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1、本章知识点1典型数控系统：FANUC、SIEMENS和HNC-21的简介2数控系统的组成与基本原理3数控系统软件的特点与结构模式4零件程序的输入、译码、刀具补偿和处理用缓冲 区等数据处理 5.可编程控制器（PLC）的相关知识6数控系统的插补原理与插补方法。7常用插补法方法：逐点比较法的介绍下一页第1页/共226页2.1典型数控系统介绍2.1.1 FANUC数控系统介绍 日本FANUC公司生产的CNC产品主要有FS0、FS3、FS6、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我国用户使用的系列主要有FS0、FS15、FS16、FS18、FS21/210等。
2、1FS0系列 1985年FANUC公司推出了FS0系列面板装配式数控系统，它的主要特点是体积小、价格低，适用于机电一体化的数控机床。FS0系列数控一般由主电路板、PLC板、附加I/O板、图形控制板和电源组成。下一页 返回第2页/共226页2.1典型数控系统介绍FS0系列数控系统有多种规格。常用的数控系统型号有：FS0-MA/MB/MEA/MC/MF用于加工中心、数控铣床和镗床；FS0-TA/TB/TEA/TC/TF用于数控车床；FS0-TTA/TTB/TTC用于一个主轴双刀架或两个主轴双刀架的四轴数控车床；FS0-GA/GB用于数控磨床；FS0-用于回转头压力机。其中，T型用于单刀架单主轴的数
3、控车床；TT型用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床；M型用于数控铣床或加工中心；G型用于数控磨床；F型是对话型数控系统。上一页 下一页 返回第3页/共226页2.1典型数控系统介绍2FS6系列 1979年推出的FS6系列数控系统，是具备一般功能和部分高级功能的中级型CNC系统。其中，6M适用于数控铣、镗床和加工中心；6T适用于数控车床。3FS10/11/12系列 1984年推出的FS10/11/12系列数控系统为多微处理器控制系统。FS10/11/12系列数控系统适用于大、中型数控机床，具有很多规格，可用于各种机床，规格型号有M型、T型、TT型和F型。上一页 下一页 返回第4页/共226页
4、2.1典型数控系统介绍4FS15系列 1987年FANUC公司推出新的FS15系列多微处理器控制数控系统，称之为AI-CNC系统（人工智能数控系统）。它适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。5FS16系列 FS16系列是功能上位于FS15系列和FS0系列之间的最数控系统，在作为控制用的32位复合指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）上又增加了32位精减指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）。FS16系列采用高速32位FANUC BUS和TFT彩色液晶薄型显示器等新技术。上一页 下一页
5、返回第5页/共226页2.1典型数控系统介绍6FS18系列 FS18系列是紧接着FS16系列推出的32位数控系统，在功能上也是位于FS15系列和FS0系列之间，但低于FS16系列。7FS21/210系列 FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系统，该系统常用的数控系统型号有FANUC 21i-MA/MB、FANUC 21i-TA/TB 等。本系列的数控系统适用于中、小型数控机床。上一页 下一页 返回第6页/共226页2.1典型数控系统介绍2.1.2 SIEMENS数控系统介绍 SIEMENS数控系统是由德国SIEMENS公司生产，产品主要有SINUMERIK 3、SINUMERIK 8
6、、SINUMERIK 810、SINUMERIK 820、SINUMERIK 850、SINUMERIK 880、SINUMERIK 840、SINUMERIK 802等系列。上一页 下一页 返回第7页/共226页2.1典型数控系统介绍1SINUMERIK 3系列 SINUMERIK 3系列数控系统适用于各种机床控制，有M型、T型、TT型、G型和N型等。此外，3T系统借助于转换功能，可使一般的数控车床变成一个柔性车削中心。SINUMERIK 3系列数控系统主要由中央处理单元、存储器模块、操作面板接口、外部连接接口、PLC中央处理单元、PLC存储模块、编程器接口、逻辑模块及各种输入/输出模块等组
7、成。第8页/共226页2.1典型数控系统介绍2SINUMERIK 8系列SIEMENS公司于20世纪80年代初期推出，适用于各种数控机床。SINUMERIK 8系列数控系统主要由主控制模块、电源模块、存储模板、各种位置控制模板、测量接口模板、操作面板、电源模板和译码电路模板、PLC与CNC接口模板、PLC和CNC信号传递模板及系统软件模板等组成。上一页 下一页 返回第9页/共226页2.1典型数控系统介绍3SINUMERIK 810/820系列 SIEMENS公司于20世纪80年代中期推出，该系列产品分为M、T、G型等。其中M型用于数控镗床、铣床和加工中心；T型用于数控车床；G型用于数控磨床。
8、此系统一般用于中、小型数控机床。SINUMERIK 810/820系列数控系统由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储器模块、文字图形处理模块、接口模块、I/O模块、CRT显示器及操作面板组成。如P50图2-2所示为SINUMERIK 810数控系统结构。第10页/共226页2.1典型数控系统介绍4SINUMERIK 850/880系列 20世纪80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 850/880系列数控系统。该系列产品适用于高度自动化水平的机床及柔性制造系统，有850M、850T、880M和880T等规格。SINUMERIK 850/880最多可控制30个主、辅坐标轴和6
