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第四章计算机数控装
本章教学重点及难点：
单微处理机结构CNC装置的硬件结构；CNC装置软件结构的特点。
§4.1概述
一、数控系统（CNC系统）的概念
数控系统（CNC系统）是由数控程序、I/O设备、数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给伺服系统共同组成的一个完整的系统，其核心是数控装置；它本质一种轨迹控制系统；是以多个执行部件（各运动轴的位移量为控制对象，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。
二、CNC装置的组成
CNC装置由硬件和软件组成。
CNC装置的硬件一方面具有计算机的基本结构，另一方面具有数控机床所特有的功能模块和接口单元。
CNC装置的软件又称系统软件，从本质上看是具有实时性和多任务性的专用操作系统；从功能特征看，包括CNC管理软件和CNC控制软件。
CNC管理软件主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度，CNC控制软件主要完成各种控制功能。
软件、硬件相互关系是密不可分的，软件、硬件在一起构成了CNC装置的系统平台；有些控制任务，可由硬件/或软件来完成。
三、CNC装置功能
CNC装置功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法及手段；包括基本功能和选择功能。
基本功能是必备的功能，用于满足数控系统基本配置的要求；选择功能是用户可根据实际要求选择的功能。
CNC主要装置功能有：
（一）控制功能
指能够控制和联动控制的进给轴数；包括移动轴、回转轴，基本轴、附加轴的控制。
控制的进给轴数越多，表明CNC装置功能越强。
（二）准备功能
准备功能即G代码功能，其作用是使机床准备好某种加工方式。
包括指令有：
基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环加工、公英制转换、子程序调用等。
（三）插补功能和固定循环功能
插补功能是指实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。
一般的CNC装置具有直线插补、圆弧插补功能；高档的CNC装置还具有椭圆插补、正弦线插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条曲线插补等功能。
固定循环功能是指在加工一些特定表面（如车削台阶，切削螺纹、钻孔、
镗孔、攻丝）时，加工动作按照一定的循环模式多次重复进行，实现上述加工轨迹运算的功能；即把若干有关的典型固定动作顺序用一个指令来表示，用G代码定义，直接调用，可大大简化编程。
（四）进给功能
进给功能进给速度的控制功能；包括有：
1.进给速度:
控制刀具相对工件的进给速度，所用单位一般是mm/min。
2.同步进给速度:
实现切削速度和进给速度的同步；用于加工螺纹，所用单位一般mm/r。
3.进给倍率：
又称进给修调率，指通过操作面板上的波段开关，人工实时修调进给速度。
（五）主轴功能
主轴功能指主轴的控制功能。
包括：
1.切削速度：
即主轴转速控制的功能，所用单位一般是m/min或r/min。
2.恒线速度:
指刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能；主要用于车端面或磨削加工，可获得较高的表面质量。
3.主轴定向控制:
指主轴在径向（周向）的某一位置准确停止的功能；常用于换刀。
4.C轴控制:
指主轴在径向（周向）的任一位置准确停止的功能。
5.切削倍率（主轴修调率）:
指通过操作面板上的波段开关，
人工实时修调切削速度的功能。
（六）辅助功能
是指指令机床的辅助操作的功能，即M指令功能。
包括主轴正转、反转、停止，冷却泵的打开、关闭，工件夹紧、松开，换刀等功能。
（七）刀具管理功能
是指实现刀具几何尺寸、刀具寿命、刀具号的管理的功能。
其中刀具几何尺寸一般指刀具半径、长度参数，常用于刀具半径补偿、长度补偿；刀具寿命一般指时间寿命；刀具号的管理是用于标识、选择刀具，常和T指令连用。
（八）补偿功能
1.刀具半径补偿和长度补偿:
2.传动链误差补偿:
一般有螺距误差补偿和反向间隙补偿。
3.智能补偿:
（九）人机对话功能
是指通过显示器，进行字符、图形的显示，从而方便用户的操作和使用。
（十）自诊断功能
是指利用软件诊断程序，在故障出现后，可迅速查明故障的类型和部位，以便及时排除。
（十一）通讯功能
是指CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能。
一般CNC装置具有RS232C接口，可与上级计算机相连；若具有DNC接口可实现直接数控；若具有FMS接口则可按MAP（制造自动化协议）通讯，实现车间和工厂的自动化。
除以上各项功能外，CNC装置还可配置选择功能。
如增加一个仿型测量头和相应的驱动模块，可实现数字化仿型加工功能。
