第4章
第4章 计算机数控装置
概述
计算机数控装置的硬件结构
计算机数控装置的软件结构
数控机床的可编程控制器
典型的CNC系统简介
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第4章
概述
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。
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第4章
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系统平台
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第4章PC+CNC+PLC
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第4章
CNC系统工作过程
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。
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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。
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。
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第4章
CNC装置的硬件结构
按其中含有CPU的多少可分为：
单微处理机结构和多微处理机结构；
按电路板的结构特点可分为：
大板结构和模块化结构。
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单微处理器结构
以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和
各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数
控加工各个任务。
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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。
特点：
组成：
微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；
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第4章1．微处理器
微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算
和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。
2．总线
采用总线结构。分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。
3．存储器
只读存储器（ROM）：系统程序
随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、
标志信息；
CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数；
4．输入/输出（I／O）接口
5．位置控制器
对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）
对主轴控制：一般只包括速度控制
C轴位置控制：包括位置和速度控制
刀库位置控制（简易位置控制）
6．MDI／CRT接口
7．可编程序控制器（PLC）
8．通信接口
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多微处理器结构
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。
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。
典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构
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共享总线结构
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第4章
结构特征
功能模块分为带有CPU的主模块和从模块（RAM/ROM
，I/O模块）；
以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格
定义的标准系统总线上；
采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请
求使用系统总线的竞争问题。
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第4章
共享存储器结构
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第4章
结构特征
面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之
间的互连和通讯；
采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存
储器冲突的矛盾。
由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，
会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结
构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。
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第4章
开放式数控系统结构
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。
开放的含义:
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①软数控：Soft CNC
以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。
通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位
开放。
② PC内嵌入运动控制卡:把多轴运动控制卡插入传统的PC中，实现以坐
标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。
易实现，研究单位和高校。
③ PC内嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、
高精加工和可靠性，PC的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统
在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PC板，提
供键盘，使PC与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的
功能。专业CNC系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。
开放式数控系统结构形式:
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CNC装置的软件结构
组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
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CNC系统软件的工作过程：
①输入程序
把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。
②译码程序
将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和
辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放
在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误
检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。
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第4章
③数据处理程序
刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理。
刀补处理的主要工作：
根据G90/G91计算零件轮廓
的终点坐标值。
根据R和G41/42，计算本段
刀具中心轨迹的终点坐标值。
根据本段与前段连接关系，
进行段间连接处理。
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速度处理：
加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控
制。速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动
坐标的分速度。
开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实
现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。
半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工，
速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期
的轮廓步长。
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④插补计算程序
在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间
点位置坐标的运算过程。
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。
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⑤位置控制软件
每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进
行比较，用差值去控制电机。
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第4章
CNC系统的软件结构特点
多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、
位置控制、…
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）
多任务性与并行处理技术特点:
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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。
资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）
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资源（CPU）分时共享图
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第4章
并发处理和流水处理（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。
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第4章
流水处理技术示意图
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第4章
分类:
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、系统
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。
前后台型结构
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中断型结构
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。
功能模块型软件结构
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。
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