第三章数控系统的硬件与软件

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第三章第三章数控系统的硬件与软件3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构

3.2 CNC3.2 CNC 装置的软件结构装置的软件结构

3.3 3.3 插补原理与算法插补原理与算法

3.4 3.4 刀具补偿原理刀具补偿原理

3.5 3.5 速度与加减速控制速度与加减速控制

3.6 3.6 数控机床参数数控机床参数

数控技术数控技术

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第三章第三章数控系统的硬件与软件

3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构






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CNC 装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。

根据机床控制、安装要求和经济性要求不同、随着电子技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形式的 CNC 装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不尽相同。

按照数控系统各部分的功能不同， CNC 装置一般可分为人机接口部分、运动控制部分、 I/O 控制（ PLC ）、加工程序的存储、输入输出接口、数据通信接口等部分组成。

3.1 CNC 装置的硬件结构

3.1.1 CNC 装置的硬件组成及连接

4


4

主轴电机

伺服电机

机床控制面板

Windows NT系统

PCU50

NC+PLC 驱动

驱动模块

手轮

I/O 接口

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CNC 装置的硬件组成及连接

运动控制运动控制伺服驱动伺服驱动

机床机床

PLCPLC

电机电机

程序输入输出接口程序输入输出接口

键盘、显示接口


显示器 /编程键盘显示器 /编程键盘

操作面板操作面板

打孔机 / 纸带阅读机磁带 / 磁盘U 盘 / 网络


光栅光栅

CNCCNC

通信接口通信接口


I/O

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编程键盘：用于程序编辑、参数设置、界面操作等。不产生机床运动，可用缓冲键盘。

操作面板：用于操作机床所有运动。所有按钮接入 PLC ，部分按钮还有响应指示灯，通过机床厂家的梯形图实现机床的操作。

3.1 CNC 装置的硬件结构 CNC 装置的人机接口（ HMI ）

7



机床机床

PLCPLC

电机电机








光栅光栅

CNCCNC



I/O

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早期的数控系统，只有简单的 I/O 控制，主要实现主轴、冷却等启停，机床操作、运动限位等功能。随着微机和 PLC 技术的发展， PLC 成为了数控系统必不可少的一个重要组成部分。数控系统的 PLC 有两种形式，一种是嵌入式 PLC ，一种是独立式 PLC 。

有关 PLC 原理及应用，在第四章详细介绍。


I/O 控制（ PLC ）

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机床机床

PLCPLC

电机电机








光栅光栅

CNCCNC



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主轴电机的控制通常采样模拟量作为速度的控制信号，部分主轴电机有位置反馈，用以实现主轴的准停或螺纹加工功能等。

3.1 CNC 装置的硬件结构运动控制一 . 主轴电机的控制

DACDAC主轴伺服

驱动器主轴伺服

驱动器主轴电机主轴电机CPUCPU

编码器编码器位置反馈位置反馈

CNC

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二、进给运动控制


1. 步进电机的控制

脉冲输出接口电路脉冲输出接口电路驱动器驱动器步进

电机步进电机

CPUCPU

总线总线

特点：1 ）结构简单，成本低。2 ）扭矩较小3 ）分辨率低，精度不高。4 ）开环控制，容易产生“丢步”。

进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、数字量总线通信控制方式。

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3.1 CNC 装置的硬件结构2. 直流伺服电机的控制

位置反馈位置反馈

伺服驱动器

伺服驱动器

直流伺服电机

直流伺服电机

CPUCPU

本地总线

本地总线

DACDAC

测速发电机测速发电机

编码器 / 光栅编码器 / 光栅

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1 ）功率（扭矩）大、位置分辨率高。2 ）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。3 ）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。 4 ）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。

3.1 CNC 装置的硬件结构直流伺服数控系统的特点：

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3. 交流伺服电机的控制

位置反馈位置反馈

伺服驱动器

伺服驱动器

交流伺服电机交流

伺服电机

CPUCPU

本地总线

本地总线

DACDAC

编码器编码器

光栅光栅

测速发电机测速发电机

采用数模转换；一个模拟接口只能连接一个驱动器；模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递；模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。

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位置反馈

位置环PID 控制器

速度控制

电流控制

速度反馈电流反馈

插补译码预处理

加减速控制

位置前馈

位置指令

刀具补偿

误差补偿

速度前馈扭矩前馈伺服系统

运动控制

3.2.1 数控系统软件功能模块

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3.1 CNC 装置的硬件结构4. 交流伺服电机的脉冲控制特点：1 ）接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。2 ）解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。3 ）由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。

