第7章 计算机数控系统

第7章计算机数控系统7.1概述数控系统（NumericalControlSystem简称为NC系统）即数字控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定了的数字量，并自动将其译码，输出符合指令的脉冲，从而使机床运动并加工出合乎要求的高质量零件。•7.1.1数控系统的分类•1.按照数控系统的硬件、软件特点分类•⑴硬件数控系统（简称为NC系统）硬件数控系统是早期的数控系统，它的输入、运算、插件、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路来实现。一般说来，不同的数控机床都需要设计专门的逻辑电路。这种硬件线路联接的专用计算机控制系统结构体积庞大、应用性差、可靠性差、功能和灵活性差。•⑵计算机数控系统（ComputerNumericalControlSystem简称为CNC系统）随着计算机技术的发展，数控系统中的专用计算机被微型计算机所取代，形成了CNC系统，实现了真正的机电一体化。现代的数控系统都是CNC系统，它靠执行存储程序来实现各种机床的控制要求，因此CNC系统又称为存储程序数控系统或软件数控系统。•2.按控制对象的工作特点分类•⑴点位控制系统•⑵直线控制系统•⑶轮廓控制系统（又称为连续控制系统）•7.1.2数控系统的组成•数控系统是由程序、输入输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称为PLC）、主轴驱动装置和进给伺服驱动系统等六大部分组成的一个整个系统，又称为CNC系统。•数控系统的核心是计算机数控装置（CNC装置），目前也简略地称为CNC系统。•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。•7.1.3CNC系统的功能•CNC系统的功能包括：基本功能和选择功能。•基本功能是CNC系统的必备功能；•选择功能可由供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择。•主要功能如下：•1.CNC系统的基本功能•⑴控制功能•指CNC能够控制和能够联动控制的进给轴数目。•控制轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。•控制轴特别是联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。•⑵准备功能•即G功能，用来指令机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。•⑶插补功能•所谓插补功能指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。即以最小的逼近误差，沿着指定线段的起点和终点在其之间进行数据点的密化工作。•一般CNC系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为高档的CNC系统备有抛物线插补、极坐标插补、正弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。•插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。•⑷进给功能•即F功能，用来指令各轴的进给速度，主要有以下三种：•①切削进给速度每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为mm/min；•②同步进给速度实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转的进给量，单位为mm/r，主要用于加工螺纹；•③进给倍率用于人工实时修调进给速度。即通过操作面板上的进给倍率波段开关以每档10%的间隔在0～200%之间对预先设定的进给速度实现实时修调。•⑸主轴功能即S功能，用于指定主轴的转速，单位是r/min。•⑹辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的启停、正反转、冷却液泵的通、断，刀库的起、停等。•⑺刀具功能及工作台分度功能•刀具功能即T功能，用来选择刀具；•工作台分度功能即B功能，用于分度工作台的分度。•⑻人机对话功能CNC系统可配置9in单色或14in彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。•(9)自诊断功能CNC系统中设置有故障诊断程序，以防止故障的发生和扩大，在故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。•2.选择功能•⑴补偿功能包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。•⑵固定循环功能在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先将这些典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，用G代码进行定义形成固定循环功能，在加工时可直接使用这类G代码，完成这些典型的动作循环，大大简化编程工作。•⑶通讯功能•它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。•通常CNC系统都配有RS232C接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序，有的还备有DNC接口，以利实现直接数控，更高档的系统还可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。•⑷自动在线编程功能有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。有的CNC系统可进行在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。•7.1.4CNC系统的工作过程•（1）程序输入；•（2）译码；•（3）刀具补偿；•（4）进给速度处理；•（5）插补运算处理；•（6）I/O处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；•（7）位置处理；•（8）显示；•（9）自诊断处理。•CNC系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。•7.1.5CNC系统的优点CNC系统具有：很高的柔性和通用性；数控功能丰富；可靠性高；使用维护方便；易于实现机电一体化。