§4.2CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件结构一般分为单（微处理）机结构和多（微处理）机结构。
单（微处理）机结构用在经济型、一般型的数控装置中；而多（微处理）机结构则用在高级型的数控装置中。
一、单（微处理）机结构的CNC装置
单（微处理）机结构的CNC装置的特点是整个CNC装置中只有一个CPU；通过该CPU来集中管理和控制整个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处理的方法，实现各种数控功能。
有些CNC装置中，虽然有两个或两个以上的CPU，但只有一个CPU对系统的资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU；其它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，该结构称为主从结构，它也可归为单机结构。
单（微处理）机结构的CNC装置由微处理器和总线、存储器、I/O接口、MDI接口、位置控制器、纸带阅读机接口等组成。
1．微处理器和总线
微处理器由控制器和运算器组成。
控制器主要完成控制任务，运算器主要完成算术运算、逻辑运算。
微处理器选择要根据CNC装置进行实时控制和处理速度的要求，并考虑CPU在字长、寻址能力、运算速度方面的性能。
总线是由一组传送数字信息的物理导线组成，按功能分为数据总线、地址总线、控制总线。
2．存储器
存储器包括：
（1）只读存储器（ROM）。
其中EPROM或E2PROM用于存放系统程序，由CNC装置生产厂家通过专用的写入器写入（固化），即使断电程序也不丢失；程序只能CPU读出，不能随机写入，必要时经过紫外线/电抹除后再写。
（2）随机存储器（RAM）。
用于存放运算的中间结果，需要显示的数据、运行中的状态、标志信息等。
它能随机读写，断电后信息就消失。
（3）带后备电池的CMOSRAM或磁泡存储器。
存在加工零件程序、机床参数、刀具参数；它能随机读出，也能根据操作需要写入或修改，断电后信息仍能保留。
3．I/O接口（输入/输出接口）
输入/输出接口指数控系统与机床、机床电气控制设备之间的电气连接部分。
其中机床电气控制设备是由继电器、接触器组成的强电设备。
（1）数控机床上的接口规范
按ISO4336-1982（E）标准，数控机床上的接口分为四类：
第Ⅰ类：
与驱动命令有关的连接电路
第Ⅱ类：
数控系统与检测系统和测量传感器的连接电路
第Ⅲ类：
电源及保护电路
第Ⅳ类：
通断信号和代码信号连接电路
其中，第Ⅰ类与驱动命令有关的连接电路和第Ⅱ类数控系统与检测系统和测量传感器的连接电路，它们这两类接口传送的是数控系统与伺服驱动单元（即速
度控制环）、伺服电机、位置检测和速度检测之间的控制信息及反馈信息，它们属于数字控制、伺服控制及检测控制。
第Ⅲ类电源及保护电路，该类接口电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。
强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、功率继电器及熔断器等连接而成。
强电线路作用是为驱动单元、主轴电机、辅助电机、电磁铁、电磁阀、离合器等功率执行元件供电。
强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只能通过中间继电器、断路器、热动开关等器件转换成在直流低压下工作的触点的开、合动作，才能成为继电器逻辑电路和PLC可接收的电信号。
反之，由CNC系统输出的信号，应先去驱动小型中间继电器，然后用中间继电器的触点接通强电线路中的功率继电器/接触器，从而接通主回路（强电回路）。
第Ⅳ类通断信号和代码信号连接电路是CNC系统与机床参考点、限位、面板开关等的连接信号。
当数控机床没有PLC时，上述信号在CNC装置和机床之间直接传送。
当数控机床有PLC时，上述信号除极少数的高速信号外，均通过PLC传送。
（2）I/O信号的分类
从机床（MT）向CNC装置传送的信号称为为输入信号。
从CNC装置向机床（MT）传送的信号称为为输出信号。
I/O信号的类型有：
1）直流数字量输入／输出信号；
2）直流模拟量输入／输出信号。
主要用于进给坐标轴、主轴的伺服控制，或其他接收、发送模拟量信号的设备；
3）交流输入／输出信号。
主要用于直接控制功率执行器件；
后两类信号传送需要专门的接口电路。
在实际用中，一般都用PLC，并配置专门的接口模板或插座才能实现。
（3）I/O接口电路的任务
1）进行电平转换和功率放大。
由于CNC装置内部信号为TTL电平，而机床设备信号是非TTL电平，因此二者需要进行电平转换；在重负载情况下，还要进行功率放大。
2）防止噪声引起的误动作。
一般用光电隔离器、继电器将CNC系统和机床之间的信号在电气上加以隔离。
3）进行模拟量和数字量的转换。
由于CNC装置的微处理器只能处理数字量，对于需要模拟量控制的地方，需要D/A（数/模）转换电路；反之将模拟量输入到CNC装置，需要A/D（模/数）转换电路。
（4）数字量输入/输出接口
1）输入接口分为触点输入和电压输入。
触点输入中又包含无源触点输入和有源触点输入。
