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1、第四章计算机数控（CNC）装置4.1 概述4.1.2 CNC系统的组成EIA （美国电子工业协会）所属的数控标准化委员会的定义：“CNC 是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行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”。ISO （国际标准化组织）的定义：“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即NC装置， NC装置是数控
2、技术发展早期普遍采用的数捽装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即CNC装置，它是由硬件和软件共同完成或是在硬件的支持下由软件单独实现全部数控功能。CNC装置具有良好的柔性，它在软件的作用下，可以实现各种NC 装置所不能完成的功能，如图形显示、系统诊断、各种复杂的轨迹控制、通信及网络功能等。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。它
3、们二者是相互支持，不可分割的。CNC 的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。硬件是基础，软件是灵魂。现在NC装置已基本上被CNC装置所取代。4.1.3 CNC装置的组成和工作原理数控加工程序CNC系统平台该平台有以下两方面的含义：提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。硬件结构：CPU,存储器，总线、外设等。ROM RAMIN 接口OUT 接口CNC的硬件系统组成框图软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。初始化程序管理系统控制软件编辑存储录放管理软件控制软件葡出程序修断程序那偿计算福补程序金控
4、程序图4.1 CNC软件的构成工作原理：通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息,经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程：工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。包括：1 .加工程序的输入输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。输入的形式有光电阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、连接上级计算机的DNC接口输入、网络输入。从CNC装置工作方式看，有存储工作方式输入和手工直接输入（MDI）工作方式
5、。CNC在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。这就是书上所概括的“通过输入接口将加工程序读入系统，并在同时进行代码的整理、校验和转换二2 .译码不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T 代码等）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检杳，若发现语法错误便立即报警。3 .刀具补偿刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC的零件程序
6、是以零件的轮廓轨迹来编程的，刀具补偿的作用就是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC中，刀具补偿的工作还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。我们的教材上是怎么样概括的呢？“利用一定的数学算法将零件轮廓轨迹换成刀具中心轨迹”。4 .对进给速度进行处理编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。所谓的速度处理，首先要做的工作就是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴方向运动的分速度。另外还要对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。在有些CNC装置中，软件自动加减速也是在这里处理的。5 .插补所谓的插补就是根据加工程序中给出的零件基本几
7、何形状和相关的设计工艺方面的信息，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。我们知道，一条曲线是由无数个点组成的，插补的任务呢就是在一条给定起点和终点的曲线上按要求密化构成这条曲线的数据点，即所谓的进行“数据点的密化”。6 .位置处理位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分的工作可以由软件实现,也可以由硬件完成。它的主要任务就是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标轴方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。7 . I/O处理I/O处理主要是处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号
8、的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷却等），也就是书上所说的“强电信号的输入输出和控制二8 .显示CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC 中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。9 .诊断诊断的任务就是监测机床的各种状态，并对出现的非正常状况进行可能的诊断、故障定位和修复。现代CNC都具有联机和脱机诊断的能力。那么什么是联机诊断和脱机诊断呢？这里所说的联机诊断是指CNC中的自诊断程序，随时检查不正确的事件。脱机诊断是指系统运转条件下的诊断，一般的CNC都配备有各种脱机诊断程序，以检查存储器、外围设备、I/。接口
9、等。4.1.4 CNC装置的主要功能和特点1 .数控装置的主要功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。包括：基本功能一一数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能用户可根据实际要求选择的功能。CNC的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的高低，CNC装置的功能有很大不同。（1）控制轴数和联动轴数控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）o联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。一般车床只需二轴控制二轴联动；一般铳
10、床需要三轴控制，二轴半坐标控制和三轴联动；一般加工中心为三轴联动、多轴控制。（2）准备功能（G功能）准备功能（G功能）一一指令机床动作方式和单位转换的功能。如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环和公英制转换等。ISO标准中规定准备功能有G00至G99共100种，数控系统可从中选用，目前许多数控系统已用到超过G99以外的代码。（3）插补功能插补功能插补功能是数控系统实现零件轮廓（平面或空间）加工轨迹运算的功能。早期的硬件数控系统，也就是NC系统，插补过程是由专门的数字逻辑电路来完成的，属于全硬件插补，而现在广泛应用的计算机数控系统，也就是CNC系统的插补更多地