9、个主轴，可实现16个工位联动控制。上一页 下一页 返回第11页/共226页2.1典型数控系统介绍5SINUMERIK 802系列20世纪90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 802系列数控系统。其中802S和802C是经济型数控系统，可带3个进给轴。802S采用带有脉冲及方向信号的步进驱动接口，可配接STEPDRIVEC/C+步进驱动器和五相混合式步进电机或FMSTEPDRIVE步进驱动器和1FL3系列三相步进电动机，如P51 图2-3所示为SINUMERIK 802S数控系统结构；802C则包含有传统的-10V10V接口，可配接SIMODRIVE611驱动装置。802S/
10、C除了3个进给轴外，都有一个-10V+10V接口，用于连接主轴驱动。SINUMERIK 802S/C包含操作面板、机床控制面板、CNC单元及PLC模块，可安装在通用的安装导轨上。SINUMERIK 802D是数字式的数控系统，可控制最多4个数字进给轴和一个主轴。如P52图2-4所示。数控系统通过PROFIBUS总线与I/O模块和数字驱动模块相连接，主轴通过模拟接口控制。SINUMERIK 802S/802C/802D采用SIMATIC S7-200PLC指令集对系统内部PLC进行编程。第12页/共226页2.1典型数控系统介绍2.1.3 HNC-21数控系统介绍 国产华中“世纪星”数控系统采用
11、基于工业计算机作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。如图2-5所示为华中“世纪星”系列产品。1“世纪星”系统配置主要特点如下：（1）基于工业PC的数控系统，先进的开放式体系结构。可与数控车、数控铣、加工中心、车铣复合等机床配套。（2）“世纪星”系统有普及型（HNC-21）和功能型（HNC-22）两个系列，可配6个进给轴，最大联动轴数为6轴。进给轴控制接口类型有脉冲、模拟、串口等多种类型，可连接多种伺服电机和步进电机。既可用作半闭环、闭环控制，也可用作开环控制。上一页 下一页 返回第13页/共226页2.1典型数控系统
12、介绍（3）系统配置7.7英寸彩色液晶显示器（分辨率640480象素），也可配10.4英寸TFT彩色液晶显示器（分辨率640480象素），画面美观、清晰、直观。（4）可选配电子盘、硬盘、软驱、网络等存储器，极大地方便用户的程序输入。用户程序可断电储存容量达16MB。程序存储个数无限制,直至存储器写满。（5）标准配置40路输入和32路输出，不需扩展即可满足大部分数控车、铣和加工中心的控制要求，并可根据需要扩展到128路输入和128路输出。（6）面板包含标准数控车、铣床操作按钮和状态指示灯，使用户操作直观明了。显示屏亮度具有手动和自动调节功能。上一页 下一页 返回第14页/共226页2.1典型数控系
13、统介绍（7）DNC接口通讯功能，DNC最大速度115.2KB/S；可选配局域网（以太网）连接功能，可实现数控机床联网，以太网速度可达10100MB/S。2“世纪星”系统功能主要特点如下：（1）编程语言采用国际通用的G代码编程，具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，支持程序的旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序、子程序调用、多种坐标系设定等功能。支持MasterCAM、UG、ProE和CAXA等CAD/CAM系统生成的数控加工程序。（2）支持公制/英制输入，绝对值/增量值编程，每分钟/每转进给和直径/半径编程等功能。上一页 下一页 返回第15页/共226页3.1 数控系统基本原理（3）提供多种固定循环和
14、复合循环，数控车床内（外）径粗车复合循环支持凹槽加工功能。固定循环和复合循环的使用可以用一个程序段来完成一个加工循环，使编程大大简化。（4）数控车床支持倒角（直角、圆角）、螺纹切削，螺纹切削具有多头螺纹加工功能，并可加工变螺距螺纹。数控铣床既支持柔性攻丝也支持刚性攻丝，刚性攻丝的使用提高了加工效率,保证螺纹精度。（5）支持恒线速度切削功能，根据刀尖的位置自动变化主轴速度，使切削线速度保持恒定，以满足工件加工的工艺要求，大大提高精加工面粗糙度，延长刀具的使用寿命。上一页 下一页 返回第16页/共226页3.1 数控系统基本原理（6）具有小线段连续高速加工功能（G64）和准确定位功能（G61），加
15、减速控制采用S曲线加减速。G64支持程序超前预处理，超前预读程序，将小线段按连续轨迹高速进给，根据拐角大小，自适应控制进给速度，保证拐点处的误差小于跟踪误差的允差设定，特别适合加工CAD/CAM生成的复杂模具加工程序。（7）8重子程序调用，宏程序支持逻辑运算符（AND、OR、NOT）、函数（SIN、COS、TAN、ATAN、ATAN2,、ABS、INT、SQRT、EXP）、条件判别语句（IF、ELSE、ENDIF）和循环语句（WHILE、ENDW），可实现复杂的运算，功能强大。用户使用变量进行算术、逻辑和函数的混合运算，可编制各种复杂的零件加工程序，减少甚至免除繁琐计算，大大精简程序量。上一页