在触点输入时要采取措施消除触点抖动。
常用的仿抖动的方法是用施密特触发器或R-S触发器来整形。
2）输出接口分为继电器输出和无触点输出。
负载可为指示灯或继电器。
对于交流负载或大功率直流负载驱动输出时，一般要通过中间继电器进行“二次驱动”；当CNC装置中带有PLC装置时，并且PLC本身具有交流输入、输出接口，或有用于直流大负载驱动的专用接口时，输出信号就不必经过中间继电器过渡，即可直接驱动负载器件；
3）直流数字量输入、输出信号（开关量I/O信号）的传递
该类信号在CNC和机床之间传送通过接口存储器进行。
机床上各种I/O信号均在存储器中占有一位，该位的状态是0、1，分别表示开/关或继电器通/断状态。
CNC装置中的CPU定时从接口存储器中回收状态，并由软件进行相应处理；同时又向接口电路输出各种控制命令，控制强电箱的动作。
4、MDI接口
MDI是指手动数据输入。
在该方式下，可直接通过数控机床操作面板上的键盘，输入单段程序，或进行各种参数的设置和修改等操作。
MDI接口的任务之一对键盘按键进行处理。
在CNC装置中一般配有键盘扫描程序。
5、位置控制器
位置控制的作用主要是对数控机床的进给运动坐标轴的位置进行控制。
例如：
工作台的前、后、左、右移动，主轴箱的上、下移动，绕某一直线轴的旋转运动等。
进给运动坐标轴的位置是数控机床上要求最高的位置控制，其不仅对单
坐标轴的运动和位置精度有严格要求；而且在多联动时，要求各坐标轴有很好的动态配合。
位置控制采用的硬件可以是大规模专用集成电路位置控制芯片，如FANUC公司的MB8720，MB8739，MB87103；也可以是位置控制模块，如：
SIEMENS公司的MS230，MS250，MS300等。
位置控制模块结构框图：
其组成由软件和硬件两部分。
软件负责跟随误差计算、进给速度指令数值的计算；硬件包括位置控制输出组件（其功能是接受进给指令，进行D/A转换，为速度单元提供指令电压）和位置测量组件（其功能接受并处理反馈信号，送至跟随误差计数器，与位移指令值进行比较，得到进给指令）。
6．纸带阅读机接口
光电阅读机结构及工作原理：
数控机床加工以前，将穿孔纸带装入光电阅读机上．启动阅读机后，主动轮5在电机驱动下高速旋转，制动磁铁13的线圈失电，将衔铁10松开，同时启动磁铁14的线四通电，将衔铁6吸合，压轮4将穿孔纸带压向主动轮5，穿孔纸带1在主动轮5高速旋转的带动下，以一定的速度向前送进，进行代码读入。
当纸带上程序读完时（cNc机床搭纸带信息全部读入内存），启动磁铁14断电，衔铁6松开，压轮4与主动轮脱离，同时制动磁铁13的线圈通电，衔铁Io吸合，压紧纸带停止送进．光源7的光线经聚光镜8聚焦后，变成一条很纫的光束照在纸带上，纸带下方的9为一撂共9个光敏元件，它们分别与纸带上8个信号孔和1个同步孔对齐。
如果穿孔带上无孔，则相应的光敏元件不受光照。
光敏元件利用它的光敏特性，根据有无光照的情况，即可转换为电位的高低，从而实现光电转换作用。
二、多（微处理）机结构的CNC装置
单（微处理）机结构的CNC装置中只有一个主CPU，因此数控功能的提高和扩展与CNC装置的处理速度存在矛盾。
为进一步提高CNC装置性能，有必要采用多（微处理）机结构的CNC装置。
多（微处理）机结构的CNC装置的特点是：
整个CNC装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件可对系统资源（存储器、总线）有控制权和使用权。
它们又分为：
1）多主结构：
带CPU的功能部件之间采用紧耦合方式联结，有集中的操作系统用总线仲裁器解决总线争用通过公共存储器交换系统信息。
2）分布式结构：
各个带CPU的功能模块有独立的运行环境（总线、存储器、操作系统），各功能模块之间采用松耦合方式联结，用通讯方式交换信息。
1、多（微处理）机结构的CNC装置的基本功能模块
CNC装置的结构设计采用模块化技术；在这种结构中将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板（即硬件模块），其相应的软件也是模块结构，固化在硬件块中。
软、硬件模块形成一个特定的功能单元。
这种模块化结构使设计简单，试制周期短（可以积木式组成CNC装置），结构紧凑．具有良好的适应性和扩展性。
1）CNC管理模块负责管理和组织整个CNC系统的工作；如系统的初始化、中断管理、总线仲裁、系统软硬件诊断等。
2）存储器模块包括主存储器（用于存放程序和数据，是各功能模块之间进行数据传送的共享存储器）和局部存储器（在每个CPU控制模块中）。
3）CNC插补模块该模块可进行零件程序的译码、刀补计算、坐标位移量的计算、进给速度处理等插补前的预处理；然后进行插补计算，为各个坐标轴提供位置给定量。
4）位置控制模块其作用是将插补后的坐标位置给定值与反馈的位置实际值进行比较，并自动加减速、回基准点，监视伺服系统滞后量，补偿漂移，最后得到速度控制的模拟电压，以驱动进给电机。
5）操作和控制数据输入输出和显示模块主要是用于输入、输出、显示零件加工程序、各种参数和数据、各种操作命令所需的各种接口电路。
6）PLC模块其作用是对零件加工程序中的辅助功能代码、由机床来的信号进行逻辑处理；从而实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电器设备的启停，刀具交换，工件数量和运转时间的计数等。