11、是采用软件来完成。特别是数据采样插补是当前的重要方法。根据插补计算实时性很强的特点，采用二种方式来进行插补运算。一种是采用高速微处理器的一级插补；另一种是采用软件进行粗插补，之后再利用硬件在粗插补的基础上进行细插补的二级插补。一般的CNC都有直线和圆弧插补，高档CNC还具有抛物线插补、螺旋线插补等等。（4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准停主轴功能数控系统的主轴的控制功能。主轴转速的编程方式主轴转速的控制功能，单位为r/min。恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率人
12、工实时修调预先设定的主轴转速。（5）进给功能（F ）进给功能进给速度的控制功能。进给速度控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/mino 一般进给量为Imm/min24m/min。同步进给速度一一实现切削速度和进给速度的同步,单位为mm/r。只有主轴上装有位置编码器的机床才能指令同步进给速度。快速进给速度般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用GOO指令执行快速。进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。使用倍率开关不用修改程序就可改变进给速度。（6）补偿功能1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿2）工艺量的补偿刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹
13、的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。（7）固定循环加工功能固定循环功能固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镇孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。这些典型的加工工序都存在着大量的重复动作，将这些典型动作预先编好程序并存储在内存中，用G代码进行指令，这就是固定循环指令。（8）辅助功能（M代码）辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能。如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。ISO标准中规定了一般从
14、M00-M99共100种。（9）字符图形显示功能人机对话功能CNC装置可配置不同尺寸的单色或彩色CRT显示器，通过软件和接口实现字符、图形显示。在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。（10）程序编制功能手工编程用键盘按零件图纸，遵循系统的指令规则人工编写零件程序，通过面板输入程序，只适用于简单零件。背景（后台）编程后台编程也叫在线编程，程序编制方法和手工编程一样，但可在机床加工过程中进行，因此不占机时。这种CNC装置中有内部专用于编程的 CPUo自动编程CNC装置内有自动编程语言系统，由专门的CPU来管理编程
15、。目前较为流行的自动编程为交互式自动编程。利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。（11）输入、输出和通讯功能通讯功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能。RS232c接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP（制造自动化协议）模块，网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。（12）自诊断功能自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。上面我们所讲的这12种功能中，控制功能、插补功能、准备功能、主轴功能、进给功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等属于基
16、本功能，而补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、网络功能和人机对话编程功能则属于选择功能。总之，CNC数控装置的功能多种多样，而且随着技术的发展，功能越来越丰富。2 .CNC数控装置的特点1）具有比NC更高的柔性NC装置以固定接线的硬件结构来实现特定的逻辑电路功能，一旦制成就难以改变。而CNC只要改变相应的控制软件，就可以改变和扩展其功能，满足用户的不同需要。现代随着PC机的引入，利用软件来实现功能时所占的比重还会越来越大。2）具有良好的通用性CNC装置硬件结构有多种形式，模块化硬件结构使系统易于扩展,模块化软件能满足各类数控机床（如车床、铳床、加工中心等）的不同控制要求，标准化的用
17、户接口，统一的用户界面，既方便系统维护，又方便用户培训。尤其是现在的开放式系统，不但发展了模块化的概念，更是将PC系统的标准化和开放性思想引进来，这必将大大提高数控系统的通用性。3）数控功能不断增强和扩展利用计算机的高速数据处理能力，使CNC能方便地实现许多复杂的数控功能；随着处理器的速度越来越快，很多对速度有要求的功能也能被软件来处理，这样就可以相对简化硬件设计又可以增加系统的灵活性。4）可靠性越来越高零件的加工程序在加工前输入到CNC当中，经系统检查后调用执行，避免了零件程序错误。许多功能由软件实现，使硬件的元器件数目大为减少，整个系统的可靠性等到改善，特别是采用大规模和超大规模集成电路，
18、硬件高度集成、体积小，进一步提高了系统的可靠性。5）方便了系统的维修和使用CNC的自诊断功能能够迅速的报警或显示故障的原因和位置，大大方便了维修工作，减少了停机时间。CNC还零件程序编辑功能，程序编制很方便。零件程序编好后，可显示程序，甚至通过空运行，将刀具轨迹显示出来，检验程序的正确性。6）易于实现机电一体化超大规模集成电路的广泛应用，不但增强了 CNC的功能，减小了功耗，而且还大大缩小了板卡的尺寸，体积越来越小，易于和机床的机械结构融合，实现机电一体化。4.2 CNC装置的硬件结构4.2.1 CNC装置的硬件构成CNC装置是在硬件支持下，通过系统软件控制来进行工作的。其控制功能在相当程度上
19、取决于硬件结构。硬件结构根据控制功能的复杂程度可分别采用单处理器结构和多处理器结构，简易的经济型采用单微处理器结构，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。随着机械制造技术的发展，对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求，因此多处理器结构得到了迅速发展。4.2.2 CNC装置的体系结构单微处理器硬件结构装置内的所有信息处理工作都由一个CPU来完成，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。它的优点是投资小，结构简单易于实现。但系统的功能则受CPU的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。1 .主从结构该装置中只有一个CPU,对整个装置的资源有控制权
