兰州交通大学：《数控技术及编程》课程教学资源（教案讲义）07.doc_大学文库

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、讲稿第二节计算机数控系统第三节计算机数控系统的硬件结构一、概述作为现代数控系统核心的CNC装置实际是一台专门用于数控加工的计算机系统。数控系统的主要功能和主要性能指标都取决于C、C装置的硬件结构和软件系统。其硬件结构从 CNC 系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把CT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装。分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式有利于更换和安装。按CC装置中CPU 的个数可分为单处理器结构和多处理器结构。 (一)从系统电路板结构分析分为大板式结构和模块化结构。 1.大板式结构这种结构的特点是一个系统一般都有一块大板（称为主板），主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等，其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面组成系统的核心部分大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能/价格比，也便于机床的体化设计，大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。 2.总线模块化的开放系统结构这种结构的特点是将CPU、存储器、输入输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），甚至将CPU、存储器、输入输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬、软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能楼块。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，彼此可以进行信息交换。这种积木式组成CNC系统，使设计简单、柔性比较高、有良好的适应性和扩展性、试制周期短、调整维护方便、效率高。 (一)从系统使用CpLI分折分为单CpII和多CpII结构初期的 CN 的型CNC 系统般采用单CPU结构，而多CPU 结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，适应于并入 FMS和CIMS运行的需要，从而得到了迅速的发展，也反映了当今数控系统的新水平。 1.单CPU数控的系统结构（如图2-34所示）兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿第二节计算机数控系统第三节计算机数控系统的硬件结构一、概述作为现代数控系统核心的 CNC 装置实际是一台专门用于数控加工的计算机系统。数控系统的主要功能和主要性能指标都取决于 CNC 装置的硬件结构和软件系统。其硬件结构从 CNC 系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装。分体式结构通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同, 操作面板相应地要改变，做成分体式有利于更换和安装。按 CNC 装置中 CPU 的个数可分为单处理器结构和多处理器结构。（一）从系统电路板结构分析分为大板式结构和模块化结构。 1．大板式结构这种结构的特点是一个系统一般都有一块大板（称为主板），主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路等，其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如 ROM 板、零件程序存储器板和 PLC 板都直接插在主板上面，组成 CNC 系统的核心部分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能／价格比，也便于机床的一体化设计，大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。 2．总线模块化的开放系统结构这种结构的特点是将 CPU、存储器、输入输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），甚至将 CPU、存储器、输入输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬、软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。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，彼此可以进行信息交换。这种积木式组成 CNC 系统，使设计简单、柔性比较高、有良好的适应性和扩展性、试制周期短、调整维护方便、效率高。（二）从系统使用 CPU 分析分为单 CPU 和多 CPU 结构。初期的 CNC 系统和现在的一些经济型 CNC 系统一般采用单 CPU 结构，而多 CPU 结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，也反映了当今数控系统的新水平。 1．单 CPU 数控的系统结构（如图 2-34 所示）

