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计算机数控装置成教计算机数控装置成教本讲稿第一页，共四十九页1.1 1.1 概概 述述 本讲稿第二页，共四十九页1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展表表表表2.12.12.12.1数控系统的演变数控系统的演变数控系统的演变数控系统的演变分类分类世代世代诞生年代诞生年代系统元件及电路构成系统元件及电路构成世界世界我国我国硬件数硬件数控控NCNC第一代第一代第二代第二代第三代第三代19521952年年19591959年年19651965年年19581958年年19651965年年19721972年年电子管、继电器，模拟电路电子管、继电器，模拟电路晶体管，数字电路（分立元件）晶体管，数字电路（分立元件）集成数字电路集成数字电路计算机计算机数控数控CNCCNC第四代第四代19701970年年19761976年年内装小型计算机，中规模集成电路内装小型计算机，中规模集成电路第五代第五代19741974年年19821982年年内装微处理器的内装微处理器的NCNC字符显示，故障自诊断字符显示，故障自诊断19791979年年19811981年年19871987年年19911991年年19951995年年超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口人人机机对对话话,动动态态图图形形显显示示,实实时时软软件件精精度度补补偿偿,适适应应机机床床无无人人化运转要求化运转要求3232位位CPUCPU，可可控控1515轴轴，设设定定0.00010.0001mmmm进进给给速速度度2424m/minm/min，带带前前馈控制的交流数字伺服、智能化馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。系统。利用利用RISCRISC技术技术6464位系统。位系统。微机开放式微机开放式CNCCNC系统。系统。本讲稿第三页，共四十九页1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191CPUCPU30003000C/2901C/2901位片机位片机1616位微处理器位微处理器3232位微处理器位微处理器6464位位伺服伺服驱动驱动直流模拟伺服直流模拟伺服交流模交流模拟伺服拟伺服交流数字伺服交流数字伺服最小最小设定设定单位单位1 10.10.10.010.01进给进给速度速度高速、高精度型高速、高精度型2.12.1m/minm/min8.48.4m/minm/min33.733.7m/minm/min 高速型高速型1515m/minm/min 60 60m/minm/min快速快速9.69.6m/minm/min1515m/minm/min2424m/minm/min6060m/minm/min240240m/minm/min扩充扩充功能功能用软件扩充数控功能、用软件扩充数控功能、刀具补偿，固定循环，刀具补偿，固定循环，存储器运行存储器运行用软件充实人机接口，彩色用软件充实人机接口，彩色显示，会话编程，仿真显示，会话编程，仿真3232位位CPUCPU，高速、高精度加工，高速、高精度加工，数字伺服，高速主轴，智能化开放数字伺服，高速主轴，智能化开放 系统系统表表表表22 22 22 22 数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况数控系统的技术进步状况 本讲稿第四页，共四十九页1.1.1 CNC1.1.1 CNC技术的发展技术的发展表表表表23 23 23 23 数控系数控系数控系数控系统统统统的功能水平的功能水平的功能水平的功能水平 项目项目低档低档中档中档高档高档分辨率分辨率 10 101 1 0.1 0.1进给速度进给速度 8-15 8-15 m/minm/min15-24 15-24 m/minm/min15-100 15-100 m/minm/min联动轴数联动轴数 2-3 2-3轴轴 2-4 2-4轴或轴或3-53-5轴以上轴以上主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用位甚至采用RISCRISC的的6464位位伺服系统伺服系统步进电机、开环步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装内装PLCPLC无无有内装有内装PCPC，功能极强的内装，功能极强的内装PCPC，甚至有轴控制功能，甚至有轴控制功能显示功能显示功能数码管数码管,简单的简单的CRTCRT字符字符显示显示有字符图形或三维图形显示有字符图形或三维图形显示通信功能通信功能无无RC232CRC232C和和DNCDNC接口接口还可能有还可能有MAPMAP通讯接通讯接口和联网功能口和联网功能本讲稿第五页，共四十九页1.1.2 1.1.2 CNCCNC系系统统的的组组成成 EIA(EIA(美美国国电电子子工工业业协协会会)所所属属的的数数控控标标准准化化委委员员会会的的定定义义:“:“CNCCNC是是用用一一个个存存储储程程序序的的计计算算机机，按按照照存存储储在在计计算算机机内内的的读读写写存存储储器器中中的的控控制制程程序序去去执执行行数数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。ISO(ISO(国国际际标标准准化化组组织织)的的定定义义:“:“数数控控系系统统是是一一种种控控制制系系统统，它它自自动动阅阅读读输输入入载载体体上上事事先先给给定定的的数数字字，并并将将其其译译码码，从从而而使使机机床床移移动动和和加加工工零零件件”。