第三章数控装置(CNC)的结构 一、数控机床的基本工作过程 数控机床进行加工，着先必颈将工件的几何尺寸和工艺数据按规定的代码和格式偏制成 数控加工程序，并将加工程序通过输入装置输入到数控系统中。数控装置对输入的加工程序 进行数据处理。输出各种信息和命令。控制机床各部分按程序规定透行有序地动作。这些验 出信息和指令包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各部件控制状态的开关 命令信号等。同服系统将进给位移量转换成数控机床的透给，执行相应的机械运动，同时， 位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控装置.。以保证位置控制精度。 数控机床的如工过程就是：数控系统处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，从而 控制刀具和工件之间相对位置按加工零件的费求，准确的运动。（数拉机床的基本工作原理 及工作过程如图1.1所示) 数控机床为了完成上述任务，数控系统必须按肌工件加工的要求对机床的运动进行控 制，白的起米可分为三种类别的控制： 1,主抽控制 主轴运动与普通机床一样，主要完成工件的切削任务，其消耗的动力大约占整台机休动 力的0%一0%。基本控制动作就是：主轴的正、反转和停止，自动换挡、无级博速：对 加工中心和车削中心等一些数控机床还必须具有定向控制、定位控制和C轴控制： 2.进给控制 这是数控机床区别于普通机床最根本的地方，就是用电气自动控制驱动替代了人工机械 壓动，数控机床的进给运动是由进给饲服系统完成的，进给饲服系饶包括饲服驱动装置，饲 服电动机、进给传动蛙以及位置检测装置等，（如图12所示，） 3.辅助控制 数挖系饶对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续拉制外，还要 对机床的各种开关状态进行控制，这些状志包括主轴的变速控制。主轴的正，反转及停止， 冷却和润滑装置的启动和停止，刀具的自动交换，工件夹紧和放松等都称之为数控机床辅助 控制： 二、数控机床控制系统的组成 数控机床控制系统的基本组成包括输入输出装置、数控装置、饲服驱动装置、机床电 气逐辑控制装置、位置检测装置等（如图13所示）。下面我们先一起学习数控装置的组 第1页共12真
第 1 页 共 12 页 第三章 数控装置（CNC）的结构 一、数控机床的基本工作过程 数控机床进行加工，首先必须将工件的几何尺寸和工艺数据按规定的代码和格式编制成 数控加工程序，并将加工程序通过输入装置输入到数控系统中。数控装置对输入的加工程序 进行数据处理，输出各种信息和命令，控制机床各部分按程序规定进行有序地动作。这些输 出信息和指令包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各部件控制状态的开关 命令信号等。伺服系统将进给位移量转换成数控机床的进给，执行相应的机械运动，同时， 位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控装置．以保证位置控制精度。 数控机床的加工过程就是：数控系统处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，从而 控制刀具和工件之间相对位置按加工零件的要求，准确的运动。（数控机床的基本工作原理 及工作过程如图 1.1 所示） 数控机床为了完成上述任务，数控系统必须按照工件加工的要求对机床的运动进行控 制，归纳起来可分为三种类别的控制： 1．主轴控制 主轴运动与普通机床一样，主要完成工件的切削任务，其消耗的动力大约占整台机床动 力的 70 ％～80％。基本控制动作就是：主轴的正、反转和停止，自动换挡、无级调速；对 加工中心和车削中心等一些数控机床还必须具有定向控制、定位控制和 C 轴控制。 2．进给控制 这是数控机床区别于普通机床最根本的地方，就是用电气自动控制驱动替代了人工机械 驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的。进给伺服系统包括伺服驱动装置、伺 服电动机、进给传动链以及位置检测装置等，（如图 1.2 所示。） 3．辅助控制 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制外，还要 对机床的各种开关状态进行控制，这些状态包括主轴的变速控制，主轴的正、反转及停止， 冷却和润滑装置的启动和停止，刀具的自动交换，工件夹紧和放松等都称之为数控机床辅助 控制。 二、数控机床控制系统的组成 数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电 气逻辑控制装置、位置检测装置等（如图 1.3 所示） 。下面我们先一起学习数控装置的组
成及结构，也就是计算机数控系统。简称CNC。 三、数控装置的组成 数控装置是机宋数控系统的核心，目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来 实现其功能，所以称之为计算机数控装置，（如图3.1所示为数控装置硬件的基本组成，）它 一方面具有一般微重计算机的基本结构，如中央处理单元(U)、总线、存储器，输入 输出找口等：另一方面又具有完成数控机床其特有功佳所需要的功能模块和接口单元，比如 手动数据输入(MD)接口、可编程序控制器P.C接口、位置控制接口、纸带阅读机接口 够。 数控装置在上述硬件基础上必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者缺 一不可。可以说：硬件是基础，软件是灵魂。数控装置的软件由管理软件和控制软件两部分 组成，管理软件主煲为某个数控系统建立一个软件环境，协调各软件模块之间的关系，并处 理一些实时性不太强的软件功能，比如数控加工程序的输入出的管理，系统显示等：控 制软件主要完成系统中一线实时性要求较高的美健控制功能，比如刀补计算处理、位置控制 等。 四、数控装置的硬件结构 1、大版式结构和功能模块式结构 1)大板式结构 数控装置结构以一块大板为主，称为主板。主板上装有主CU和各轴的位置控制电路 而其他具有一定功能的子板，如程序存储墨ROM板、数据存储器RAM板和可编程序控制 器PC板都插在主板上面。大板式结构的数控焚置的优点是结构紧凑，体积小，可靠性高， 有根高的性能价格比。如FANUC-6和0、A-B公司的8601就是大版式结构。大板式结构的 缺点是硬件功能不易变动，柔性低。（图3.2所示为FANUC.0大板式结构的示意图.） 2)功能柄块式结构 在果川功旋模块结构的数控装置中。将整个数控装置按功能划分为核块，硬作和软件的 设计都采用模块化设计方法，就是，每一个功能模块做成尺寸相同的印侧电路板（称功能模 板)，相应功能树块的控制软针也核块化。这样用户只要这用所需功能核板，将各功能榄板 插入控制单元母板的儡内，就搭成了白己需要的数控系统的控制装置。常见的功能模板有控 制板、位置控制板、PC板、图形板和通信板。 2、专用型结构和个人计算机式结构 按数控装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构。 第2页共12页
