件加工程序中含有零件的轮廓信息(线型、起终点坐标)、要求的加工速度以及其他的辅助信息(换刀、冷却液开停等)，这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前必须翻译成计算机内部能识别的语言，译码程序就承担着此项任务。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。(3) 数据处理。数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。需说明的是，最佳切削速度的确定是一个工艺问题，CNC系统仅仅是保证编程速度的可靠实现。另外，诸如换

6、刀、主轴启停、冷却液开停等辅助功能也在此程序中处理。一般来说，对输入数据处理的程序的实时性要求不高。输入数据处理进行得充分一些，可减轻加工过程中实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。2、插补运算及位置控制程序插补运算程序完成NC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配的功能。脉冲分配包括点位、直线以及曲线三个方面，由于现代微机具有完善的指令系统和相应的算术子程序，给插补计算提供了许多方便。可以采用一些更方便的数学方法提高轮廓控制的精度，而不必顾忌会增加硬件线路。插补计算是实时性很强的程序，要尽可能减少该程序中的指令条数，即缩短进行一次插补运算的时间。因为这个时间直接决定了插补进给的最高速度

7、。在有些系统中还采用粗插补与精插补相结合的方法，软件只作粗插补，即每次插补一个小线段；硬件再将小线段分成单个脉冲输出，完成精插补。这样既可提高进给速度，又能使计算机空出更多的时间进行必要的数据处理。插补运算的结果输出，经过位置控制部分(这部分工作既可由软件完成，也可由硬件完成)，去带动伺服系统运动，控制刀具按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期内，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电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。3、速度控制程序编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向

8、上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。前已述及，速度指令以两种方式给出，一种是以每分钟进给量(或代码)给出；另一种是以主轴每转毫米数给出。铣床和加工中心以前一种为多数，而车床则以后一种为多数，或者二者都有之。速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度，即根据给定的速度代码(或其他相应的速度指令)，控制插补运算的频率，以保证按预定速度进给。当速度明显突变时，要进行自动加减速控制，避免速度突变造成伺服系统的失调。速度控制可以用两种方法实现：一种是用软件方法，如程序计数法实现；另一种用定时计数电路由外部时钟计数运用中断方法来实现。此外，用软件对速度控制数据进行预处

9、理，并与硬件的速度积分器相结合，可以实现高性能的恒定合成速度控制，并大大提高插补进给的速度。4、系统管理程序为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由系统管理程序进行调度，因此，它是实现CNC系统协调工作的主体软件。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。水平较高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插补运算与速度控制的空闲时刻进行数据的输入处理，即调用各功能子程序，完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作，且保证在本数据段加工过程中将下一数据段准备完毕。一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。有的管理程序还安排进行自动编程工作，或对系统进行必要的预防性

10、诊断。5、诊断程序诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示出故障的类型。也可以在运行前或发生故障后，检查各种部件(接口、开关、伺服系统)的功能是否正常，并指出发生故障的部位。还可以在维修中查找有关部件的工作状态，判别其是否正常，对于不正常的部件给予显示，便于维修人员能及时处理。三、计算机数控系统的特点与NC系统相比，CNC系统主要的优点有：灵活性 这是CNC系统的突出优点。对于传统的NC系统，一旦提供了某些控制功能，就不能被改变，除非改变相应的硬件。而对于CNC系统，只要改变相应的控制程序就可以补充和开发新的功能，并不必制造新的硬件。CNC系统能够随着工厂的发展而发展，也能适应将来改变工

11、艺的要求。在CNC设备安装之后，新的技术还可以补充到系统中去，这就延长了系统的使用期限。因此，CNC系统具有很大的“柔性”灵活性。 1、通用性 在 CNC 系统中，硬件系统采用模块结构，依靠软件变化来满足被控设备的各种不同要求。采用标准化接口电路，给机床制造厂和数控用户带来了许多方便。于是，用一种 CNC 系统就可能满足大部分数控机床 (包括车床、铣床、加工中心、钻镗床等) 的要求，还能满足某些别的设备应用。当用户要求某些特殊功能时，仅仅是改变某些软件而已。由于在工厂中使用同一类型的控制系统，培训和学习也十分方便。 2、可靠性 在CNC系统中，加工程序常常是一次送入计算机存储器内，避免了在加工

