數控技術上海第二工業大學機電工程學院第二章CNC系統結構及控制方法

§2.1CNC系統的組成及特點

§2.2CNC系統的硬件結構§2.3CNC系統軟件結構及控制§2.4數控用可編程控制器與數控系統常用外設及接口§2.1CNC系統的組成及特點

一、CNC系統的組成系統程序輸入輸出設備計算機數字控制裝置可編程控制器主軸驅動裝置進給驅動裝置測量裝置等組成，CNC系統的核心是計算機數控裝置二、CNC裝置的組成

1、硬件組成2、軟件組成三、CNC裝置的工作過程（工作原理）零件程序的輸入插補預處理（譯碼、刀補、速度處理F）插補計算位置控制I/O開關量處理顯示及故障診斷

1、零件程序的輸入A、輸入內容零件程序系統參數參數補償參數機床參數

B、輸入方式紙帶、磁帶、鍵盤（MDI）、計算機通信輸入(RS232C，DNC）C、工作方式存儲工作方式DNC工作方式2、譯碼

以程序段為單位譯輪廓尺寸和M、S、T代碼，放專用區檢查語法檢查3、刀補

刀具半徑、長度補償編程以零件輪廓尺寸→加工以刀具中心軌跡交點計算、過渡問題自動完成4、進給速度處理

編程F值——合成速度將F值分解成x、y軸速度自動加減速5、插補（實時性）

插補運算（數據點密化）

種類：直線、圓弧、高次曲線、樣條曲線

計算方法：逐點比較法數字積分法比較積分法6、位置控制

位置環、速度環、電流環差值用差值控制進給電機增益調整、螺距誤差補償、反向間隙補償7、I/O處理連接CNC裝置與機床強電8、顯示與診斷

顯示字符靜態顯示圖形動態顯示

診斷自診斷脫機診斷遠程診斷四、CNC裝置的特點具有靈活性：靠軟件控制通用性：同一系統可用在不同機床上功能豐富：如二次曲線插補運算，固定循環，米英制轉換，坐標偏移，圖形顯示，刀具補償

等可靠性高：大規模集成電路或超大規模集成電路維修方便：有診斷程序，能顯示故障信息基于PC平臺的CNC特性五、CNC裝置功能1、基本功能：

控制功能：CNC裝置能控制或能同時控制的軸數

準備功能：G指令機床動作方式的功能插補功能進給功能、主軸功能、輔助功能、字符顯示、自診斷等2、選擇功能：

圖形顯示、通信功能、人機對話、編程功能、補償功能固定循環功能§2.2計算機數字控制系統的硬件結構一、CNC裝置的結構類型

1、計算機類型專用計算機：專機數控，結構合理，性能比高通用計算機：工控機，可靠性大大提高2、電路板結構

大板式結構模塊化結構1）大板式結構特點：結構緊湊，性價比高，但柔性低，對CPU依賴高如FANCU的F0、F10、F11等系列數控裝置

主板集成：主CPU、各軸位置控制電路子板：ROM/RAM、I/O、MDI/CRT等子板插在主板上下圖為一典型的大板式結構：2）模塊式結構總線模塊化開放系統結構功能模塊：硬件模塊：CPU、存儲器、I/O控制、位置控制等插件板軟件模塊：固化于相應硬件模塊中功能模塊接口標準化：企業標準→行業標準總線標準化：各模塊間信號連接的定義

特點：設計制造簡單單一，調試維護方便，有適應性，擴展性如：SIEMENS大多數系統，FANUC的15、16、18

系列下圖為一典型的模塊式結構：3、微處理器數量

單微處理器系統

多微處理器系統1）單微處理器系統CNC裝置只有一個CPU可以控制總線、訪問主存儲器，其它CPU不能訪問主存儲器。如：西門子810/820系列，A-B公司的8400系列2）多微處理器結構有2個或以上CPU可以控制總線或訪問主存儲器如：SINUMERK8系統、850/880系統、A—B公司的