第 2 页 共 12 页 成及结构 ，也就是计算机数控系统，简称 CNC。 三、数控装置的组成 数控装置是机床数控系统的核心，目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来 实现其功能，所以称之为计算机数控装置，（如图 3.1 所示为数控装置硬件的基本组成。）它 一方面具有一般微型计算机的基本结构，如中央处理单元（CPU）、总线、存储器、输入/ 输出接口等；另一方面又具有完成数控机床其特有功能所需要的功能模块和接口单元，比如 手动数据输入（MDI）接口、可编程序控制器 PLC 接口、位置控制接口、纸带阅读机接口 等。 数控装置在上述硬件基础上必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者缺 一不可。可以说：硬件是基础，软件是灵魂。数控装置的软件由管理软件和控制软件两部分 组成，管理软件主要为某个数控系统建立一个软件环境，协调各软件模块之间的关系，并处 理一些实时性不太强的软件功能，比如数控加工程序的输入/输出的管理、系统显示等；控 制软件主要完成系统中一些实时性要求较高的关键控制功能，比如刀补计算处理、位置控制 等。 四、数控装置的硬件结构 1、大板式结构和功能模块式结构 1) 大板式结构 数控装置结构以一块大板为主，称为主板。主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路, 而其他具有一定功能的子板，如程序存储器 ROM 板、数据存储器 RAM 板和可编程序控制 器 PLC 板都插在主板上面。大板式结构的数控装置的优点是结构紧凑，体积小，可靠性高， 有很高的性能价格比。如 FANUC-6 和 0、A-B 公司的 8601 就是大板式结构。大板式结构的 缺点是硬件功能不易变动，柔性低。（图 3.2 所示为 FANUC-0 大板式结构的示意图。） 2) 功能模块式结构 在采用功能模块结构的数控装置中，将整个数控装置按功能划分为模块，硬件和软件的 设计都采用模块化设计方法，就是，每一个功能模块做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模 板），相应功能模块的控制软件也模块化。这样用户只要选用所需功能模板，将各功能模板 插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的数控系统的控制装置。常见的功能模板有控 制板、位置控制板、PLC 板、图形板和通信板。 2、专用型结构和个人计算机式结构 按数控装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构
1)专用型结构 专用型结构数控系统的硬作一般由数控系统生产厂商为数拉系统进行专门设计的计算 机控制系统，其布局合理，结构紧读，专用性强，但其缺点是，硬件之间被此不能文换和替 代，设有通用性，如FANUC数控系统，SIEMENS数控系统，美国A-B系统以及我国的一 些数挖系统生产厂家生产的数控系统都属于专用型。 2)个人计算机式站构 个人计算机式结构的数控系统是以工业PC机作为数控装置的支樟平台，再由各数控机 床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控款件，构成相应的数控装置。（如图34 所示，)因工业标准P℃机采用与一般℃机同样的总线标准，所以，个人计算机式结构的数 控系统综合了一般P℃机和工业控制计算机的特点。 3、单处理器结构和多微处理器结构 1)单微处理器结构 所谓单微处理器结构，是指在CNC装置中只有一只微处理墨(CPU),工作方式是集中 控制、分时处理数控系统的各项任务。如存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等都 需要通过总线与微处理器相连。 某些CNC装置中虽然用了两个以上的CPU,但能够控制系统总找的只是其中的一个 CPU,它鞋古总线资源，通过总线与存储器，输入输出控制等各种接口相连：其它的CPU 则作为专用的智能部件，它们不能控制总找。也不能访问存储器。这是一种主从结构。所以 被归纳于单处理器结构中。单微处理器结构根图如图35所示，其结构简单，容易实现。 在单微处理器结构中，由于只有一个微处理器进行集中控制，其功陵将受CPU字长、数据 字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。 2)多微处理器结构 在多微处理器结构CNC装置中，由两个或两个以上的CU构成中央处理部件，各处理 部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CU都可享用系统公用存储器或1 /0接口，并分相一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转 变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。 多微处理墨结构的CNC装置大都采用模块化结构，如图3.6所示，我们可以根据设备 要求选用功能模块构成CNC装置。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的 软件就可以构成不同的CC装置，便于组织规模生产，能够形成批量生产并保证质量。 五、数整装置的林件结构 第3页共12页