16、 下一页 返回第17页/共226页3.1 数控系统基本原理（8）支持单、双向螺距补偿和反向间隙补偿，螺距补偿数据最多可达256点。具有跟踪误差允差设定与报警功能，数控系统实时监控机床实际坐标，对机床的非正常运行状态进行报警。（9）具有断点保存与恢复功能，大零件程序加工可分时段加工，系统记忆上次中断加工时的状态，为用户提供极大的方便。（10）三维图形实时显示刀具轨迹和零件形状，界面实时加工参数显示，包括坐标位置（机床、工件、相对）、跟踪误差、剩余进给、M、S、T和进给速度、倍率等，显示内容丰富。（11）空运行和图形化程序校验功能，方便加工代码的编制和检验。具有后台编程功能。上一页 下一页 返回第
17、18页/共226页2.1典型数控系统介绍（12）具有进给修调、快速修调和主轴转速修调三种控制功能，修调范围达到10150。（13）系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能（程序代码和帮助图例），操作简便，易于掌握和使用。（14）支持自动换刀、刀具长度补偿和刀尖半径补偿。数控车床系统支持多种对刀方式（相对刀偏和绝对刀偏），刀补具有圆弧半径补偿，满足高精度加工的要求。（15）支持指定程序行加工、任意程序行加工和程序跳段功能，加工代码的控制更加方便、灵活。（16）提供二次开发接口，可按用户要求定制控制系统的功能，适合专用机床控制系统的开发。上一页 下一页 返回第19页/共226页2.1典型数控系
18、统介绍其它数控系统介绍 除了以上的三种系统，还有：日本的Mitsubishi（三菱）控制系统美国的ALLEN-BRADLEY（A-B）系统西班牙的FAGOR（发格）系统美国的CINCINNATI（辛辛那提）系统日本的OKUMA（大隈）系统法国的Num（纽目）系统德国的Heidenhain（海德汉）系统德国的DECKEK控制系统意大利的FIDIA系统德国的HELLER系统和美国的马豪数控系统等。上一页 下一页 返回第20页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.1 数控系统的组成 数控系统是由各种逻辑元件、记忆元件组成的逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由元件实现全部数控功能。从外部看
19、，数控系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成，如图2-6所示。数控系统的控制精度主要取决于硬件，而控制功能主要取决于软件。数控系统的逻辑控制、几何数据处理以及零件程序的执行均由CPU统一控制，即数控系统为软件控制系统。上一页 下一页 返回第21页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理计算机数控系统的组成如图2-7所示。主要由操作面板、输入/输出装置、计算机数控装置、伺服单元、驱动装置、可编程逻辑控制器PLC等组成。第22页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理1操作面板 操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计
20、算机键盘类似）和显示器组成。数控系统一般采用集成式操作面板，分为三大区域：显示区，NC键盘区和机床控制面板区。如图2-8所示。上一页 下一页 返回第23页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2输入/输出装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号，传送并存入数控装置内。输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值、报警信号等。数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入、输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。计算机数控系统还可以用通讯的方式进行信息的交换，这是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。上一页 下一页 返
21、回第24页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理通常采用的通讯方式有：（1）串行通讯（RS232等串行通讯接口）。（2）自动控制专用接口和规范（DNC和MAP等）。（3）网络技术（INTERNET和LAN等）。上一页 下一页 返回第25页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理3计算机数控装置（CNC装置）数控装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路及与数控系统其它组成部分联系的接口及相应控制软件。如P54图2-9所示。数控装置输出的信号有各坐标轴的进给速度，进给方向和位移指令，还有主轴的变速，换向和启停信号，选择和交换刀具的指令，控制冷却液，
22、润滑油启停，工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位辅助指令信号等。如图2-10所示为典型数控系统面板，分别为FANUC 0i、华中世纪星HNC-21T及西门子802S数控装置。上一页 下一页 返回第26页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理4伺服单元 伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。伺服单元接收来自数控装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。因此伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之
