第三章 计算机数控系统 3.1概述 3.2CNC系统的硬件结构 3.3CNC系统的软件结构 3.4CNC系统输入／输出接口

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1 第三章 计算机数控系统 3.1概述 3.2CNC系统的硬件结构 3.3CNC系统的软件结构 3.4CNC系统输入／输出接口
3.5开放式数控系统的结构及其特点 3.6国内外常见数控系统简介 1

2 ３.１ 概述 CNC系统的组成 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、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。 CNC 系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等的CNC系统，但各种数控机床的CNC 系统一般由输入/输出（I/O）装置、数控装置、伺服驱动、反馈装置四部分组成，机床本体为被控对象。

3 ３.１ 概述 CNC系统的功能 1．控制功能 CNC 系统能控制的轴数及同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴，通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴联动控制，数控铣床需要三轴联动控制，而加工中心则为多轴控制。控制轴数越多，特别是联动轴数越多，要求CNC 系统的功能就越强，同时CNC 系统也就越复杂，编制程序也越困难。 2．准备功能 准备功能也称G 指令代码，它用来指定机床运动方式，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制功能；对于轮廓控制的加工机床，如车、铣中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐 标具有联动功能。

4 ３.１ 概述 CNC系统的功能 3．插补功能 CNC系统通过软件插补来实现刀具运动轨迹的控制。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。因此，CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补：插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补；伺服系统根据粗插补的结果，而将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。 4．进给功能 （1）切削进给速度。 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度. （2）同步进给速度。 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度。 （3）进给倍率。 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0-200%之间变化，每档间隔10%。使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度，并可以在试切零件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。

5 ３.１ 概述 CNC系统的功能 5．主轴功能 （1）转速的编码方式。一般用 S指令代码指定， 地址符 S后加两位数字或四位数字表示，单位分别为 r/min和 mm/min。 （2）指定恒线速度。 该功能可以保证车床和磨加工工件端面质量和不同直径的外圆加工具有相同的切削速度。 （3）主轴定向准停。 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。 6．辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向 ，切削液的开和关，刀库的 启和停等，一般是开关量的控制，它用 M指令代码表示。各种型号的CNC装置具有的辅助功能差别很大，而且许多是自定义的。 7．刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符 T为首，后面跟二位或四数字代表刀 为首，代表刀 具的编号。

6 ３.１ 概述 CNC系统的功能 8．补偿功能 （1）刀具的尺寸补偿。 如刀具长度补偿 、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿 ，这些功能可以补偿 刀具磨损以及换刀时对准正确位置，简化编程。 （2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿。 通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输 入到 CNC系统中，在实际加工进行补偿，从而提高数控机床的精度。 9．字符、图形显示功能 CNC系统可以配置单色或彩色CRT或 LCD，通过软件和硬接口实现字符和图形的显示 ，通 常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息人机对话编菜单、零件图形及刀具实际移动轨迹的坐标等。 10．自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过进行检查和诊断；也作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位，有的CNC可以进行远程通信诊断。

7 ３.１ 概述 CNC系统的功能 11．通信功能 为了适应柔性制造系统（ FMS）和计算机集成制造系统（CIMS ）的需求，CNC装置通常具有RS232C通信接口，有的还备有DNC接口，也有的CNC还可以通过制造自动化协议（MAP）接入工厂的通信网络。 12．人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于 NC 程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序编制，都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。因此，对于现代CNC系统 一般要求具有人机交互图形编程功能，有这种功能的CNC系统可以根据零件图直接编制程序，即编人员只需 输入图样上的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切和圆心坐标，生成加工程序。

8 ３.１ 概述 CNC系统的工作过程 输入→译码→数据处理→插补将→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。 1．输入 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的DNC接口输入 2．译码 以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译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区内。 3．数据处理 包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。

9 ３.１ 概述 3.1.3 CNC系统的工作过程 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“数据点的密化工作”。
３.１ 概述 CNC系统的工作过程 4．插补 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“数据点的密化工作”。 5．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置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6．I/O处理 处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7．显示 零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8．诊断 检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。

10 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.1 大板结构和功能模块结构
大板结构和功能模块结构 1．大板结构 所谓大板结构的CNC装置就是将所有或大部分硬件电路都集中设计在一块印刷板上，然 后在其插槽内入部分辅助型小印刷电路板，从而构成了整个数控装置的硬件。其主要由猪电路板、位置控制板、PC 板、图形控制板、附加 I/O板和电源单元等构成。主电路板是大印刷电路板，其他电路板是小板，小板通过与大印 刷板的插槽进行连接。