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程纸带阅读初机床操作进给电机 EPROM 「速度控制速 R圈图可©装可一刻一9 伊礼机电传机做控面板可图2-34单CPU系统结构图 2.名CD】系统的硬件结物多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。现代的CNC系统大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单CPU结构提高了计算机的处理速度。多CPU 结构的CNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPU的CNC系统由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。多 CPU数控系统的由有两种典型结构，一种时共享总线结构，另一种是共享存储器结构。这种结构的CNC 系统如图235所示，在这种系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。其结构如图所示：将各个功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线将各个模块有效的连接在一起。在共享总线结构中，多采用公共存储器的方式在各个模块之间进行信息的交换，公共存储器直接挂在总线上，各个模块多可以访问。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，无源总线造价低。因此常常被采用。但是这种结构的缺点是各个主模块使用总线时会引起竞争，而使信息的传输效率降低。总线一旦出现故障会影响全局。兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 3 图 2-34 单 CPU 系统结构图 2．多 CPU 系统的硬件结构多 CPU 结构 CNC 系统是指在 CNC 系统中有两个或两个以上的 CPU 能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。现代的 CNC 系统大多采用多 CPU 结构。在这种结构中，每个 CPU 完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单 CPU 结构提高了计算机的处理速度。多 CPU 结构的 CNC 系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多 CPU 的 CNC 系统由于每个 CPU 分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。多 CPU 数控系统的由有两种典型结构，一种时共享总线结构，另一种是共享存储器结构。 1）共享总线结构这种结构的 CNC 系统如图 2-35 所示，在这种系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。其结构如图所示：将各个功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线将各个模块有效的连接在一起。在共享总线结构中，多采用公共存储器的方式在各个模块之间进行信息的交换，公共存储器直接挂在总线上，各个模块多可以访问。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，无源总线造价低。因此常常被采用。但是这种结构的缺点是各个主模块使用总线时会引起竞争，而使信息的传输效率降低。总线一旦出现故障会影响全局

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程管理模块 (CPU）麦布获插补模块 PLC功能模位置控制模主轴控制模 (CPU 块(CPU) 块(CPU) 块(CPU) 图2-35 共享总线结构 2)共享存储器结构这种结构的CNC系统如图2-36所示，在该结构中，采用多端口存贮器来实现各 CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难 VO (CPUI) 显示(CPU2) 共享存储器插补(CPU3) 轴控制(CPU4) 图2-36共享存储器的多CPU结构图 3.多CPU系统的各种功能模块 (1)管理模块该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。 (2)插补模块该模块是进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值 (3)位置控制模块对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。 (4)PLC模块零件程序的开关量(S、M、T)和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等 (5)命令与数据输入输出模块指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。 6)存储器模块是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 4 图 2-35 共享总线结构 2）共享存储器结构这种结构的 CNC 系统如图 2-36 所示，在该结构中，采用多端口存贮器来实现各 CPU 之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。当 CNC 系统功能复杂要求 CPU 数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。图 2-36 共享存储器的多 CPU 结构图 3．多 CPU 系统的各种功能模块（1）管理模块该模块是管理和组织整个 CNC 系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2）插补模块该模块是进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。（3）位置控制模块对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。（4）PLC 模块零件程序的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。（5）命令与数据输入输出模块指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6）存储器模块是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块会话式编程模块（CPU）插补模块（CPU） PLC 功能模块（CPU）位置控制模块(CPU) 主轴控制模块（CPU）共享存储器 I/O（CPU1）显示（CPU2）插补（CPU3）轴控制（CPU4）