20、和使用权，处于主导地位，而其它CPU处于从属地位。2 .多主结构该装置中有两个或更多CPU对装置资源有控制权和使用权。通过总线仲裁器来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换装置内的信息。3 .分布式结构该装置有两个或更多CPU模块，每个模块有自己独立的运行环境，它们之间采用通讯方式交换信息。此外，还有一种多通道结构。4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置：单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU 通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。单微处理机结构
21、：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器、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。微处理器(CPU)是CNC的核心，CPU执行系统程序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器(PLC)送到机床，同时接收由PLC 返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。位置控制单元接收插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内位移量，控制伺服电机工作，并
22、根据接收到的实际位置反馈信号，修正位置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元。速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值去控制伺服电机以恒定速度运转。数据输入/输出接口与外围设备是CNC与操作者之间交换信息的桥梁。如通过MDI方式或串行通信，可以将工件加工程序送入CNC装置；通过CRT显示器，可以显示工件的加工程序和其他信息。总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。传输信息的高速度和多任务性，使总线结构和标准也在不断发展。CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。系统程序存放
23、在只读存储器EROM中；运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中；加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在磁泡存储器中。（第一讲）4.2.4多微处理机数控装置的硬件结构（第二讲）多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以上的CPU,各个CPU 之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上微处理器构成的功能模块，模块之间采用松耦合，多重操作系统有效地实现并行处理。4.2.4 理机CNC装置的典型结构互联方式：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。（1）功能模块CNC管理模块；负责管理和组织协调整个CNC系统的工作
24、，完成诸如初始化、终端管理、总线仲裁、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。CNC插补模块；完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等工作，按规定的插补类型通过插补计算为各坐标提供位置给定值。位置控制模块；负责比较插补后的位置给定值与检测到的位置实际值，并根据比较结果完成加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和补偿运算，最后得到速度控制的模拟电压，用以驱动进给电动机，完成相应操作，实现位置闭环。PLC模块；零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。
25、人机接口模块；负责处理零件程序、参数、操作控制、数据的输入/输出和显示等。存储器模块。指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。（2）共享总线结构在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和主模块与从模块在系统中带CPU的称为主模块，不带CPU的称为从模块。总线仲裁及其方式只有主模块有权控制和使用系统总线。但对于同时有多个主模块请求使用总线时，由总线仲裁器根据预先排好的优先级别的顺序来判别出各模块的优先权高低。仲裁方式有两种：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。某个主模
26、块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线，同时通知它后面的优先权较低的主模块不得使用总线。图4.9串行总线仲裁连接方式（3）共享存储器结构共:卓存储器结构框图图4.11 MTC1的CN微置结构框图CPU1为中央处理机，其任务是数控程序的编辑、译码、刀具和机床参数的输入。此外，作为主处理器，它还控制CPU2和CPU3,并与之交换信息。CPU1可以与公用存储器交换信息。CNC的控制程序（系统程序）有56K,存放在EPROM中。26K的RAM存放零件程序和预处理信息及工作状态、标志。为与CPU2和CPU3交换信息，它们各有512字节的公用存储器。CPU2为CRT显示处理机，它的任务是
27、根据CPU1的指令和显示数据，在显示缓冲区中组成一幅画面数据，通过CRT控制器、字符发生器和移位寄存器，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外，它还定时扫描键盘和倍率开关状态，并送CPU1进行处理。CPU2有16KEROM,存放显示控制程序。还有2KRAM,存放显示控制程序。其中512字节是与CPU1共用的公用存储器，另外的512字节是对应显示屏幕的页面缓冲区，其余1K 字节用于数据、状态及开关编码等信息的存储。CPU3为插补处理机。它根据CPU1的命令及预处理结果，进行直线和圆弧插补。它定时回收各轴的实际位置，并根据插补运算结果，计算各轴的跟随误差，以得到速度指令值，经D/A转换输出模拟电
28、压到各伺服单元。插补控制程序，存储在16K EPROM存储器中，它完成的工作是插补运算、位置控制、机床输入/输出接口和RS232c接口控制。另外,CPU3通过它的512字节公用存储器向CPU1提供机床操作面板开关的状态，及所需显示的位置信息等。CPU3对RS232C接口定时接收外设送来的数据，并通过公用存储器转送到CPU1的零件存储器中；或从公用存储器将CPU1送来的数据，经RS232c接口送到外设。（4）共享总线和共享存储器型结构多微处理机CNC装置采用共享总线，又共享存储器的结构形式能较好地完成并行多任务实时处理的数控功能。主处理单元：完成基本的数控任务及系统管理，主CPU为68000,1
29、6位处理器。图形显示单元：完成数控加工的图形显示（CPU为8086）和在线的人机对话自动编程（CPU为8086+8087）。其中OPC-操作控制器；BAC-总线仲裁控制器；1OC-输入输出控制器;图4.12 FUNUC11的CNC装置结构框图总线仲裁控制器：对请求总线使用权的CPU进行裁决，按优先级分配总线使用权，以及产生信号，使没有得到总线控制权的CPU处于等待状态。系统支持单元：接口 SSU是CNC装置与机床和机器人等设备的接口。用于传送高速信号的高速I/O 口；2ms的插补定时器。操作板控制器：用于和各种操作外设相连。主要包括：键盘信号的接收和驱动；CRT的控制接口；手摇脉冲发生器接口；
