数控机床及应用课件第二章

（2）多机系统结构的特点
1）计算处理速度高 2）可靠性高 3）有良好的适应性和扩展性 4）硬件易于组织规模生产
2.1.5 CNC系统的软件组成
1．CNC装置软件结构的特点 2．CNC系统软件结构
1．CNC装置软件结构的特点
（1）CNC装置软硬件的界面图2.12所示 软件和硬件的界面关系是不固定的。
图2-42 直线至直线左刀补情况
图2-43 直线至直线右刀补情况
图2-44 直线至圆弧、圆弧至直线、圆弧 至圆弧的转接
图2-45 换刀后刀补示意图
图2-46 840D数控系统的基本结构
图2-47 NC模块
图2-48 电源模块
图2-49 单轴驱动模块611D
图2-50 双轴驱动模块611D
图2-13 CNC系统任务分解
图2-14 任务的并行处理
图2-15 CPU分时共享和中断优先级
图2-16 资源重叠流水管理
图2-17 CNC中的信息交换
图2-18 逐点比较插补法程序流程图
图2-19 直线插补
图2-20 逐点比较法第一象限直线 插补程序流程图
图2-21 插补轨迹
图2-22 四象限直线偏差和进给方向
（2）系统软件的内容及结构类型 系统软件包括管理和控制两大部分。 系统的管理部分包括：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加
工程序的编制管理等程序。 系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控
制等软件。 （3）多任务并行处理
1） CNC系统的多任务性如图2.13所示 2）并行处理如图2.14所示， 采用“资源分时共享”图2.15和“资源重叠的流水处理”图2.16 （4）实时中断处理
1） 刀具长度和半径的补偿
2） 工艺量的补偿
（2） 固定循环功能
（3） 通信功能
2.1.4 CNC系统的硬件组成
CNC装置从硬件的组成上可分为： 单机系统和多机系统。 １、单机系统的组成 ２、多机系统的组成
1．单机系统的组成
单机系统指整个CNC装置只有一个CPU，集中控制和管理 整个系统资源，通过分时处理的方式，完成数控加工中各 个任务，如图2-3所示。
重要程度，已预先排好优先级别的顺序。由总线仲裁器解决。 总线仲裁有两种方式，串行方式和并行方式。 串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按链接位置确定，如图2-
9所示。 并行总线裁决方式中，要配备专用逻辑电路来解决主模块的优先
权问题，通常采用优先权编码方案。如图2-10所示。
３）共享存储器结构
图2-11所示为GE公司的MTC1数控装置的结构框图，这是一种共享存 储器型结构。功能模块之间通过公用存储器连结耦合在一起，共有3 个CPU。
2）共享总线结构
图2-8为FANUC15系统的CNC装置为多微处理器共享总线结构。 按照功能将系统划分为：带CPU的为主模块，不带CPU的为从模
块。 FANUC15CNC装置中，主CPU为68020（32位），从ＣＰＵ为在
可编程控制器、轴控制等中的CPU。 系统装置可控制2根轴至15根轴。 只有主模块有权控制使用系统总线。每个主模块按其担负任务的
刀补计算、运动轨迹计算、插补计算和位置控制的给定值 与反馈值的比较运算等。 总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线， 包括控制、地址和数据总线，即通常所说的三总线。传输 信息的高速度和多任务性，使总线结构和标准也在不断发 展。
（2）存储器
CNC系统中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存 储器（RAM）两种。
（1）多机系统的典型结构
多处理器连接方式：总线、环线、交叉、多级开关、混合 交换互换等
多微处理器的CNC装置一般采用总线互连方式，典型结构 有共享总线型、共享存储器型以及它们的混合型结构。
1）功能模块 2）共享总线结构 3）共享存储器结构
1）功能模块
1、CNC管理模块 2、CNC插补模块 3、PLC模块 4、位置控制模块 5、操作控制数据输入、输出和显示模块 6、存储器模块
2.1.1 数控系统的组成
CNC数控系统的组成，如图2-1所示 （1）程序、输入输出设备 （2）计算机数字控制装置 （3）可编程控制器（PLC） （4）通信及网络设备 （5）主轴驱动装置 （6）进给驱动装置等组成
2.1.2 计算机数控装置（CNC）的 组成和特点
1. 计算机数控装置（CNC）的组成 硬件和软件两部分 硬件由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口、
图2-51 840D数控系统典型接线图
图2-52 PC连接型CNC
图2-53 PC内藏型CNC例
图2-54 CNC内藏型例 （PMAC控制器）
图2-55开放式数控系统总体结构框 图
2．1 机床数控系统的组成
2.1.1 数控系统的组成 2.1.2 计算机数控装置（CNC）的组成和特点 2.1.3 数控装置的功能 2.1.4 CNC系统的硬件组成 2.1.5 CNC系统的软件组成
（1） 控制功能
（2） 准备功能
（3） 插补功能
（4）进给功能 1）切削进给速度 2）同步进给速度