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、微机基本系统通常微机基本系统是由CPU、存储器(EPROM、RAM)、定时器、中断控制器等几个主要部分组成 (1) CPU CPU是整个数控系统的核心常见的中低档数控系统基本上采用8 位或16位CPU: 如8088/8086、8031等。随着CPU系统向高精度方向发展，要求其最小设定单位越来越小，同时又要求CPU系统能满足大型机床的需要，当最小设定单位是1μm时，16位二进制数所表示的最大坐标为-32.767~32.767mm,这显然是不够的，而采用32位二进制数时，最大坐标范围约为-2000一2000m因此数控系统一般采用24位二进制数 ,其坐标范围为-8388.607 0300EA7. 因此选用8位CPU就需要三个或四个字节运算，这就重影响了运算速度，当最小设定单位为0.1μm时这个问题将更加严重。因此现代数控系统大多采用16位或32位的CPU,以满足其性能指标，如采用8位CPU,则为多CPU结构。例如FANUCI5、SIEMENS84O、 FAGOR8050等系统均为32位CPU,而FAGOR8025系统则采用8位多CPU结构。 (2)EPROM EPROM用于固化系统控制软件数控系统的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。在数控系统中，硬软件有密切的关系，由于软件的执行速度较硬件慢，当CPU功能较弱时，则需要专用硬件解决问题或采用多CPU 结构。现代数控系统常采用标准化与通用化总线结构，因此不同的机床数控系统可以采用基本相同的硬件结构，并且系统的改进与扩展十分方便。在硬件相对不变软件仍有相当大的灵活性。扩充软件就可以扩展CNG 的功能，而且软件的这种灵活性有时会对数控系统的功能产生极大的影响。在国外，软件的成本甚至超过硬件。例如FANUC3T与3M的差别仅在EPROM中的软件， FANUC3M二轴半联动变为三轴联动也仅需要更换EPROM中的软件。 (3)RAMRAM中存放可能改写的信息，在图2-37中，除中断堆栈存放区和控制软件数据暂存区外，均有后备电池掉电保护功能，即当电源消失后，由电池来维持 RAM芯片电压 ,以保持其中信息，其原理示意如图2-38所示。现大量使用的CMOS 半导体RAM芯片如62648(8K),62256(32K),628128(128K),其维持功耗很低。如日立HM628128芯片，其电源电压大于2V即可维持信息不丢失，并且维持电流小于 1uA左右，这就大大延长了电池的使用寿命 (4)定时器与中断控制器定时器与中断控制器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理 CPL」中断向量存放风系统控制敏件数据存区刀具参数表 4+5 G53G59参数表丝打间橙值 RAM 系统梦数表后备电零件加工程序目录 364.5 零件加工程序存放区图2-37数控系统RAM区分配示意图图2-38RAM芯片掉电示意图三、接口 1.人机界面接口兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 5 二、微机基本系统通常微机基本系统是由 CPU 、存储器 (EPROM 、 RAM )、定时器、中断控制器等几个主要部分组成（1） CPU CPU 是整个数控系统的核心 , 常见的中低档数控系统基本上采用 8 位或 16 位 CPU，如 8088/8086、8031 等。随着 CPU 系统向高精度方向发展 , 要求其最小设定单位越来越小，同时又要求 CPU 系统能满足大型机床的需要，当最小设定单位是 1μm 时，16 位二进制数所表示的最大坐标为-32.767～32.767mm, 这显然是不够的，而采用 32 位二进制数时，最大坐标范围约为-2000～2000m, 因此数控系统一般采用 24 位二进制数 , 其坐标范围为-8388.607～8388.607mm 。因此选用 8 位 CPU 就需要三个或四个字节运算，这就严重影响了运算速度，当最小设定单位为 0.1μm 时 , 这个问题将更加严重。因此现代数控系统大多采用 16 位或 32 位的 CPU，以满足其性能指标 , 如采用 8 位 CPU, 则为多 CPU 结构。例如 FANUC15、SIEMENS 840、 FAGOR8050 等系统均为 32 位 CPU, 而 FAGOR8025 系统则采用 8 位多 CPU 结构。（2）EPROM EPROM 用于固化系统控制软件，数控系统的所有功能都是固化在 EPROM 中的程序的控制下完成的。在数控系统中，硬软件有密切的关系，由于软件的执行速度较硬件慢，当 CPU 功能较弱时，则需要专用硬件解决问题或采用多 CPU 结构。现代数控系统常采用标准化与通用化总线结构，因此不同的机床数控系统可以采用基本相同的硬件结构 , 并且系统的改进与扩展十分方便。在硬件相对不变的情况下 , 软件仍有相当大的灵活性。扩充软件就可以扩展 CNC 的功能，而且软件的这种灵活性有时会对数控系统的功能产生极大的影响。在国外，软件的成本甚至超过硬件。例如 FANUC3T 与 3M 的差别仅在 EPROM 中的软件， FANUC3M 二轴半联动变为三轴联动也仅需要更换 EPROM 中的软件。 (3) RAM RAM 中存放可能改写的信息，在图 2-37 中，除中断堆栈存放区和控制软件数据暂存区外，均有后备电池掉电保护功能，即当电源消失后，由电池来维持 RAM 芯片电压，以保持其中信息，其原理示意如图 2-38 所示。现在大量使用的 CMOS 半导体 RAM 芯片如 62648(8K)，62256(32K) ，628128 (128K)，其维持功耗很低。如日立 HM628128 芯片，其电源电压大于 2V 即可维持信息不丢失，并且维持电流小于 1μA 左右，这就大大延长了电池的使用寿命。（4）定时器与中断控制器定时器与中断控制器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。图 2-37 数控系统 RAM 区分配示意图图 2-38 RAM 芯片掉电示意图三、接口 1．人机界面接口 CPU 中断向量存放区系统控制软件数据暂存区刀具参数表 G53~G59 参数表丝杠间隙值螺距误差表系统参数表零件加工程序目录零件加工程序存放区

