【文档说明】数控技术12-13-第四章-计算机数控系统课件.ppt，共(61)页，860.000 KB，由小橙橙上传

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第四章计算机数控系统（CNC系统）本章重点及难点1、CNC系统的组成2、CNC系统工作的一般过程3、CNC系统的硬件结构4、CNC系统的软件结构5、CNC系统的输入输出一、概念：1）NC数控：由硬件数控装置组成的系统来完成数控机床的功能。2）CNC系统：由

计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控机床的部分或全部功能。第一节概述二、CNC系统的组成及特点CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成1、CNC系统的组成：程序、输入输出装置、CNC控制器、主轴驱动和伺服驱动系统。可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软

件输出设备打印机穿孔机电传机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单元机床电器速度控制单元位置检测进给电机主轴控制单元主轴电机CNC控制器CNC系统的结构框图可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打印机穿孔机电传机显示

设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单元机床电器速度控制单元位置检测进给电机主轴控制单元主轴电机CNC控制器CNC控制器组成1）专用计算机：由计算机硬件和系统软件以及相应的I/O接口构成。处理机床

的轨迹运动的数字控制2）可编程控制器PLC：处理开关量的逻辑控制三、CNC系统功能和工作过程（一）功能：基本功能---必备的功能选择功能---用户根据机床的特点进行选择1.控制功能能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数

2.准备功能G指令代码，用来指定机床运动方式3.插补功能通过软件插补来实现刀具运动的轨迹4.进给功能用F指令代码直接指定加工的进给速度（1）切削进给速度（2）同步进给速度（3）进给倍率5.主轴功能指定主轴转速的S功能（1）转速表示Sr/minmm/min（2）指定恒定线速

度（3）主轴定向准停6.辅助功能7.刀具功能8.补偿功能（1）刀具的尺寸补偿(2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿9.字符、图形显示功能10.自诊断功能11.通信功能12.人机交互图形编程功能(二)工作过程（CNC的工作流程）坐标轴运动与位置

检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序1.输入：内容:

加工程序、刀具补偿参数、机床参数工作方式：存储方式、NC方式2.译码将程序编译成计算机能够识别的数据形式3.刀具补偿刀具半径补偿、刀具长度补偿4.进给速度处理将F分解成各进给运动坐标方向的分速度坐标轴运动与位置检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制

主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序5.插补在曲线上自动进行“数据点密化”6.位置控制将理论位置与实际反馈位置比较，用差值控制进给电动机的运转。坐标轴运动与位

置检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序7.I/O处理进行CNC与机床之间的信息传递和变换8.显示位于控制面

板上。程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。9.诊断联机诊断和脱机诊断功能坐标轴运动与位置检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处

理G指令处理输入译码零件程序第二节CNC系统的硬件结构一、构成及分类：1、构成：数控装置、驱动装置、输入输出设备、I/O接口、PLC装置2、分类：1）按硬件的设计与制造方式分：专用型：封闭型、制造使用不便通用型：开放型、规范化、标

准化2）按CNC系统的总体安装结构分：整体式：结构紧凑分体式：便于安装、更换3）按CNC电路板的结构特点分：大板式：主板和子板性价比高、易于实现机电一体化模块化：功能模板良好的适应性和可扩展性4）按CPU的数目分：单CPU：在数控系统中只有一个CPU，数控系统的主要功能，都由该CPU

完成；多CPU：存在多个CPU，每个CPU都执行一部分任务，共同完成数控系统的各种功能；二、单CPU的CNC1、结构：CPU总线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口EPROM纸带阅读机接口I

/O接口纸带阅读机机床操作主轴控制单元CRTPLC接口M~速度控制单元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机2、主要组成部分的功能：1）CPU：控制、运算控制：内部控制，对加工程序的输入、输出控制、对机床加工现场状态信息的记忆控制等运算：数据处理2）总线：传输信息的通道内部总线：内部器件间的连线外

部总线：系统总线3）存储器：内存储器（ROM、RAM）、外存储器4）位置控制单元：对机床进给运动的坐标轴位置进行控制5）信息输入输出接口：3、单CPU的特点：1）一个CPU进行集中控制、分时处理2）通过总线与存储器、I/O等各种接口相连3）结构简单4）功能受限制三、多CPU的CN