12、过程中由于纸带输入机的故障而产生的停机现象 (普通数控装置的故障有一半以上发生在逐段光电输入时) 。同时，由于许多功能都由软件实现，硬件系统所需元器件数目大为减少，整个系统的可靠性大大改善，特别是随着大规模集成电路和超大规模集成电路的采用，系统可靠性更为提高。据美国第13届 NCS 年会统计的世界上数控系统平均无故障时间是：硬线NC系统为136h ，小型计算机CNC系统为984h ，而微处理机 CNC 系统据日本发那科公司宣称已达23000h 。 3、易于实现许多复杂的功能 CNC 系统可以利用计算机的高度计算能力，实现一些高级的复杂的数控功能。刀具偏移、英公制转换、固定循环等都能用适当的软件

13、程序予以实现；复杂的插补功能，例如抛物线插补、螺旋线插补等也能用软件方法来解决；刀具补偿也可在加工过程中进行计算；大量的辅助功能都可以被编程；子程序概念的引入，大大简化了程序编制。 4、使用维修方便CNC 系统的一个吸引人的特点是有一套诊断程序，当数控系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障部位，减少了维修的停机时间。另外，还可以备有数控软件检查程序，防止输入非法数控程序或语句，这将给编程带来许多方便。有的CNC系统还有对话编程、蓝图编程，使程序编制简便，不需很高水平的专业编程人员。零件程序编好后，可显示程序，甚至通过空运行，将刀具轨迹显示出来，检验程序是否正确。计算机数控

14、系统硬件结构 一、CNC系统的硬件构成随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。分体式结构通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式的有利

15、于更换和安装。 CNC 操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。 从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。大板式结构的特点是，一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板 ( 完成一定功能的电路板 ) ，如 ROM 板、零件程序存储器板和 PLC 板都直接插在主板上面，组成 CNC 系统的核心部分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能 / 价格比，也便于机床的一体化设计。大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。 另外一种

16、柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构，其特点是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 称为硬件模块 ) ，甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成 CNC 系统，使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试制周期短，调整维护方便，效率高。 从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机结构两大类。初期的 CNC 系统

17、和现有一些经济型 CNC 系统采用单微处理机结构。而多微处理机结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。 二、单微处理机结构在单微处理机结构中，只有一个微处理机，实行集中控制，并分时处理数控的各个任务。其结构特点如下：（1）CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控制分时处理。（2）微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置。（3）结构简单，容易实现。（4）正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微

18、处理机字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。（5）图3-2给出的是即是单微处理机的结构框图。三、多微处理机结构多微处理机结构的CNC是把机床数字控制这个总任务划分为子任务(也称为子功能模块)。在硬件方面，以多个微处理机配以相应的接口形成多个子系统，把划分的子任务分配给不同的子系统承担，由各子系统之间的协调动作完成数控。在多微处理机的结构中，有两个或两个以上的微处理机构成的子系统，子系统之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源；或者有两个或两个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。应注意的是，有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机，但

19、其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源， 而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成主从结构，故应归于单微处理机的结构中。1、多微处理机结构的特点性能价格比高。此种结构中的每一个微处理机各完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。它比单微处理机结构提高了计算处理速度，适应了多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的数控要求。由于系统的资源共享，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC系统的性能价格比大为提高。 (2) 采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。前已述及，在这种结构中可以将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 即硬件模块 )

20、，其相应的软件也是模块结构，这种模块化的结构使设计简单，试制周期短，结构紧凑，具有良好的适应性和扩展性。 可靠性高。多微处理机的CNC装置由于每个微处理机分管各自的任务，形成若干模块，即使某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，不像单微处理机那样，一旦出故障，整个系统将瘫痪。由于更换插件模块较为方便，可使故障对系统的影响减到最小程度。另外，由于资源共享，省去了一些重复机构，这不但使造价降低，也提高了可靠性。 （1） 硬件易于组织规模生产。 由于一般的硬件都是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的 CNC 系统，便于组织规模生产，形成批量，且保证质量。 2、多微处理机CNC装置的典型结构

21、在多微处理机组成的CNC装置中，可以根据具体情况合理划分其功能模块，一般来说，基本由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、PC模块、操作和控制数据输入输出和显示模块、存储器模块这6种功能模块组成，若需要扩充功能，再增加相应的模块。这些模块之间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享总线和共享存储器两类结构。（1）共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机CNC装置，把组成CNC器件的各种RAM/ROM或I/O从模块两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享严格设计定义的标准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整的系统

22、，实现各种预定的功能。在系统中只有主模块有权控制使用系统总线。由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争，每个主模块按其担负任务的重要程度已预先安排好优先级别的顺序。总线仲裁的目的，也就是在它们争用总线时，判别出各模块优先权的高低。这种结构模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。大部分系统采取公共存储器方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的住模块都能访问。使用公共存储器的通信方式双方都要占用系统总线，可供任意两个主模块交换信息。图3-4是多微处理机共享总线结构。这种结构中的多微处理机共享总线时会引起“竞争”，使信息传输率降低，总线

