第2章-计算机数控系统ppt课件.ppt

第二章第二章 计算机数控系统计算机数控系统认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程2.1计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构2.3CNC系统的软件结构系统的软件结构2.4数控系统的插补原理数控系统的插补原理2.5辅助功能与辅助功能与PLC2.62.1 认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程数控车床的计算机数控系统数控车床的计算机数控系统 FANUC0i-B数控系统数控系统2.1 认识计算机数控系统的工作过程认识计算机数控系统的工作过程加工中心的计算机数控系统加工中心的计算机数控系统 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.1 计算机数控系统的组成计算机数控系统的组成 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 CNC对零件程序的处理流程图对零件程序的处理流程图 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （1）零件程序的输入）零件程序的输入 输入方式：光电阅读机输入、磁盘输入、手动键盘输入输入方式：光电阅读机输入、磁盘输入、手动键盘输入（即（即MDI输入方式）、上级计算机的输入方式）、上级计算机的DNC接口输入接口输入 。任务任务1：输入：输入任务任务2：读出：读出输入设备主要有输入设备主要有2个任务个任务 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （2）译码）译码将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。译码主要包括译码主要包括代码识别代码识别和和功能解释功能解释2大部分。大部分。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误系统立即报警。误系统立即报警。v 译码处理方式有：译码处理方式有：1）编译方式：在加工前一次性将整个程序翻译完，并在译）编译方式：在加工前一次性将整个程序翻译完，并在译码过程中对程序进行语法检查，若有语法错误则报警；码过程中对程序进行语法检查，若有语法错误则报警；2）解释方式：在加工过程中进行译码，即计算机在进行加）解释方式：在加工过程中进行译码，即计算机在进行加工控制时，利用空闲时间来对后面的程序段进行译码工控制时，利用空闲时间来对后面的程序段进行译码2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （3）刀具补偿）刀具补偿1）刀具半径补偿）刀具半径补偿v CNC装置根据零件轮廓信息和刀具半径值自动计算出刀具装置根据零件轮廓信息和刀具半径值自动计算出刀具中心的运动轨迹，使其自动偏离零件轮廓一个刀具半径值，中心的运动轨迹，使其自动偏离零件轮廓一个刀具半径值，这种自动偏移计算就称为刀具半径补偿。这种自动偏移计算就称为刀具半径补偿。零件轮廓和刀具中心轨迹零件轮廓和刀具中心轨迹 准备功能准备功能G代码中代码中的的G40用于取消刀用于取消刀补，补，G41和和G42用用于建立刀补。于建立刀补。2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能建立刀具补偿建立刀具补偿 沿着刀具前进方向沿着刀具前进方向看，看，G41是刀具位是刀具位于被加工工件轮廓于被加工工件轮廓左侧，称为左侧，称为刀具半刀具半径左补偿径左补偿；G42是是刀具位于被加工工刀具位于被加工工件轮廓右侧，称为件轮廓右侧，称为刀具半径右补偿刀具半径右补偿。2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2）刀具长度补偿）刀具长度补偿在数控立式铣床加工中心在数控立式铣床加工中心上，当刀具磨损或更换刀上，当刀具磨损或更换刀具使具使Z Z向刀尖不在原初始向刀尖不在原初始加工的编程位置时，必须加工的编程位置时，必须在在Z Z向进给中，通过伸长向进给中，通过伸长或缩短或缩短1 1个偏置值个偏置值f f的办法的办法来补偿其来补偿其尺寸的变化，以尺寸的变化，以保证加工深度仍然能够达保证加工深度仍然能够达到原设计位置。到原设计位置。 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能刀具长度补偿刀具长度补偿刀具长度补偿由准备功能刀具长度补偿由准备功能G43G43、G44G44、G49G49以及以及H H代码指定，代码指定，用用G43G43、G44G44指令指定偏置方向。其中指令指定偏置方向。其中G43G43为正向偏置，为正向偏置，G44G44为为负向偏置，负向偏置，G49G49为补偿撤消，为补偿撤消，H H代码指令指示偏置存储器中存代码指令指示偏置存储器中存储偏置量的地址。储偏置量的地址。 G43 G43指令都是将指令都是将H H代码指定的已存入偏置存储器中的偏置代码指定的已存入偏置存储器中的偏置值加到主轴运动指令终点坐标值上去，而值加到主轴运动指令终点坐标值上去，而G44G44则相反，它是从则相反，它是从主轴运动指令终点坐标值中减去偏置值。主轴运动指令终点坐标值中减去偏置值。