1、第三章第三章 計算機數控系統簡稱CNC系統，是一種用計算機執行其存儲器內的程序來實現數控功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。 CNC系統能接受輸入的加工程序信息，經過譯碼、運算和邏輯處理，輸出各種脈沖指令，從而控制機床的主運動、進給運動及輔助運動，自動地完成零件加工。 CNC系統是一種位置控制系統。其控制過程是根據輸入的信息（加工程序）進行數據處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執行部件，加工出所需要的零件。一 CNC系統的組成CNC系統是有硬件和軟件兩大部分組成其核心是計算機數字控制裝置，它通過系統控制執行部件，合理地組織，管理思考系統輸入、數據處理、插補和輸出

2、信息，控制執行部件，使數控機床按照操作者的要求進行加工。二 CNC系統的功能和一般工作過程(一）CNC系統的功能 基本功能和選擇功能 基本功能是系統必備的功能 選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能1.控制功能 控制功能是指CNC裝置能夠控制的以及能夠同時控制的軸數。控制功能是數控裝置的主要性能指標之一。控制軸有移動軸和回轉軸，基本軸和附加軸。控制軸數越多，特別是同時控制軸數越多，CNC裝置的功能越強，同時CNC裝置就越復雜，編制零件加工程序也就越困難。2.準備功能 準備功能也稱G功能，用來指令機床動作方式的功能，包括基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標設定、刀具補償、基準點返回、固定

3、循環等指令。它用地址G和它后續的兩位數字表示。ISO標準中，準備功能從G00G99共100種。3.插補功能 CNC系統是通過軟件插補來實現刀具運動軌跡控制的。 粗插補和精插補，粗插補，插補軟件每次插補一個小線段的數據，伺服系統根據粗插補的結果，將小線段分成單個脈沖的輸出稱為精插補。 進行輪廓加工的零件的形狀，大部分是直線和圓弧構成，有的是由更復雜的曲線構成，因此有直線插補、圓弧插補、拋物線插補、極坐標插補、螺旋線插補、樣條曲線插補等。4.進給功能進給功能用F直接指令各軸的進給速度 進給速度表示刀具每分鐘移動的距離,單位是mm/min 同步進給速度為主軸每轉時進給軸的進給量,單位是mm/r。 快

4、速進給速度它是通過參數設定的，用G00指令指定，同時可以通過操作面板上的快速倍率開關修正。 進給倍率操作面板上設置了進給倍率開關，可以對程序中指定的F值進行修正。倍率可在0%200%之間變化。5.主軸功能主軸功能就是指定主軸轉速的功能（1）主軸的編碼方式一般用地址符s后加二位數字或加四位數字，單位是r/min和mm/min（2）指定恒定線速度該功能可以保證車床和磨床加工工件端面質量和不同直徑外圓的加工具有相同的切削速度。（3）主軸定向準停該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止，有自動換刀功能的機床必須選取有這一功能的CNC裝置。6.輔助功能 輔助功能用來指定主軸的啟，停，和轉向，切削液的開和關，

5、刀庫的啟和停等，指令M代碼表示。7.刀具功能 刀具功能用來選擇所需的刀具，用T表示8.補償功能 加工過程中由于刀具磨損或更換刀具，以及機械傳動中的絲杠螺距誤差和反向間隙，將使實際加工出的零件尺寸與程序規定的尺寸不一致，造成加工誤差。因此CNC裝置設計了補償功能，它可以把刀具長度、刀具半徑的補償量、絲杠的螺距誤差和反向間隙誤差的補償量輸入到CNC裝置的存儲器，它就按補償量重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的零件。9.字符、圖形顯示功能。 CNC裝置可以配置單色或彩色CRT，通過軟件和接口實現字符和圖形顯示。可以顯示加工程序、參數、各種補償量、坐標位置、故障信息、零件圖形、動態刀

6、具運動軌跡等。10.自診斷功能。 CNC裝置中設置了各種診斷程序，可以防止故障的發生或擴大。在故障出現后可迅速查明故障類型及部位，減少因故障而造成的停機時間。11.通信功能 通常具有RS232C接口，有還備有DNC接口。現在部分數控機床還具有網卡，可以接入互聯網。12.人機交互圖形編程功能（二）CNC系統的一般工作過程1.輸入 輸入方式紙袋輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、上級計算機DNC通訊輸入等 輸入的工作方式有存儲方式和NC方式，存儲方式將整個零件程序一次全部輸入到CNC內部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個個程序調出。NC方式是一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內