第 3 页 共 12 页 1) 专用型结构 专用型结构数控系统的硬件一般由数控系统生产厂商为数控系统进行专门设计的计算 机控制系统，其布局合理，结构紧凑，专用性强，但其缺点是：硬件之间彼此不能交换和替 代，没有通用性。如 FANUC 数控系统，SIEMENS 数控系统，美国 A-B 系统以及我国的一 些数控系统生产厂家生产的数控系统都属于专用型。 2) 个人计算机式结构 个人计算机式结构的数控系统是以工业 PC 机作为数控装置的支撑平台，再由各数控机 床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件，构成相应的数控装置。（如图 3.4 所示。）因工业标准 PC 机采用与一般 PC 机同样的总线标准，所以，个人计算机式结构的数 控系统综合了一般 PC 机和工业控制计算机的特点。 3、单处理器结构和多微处理器结构 1) 单微处理器结构 所谓单微处理器结构，是指在 CNC 装置中只有一只微处理器(CPU)，工作方式是集中 控制、分时处理数控系统的各项任务。如存储、插补运算、输入/输出控制、CRT 显示等都 需要通过总线与微处理器相连。 某些 CNC 装置中虽然用了两个以上的 CPU，但能够控制系统总线的只是其中的一个 CPU，它独占总线资源，通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连；其它的 CPU 则作为专用的智能部件，它们不能控制总线，也不能访问存储器。这是一种主从结构，所以 被归纳于单处理器结构中。单微处理器结构框图如图 3.5 所示，其结构简单，容易实现。 在单微处理器结构中，由于只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受 CPU 字长、数据 字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。 2) 多微处理器结构 在多微处理器结构 CNC 装置中，由两个或两个以上的 CPU 构成中央处理部件。各处理 部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个 CPU 都可享用系统公用存储器或 I ／0 接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的 CNC 装置中顺序完成的工作，转 变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。 多微处理器结构的 CNC 装置大都采用模块化结构，如图 3.6 所示。我们可以根据设备 要求选用功能模块构成 CNC 装置。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的 软件就可以构成不同的 CNC 装置，便于组织规模生产，能够形成批量生产并保证质量。 五、数控装置的软件结构
数控系统教件的结构取决于数控禁置中软件和硬件的分工，也取决于教件本身所应完成 的工作内容。下面将介绍数控装置中软件结构的特点。 1、数控系统的软硬件界面 数控系统由款件和硬件且成，软件的运行要依靠硬件环境的支特。款件与硬件关系非常 密切，两者缺一不可。没有硬件，软件不能成立：没有软件，硬件便无法工作。 贝有高性能的硬件才有可能编出高性能的控制款件来.面高性能的软件还可以你补硬件 的某些不足，控制软件在整个数控系饶中的地位是举足轻重的。 数控系统的设计必须谦顾硬件和款件，所以在数控系统中。由硬件完成的工作理论上讲 也可以由软件来完成。但是，硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点：硬件处理速度 快（一般为微秒领），但成本高，灵活性差。实现复杂控制的功能较差：软件处理花贵少， 设计灵活，适应性强。但处理速度慢（一般为毫秒级》。因此，如何合理确定软件、硬件的 功能，是数控装置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假念， 数控系统的某一功能到底采月钛件实现还是硬件实现，则要由多种因素决定，这些因素 主要是数控装置计算的运算遮度，所要求的控制精度，插补算法和运算时间，以及性能价格 比等，因此，在现代数控系统中，软件和硬件界面美系是不四定的，设计者可根据具体情况 米确定。如图3.2所示是四种具型的软硬件界面关系。 2、数控装置内部信息流转换过程 根据零作图纸和机械加工工艺编写出数控加工程序输入给CNC装置，在内部进行一系 列的处理后，输出相应的位置控制偏号给同服系统，经过电动机和滚珠丝杆螺母刷驱动工作 台或刀具进行移动，最后加工出合格的零件，CNC装置中内部数据转换过程如图313所示， )输入 输入数控装置的信息包括数控加工程序、系统控制参数和各种补修数据等。对于其中大 量的数控加工程序来讲，输入方式主要有光电式纸带问读机输入、健世输入，存储器输入和 通信方式输入等四种。纸带阅读机编入只在早期使用过，由于其可靠性较差，目前基本不再 采用，存储器输入又分内存储器输入和外存他器输入两种，所丽内存钻器输入，是指将加工 的数控加工程序一次输入到数控装置内部存销器中，加工时再从存储器中递段调出程序透行 处理。所谓外存储器输入是指通过款世或硬查将数控加工程序输入数控装置中进行执行。健 盘输入方式包括手动数据输入(MD)和操作面板(PANEL输入，这种方式主要用米输入小型 或一部分数控加工程序。通信方式输入是展代数控机床使用得越来越多的一种途径，具体包 括串行方式、DNC方式和网路方式等. 第4页共2到
第 4 页 共 12 页 数控系统软件的结构取决于数控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。下面将介绍数控装置中软件结构的特点。 1、数控系统的软硬件界面 数控系统由软件和硬件组成，软件的运行要依靠硬件环境的支持。软件与硬件关系非常 密切，两者缺一不可。没有硬件，软件不能成立；没有软件，硬件便无法工作。 只有高性能的硬件才有可能编出高性能的控制软件来。而高性能的软件还可以弥补硬件 的某些不足，控制软件在整个数控系统中的地位是举足轻重的。 数控系统的设计必须兼顾硬件和软件，所以在数控系统中，由硬件完成的工作理论上讲 也可以由软件来完成。但是，硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点：硬件处理速度 快（一般为微秒级），但成本高，灵活性差，实现复杂控制的功能较差；软件处理花费少， 设计灵活，适应性强，但处理速度慢（一般为毫秒级）。因此，如何合理确定软件、硬件的 功能，是数控装置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。 数控系统的某一功能到底采用软件实现还是硬件实现，则要由多种因素决定，这些因素 主要是数控装置计算的运算速度，所要求的控制精度，插补算法和运算时间，以及性能价格 比等，因此，在现代数控系统中，软件和硬件界面关系是不固定的，设计者可根据具体情况 来确定。如图 3.12 所示是四种典型的软硬件界面关系。 2、数控装置内部信息流转换过程 根据零件图纸和机械加工工艺编写出数控加工程序输入给 CNC 装置，在内部进行一系 列的处理后，输出相应的位置控制信号给伺服系统，经过电动机和滚珠丝杆螺母副驱动工作 台或刀具进行移动，最后加工出合格的零件。