在在H H后跟两位数指定偏置号，在每个偏置号所对应的偏置后跟两位数指定偏置号，在每个偏置号所对应的偏置存储区中，通过键盘预先设置相应刀具的长度补偿值。对应存储区中，通过键盘预先设置相应刀具的长度补偿值。对应偏置号偏置号0000即即H00H00的偏置值通常不设置，取为的偏置值通常不设置，取为0 0，这就相，这就相当于刀当于刀具长度补偿撤消指令具长度补偿撤消指令G49。 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能在右图中，所画刀具实线为刀具实际位在右图中，所画刀具实线为刀具实际位置，虚线为刀具编程位置，则刀具长度补偿控置，虚线为刀具编程位置，则刀具长度补偿控制程序如下：制程序如下： 设定设定H01=-4.0(H01=-4.0(偏置值偏置值) ) N10 N10G91G91G00G00G43G43Z Z32.032.0H01H01； 实际实际Z Z向将进给向将进给32.0+32.0+（4.04.0）= =36.036.0 N20 N20G01G01Z Z21.021.0F500F500； Z Z向将从向将从36.036.0位置进给到位置进给到57.057.0位置位置 N30G00G49Z53.0； Z向将退回到向将退回到53.0+4.0位置，即返回初始位置位置，即返回初始位置 2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （4）进给速度处理）进给速度处理 首先根据合成速度计算各坐标方向上的分速度，速度控制首先根据合成速度计算各坐标方向上的分速度，速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。定的进给速度。（5）插补）插补 在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和中点之间，按一定在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和中点之间，按一定的算法分成足够微小的线段，完成程序小线段到终点的的算法分成足够微小的线段，完成程序小线段到终点的“数据点的密化数据点的密化”工作。工作。2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （6）位置控制）位置控制 在每个采样周期，将计算出的理论位置与实际反馈位置在每个采样周期，将计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用差值去控制进给电机。进行比较，用差值去控制进给电机。（7）I/O处理处理 强电信号输入输出和计算机一侧弱电信号进行交换与处强电信号输入输出和计算机一侧弱电信号进行交换与处理，控制如换刀、冷却等应答动作。理，控制如换刀、冷却等应答动作。2.2 计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2 计算机数控系统的工作过程计算机数控系统的工作过程 （8）显示）显示 显示零件加工程序、参数、机床状态、刀具位置、报警信显示零件加工程序、参数、机床状态、刀具位置、报警信息等息等（9）诊断）诊断 在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。 2.2计算机数控系统的基本组成及其功能计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.3CNC系统系统的功能的功能控制功能控制功能准备功能准备功能 插补功能插补功能 主轴功能主轴功能 进给功能进给功能 辅助功能辅助功能 刀具功能刀具功能 字符显示功能字符显示功能 自诊断功能自诊断功能 补偿功能补偿功能 固定循环功能固定循环功能 图形显示功能图形显示功能 通信功能通信功能 人机对话编程功能人机对话编程功能 基本功能基本功能选择功能选择功能2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能 1、基本功能、基本功能（1）控制功能）控制功能 指指CNC系统能控制以及能同时联动的进给轴数。系统能控制以及能同时联动的进给轴数。 移动轴和回转轴：移动轴和回转轴：X，Y，Z；A，B，C 基本轴和附加轴：基本轴和附加轴：U，V，W1）二轴联动）二轴联动主要用于数控车床加工旋主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工转曲面或数控铣床加工曲线柱面。曲线柱面。2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （1）控制功能）控制功能2）二轴半联动）二轴半联动主要用于三轴以上机床的主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可联动，而另外一根轴可以作周期胜进给以作周期胜进给 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （1）控制功能）控制功能3）三轴联动）三轴联动v 一般分为两类，一类就是一般分为两类，一类就是X 、Y 、 Z 三个直线坐三个直线坐标轴联动，比较多的用于标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，数控铣床、加工中心等，球头铣刀铣切三维空间曲面球头铣刀铣切三维空间曲面2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能（1）控制功能）控制功能3）三轴联动）三轴联动 另一类是除了同时控制另一类是除了同时控制 X 、 Y 、 Z 中两个直线坐标外，中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵如车削加工中心，它除了纵向（向（Z轴）、横向（轴）、横向（X轴）两轴）两个直线坐标轴联动外，还需个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴旋转的主轴（轴（C轴）联动。