30、用于和处设相连的RS232c接口；操作开关和显示接口。输入输出控制器：接收和传送PLC和机床开关控制的按钮、限位开关、继电器等之间的信号。并行总线仲裁方式：配备专用逻辑电路来解决主模块的优先问题，通常采用优先权编码方案。模块之间的通讯，主要依靠存储器来实现。共享存储器的多CPU的CNC装置还采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通讯。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。图4.13双端口存储器结构框图图4.13多CPU共享存储器框图(5)多通道结构通道结构(Channel Structure),即两种以上程序的并行处理。4.2.5 理器CNC的优点较高的性价比；增加价格相对低廉的CPU及辅助
31、结构来实现多轴控制和高速度、高精度、高效率的数控功能。适应能力强；由于采用模块化结构，使系统功能可扩展性增强，并具仃良好的适应性，而且方便机床的调试、调整、维护和维修。可靠性高；由于采用了模块化，各功能的独立性增强，故障范围也受到相应的局限，一个功能模块的故障不会影响其他模块，便于检查和维修。易于组织规模化生产。规格化的模块已形成批量生产，并可保证质量。4.2.5开放式数控装置的体系结构一、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)的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。体系开放化定义(IEEE)：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、
32、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：系统构件(软件和硬件)具有标准化(Standardization)与多样化(Diversi fi cati on)和互换性(I nterchangeabili ty)的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；二、开放体系结构CNC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
33、便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；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；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。三、开放式数控装置的概念结构人数控功能应用程序应用程序接口实时多任务操作系统RTM数控系统 DOS(WINDOWS)标准计算机硬件四、国内外开放式数控系统的研究进展1 .几大研究计划美国：下一代控制器 NGC(The Next Generatio
34、n Work-station/Machine Controller)和开放式、模块化体系结构控制器OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划欧共体：自动化系统中控制的开放系统体系结构OSACA (Open System Architecture for Control within Automation Systems)计戈日本：控制器开放系统环境OSEC(Open System Environment for Controller)计划以上OMAC、OSACA和OSEC是三个有影响的开放式数控系统研究计划。华中I型基于IPC的CNC开放体系结构航
35、天I型CNC系统基于PC的多机CNC开放体系结构2 .开放程度：1) CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件。2)用户操作界面的开放。3)NC内核的深层次开放(PC+实时硬插件；PC+实时软中断)。3.开放式数控系统的发展趋势：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。2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的需求。3）网络化4.2.6点位/直线控制的数控装置的结构1 .点位/直线控制的一般概念（单轴数控）用于钻床、键床、机能简单的车床。点位控制只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一
36、定点运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。直线控制刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。2 .点位/直线数控系统数控装置的结构其核心是位置计算与比较线路，线路中一般都设有计数器，以接收测量装置发来的正向或反向脉冲，并做相应的加法或减法计数。图4.16点位/直线控制系统4.3 CNC装置的软件结构CNC软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，又称为系统软件，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的厂家的软件并不兼容，其功能和控制方案也不同，结构和规模上差别也较大。CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控
37、制软件中，融会了当今计算机软件技术中的许多先进技术。都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。4.3.1 软件结构特点1 .CNC装置软件硬件的界面CNC软件的结构取决于CNC装置中软件和硬件的分工，也取决于软件本身所应完成的工作内容。软件与硬件在实现各种功能方面的关系CNC装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境，是软件的运行基础，而软件反过来则可以优化硬件的设计，增强系统的功能和柔性。从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。软件与硬件在实现各种功能方面的特点硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，
38、适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则系统的性能价格比。软件、硬件实现功能的分配就是软件、硬件功能界面的划分。下图就是CNC的软、硬件界面。输入预处理补运算lJ服电机他置控制软件和硬件的功能界面几种划分2 .系统软件的内容及结构类型系统软件的组成：（管理和控制）管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。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多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元3.多任务并行处理(1) CNC装置的多任务性图中双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系图4.