CNCCNC系统与系统与NCNC系统系统数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系数控系统统的核心是完成数字信息运算的核心是完成数字信息运算、处处理和控制的理和控制的计计算机，算机，即即数字控制装置。数字控制装置。本讲稿第六页，共四十九页1.1.2 1.1.2 CNCCNC系系统统的的组组成成 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。本讲稿第七页，共四十九页1.1.3 1.1.3 CNCCNC装置的装置的组组成和工作原理成和工作原理 CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .本讲稿第八页，共四十九页1.1.硬件结构硬件结构:CPUCPU，存，存储储器，器，总线总线、外、外设设等等。2.2.软件结构软件结构：是一种用于是一种用于零件零件加工的、加工的、实时实时控制的、特殊的（或称控制的、特殊的（或称专专用用的）的）计计算机操作系算机操作系统统。系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输输入入程程序序输输出出程程序序显显示示程程序序诊诊断断程程序序译译码码程程序序补补偿偿计计算算速速度度控控制制插插补补程程序序位位控控程程序序图图2.1 2.1 CNCCNC软件的构成软件的构成 本讲稿第九页，共四十九页3.3.工作原理工作原理 通通过过各种各种输输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过经过CNCCNC装置装置译码译码，再，再进进行行计计算机的算机的处处理、运算，然后将各个坐理、运算，然后将各个坐标轴标轴的分量送到各控制的分量送到各控制轴轴的的驱驱动电动电路，路，经过转换经过转换、放大去、放大去驱动驱动伺服伺服电动电动机，机，带动带动各各轴轴运运动动。并。并进进行行实时实时位置反位置反馈馈控制，使各个坐控制，使各个坐标轴标轴能精确地走到所要求的位置。能精确地走到所要求的位置。简简要工作要工作过过程：程：1 1）输入：）输入：输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的通讯接口输入及连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入本讲稿第十页，共四十九页2 2）译码：）译码：以以一个程序段一个程序段为单为单位，根据一定的位，根据一定的语语法法规则规则解解释释、翻、翻译译成成计计算机算机 能能够识别够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专专 用区内。用区内。3 3）数据处理：）数据处理：包括刀具包括刀具补偿补偿，速度，速度计计算以及算以及辅辅助功能的助功能的处处理等。理等。4 4）插补：）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之 间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5 5）位置控制：）位置控制：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伺服电机。置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6 6）I/OI/O处理：处理：处理处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。本讲稿第十一页，共四十九页 1.1.4 CNC1.1.4 CNC装置的主要功能和特点装置的主要功能和特点 1.1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能 （1 1）控制轴数和联动轴数）控制轴数和联动轴数 （2 2）准备功能（）准备功能（G G功能）功能）（3 3）插补功能）插补功能 （4 4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准 （5 5）进给功能（）进给功能（F F）1 1）切削进给速度）切削进给速度 2)2)同步进给速度同步进给速度 3 3）快速进给速度）快速进给速度 4 4）进给倍率）进给倍率 。（6 6）补偿功能）补偿功能 1 1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2 2）工艺量的补偿）工艺量的补偿 （7 7）固定循环加工功能）固定循环加工功能 本讲稿第十二页，共四十九页（8 8）辅助功能（）辅助功能（M M代码）代码）（9 9）字符图形显示功能）字符图形显示功能（1010）程序编制功能：手工编程、）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程在线编程、自动编程（1111）输入、输出和通讯功能）输入、输出和通讯功能（1212）自诊断功能）自诊断功能2.2.CNCCNC数控装置的特点数控装置的特点 1 1）灵活性大）灵活性大 2 2）通用性强）通用性强 3 3）可靠性高）可靠性高 4 4）可以实现丰富、复杂的功能）可以实现丰富、复杂的功能 5 5）使用维修方便）使用维修方便 6 6）易于实现机电一体化）易于实现机电一体化 1.1.4 CNC1.1.4 CNC装置的主要功能和特点装置的主要功能和特点本讲稿第十三页，共四十九页1.2 CNC1.2 CNC装置的硬件装置的硬件结构结构 本讲稿第十四页，共四十九页1.2.1 CNC1.2.1 CNC装置的硬件构成装置的硬件构成 CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图本讲稿第十五页，共四十九页 CNCCNC装装置置的的体体系系结结构构分分为为：单单微微处处理理机机和和多多微微处处理机系统，中理机系统，中 高档的高档的CNCCNC装置装置以以多微处理机结构为多。