数控技术及应用数案及讲癌上部分：数控技术及编程数控系统的人机界面包括以下四部分：键盘D),用于加工程序的编制以及参数的输入等：显示器(CRTD,用于显示程序、数据以及加工信息等：操作面板(OPERATOR PANEL 作。手摇脉冲发生器MPG), 用于手动控制机床坐标轴的运动，类似普通机床的摇手柄 I)键盘在数控系统中亦称为MDI(Manual Data Input)面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于编制加工程序、修改参数等。键盘的接口比较简单，大多仍采用扫描矩阵原理，这与通常的计算机是一样的。 2)数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容是不同的。在编程时其显示的是被编辑的程而加工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。有些数控系统还具有图形模拟功能，这时显示器则显示模拟加工过程的刀具走刀路径，可以检查加工程序的正确与否。现代数控系统己大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的图形也由二维平面图形变为三维动态图形。 3)操作面板又称机床操作面板，不同的数控机床由于其所需的动作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉 2.通信接口通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，因此与外设以及上级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其它各种网络接口，从而能够实现柔性生产线FMS以及计算机集成制造系统CIMS。进给轴的位置控制接口实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制二是插补运三是位置闭环控制。插补方法有基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法就是CNC 系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元 ,这种插补方法的进给速度与控制精度较低，主要用于开环数控系统。而采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量同时接收机床的置反馈据插补所得到的命令置与反馈位置的差来控制机床运动，因此采样数据法可以根据进给速度的大小来计算个时间间隔内的位置增量。只要CPU的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可以实现高速、高精度的位置控制。进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数模转换器DAC(一般输出模拟电压的范围为-10 控制速度伺服单模拟电的正负和大小分别决定了电动机的转方向和转速位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件（如光电编码器）所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。此接口还具有失线检测功能，任意一根反馈信号的线断了都会引起失线报警。在进行位置控制的同时，数控系统还统过软件进行自动升降速处理，即当机床启动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。对于一般机床可采用较为简单的直线线性升降速处理，对于重型机床则需使用指数升降速处理，以便使速度变化平滑。 4.主轴控制接口主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要S ]实现级变速提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速这可以利用辅助功能和主轴模拟量控制配合完成。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。 5.MST控制接口数控系统的MST功能是通过开关量输入/输出接口完成（除S模拟量输出兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 6 数控系统的人机界面包括以下四部分：键盘 (MDI)，用于加工程序的编制以及参数的输入等；显示器 (CRT)，用于显示程序、数据以及加工信息等；操作面板（OPERATOR PANEL），用于对机床的操作。手摇脉冲发生器 (MPG)，用于手动控制机床坐标轴的运动 , 类似普通机床的摇手柄。 1) 键盘在数控系统中亦称为 MDI (Manual Data Input) 面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成 , 用于编制加工程序、修改参数等。键盘的接口比较简单，大多仍采用扫描矩阵原理，这与通常的计算机是一样的。 2) 数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容是不同的。在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，而加工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。有些数控系统还具有图形模拟功能，这时显示器则显示模拟加工过程的刀具走刀路径，可以检查加工程序的正确与否。现代数控系统已大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的图形也由二维平面图形变为三维动态图形。 3) 操作面板又称机床操作面板，不同的数控机床由于其所需的动作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉。 2．