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第2章数控原理与数控装置P152.1数控装置的基本结构与工作原理2.2插补原理2.3刀具补偿原理2.4辅助机能控制与PLC计算机数控装置是数控机床的核心，它是借助于微机，结合必要的硬件而构成的装置。这种数控装置替代了早期的纯硬件式数控装置。以前，我们称数控装置为MNC（微机数控），现在我们统称为CNC。2.1数控装置的基本结构与工作原理整个数控机床的功能强弱主要取决于数控装置。2.1.1数控装置的基本组成从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量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。硬件和软件的结合才能真正构成CNC装置，才能发展CNC的各项功能。（若把硬件比作躯体，软件就是灵魂。）从外部特征来看，CNC系统由硬件和软件两大部分组成。CNC的硬件结构一般分为两类：一类是单CPU结构；另一类为多CPU结构。CNC的软件结构一般也分为两大类：一类是前后台型；另一类为中断型。下面从硬件和软件两个方面来介绍CNC的基本结构。2.1.2数控装置的基本结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...自从20世纪70年代开始，随着计算机技术不断发展，计算机数控装置从硬件结构上发生了一系列的变化，但它的组成原理基本相似，如图2-2。P16图2-2CNC系统硬件的层次结构P161)单CPU结构（1）CPU通信总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统；（2）对存储、插补计算等集中控制，分时处理；（3）结构简单，容易实现；（4）在经济型数控装置中应用广泛。1.数控装置的硬件结构整个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NC功能。特点:CPU:Centralprocessingunit中央处理器纸带输入机接口穿孔机接口盒式磁带机接口RS232C接口CRT1MDI接口选件接口手动接口ROMRAMPC（或PC接口）位控单元位控单元位控单元主轴输出CPU总线M.S.TD/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMxyz主轴图2－3单微处理器结构CNC框图PLC接口ROM:Read-onlyMemory只读存储器RAM:Randomaccessmemory随机读写存储器与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。2)多CPU结构现代CNC装置多为多微处理器模块化结构。多微处理器CNC装置采用模块化结构，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。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑。P17（1）运算速度快，性价比高；（2）采用模块化技术，适应性强，扩展容易；（3）可靠性高；（4）硬件易于规模生产。特点：（1）CNC管理模块（2）CNC插补模块（3）位置控制模块（4）存储器模块（5）PLC模块（6）指令、数据的输入输出及显示模块进一步扩充功能，还可以增加相应的模块。模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种：P17多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。（1）共享总线结构FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通信模块(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总线将各模块连在一起，按要求传递信号，实现预定功能。图2-5共享总线结构CNC硬件结构•功能模块分为主模块(带有CPU)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。（时序、排队）结构特征：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。共享总线结构的优点:共享总线结构的缺点: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；由于各主模块使用总线时会引起“竞争”，使用总线要经仲裁，使信息传输效率降低。P17（2）共享存储器结构各模块分别都与共享存储器相连。采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口使用访问。P17显示CPU键盘中央CPU插补CPU通讯接口CRT/LED并行接口反馈脉冲和处理ROMROMRAM/ROMRAMRAM模拟量输出机床接口反馈信号接口……图2-4共享存储器结构CNC硬件结构多端口存储器多端口存储器设计较复杂，对两个以上的主模块，会因争用存储器而造成存储器传输信息的阻塞。结构特征：采用公共存储器技术，采用多端口来实现各主模块之间的互联和通信。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。2.数控装置的软件结构P17图2-6数控装置的任务从本质特征来看，CNC系统是具有实时性和多任务性的专用操作系统。从功能特征来看，CNC系统要完成管理和控制两大任务。数控装置管理控制输入显示位置控制通信插补运算诊断速度处理编译处理辅助控制刀具补偿功能输出多任务性（1）多任务并行处理实时性体现在多任务常采用并行处理的方式来实现。实时性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。任务的执行有严格时间要求（任务必须在规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性定义:并行处理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相同性质或不同的的工作。