第三章計算機數控裝置

■概述

■CNC裝置的硬件結構

■CNC裝置的軟件結構

■CNC裝置的插補原理

■數控系統的速度控制

■刀具半徑補償原理

3.1概述

■一、CNC機床組成部分

二、CNC裝置的組成

三、CNC裝置的工作過程

分匕

、CNC裝置的功目匕

■五、CNC裝置的軟件和硬件的功能界面

■、CNC機床組成部分

CNC機床的核心是完成數字信息運算、處理和控制的計算機，即

數控制裝置。

二、CNC裝置的組成

從自動控制的角度來看，CNC裝置是一種位

置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統，

其本質上是以多執行部件（各運動軸）的位移量

速度為控制對象并使其協調運動的自動控制系

統，是一種配有專用操作系統的計算機控制系

從外部特征來看，CNC裝置是由硬件（通用

硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組

成的。

（一）CNC裝置的一般硬件結構

■CNC系統的一般硬件結構：

—計算機基本系統

'?顯示設備，計算機系統，輸入/輸出設備等。、

-設備支持層

?人機控制，運動控制，PMC,其他I/O

-設備層▼

?機床，機烹。測量機

■CNC裝置的硬件結構：

-CPU,存儲器，總線、外設等

-是CNC裝置的物質基礎

（二）CNC裝置軟件的功能性結構

-實質：具有實時性和多任務性的專用操作系

統

-組成：管理軟件、控制軟件

CNC軟件系統功能框圖

操作系統

管理軟件控制軟件

輸

軍

故

入

件

人

顯

障

輸

程

機

示

診

出

交

序

處

斷

互

管

理

管

處

理

理

理

圖3-2CNC軟件系統功能框圖

（三）CNC硬件軟件的作用和相互關系

■CNC裝置的系統平臺（圖）

-軟件在硬件的支持下，合理組織管理整個系

統的各項工作，實現各種數控功能。

-該平臺提供CNC裝置基本配置的必備功能;

-在該平臺上可以根據用戶的要求進行功能設

計和開發。

CNC裝置的組成和工作原理

三、CNC裝置的工作過程

■通過各種輸入方式，接受機床加工零件

的各種數據信息，經過CNC裝置譯碼,

再進行計算機的處理、運算，然后將各

個坐標軸的分量送到各控制軸的驅動電

路，經過轉換、放大去驅動伺服電動機,

帶動各軸運動。并進行實時位置反饋控

制，使各個坐標軸能精確地走到所要求

的位置。

簡要工作過程：

■數控程序的輸入、存儲

■譯碼

■數據處理

-刀具補償、速度計算、逼近、插補、輔助信息處理

■位置控制

-在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位

置相比較，用其差值去控制進給伺服電機。

■I/O處理

■顯示

-零件程序、參數、刀具位置、機床狀態等

■診斷

-檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態

CNC裝置的優點

■靈活性和通用性

-功能的修改和擴充、實用性方面

■功能豐富

-插補功能（二次曲線、樣條、空間曲面）

-補償功能（運動精度、隨機、非線性）

■可靠性高

■使用維護方便

■易于實現機電一體化

■基本功能

-控制功能、準備功能、插補功能和固定循環

功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀

具管理功能、補償功能、人機對話功能、自

診斷功能、通信功能

■選擇功能

3.2CNC裝置的硬件結構

■CNC裝置硬件結構類型

■單機或主從結構模塊的功能介紹

■多主結構的CNC裝置硬件簡介

CNC裝置硬件結構類型

■按印刷線路板的結構■按開放程度分

分-封閉式結構

-All-In-One式結構-PC插入NC結構

-多功能模塊式結構

-NC插入PC結構

■按微處理器的個數分-基于軟件的開放式

-單處理器式

-多處理器式

■按制造方式分

-通用PC機結構

-特殊用途結構

CNC裝置的硬件構成

總線

單微處理器硬件結構圖

單機（CPU）系統

■單CPU系統

-集中控制和管理系統資源

_分時處理K

-優點：投資小，結構簡單，易于實現

-缺點：系統功能受CPU字長、數控寬度、尋

址能力和運算速度限制

多機（CPU）系統

■多機系統結構

—主從結構

-多主結構

-分布式結構

-多通道結構

主從結構

多主結構

■描述:

Figure4.9Bus-basedmulti-CPUarchitectureofFANUC-15/CNC

分布式結構

Figure4.7Distributedmuiti-CPUsystem

單CPU或主從結構的功能介紹

■模塊化設計

-含義：將控制系統按功能劃分成若干種具有

獨立功能的單元模塊。每個模塊配上相應的

驅動程序，按功能的要求選擇不同的功能模

塊，并將其插入控制單元母板上，組成一個

完整的控制系統。

-條件：總線標準化

■CNC裝置設計:

-歸結為功能模塊的合理選用

單CPU或主從結構的CNC裝置硬件結構

圖3-5單機或主從結構的CNC裝置硬件結構

單CPU或主從結構的CNC裝置硬件結構

■1>計算機主板和系統總線（無源母板）

■2、顯示模塊（顯示卡）

■3、輸入/輸出模塊（多功能卡）

電子盤（存儲模塊）、

■4、

■5、設備輔助控制接口模塊

■6、位置控制模塊

計算機主板和系統總線

系統總線（母板）

FDDFixedHolefor

Interface"PiggybackModule

265

Bi一dircetional

:214

PrinterPort

4Fixed

142.5

HoleforSBC:9?Ti

Power二］20.5

BuzzerConnector

Upto16MBCOMI

DRAMRS-232

80486CPU

RS-422/485

Keyboard

Connector

1.44MB

PiggybackModule

Flash/ROMDisk

Connector"

ROMBIOS

圖3-6計算機主板外觀圖3-7無源母板（總線）外觀

電子盤（存儲模塊）

■存放內容：

-系統軟件，系統固有數據，系統配置參數,

零件程序

■非易失性讀寫存儲單元

■抗電磁干擾能力較磁性存儲器強

設備輔助控制接口模塊

■作用：

-信號轉換：電平轉換，數模轉換，數字脈沖

轉換，功率匹配

-阻斷干擾

位置控制模塊

■作用：

-連接CNC裝置與伺服系統

-轉換過程：

?將人乂、Ay、Az等，經調節運算輸出速度控制指令

?D/A轉換，輸出速度指令電壓給速度控制單元

?閉環與半閉環控制時，回收實際位置信號和實際

速度信號，以供位置和速度閉環控制運算使用。

共享總線結構

■描述：

-以系統總線為中心。

-所有主從模塊都插在嚴格定義的標準系統總線上。

-任一時刻只能允許一個主模塊占用總線，由總線仲

裁電路來裁定競爭問題。

-結構簡單、系統組配靈活、成本相對較低、可靠性

-總線是系統的“瓶頸”，一旦總線出現故障，將使

整個系統受影響。總線使用需經仲裁，信息傳輸率

降低。

共享存儲器結構

■描述：

-公共存儲器，采用多端口來實現各主模塊之

間的互連和通信

-同一時刻只能允許一個主模塊對多端口存儲

器進行訪問（讀/寫），由多端口控制邏輯

解決訪問沖突問題。

-一般采用雙端口存儲器。

3.3CNC裝置軟件結構

■3.3.1CNC裝置軟件和硬件的功能界面

■332CNC裝置的數據轉換流程

■333CNC裝置的軟件系統特點

■3.3.4CNC裝置的軟件結構模式

■3.3.5華中I型數控系統軟件結構舉例

3.3.1CNC裝置軟件和硬件的功能界面

I

n

p

u

i

SoftwareHardwareDetector

SoftwareHardware

SoftwareHardware

SoftwareHardware

Figure4.3Functionalinterface

3.3.2CNC裝置的數據轉換流程

刀補緩沖區

刀

補

處

理

-J

譯碼緩沖區插補緩沖區

圖3-17CNC裝置數據轉換流程

1、譯碼（解釋）

■功能：

-把用ASCH碼編寫的零件加工程序，以程序

段為單位翻譯成數控系統要求的數據格式；

-存放到譯碼緩沖區中，準備為后續程序使用。

-為保證機床的連續加工，譯碼需超前。

-緩沖區填滿，譯碼程序進入休眠，當緩沖區

有若干置空，系統再次激活譯碼程序，按此

方式重復進行，直到整個加工程序解釋完畢。

2、刀補處理（計算刀具中心軌跡）

■功能：

-將零件輪廓變換成刀具中心軌跡

■工作：

—計算零件輪廓終點坐標值（G90/G91）

-計算本段刀補后刀具中心軌跡終點坐標值

-進行段間連續處理

3、速度預處理（插補預處理）

■功能：

—根據加工程序給定F,計算每個插補周期內

的合成移動量，供插補程序使用。

■計算步驟：

-計算本段總位移量

-計算每個插補周期內的合成進給量△L

4、插補計算

■插補程序以系統規定的插補周期定時運

行

■功能：

-根據“進給修調”設定值，計算本次插補周

期的實際合成位移量△Lp

-將4Li按插補的線型和本插補點所在位置分

解到各個進給軸△Xj,,Ay：....