C1）结构：两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器紧耦合：有集中的操作系统松耦合：有多重操作系统实现并行处理2、特点1）计算处理速度提高独立执行程序、资源共享2）可靠性高3）良好的适应性和扩展性模块化、标准的接口4）易于组织规模生产3、通信方式（1）共

享总线结构（2）共享存储器结构1）共享总线结构会话式编程模块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块2）共享存储器结构

共享存储器I/O（CPU1）CRT（CPU2）插补（CPU3）轴控制（CPU4）4、多CPU的基本功能模块1）CNC管理模块2）CNC插补模块3）位置控制模块4）PLC模块5）命令与数据输入输出模块6）存储器模块会话式编程模块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显

示模块插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块第三节CNC系统的软件结构一、CNC系统软件：1、概念：为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控系统的一种专用软件。2、要求：分析系统控制对象的特点和对控制功能的要求，

决定采用相应的计算和控制方法，以便能实现管理控制功能。3、组成：管理软件、控制软件二、CNC装置软硬件的界面软件：灵活、适应性强，但是处理速度慢硬件：处理速度快，造价相对较高，适应性差1、软硬件比例分配影响因素：1）性价比2）CNC系统的功能

3）软硬件发展水平2、三种典型的CNC软、硬件界面软件零件程序插补准备硬件硬件硬件第二种：第三种：第一种:软件软件硬件输入插补执行电机速度控制位置控制硬件位置检测硬件机床三、CNC软件的特点:1、多任务性与实时性2、并行处理3、实时中断处理1．多任务性与实时性管理：实时性要求不高控制：实时性要求

高CNC系统的任务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管理控制2、并行处理1）概念：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输入显示诊断控制I/O速度处理位置控制译码刀具补偿插补2）并行处理方法：a.资源重复---硬件结构中采用b.资

源共享---软件结构中采用c.时间重叠---软件结构中采用资源分时共享多个用户按照时间顺序使用同一套设备a.应用单CPU的CNC装置、或多CPU中某个需要处理多任务的CPU装置。b.解决时间分配问题各任务何时占用CPU，以及占用CPU时间的长短c.采用的方法循环轮流和中断优先相结合CP

U分时共享的并行处理插补准备诊断初始化显示输入I/O处理中断优先级键盘位控插补d、工作过程分配环：轮流处理子任务实时性低环外：实时性强，可随时中断环内任务环内设置断点：插补准备诊断初始化显示输入I/O处理中断优先级键盘位控

插补时间重叠流水处理数据的转换过程：程序输入、插补准备、插补、位置控制4321ttttt12341432143214321432N1N2N3N1N2N3Δt1Δt3Δt5Δt7Δt3Δt1Δt5输出输出输出输出输出时间时

间空间空间12341432143214321432N1N2N3N1N2N3Δt1Δt3Δt5Δt7Δt3Δt1Δt5输出输出输出输出输出时间时间空间空间3、实时中断处理1）外部中断：主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断（如：紧急停、量仪到位

等）和键盘操作面板输入中断2）内部定时中断：主要有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：程序中出现的异常情况的报警中断。四、CNC的软件结构单CPU:中断型、前后台型多CPU系统：

各个CPU分别处理一定的功能，采用共享总线和共享存储器协调运行1、中断型1）特点：除了初始化程序之外，各种功能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。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的数据相互通讯来解决。2）典型的中断型结构

FANUC-BESK7CM中断级别主要功能中断源0控制CRT显示硬件1译码、刀具中心轨迹计算，显示器控制软件，16ms定时2键盘监控，I/O信号处理，穿孔机控制软件，16ms定时3操作面板和电传机处理硬件4插补运算、终点判别和转段处理软

件，8ms定时5纸带阅读机读纸带处理硬件6伺服系统位置控制处理4ms实时钟7系统测试硬件2、前后台型1）前台程序：实时中断服务程序，实现插补、伺服、机床监控等实时功能。与机床的动作直接相关、实时性要求高的程序2）后台程序：是一个循环运行程序

，完成管理功能和输入、译码、数据处理等非实时性任务，也叫背景程序。完成实时性要求不高或非时实性的子程序3）工作过程后台程序运行中，实时中断程序不断（每隔一段时间）插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。后台程序初始化实

时中断程序4）特点：a.对CPU性能要求较高，适用于单CPUb.程序各模块间依赖关系复杂，功能扩展困难，资源不能合理利用。5）CNC典型结构（美国A-B7360）系统初始化等待紧停复位背景程序MCU总清方式选择自动/单段手动键盘增量点动；连续点动；回参考点；设置零点