轴）联动。车削中心车削中心C轴功能示意图轴功能示意图(a)C轴定向时，在圆柱面或端面上铣槽轴定向时，在圆柱面或端面上铣槽;(b)C轴、轴、Z轴进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽；轴进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽； (c)C轴、轴、X轴进给插补，在端面上铣螺旋槽轴进给插补，在端面上铣螺旋槽;(d)C轴、轴、X轴进给插补，铣直线和平面轴进给插补，铣直线和平面 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能（1）控制功能）控制功能4）四轴联动）四轴联动 同时控制同时控制 X 、 Y 、 Z 三个三个直线坐标轴与某一旋转坐标直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，右图所示为同时控轴联动，右图所示为同时控制制 x 、 Y 、 Z 三个直线坐三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。动的数控机床。 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （1）控制功能）控制功能5）五轴联动）五轴联动 除同时控制除同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴联动外，三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这这些直还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的线坐标轴旋转的 A 、 B 、 C 坐标轴中的两个坐标轴，坐标轴中的两个坐标轴，这时刀具可以被定在空间这时刀具可以被定在空间的任意方向。的任意方向。 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （2）准备功能）准备功能 也称为也称为G功能，功能，指定机床动作指定机床动作方式方式 。2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （3）插补功能）插补功能一般有直线和圆弧插补功能，高档数控系统有抛物线插补、一般有直线和圆弧插补功能，高档数控系统有抛物线插补、螺旋线插补等。螺旋线插补等。 一般数控系统加工一般数控系统加工二次曲线等，零件二次曲线等，零件轮廓节点图。轮廓节点图。 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （4）主轴功能）主轴功能指数控系统控制主轴转速的功能，一般由指数控系统控制主轴转速的功能，一般由S和数值组成。和数值组成。（5）进给功能）进给功能 F和其后数字指定，包括切削进给速度、同步进给速度、进和其后数字指定，包括切削进给速度、同步进给速度、进给倍率。给倍率。 （6）辅助功能）辅助功能指定主轴的起停和转向，冷却液接通与断开等，用指定主轴的起停和转向，冷却液接通与断开等，用M指令指定。指令指定。 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能1、基本功能、基本功能 （7）刀具功能）刀具功能 选择刀具，实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。选择刀具，实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。 （8）字符显示功能）字符显示功能（9）自诊断功能）自诊断功能 2.2.3 CNC数控系统的功能数控系统的功能2、选择功能、选择功能 （1）补偿功能）补偿功能（2）固定循环功能）固定循环功能 CNC系统为典型的加工工序编写固定循环加工指令的功系统为典型的加工工序编写固定循环加工指令的功能，可以简化编程。能，可以简化编程。（3）图形显示功能）图形显示功能（4）通信功能）通信功能（5）人机对话编程功能）人机对话编程功能2.3 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 v 硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能。功能。v 按电路板的插接方式可分为按电路板的插接方式可分为大板式结构大板式结构和和功能模块式结构功能模块式结构；v 按微处理器的个数可分为按微处理器的个数可分为单微处理器结构单微处理器结构和和多微处理器结构多微处理器结构；v 按按CNC装置的开放程度可分为装置的开放程度可分为封闭式结构封闭式结构、PC嵌入嵌入NC式结式结构构、NC嵌入嵌入PC式结构式结构和和软件型开放式结构软件型开放式结构。