多微处理机结构为多。单微处理机结构单微处理机结构:见上图见上图 多微处理机多微处理机CNCCNC装置的结构：装置的结构：1.主从主从结结构构 2.2.多主结构多主结构 3.3.分布式结构分布式结构 4.4.多通道结构多通道结构 1.2.2 CNC1.2.2 CNC装置的体系装置的体系结结构构 本讲稿第十六页，共四十九页单单微微处处理理机机数数控控装装置置:是是以以一一个个CPUCPU（中中央央处处理理器器）为为核核心心，CPUCPU通通过过总总线线与与存存储储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。微处理器、存储器、总线、接口等。接接口口包包括括I/OI/O接接口口、串串行行接接口口、CRT/MDICRT/MDI接接口口、数数控控技技术术中中的的控控制制单单元元部部件件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PCPC）、主轴控制单元、）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。1.1.微处理器和总线微处理器和总线 微处理器：运算、控制微处理器：运算、控制 总总线线：CPUCPU与与各各组组成成部部件件、接接口口等等之之间间的的信信息息公公共共传传输输线线，包包括括控控制制 、地地址址和数据三总线。和数据三总线。2.2.存储器存储器 只只读读存存储储器（器（ROMROM）和随机存）和随机存储储器（器（RAMRAM）它们的用途：它们的用途：2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 单单单单微微微微处处处处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结结结结构构构构 本讲稿第十七页，共四十九页 只只读读存存储储器（器（ROMROM）：系统程序：系统程序 随随机机存存储储器器（RAMRAM）：运运算算的的中中间间结结果果、需需显显示示的的数数据据、运运行行中中的的状状态态、标标志志信息信息 CMOS RAMCMOS RAM或或磁泡存磁泡存储储器器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.3.位置控制单元位置控制单元 对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）（对主轴的控制一般只包括速度控制）C C轴位置控制：包括位置和速度控制轴位置控制：包括位置和速度控制 刀刀库库位置控制位置控制（简易位置控制）（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。位置控制模板。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 单单单单微微微微处处处处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结结结结构构构构 本讲稿第十八页，共四十九页1.2.4 1.2.4 多微多微处处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结结构构 VSVS1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。共享总线型、共享存储器型及混合型结构。（1 1）功能模块）功能模块 1 1）CNCCNC管理模块管理模块 2 2）存储器模块）存储器模块 3 3）CNCCNC插补模块插补模块 4 4）位置控制模块）位置控制模块 5 5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块 6 6）PLCPLC模块模块 本讲稿第十九页，共四十九页VSVS（2 2）共享总线结构）共享总线结构 结构与仲裁结构与仲裁 主模块与从模块主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯：模块之间的通讯：公共存储器公共存储器 总线：总线：STD bus STD bus（支持（支持8 8位和位和1616位字长）位字长）Multi bus Multi bus（型支持型支持1616位字长，位字长，型支持型支持3232位字长）位字长）S-100 bus S-100 bus（可支持（可支持1616位字长）位字长）VERSA bus VERSA bus（可支持（可支持3232位字长）位字长）VME bus VME bus （可支持（可支持3232位字长）位字长）本讲稿第二十页，共四十九页图图2.9 串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3总线优总线优总线优总线优先权入先权入先权入先权入总线优总线优总线优总线优先权出先权出先权出先权出总线总线总线总线忙忙忙忙入入忙忙出出入入忙忙出出本讲稿第二十一页，共四十九页并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式主模块主模块主模块主模块1 1总线优总线优 总线总线 总线优总线优先权入先权入 忙忙 先权出先权出主模块主模块主模块主模块3 3入入 忙忙 出出译译 器器 码码主模块主模块主模块主模块2 2入入 忙忙 出出优先权编器码优先权编器码本讲稿第二十二页，共四十九页（3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 