23、分，其工作原理亦有差别。上一页 下一页 返回第27页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理5驱动装置 驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机等。上一页 下一页 返回第28页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理6可编程控制器（PLC）可编程控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，
24、用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。当PLC用于控制机床顺序动作时，称为PMC(Programmable Machine Controller)模块，它在数控装置中接收来自操作面板，机床上的各行程开关，传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制，刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。上一页 下一页 返回第29页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.2 数控系统的特点1、灵活性这是数控系统的突出优点。对于数控系统，只要改变相应的控制程序就可以补充和开发新的功能，
25、并不必制造新的硬件。数控系统能够随着工厂的发展而发展，也能适应将来改变工艺的要求。在数控设备安装之后，新的技术还可以补充到系统中去，这就延长了系统的使用期限。因此，CNC系统具有很大的“柔性”灵活性。第30页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.2 数控系统的特点2、通用性在 CNC 系统中，硬件系统采用模块结构，依靠软件变化来满足被控设备的各种不同要求。采用标准化接口电路，给机床制造厂和数控用户带来了许多方便。于是，用一种 CNC 系统就可能满足大部分数控机床(包括车床、铣床、加工中心、钻镗床等)的要求，还能满足某些别的设备应用。当用户要求某些特殊功能时，仅仅是改变某些软件而已
26、。由于在工厂中使用同一类型的控制系统，培训和学习也十分方便。第31页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.2 数控系统的特点3、可靠性在CNC系统中，由于许多功能都由软件实现，硬件系统所需元器件数目大为减少，整个系统的可靠性大大改善，特别是随着大规模集成电路和超大规模集成电路的采用，系统可靠性更为提高。据美国第13届 NCS 年会统计的世界上数控系统平均无故障时间是：硬线NC系统为136h，小型计算机CNC系统为984h，而微处理机 CNC 系统据日本发那科公司宣称已达23000h。第32页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.2 数控系统的特点4、易于实现许多复杂
27、的功能CNC 系统可以利用计算机的高度计算能力，实现一些高级的复杂的数控功能。刀具偏移、英公制转换、固定循环等都能用适当的软件程序予以实现；复杂的插补功能，例如抛物线插补、螺旋线插补等也能用软件方法来解决；刀具补偿也可在加工过程中进行计算；大量的辅助功能都可以被编程；子程序概念的引入，大大简化了程序编制。第33页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.2 数控系统的特点5、使用维修方便CNC 系统的一个吸引人的特点是有一套诊断程序，当数控系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障部位，减少了维修的停机时间。另外，还可以备有数控软件检查程序，防止输入非法数控程序或语
28、句，这将给编程带来许多方便。有的CNC系统还有对话编程、蓝图编程，使程序编制简便，不需很高水平的专业编程人员。第34页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理2.2.3 数控系统的基本原理 CNC系统的生产厂家编制好CNC控制软件（也称为系统程序）后，都要把它固化在ROM（EPROM）（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）中，系统接上电源后即自动由CPU按照此固化的程序运行。上一页 下一页 返回第35页/共226页2.2 数控系统的组成与基本原理数控系统的主要任务是控制零件程序的执行，其他任务可以说是为了更好地完成这一任务而进行的辅助和配合。一个零件程序
29、的执行首先要输入数控系统，经过译码、数据处理、插补和位置控制，由伺服系统执行数控系统输出的指令驱动机床完成加工。如图2-11所示为数控系统的工作过程。上一页 下一页 返回第36页/共226页2.3 数控系统的硬件结构2.3.1 数控系统的硬件类型数控系统的硬件结构，按其中含有CPU的多少可划分为单机系统和多机系统。1.单机系统是指整个数控系统只有一个CPU，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。其特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等的限制，现已被多机系统的主从结构所替代。上一页 下一页 返回第37页/共226页2