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 1单微处理器结构单微处理器结构 指在指在CNC装置中只有装置中只有1个微处理器（个微处理器（CPU），工作），工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存储、插补运算、输入输出控制、储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等。显示等。 初期的初期的 CNC 系统和现有一些经济型系统和现有一些经济型 CNC 系统采用系统采用单微处理机结构。多微处理机结构可满足数控机床高进给单微处理机结构。多微处理机结构可满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入 FMS 和和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平反映了当今数控系统的新水平.2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 1单微处理器结构单微处理器结构 单微处理器结构框图单微处理器结构框图 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构v 结构特点结构特点结构简单，容易实现。结构简单，容易实现。 其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等因素的限制。因素的限制。2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 CNC装置中有装置中有2个或个或2个以上微处理器。个以上微处理器。 一般采用一般采用2种结构形式种结构形式: 紧耦合结构紧耦合结构：由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取：由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。 松耦合结构松耦合结构：由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取：由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 特点特点 1）性能价格比高。）性能价格比高。 2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。 3）可靠性高。）可靠性高。 4）硬件易于组织规模生产。）硬件易于组织规模生产。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 2多微处理器结构多微处理器结构 （1）多微处理器）多微处理器CNC装置的功能模块装置的功能模块 CNC管理模块。管理模块。 CNC插补模块。插补模块。 PLC模块。模块。 位置控制模块。位置控制模块。 存储器模块。存储器模块。 操作面板监控和显示模块。操作面板监控和显示模块。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 （2）多微处理器）多微处理器CNC装置的装置的2种典型结构种典型结构 共享总线结构共享总线结构 以系统总线为中心，把各种功能模块划分为带有以系统总线为中心，把各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带的各种主模块和不带CPU的各种从模块。的各种从模块。 系统总线作用是有效地连接各个模块，并按照要求系统总线作用是有效地连接各个模块，并按照要求交换各种数据和控制信息，从而构成一个完整的系统。交换各种数据和控制信息，从而构成一个完整的系统。在系统中只有在系统中只有主模块主模块有权控制并使用系统总线。有权控制并使用系统总线。2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 共享总线结构共享总线结构 按照按照CPU之间相互关系的不同，可分为：之间相互关系的不同，可分为： （a）分布式总线结构）分布式总线结构 各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起。各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起。 （b）主从式总线结构）主从式总线结构 只有一个主只有一个主CPU，对整个装置的资源有控制权和使用权；而，对整个装置的资源有控制权和使用权；而其他带有其他带有CPU的功能部件则只能接受主的功能部件则只能接受主CPU的控制命令或数的控制命令或数据，或发出请求信息以获得所需的数据。据，或发出请求信息以获得所需的数据。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 总线裁决通常有两种：总线裁决通常有两种： 串行方式串行方式；按连接顺序决定优先级的高低。；按连接顺序决定优先级的高低。 并行方式并行方式：判别主模块优先级的高低需配置一个专用逻辑：判别主模块优先级的高低需配置一个专用逻辑电路，一般采用优先权编码方案。电路，一般采用优先权编码方案。 共享总线结构共享总线结构 （c）多主结构）多主结构 有两个或两个以上带有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控的功能部件对装置资源有控制权和使用权。