第4章

計算機數(shù)控(CNC)裝置2/3/20234.1概

述

2/3/20234.1.1CNC技術的發(fā)展表4.1數(shù)控系統(tǒng)的演變分類世代誕生年代系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成世界我國硬件數(shù)控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年電子管、繼電器，模擬電路晶體管，數(shù)字電路（分立元件）集成數(shù)字電路計算機數(shù)控CNC第四代1970年1976年內(nèi)裝小型計算機，中規(guī)模集成電路第五代1974年1982年內(nèi)裝微處理器的NC字符顯示，故障自診斷

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大規(guī)模集成電路，大容量存儲器，可編程接口，遙控接口人機對話,動態(tài)圖形顯示,實時軟件精度補償,適應機床無人化運轉(zhuǎn)要求32位CPU，可控15軸，設定0.0001mm進給速度24m/min，帶前饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化系統(tǒng)。利用RISC技術64位系統(tǒng)。微機開放式CNC系統(tǒng)。2/3/20234.1.1CNC技術的發(fā)展年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片機16位微處理器32位微處理器64位伺服驅(qū)動直流模擬伺服交流模擬伺服交流數(shù)字伺服最小設定單位10.10.01進給速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min高速型15m/min

60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min擴充功能用軟件擴充數(shù)控功能、刀具補償，固定循環(huán)，存儲器運行用軟件充實人機接口，彩色顯示，會話編程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，數(shù)字伺服，高速主軸，智能化開放系統(tǒng)表4·2數(shù)控系統(tǒng)的技術進步狀況

2/3/20234.1.1CNC技術的發(fā)展表4·3數(shù)控系統(tǒng)的功能水平

項目低檔中檔高檔分辨率

101

0.1進給速度

8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯(lián)動軸數(shù)

2-3軸

2-4軸或3-5軸以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系統(tǒng)步進電機、開環(huán)直流及交流閉環(huán)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)內(nèi)裝PLC無有內(nèi)裝PC，功能極強的內(nèi)裝PC，甚至有軸控制功能顯示功能數(shù)碼管,簡單的CRT字符顯示有字符圖形或三維圖形顯示通信功能無RC232C和DNC接口還可能有MAP通訊接口和聯(lián)網(wǎng)功能2/3/20234.1.2CNC系統(tǒng)的組成

EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)所屬的數(shù)控標準化委員會的定義:“CNC是用一個存儲程序的計算機，按照存儲在計算機內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計算機之外的唯一裝置是接口”。

ISO(國際標準化組織)的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件”。

CNC系統(tǒng)與NC系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點位控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運算、處理和控制的計算機，即數(shù)字控制裝置。2/3/20234.1.2CNC系統(tǒng)的組成

從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設備

機床機器人測量機

......2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

硬件結(jié)構(gòu):CPU，存儲器，總線、外設等。軟件結(jié)構(gòu)：是一種用于零件加工的、實時控制的、特殊的（或稱專用的）計算機操作系統(tǒng)。

系

統(tǒng)初始化系統(tǒng)控制軟件程序管理編輯存儲錄放管理軟件控制軟件輸入程序輸出程序顯示程序診斷程序譯碼程序補償計算速度控制插補程序位控程序圖4.1CNC軟件的構(gòu)成

2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

3.工作原理

通過各種輸入方式，接受機床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進行計算機的處理、運算，然后將各個坐標軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機，帶動各軸運動。并進行實時位置反饋控制，使各個坐標軸能精確地走到所要求的位置。

簡要工作過程：

1）輸入：輸入內(nèi)容——零件程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)。輸入方式——穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入，通訊接口輸入及連接上級計算機的DNC接口輸入2/3/20234.1.3CNC裝置的組成和工作原理

2）譯碼：以一個程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補償，速度計算以及輔助功能的處理等。

4）插補：插補的任務是通過插補計算程序在一條曲線的已知起點和終點之間進行“數(shù)據(jù)點的密化工作”。5）位置控制：在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給伺服電機。6）I/O處理：處理CNC裝置與機床之間的強電信號輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。

2/3/2023

4.1.4CNC裝置的主要功能和特點

1.數(shù)控裝置的主要功能（1）控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)（2）準備功能（G功能）（3）插補功能（4）主軸速度功能：主軸轉(zhuǎn)速的編碼方式、恒定線速度、主軸定向準（5）進給功能（F）