通信接口通常数控系统均具有标准的 RS232 串行通信接口 , 因此与外设以及上级计算机的连接很方便。高档数控系统还具有 RS485、MAP 以及其它各种网络接口，从而能够实现柔性生产线 FMS 以及计算机集成制造系统 CIMS 。 3．进给轴的位置控制接口实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：一是进给速度的控制 , 二是插补运算 , 三是位置闭环控制。插补方法有基准脉冲法与采样数据法。基准脉冲法就是 CNC 系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元 , 这种插补方法的进给速度与控制精度较低 , 主要用于开环数控系统。而采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量 , 同时接收机床的实际位置反馈 , 根据插补所得到的命令位置与反馈位置的差来控制机床运动 , 因此采样数据法可以根据进给速度的大小来计算一个时间间隔内的位置增量。只要 CPU 的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可以实现高速、高精度的位置控制。进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数模转换器 DAC( 一般为十二位至十六位) , 输出模拟电压的范围为-10—l0V, 用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件 ( 如光电编码器 ) 所发回的信号 , 从而得到进给轴的实际位置。此接口还具有失线检测功能 , 任意一根反馈信号的线断了都会引起失线报警。在进行位置控制的同时，数控系统还统过软件进行自动升降速处理 , 即当机床启动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。对于一般机床可采用较为简单的直线线性升降速处理 , 对于重型机床则需使用指数升降速处理，以便使速度变化平滑。 4．主轴控制接口主轴 S 功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要 S 、 M 、 T 接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速，这可以利用辅助功能和主轴模拟量控制配合完成。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。 5．MST 控制接口数控系统的 MST 功能是通过开关量输入 / 输出接口完成 ( 除 S 模拟量输出

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程外)。数控系统所要执行的MST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电箱的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中一般采用可编程控制器PLC)来实现MST功能。第四节计算机数控系统的软件结构、CNC数控软件的特点 CNC装置是一个机床计算机控制系统，其数控系统软件必须完成管理和控制两种不同性质的任务。数控系统的基本任务是进行机床的自动加工控制，其核心控制模块是预处理模块、插补模块、位置控制模块和PLC控制模块等。数控系统的系统是实现CNC 系统协调工作的主体，它管理着数控加工程序从输入、预处理、到插补计算、位置控制和输入喻出的全过程，并管统参数的设置刀具参数的设置程序的缘辑，数据的输入输出，以及故诊斯、通等助能的管理。CNC装蟹的系统软具有多任务性和实时性两大特点。CNC装置是典型的实时控制系统。CNC装置的系统软件可以看成是一个专用的实时操作系统。 :、名任条性与并行外理技术 (一)CNC装置的多任务性 CNC中的任务就是可并行执行的程序在一个数据集合上运行的过程。CNC的任乡通常可以分为两类：管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源的合理安排和系统各个子任务间的调度，负责系统的管理、显示、诊断。而控制任务完成的CNC的基本功能译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。CNC装置在工作中，这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。如：当机床正在执行加任务时（执行控制任务），CRT要实时显示加工状态（管理任务），这是控制任务与管理任务的并行：在管理任务中也是如此，当用户将程序输入系统时，CT使实时显示输入的内容：在控制任务中更是如此，为了保证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制必须不间断的执行。 (一)基干并行处理的多在客调度技术并行处理是指软件系统在同一时刻或同一个时间间隔内完成两个或多个任务的处理方法。采用并行处理技术的目的就是为了提高CN 装置资的利用系的处理速度。并行处理的实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关（当然随着全软件型的开放式数控系统出现，CNC装置对硬件系统的依赖性正在逐渐降低)。在CNC系统中常采用以下方法：对于单CNC装置采用“分时”来实现多任务的并行处理。在一定的时间间隔（通常称为时间片)根据系统中各任务实时性要求程度，规定他们占用CPU的时间，使它们按照规定的顺序和规则来分时共享系统的资源。因此在采用“资源分时共享”并行处理技术CNC装置中。需要解决两个问题：一是各任务何时占用CPU,也就是各个任务优先级的分配问题：二是各个任务占用CPU时间的长度，也就是时间片的分配问题。般来说，在单CPU的CNC装置中，法来解决以上问题。图239、图240是个典型CNC装置多任务分时共享CPU的时间分配图。兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 7 外 )。数控系统所要执行的 MST 功能 , 通过开关量输出接口送至强电箱 , 而机床与强电箱的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。