11 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.1 大板结构和功能模块结构
大板结构和功能模块结构 2．功能模块结构 将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC装置。

12 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.2 专用型结构和个人计算机型结构
专用型结构和个人计算机型结构 1．专用型结构 专用型结构CNC装置的硬件由制造厂家专门设计和制造，专用性强，但硬件之间不兼容 ，一般只有比较大型的数控系统专业厂家采用这种 结构 。如日本 FAUNUC数控装置，德国 SIEMENS数控 装置，美国 A-B数控装置，法国 NUM 数控装置都属于专用型结构。 2．个人计算机结构 个人计算机型结构的CNC装置是以工业 PC 机作为支撑平台，再由数控床制造厂根据需要插入自己的控制卡，构成相应的CNC 装置。个人计算机型结构综合了一般PC 机和工业控制计算机的特点，具体反映在以下几个方面： （1）与一般PC 机完全兼容，且易于实现升级换代。 （2）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。

13 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.3 单CPU结构与多CPU结构
特点： 一个微处理器完成所有的功能 采用总线结构 结构简单，易于实现 功能受限制 结构组成：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口； 2．多CPU结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。

14 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.3 单CPU结构与多CPU结构
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。 结构形式：分布式、主/从式、总线式。 (1)分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。

15 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.3 单CPU结构与多CPU结构
(3)主/从式：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。

16 ３.２ CNC系统的硬件结构 3.2.4 基于运动控制卡的开放式CNC 系统
如右图所示为典型基于PMAC 的开放式CNC 系统结构框图。该CNC 系统在工业控制计算机（IPC）平台上，采用PMAC 多轴运动控制器和双端口存储(DPRAM）构成控制中心。工控机的CPU 与PMAC 的CPU 构成主从式双微处理器结构，两个CPU 各自实现相应的功能。采用IPC 作为人机交互平台，利用其处理速度快、计算能力强和工作稳定的特点，可以准确快速的完成系统信息管理、数控指令发送、系统状态监测以及实时加工状态显示等功能；PMAC 处理伺服插补、运动控制等实时任务。IPC 与PMAC 采用以太网的通讯方式，同时使用DPRAM进行数据的高速传输，PMAC通过3 个通道连接各个伺服系统。

17 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC 系统软件的组成及特点 组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。

18 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC 系统软件的组成及特点 CNC 系统软件按功能分类如下： （1）输入数据处理程序
（2）插补计算程序 （3）速度控制程序 （4）位置控制 （5）管理程序 （6）诊断程序 2．CNC系统软件的结构特点 特点:多任务性与并行处理技术

19 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC 系统软件的组成及特点 （1）多任务性：：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、…
（2）并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。 并行处理的实现方式： 资源分时共享（单CPU） 资源重叠流水处理（多CPU） 1）资源分时共享并行处理方法（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。即：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。

20 ３.３ CNC系统的软件结构 CNC 系统软件的组成及特点 CPU 分时共享的并行处理

21 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC 系统软件的组成及特点 2）资源重叠流水并行处理方法（对多资源的系统）
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。 时间重叠流水处理

22 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.1 CNC 系统软件的组成及特点 3）实时中断处理
CNC 系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC 系统程序以零件加工为对象，每个程序段中有许多子程序，它们按照预定的顺序反复执行，各个步骤间关系十分密切，有许多子程序的实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC 系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。 CNC 的中断类型如下： （1）外部中断 （2）内部定时中断 （3）硬件故障中断 （4）程序性中断

23 ３.３ CNC系统的软件结构 3.3.2 CNC 系统软件结构控制模式
1．前后台型结构模式 前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序(背景程序):完成显示、程序编辑管理、系输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。 2．中断型结构模式 此结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。 3．功能模块结构模式 多微处理器CNC装置一般采用模块化结构,每个微处理器承担不同任务,形成特定功能模块,软件模块化，各功能模块之间有明确的接口。