VSMTC1的的CNC装置结构框图装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2键盘键盘(中央中央)CPU1(插补插补)CPU3串口和串口和收发器收发器CRTCCRT字符字符发生器发生器并行并行接口接口反馈脉冲反馈脉冲处理处理反馈信号反馈信号适配器适配器机床机床接口接口模拟量模拟量接口接口RS232CXYZCW本讲稿第二十三页，共四十九页（4 4）共享总线和共享存储器型结构）共享总线和共享存储器型结构 FUNUC11的的CNC装置结构框图装置结构框图键盘键盘纸带机纸带机手摇盘手摇盘PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM图形显示图形显示80878087OPCCRT机床机床I/O坐标轴坐标轴 坐标轴坐标轴主轴主轴其中其中OPC操作控制器；操作控制器；BAC总线仲裁控制器；总线仲裁控制器；IOC输入输出控制器；输入输出控制器；CAP自动编程单元；自动编程单元；SSU系统支持单元；系统支持单元；PMC可编程机床控制器可编程机床控制器本讲稿第二十四页，共四十九页双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 多多CPU共享存储器框图共享存储器框图端口端口1存储存储控制逻辑控制逻辑地址和数据地址和数据多路转换器多路转换器RAM共享存共享存储器储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制轴控制（COU4）插补插补(CPU3)端口端口2中断中断控制控制从机床来的从机床来的控制信号控制信号至机床的至机床的控制信号控制信号本讲稿第二十五页，共四十九页VSVS（5 5）多通道结构）多通道结构 通道通道结结构（构（Channel StructureChannel Structure），即两种以上程序的并行），即两种以上程序的并行处处理。理。2.2.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 （1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 （2 2）可靠性高）可靠性高 （3 3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产本讲稿第二十六页，共四十九页1.2.5 1.2.5 开放式数控装置的体系开放式数控装置的体系结结构构 VSVS一、开放式数控系统的产生一、开放式数控系统的产生 随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系统。数控系统。体系开放化体系开放化定义（定义（IEEEIEEE）：）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)(Standardization)与多样化与多样化(Diversification)Diversification)和互换性和互换性(Interchangeability)(Interchangeability)的特征的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式积木式”的集成构造，应该的集成构造，应该是可移植的和透明的；是可移植的和透明的；本讲稿第二十七页，共四十九页VSVS二、开放体系结构二、开放体系结构CNCCNC的优点的优点向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；断改善并处于长生命周期；标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；和操作效率直接有关的劳动消耗；本讲稿第二十八页，共四十九页VSVS向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。强市场供应能力和竞争能力。本讲稿第二十九页，共四十九页VSVS三、开放式数控装置的概念结构数控功能数控功能应用程序应用程序NC构件库构件库本讲稿第三十页，共四十九页VSVS 四、国内外开放式数控系统的研究进展 1.1.几大研究计划几大研究计划美国：美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和和OMAC(Open Modular Architecture Controller)OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划计划欧共体：欧共体：OSACAOSACA（Open System Architecture for Control within Automation Open System Architecture for Control within Automation Systems)Systems)计划计划日本：日本：OSEC(Open System Environment for Controller)OSEC(Open System Environment for Controller)计划计划华中华中I I型型基于基于IPCIPC的的CNCCNC开放体系结构开放体系结构航天航天I I型型CNCCNC系统系统基于基于PCPC的多机的多机CNCCNC开放体系结构开放体系结构本讲稿第三十一页，共四十九页VSVS2.2.开放程度：开放程度：1 1）CNCCNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件可以直接地或通过网络运行各种应用软件2 2）用户操作界面的开放。）用户操作界面的开放。3 3）NCNC内核的深层次开放内核的深层次开放(PC+PC+实时硬插件；实时硬插件；PC+PC+实时软中断实时软中断)。3.3.