CNC 装置中内部数据转换过程如图 3.13 所示。 1) 输入 输入数控装置的信息包括数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据等。对于其中大 量的数控加工程序来讲，输入方式主要有光电式纸带阅读机输入、键盘输入、存储器输入和 通信方式输入等四种。纸带阅读机输入只在早期使用过，由于其可靠性较差，目前基本不再 采用。存储器输入又分内存储器输入和外存储器输入两种。所谓内存储器输入，是指将加工 的数控加工程序一次输入到数控装置内部存储器中，加工时再从存储器中逐段调出程序进行 处理。所谓外存储器输入是指通过软盘或硬盘将数控加工程序输入数控装置中进行执行。键 盘输入方式包括手动数据输入(MDI)和操作面板(PANEL)输入，这种方式主要用来输入小型 或一部分数控加工程序。通信方式输入是现代数控机床使用得越来越多的一种途径，具体包 括串行方式、DNC 方式和网络方式等
2)译码 所谓“译码”就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成数控装置中计算机能识别 的数据彩式，并按约定的格式存政在指定的译码结果缓冲器中。 3)诊断 在译码过程中，还要进行数控加工程序的诊新，也就是利用控制款作检查加工程序的正 确性，把凡是不符合数控机床编程手题规定的加工程序找出来，通过显示器提示机床操作人 员进行修政。诊断内容主要包括数控如工程序的语法情误和逐辑情误。其中语法错误主要指 某个功能代码的情误，而逻细情误主要折一个数控机床加工程序段或整个数控加工程序内各 个功能代码之间互相排斥，互相矛盾的错误。这种诊断过程的实现大多是贯穿在译码软件中 完成，有时息会专门设计一个诊断软件模块来完成。 4)刀补计算 刀具补整计算包括刀具长度补修和刀具半径补怪两大类。例如：对于数控铣床米讲，由 于数控装置的控制对象是主轴刀具的中心轴线，而编程时使用图纸标注的零件轮靠是用刀风 边缘切削形成的，它们两者之间不一致，相差一个刀具半径值。可见，刀具半经补偿计算藏 是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。 5)速度处理 数控加工程序中给定的进给速度F代码是指零件切削方向的合成线速度。数控装置无 法对此进行直接控制。因此，速度处理实际上就是根暴零件的儿何轮常信息将合成进给速度 分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的同服系统实现相应的分速度控制，那么数控 机床最终就可得到所要求的线速度。另外，数控机床所允许的最低速度、最高速度、最大如 速度和最住升降速由线的控制，都是在这个环节中实现的。 )插补计算 所谓插补就是根据数控加工程序给定的零件轮鬼尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在 己知的这些特征点之间插人一些中间点的过程。换句话说，就是在零件轮靠起点与终点之间 的曲线上进行“数据点的密化过程”。当然，中阿点的插入是根据一定的算法由数拉装置控 制软件成硬件自动完成，以此米协调控制各坐标轴的移动，从而获得所要求的运动轨迹。 7)位置控制 位置控制处在何服回路的位置环中，这部分工作可以由软件完成，也可由硬件实现。其 主要任务就是根据插补结果求得命令位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其羡差值去 控制问服电动机，更动工作台或刀具阴着减小误差的方向运动。 第5页其12页
第 5 页 共 12 页 2) 译码 所谓“译码”就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成数控装置中计算机能识别 的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。 3) 诊断 在译码过程中，还要进行数控加工程序的诊断，也就是利用控制软件检查加工程序的正 确性，把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工程序找出来，通过显示器提示机床操作人 员进行修改。诊断内容主要包括数控加工程序的语法错误和逻辑错误。其中语法错误主要指 某个功能代码的错误，而逻辑错误主要指一个数控机床加工程序段或整个数控加工程序内各 个功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。这种诊断过程的实现大多是贯穿在译码软件中 完成，有时也会专门设计一个诊断软件模块来完成。 4) 刀补计算 刀具补偿计算包括刀具长度补偿和刀具半径补偿两大类，例如：对于数控铣床来讲，由 于数控装置的控制对象是主轴刀具的中心轴线，而编程时使用图纸标注的零件轮廓是用刀具 边缘切削形成的，它们两者之间不一致，相差一个刀具半径值。可见，刀具半径补偿计算就 是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。 5) 速度处理 数控加工程序中给定的进给速度 F 代码是指零件切削方向的合成线速度，数控装置无 法对此进行直接控制。因此，速度处理实际上就是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度 分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制，那么数控 机床最终就可得到所要求的线速度。另外，数控机床所允许的最低速度、最高速度、最大加 速度和最佳升降速曲线的控制，都是在这个环节中实现的。 6) 插补计算 所谓插补就是根据数控加工程序给定的零件轮廓尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在 已知的这些特征点之间插人一些中间点的过程。换句话说，就是在零件轮廓起点与终点之间 的曲线上进行“数据点的密化过程”。当然，中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控 制软件或硬件自动完成，以此来协调控制各坐标轴的移动，从而获得所要求的运动轨迹。 7) 位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环中，这部分工作可以由软件完成，也可由硬件实现。其 主要任务就是根据插补结果求得命令位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其误差值去 控制伺服电动机，驱动工作台或刀具朝着减小误差的方向运动