1）切削進給速度2)同步進給速度3）快速進給速度4）進給倍率。（6）補償功能

1）刀具長度、刀具半徑補償和刀尖圓弧的補償

2）工藝量的補償（7）固定循環(huán)加工功能

2/3/2023

4.1.4CNC裝置的主要功能和特點（8）輔助功能（M代碼）（9）字符圖形顯示功能（10）程序編制功能：手工編程、在線編程、自動編程（11）輸入、輸出和通訊功能（12）自診斷功能2.CNC數(shù)控裝置的特點

1）靈活性大

2）通用性強

3）可靠性高

4）可以實現(xiàn)豐富、復雜的功能

5）使用維修方便

6）易于實現(xiàn)機電一體化2/3/20234.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.2.1CNC裝置的硬件構(gòu)成

CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖2/3/2023

CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)分為：單微處理機和多微處理機系統(tǒng)，中高檔的CNC裝置以多微處理機結(jié)構(gòu)為多。

■單微處理機結(jié)構(gòu):見上圖

■多微處理機CNC裝置的結(jié)構(gòu)：

1.主從結(jié)構(gòu)

2.多主結(jié)構(gòu)

3.分布式結(jié)構(gòu)

4.多通道結(jié)構(gòu)

4.2.2CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

2/3/2023單微處理機數(shù)控裝置:是以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個任務。單微處理機結(jié)構(gòu)：微處理器、存儲器、總線、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器（PC）、主軸控制單元、穿孔機和紙帶閱讀機接口，以及其它選件接口等。1.微處理器和總線微處理器：運算、控制總線：CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。2.存儲器

①只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）

它們的用途：

4.2.3單微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)2/3/2023

●只讀存儲器（ROM）：系統(tǒng)程序

●隨機存儲器（RAM）：運算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、標志信息

②CMOSRAM或磁泡存儲器：加工的零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)3.位置控制單元

●對數(shù)控機床的進給運動的坐標軸位置進行控制（包括位置和速度控制）。（對主軸的控制一般只包括速度控制）

●C軸位置控制：包括位置和速度控制

●刀庫位置控制（簡易位置控制）進給軸位置控制的硬件：大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片、位置控制模板。

4.2.3單微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS1.多微處理機CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu):共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)。

（1）功能模塊

1）CNC管理模塊

2）存儲器模塊

3）CNC插補模塊

4）位置控制模塊

5）操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊

6）PLC模塊

2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS（2）共享總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)與仲裁

主模塊與從模塊總線仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行總線仲裁方式：優(yōu)先權的排列是按鏈接位置確定。并行總線仲裁方式：專用邏輯電路，優(yōu)先權編碼方案

模塊之間的通訊：公共存儲器

總線：STDbus（支持8位和16位字長）

Multibus（Ⅰ型支持16位字長，Ⅱ型支持32位字長）

S-100bus（可支持16位字長）

VERSAbus（可支持32位字長）

VMEbus（可支持32位字長）

2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.9串行總線仲裁連接方式主模塊1主模塊2主模塊3總線優(yōu)先權入總線優(yōu)先權出總線忙入忙出入忙出2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.10并行總線仲裁連接方式主模塊1總線優(yōu)總線總線優(yōu)先權入忙先權出主模塊3入忙出譯器碼主模塊2入忙出優(yōu)先權編器碼…2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（3）共享存儲器結(jié)構(gòu)

VS圖4.11MTC1的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2鍵盤(中央)CPU1(插補)CPU3串口和收發(fā)器CRTCCRT

字符發(fā)生器并行接口反饋脈沖處理反饋信號適配器機床接口模擬量接口RS232CXYZCW2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

（4）共享總線和共享存儲器型結(jié)構(gòu)

圖4.12FUNUC11的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖鍵盤紙帶機手搖盤PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM圖形顯示8087OPCCRT機床I/O坐標軸坐標軸主軸其中OPC–操作控制器；BAC–總線仲裁控制器；IOC–

輸入輸出控制器；

CAP–

自動編程單元；SSU–

系統(tǒng)支持單元；PMC–

可編程機床控制器2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖4.13雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖圖4.13多CPU共享存儲器框圖端口1存儲控制邏輯地址和數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存儲器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制（COU4）插補(CPU3)端口2中斷控制從機床來的控制信號至機床的控制信號2/3/20234.2.4多微處理機數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

VSVS（5）多通道結(jié)構(gòu)

