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第4章计算机数控装置4.1CNC简介计算机数控装置是指对机床进行自动化控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收零件的尺寸和工艺等信息，按照一定的算法将加工过程分解为各运动轴的位置控制指令，完成零件加工。数控系统用数值数据的控制系统，在运行过程中，不断引入数值数据，从而实现机床加工过程的自动控制。数控系统的基本组成包括控制器和驱动装置(JB/T8832-2001)国际标准化组织ISO对计算机数控的定义为“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代码，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。14.1.1CNC技术的发展（1）自从1952年世界上第一台数控机床在美国诞生以后，机床进入了数控时代。数控机床的诞生成为世界工业界一个重要的里程碑。随着电子元器件、计算机软、硬件技术的发展，计算机数控装置也发生了翻天覆地的变化，表现为硬件、软件的发展。（1）CNC硬件的发展计算机中二进制运算离不开电子元件的支持，最早的计算机是由电子管组成运算单元。24.1.1CNC技术的发展（2）电子管是最早期的电信号放大器，其体积大、功耗高。晶体管、集成电路发明后代替了电子管的位置，成为新的运算器件。数控系统的硬件系统随着计算机硬件的发展和变革也进行了更新换代。1952年美国MIT利用电子管成功地研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。1959年，电子行业研制出晶体管器件，因为数控系统中广泛使用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。34.1.1CNC技术的发展（3）1965年出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。1970年以前的数控装置被称为硬件数控（NC），主要经历了电子管、晶体管、集成电路三种时期。这一时期的特点是数控装置中的插补、轨迹控制等功能是由硬件元器件组成的电路实现的。1970年以后数控装置开始以计算机作为核心硬件实现数控装置的各种功能。由最初以小型计算机为主体发展为以微机、嵌入式微处理器等为核心组件的计算机数控系统。44.1.1CNC技术的发展（4）这一时期的特点是数控装置的译码、轨迹规划、插补、位置控制由计算机软件实现。这一时期的数控装置被称作计算机数控装置或软件数控装置。数控装置发展到计算机数控装置时期后，逐渐形成单微处理器数控、多微处理器数控和开放式数控三种。前两种数控装置是由某一家生产企业独立研发和生产的专用数控装置，又称为封闭式数控系统。54.1.1CNC技术的发展（5）不同品牌的封闭式数控系统标准不同，互换性差甚至根本不具备互换性。数控装置的生产也仅限制在自己企业内部完成。这都限制了数控系统的发展和普及。为了解决这些问题，1987年美国提出了NGC（theNextGenerationwork-station/machineController）计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA（SystemArchitectureforControlwithinAutomationsystems）计划和OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划。这些计划旨在推动国际数控装置各功能元件的标准化，硬件系统组成也按照一定的体系标准进行划分。开放式数控具有明显的优越性，其推广是计算机数控装置发展的必然趋势。64.1.1CNC技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的发展目前的数控装置编程几乎全部采用ISO6983G代码编程，这是一种面向过程的编程语言。比如G01是直线插补，G02是顺时针方向圆弧插补。机床加工过程中的每一条路径都需要采用程序指令编写。国际标准化组织1996年开始制定新的面向对象NC编程标准STEP-NC，2001年底成为国际标准草案，由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正式命名为ISO14649。74.1.1CNC技术的发展（7）STEP-NC基于制造特征进行编程，告诉CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步骤作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起。STEP-NC标准仅完成了一部分，相关的技术包括CAD、CAM、CNC一系列问题的研究，但其发展势头强劲。按照其发展趋势，STEP-NC将可能废弃沿用已久的G、M代码，代之以新的数控语言，使得现场编程方式大为改观84.1.2CNC系统的基本组成计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置)等组成，如图所示。94.1.2CNC系统的基本组成CNC系统是指包括CNC装置和驱动控制两部分的整体。CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，根据加工程序生成各种控制指令，并将控制指令发送给驱动装置，实现机床的运动完成加工任务。驱动装置包括主轴驱动、进给轴控制、机床I/O（冷却液、照明、限位等功能）。CNC装置与驱动装置之间通过标准模拟控制量、高速脉冲串、离散开关量以及通过总线的数字信号等方式传递指令。104.1.3CNC装置的组成CNC装置的组成包括硬件和软件两部分，实现对机床各驱动元件（伺服电机、继电器、气缸等）的控制以及各传感器（限位开关等）的信号采集和实时处理。（1）CNC装置的硬件组成不同品牌的CNC装置的硬件组成有所不同，但是大体包括计算机组件（CPU、内存、硬盘、显示器、键盘等）、系统总线、接口电路（模拟量输入/出、数字量输入/出、现场总线接口等）等几部分。