通过总线仲裁器解决争用总线的问题，制权和使用权。通过总线仲裁器解决争用总线的问题，通过公共存储器交换装置内的信息。通过公共存储器交换装置内的信息。FANUC15系统的共享总线结构系统的共享总线结构 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 共享总线结构共享总线结构 支持共享总线结构有：支持共享总线结构有：STD总线（支持总线（支持8位和位和16位字长）、位字长）、MULTIBUS总线（总线（：8位；位；：16位）、位）、S-100总线（总线（16位）、位）、VERSA总线（总线（32位）以及位）以及VME总线（总线（32位）等。位）等。 共享总线结构优点：共享总线结构优点： 系统配置灵活、结构简单、容易实现、造价低、可靠性高。系统配置灵活、结构简单、容易实现、造价低、可靠性高。2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构 共享存储器结构共享存储器结构 采用多端口存储器来采用多端口存储器来实现实现CPU之间的互连和之间的互连和通信，每个端口都配有一通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，套数据、地址、控制线，以供端口访问，由专门的以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。访问的冲突。 2.3.1 单微处理器与多微处理结构单微处理器与多微处理结构FAGOR8025系统共享存储器多系统共享存储器多CPU系统系统 2.3.2 CNC结构结构 1、大板式结构、大板式结构 CNC装置可由主电装置可由主电路板、位置控制板、路板、位置控制板、PLC板、图形控制板板、图形控制板和电源单元等组成，和电源单元等组成，插在大印刷电路板上插在大印刷电路板上的插槽内而共同构成的插槽内而共同构成CNC装置。装置。大板式结构示意图大板式结构示意图 FANUC 6MB结构示意图结构示意图 2.3.2 CNC结构结构 2、模块式结构、模块式结构 将整个将整个CNC装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，用户只需按需要选用各种控制的设计都采用模块化设计方法，用户只需按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的的槽内，就搭成了自己需要的CNC系统控制装置。系统控制装置。 特点：可以积木式组成特点：可以积木式组成CNC，设计简单、有良好的适应性和扩，设计简单、有良好的适应性和扩展性，试制周期短、调整维护方便、效率较高。展性，试制周期短、调整维护方便、效率较高。功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图 2.3.3 个人计算机式结构个人计算机式结构 以工业以工业PC机作机作为为CNC装置的支撑装置的支撑平台，再由各数控平台，再由各数控机床制造厂根据数机床制造厂根据数控的需要，插入控控的需要，插入控制卡和数控软件，制卡和数控软件，来构成相应的来构成相应的CNC装置的。装置的。 以工业以工业PC机为技术平台的数控系统框图机为技术平台的数控系统框图 2.3.4 NC嵌入嵌入PC式结构式结构 由开放体系结构运动控制卡和工业控制机（由开放体系结构运动控制卡和工业控制机（IPC）构成。）构成。 运动控制卡通运动控制卡通常选用高速常选用高速DSP作为作为CPU，具有很强的运动，具有很强的运动控制和控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。如美国如美国DeltaTau公司用公司用PMAC多轴运动控制卡，主要完成机多轴运动控制卡，主要完成机床的三轴运动，控制面板开关量的控制。床的三轴运动，控制面板开关量的控制。 工控机工控机主要实现系统的管理功能。主要实现系统的管理功能。 2.3.5 软件型开放式结构软件型开放式结构 一种最新开放体一种最新开放体系结构的数控系统。系结构的数控系统。能提供给用户最大的能提供给用户最大的选择和灵活性。选择和灵活性。CNC软件全部装在计算机软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和计算机与伺服驱动和外部外部IO之间的标准之间的标准化通用接口。化通用接口。 具有最高的性能具有最高的性能价格比，因而最有生价格比，因而最有生命力。命力。PA 8000 L2 The Allrounder CNC 2.4 CNC系统的软件结构系统的软件结构 2.4.1 CNC系统的软硬件界面系统的软硬件界面 4种典型种典型CNC系统的软硬件界面系统的软硬件界面2.4.2 多任务并行处理技术多任务并行处理技术 1、数控系统的多任务性及并行处理方式、数控系统的多任务性及并行处理方式 CNC系统软件必须完成管理和控制两大任务，这就是系统软件必须完成管理和控制两大任务，这就是CNC系系统的多任务性。统的多任务性。 多任务并行处理技术的运用是数控系统控制软件的重要特征。多任务并行处理技术的运用是数控系统控制软件的重要特征。 主要采用主要采用资源分享资源分享和和资源重叠资源重叠的流水线处理技术。的流水线处理技术。 