开放式数控系统的发展趋势：开放式数控系统的发展趋势：1 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件 技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数 控系统。控系统。2 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的 需求。需求。3 3）网络化）网络化本讲稿第三十二页，共四十九页VSVS1.1.点位点位/直线控制的一般概念（单轴数控）直线控制的一般概念（单轴数控）用于钻床、镗床、机能简单的车床用于钻床、镗床、机能简单的车床 点位控制点位控制只只控控制制刀刀具具相相对对应应于于工工件件定定位位，由由某某一一定定位位点点向向下下一一定定点点运运动动时时不不进进行行切削，对运动路径没有严格要求。切削，对运动路径没有严格要求。直线控制直线控制刀刀具具沿沿坐坐标标轴轴方方向向运运动动，并并对对工工件件进进行行切切削削加加工工。在在加加工工过过程程中中不不但但要要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。本讲稿第三十三页，共四十九页2.2.点位点位/直线数控系统数控装置的结构直线数控系统数控装置的结构显示显示进给脉冲进给脉冲发生器发生器M、S、T寄存控制寄存控制加减速及加减速及停止判断停止判断伺服伺服驱动驱动机床机床测量测量输入输入译码译码位置计数位置计数与比较与比较F 点位点位/直线控制系统直线控制系统本讲稿第三十四页，共四十九页1.3 CNC1.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 本讲稿第三十五页，共四十九页1.3.1 1.3.1 软软件件结结构特点构特点 1.1.CNCCNC装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面 三种典型的软硬件界面关系纸纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控纸纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控速速控控电电机机测量测量第一种第一种第二种第二种第三种第三种硬件硬件硬件硬件软件软件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件硬件硬件硬件硬件本讲稿第三十六页，共四十九页VSVS 2.2.系统软件的内容及结构类型系统软件的内容及结构类型 系统软件的组成：系统软件的组成：（管理和控制）（管理和控制）管理部分：输入、管理部分：输入、I/OI/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。等程序。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式：管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元 本讲稿第三十七页，共四十九页 3.3.多任务并行处理多任务并行处理 （1 1）CNCCNC装置的多任务性装置的多任务性 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 软件任务的并行处理软件任务的并行处理CNC装置装置管管理理控控制制输入输入显示显示位控位控诊断诊断I/O插补插补位控位控译译码码刀刀补补速度处理速度处理输输入入I/O处处理理显显示示诊诊断断通通讯讯译译码码刀刀具具补补偿偿速速度度处处理理位位置置控控制制插插补补本讲稿第三十八页，共四十九页VSVS（2 2）并行处理）并行处理 并行处理并行处理：是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是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 上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类：并行处理的分类：“资源重复资源重复”，“时间重叠时间重叠”和和“资源共享资源共享”。资源共享：资源共享：根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用 同一套设备的几个部分。同一套设备的几个部分。本讲稿第三十九页，共四十九页VSVS1 1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）在单在单CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，可采用系统中，可采用“资源分时共享资源分时共享”并行并行处理技术。处理技术。资资源源分分时时共共享享在在规规定定的的时时间间长长度度（时时间间片片）内内，根根据据各各任任务务实实时时性性的的要要求求，规规定定它它们们占占用用CPUCPU的的时时间间，使使它它们们分分时时共共享享系系统统的资源。的资源。“资源分时共享资源分时共享”的技术关键：的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用其二：各任务占用CPUCPU的时间长度，即的时间长度，即 时间片的分配问题。时间片的分配问题。