2.多（微处理）机结构的CNC装置的典型结构
（1）共享总线结构如FANUC15系统；其中有多个带CPU的为主模块和不带CPU的从模块；通过系统总线各模块有效地连接在一起。
该结构存在总线争用矛盾，解决总线争用矛盾可用总线仲裁电路；可以采用串行总线裁决方式或并行总线裁决方式。
（2）共享存储器结构如MTC1系统；它采用多端口存储器实现各微处理机之间的互连和通讯。
双端口存储器结构：
§4.3CNC装置的软件结构
CNC装置的软件是为完成数控系统的各项功能而专门设计的是一种专用软件，又称为系统软件（或系统程序），其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。
CNC装置的软件结构取决于：
硬件和软件的分工/软件本身的工作特点。
为满足制造业发展的要求，一些厂商生产的CNC装置，硬件设计好后基本不变，而软件功能不断升级，这也是CNC装置灵活性的体现。
一、CNC装置软件硬件的功能界面（软件硬件的分工）
CNC装置由软件和硬件组成。
在信息的处理方面，二者在逻辑上是等价的。
一些由硬件完成的任务可由软件完成；反之亦然。
硬件和软件在实现同一功能时各有不同的特点；硬件处理速度较快，造价较高；想实现复杂控制的功能比较困难；而软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢。
在CNC装置中软件、硬件的功能如何分担（软件硬件分工），即软件硬件的功能界面。
几种分工方案：
当今数控技术发展趋势：
用相对较少且标准化程度较高的硬件，配以功能丰富的软件模块构成CNC装置。
二、CNC装置软件结构的特点：
CNC系统是一个专用的实时多任务系统，其中的CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用于控制各种对象，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。
多任务并行处理和多重实时中断是CNC装置软件结构的两大特点。
1．多任务并行处理
（1）CNC装置的多任务性
数控加工时在很多情况下，为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC装置管理和控制的某些工作必须同时进行，而不能逐一处理。
这就体现出“多任务性”。
例如，机床进行切削加工时，为了使操作人员能时地了解CNC系的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行；当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行；当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行；如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。
（2）并行处理
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。
其优点一是提高CNC系统的处理速度；二是有利于合理使用和调配CNC系统的资源。
并行处理的方法有：
资源重复这是在CNC系统的硬件设计中，应用较多的并行处理技术，它采用增加硬件资源的办法来提高运算速度（如采用多CPU的系统体系结构来提高系统的速度）。
资源共享这是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。
时间重叠这是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。
1）资源分时共享并行处理：
是用在单CPU的CNC装置中，根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套备；一般是采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。
该技术要解决的主要问题：
各任务占用CPU时间的分配原则；即各任务何时占用CPU（各任务的优先级分配问题）；以及允许各任务占用CPU的时间长短（各任务时间片的分配问题）。
一般采用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决问题。
CNC系统各任务分时共享CPU的时间分配图：
CNC系统各任务运行中占用CPU的时间示意图：
资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。
2）资源重复流水处理
流水处理技术是指利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务（任务的分法与资源重复的多少有关）；这些子任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。