CNC系统软件构成框图系统软件构成框图 2.4.2 多任务并行处理技术多任务并行处理技术 2、资源分时共享资源分时共享 在单在单CPU的的CNC系统系统中，主要采用中，主要采用CPU分时共分时共享的原则来解决多任务的同享的原则来解决多任务的同时进行处理的问题，使多个时进行处理的问题，使多个用户按时间顺序使用同一套用户按时间顺序使用同一套设备。设备。 对各任务使用对各任务使用CPU是用是用循环轮流和中断优先相结合循环轮流和中断优先相结合的方法来解决的方法来解决。典型典型CNC系统多任务分时共享系统多任务分时共享CPU2.4.2 多任务并行处理技术多任务并行处理技术 3、指令的执行方式、指令的执行方式 一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有三种：一条指令执行完后，后续指令的衔接方式有三种：顺序方式、重叠方式和流水方式顺序方式、重叠方式和流水方式。顺序方式顺序方式重叠方式重叠方式流水方式流水方式2.4.3 实时中断处理实时中断处理 CNC系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。理。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。断结构决定了系统软件的结构。1、中断类型、中断类型1）外部中断）外部中断2）内部定时中断）内部定时中断3）硬件故障中断）硬件故障中断4）程序性中断）程序性中断2.4.3 实时中断处理实时中断处理 2、中断结构模式、中断结构模式 1）前后台型软件结构）前后台型软件结构 前台程序是一个中断服务程序，前台程序是一个中断服务程序，它几乎承担了系统的全部实时它几乎承担了系统的全部实时功能（如插补、位控等），而功能（如插补、位控等），而调度管理和人机交互则在背景调度管理和人机交互则在背景程序中完成。背景程序是一个程序中完成。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程循环运行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插中，前台实时中断程序不断插入，共同完成数控加工任务。入，共同完成数控加工任务。 2.4.3 实时中断处理实时中断处理 2、中断结构模式、中断结构模式 2）中断型软件结构）中断型软件结构 除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被安除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。由中断管理系统对各级中断服务程序按照中断中断系统。由中断管理系统对各级中断服务程序按照中断优先级的高低实施调度管理。优先级的高低实施调度管理。 2.4.3 实时中断处理实时中断处理 在数控系统中，中断优先级共分在数控系统中，中断优先级共分8级，级，0级最低，级最低，7级最高，除了第级最高，除了第4级为用硬件中断来完成报警功能外，级为用硬件中断来完成报警功能外，其余均为软件中断。其余均为软件中断。 表表2.1 数控系统各级中断及其主要功能数控系统各级中断及其主要功能 2.5 数控系统的插补原理数控系统的插补原理 2.5.1 概述概述 1、基本概念基本概念 插补就是根据零件的轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的插补就是根据零件的轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。换言要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。换言之，就是数据点的密化过程。之，就是数据点的密化过程。 绝大多数绝大多数CNC系统都具有系统都具有直线直线和和圆弧圆弧插补功能，高档数控插补功能，高档数控系统还具有椭圆、抛物线、螺旋线等复杂线型的插补功能。系统还具有椭圆、抛物线、螺旋线等复杂线型的插补功能。 在在NC系统中，插补器由数字电路组成，称为系统中，插补器由数字电路组成，称为硬件插补硬件插补；在在CNC系统中，插补器功能由软件来实现，称为系统中，插补器功能由软件来实现，称为软件插补软件插补。对插补器的基本要求：对插补器的基本要求：1）插补所需的原始数据较少；）插补所需的原始数据较少；2）有较高的插补精度，插补结果无累积误差，局部偏差不能）有较高的插补精度，插补结果无累积误差，局部偏差不能超过允许的误差；超过允许的误差；3）沿着进给线路的进给速度恒定且符合加工要求；）沿着进给线路的进给速度恒定且符合加工要求；4）硬件线路简单、可靠，软件插补算法简捷，计算速度快。）硬件线路简单、可靠，软件插补算法简捷，计算速度快。2.5.1 概述概述2、插补方法的分类、插补方法的分类2.5.1 概述概述 1）基准脉冲插补）基准脉冲插补v 又称脉冲增量插补，通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标又称脉冲增量插补，通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。v 脉冲当量脉冲当量是脉冲分配计算的基本单位，根据加工的精度选择，普是脉冲分配计算的基本单位，根据加工的精度选择，普通机床取通机床取0.01mm，较为精密的机床取，较为精密的机床取1m。v 有有逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法及一些改进方法。及一些改进方法。