23、一旦出现故障，会影响全局。但因其结构简单，系统配置灵活，无源总线造价低等优点而常被采用。图3-4 多微处理器共享总线结构框图（2）共享存储器结构。这种多微处理机结构，采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通信。由多端口控制逻辑电路来解决访问冲突。由于同一时刻只能有一个微处理机对多端口存储器读或写，所以功能复杂而要求微处理机数量增多时，会因争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。图3-5是一个双端口存储器结构框图，它配有两套数据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好。两个端口同时访问时，由内部硬件裁由内部硬件裁决其中一个端口优先访问。图3-6是多微处

24、理机共享存储器结构框图。 图3-5 双端口存储器结构框图 图3-6 多微处理机共享存储器结构框图二、CNC系统的控制软件结构特点 CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。下面分别加以介绍。1、多任务并行处理(1) CNC系统的多任务性。CNC系统通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中，因此它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进

25、行。例如，当CNC系统工作在加工控制状态时，为了使操作人员能及时地了解CNC系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。当CNC系统工作在NC加工方式时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。下面给出CNC系统的任务分解图(图3-10(a)和任务并行处理关系图(图3-10(b)。在图3-10(b)中,双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。 (2) 并行处理的概念。并

26、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。并行处理最显著的优点是提高了运算速度。拿n位串行运算和n位并行运算来比较，在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的n倍。这是一种资源重复的并行处理方法，它是根据“以数量取胜”的原则大幅度提高运算速度的。但是并行处理还不止于设备的简单重复，它还有更多的含义。如时间重叠和资源共享。所谓时间重叠是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。而资源共享则是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。目前在CNC系统的硬件设计中，已广泛使用资源重复的并

27、行处理方法，如采用多CPU的系统体系结构来提高系统的速度。而在CNC系统的软件设计中则主要采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。(3) 资源分时共享。在单CPU的CNC系统中，主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。一般来讲，在使用分时共享并行处理的计算机系统中，首先要解决的问题是各任务占用CPU时间的分配原则，这里面有两方面的含义：其一是各任务何时占用CPU；其二是允许各任务占用CPU的时间长短。在CNC系统中，对各任务使用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。图3-10(c)是一个典型CNC系统各任务分时共享CPU的时间分配图。系统在完成初始化以后自动进入时间分

28、配环中，在环中依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时间受到一定限制，通常是这样处理的，对于某些占有CPU时间比较多的任务，如插补准备，可以在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时，自动让出CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。(4) 资源重叠流水处理。当CNC系统处在NC工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备(包括译码、刀具补偿和速度处理)、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为, ,那么一个零件程序段的数据转换时间

29、将是t=+如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依此类推，这种顺序处理时的时间空间关系如图3-11(a)所示。从图上可以看出，如果等到第一个程序段处理完之后才开始对第二个程序段进行处理，那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t的间隔。同样在第二个程序段与第三个程序段的输出之间也会有时间间隔，依此类推。这种时间间隔反映在电机上就是电机的时转时停，反映在刀具上就是刀具的时走时停。不管这种时间间隔多么小，这种时走时停在加工工艺上都是不允许的。消除这种间隔的方法是用流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如图3-11(b)所示。流水处理的关键是时间重

30、叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。从图3-11(b)可以看出，经过流水处理后从时间开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电机转动和刀具移动的连续性。从图3-11（b）中可以看出，流水处理要求没一个处理子程序的运算时间相等。而在CNC系统中每一个子程序所需的处理时间都是不相等的，解决的办法是取最长的子程序处理时间为处理时间间隔。这样当处理时间较短的子程序时，处理完成之后就进入等待状态。(a) 顺序处理(b) 流水处理图3-11 资源重叠流水处理在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上

31、看，各子程序分时占用CPU时间。2、实时中断处理CNC系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。(1) 外部中断。主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断(如紧急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，通常把这两种中断放在较高的优先级上，而键盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。(2) 内部定时中断。主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中，这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。(3) 硬件故障中断。它是各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。(4) 程序性中断。它是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。三、CNC系统的控制软件及其工作过程控制软件是为完成特定CNC(或MNC)系统各项功能所编制的专用软件，又称为系统软件(或系统程序)。因为CNC(或MNC)系统的功能设置与控制方案各不相同，各种系统