30、.3 数控系统的硬件结构2.多机系统是指整个数控系统中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。根据部件间的相互关系又可将其分为：（1）主从结构系统：系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU 的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU 发出请求信息以获得所需的数据。只有一个CPU处于主导地位，其它CPU处于从属地位，故称之为主从结构。上一页 下一页 返回第38页/共226页2.3 数控系统的硬件结构（2）多主结构系统：系统中有两个或两个以上带CPU的功能模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合（即均挂在系统
31、总线上，集中在一个机箱内）有集中的操作系统，通过仲裁器（软件和硬件）来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交换信息。（3）分布式结构系统：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境（系统总线、存储器、操作系统等），模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，且采用通讯方式交换信息。上一页 下一页 返回第39页/共226页2.3 数控系统的硬件结构2.3.2 单机或主从结构模块的硬件介绍 单机系统按组成数控装置的电路板的结构特点可分为大板式结构和模块化结构。大板式结构的特点是：CNC装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等，其他相关子板，如
32、ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。大板式结构的CNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能价格比。A-B公司的8601就是大板式结构的CNC。上一页 下一页 返回第40页/共226页2.3 数控系统的硬件结构模块化结构的特点是：将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬件模块形成一个特定的功能单元，成为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此间可进行信息交换。模块化结构的典型应用有FANUC公司的15系统、A-B公司的8600 CNC、FAGOR的8050 CN
33、C等。第41页/共226页2.3 数控系统的硬件结构如图2-12所示是单机或主从结构的数控系统硬件结构框图。数控装置是按模块化设计的方法构造的。这类数控系统的硬件由具有若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，即具有模块化结构。模块化结构对数控系统的设计和生产以及维修都有极大好处。实现这种结构的方法称为模块化设计方法。第42页/共226页2.3 数控系统的硬件结构模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块，并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一
34、般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。第43页/共226页2.3 数控系统的硬件结构实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。下面从功能方面讨论一下图2-12所示数控系统中各硬件模块的作用。第44页/共226页2.3 数控系统的硬件结构1.计算机主板和系统总线(母板)计算机主板。P60如图2-13，计算机主板是CNC装置的核心。数控系统的计算机系统在功能上完全与普通标准PC机一样，各硬件模块也与PC机总线标准兼容，只是在结构上稍有不同：主板与系统总线（母板）是分离的，即系统总线是一单独的无源母板。主板做
35、成插卡形式，集成度更高，即All-In-One主板。计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的各种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。第45页/共226页2.3 数控系统的硬件结构系统总线(母板)：是由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道。从功能上来说可分三组：数据总线：是各模块之间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，是双向总线；地址总线：是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，可以确定数据总线上的数据的来源地或目的地，是单向总线；控制总线
36、：是一组传送管理和控制信号的总线，是单向总线。一般工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。P61图2-14为无源母板的外观。第46页/共226页2.3 数控系统的硬件结构2.显示模块(显示卡)显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。市场有VGA卡等在数控系统中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显