8600系列和FANUC0、15系列二、單微處理器計算機數字控制

在單微處理器結構中，主CPU通過總線與存儲器、各接口相連，實行集中控制、分時處理數控各子任務。1、主要特征：只有一個主CPU可以控制總線，訪問主存儲器其它CPU只能成為專用控制部件主CPU與其它CPU做成主從結構結構簡單，容易實現但數控功能實現與處理速度有突出矛盾1）CPU（是CNC裝置的核心）組成：運算器和控制器作用：信息處理，即獲取信息、處理信息、發出命令類型：8位、16位、32位選擇依據：實時控制、指令系統、數據寬度、尋址能力、運算速度、存儲容量、軟件配置、價格2、組成

微處理器和總線、存儲器、紙帶閱讀機接口、紙帶穿孔機和電傳機接口、I/O接口、MDI/CRT接口、位置控制器、PLC任務：數值運算、零件程序輸入/輸出、定時、中斷管理2）總線定義：一組信號線的集合，是CPU與存儲器、外圍電路連接的信息公共傳輸線類型：數據總線（雙向）：傳信息地址總線（單向）：確定與之通信的外部硬件控制總線：確定數據總線信息流時間序列常用總線：STDbus、Multibus、S-100bus、PCI、ISA選擇依據：適合利用基本模塊構成單機系統或多機系統；適合系統的升級；經濟性、可行性

3）存儲器作用：放程序、數據、參數類型：ROM（EPROM、FLASHEPROM）：放系統程序

RAM：放中間變量、標志、需顯示數據

CMOSRAM：參數（機床、系統、PLC）、零件程序

FLASHRAM：后備用4）輸入/輸出接口輸入信號：MT→CNC的開關信號、代碼信號輸出信號：CNC→MT的開關信號、代碼信號作用：電器隔離作用：光電耦合器繼電器

電平轉換和功率放大：CNC側一般用TTL電平5）內裝型PLC特點：有獨立的CPU或與CNC共用一個CPU；硬件與CNC制一線路板或單獨制附加扳；內裝型PLC不配I/O口，借助CNC的I/O口。6）伺服輸出和位置反饋接口

該硬件＋CPU＝CNC位置控制硬件可控制各進給坐標軸的速度、加速度以及位置量x、y、z3個位置控制口伺服輸出接口：把CPU運算的控制策略→伺服驅動系統輸出寄存器D/A位置反饋接口：鑒相（判正、反相）倍頻電路（由數字電路完成）計數電路7）主軸控制接口作用：控制主軸轉速使能信號模擬信號±10V定向控制主軸伺服（角度、轉速、帶反饋）（轉速）編碼器9）外設接口零件程序、機床參數輸入輸出上位機通訊RS232C、RS422C、DNC等8）面板、顯示接口作用：控制MDI面板、操作面板、數碼顯示、CRT顯示3、CNC、內裝型PLC及機床間信息交換

1）CNC與PLC的信息交換

CNC的CPU訪問PLC的RAM：A、CNC發出HOLD信號B、PLC發出HOLDA信號響應，同時懸浮局部總線C、CNC的CPU對RAM讀寫D、釋放PLC的CPUE、HOLD、HOLDA低電平，重新驅動局部總線2）CNC裝置和機床（MT）的輸入輸出信號處理過程

Ⅰ、輸入MT→CNCⅡ、輸出CNC→MTa、CNC程序的輸出數據→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、執行PLC用戶程序d、PLCRAM→CNCRAMe、送CNC的輸出接口a、CNC接口→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、PLC用戶程序處理

d、PLCRAM→CNCRAMe、CNC軟件讀取RAM中的數據三、多微處理器計算機數字控制

1、硬件連接方式1）兩個或以上CPU構成處理部件處理部件間采用緊耦合，有集中操作系統，共享資源2）兩個或以上CPU構成功能模塊模塊間采用松偶合，有多操作系統處理2、結構特點

性能價格比高

采用模塊化結構

有很高的可靠性

3、CNC裝置基本模塊（硬件模塊）CNC管理模塊：初始化、中斷、診斷、出錯識別

CNC插補模塊：零件程序譯碼、補償等處理位置控制模塊：位置采樣、回零、漂移補償等

PLC模塊操作面板監控和顯示模塊存儲器模塊4、典型結構（通信方式）共享總線共享存儲器1）共享總線（以系統總線為中心）總線作用：連接各模塊，交換數據，控制信息a、主模塊：帶CPU或DMA器件從模塊：不帶CPU或DMA器件的各RAM/ROM或I/Ob、主模塊控制總線，共享標準總線c、優先級仲裁電路串行：按連接位置決定d、優/缺點系統配置靈活，結構簡單，無源總線造價低有競爭總線并行：配專用邏輯電路，用優先權編碼以下為共享總線結構以下是串行總線仲裁電路以下是并行總線仲裁電路2）共享存儲器（各模塊與存儲器相連）a、多端口存儲器b、由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突如下圖所示雙端口存儲器結構以下為雙端口共享存儲器結構介紹系統的軟、硬件界面，軟件的組成和結構

