作者：聂晓根
福州大学机械工程及自动化学院
Numerical Control Technology
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第四章 计算机数控系统
本 章 内 容
第一节 概述 第二节 CNC的轨迹控制原理 第三节 刀具位置补偿和半径补偿 第四节 进给速度和加减速控制 第五节 CNC的输入输出与通信功能 小结
第一节 概 述
一、CNC系统的构成与功能 二、CNC的硬件结构（常规与开放式） 三、CNC的软件结构（常规与开放式）
一、CNC系统的功能与构成
1、数字控制的（根本）任务
数控系统用G代码和M代码指令与其根本任务相对应
此外用S、T、F等代码指令控制主轴转速、刀具号、进给速度等。
数控机床的任务：
通过数字控制的方法制造各种规定几何形状的零件。
数字控制的任务与被加工对象的形状和机床功能有关。
相应地数控机床有： 车床、铣床、镗铣床、钻床、磨床及加工中心等。
数字控制的任务与被加工对象和机床功能有关：
如孔、轴、锥面、曲面和螺纹等
如孔系、平面轮廓、立体轮廓等
2、CNC系统的组成
CNC系统的组成：由数控计算机、程序输入/输出装置、机床控制装置组成。即包括程序、输入/输出设备、CNC控制器、可编程控制器、主轴驱动单元和进给驱动单元等。
3、CNC控制器一般的工作过程
CNC的工作是在计算机硬件的支持下，执行软件控制功能的全过程。包括：
①输入→②译码→ ③刀具补偿→ ④进给速度处理→ ⑤插补→ ⑥位置控制→ ⑦I/O处理→ ⑧显示→ ⑨诊断等9个方面。
CNC的工作内容和过程概括表示
指一边输入一边加工，在前一程序 加工时，输入后一个程序段内容。
整个程序存入存储器中，加 工时将一个个程序段调出；
零件程序、机床参数和补偿数据。
有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。
（2）译码
译码处理：以程序段为单位，把零件的轮廓（起点、终点、直线或圆弧）、进给速度（F）和其他辅助信息（M、S、T）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查，发现错误进行报警提示。
（3）刀具补偿
是指较高档的CNC中，程 序段之间的自动转接和过 切削判别
刀具补偿的作用：把零件轮廓轨迹按给定的刀具尺寸自动转换（换算）成刀具中心轨迹。为此，可实现编制的零件程序与刀具无关，也可实现粗、半精和精加工使用相同程序段而不需修改。
（4）进给速度处理
F_指令给出的是合成速度，故应对速度进行处理： 按合成速度来计算各坐标方向的分速度，为插补计算做准备。 处理机床的最低和最高速度的限制以及软件的自动加减速处理。
插补：按一定的方法确定加工轨迹的过程。即在曲线的起点和终点之间自动进行“数据点密化”。
（5）插补
插补是在规定的周期（称插补周期）内执行一次，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段加工。常有直线、圆弧及螺旋线等插补，高档数控还有抛物线、椭圆、样条曲线等。
（6）位置控制
开环（步进式）位置控制：
（7）I/O处理
I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却、限位等）。
（8）显示
（9）诊断
是指CNC中的自诊断程序融合在各部分，随时检查不正常的事件。
是在CNC不工作情况下的诊断，这种诊断通过配备的各种脱机诊断程序对存储器、外围设备（CRT、阅读机、穿孔机等）接口和I/O接口等进行检查。
是在联机或脱机情况下，通过网络与远程通信实现远距离诊断、故障定位和修复。
4、CNC控制器的功能
（1）轴控制功能
亦称G功能，用来指令机床运动方式的功能。如：
指CNC可控制的和同时控制的轴数。 同时控制轴数越多，CNC控制器就越复杂，多轴联动的零件程序编制也越困难。
（2）准备功能
基本运动 平面选择 准备设定
刀具补偿 固定循环 米英制转换等
（3）插补功能
通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。
CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补。软件每次插补一个小线段数据称为粗插补； 伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。
通常精插补由数控系统完成
（4）进给功能
F_指令直接指定各轴进给速度，mm/min, mm/r；
速度可通过操作面板上的倍率开关进行调整，调整范围通常是：0%~200% 。
注：实际进给速度由F_和倍率开关综合而得。
G94、 G95
与F_指令无关
（5）主轴功能
是指指定主轴转速的功能， 用S_指令， r/min。
主轴转速还与主轴转速倍率开关有关。
多为4位
（8）补偿功能
（9）字符、图形显示功能 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、零件图形及表示实际切削过程的动态刀具轨迹等。
补偿的目的：简化编程、提高精度。
（11）通信功能 为适应FMS和CIMS等需求，CNC控制器具有RS232C通信接口或DNC接口，有的CNC还可与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，以进行数据高速传输 。
（10）自诊断功能
诊断程序一般包含在系统程序中，在系统运行过程中或停机时进行检查和诊断，以查找故障的原因和部位。有的可以进行远程通信诊断。