MST 功能的开关量控制逻辑关系复杂 , 在数控机床中一般采用可编程控制器 (PLC )来实现 MST 功能。第四节计算机数控系统的软件结构一、CNC 数控软件的特点 CNC 装置是一个机床计算机控制系统，其数控系统软件必须完成管理和控制两种不同性质的任务。数控系统的基本任务是进行机床的自动加工控制，其核心控制模块是预处理模块、插补模块、位置控制模块和 PLC 控制模块等。数控系统的系统是实现 CNC 系统协调工作的主体，它管理着数控加工程序从输入、预处理、到插补计算、位置控制和输入/输出控制的全过程，并管理着系统参数的设置，刀具参数的设置，数控加工程序的编辑，数据的输入/输出，以及故障诊断、通讯等功能的管理。CNC 装置的系统软件具有多任务性和实时性两大特点。CNC 装置是典型的实时控制系统。CNC 装置的系统软件可以看成是一个专用的实时操作系统。二、多任务性与并行处理技术（一）CNC 装置的多任务性 CNC 中的任务就是可并行执行的程序在一个数据集合上运行的过程。CNC 的任务通常可以分为两类：管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源的合理安排和系统各个子任务间的调度，负责系统的管理、显示、诊断。而控制任务完成的 CNC 的基本功能译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。CNC 装置在工作中，这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。如：当机床正在执行加工任务时（执行控制任务），CRT 要实时显示加工状态（管理任务），这是控制任务与管理任务的并行；在管理任务中也是如此，当用户将程序输入系统时，CRT 便实时显示输入的内容；在控制任务中更是如此，为了保证加工的连续性，刀具补偿、速度处理、插补运算以及位置控制必须不间断的执行。（二）基于并行处理的多任务调度技术并行处理是指软件系统在同一时刻或同一个时间间隔内完成两个或多个任务的处理方法。采用并行处理技术的目的就是为了提高 CNC 装置资源的利用率和系统的处理速度。并行处理的实现方式与 CNC 系统的硬件结构密切相关（当然随着全软件型的开放式数控系统出现，CNC 装置对硬件系统的依赖性正在逐渐降低）。在 CNC 系统中常采用以下方法： 1．资源分时共享：对于单 CNC 装置，采用“分时”来实现多任务的并行处理。在一定的时间间隔（通常称为时间片）根据系统中各任务实时性要求程度，规定他们占用 CPU 的时间，使它们按照规定的顺序和规则来分时共享系统的资源。因此在采用“资源分时共享”并行处理技术 CNC 装置中。需要解决两个问题：一是各任务何时占用 CPU，也就是各个任务优先级的分配问题；二是各个任务占用 CPU 时间的长度，也就是时间片的分配问题。一般来说，在单 CPU 的 CNC 装置中，通常采用循环调度和优先抢占调度结合的方法来解决以上问题。图 2-39、图 2-40 是一个典型 CNC 装置多任务分时共享 CPU 的时间分配图

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程在多CPU结构的CNC装置中，根据各任务间的关联程度，可采用以下两种策略来提高系统处理速度。其一，如果任务之间的关联程度不高，则将各任务分别安排一个 CPU,使其同时执行，即所谓的“并发处理”：其二，如果各任务之间的关联程度较高」个任务的输出狂务的输入则可采用流水处理的方法来实现行处型处理的技术是利用重复的资源(CPU), ,个大任务分成若干个彼此关联的子任务（任务的分法与资源重复的多少有关)，然后按一定顺序安排每个资源执行个任务。这个处理过程与生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。如：CPU1执行译码、CPU2 执行刀补处理、CPU3执行速度预处理， t1时间C1执行笋一个程序段的码，2时间CpU2执行第个程序段的刀补处理，司时CPUI执行二个程序段的译码：t3时间 CPU3执行第一个程序段的速度预处理并输出第个程序段插补预处理后的数据，同时 CPU2执行第二个程序段的刀补处理，CPU1执行第三个程序段的译码，t4时间CPU3 执行第二个程序段的速度预处理并输出第二个程序段插补预处理后的数据，同时，CPU2 执行第三个程序段的刀补处理，CPU1执行第四个程序段的译码：可以大大缩短两个程序段之间输出的间隔时间可以看出，在任何时刻均有两个或两个以上的任务在并发执行流水处理的关键是时间重叠，以资源重复为代价换取时间上的重叠，以空间复杂性换取时间上的快速性。当CNC装臂在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由琴件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为△1、△2、 △t3、△t4,那么个零件程序段的数据转换时间将是△t1+△t2+△t3+△t4。如果以顺序方式处理每个零件的程序段，则第个零件程序段处理完以后再处理第个程疗段，依次类推。图241表示了这种顺序处理时的时间空间关系。从图中可以看出，两个程序段的输出之间将有一个时间为1的间隔。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的时停时转，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这种情况在加工工艺上是不允许的。消除这种间隔的方法是用时间重叠流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如图2-41所示。间，空间 1234→输絀 1234输出地 1234-输出 M1234→输出 234F输触 ?1 △5 △t7时i间 △th△ta△t5 时间图2-41时间重叠流水处理三、实时性和优先拾占调度机制实时性：指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障 1.实时性任务的分类：如前所述，CNC装置是一个专用的实时计算机系统。该系统的各任务或强或弱都具有实时性要求。