§2.3CNC系統軟件結構及控制一、CNC系統的軟硬件界面

CNC系統硬件：速度快，價格高軟件：設計靈活，適應性強，速度慢

從邏輯上講硬件軟件

由性能價格比決定軟、硬件分配比例不同年代、不同產品中使用以下三種界面：以下是三種軟、硬件劃分界面二、CNC系統的軟件結構及控制

1、多任務并行處理

1）CNC裝置的多任務性

組成：管理、控制工作過程：管理、控制同時進行。2）并行處理的概念概念：指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上的工作

目的：提高處理速度實現：硬件：并行處理提高系統性能；多CPU提高系統速度軟件：資源重疊流水處理技術。多任務并行處理圖３）資源重疊流水處理關鍵：同一時間間隔內不是處理一個子過程，而是處理2個或更多子過程。比較流水處理和順序處理的區別：例：CNC裝置在NC工作方式時數據轉換：零件程序輸入t1，插補預處理t2，插補t3，位置控制t4一程序段數據轉換時間：T=t1十t2十t3十t4兩者的工作過程如下圖所示：現象：電機時轉時停刀具時走時停T4后保證電機轉動連續刀具移動連續時間間隔相等，每段需時間△t=max(t1，t2，t3，t4)時間間隔可以各不相同適用于采用集中控制的單微處理器ＣＮＣ系統前臺程序：中斷服務程序，實時功能（插補、位控、輔助功能處理、面板掃描等）后臺程序：循環運行程序，完成準備工作和管理工作（管理軟件、輸入、譯碼、插補準備等）2、前后臺型軟件結構３、中斷型軟件結構系統中斷結構決定系統軟件結構1）CNC系統中斷類型A、外部中斷：閱讀機、外部監控信號（緊急停、量儀到位）、面板B、內部中斷插補周期定時中斷（后）、位置采樣周期中斷（先）C、硬件故障中斷定時器出錯、存儲器出錯、插補運算超時

D、程序型中斷：報警、溢出、除零２）中斷型結構除初始化程序，各任務模塊安排在不同級別的中斷程序中。整個軟件是一個大中斷系統

§2.4數控用可編程控制器與數控系統常用外設及接口一、數控用可編程控制器1、數控機床中的PLC數控機床控制：運動軌跡的準確控制：位置與尺寸控制，數字控制開關量控制(邏緝控制,順序控制)

數控用PLC：處理開關量、與NC通信類型：內裝型、獨立型2、內裝型PLCA、從屬于CNC裝置，實際上是CNC裝置帶有PLC功能PLC與MT的I/O信息傳遞借助于CNC裝置的I/O口

PLC與NC信號傳遞在CNC裝置內部實現采用PLC，擴大了CNC內部直接處理的窗口通信功能，可以使用梯形圖編輯和傳送高級控制功能與RLC相比，具有響應速度快、控制精度高等特點B、特點結構緊湊，有柔性，省下PLC與NC連接下圖為內裝型PLC與數控裝置的關系一般：主軸、刀架、輔助設備、電氣控制、操作面板通過PLC進入NC

回參考點、手輪信號、CRT/MDI直接接NC3、獨立型PLCA、獨立于CNC裝置，具有完備的軟、硬件，獨立工作B、特點：模塊化，易于擴展；I/O點數增減方便；可適用于不同機床。下圖為一獨立型PLC與數控裝置的關系4、PLC常見名稱MPC(MicrocomputerProgrammableController)PIC(ProgrammableInterfaceController)PLC(ProgrammableLogicController)PMC(ProgrammableMachineController)PSC(ProgrammableSequenceController)

二、數控系統常用外設及接口1、CNC裝置的輸入輸出和通信要求

用戶能將數控命令、代碼輸入系統能按程序