3、软件任务分析 数挖装置是一个专用的实时多任务计算机系统，它的控制软件中脓合了管理和控制款件 两种性质的任务。数控装置的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。如图3.14所示， 表示了数控装置中基本任务之间的并行处理关系。例如，当数控装置正处于加工状态时。为 了保证加工的连续性，在各程序段之间不能停顿。因此，各数控加工程序段的预处理、插补 计算，位置控制和各种辅助控制任务都要及时进行。为了使提作人员及时了解和干预数控系 统工作状态，在执行加工任务的同时还要进行一些人机交互处理，也就是要同时显示加工状 态，随时接受操作人员通过面板输入的各种操作指令等。另外还要对数控系统硬、软件的各 种故障进行诊斯：系统还可能被要求及时完成通信等其他任务。 针对数控装置软件的上述特点，可采用并行处理技术米确定整个系统载件结构。所谓并 行处理就是指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 从硬件出发，可以采用设备重复的并行处理技术，例如多微处理器的数控装置藏是这种技术 的典型应用。从载件出发，可以采用分时的并行处理技术和多重中断的并行处理技术。 4、数控装置软件结构类型 CC系统是一个实时性很凿的多任务计算机系统，在它的控制软件中，融会了当今计 算机软件技术中的许多先进技术，在各种软件结构类型中，前后台软件结构、中断型状件结 构和功能棱块软作结构又最为常见。 1)前后台型软件结构 前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理墨CNC装置。在这种载件结构中， CNC系统教件由前台和后台程序组成，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时 功能，这线功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补功能、辅助功能处理等。后台程 序主要用来完成流备工作和管理工作，包基输入、保码、插补准备等，通常称为背景程序， 背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中不斯播入实时中斯程序，前后台程序相互配 合完成加工任务。程序启动后，运行完初始化程序即进入背景循环程序，同时开放定时中断， 每隔一固定时间间隔（知10.24ms)发生一次中断，执行一次中断服务程序。就这样，中断 程序和背景程序有条不素地协调工作， 2)中断型状件结构 中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，根据各控制慎块实时的要求不同， 把控制程序安排成不同领别的中断服务程序，（这里先对中斯服务程序的级别进行一些说明： 在程序执行中。当同时有中斯服务请求时，系饶先对中断缓别高的中断服务程序进行处理， 第6页共12页
第 6 页 共 12 页 3、软件任务分析 数控装置是一个专用的实时多任务计算机系统，它的控制软件中融合了管理和控制软件 两种性质的任务。数控装置的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。如图 3.14 所示， 表示了数控装置中基本任务之间的并行处理关系。例如，当数控装置正处于加工状态时，为 了保证加工的连续性，在各程序段之间不能停顿。因此，各数控加工程序段的预处理、插补 计算、位置控制和各种辅助控制任务都要及时进行。为了使操作人员及时了解和干预数控系 统工作状态，在执行加工任务的同时还要进行一些人机交互处理，也就是要同时显示加工状 态，随时接受操作人员通过面板输入的各种操作指令等。另外还要对数控系统硬、软件的各 种故障进行诊断；系统还可能被要求及时完成通信等其他任务。 针对数控装置软件的上述特点，可采用并行处理技术来确定整个系统软件结构。所谓并 行处理就是指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。 从硬件出发，可以采用设备重复的并行处理技术，例如多微处理器的数控装置就是这种技术 的典型应用。从软件出发，可以采用分时的并行处理技术和多重中断的并行处理技术。 4、数控装置软件结构类型 CNC 系统是一个实时性很强的多任务计算机系统，在它的控制软件中，融会了当今计 算机软件技术中的许多先进技术，在各种软件结构类型中，前后台软件结构、中断型软件结 构和功能模块软件结构又最为常见。 1) 前后台型软件结构 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， CNC 系统软件由前台和后台程序组成，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时 功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补功能、辅助功能处理等。后台程 序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备等，通常称为背景程序。 背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中不断插入实时中断程序，前后台程序相互配 合完成加工任务。程序启动后，运行完初始化程序即进入背景循环程序，同时开放定时中断， 每隔一固定时间间隔（如 10.24ms）发生一次中断，执行一次中断服务程序。就这样，中断 程序和背景程序有条不紊地协调工作。 2) 中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，根据各控制模块实时的要求不同， 把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，（这里先对中断服务程序的级别进行一些说明： 在程序执行中，当同时有中断服务请求时，系统先对中断级别高的中断服务程序进行处理