；阅读机复位；测试方式；CRT显示操作命令；MDI段；执行；数据输入；CRT显示等待循环起动段执行程序；读程序到缓存区；译码；处理传送；等待段完成状态检查M02EORM30倒带自动循环停处理10.24ms中断阅读机中断键盘中断保护现

场位置伺服面板扫描PAL程序插补面板输出恢复现场存入字符存入字符恢复现场恢复现场保护现场保护现场返回返回返回第四节CNC系统的输入输出与通信功能一、CNC系统的输入输出与通信要求(1)CNC装置作为单台机床的控制器a）数据输入输出设

备b）外部机床控制面板，如：键盘和终端显示器c）通用的手摇脉冲发生器d）进给驱动线路和主轴驱动线路(2）CNC装置作为FMS或CIMS中的一个控制器除以上作为单台设备的要求外，还有：a.具有网络通信功能b.配置接口：小型DNC接口远距离输入输出接口数据高速通道二、CNC系统常用外设及接口外部设备：

是指为了实现机床控制任务而设置的输入与输出装置。输入设备：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：通用显示器（如指示灯）、外部位置显示器（如CRT显示器、发光二极管（LED）显示器等）、纸带穿孔机、电传打字机、

行式打印机等。（一）纸带阅读机1、纸带阅读机的原理阅读机把纸带上有孔和无孔的信息逐行的转换为数控装置可以识别和处理的逻辑信号。2、分类：1）机械式：利用接触转换原理来识别出两种信号，纸带在行进的过程中，有孔触点接合，无孔触点不接合。特

点：传送速度较低，易产生接触不良，影响阅读信息的可靠性，容易磨损，影响纸带使用寿命，纸带还容易变形，不易保存。2）光电式：采用光敏元件来识别程序纸带上有孔和无孔的信息。反应速度快，具有较强的抗干扰能力和较高的阅读速度，一般约为300行／秒。（二）显示：CNC系统应具有显示数

据和其他信息的功能。不仅能显示字符，还能显示图形。因此，显示是数控机床最常用的输出设备，也是实现人机对话的一个重要手段。显示器类型：发光二极管（LED）显示器阴极射线管（CRT）显示器液晶显示器1）发光二极管（LED）显示器每个发光二极管通常需2～20mA的正向

驱动电流才能发光七段LED的连接abcdefg（LED）D0QAD1QBD2QCD3QDD4QED5QFD6QGD7QH八D锁存器（字形）VT1VT2（驱动）2）阴极射线管（CRT）显示器两种类型：一类是只能显示数字和文字等字符;另一类是既可显示字符又能显示图形。基本原

理：利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现。高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物，对应点的位置就出现光点，光点的亮度取决于电子束的强度。扫描路线水平逆程（消隐）水平正程（显示）第1线第2线第3线垂直逆程2、要求：保证高速和可靠地传送数据和程序——同步串行

传送方式，CNC装置中设有专用的通信接口，担负网络通信任务。1、目的：交换信息，共享资源（三）网络通信接口（MAP协议）3、计算机网络：通过通信线路并根据一定的通信协议互连起来的独立自主的计算机的集合。特点：（1）采

用适于工业环境的通信网络访问方式，网络采用总线结构。（2）采用适应工业环境的技术措施，以提高工业环境应用的可靠性。（3）具有较完善的明确而针对性强的高层协议以支持工业应用。（4）具有较完善的体系和互连技术，使网络易于配置和扩展。（5）针对CIM

S的需要而开发。美国GM公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信标准，已成为工厂自动化的通信标准。4、MAP协议1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容2）系统功能固定，无法对系统进行重新定义和扩

展3）缺乏统一有效和高速的通道4）人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵一、传统数控系统存在的问题：第五节开放式数控系统的结构及其特点定义：采用系统、子系统、模块分级式控制根据需要可实现重构和编辑各模块相互独立有较好的通信和接口协议硬件、软件和总

线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级二、开放式数控系统的定义1．软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本；1）硬件实时DOS系统：I/O

卡或运动控制卡Windows系统：DSP处理器运动控制卡2）软件实时实时的操作系统标准的操作系统上加上实时性内核三、开放式数控系统所具有的主要特点2．数控系统、驱动和数字I/O（PLC的I/O）连接的发展方向

是现场总线；3．网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求。