从各任务对实时性要求的角度看，基本上可分为强实时性任务和弱实时性任务，强实时性任务又分为实时突发性任客和实时周期性任务 (1)实时突发性任务：这类任务的特点是任务的发生具有随机性和突发性，是一种异中断事件，往往具有很强的实时性要求。主要包括故障中断（急停、机械限位、硬件故障)、机床PLC中断等。兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 9 在多 CPU 结构的 CNC 装置中，根据各任务间的关联程度，可采用以下两种策略来提高系统处理速度。其一，如果任务之间的关联程度不高，则将各任务分别安排一个 CPU，使其同时执行，即所谓的“并发处理”；其二，如果各任务之间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一任务的输入，则可采用流水处理的方法来实现并行处理。流水处理的技术是利用重复的资源（CPU），将一个大任务分成若干个彼此关联的子任务（任务的分法与资源重复的多少有关），然后按一定顺序安排每个资源执行一个任务。这个处理过程与生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。如：CPU1 执行译码、CPU2 执行刀补处理、CPU3 执行速度预处理，t1 时间 CPU1 执行第一个程序段的译码；t2 时间 CPU2 执行第一个程序段的刀补处理，同时 CPU1 执行第二个程序段的译码；t3 时间 CPU3 执行第一个程序段的速度预处理并输出第一个程序段插补预处理后的数据，同时， CPU2 执行第二个程序段的刀补处理，CPU1 执行第三个程序段的译码，t4 时间 CPU3 执行第二个程序段的速度预处理并输出第二个程序段插补预处理后的数据，同时，CPU2 执行第三个程序段的刀补处理，CPU1 执行第四个程序段的译码；……。可以大大缩短两个程序段之间输出的间隔时间。可以看出，在任何时刻均有两个或两个以上的任务在并发执行。流水处理的关键是时间重叠，以资源重复为代价换取时间上的重叠，以空间复杂性换取时间上的快速性。当 CNC 装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1、Δt2、 Δt3、Δt4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是 t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以顺序方式处理每个零件的程序段，则第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依次类推。图 2-41 表示了这种顺序处理时的时间空间关系。从图中可以看出，两个程序段的输出之间将有一个时间为 t 的间隔。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的时停时转，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这种情况在加工工艺上是不允许的。消除这种间隔的方法是用时间重叠流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如图 2-41 所示。图 2-41 时间重叠流水处理三、实时性和优先抢占调度机制实时性：指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。 1．实时性任务的分类：如前所述，CNC 装置是一个专用的实时计算机系统。该系统的各任务或强或弱都具有实时性要求。从各任务对实时性要求的角度看，基本上可分为强实时性任务和弱实时性任务，强实时性任务又分为实时突发性任务和实时周期性任务。（1）实时突发性任务：这类任务的特点是任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件，往往具有很强的实时性要求。主要包括故障中断（急停、机械限位、硬件故障）、机床 PLC 中断等

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程 (2)实时周期性任务：这类任务是精确地按一定的事件间隔发生的。主要包括加工过程中的插补运算、位置处理等任务为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务的实时性是关键这类任务，除系统故外不允许被其他任务中断 (3)弱实时性任务：任务的实时性相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，或被安排在背景程序中或根据重要性设置为级别较低的优先级由调度程序进行合理的调度。如：显示、加工程序编辑、插补预处理、加工轨迹的动静态仿直以及加工时程的动态昆示竿。 2.优先抢占调度机制 T满足CNC装置实时任务的要求，系统的调度机制必须具有能根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的时间内）进行任务调度的能力。优先抢占调度机制使是系统具有这一能力的调度技术。它是基于实时中断技术的任务调度机制。中断技术是计算机响应外部事件的一种处理技术，其特点是能按任务的重要程度和轻重缓急对其进行响应，而CPU也不必为其开销过多的时间优先抢占调度机制有两是优先调度：在CPU空闲时 ,若同时有多个任务请求执行，犹先级别高的任务将优先执行，例如，若位置控制与插补运算同时请执行，则位置控制的要求将首先得到满足。其二是抢占方式：在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级别更高的任务的请求，例如，当CPU正在执行插补运算时，此时位置控制任务请求执行，C「首先将正在执行的任务聊场保护起来（断占保护），然后转入位控制任务的执行，执行完毕后，再恢复到中断的断点处，继续执行插补任务优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，硬件主要产生中断请求信号，由提供中断功能的芯片和电路组成。如中断管理芯片(8259或功能相同的芯片)，定时计数器(8263、8254等)等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理（断点的保护与恢复、中断向量的保持与恢复）等。