然后再处理中断级别低的中断服务程序)中断型软件结构整个软件是一个大的多重中断系 统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。文字教材中表3.1列出 了典型的数控系统中断型软件结构，书中将控制程序分成为8领中断程序，其中了饭中断领 别最高，0级中断级别最低，。位置控制被安持在级别较高的中断程序中，其原因是刀风运 动的实时性要求最高，CNC装置必须提供及时的服务。CRT显示级刚最低，在不发生其他 中断的情况下才进行显示， )横块型软件结构 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越来感多地被使 用，从面使数校装置功能进一步增强。处理速度更快，结构更如紧凑。以便更适合于现代先 进的数控系统中多轴控制、高进给速度、，高精度和高效率的数控系统要求， 多微处理器CNC装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形成特定 的功能模块，相应的软件也模块化，形成功伦模块型软件结构，图化在对应的硬件功能模块 中。各功能模块之阿有明确的限、软件接口， 大、数整系统的抗干扰月恩 有时我们在数控系统运行中，会出现系统异常现象，但又不是量控系统的问愿，这有可 能就是干扰造成的，什么是干扰呢？数拉系统的干扰一般是指椰些与信号无关的，在信号输 入，传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象，这些期变现象会使数控系 统中的数据在传输过程中发生变化，增大误差，使局部装置，甚至整个系统出现异常情况， 引起故障。 1、干扰的因素 影响数控系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰，以及供 电线路干扰和信号传给干扰等。 1)电做波干扰 在工厂车间中，电火花等高频电源都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间 的传播。核附近的数控系统所接收，如果能量足够大，就会干扰数控机床的正常工作。 2)供电线路的干扰 ①电网电压波动的影响 数控系统对输入电压的允许范围都有要求，如果过电压成欠电压都会引起电源电压监控 报警，从而停机。如果线路受到干扰，就会产生嘴波失真，频率与相位漂移。 ②感性典载产生的影响 第7页共12真
第 7 页 共 12 页 然后再处理中断级别低的中断服务程序）中断型软件结构整个软件是一个大的多重中断系 统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。文字教材中表 3.1 列出 了典型的数控系统中断型软件结构，书中将控制程序分成为 8 级中断程序，其中 7 级中断级 别最高，0 级中断级别最低，。位置控制被安排在级别较高的中断程序中，其原因是刀具运 动的实时性要求最高，CNC 装置必须提供及时的服务。CRT 显示级别最低，在不发生其他 中断的情况下才进行显示。 3) 模块型软件结构 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越来越多地被使 用，从而使数控装置功能进一步增强，处理速度更快，结构更加紧凑。以便更适合于现代先 进的数控系统中多轴控制、高进给速度、高精度和高效率的数控系统要求。 多微处理器 CNC 装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形成特定 的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块型软件结构，固化在对应的硬件功能模块 中。各功能模块之间有明确的硬、软件接口。 六、数控系统的抗干扰问题 有时我们在数控系统运行中，会出现系统异常现象，但又不是数控系统的问题，这有可 能就是干扰造成的，什么是干扰呢？数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的，在信号输 入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系 统中的数据在传输过程中发生变化，增大误差，使局部装置，甚至整个系统出现异常情况， 引起故障。 1、干扰的因素 影响数控系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰，以及供 电线路干扰和信号传输干扰等。 1）电磁波干扰 在工厂车间中，电火花等高频电源都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间 的传播，被附近的数控系统所接收，如果能量足够大，就会干扰数控机床的正常工作。 2）供电线路的干扰 ① 电网电压波动的影响 数控系统对输入电压的允许范围都有要求，如果过电压或欠电压都会引起电源电压监控 报警，从而停机。如果线路受到干扰，就会产生谐波失真，频率与相位漂移。 ② 感性负载产生的影响
大电感在新电时要把存储的隆量释做出来，在电网中形成的高峰尖账冲，它的产生是随 机的，其波形如图30所示，。由于这种电感负载产生的干扰球冲频域宽，特别是高顿窄脉 冲，峰值高。能量大，干扰严重但变化团速，不会引起电源监控的反应，如果通过供电线路 窜入数控系统，引起的错误信息会导致CU停止运行，使系统数据丢失。 ③品闸管通斯时的干扰 晶闸管通断时的电流变化率很大，使得品闸管在导通候间流过一个具有高次谐波的大电 流，在电源阻抗上产生很大的压降，从而使电网电压出现缺口，这种畸变了的电压波形含有 高次谐波。 3)信号传输干援 数控机床电气控的信号在传递过程中若受到外界干扰，常会产生差模干忧（又称串模 干扰)和共模干扰。 2、抗干抚措维 1)减少供电线路干找 数拉机床的安置要远离中顿、高顿的电气设备：要避免大功率起动、停止顿繁的设备 电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，最好是采用验立的动力线供电。在电网电压变 化较大的地区，供电电网与数控机宋之间应加白动调压器或电子稳压器，以诚小电网电压的 波动：动力线与信号找要分离。信号线采用纹合线，双纹线有抵消电磁感应千扰的作用，以 减少和防止磁场捐合和电场属合的干找。如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少 100m以上，两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外，控制电容配线与主电路配线相交 时委成直角相交，如图323所示，控制电路的配线应采用屏蔽双饺线。 2)机味控制中的抗干找措施 ①压傲电鬼保护 图324为数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。在电路中加入压 敏电凰。又称浪涌吸收器，可对线路中的瞬变，尖峰等噪声起一定的保护作川。压敏电阻是 一种丰线性过电压保护元件，抑制过电压能力强，反应速度快。平时漏电流很小，而放电陵 力异常大，可通过数千安培电流，且能重复使用。 ②阻容保护 图325是数拉机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。交流接触器和交流电动机颍 繁起停时，其电磁感应现象会在机床的电溶中产生浪酒或尖峰等噪声，干扰数控系统和何服 系统的正常工作。在这些电墨上加入阻容吸收回路。会改变电感元件的线路阻抗。使交流接 第8页其12页