输入显示诊断I/O控制译码刀补速度处理插补位置控制多任务并行处理图目的：提高处理速度P18资源分时共享并行处理的实现方式：诊断显示插补准备I/O输入初始化主要用于解决单CPU的CNC系统中多任务同时运行的问题。插补位控键盘中断优先级从高到低a)循环轮流b)中断优先级各任务使用CPU是采用循环轮流和中断优先相结合的形式来实现的。（针对单一资源的系统）资源分时共享并发处理和资源重叠流水线处理P18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；在一个时间段内（如8ms或16ms），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，各个任务还是逐一执行的。并发处理和资源重叠流水线处理（针对多资源的系统）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。P18资源重叠流水线处理技术的涵义利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关联的(关联程度较高)；然后按一定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。CNC的软件结构一般分为两大类：一类是前后台型；另一类为中断型。（2）前后台型软件结构该结构模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务。后台程序是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。前台程序故障处理位置控制插补运算……后台程序译码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行图2-8前后台型软件结构P19（3）中断型软件结构这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。初始化中断管理系统0级中断服务程序级中断服务程序级中断服务程序级中断服务程序……1n2图2-9中断型软件结构2.1.3数控装置的工作过程P19输入译码插补位置控制诊断图CNC装置的基本控制流程预处理输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘输入方式：中断，有相应的中断服务程序功能：先将零件程序放在缓存，再由缓存将零件程序调入零件程序存储单元。1.加工程序的输入2.译码将输入的零件程序翻译成数控系统所能识别的语言。功能：把程序段中的各数据，根据前后文字地址送到相应的内存单元中。3.数据预处理减轻插补程序的负担，提高系统实时性。数据预处理程序一般包括刀具半径、长度补偿、速度计算以及辅助功能处理等。刀具半径、长度补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具刀位点的轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编程，减轻了工作量。速度计算是解决该加工程序段以什么样的速度运动的问题。编程所给的进给速度是合成速度，速度计算是根据合成速度来计算各坐标运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判断并处理。辅助功能诸如换刀、主轴启停、切削液开关等一些开关量信号也在此程序中处理。辅助功能处理的主要工作是识别标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部件执行这些动作。4.插补和位置控制P20插补是在一条给定起点、终点和形状的曲线上进行“数据点的密化”。将曲线进行逼近处理，将其分解为微线段；将微线段进行分解，获得各个轴上的进给分量，并输出给位置控制系统；位置控制根据各轴的进给分量，发送指令协调各轴运动。实时性要求高。可采用粗插补和精插补结合。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。位置控制是强实时性任务。还要完成位置回路增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿。5.诊断自动检查系统的故障，并指出故障发生的部位。在线离线P342.3刀具补偿原理图2-35刀具半径补偿r刀具AB2.3.1概述在轮廓加工时，刀具中心运动轨迹跟被加工零件的实际轮廓总要偏移一定距离，这种偏移称为刀具半径补偿。如图2-35所示，在铣床上用半径为r的铣刀周铣零件的外轮廓A时，刀具中心O沿着与轮廓A距离为r的轨迹B移动。严格讲，是刀位点刀位点O由于铣刀总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹与零件的轮廓总存在偏移量r。由于数控系统控制的是刀具中心的运动轨迹B，而加工程序又是按照零件的外轮廓A来编制的，这就需要根据已知的轮廓A和刀具半径r计算出刀具中心的运动轨迹B，才可以加工出所要求的零件轮廓。图2-35刀具半径补偿r刀具AB刀位点O刀具半径补偿的实质就是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。补偿分类：半径补偿、长度补偿2.加工中心：一个重要组成部分就是自动换刀装置，在一次加工中使用多把长度不同的刀具，需要有刀具长度补偿功能。刀具补偿具体说明：1.轮廓铣削加工：为刀具中心沿所需轨迹运动，需要有刀具半径补偿功能。3.车削加工：可以使用多种刀具，数控系统具备了刀具长度和刀具半径补偿功能，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸尽量无关，可大大简化编程。4.铣刀主要是刀具半径补偿；钻头只需长度补偿；车刀需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。P35若具有刀具补偿功能，在编制加工程序时，可以按零件实际轮廓编程，加工前测量实际的刀具半径、长度等，作为刀具补偿参数输入数控系统，可以加工出合乎尺寸要求的零件轮廓。刀具补偿功能还可以满足加工工艺等其它一些要求，可以通过逐次改变刀具半径补偿值大小的办法，调整每次进给量，以达到利用同一程序实现粗、精加工循环。刀具补偿的应用：另外，因刀具磨损、重磨而使刀具尺寸变化时，若仍用原程序，势必造成加工误差，用刀具长度补偿可以解决这个问题。2.3.2刀具长度补偿图2-36刀具长度补偿以数控