v 实现方法较简单，容易用硬件实现，也可用软件完成，仅适用于实现方法较简单，容易用硬件实现，也可用软件完成，仅适用于一些中等精度（一些中等精度（0.01mm）或中等速度（）或中等速度（13m/min）的数）的数控系统。控系统。2）数据采样插补算法）数据采样插补算法2.5.1 概述概述v 数控装置产生的不是单个脉冲，而是数控装置产生的不是单个脉冲，而是数字量数字量。v 根据数据加工程序编写得进给速度，先将零件轮廓曲线按根据数据加工程序编写得进给速度，先将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列首尾相连的微小直线段，然后输出插补周期分割为一系列首尾相连的微小直线段，然后输出这些微小直线段对应的位置增量数据，用以控制伺服系统这些微小直线段对应的位置增量数据，用以控制伺服系统实现坐标轴进给。实现坐标轴进给。v 适用于闭环、半闭环的直流或交流伺服电动机为驱动装置适用于闭环、半闭环的直流或交流伺服电动机为驱动装置的位置采样控制系统中。的位置采样控制系统中。2.5 数控系统的插补原理数控系统的插补原理 2.5.2 逐点比较法逐点比较法 基本原理基本原理v 逐点比较刀具与编程轮廓之间的相对位置，逐点比较刀具与编程轮廓之间的相对位置， 根据比较结根据比较结果决定下一步的进给方向，果决定下一步的进给方向， 使刀具向减小偏差的方向进使刀具向减小偏差的方向进给，而且每次只有一个方向进给，周而复始，直至全部结给，而且每次只有一个方向进给，周而复始，直至全部结束，从而获得一个非常接近于编程轮廓的轨迹。束，从而获得一个非常接近于编程轮廓的轨迹。 逐点比较法插补过程逐点比较法插补过程 第第1拍：偏差判别拍：偏差判别。判别刀具当前位。判别刀具当前位置相对于编程轮廓的偏离情况，以决定置相对于编程轮廓的偏离情况，以决定进给方向。进给方向。 第第2拍：进给拍：进给。控制相应坐标轴进。控制相应坐标轴进给一步，使刀具向编程轮廓靠拢，以减给一步，使刀具向编程轮廓靠拢，以减小偏差。小偏差。 第第3拍：偏差计算拍：偏差计算。计算新的偏差，。计算新的偏差，作为下一次偏差判别的依据。作为下一次偏差判别的依据。 第第4拍：终点判别拍：终点判别。判别刀具是否。判别刀具是否到达终点，若已到达终点，则停止插补；到达终点，若已到达终点，则停止插补；否则继续循环，直至到达终点。否则继续循环，直至到达终点。 2.5.2 逐点比较法逐点比较法否是到终点？结束开始偏差判别进给偏差计算逐点比较法插补流程逐点比较法插补流程 1、逐点比较法直线插补、逐点比较法直线插补E(Xe,Ye)YeXXeXiYiNiN NYO动点与直线之间的关系动点与直线之间的关系 2.5.2 逐点比较法逐点比较法 第第象限直线象限直线OE，起点，起点O为坐标原点，终点为为坐标原点，终点为E(Xe， Ye)， 动点坐标为动点坐标为Ni(Xi， Yi)。 （1）偏差判别）偏差判别 设经过设经过i次插补后，当前刀具在次插补后，当前刀具在Ni(Xi， Yi)点。点。 若若Ni正好在直线正好在直线OE上，则上，则ieieYYXX即即 0eiieX YX Y若若Ni在直线在直线OE的上方的上方, 则则 ieieYYXX0eiieYXYX即即 E(Xe,Ye)YeXXeXiYiNiN NYO偏差判别函数偏差判别函数 eiieFX YX Y （2） 进给方向进给方向 进给方向由偏差判别的结果决定，进给方向由偏差判别的结果决定， 即即 当当Fi0时，时， 向向X轴正向进给一步（轴正向进给一步（+X）；）； 当当Fi0时，时， 向向Y轴正向进给一步（轴正向进给一步（+Y）。）。 （3） 偏差计算偏差计算 开始时，刀具位于直线的起点开始时，刀具位于直线的起点O， 因此因此F0=0。 设经过设经过i次插补后，次插补后， 当前刀具在当前刀具在Ni(Xi， Yi)点，点， 偏差函数偏差函数FiXeYi-YeXi。2.5.2 逐点比较法逐点比较法若若Fi0， 则进给则进给+X， 到达到达Ni+1(Xi+1， Yi)点，从而点，从而Fi+1XeYi+1-YeXi+1 XeYi-Ye(Xi +1) XeYi-YeXi-Ye Fi-Ye 若若Fi0， 则进给则进给+Y， 到达到达Ni+1(Xi， Yi+1)点，点， 从而从而 Fi+1XeYi+1-YeXi+1 Xe(Yi+1)-YeXi XeYi-YeXi+Xe Fi+Ye 2.5.2 逐点比较法逐点比较法 （4）终点判别）终点判别 每进给一步，每进给一步， 都要进行一次终点判别。常用方法有都要进行一次终点判别。常用方法有 总步长法总步长法 先求出总步数，先求出总步数， 每插补一次，总步数减一，每插补一次，总步数减一，到零时即表示已到达终点。到零时即表示已到达终点。eeXY 投影法投影法 先求出终点坐标绝对值较大作为计数值先求出终点坐标绝对值较大作为计数值 ， 当终点较大轴进给时就从计数值减一，到零表示已到终点。当终点较大轴进给时就从计数值减一，到零表示已到终点。 终点坐标法终点坐标法 取直线终点坐标分别作为计数单元，取直线终点坐标分别作为计数单元， 如果进给如果进给+X方向，则方向，则1减一，进给减一，进给+Y方向，则方向，则2减一，均减一，均到到0才表示到终点位置。才表示到终点位置。 maxeeXY2eY 1eX 例例2.1 设要加工第设要加工第I象限直线象限直线OE，起点在原点，终点为，起点在原点，终点为E(3， 5)，试用逐点比较法进行插补。，试用逐点比较法进行插补。 解解 总步数总步数0=|Xe|+|Ye|=|3|+|5|=8。开始时刀具。开始时刀具处于直线起点，即在直线上，所以处于直线起点，即在直线上，所以F0