•7.2CNC系统的硬件结构CNC系统的基本硬件结构通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能（MST）控制接口等部分组成，如图7-1所示。图7-1CNC系统总体结构示意图•7.2.1微机基本系统•微机基本系统的主要组成包括：CPU、存储器、定时器、中断控制和系统总线等。•1.CPU•CPU是整个数控系统的核心，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。•CPU特点：是投资小，结构简单，易于实现。常见的中、低档数控系统基本上采用8位或16位CPU，随着CPU技术的发展，现代数控系统大多采用16位或32位CPU，并向64位CPU发展，•按CNC系统中CPU的多少可分为单机系统（只有一个CPU）和多机系统（CNC中有2个或2个以上CPU）。•2.存储器•存储器是存放系统程序、零件加工程序和中间运算结果的重要部件。它包括只读存储器和随机存储器。•⑴只读存储器EPROM•用于固化系统控制软件，通过专用的写入器写入程序，断电后程序不丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入，必要时可经过紫外线抹除后再写。•⑵随机存储器RAMRAM中存放可读写的信息，运算的中间结果存放在RAM中，它能随机读写，断电后信息消失。零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的CMOSRAM或磁泡存储器中，它能随机读出，并可根据加工零件写入或修改，断电后信息仍能保留。•3.定时器和中断器定时器和中断器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。•4.系统总线（BUS）系统总线由传送数字信息的物理导线组成，它是CNC系统内部进行数据或信息交换的通道，包括以下三组：•⑴数据总线它是各模块间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，它采用双向总线。•⑵地址总线它是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，以确定数据总线上传输的数据来源地或目的地，它采用单向总线。•⑶控制总线它是一组传送管理或控制信号的总线，如数据的读、写控制，中断、复位以及各种信号确认等，它采用单向总线。•7.2.2接口•1.人机界面接口•CNC系统的人机界面包括键盘、显示器、操作面板和手摇脉冲发生器。•⑴键盘在CNC系统中也称为MDI（ManualDataInput）面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于人工编制加工程序以及参数的输入、修改等。•⑵显示器（CRT）用于显示程序、数据以及加工信息等。•⑶操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉。•⑷手摇脉冲发生器（MPG）用于手动控制机床坐标轴的运动。•2.通信接口•如RS232、RS485、DNC、MAP接口等，用于CNC与外设、上级计算机以及网络连接,实现数据信息交换。•3.进给轴位置控制接口•进给轴的位置控制包括：进给速度控制、插补运算和位置闭环控制。•进给轴位置控制接口包括：模拟量输出接口和位置反馈计数器接口。模拟量输出接口采用数模转换器DAC，输出模拟电压的范围为-10～+10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。•4.主轴控制接口•主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。•当数控机床配有主轴无级变速驱动装置时，可利用主轴控制接口中的模拟量输出接口，输出模拟量进行无级变速。•主轴位置反馈计数器接口主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。•5.辅助控制接口•数控系统的辅助功能即MST功能，它对强电箱的控制联系是通过开关量输入/输出接口完成的（除S模拟量输出接口外），MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，一般采用可编程控制器（PLC）来实现MST功能。•7.3CNC系统的软件结构与插补算法•CNC系统由硬件和软件组成，硬件为软件运行提供支持环境，软件是CNC系统的核心。•6.3.1CNC系统软件结构•1.CNC系统软件的构成CNC系统软件包括管理软件和控制软件，如图7-2所示:图7-2CNC系统的软件构成•2.CNC系统软件的结构模式所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种控制要求。•目前CNC系统软件的结构模式有以下几种：•⑴前后台型结构模式这种模式将系统软件划分为前台程序和后台程序.•前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断、PLC控制等实时性很强的任务，它是个实时中断服务程序，以一定周期定时发生，中断周期一般小于10ms。•后台程序也称背景程序，用来完成显示、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）等弱实时性任务，它是一个循环运行的程序，在其运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断。•前后台程序的运行关系见图7-3所示:图7-3前后台程序运行关系图•前后台型结构模式的特点:•这种结构的任务调度机制在前后台程序之间，前台程序是优先抢占式的。•在前、后台程序内部，各子任务则采用顺序调度，无抢占机制，因而该结构实时性差，早期的CNC系统大都采用这种结构。•⑵中断型结构模式这种结构除初始化程序外，整个系统的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理，如图7-4所示。图7-4中断型软件系统结构图•中断型结构模式的特点:该结构中任务的调度机制均采用优先抢占调度，因此系统的实时性好，但中断级别较多（最多可达8级），模块关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪80至90年代初的CNC系统大多采用这种结构。•⑶基于实时操作系统的结构模式•实时操作系统（PTOS）是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制等功能。•它的优点是弱化了功能模块间的耦合关系、系统的开放性和可维护性好，能大大减少系统开发的工作量。目前，采用实时操作系统模式开发的方法有两种：•①在商品化的实时操作系统下开发CNC系统软件。•②将通用的PC机操作系统（DO