第二章 数控系统(6、7节)

4）程序性中断（程序中运算溢出报警等）
空间
空间
Δ t1 Δ t1 Δ t1 Δ t1
N3
输出
1 1 1 2 2 3
2 3 4
3 4
4
输出 输出
N2 N1
1 2 3 4
1
2 输出
3
4
N2 N1
输出 时间
Δ t1 Δ t1 Δ t1 Δ t1
时间
Δ t1 Δ t1 Δ t1 Δ t1
a) 顺序处理 图2-51 时间重叠流水处理
CNC装置由硬件和软件构成，软件在硬件的支持下
完成所要求的数控功能。 CNC硬件构成（图）
CNC系统的主要功能：接受输入装置输入的加工信
息，经处理、计算、发出各种控制命令即输出相应 的指令脉冲，以驱动伺服系统，进而控制机床动作。
CNC控制过程：

根据输入的信息即加工程序，进行数据处
理、插补运算获得理想的运动轨迹信息，继
2）共享总线结构
局部存储器 局部I/O 局部存储器 局部I/O 局部存储器 局部I/O
局部总线
局部总线
局部总线
CPU1
主 模 块 1 系统总线 从模 块1 全局存储器 主 模 块 2
CPU2
主 模 块 3
CPU3
„
总线仲裁
总线仲裁
总线仲裁
从模 块2
全局I/O
„
图2-46 共享总线多主结构硬件示意
CRT/MDI
3．实时中断处理
CNC装置软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNC装置的多任务 性和实时性决定了中断处理成为其软件必不可少的重要组成部分。 1）外部中断（外部监控终端、操作面板输入中断等） 2）内部定时中断（插补周期定时、位置采样周期定时中断等） 3）硬件故障中断（存储器出错、插补运算器超时等中断）
b) 流水处理
（ห้องสมุดไป่ตู้）CNC装置的软件结构
所谓CNC装置的软件结构是指系统软件的任务（程序） 组织管理方式。 不同的软件结构，对各项任务的安排方式不同，管理方式 也不同。 在单CPU的CNC装置中，常采用前后台型或多重中断型软 件结构。 在多CPU的CNC装置中，各CPU分别承担一定的任务，具 有很高的并行处理能力，其中某个CPU承担多任务时，仍 然采用前后台型或多重中断型软件结构。 如果某个CPU承担的任务比较单一，该CPU的软件可以是循 环往复式的结构，即顺序执行程序结构。
（二）CNC装置的软件特点
1．资源分时共享并行处理
在一定的时间长度（通常称为时间片）内，根据系统各任务的实时 性要求程度，规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序分时共享系统 的资源，进行各任务的处理。
2．时间重叠流水处理
其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一 个子过程，而是处理两个或更多的子过程。这样一来，每个程序段的输 出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。
1．前后台型软件结构
返回 中断 显示 中断 返回 前台程序 （中断服务程序） 故障处理 位置控制 返回 背景程序 诊断 插补准备 输入 插补运算 中断 辅助功能处理 · · · 中 断 优 先 级 高
二、CNC装置的软件结构
控制任务：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位
（一）CNC装置的任务特点
1．多任务 2．并行处理：
置控制等 管理任务：输入、I/O处理、显示、诊断等 加工、显示、I/O处理、故障诊断等同时进行 实时突发性任务（急停、故障等）
强实时性任务
3．实时性
弱实时性任务 （编辑、显示等）
典型的有共享总线结构、共享存储器结构。
1）功能模块
①CNC管理模块：主要完成初始化、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，负责管理和组织整个 CNC装置有条不紊地工作。
②CNC插补模块：主要完成插补前预处理和实时插补计算。
③位置控制模块：负责对插补输出的指令位置（或位移）和检测反馈 的实际位置（或位移）进行比较并获得位置偏差，进行速度和位置 控制。 ④PLC（或PMC）模块：负责对零件程序中的开关量顺序控制指令(S、 M、T)、来自机床操作面板的控制信号和机床上各行程开关的信号 进行逻辑处理，实现机床的启停、换刀、转台分度、工件计数等功 能，以及各功能和操作方式之间的联锁等。 ⑤输入输出和显示模块：用于零件程序、参数和数据以及各种操作命 令的输入输出和各种信息的显示。 ⑥存储器模块：提供程序和数据存储的存储器以及各功能模块间数据 传送用的共享存储器。
（一）大板式结构和模块式结构
1．大板式结构
由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组 成，其特征是将主电路做成大块印制电路板，称为主板，其他电 路制成小板，可插在大板的插槽内。 主板上是控制核心电路，称微机基本系统，由CPU、存储器 （ROM和RAM）、定时和中断等控制电路组成。通常还将CNC 装置一些特有的功能电路（如位置控制电路）和对外接口也制作 在主板上。
而输出到执行部件，加工出所需要的零件。
一、数控装置硬件结构
硬件结构类型
按CNC装置中各印制电路板的插接方式，可以 分为大板式结构和模块式结构。
按CNC装置中微处理器的个数，可以分为单微 处理器结构和多微处理器结构。 按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型 结构和通用型结构。 按CNC装置的开放程度又可分为封闭式结构、 PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型 开放式结构。
实时周期性任务（插补、位控等）
CNC装置任务
输入 管 理 控 制 显示 输 入 控制 刀具 补偿 位控 速度 处理 诊断 译码 插补
I/O 处 理
显 示
诊 断
通 信
译 码
刀 具 补 偿
速 度 处 理
插 补
位 置 控 制
I/O
图2-49 CNC装置的任务分解
图2-50 CNC装置各任务之间的并行处理关系
RAM EPROM RAM(2K) (512)
EPROM RAM(512) EPROM
键盘
显示CPU
中央CPU
插补CPU
串口和收发器
字符 发生器
CRT控制器
插补CPU
反馈脉冲处理
CRT
模拟量输出
机床接口 „ „
反馈信号收发器 „
X Y Z CW 图2-48 MTC1系统硬件结构
（三）专用型结构和通用型结构
1．专用型结构： 由各制造厂专门设计和制造，具有布局合理、结构紧 凑、专用性强等优点。封闭式的体系结构。如FANUC 系统、SIEMENS系统、美国A-B系统等。目前在生产 中使用的数控设备大多数都是采用这类CNC装置。 2．通用型结构： 以工业PC机作为硬件支撑平台，再根据数控功能 的需要插入专用控制卡，与数控软件一起构成相应 CNC装置。开放性和可维修性好。目前，世界各国都 在致力于这类CNC系统的研发。美国ANILAM公司和 AI公司生产的CNC装置均属这种类型。
3．NC嵌入PC式结构
这类CNC系统由开放式体系结构的运动控制卡加PC机构成。 运动控制卡本身就是一个CNC系统，可以单独使用，通常选 用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和顺序逻辑控制能 力。 美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC CNC 系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDAS MAGIC 64构造的 MAZATROL 640 CNC数控系统等。
2．PC嵌入NC式结构
采用在CNC装置内部加装PC的方法来进一步扩展功能，使CNC 系统具有一定的开放性。但由于其基础部分仍然是传统的CNC 系统，其体系结构还是不开放的，用户无法介入系统的核心。 FANUC 18i和16i、SIEMENS 840D、Num l060、AB 9／360 等CNC系统均是这种结构，其结构复杂、功能强大，但价格 昂贵。
数控机床与编程
宁波大学工学院
2013.2
第二章 数控系统及工作原理
第一节 概述
第二节 数控插补原理 第三节 数控补偿原理 第四节 位移与速度检测 第五节 伺服驱动与控制 第六节 CNC装置 第七节 CNC系统中的可编程控制器（PLC）
第六节 CNC装置