24 ３.４ CNC系统输入／输出接口 3.4.1 CNC 系统的输入输出和通信要求 3.4.2 CNC 系统的输入输出设备
（1）系统要具备光盘、纸带、键盘、软驱、串口、网络之类的输入设备。 （2）需具备按程序对继电器、电机等进行控制的能力和对相关开关量（如超程、机械原点等）进行检测的能力。 （3）系统有操作信息提示，用户能对系统执行情况、电机运动状态等进行监视。 （4）应具有与DNC 计算机或上级主计算机直接通信的功能或网络通信功能，以便于系统管理 CNC 系统的输入输出设备 输入设备常见的有自动输入的纸带阅读机、磁带机、磁盘驱动器、光盘驱动器，手动输入的有键盘、手动操作的各种控制开关等。 输出设备常见的有数码管LED、液晶显示器LCD、阴极射线管CRT、薄膜晶体管TFT、纸带穿孔机、电传打字机和行式打印机等。

25 ３.４ CNC系统输入／输出接口 CNC 系统接口的分类与任务 1．接口的分类

26 ３.４ CNC系统输入／输出接口 3.4.3 CNC 系统接口的分类与任务 3.4.4 CNC 系统常用的接口 （1）进行电平和功率放大
2．接口的任务 （1）进行电平和功率放大 （2）强弱电隔离 （3）数/模（模/数）转换 （4）抗干扰。 CNC 系统常用的接口 1．直流模拟信号接口 2．直流数字信号接口 3．通信接口

27 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放的含义 可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放的含义 可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。 可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。 可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。 规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。 开放式数控系统概念结构 数控功能 应用程序

28 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 3.5.1 开放式数控系统的结构
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放式数控系统的结构 1．美国的NGC和OMAC计划及其结构 NGC 是一个基于工作站的实时加工控制器，要求适用于各类机床的CNC 控制和周边装置的过程控制，包括切削加工（钻、铣、磨等）、非切削加工（电加工、等离子弧、激光等）、测量及装配、复合加工等.

29 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 3.5.1 开放式数控系统的结构
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放式数控系统的结构 2．欧共体的OSACA计划及其结构 OSACA 对开放式的定义为：开放式系统应包括一组逻辑上可分的部件，部件间的接口及部件与执行平台间的接口要定义完备，并可实现不同开发商开发的部件可协调工作并组成一个完整的控制器，该控制器可运行于不同的平台，并实现对用户和其他自动化系统一致的接口。 目前，SIEMENS、FAGOR、NUM、INDEX 等公司已有数控产品与OSACA 部分兼容。OSACA系统平台结构如图3-20 所示。

30 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 3.5.1 开放式数控系统的结构
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放式数控系统的结构 3．日本的OSEC 计划及其结构 OSEC 采用三层功能结构，即应用、控制和驱动。这种结构可以实现零件造型、工艺规划（加工顺序、刀具轨迹、切削条件等）、机床控制处理（程序解释、操作模块控制、智能处理等）、刀具轨迹控制、顺序控制和轴控制等。OSEC 开放系统体系结构如图3-21 所示。

31 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 3.5.2 开放式数控系统的基本特征 （1）模块化 （2）标准化 （3）可移植性 （4）二次开发性
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放式数控系统的基本特征 （1）模块化 （2）标准化 （3）可移植性 （4）二次开发性 （5）网络化

32 ３.５ 开放式数控系统的结构及特点 3.5.3 开放式数控系统所具有的主要特点 1．软件化数控系统内核扩展了的柔性和开放，降低成本
３.５ 开放式数控系统的结构及特点 开放式数控系统所具有的主要特点 1．软件化数控系统内核扩展了的柔性和开放，降低成本 2．数控系统与驱动和字 I/O（PLC的 I/O）连接的发展方向是现场总线 3．网络化是基于技术的 ．网络化是基于技术的 ．网络化是基于技术的 ．网络化是基于技术的 E-Manufacturing对数控系统的必然要求

33 ３.６ 国内外常见数控系统简介 3.6.1 SIEMENS数控系统
３.６ 国内外常见数控系统简介 SIEMENS数控系统 SIEMENS数控以其良好的稳定性在我国机床行业得到了广泛应用，其采模块化结构设计，经济性好在一种标准硬件上配置多种软件，使它具有多种工艺类型，能满足各机床的需要。 SINUMERIK系列 CNC系统常用的有 SINUMERIK3 、SINUMERIK8 、 SINUMERIK810/820 、 SINUMERIK850/880 和 SINUMERIK840 等产品。 1．MMC软件系统 配置MMC102/103 以上的数控系统均带有硬盘，内装有基本输入、输出系统：BIOS、DR-DOS内核操作系统、Windows NT 或XP 操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支持SINUMERIK 与外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU 之间的相互通信及任务协调。 2．NC软件系统 （1）NCK 数控核初始引导软件。 该软件固化在EPROM 中。