7、容。2.譯碼 將輸入的數控加工程序翻譯成CNC裝置能識別的代碼形式，并按約定的格式存放在指定的譯碼結果緩沖器中。代碼識別是通過軟件將數控加工程序緩沖器中的內碼讀出，并判斷該數據的屬性。 如果是數字碼，則立即設置相應的標志并轉存。如果是字母碼，則進一步判斷該碼的具體功能，然后設置代碼標志并轉入相應的處理。3、刀具補償 刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。 采用刀具補償功能，可簡化數控加工程序的編寫工作，主要表現如下： 1）由于刀具磨損、更換等原因引起的刀具相關尺寸變化不必重新編寫程序，只須修改相應的刀補參數即可。 2）當被加工零件在同一機床上，經歷粗加工、半精加工、精加工多道工序時，不必編寫

8、三種加工程序，可將各工序預留的加工余量加入刀補參數即可。4.進給速度處理 數控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標合成運動方向上的速度，F代碼指令值。5.插補6.位置控制7.輸入/輸出處理8.顯示 第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構一 CNC系統的硬件構成特點1.CNC系統的總體安裝結構及特點整體式：把CRT面板和MDI面板、操作面板及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機箱內。優點，結構緊湊，便于安裝，但是也會造成某些信號連線過長。分體式：把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個機箱內，兩者之間用導線或光纖連接，有利于安

9、裝和更換。2. CNC系統操作面板的安裝形式及特點安裝形式一般有吊掛式、床頭式、控制柜式和控制臺式等結構，大板式，模塊化。第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構1、單CPU結構CNC系統 整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統資源，通過分時處理的方式來實現各種NC功能。 主從結構，系統中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統的資源有控制和使用權，其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數據，或向主CPU發出請求信息以獲得所需的數據。即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結構。單CPU結構特點 CNC裝置內只有一個微處理器，對存儲、插補運算、輸入輸出控制、

10、CRT顯示等功能都由它集中控制，分時處理。 微處理器通過總線與存儲器、輸入輸出控制等各種接口相連，構成CNC裝置； 結構簡單，容易實現； 單微處理器因為只有一個微處理器進行集中控制，其功能將受微處理器字長、數據寬度，尋址能力和運算速度等因素限制。 第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構三、多CPU結構CNC系統 在一個數控系統中有兩個或兩個以上的微處理機，CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。 為了滿足高速化、復合化、智能化、系統化的要求，現代CNC裝置多采用多微處理器（CPU）結構，其主要特

11、點是： 多微處理器結構多采用模塊化結構，具有比較好的擴展性。 多微處理器結構的CNC裝置可提供多種選擇功能,可以配置多種控制軟件,因此可適用于多種機床的控制。 系統的集成度和可靠性高。 具有很強的通信能力,能很方便地進入FMS、CIMS。 能夠進行多種語言顯示。結構形式：共享總線結構型、共享存儲器結構型。結構形式：共享總線結構型、共享存儲器結構型。第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構1.多CPU的CNC系統的典型結構 多微處理器CNC裝置各模塊之間的互連和通信主要采用共享總線和共享存儲器兩類結構。共享總線結構在共享總線結構中，將各功能模塊插在配有總線插座的機框內，由系統總線把

12、各個模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數據，實現各種預定的功能。2.共享存儲器結構 在這種多微處理器結構，采用多端口存儲器來實現各微處理器之間的互連和通信，每個端口都配有一套數據、地址、控制線，以供端口訪問。由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突問題。當微處理器數量增多時，往往會由于爭用共享而造成信息傳輸的阻塞，降低系統效率。第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構2.多CPU的CNC系統基本功能模塊1)管理模塊 該模塊是管理和組織整個CNC系統工作的模塊，主要功能：初始化、中斷管理、總線裁決、系統出錯識別和處理等。 2)插補模塊 該模塊是在完成插補前，進行零件程