5、位置控制處理

3.3.3CNC裝置的軟件系統特點

■一、多任務性與并行處理技術

■二、實時性和優先搶占調度機制

一、多任務性與并行處理技術

■CNC裝置需要多任務并行處理

-管理任務：資源管理，子任務調度

-控制任務：譯碼、刀具補償、速度預處理、插補運

算、位置控制

■基于并行處理的多任務調度技術

-并行處理：軟件系統在同一時刻或同一時間間隔內

完成兩個或兩個以上任務處理的方法。以提高CNC

裝置資源的利用率和系統的處理速度。

-資源分時共享（單CPU）,并發處理和流水處理

（多CPU）

1、資源分時共享

■方法：

-在一定的時間長度（時間片）內，根據各任

務的實時性要求程度，規定其占用CPU的時

間，使它們按規定順序和規則分時共享系統

資源。

■需解決：

-任務優先級分配問題

-時間片分配問題

-規則：循環調度、優先搶占調度相結合

史

坦展

料京

貨仁

裳和

*

O就

-

M后

O全

S

『隙

冷

出

e

*

*

G，

)

f

ffi

2、并發處理和流水處理

■并發處理：

-任務間關聯程度不高

-每項任務分別安排一個CPU,讓其同時執行

■流水處理：

-任務間關聯程度較高，一個任務的輸出是另

一任務的/命入

-利用重復的資源（CPU）,將一個大任務分

成若干個彼此關聯的子任務

-按一定順序安排每個資源執行一個子任務

2、并發處理和流水處理

(a)順序處理(b)并行處理

圖3-20流水處理示意圖

流水處理：以資源重復的代價換得時間上的重疊

二、實時性和優先搶占調度機制

■實時性：

-指某任務的執行有嚴格的時間要求，即必須

在系統的規定時間內完成，否則將導致執行

結果錯誤和系統故障。

■實時性任務的分類

-實時突發性任務

-實時周期性任

-弱實時性任務

優先搶占調度機制

■功能：

-優先調度：優先級高的任務優先得以滿足；

-搶占方式：優先級高的任務可搶占優先級低的任務

占用的資源。Ik

■實現：

-硬件和軟件共同實現

-硬件提供支持中斷功能的芯片和電路

-軟件完成對硬件芯片的初始化、任務優先級定義方

式、任務切換處理（斷點的保護與恢復、中斷向量

的保存與恢復等）

■同時還采用時間片輪換調度和非搶占優先調度

3.3.4CNC裝置的軟件結構模式

■一、前后臺型結構模式

■二、中斷型結構模式

■三、基于實時操作系統的結構模式

飛前后臺型結構模式

八中斷型結構模式

初始化

中斷管理系統（硬件+軟件）

。12

“

級

級

級

級

中

中

中

中

斷

斷

斷

斷

服

服

眼

服

務

務

務

務

程

程

程

程

序

序

序

序

圖3-22中斷型軟件系統結構圖

3.4CNC裝置的插補原理

■定義：

—插補：根據給定進給速度和給定輪廓線的要

求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點。

利用少量的輸入數據，精確的獲得編程軌跡。

-插補算法：插補的具體實現算法。

插補算法評價指標

■穩定性

—插補運算過程中，舍入誤差和計算誤差不隨

迭代次數的增加而累積。

■精度

-逼進誤差、計算誤差、圓整誤差

■合成速度均勻性

-實際速度與給定的進給速度的符合程度

■簡單，便于編程

數字增量插補

■特點：

-按插補周期進行插補，每個周期根據進給速

度計算出各坐標軸在下一周期內的位移增量

（數字量）Bk

-用直線段（內接弦線，內外均差弦線，切線）

來逼進曲線（包括直線）

-插補運算速度與進給速度無嚴格關系

-實現算法復雜

脈沖增量插補—逐點比較法

■每走一步控制系統都

要將加工點與給定的

圖形軌跡相比較，以

決定下一步進給的方

向，使之逼近加工軌

跡。

■以折線逼近直線與圓■根據偏垂控制進給軸

弧，最大偏差不超過進給，逼近給定輪廓，

一個最小設定單位。縮小偏差。

逐點比較法直線插補原理

)1

力（vj

0

逐點比較法直線插補

■不同象限的直線插補計算

逐點比較法直線插補

例：加工OA直線，A(5,3),終點計

數值J=Xe+y0=5+3=8,加工過程的運算節

拍如下：

逐點比較法直線插補

NO位置判別坐標進給偏差計算終點判別

1F（）o=O+AxFio=F0o-ye=O-3=-3J=8-l=7

F]0=-3vOF=F+==

2+Aynioxe=-3+5=2J7-l6

3F]]=2>0+AxF2i=Fi「ye=2-3=-lJ=6-l=5

4F21=-I<0F=F+J=5-l=4

+Ay2221Xe=-l+5=4

F32=F22-y=4-3=l

5F22=4>0+AxeJ=4-l=3

==

6F32=I>0+AxF42=F3