37、示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。第47页/共226页2.3 数控系统的硬件结构3.输入/输出模块(多功能卡)它是数控系统与外界进行数据和信息交换的接口板，即数控系统通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将数控装置中的数据送给输出设备。该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是标准主板，则此板可省略。输入设备有：软盘驱动器；输出设备有：打印机；输入/输出设备有：磁盘驱动器、磁带机。第48页/共226页2.3 数控系统的硬件结构若将以上三部分（计算机主板和系统总线、显示模块、输入/输出模块），再
38、配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是数控装置的核心，从某种意义上讲，数控装置的档次和性能是由它决定的。因此，数控装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。第49页/共226页2.3 数控系统的硬件结构4.电子盘(存储模块)电子盘存储内容。电子盘是数控装置特有的存储模块。在数控装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。存储器的种类。目前，计算机领域所用存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）；光存储器件，如：光盘（只读）；电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、
39、FLASH 等。第50页/共226页2.3 数控系统的硬件结构前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类：只读存储元件（ROM、PROM、EPROM、E2PROM）。特点是只能读出存放的数据，不能随时修改数据。用于固化调试通过了的系统软件和系统固有的参数。易失性随机读写存储元件（RAM）。特点是可以随时对数据进行读写操作，一旦掉电存储信息将会丢失。有动态和静态之分，动态：价格低、速度慢，主要用作计算机系统的内存；静态：价格高，速度快，用作计算机系统的缓存器Cache。非易失性读写存储元件。特点是可以随时对其
40、进行读写操作，即使掉电，信息不会丢失。主要用作存放系统的配置参数，零件加工程序。这类器件有：E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。第51页/共226页2.3 数控系统的硬件结构在数控系统中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到数控系统的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。因Flash组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。常用USB接入，外存储器又称为U盘。电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB，128MB，256MB等。目前U盘容量可达几个GB。P63 图2-18所示为电子盘的逻
41、辑框图。第52页/共226页2.3 数控系统的硬件结构5.设备辅助控制接口模块PLC(Programmable Logic Controller)模块 数控系统的控制有两类：一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”；一类是对设备动作的“顺序控制”。数控机床的“顺序控制”是指数控机床运行中，以数控系统内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停、换向，刀具的加紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制。PLC模块：数控系统实现顺序控制的模块。第53页/共226页2.3 数控系统的硬件结构从P63图2-19可以看出PLC 模块的作用
42、：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。数控系统与被控设备交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、脉冲量信号。上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与数控系统相连，需要一个接口（设备辅助控制接口）对这些信号进行变换处理。第54页/共226页2.3 数控系统的硬件结构信号变换处理的目的是：进行信号转换，以满足数控系统的输入输出要求。阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将数控系统与外部信号进行隔离，以提高数控系统运行的可靠性。因此，设备辅助控制接口模块必须能完成两个任务：电平
43、转换和功率放大；电气隔离；第55页/共226页2.3 数控系统的硬件结构目前，设备辅助控制接口的实现方式有：简单I/O接口板。如P63图2-19所示。在改接口电路中，光电隔离器件起电气隔离和电平转换作用；调理电路对输入信号进行整形滤波等处理。PLC控制。这是目前数控系统采用最为广泛的一种方式。它的基本结构如P64图2-20所示。数控机床用的PLC 一般分为两类：内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）第56页/共226页2.3 数控系统的硬件结构6.位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹
44、控制时，CNC 装置与伺服驱动系统连接的接口模块。如P65图2-23所示。常用的位置控制模块有：开环位置控制模块：CNC 装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC 装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。第57页/共226页2.3 数控系统的硬件结构7.功能接口模块 该模块实现用户特定功能要求的接口板，要求用户向生产厂家定制，无需自己开发。如：仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。第58页/共226页2.3 数控系统的硬件结构2.3.3 多主结构数控系统的硬件简介 多主CPU 结构中，有两个或两个以上的CPU 部件，部件之间采用紧耦
45、合，有集中的操作系统，通过总线 仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。多主结构的特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。第59页/共226页2.3 数控系统的硬件结构多主结构的结构形式：共享总线结构型共享存储器结构型。1.共享总线结构型以系统总线为中心，把数控系统内各功能模块分为带有CPU 的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O 模块)，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上。采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。如图2-2
46、6所示。共享总线结构的优点：结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高；共享总线结构的缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响；由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。第60页/共226页2.3 数控系统的硬件结构2.共享存储器结构型 面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。如图2-27所示。第61页/共226页2.4 数控系
47、统的软件结构2.4.1 数控系统软硬件的功能界面数控系统软件是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径的补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可以看作一个个功能模块，其间存在着耦合关系；从时间上讲，各功能模块之间存在一个时序和配合问题。上一页 下一页 返回第62页/共226页2.4 数控系统的软件结构软件结构取决于CNC系统中的软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。在信息处理方面，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工作原则上也能由软件完成。第63页/共226页2.4 数控系统的软件结构但是，硬件和软
48、件在实现这些功能时各有不同的特点：1.硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。2.软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。第64页/共226页2.4 数控系统的软件结构所以，到底哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，即如何合理确定CNC装置软件硬件的功能分担是数控系统结构设计的重要任务，这就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。功能界面划分的准则：系统的性能价格比。随着功能要求的不同，不同产品的软硬件界面是不一样的，如图2-28所示就是数控系统功能界面划分的几种方法。第65页/共226页2.4 数控系统的软件结构2.4.2 数控系统的数据转换流程 数控系统软件的主要任务
49、之一就是：如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。如图2-29所示为数控系统的数据转换流程。第66页/共226页2.4 数控系统的软件结构1.译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASCII 码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。译码后的数据存放在译码缓冲区，以
50、供后续程序使用。第67页/共226页2.4 数控系统的软件结构2.刀具补偿处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。第68页/共226页2.4 数控系统的软件结构刀补处理主要进行以下几项工作：根据绝对坐标/增量坐标（G90/G91）计算零件轮廓的终点坐标值。根据刀具半径R和刀具半径补偿的方向（G41/G42），计算刀具中心轨迹的终点坐标值；根据本段和前段连接关系，进行段间连接处理。转换后的数据存放在刀补缓冲区，以供后续程序使用。第69页/共226页2