通道結(jié)構(gòu)（ChannelStructure），即兩種以上程序的并行處理。2.多微處理機CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點

（1）計算處理速度高（2）可靠性高（3）有良好的適應性和擴展性（4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS一、開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的需求，需要一種靈活（功能可組、可擴展、可添加）的開放式數(shù)控系統(tǒng)，打破當前的“封閉式的”數(shù)控系統(tǒng)。體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)應用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：■系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征■允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成構(gòu)造，應該是可移植的和透明的；2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS二、開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標準化的人機界面：標準化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關的勞動消耗；2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強市場供應能力和競爭能力。2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS三、開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標準計算機硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應用程序DOS(WINDOWS)實時多任務操作系統(tǒng)RTM應用程序接口NC構(gòu)件庫2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS

四、國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進展

1.幾大研究計劃美國：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)計劃日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計劃華中I型——基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)——基于PC的多機CNC開放體系結(jié)構(gòu)2/3/20234.2.5開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)VSVS2.開放程度：1）CNC可以直接地或通過網(wǎng)絡運行各種應用軟件2）用戶操作界面的開放。3）NC內(nèi)核的深層次開放(①PC+實時硬插件；②PC+實時軟中斷)。3.開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：1）在控制系統(tǒng)技術，接口技術、檢測傳感技術、執(zhí)行器技術、軟件技術五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、先進、適銷的經(jīng)濟、合理的開放式數(shù)控系統(tǒng)。2）主攻方向是進一步適應高精度、高效率（高速）高自動化加工的需求。3）網(wǎng)絡化2/3/20234.2.6點位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)VSVS1.點位/直線控制的一般概念（單軸數(shù)控）

用于鉆床、鏜床、機能簡單的車床

點位控制只控制刀具相對應于工件定位，由某一定位點向下一定點運動時不進行切削，對運動路徑?jīng)]有嚴格要求。

直線控制刀具沿坐標軸方向運動，并對工件進行切削加工。在加工過程中不但要控制切削進給的速度，還要控制運動的終點。2/3/20234.2.6點位/直線控制的數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)2.點位/直線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)顯示進給脈沖發(fā)生器M、S、T寄存控制加減速及停止判斷伺服驅(qū)動機床測量輸入譯碼位置計數(shù)與比較F圖4.16點位/直線控制系統(tǒng)2/3/20234.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

1.CNC裝置軟件硬件的界面

圖4.17三種典型的軟硬件界面關系紙帶輸入插補準備插補位控紙帶輸入插補準備插補位控速控電機測量第一種第二種第三種硬件硬件軟件硬件硬件軟件軟件硬件硬件2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS

2.系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）

管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。

控制部分：譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制等軟件。

管理方式：單微處理機數(shù)控系統(tǒng)：前后臺型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。多微處理機數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機作為一個功能單元

2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

3.多任務并行處理

（1）CNC裝置的多任務性

圖4.18CNC裝置軟件任務分解圖4.19軟件任務的并行處理CNC裝置管理控制輸入顯示位控診斷I/O插補位控譯碼刀補速度處理輸入I/O處理顯示診斷通訊譯碼刀具補償速度處理位置控制插補2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS（2）并行處理

并行處理：

是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。

并行處理的分類：“資源重復”，“時間重疊”和“資源共享”。

資源共享：

根據(jù)“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備。

時間重疊：

根據(jù)流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS1）資源分時共享并行處理（對單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術。資源分時共享——在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時共享”的技術關鍵：其一：各任務的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務占用CPU的時間長度，即

時間片的分配問題。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS診斷I/O處理輸入插補準備顯示初始化插補位控鍵盤

中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時共享圖2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS資源分時共享技術的特征在任何一個時刻只有一個任務占用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務。

因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務還是逐一執(zhí)行的。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS

2)并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）

在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務之間的關聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術：若任務間的關聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行——并發(fā)處理；若任務間的關聯(lián)程度較高，即一個任務的輸出是另一個任務的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS

流水處理技術的涵義流水處理技術是利用重復的資源（CPU），將一個大的任務分成若干個子任務(任務的分法與資源重復的多少有關)，這些小任務是彼此關系的，然后按一定的順序安排每個資源執(zhí)行一個任務，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

流水處理技術示意圖

VSVS并行處理1231232tt空間時間順序處理輸出輸出CPU1時間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU32/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個或兩個以上的任務在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關鍵是時間重疊，是以資源重復的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復雜性的代價換得時間上的快速性。2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