CNC系统包括CNC装置、PLC和部分输入／输出 设备，其核心是CNC装置。
主模块
通信模块 （带CPU) 自动编程模块 （带CPU)
从模块
主存储器 模块
操作面板 图形显示模块 （带CPU)
FANUC BUS(系统总线）
插补模块 （带CPU)
PLC模块 （带CPU)
位置控制模块 （带CPU)
主轴控制 模块
I/O单元
伺服驱动单元
主轴单元
图2-47 FANUC 15系统硬件结构
3）共享存储器结构
5．开放式体系结构的定义
参照IEEE对开放式系统的规定，一个真正意义上的开放式 CNC系统必须具备使不同应用程序协调地运行于系统平台上的 能力，提供面向功能的动态重构工具以及标准化的用户界面， 并应具有以下特征：
1）按分布式控制原则，采用系统、子系统和模块等分级式控制结 构，其构造应是可移植的和透明的。
大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。
FANUC 6MB CNC系统采用大板式结构。
2．模块式结构
特点是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每 个功能模块按模块化方法做成尺寸相同的印制电路板（称 为功能模板），各板均可插接到符合相应工业标准总线的 母板插槽内。对应各功能模块的控制软件也是模块化的。 常用的功能模板有CPU板、扩展存储器板、位置控制板、 PLC板、图形板和通信板等。 连接各模板的总线可选用各种工业标准总线，如工业PCI （Peripheral Component Interconnect）总线、STD总线等。 模块化结构的CNC装置设计简单，调试与维修方便，具有 良好的适应性和扩展性。 FANUC 15系列的CNC系统就采用了模块式结构。