本讲稿第四十页，共四十九页VSVS诊断诊断I/O处理处理输入输入插补插补准备准备显示显示初始化初始化插补插补位控位控键盘键盘 中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低资源（资源（CPUCPU）分时共享图）分时共享图本讲稿第四十一页，共四十九页VSVS 资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征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在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU；在在一一个个时时间间片片（如如8ms8ms或或16ms16ms）内内，CPUCPU并并行行地地执执行行了了两两个或两个以上的任务。个或两个以上的任务。因因此此，资资源源分分时时共共享享的的并并行行处处理理只只具具有有宏宏观观上上的的意义，即从微意义，即从微 观上来看，各个任务还是逐一执行的。观上来看，各个任务还是逐一执行的。本讲稿第四十二页，共四十九页VSVS 2)2)并发处理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多在多CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采系统中，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：用以下两种并行处理技术：若若任任务务间间的的关关联联程程度度不不高高，则则可可让让其其分分别别在在不不同同的的CPUCPU上上同同时时执执行行 并发处理；并发处理；若若任任务务间间的的关关联联程程度度较较高高，即即一一个个任任务务的的输输出出是是另另一一个个任任务务的的输输入入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。则可采取流水处理的方法来实现并行处理。本讲稿第四十三页，共四十九页VSVS 流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），将一个大的），将一个大的任务分成若干个子任务任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有任务的分法与资源重复的多少有关关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排，这些小任务是彼此关系的，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。加工零件的流水作业一样。本讲稿第四十四页，共四十九页流水处理技术示意图流水处理技术示意图VSVS并行处理并行处理1231232tt空空间间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1时间时间t+t tt空空间间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU3本讲稿第四十五页，共四十九页 并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征并发处理和流水处理的特征在在任任何何时时刻刻（流流水水处处理理除除开开始始和和结结束束外外）均均有有两两个个或或两两个个以以上上的任务在并发执行。的任务在并发执行。并并发发处处理理和和流流水水处处理理的的关关键键是是时时间间重重叠叠，是是以以资资源源重重复复的的代代价价换换得得时时间间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。本讲稿第四十六页，共四十九页3 3）并行处理中的信息交换和同步）并行处理中的信息交换和同步在在CNCCNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。CNCCNC装置通过缓冲区交换信息框图装置通过缓冲区交换信息框图纸带纸带缓冲缓冲存储区存储区译码译码缓冲缓冲存储区存储区插补插补缓冲缓冲存储区存储区插补插补工作工作存储区存储区插补插补输出输出存储区存储区纸纸带带译码译码插补插补准备准备交换交换插补插补本讲稿第四十七页，共四十九页纸带读写同步说明-读指针读指针R-写指针写指针WMVSVS进口进口W=(W+1)Mod(M)写第一个字符到写第一个字符到纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口出口停光电机停光电机进口进口出口出口启动光电机启动光电机R=(R+1)Mod(M)从纸带缓冲存储从纸带缓冲存储区读出一个字符区读出一个字符(R-W)Mod(M)=1?纸带读写同步说明出口出口-读指针读指针R-写指针写指针WMVSVS进口进口W=(W+1)Mod(M)写第一个字符到写第一个字符到纸带缓冲寄存器纸带缓冲寄存器(R-W)Mod(M)=2?停光电机停光电机进口进口出口出口启动光电机启动光电机R=(R+1)Mod(M)从纸带缓冲存储从纸带缓冲存储区读出一个字符区读出一个字符(R-W)Mod(M)=1?本讲稿第四十八页，共四十九页 4.4.实时中断处理实时中断处理（1 1）CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入 中断。中断。2 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。3 3）硬件故障中断）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。种硬件故障检测装置发出的中断。4 4）程序性中断）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。程序中出现的异常情况的报警中断。（2 2）CNCCNC系统中断结构模式系统中断结构模式 1 1）前后台软件结构中的中断模式）前后台软件结构中的中断模式 2 2）中断型软件结构中的中断模式）中断型软件结构中的中断模式 背景程序背景程序初始化初始化实施中断实施中断程序程序本讲稿第四十九页，共四十九页