34 ３.６ 国内外常见数控系统简介 3.6.1 SIEMENS数控系统
３.６ 国内外常见数控系统简介 SIEMENS数控系统 2．NC软件系统 （2）NCK 数控核数字控制软件系统。 它包括机床数据和标准的循环子系统，是SIEMENS 公司为提高系统的使用效能而开发的一些常用的车削、铣削、钻削和镗削等功能软件。用户必须理解每个循环程序的参数含义才能进行调用。 （3）SINUMERIK 611D 驱动数据。 它是指SINUMERIK 840D 数控系统所配套使用的 SIMODRIVE 611D 数字式驱动系统的相关参数。 （4）PCMCIA 卡软件系统。 在NCU 上设置有一个PCMCIA 插槽，用于安装PCMCIA 个人计算机存储卡，卡内预装有NCK 驱动软件和驱动通信软件等。 3．PLC软件系统 PLC 软件系统包括PLC 系统支持软件和PLC 程序。 （1）PLC 系统支持软件。 它支持SINUMERJK 840D 数控系统内装的CPU315-2DP 型PLC 的正常工作，该程序固化在NCU 内。 （2）PLC 程序。 它包含基本PLC 程序和用户PLC 程序两部分。

35 ３.６ 国内外常见数控系统简介 3.6.1 SIEMENS数控系统
３.６ 国内外常见数控系统简介 SIEMENS数控系统 4．通信及驱动接口软件 通信及驱动接口软件主要用于协调PLC-CPU、NC-CPU 和MMC-CPU 三者之间的通信关系。通信采用MPI 多点接口通信协议或Profibus 现场总线，如840D sl 就采用了PROFIBUS-DP 与数控系统连接，内部采用SIEMENS 公司自行开发的数字总线DRIVE-CLiQ 连接驱动器各模块，包括驱动器与驱动器、驱动器与电机传感器等。这样，SIEMENS 数控系统就构成了从数控系统到伺服驱动和测量单元的全数字化连接。

36 ３.６ 国内外常见数控系统简介 SIEMENS数控系统

37 ３.６ 国内外常见数控系统简介 华中数控系统 华中数控系统（HNC）是我国武汉华中数控系统有限公司生产的数控系统，已开发和应用的产品有HNC-1、HNC-2000、HNC-18/19、HNC-21/22、HNC-210 及HNC-32 六个系列多种型号的数控系统。

38 ３.６ 国内外常见数控系统简介 华中数控系统 1．软件结构说明 华中数控系统的软件结构如图3-25 所示。图中虚线以下的部分称为底层软件，它是华中数控系统的软件平台，其中RTM 模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC 系统的任务管理调度。NCBIOS 模块为基本输出系统，管理CNC 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC 控制、插补计算以及内部监控等。RTM 和NCBIOS 两模块合起来统称为NCBASE，如图中双点化线框所示。图中虚线以上的部分称为过程控制软件（或上层软件），它包括编辑程序、参数设置、译码设置、PLC 管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。对不同的数控系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减均在这一层进行，各功能模块通过NCBASE 的NCBIOS 与底层进行信息交换。

39 ３.６ 国内外常见数控系统简介 华中数控系统 1．软件结构说明

40 ３.６ 国内外常见数控系统简介 华中数控系统 2．NCBASE 的功能 （1）设备驱动程序。 对于不同的控制对象，如加工中心、数控铣床、数控车床、数控磨床等，硬件的配置可能不同，而不同的硬件模块其驱动程序也不同，华中数控系统就很好的解决了这个问题。 （2）插补器。 华中数控系统为多通道数控系统，每个通道都有一个插补器，相应就创建一个插补程序。其任务主要是完成直线、圆弧、螺纹、攻丝及微小直线段等插补计算。 （3）位置控制。 位置控制是NCBIOS 的一个固定程序，主要是接受插补运算程序送来的位置控制指令，经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后，输出速度指令值给位置控制模块。 （4）PLC 调度。 PLC 调度的主要任务：故障的报警处理；M、S、T 处理；急停和复位处理；虚拟轴驱动处理；刀具寿命管理；操作面板的开关处理；指示灯及突发事件处理等。

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