第 8 页 共 12 页 大电感在断电时要把存储的能量释放出来，在电网中形成的高峰尖脉冲，它的产生是随 机的，其波形如图 3.20 所示，由于这种电感负载产生的干扰脉冲频域宽，特别是高频窄脉 冲，峰值高，能量大，干扰严重但变化迅速，不会引起电源监控的反应，如果通过供电线路 窜入数控系统，引起的错误信息会导致 CPU 停止运行，使系统数据丢失。 ③ 晶闸管通断时的干扰 晶闸管通断时的电流变化率很大，使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次谐波的大电 流，在电源阻抗上产生很大的压降，从而使电网电压出现缺口，这种畸变了的电压波形含有 高次谐波。 3）信号传输干扰 数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外界干扰，常会产生差模干扰(又称串模 干扰)和共模干扰。 2、抗干扰措施 1）减少供电线路干扰 数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备；要避免大功率起动、停止频繁的设备， 电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，最好是采用独立的动力线供电。在电网电压变 化较大的地区，供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减小电网电压的 波动；动力线与信号线要分离，信号线采用绞合线，双绞线有抵消电磁感应干扰的作用，以 减少和防止磁场耦合和电场耦合的干扰。如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少 100rnm 以上，两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外，控制电路配线与主电路配线相交 时要成直角相交，如图 3.23 所示，控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。 2）机床控制中的抗干扰措施 ① 压敏电阻保护 图 3.24 为数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。在电路中加入压 敏电阻，又称浪涌吸收器，可对线路中的瞬变、尖峰等噪声起一定的保护作用。压敏电阻是 一种非线性过电压保护元件，抑制过电压能力强，反应速度快。平时漏电流很小，而放电能 力异常大，可通过数千安培电流，且能重复使用。 ② 阻容保护 图 3.25 是数控机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。交流接触器和交流电动机频 繁起停时，其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪声，干扰数控系统和伺服 系统的正常工作。在这些电器上加入阻容吸收回路，会改变电感元件的线路阻抗，使交流接
触落线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时平稳，拘制了电器产生的干找噪声。 ④续流二极管保护 图3.站是数控机床电气腔制中直流维电器，直流电磁阀铁流二极管保护的电路。 直流电感元作在斯电时线圈中将产生较大的感应电动势，在电感元件两端反向并联一个 续流二极管，释政线图断电时产生的感应电动势，可减小线图感应电动劳对控制电路的干扰 噪声。 另外我还元其要注意数控系统的屏数、保证“接地”良好，以防外界干扰。 七、示例 1,数控机床控制系统由哪几部分粗成？ 答：数控机床控制系统的基本组成包括输入输出装置、数控装置、问服驱动装置、机限电 气逻细控制装置、位置检测装置。 2.进给何服系饶的作用是什么？ 答：同服驱动装置是数控机床的执行机构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。同 服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求同服系统正 确、快速地跟随进给控制信息，执行机械运动，驱动工作台向指定的位置运动， 3.数控机床按核控对象运动轨迹分为事几类？ 答：1)点位控制的数控机床 点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的 定位精度，而不管是按什么轨迹运动。在移动过程中不进行任何加工。 2)直线控制的数控机味 直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功 能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也委进行控制， 3)轮廓粒制的数控机束 轮靠控制又称连续控制，大多数数挖机床具有轮靠控制功能。其特点是能同时控制两个 以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制如工过程中每一点的位 置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件， 4.试简述数控装置的组成。 答：目前的数控装置都是基于微重计算机的硬件和软件来实现其功能，所以称之为计算机数 控(CNC)装置，它一方面具有一般微型计算机的基本结构，如中央处理单元(CU)、总 第9页共12页
第 9 页 共 12 页 触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时平稳，抑制了电器产生的干扰噪声。 ③ 续流二极管保护 图 3.26 是数控机床电气控制中直流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。 直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势，在电感元件两端反向并联一个 续流二极管，释放线圈断电时产生的感应电动势，可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰 噪声。 另外我们还尤其要注意数控系统的屏蔽、保证“接地”良好，以防外界干扰。 七、示例 1．数控机床控制系统由哪几部分组成? 答：数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电 气逻辑控制装置、位置检测装置。 2. 进给伺服系统的作用是什么? 