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1教学内容第4章计算机数控装置4.1概述4.2CNC装置的硬件结构4.3CNC装置的软件结构4.4CNC装置的插补原理4.5刀具半径补偿原理24.1.1CNC装置的组成4.1.2CNC装置的功能4.1概述3数控系统（CNC系统）由数控程序、I/O设备、数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给伺服系统共同组成的一个完整的系统，其核心是数控装置。4数控系统特征控制特征：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。外部特征：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。5CNC装置主要功能正确识别和解释数控加工程序；进行零件轮廓几何信息和命令信息的处理；将处理结果分发给相应的单元。处理结果：连续控制量，送往驱动控制装置；离散的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置。64.1.1CNC装置的组成1、CNC装置硬件的基本组成程序存储器（ROM/EEPROM）通信接口主轴控制接口输入/输出接口数据存储器（RAM）MDI接口PLC接口CRT或LCD接口位置控制接口纸带阅读机接口CPU微型机基本结构；特有的功能模块；特有的接口单元。72、CNC装置软件的基本功能本质特征：具有实时性和多任务性的专用操作系统；功能特征：该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。83、CNC装置硬件、软件的相互关系CNC装置的硬件和软件构成了CNC装置的系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序口被控设备机床机器人测量机......接9该平台有以下两方面的作用提供CNC系统基本配置的必备功能；根据用户的要求进行功能设计和开发。104.1.2CNC装置的功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统必备的功能。选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。11CNC装置的主要功能7、辅助功能8、刀具管理功能9、补偿功能10、人机对话功能11、自诊断功能12、通信功能1、控制功能2、准备功能3、固定循环功能4、插补功能5、进给功能6、主轴功能121、控制功能CNC能控制和能联动控制的轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。2、准备功能（G功能）指令机床动作方式的功能。如，G90,G00,G02,……133、固定循环功能数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。4、插补功能数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。5、辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。146、进给功能：进给速度的控制功能。进给速度：控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min;同步进给速度：实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r;进给倍率（进给修调率）：人工实时修调预先给定的进给速度。通过使用面板的倍率波段开关进行实时调整，不用修改程序可以改变进给速度。157、主轴功能：对主轴的控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能；G97S8000。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能；G96S800。主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。168、刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。刀具几何尺寸（半径和长度）：供刀具补偿功能使用；刀具寿命：时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；刀具号（T）管理功能：用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。179、补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编程控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。1810、人机对话功能在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。1911、自诊断功能：CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断在线自诊断离线自诊断远程通讯诊断2012、通讯功能：NC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序；DNC接口，可实现直接数控；MAP(制造自动化协议)模块；网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。214.2.1单机或主从结构模块的功能4.2.2多主结构的CNC装置硬件4.2CNC装置的硬件结构224.2.1单机或主从结构模块的功能1、单机结构单机(单微处理器)结构是指整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。现在这种结构已被多机（多微处理器）系统的主从结构所取代。23整个CNC装置中有两个或两个以上的CPU，但只有一个CPU(主CPU)对系统的资源(存储器、总线)有控制和使用权，只有一个CPU处于主导地位，其他CPU处于从属地位的结构，因而称之为主从结构。从硬件的体系结构来看，单机结构与主从结构极其相似，因为主从结构的从CPU模块与单机结构中相应模块在功能上是等价的，只是从模块的能力更强而已。2、主从结构243、单机或主从结构模块的功能单机或主从结构的CNC装置硬件结构框图253、单机或主从结构模块的功能1）计算机主板和系统总线2）显示模块（显示卡）3）输入/输出模块（多功能卡）4）电子盘（存储模块）5）PLC模块6）位置控制模块7）功能接口模块265）PLC模块CNC控制分为两类：①对各坐标轴的速度和位置进行的“轨迹控制”；②对辅助设备动作进行控制的“顺序控制”。作用：①对信号（开关量信号、模拟量信号、脉冲信号）进行相应转换，满足CNC装置要求；②阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置于外部信号进行隔离，提高CNC装置运行可靠性。PLC完成的任务：电平的转换和功率放大、电气隔离。27设备辅助控制接口的硬件逻辑（简单的I/O接口板）电气隔离和电平转换柔性较差体积庞大286）位置控制模块①开环位置控制模块步进电动机控制接口的原理图29②闭环位置控制模块闭环位置控制模块原理框图304.2.2多主结构的CNC装置硬件操作面板，图形显示模块（CPU）CRT/MDI通讯模块（CPU）自动编程模块（CPU）主存储器模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块I/O单元伺服放大器及电动机主轴放大器及电动机1、基本结构功能模块自身也带有CPU，紧耦合，总线仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。31多主结构的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，通过系统重组仍可继续工作。多主结构的结构形式共享总线结构型。共享存储器结构型。322、典型结构——（1）共享总线结构FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC15系统硬件结构33结构特征：功能模块：带有CPU的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)。以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上。采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。34优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，信息传输率降低。352、典型结构——（2）共享存储器结构36结构特征面向公共存储器设计，采用多端口实现各主模块之间的互连和通讯；采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。374.3CNC装置的软件结构4.3.1CNC装置软件和硬件的功能界面4.3.2CNC装置的软件系统特点4.3.3CNC装置软件结构模式384.3.1CNC装置软件和硬件的功能界面关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。应用：软硬兼施39CNC装置软件和硬件的功能界面划分输入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件ⅠⅡⅢⅣ40CNC装置的数据转换流程加工程序译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制414.3.2CNC装置的软件系统特点CNC系统是一个专用的实时多任务系统，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。两大特点：多任务并行处理；多重实时中断。421、多任务并行处理1）CNC装置的多任务性•任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。•CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、…•CNC系统的任务特征：为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。432）CNC多任务并行处理并行处理定义：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的：合理使用和调配CNC系统资源；提高CNC系统处理速度。并行处理的实现方式：资源分时共享；并发处理;这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。44（1）资源分时共享并行处理（单CPU结构中）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。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;循环调度和优先抢占调度相结合。45初始化位置控制插补运算4ms8ms16ms中断级别高中断级别低程序启动---运行初始化程序----进入背景程序序环，同时开放定时中断，每隔一定时间间隔发生一次定时中断，执行一次中断服务程序。背景程序…译码刀补I/O显示CPU分时共享图46各任务占用CPU时间示意图①任何一个时刻只有一个任务占用CPU；②从一个时间片来看，CPU并行执行了三个任务。47（2）并发处理和流水处理（多CPU结构中）①如果任务间的关联程度不高，则可将这些任务分别各安排一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；②如果任务之间的关联程度较高，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；流水处理的关键是时间重叠，以资源重复的代价换得时间上的重叠，或以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。482、实时性与优先抢占调度机制实时性是指某个任务的执行有严格的时间要求，即，必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。1）实时性任务的分类强实时性任务（实时突发性及实时周期性）弱实时性任务。2）优先抢占调度机制优先调度（多个任务同时请求）抢占方式（一个任务正在执行，另一个高级任务请求）。49结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。1、前、后台型结构模式；2、中断型结构模式；3、基于实时操作系统的结构模式。4.3.3CNC装置软件结构模式50前台程序插补运算位置控制故障处理……后台程序译码