CNC装置在自动加工工作方式时，假设其数据转换过程由零件程序输入、插补淮备（包括译码、刀具补偿和速度处理）、插补、位置控制4个子过程组成；每个过程所需时间分别为、、和。
若采用顺序处理，则：
若采用资源重复流水处理，则：
可以看出，采用资源重复流水处理时，
①在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在同时执行。
②流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价（多个CPU）换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。
另外，在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上看，各子过程是分时占用CPU时间。
（3）并行处理中的信息交换和同步
并行处理中的信息交换是通过各种缓冲区（缓冲存储区）来实现的；缓冲存储区是在存储区中开辟的系统专用区域。
在自动加工方式中，CNC装置通过缓冲区交换信息的情况如图：
各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现。
2、实时中断处理
CNC系统是一个专用的实时多任务系统，该系统中各任务的执行或强或弱都具有实时性要求。
（1）实时性：
某任务的执行有严格时间要求（即任务必须在规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障。
实时性任务可以分为：
强实时性任务和弱实时性任务。
在强实时性任务中，又有实时突发性任务和实时周期性任务。
实时突发性任务是指任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件，有很强的实时性要求，主要包括故障中断（急停,机械限位,硬件故障等）、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。
实时周期性任务是指任务是精确地按一定时间间隔发生，包括插补运算、位置控制等任务；这类任务处理的实时性是保证加工精度和加工过程的连续性关键，在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。
弱实时性任务是指这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证某一段时间内得以运行即可；如背景程序/或优先级别较低的任务；包括CRT显示、零件程序的编辑、加工状态和加工轨迹的动态显示、译码、刀补等。
（2）CNC装置的中断类型
CNC系统的多任务性和实时性决定了中断是整个系统必不可少的重要组成部分。
CNC装置的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了CNC装置软件的结构。
CNC装置的中断类型有：
1）外部中断：
如纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断（如急停）、键盘操作面板输入中断等。
2）内部定时中断：
如插补周期定时中断、位置采样定时中断等。
3）硬件故障中断：
是CNC装置各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。
4）程序性中断：
是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、除零等。
（3）CNC装置中断结构模式
CNC装置中断结构模式又称CNC装置软件结构模式，是指系统软件的组织管理方式；系统软件通过一定的结构模式，来组织和协调各个任务的执行，使
各任务满足一定的时序配合要求和逻辑关系，从而实现CNC系统的各种控制要求。
CNC装置软件结构模式主要有：
1）前后台型结构模式
该模式将CNC系统软件划分成前台程序和后台程序两部分；前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障处理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（又称背景程序）主要完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/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。
后台程序在运行过程中，不断地定时被前台实时中断程序打断；前后相互配合来完成零件的加工任务。
其缺点是实时性较差。
2）中断型结构模式
在该结构中，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。
中断型结构模式的优点是实时性好；由于中断级别较多，强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。
其缺点是模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。
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