3）并行處理中的信息交換和同步在CNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實現(xiàn)。各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號指針來實現(xiàn)的。

圖4.22CNC裝置通過緩沖區(qū)交換信息框圖紙帶緩沖存儲區(qū)譯碼緩沖存儲區(qū)插補緩沖存儲區(qū)插補工作存儲區(qū)插補輸出存儲區(qū)紙帶譯碼插補準備交換插補2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

圖4.23紙帶讀寫同步說明--讀指針R--寫指針WMVSVS進口W=(W+1)Mod(M)寫第一個字符到紙帶緩沖寄存器(R-W)Mod(M)=2?出口停光電機進口出口啟動光電機R=(R+1)Mod(M)從紙帶緩沖存儲區(qū)讀出一個字符(R-W)Mod(M)=1?2/3/20234.3.1軟件結(jié)構(gòu)特點

VSVS

4.實時中斷處理

（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型

1）外部中斷：紙帶光電閱讀機中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。

2）內(nèi)部定時中斷：插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。

3）硬件故障中斷種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。

4）程序性中斷程序中出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。

（2）CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式

1）前后臺軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

背景程序初始化實施中斷程序2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理VSVS

1.零件程序的輸入

零件程序的輸入包括兩方面的內(nèi)容:1）從閱讀機、鍵盤輸入到零件程序存儲器。

2）從零件程序存儲器將零件程序的程序段送入緩沖器（緩沖存儲區(qū)）。

圖4.25輸入過程閱讀機零件程序存儲器MDI鍵盤零件程序緩沖區(qū)MDI緩沖區(qū)譯碼2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理VSVS2.數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序又叫插補準備程序，包括譯碼、刀補（運動軌跡計算）、輔助功能處理和進給速度計算等部分。另外，還包括諸如換刀、主軸啟停、冷卻液開、閉等輔助功能。

（1）譯碼定義：譯碼程序是以程序段為單位對信息進行處理，把其中的各種工件輪廓信息（如起點、終點，直線和圓?。?、加工速度F和其它輔助信息（M.S.T）依照計算機能識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)間。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯誤立即報警。方法：解釋和編譯。內(nèi)容：整理和存放。1）不按字符格式的整理與存放方法。

2）保留字符格式的整理與存放。2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理（2）刀具補償

定義：將編程時工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡數(shù)據(jù)。種類：長度補償和半徑補償。

1）B功能刀具半徑補償計算◆直線加工時刀具補償圖4.28直線刀具補償

VSVSYXA(x,y)A’(x’,y’)?y?xOO’?r2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理◆圓弧加工時刀具半徑補償YO

圖4.29圓弧刀具半徑補償rXA′(x0′,Y0′)B′(xe′,Y

e′)B(Xe,,ye)A(X0,,Y0)KRΔXΔYαα2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

*B功能刀具半徑不能處理尖角過渡問題

VSVS

圖4.30B刀補的交叉點和間斷點A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

2）C功能刀具半徑補償處理兩個程序段間轉(zhuǎn)接（即尖角過渡）的各種情況。圖4.31由NC到CNC刀補的改進措施工作寄存器AS輸出寄存器OS緩沖寄存器BS工作寄存器AS輸出寄存器OS緩沖寄存器BS刀具補償緩沖區(qū)CS工作寄存器AS輸出寄存器OSa)NC方式b)改進的NC方式c)CNC方式2/3/20234.3.2輸入和數(shù)據(jù)處理

圖4.32G41直線與直線轉(zhuǎn)接情況VSVS縮短型縮短型插入型插入型伸長型2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS

1.進給速度計算開環(huán)系統(tǒng):

速度通過控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)。速度計算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng):

采用數(shù)據(jù)采樣方法進行插補加工速度計算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長。

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS

（1）開環(huán)系統(tǒng)進給速度的計算

脈沖的頻率決定進給速度。

（4.7）為脈沖當量，單位：mm，則（4.8）兩軸聯(lián)動時，各坐標軸速度為:

合成速度（即進給速度）V為（4.9）

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

（2）半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的速度計算:

確定一個采樣周期的輪廓步長和各坐標軸的進給步長。直線插補速度計算：a)程序段投影

Lx=xe′-x0′Ly=ye′-y0′

b)直線方向余弦

cosα=Lx/Lcosβ=Ly/Lc)一個插補周期的步長（ΔL

）

ΔL=（1/60）F·Δt，速度F單位：mm/min，插補周期Δt單位：ms，

ΔL單位:μmd)各坐標軸在一個采樣插補周期的運動步長Δx=ΔL·cosα=Fcosα·Δt/60(μm)Δy=ΔL·sinα=Fsinα·Δt/60=ΔL·cosβ=Fcosβ·Δt/60(μm)VSVSYYOOXXXXYYA(X0,Y0)ABB(Xe

,Ye)A′(X0′,Y0′)B′(Xe

′,Ye′)A′B′βαLLXLY2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS圓弧插補時速度計算（插補原理不同，計算方法也不同）

步長分配系數(shù)（速度系數(shù)）

JIXYOAOEAi-1AiC(IO,JO)?Xi?YiαiαIi-1Ji-1R2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS2.進給速度控制

常用的控制方法：計時法

用于脈沖增量插補。時鐘中斷法用軟件控制每個時鐘周期內(nèi)的插補次數(shù)，達到速度控制的目的。積分法

2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS（1）程序計時法原理用途：點位直線控制系統(tǒng)。脈沖增量。空運轉(zhuǎn)等待時間越短，發(fā)出進給脈沖頻率越高，速度就越快。每次插補運算后

的等待時間插補運算時間進給速度要求的進給脈沖間隔時間2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS（2）時鐘中斷法

原理：求一種時鐘頻率，用軟件控制每個時鐘周期內(nèi)的插補次數(shù)。

適用：脈沖增量插補原理（3）設置V/ΔL積分器方法

DDA插補方法中，速度F代碼是用進給速度數(shù)（FRN）給定的。將FRN作為與坐標積分器串聯(lián)之速度積分器的被積函數(shù)，使用經(jīng)計算得到的累加頻率，可產(chǎn)生適當?shù)乃俣确e分器溢出頻率。將它作為坐標積分器的累加頻率，就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定。2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS3.數(shù)據(jù)采樣原理CNC裝置的加、減速控制加減速控制目的：保證機床在啟動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩

方法：插補前加減速控制插補后加減速控制

瞬時速度與穩(wěn)定速度V=THK/(60?1000)加減速曲線指數(shù)加減速線性加減速鐘形加減速

S曲線加減速2/3/20234.3.3速度處理和加減速控制

VSVS插補前加減速控制

插補后加減速控制

原理對合成速度（程編指令速度F）進行控制

對各運動坐標軸分別進行加減速控制

優(yōu)點不影響實際插補輸出的位置精度

不需預測減速點，在插補輸出為0時，開始減速，并通過一定的時間延遲逐漸靠近程序段終點。

缺點需預測減速點，這要根據(jù)實際刀具位置與程序段之間距離來確定，計算工作量大。

合成位置可能不準確，但這種影響只在加減速過程，進入勻速狀態(tài)后，這種影響就不存在了。

2/3/20234.3.4插補計算

VS主要算一個插補周期的ΔX，ΔY，以直線為例：1）ΔL%=ΔL*倍率

（ΔL%倍率后的每周期公式進給量）2）L1新=L1舊+ΔL%

（L1新—上次插補點與程序段起點之間距離；

L1舊—本次插補點與程序段起點之間距離）3）X3新=L1新cosα（X軸投影）

y3新=L1新cosβ4）Δx2=X3新-X3舊（本次插補周期的輸出位置增量值）。

Δy2=y3新-y3舊本次插補點（x3舊，y3舊）Δx2Δy2上次插補點2/3/20234.3.5位置控制

VSVS任務：1）每個位置反饋采樣周期，將插補給定與反饋值進行比較，用差值去控制電機2）增量調(diào)整3）螺距補償，間隙補償插補速度單元位控電機速檢位檢2/3/20234.3.5位置控制

位置控制計算VSVS+++-插補輸出△X2△Y2指令位置X2新Y2新位控輸出△X3△Y3實際位置X1新Y1新反饋位置增量△X1、△Y1X2舊Y2舊X1舊Y1舊++2/3/20234.3.5位置控制

VSVS位置控制完成以下幾步計算：計算新的位置指令坐標值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊

+△Y2；計算新的位置實際坐標值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊

+△Y1計算跟隨誤差(指令位置值—實際位置值)：△X3=X2新-X1新；△Y3=Y2新-Y1新；2/3/202