13、序的譯碼、刀具補償、坐標位移量計算、進給速度處理等預處理，然后進行插補計算，并給定各坐標軸的位置。3）位置控制模塊 對坐標給定值與由位置檢測到的實際位置值進行比較獲得差值、進行自動加減速、回基準點、對伺服系統滯后量的監視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓，去驅動進給電動機。4）PLC模塊 零件程序開關量和機床面板來的信號在這個模塊中進行邏輯處理，實現機床電氣設備的啟停，刀具交換，轉臺分度等。第二節第二節 CNCCNC系統的硬件結構系統的硬件結構5）命令與輸入輸出模塊 指零件程序、參數和數據、各種操作命令的輸入、輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。6）存儲器模塊 指程序和數據的主存儲器，或是

14、功能模塊數據傳送用地共享存儲器。第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構 CNC系統的軟件是為完成CNC系統的各項功能而專門設計和編制的，是數控加工系統的一種專用軟件，又稱為系統軟件（系統程序）。 不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統軟件在結構上和規模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。現代數控機床的功能大都采用軟件來實現，所以，系統軟件的設計及功能是CNC系統的關鍵。 數控系統是按照事先編制好的控制程序來實現各種控制的，而控制程序是根據用戶對數控系統所提出的各種要求進行設計的。第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構 在CNC系統中，軟件和硬件在邏輯

15、上是等價的，即由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成。 CNC系統中軟、硬件的分配比例是由性能價格比決定的。 隨著軟、硬件的水平和成本，以及CNC系統所具有性能不同，現代CNC系統中軟、硬件界面也在變化。第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構2 2、CNCCNC裝置軟件結構特點裝置軟件結構特點1）CNC系統的多任務性CNC系統是一個專用的實時多任務計算機系統C N C系 統 的 任 務位置控制I/O處理顯示診斷譯碼刀補速度處理插補輸入管 理控 制第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構 數控加工時，CNC裝置要完成許多任務，在多數情況下，管理和控制的某些工作必須

16、同時進行。例如，為使操作人員能及時來了解CNC裝置的工作狀態，顯示模塊必須與控制軟件同時運行；當在插補加工運行時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而當控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行，例如，為了保證加工過程的連續性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補程序又必須與位置控制程序同時進行。 第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構 同時，CNC系統的這些功能必須協調工作。也就是在許多情況下，管理和控制某些工作必須同時運行。輸入顯示診斷控制I/O速度處理位置控制譯碼刀具補償插補第三節第三節 CNCCN

17、C系統的軟件結構系統的軟件結構并行處理同一時間內完成兩種或兩種以上相同或不同性質的工作同一時間內完成兩種或兩種以上相同或不同性質的工作有“資源重復資源重復”法法、 “時間重疊時間重疊”法法和“資源共享資源共享”法法等方法。在CNC裝置的軟件中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法CPU分時共享的并行處理插 補準 備診 斷初 始 化顯 示輸 入 I/O處 理中斷優先級鍵 盤位 控插 補第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構時間重疊流水處理1 2 3 41432143214321432N1N2N3N1N2N3t1t3t5 t7 t3 t1t5輸 出輸 出輸 出輸 出

18、輸 出時 間時 間空 間空 間第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構三、常規CNC系統的軟件結構實時中斷處理數控軟件中一些子程序的實時性很強，決定了中斷成為整個系統不可缺少的重要組成部分。CNC系統的中斷管理主要由硬件完成，系統的中斷結構決定了軟件結構。 第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構系統的中斷結構決定了軟件結構。在常規的CNC系統中一般采用兩種典型結構：中斷型結構前后臺型結構 1 1、中斷型結構模式、中斷型結構模式 中斷型軟件結構的特點是除了初始化程序之外，整個系統軟件的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統。 管理功能通過各級中斷服務程序之間的相互通訊來解決。第三節第三節 CNCCNC系統的軟件結構系統的軟件結構(1) 外部中斷主要有光電閱讀機中斷、外部監控中斷（如緊急停、量儀到位等）和鍵盤、操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，將它們放在較高的優先級上。 (2) 內部定時中斷主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統中這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制， 然后處理插補運算。 (3) 硬件故障中斷是各種硬件故障檢測裝置發出的