3）快速进给速度 4） 进给倍率 。
（5） 主轴功能 即主轴转速的控制功能
（6） 刀具管理功能
（7）显示功能
（8） 辅助功能
（9） 自诊断功能
2. 选择功能
（1） 补偿功能 包括以下方面：
CPU1为中央处理器，其任务是数控程序的编辑、译码、刀具和机床 参数的输入。此外，作为主处理器，它还控制CPU2和CPU3，并与之 交换信息。
CPU2为CRT显示处理器，是根据CPU1的指令和显示数据，在显示缓 冲区中组成一幅画面数据，通过CRT控制器、字符发生器和移位寄存 器，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外，它还定时扫描键 盘和倍率开关状态，并送CPU1进行处理。。
（3）位置控制单元
CNC装置中的位置控制单元又称为位置控制器或位置控制模块。位置 控制主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。例如：工 作台前后、左右移动，主轴箱的上下移动，围绕某一直线轴旋转运动 等。
进给轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动 和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴 有很好的协调运动，精确配合。
对主轴的控制要求在很宽的范围内速度连续可调，并在每一种速度下 均能提供足够的切削功率和转矩。在某些高性能的CNC机床上还要求 主轴位置可任意控制（即C轴位置控制）。
在加工中心上，为了能够任意选择刀库不同位置上的刀具，需要有刀 库位置控制，以控制刀库准确停在要选用的刀具位置。刀库位置控制 与轴控制相比，性能要低得多，故称简易位置控制。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图2-33 数字积分法圆弧插补原理框图
图2-34数字积分法第一象限逆圆插补程 序流程图
图2-35 数字积分法圆弧插补轨迹
图2-36 弦线逼近圆弧
图2-37 时间分割法直线插补
图2-38 时间分割法圆弧插补
图2-39 刀具中心偏差
图2-40 直线刀具补偿的计算
图2-41 圆弧刀具半径补偿的计算
MDI/CRT接口、位置控制等部分组成，如图2-2所示。 软件由管理软件和控制软件组成。 2.数控装置的特点 （1） 灵活性和通用性 （2） 可靠性高 （3） 数控功能丰富 （4） 使用维修方便 （5） 易于实现机电一体化
2.1.3 数控装置的功能
1、基本功能 2、选择功能
1．基本功能
系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。 即使断电，程序也不会丢失。程序只能被CPU读出，不能 写入。必要时经擦除后，再重写。
运算的中间结果，需显示的数据，运行中的状态、标志信 息等存放在随机存储器RAM中。它可以随时读出和写入， 断电后，信息就消失。
加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池 的CMOS RAM中，这些信息在这种存储器中能被随机读 出，还可以根据操作需要写入或修改，断电后，信息仍保 留。如图图2-4所示为CMOS RAM存储器框图。
结构主要包括以下几部分： 1DDA插补器 2CMR 3误差寄存器 4位置增益控制 5误差的脉宽调制P.W.M 6漂移补偿控制 7鉴相器 8DMR 9参考计数器 10地址译码。
2）位置控制模板
图2-6为采用位置控制模板的CNC系统结构框图。 位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现。 软件负责计算位置跟随误差和进给速度指令的数值。 硬件接收进给指令，进行D/A变换，为速度单元提供命令
CNC系统的中断类型1）外部中断 2）内部定时中断 3）硬件故障中 断 4）程序性中断
电压；将位置反馈信号与指令值进行比较。 硬件由位置控制输出组件和位置测量模板组成。 位置测量组件处理处理位置反馈信号后送“跟随误差计数
器”与指令值进行比较。 位置控制输出组件的作用是将微机数控系统输出的以数字
形式表示的跟随误差转换为驱动执行元件所需的电流或电 压信号。
（4）I/O接口
I/O接口与数控装置、控制设备和机床间的接口与其它工 业上的许多标准接口一样，于1975年由国际电工委员会第 44委员会制定并批准了国际标准，称为“机床/数控接口” 标准。如图2-7所示，标明了数控装置、控制设备和机床 之间的接口范围。
CPU3为插补处理器。完成的工作是插补运算、位置控制、机床输入/ 输出接口和RS232C接口控制。
MTC1数控装置中的公用存储器，是通过CPU1分别向CPU2或CPU3发 送总线请求保持信号HOLD，才被占用的，此时CPU2或CPU3处于保 持状态，CPU1与公用存储器进行信息交换。信息交换结束，CPU1撤 消HOLD信号，CPU1释放公用存储器，CPU2和CPU3恢复对公用存储 器的控制权。
1）位置控制芯片 2）位置控制模板
1）位置控制芯片
MB8739的结构如图2-5所示，CPU输出的位置指令，经过芯 片MB8739处理后，送往D/A变换，再经过速度控制单元以 控制电动机运动。