114.1.3CNC装置的组成CNC装置是数控系统的核心，是一台专用计算机，具有CPU、存储器、总线、外设等。其外设通常是指输出接口及后续装置，最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。124.1.3CNC装置的组成I/O主板显卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位控板n位控板1PLC模块主轴控制机床I/O面板速度控制1速度控制n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统134.1.3CNC装置的组成（2）CNC装置的软件组成CNC装置的软件分为管理软件和控制软件两部分。其中管理软件是CNC装置作为一个系统进行各元件之间协同工作必须的软件环境，并完成CNC装置的文件处理、人机交互、显示、输入输出管理、故障诊断等任务。控制软件特指CNC装置对机床进行运动控制实时性要求较高的软件模块，这是CNC装置所特有的功能模块。控制软件是CNC装置软件的核心部分。控制软件必须具备并进行以下内容的计算：轨迹规划、插补运算、主轴控制、刀具补偿计算等。144.1.3CNC装置的组成154.1.4CNC装置的主要功能和特点1.CNC装置的工作过程和功能CNC系统是一个位置控制系统，其主要任务是根据输入的加工程序和数据，进行刀具与工件之间的相对运动的控制，完成零件的自动加工，下图所示为CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程。16图CNC系统控制零件自动加工的主要功能和流程4.1.4CNC装置的主要功能和特点2.CNC装置的特点（1）具有丰富的数控功能CNC装置具备机床加工中所需要的直线、圆弧、样条等插补功能；车、铣等的刀补功能；G代码译码功能；丝杠误差补偿功能。并且CNC装置针对机床控制具有丰富的接口，包括电机控制指令接口、编码器反馈接口、机床回零及限位开关接口等。CNC装置能够满足机床自动控制中所有功能要求。174.1.4CNC装置的主要功能和特点（2）封闭性一般的CNC装置都不允许用户更改其中的程序代码，控制算法等。CNC装置的灵活性不足，一般只能用在机床的控制中。位置控制算法一般采用带前馈的PID算法，用户无法更改其中的控制算法。（3）可靠性高CNC装置作为工业自动化产品，具有高可靠性特点。主要是由于目前CNC装置的市场主要是国外西门子、法达科等其广泛的用户群以及产量使得这些公司能够在质量控制、可靠性控制方面投入足够的研究费用和人员。目前，国内的CNC装置的市场占有率低的主要原因就是可靠性相对较低，这也是由于国内CNC装置起步较晚，难以与国际成熟的竞争对手相比。184.2CNC装置的硬件结构计算机数控装置的硬件可以认为是一台“计算机”加外部接口电路，它是整个CNC装置的“躯体”，是CNC软件运行的基础平台。根据其计算机类型的不同，可以分为单微处理器型、多微处理器型和开放式数控装置。目前广泛使用的CNC装置的硬件没有统一标准，不同生产企业生产的CNC装置在结构、外形、接口电路等方面都存在很大的差别。开放式数控装置的核心内容是制定统一的CNC装置硬件、软件标准。194.2CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、标准型和高档型三类数控装置；按微处理器的数目可分为：单微处理器和多微处理器结构按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构204.2.1单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以一个中央处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工中的各种任务。由于单微处理器数控装置只有一个中央处理器（CPU），其功能受到CPU字长、数据宽度、处理速度、寻址能力等因素的限制，为提高处理能力，人们常采用增加协处理器以提高运算速度，采用带CPU的PLC和CRT智能部件等。这种系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个主微处理器能控制总线，其它的CPU只是附属的专用智能部件，它们组成的是主从结构，故仍被归类为单微处理器结构。214.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型224.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块多微处理机数控装置把机床数字控制这个总任务划分成多个子任务，硬件系统和软件系统一般均采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元、即功能模块。各功能单元之间可采用紧耦合，有集中的操作系统；也可采用松耦合，用多重操作系统有效地实现并行处理。模块化结构的多微处理机数控装置中的基本功能模块一般有以下6种，如下图所示。234.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）①CNC管理模块，这是实现管理和组织整个CNC系统的功能模块，如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统出错的识别和处理、系统软硬件的诊断等功能由该模块完成。②CNC插补模块，该模块完成零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，然后进行插补计算，为各坐标轴提供位移给定值。244.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）③PLC模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。④位置控制模块，该模块将插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，求出差值，然后通过系统增益调整，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移及误差补偿。在此之前还要得到并输出速度控制的模拟电压（或数