二、CNC的硬件结构（常规与开放式）
1、常规CNC的硬件结构
（1）? 常规CNC发展 的主要形式
总线式模块化结构的CNC 以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC 基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC
采用32位RISC（精简指令集）芯 片、数学协处理器及闪烁存储器 等。用于多轴高档的数控机床。
用于中档、经济 型数控机床。
可以充分利用通用计算机丰富 的软件资源，可以随着通用计 算机硬件的升级而升级。
前两种类型相对第三种而言可称为专用结构的计算机，其特点是硬件印制板是制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。而第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC。其硬件有较大的通用性，硬件的故障易于维修。
（2）单微处理器结构
只有一个微处理器能控制系统总线，CNC的各任务以集中控制、分时处理方式完成任务。 CPU是CNC的核心，由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。
（2）单微处理器结构
CPU 总线 存储器 I/O接口
CPU主要由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。有8位、16位、32位和64位微处理器芯片。 常见的微处理器芯片：intel公司的8080、8086、80186、80286、80386……。Zilog公司的Z80、Z800、Z8000等。
总线：数据总线（DB）、地址总线（AB） 和控制总线（CB）。 DB传输数据，线的根数和传送的数据宽度相等，总是并行地一次传送有n位宽度的一个字，采用双向线； AB传输地址信号，与DB结合使用，以确定DB上传输数据的来源或目的地，采用单向线； CB是传输管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。
存储器：存放系统程序、中间数据、机床参数、零件程序。 存储器类型： EPROM：只读存储器，存放系统程序，可用紫外线擦除后重写，有2716、2732、2764、27128、27256、27010等。 RAM：随机存储器，存放中间数据，可随机读写，断电后信息就消失。 CMOS RAM：带有后备电池，存放加工程序，可随机读写、断电后，信息仍保留。
输入：光电式纸带阅读机、磁带机、磁盘，计算机通信接口，机床操作面板上手动按钮等。 输出：程序的穿孔机、电传机输出、字符与图形显示器。
单微处理器特点： 结构简单，易于实现； 功能实现与处理速度为突出矛盾。解决方法：增加协处理器，由硬件分担精插补功能，或采用多处理器结构。
（3）多微处理器结构
CNC的多微处理器结构：有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线和主存储器。分紧耦合和松耦合两种结构。
指两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源。
指两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合（具有相对独立性或相关性弱），有多重操作系统有效地实现并行处理。
现代CNC大多采用多微处理器结构：每个微处理器完成一部分功能，比单微处理器结构提高了计算处理速度。多微处理器CNC采用模块化设计，可以积木式构成CNC，缩短了设计、制造周期，并具有良好的适应性和扩展性以及结构紧凑。 多微处理器结构的性能价格比比单微处理器结构高，更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。
1）多微处理器CNC的典型结构
①?共享总线结构： 以系统总线为中心，系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能。
常用的总线有： STD bus（支持8位和16位字长） Multi bus（Ⅰ型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长） S-100 bus（支持16位字长） VERSA bus（支持32位字长） VME bus（支持32位字长）
①?共享总线结构
如图4-5所示，结构简单、系统配置灵活，容易实现，无源总线造价低。不足之处是各主模块使用总线时会引起“竞争”而占用仲裁时间，降低信息传输效率，总线一旦出现故障会影响全局，故提高总线的可靠性十分重要。
②共享存储器结构
采用多端口存储器来实现多微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端口控制逻辑电路解决访问冲突。
图示为具有四个微处理器的共享存储器结构。当功能复杂而要求微处理器数量增多时，会争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，故其扩展功能较为困难。
2）多微处理器 CNC的基本功能模块
CNC管理模块：管理CNC系统有条不紊地工作，包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断。
位置控制模块：对坐标位置的给定值与实际值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度