需要说明的是CNC系统中任务的调度机制除优先抢占调度外，往往还同时采用时间片轮换调度和非抢占优先调度。四、典型的CNC软件结构模式 (一)CNC软件结构概述 CNC系统的软件是为完成NC系统的各项功能而专门设计和绵制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统件（系统程序在CNC系统中软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适应性差：软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。因此，CNC系统中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的 CNC系统中实时性要求最高的任务就是插补和位置控制，即在一个采样周期内必须完成控制策略的计算，而且还要留有一定的时间去做其他的事情。CNC系统的插补器既可以面向软件也可以面向硬件。归纳其来，主要有以下三种类型是不用软件插器，插补完全由硬件完成的CNC系统。二是由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器完成精插补的CNC系统。三是带有完全用软件实施的插补器的CNC系统。上术第一种CNC系统常用单CPU结构实现，它通常不存在实时速度的问颗。由于插补方法受到硬件的限制，所以其柔性很低第二科 ,因为精确插刀具轨迹所需要的插补，由程序准备并且使之参数化。程序的输出是描述曲线的参数，诸如起点、终点、速度、插补频率等，这些参数都是由硬件精确插补器输入。第三种CNC系统需要快速计算出刀具轨迹。具有多轴（坐标）控制的机床，需要装备专用的CPU的多微处理器机构来完成算术运算。位片式处理器的IVO处理器用加减兰州交通大学机电工程学院 10

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 10 （2）实时周期性任务：这类任务是精确地按一定的事件间隔发生的。主要包括加工过程中的插补运算、位置处理等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务的实时性是关键。这类任务，除系统故障外，不允许被其他任务中断。（3）弱实时性任务：任务的实时性相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，或被安排在背景程序中或根据重要性设置为级别较低的优先级由调度程序进行合理的调度。如：显示、加工程序编辑、插补预处理、加工轨迹的动静态仿真以及加工过程的动态显示等。 2．优先抢占调度机制：为了满足 CNC 装置实时任务的要求，系统的调度机制必须具有能根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的时间内）进行任务调度的能力。优先抢占调度机制使是系统具有这一能力的调度技术。它是基于实时中断技术的任务调度机制。中断技术是计算机响应外部事件的一种处理技术，其特点是能按任务的重要程度和轻重缓急对其进行响应，而 CPU 也不必为其开销过多的时间。优先抢占调度机制有两个功能：其一是优先调度：在 CPU 空闲时，若同时有多个任务请求执行，优先级别高的任务将优先执行，例如，若位置控制与插补运算同时请求执行，则位置控制的要求将首先得到满足。其二是抢占方式：在 CPU 正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU 将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级别更高的任务的请求，例如，当 CPU 正在执行插补运算时，此时位置控制任务请求执行，CPU 首先将正在执行的任务现场保护起来（断点保护），然后转入位置控制任务的执行，执行完毕后，再恢复到中断前的断点处，继续执行插补任务。优先抢占调度机制是由硬件和软件共同实现的，硬件主要产生中断请求信号，由提供中断功能的芯片和电路组成。如中断管理芯片（8259 或功能相同的芯片），定时计数器（8263、8254 等）等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理（断点的保护与恢复、中断向量的保持与恢复）等。需要说明的是 CNC 系统中任务的调度机制除优先抢占调度外，往往还同时采用时间片轮换调度和非抢占优先调度。四、典型的 CNC 软件结构模式（一）CNC 软件结构概述 CNC 系统的软件是为完成 CNC 系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。在 CNC 系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适应性差；软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。因此，CNC 系统中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。 CNC 系统中实时性要求最高的任务就是插补和位置控制，即在一个采样周期内必须完成控制策略的计算，而且还要留有一定的时间去做其他的事情。CNC 系统的插补器既可以面向软件也可以面向硬件。归纳其来，主要有以下三种类型一是不用软件插补器，插补完全由硬件完成的 CNC 系统。二是由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器完成精插补的 CNC 系统。三是带有完全用软件实施的插补器的 CNC 系统。上述第一种 CNC 系统常用单 CPU 结构实现，它通常不存在实时速度的问题。由于插补方法受到硬件的限制，所以其柔性很低。第二种 CNC 系统通常没有计算瓶颈，因为精确插补由硬件完成。刀具轨迹所需要的插补，由程序准备并且使之参数化。程序的输出是描述曲线的参数，诸如起点、终点、速度、插补频率等，这些参数都是由硬件精确插补器输入。第三种 CNC 系统需要快速计算出刀具轨迹。具有多轴（坐标）控制的机床，需要装备专用的 CPU 的多微处理器机构来完成算术运算。位片式处理器的 I/O 处理器用加减