答：伺服驱动装置是数控机床的执行机构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。伺 服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统正 确、快速地跟随进给控制信息，执行机械运动，驱动工作台向指定的位置运动。 3. 数控机床按被控对象运动轨迹分为哪几类? 答：1）点位控制的数控机床 点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的 定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。 2）直线控制的数控机床 直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功 能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。 3）轮廓控制的数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个 以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位 置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。 4. 试简述数控装置的组成。 答：目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能，所以称之为计算机数 控（CNC）装置。它一方面具有一般微型计算机的基本结构，如中央处理单元（CPU）、总
线、存储器、输入输出接口等：另一方面又具有数控机床完成特有功能所需要的功能模块 和接口单元，如手动数据输入(MD)接口、PC接口、纸带阿读机接口等。 CNC装置在上述硬件基础上必须编写相应的系统软件来指挥和协测硬件的工作，两者 缺一不可。CNC装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成。 5.数控装置硬件结构是如何分类的： 答：数控装置是整个数控系统的楼心，其硬件结构按CNC装置中各印刚电路板的插接方式 可以分为大板式结构和功能核块式结构：按CNC装置硬作的制造方式，可以分为专用型结 构和个人计算机式结构：按CNC装置中微处理的个数可以分为单微处理图结构和多微处理 器结构。 6.数控系统0接口电路的主要任务是什么了 答：1)实现和不同外设的速度匹配。 2)改变数据传送方式. 3)进行电平转换和功率放大， 4)防止干扰 7.数控装置软件结构类型有哪几种？并对每种结构类型简要速行说明。 答：)前后台型软作结构 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，在这种款件结构中， CNC系饶软件由前台和后台程序组成，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时 功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置拉制、插补、辅助功能处理、监控、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，译码，插补准备及管 理等，通常称为背景程序。 2)中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，根据各控制模块实时的要求不同， 把控制程序安排成不同级测的中断服务程序，整个载件是一个大的多重中断系统，系统的管 理功能主要通过各级中斯服务程序之间的通信来实现。 3模块型软件结构 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越米越多地被使 用，从而使数控装置功能进一步增强，处理速度更快。结构更加紧凑。它更适合于多轴控制 高进给速度、高精度和高效率的数控系统要求。 第0具共2页
第 10 页 共 12 页 线、存储器、输入/输出接口等；另一方面又具有数控机床完成特有功能所需要的功能模块 和接口单元，如手动数据输入（MDI）接口、PLC 接口、纸带阅读机接口等。 CNC 装置在上述硬件基础上必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者 缺一不可。CNC 装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成。 5. 数控装置硬件结构是如何分类的？ 答：数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构按 CNC 装置中各印刷电路板的插接方式 可以分为大板式结构和功能模块式结构；按 CNC 装置硬件的制造方式，可以分为专用型结 构和个人计算机式结构；按 CNC 装置中微处理的个数可以分为单微处理器结构和多微处理 器结构。 6. 数控系统 I/O 接口电路的主要任务是什么？ 答：1）实现和不同外设的速度匹配。 2）改变数据传送方式。 3）进行电平转换和功率放大。 4) 防止干扰 7. 数控装置软件结构类型有哪几种？并对每种结构类型简要进行说明。 答：1)前后台型软件结构 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， CNC 系统软件由前台和后台程序组成，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时 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、监控、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、译码、插补准备及管 理等，通常称为背景程序。 2)中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，根据各控制模块实时的要求不同， 把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统，系统的管 理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。 3)模块型软件结构 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越来越多地被使 用，从而使数控装置功能进一步增强，处理速度更快，结构更加紧凑。它更适合于多轴控制、 高进给速度、高精度和高效率的数控系统要求