39、19软件任务的并行处理在许多情况下CNC的管理工作和控制工作必须同时进行，即所谓的并行处理。例如，加工控制时必须同步显示系统的有关状态、位置控制与I/O 控制同步处理，并始终伴随着故障诊断功能；控制本身的插补、位置控制、预处理之间的并行处理。（2）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：“资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”。资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。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，轮流使用同一套设备的几个部分。硬件结构中使用
40、“资源重复”技术；软件结构中采用“时间重叠”和“资源共享”方法。1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。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CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上
41、来看,各个任务还是逐一执行的。（第二讲）2）并发处理和流水处理（对多资源的系统）（第三讲）在多CPU结构的CNC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：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入,则可采取流水处理的方法来实现并行处理。流水处理技术的涵义流水处理技术是利用重复的资源（CPU）,将一个大的任务分成若干个子任务，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加工零件的流水作业一样。并发处理和流水处理的特征在任何时刻（流水处理除开始
42、和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。3)并行处理中的信息交换和同步在CNC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。码控 处 理刀补缓冲区补处理插补缓冲区PLC控制位置反馈服驱动CNC装置数据转换流程示意图4.实时中断处理当数控系统运行时，出现某种非预期的事件，CPU暂时停下现行程序，转向为该事件服务，待事件处理完毕，再恢复执行原程序，这个过程称为中断。中断赋予数控系统中的CPU应变能力，把有序的运行和无序的事件统一起
43、来，大大增强了系统的处理能力。中断的处理过程（1） CNC系统的中断类型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中断。2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。3）硬件故障中断：各种硬件故障检测装置发出的中断。4）程序性中断：程序中出现异常情况的报警中断。（2） CNC系统中断结构模式1）前后台软件结构中的中断模式前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，前台程序为实时中断程序，承担全部实时功能,这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、面板扫描及输出等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、
44、译码、插补准备及管理等，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中实时中断程序不断插入。前后台程序相互配合完成加工任务。2）中断型软件结构中的中断模式：除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别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中断系统。其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。4.3.2输入和数据处理1 .零件程序的输入零件程序的输入包括两方面的内容：1）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。2）从零件程序存储器将零件程序段送入缓冲器（缓冲存储区）。同时还要完成无效码删除，代码校验和代码转换等工作。图4.25输入过程存储在零件存储器中的
45、零件加工程序是连续性存储的，各程序段之间和各程序之间并不存在任何空隙。加工程序按段存储，除加工程序外每段中还包含该段的字数、字符或其他有关信息。这样在存取时就很难寻找。就好像图书馆一样，众多的图书如果没有规律的存放在一个指定的地点，那么人们就很难能寻找出我们需要的具体的哪一本来。因此在零件存储器中开辟了目录区，该区中按照固定格式存放这些相应零件的有关存储信息，也就是我们所说的目录表。控制程序是通过目录表对零件加工程序进行存取的。目录表中的目录和存储的程序一一对应。目录区零件程序区程序号零件程序1程序首址程序终址程序号零件程序2程序首址程序终址空白目录区零件程序1零件程序2零件程序3零件程序I零
46、件程序n空白程序区零件程序存储器的结构示意图2.数据处理程序数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、辅助功能处理和进给速度计算等部分。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。（1）译码定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。方法：解释和编译。也就是说将存储在零件程序存储区的内部代码形式转化成控制机床运动的专门信息。内容：整理和存放。将解释和编译完的信息放到译码结果缓冲存储单元中。任务：1.代码的识别：上述过程主要是为各种代码设立一个功能标志，然后依此对功能码进行处理。每一个程序段的译码结果通常放在译码结果缓冲器中。2.功能码译码：是指将从加工程序缓冲器中或MDI缓冲器中取出的字符与内部规定的代码格式相比较，然后作相应的处理。（2）刀具