脉冲输出接口电路脉冲输出接口电路

交流伺服驱动器交流伺服

驱动器电机电机CPUCPU

滞留脉冲 = 接收的指令脉冲数 – 电机旋转脉冲数n = （滞留脉冲 / 电机每转脉冲数） * 位置环增益 (r/s)

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3.1 CNC 装置的硬件结构5. 总线式控制

伺服驱动器

伺服驱动器伺服

电机伺服电机CPUCPU

本地总线

本地总线

现场总线接口

现场总线接口

编码器编码器

光栅光栅

伺服驱动器

伺服驱动器

PLCPLC

伺服电机伺服电机

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总线式数控系统的运动控制

插补译码预处理

加减速控制

位置前馈

位置指令

刀具补偿

误差补偿

位置反馈

位置环PID 控制器

速度控制

电流控制

速度反馈电流反馈

速度前馈扭矩前馈伺服系统


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3.1 CNC 装置的硬件结构4. 总线式控制

特点：1 ）总线式数控系统采用分布式计算和控制，使连接简单及扩展灵活、方便。2 ）通过高可靠性和高实时性网络进行通信与协调，可以最大限度地发挥各子系统的功能，并尽可能地减轻 PC 主机的负担，易于提高数控系统的性能。3 ）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的特点。4 ）现场总线式的数控系统代表着数控系统硬件未来的发展方向。

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3.1 CNC 装置的硬件结构3.1.2 CNC 系统硬件结构分类

按总体安装结构分

一体式

一体式，分离式

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3.1 CNC 装置的硬件结构一体式数控系统

FANUC—OTD 数控系统

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分离式

机床控制面板

NC+PLC

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按印制电路板结构分类大板式，模块化

大板式结构

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模块化结构

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西门子 840D 数控系统

模块化结构数控系统

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单微处理器结构的 CNC 装置，由一个微处理器 CPU 通过数据地址总线与存储器、 PLC 、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。


单微处理器结构的 CNC 装置多微处理器结构的 CNC装置

按装置中微处理器的数量分

一、单微处理器结构的 CNC 装置

27单微处理器结构的 CNC 装置

FPGA

CPU

RAM

键盘 / 显示接口

串行通信接口

数控面板

LCD

程序输入 / 输出

接口

I/O 接口

运动控制

机床

数据地址总线

数据地址总线网络接口

编程键盘

位置反馈

伺服系统

EEPROM

接口

Nand flash（硬盘）


28单 CPU 运动控制器的硬件实例

滚齿机数控系统的总体方案


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随着微型计算机技术的发展，微处理器的性能越来越强，价格越来越低，数控系统各部分功能模块都开始采用自己的CUP ，通过数据通信和数据共享技术，实现各功能模块的协调工作。大大提高了数控系统的性能和可靠性。

多 CPU 结构的 CNC 装置，多采样模块化结构，具有良好的灵活性和扩展性，且结构紧凑、安装方便。

总线式数控系统是多 CPU 数控系统的典型代表。

总线式数控系统通过复杂的现场总线协议，实现各模块的数据通信和数据共享以及同步控制。

二、多微处理器结构的 CNC 装置


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1. 多微处理器数控系统的功能模块

1 ） CNC 管理模块 2 ） CNC 插补模块 3 ） PLC 功能模块 4 ）位置控制模块 5 ）主轴控制模块 6 ）操作面板控制及显示模块 7 ）主存储器模块


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2. 多微处理器数控系统的结构形式 1 ）共享总线结构 2 ）共享存储器结构


共享总线结构 CNC 装置

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多微处理器共享存贮器 CNC 装置

33共享存储器多微处理器结构的 CNC 装置 a


主 CPU（ ARM9 ）

键盘 / 显示接口数控面板

LCD

双端口RAM

数据地址总线

数据地址总线

编程键盘

运动控制模块

伺服系统

PLC CPUI/O

双端口RAM

CPU

伺服系统

串口

CPU串口

电气柜电气柜

操作台

34共享存储器多微处理器结构的 CNC 装置 b


主 CPU

HMI 操作面板

双端口RAM

数据地址总线

数据地址总线运动控制

模块

伺服系统

PLC CPU I/O

双端口RAM

CPU伺服系统

串口电气柜电气柜串口

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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。

3. 多微处理器数控系统的特点


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现场总线式数控系统

4. 多微处理器数控系统的发展

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现场总线式的数控系统的特点：

1 ）独立式 HMI(Human Machine Interface)

常用的独立式 HMI 采用通用（工业） PC ，利用通用操作系统（如Windows 、 WinCE 、 Linux 等）平台，构建数控系统的 HMI ，通过串行通信、现场总线与 NC 系统相连。利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放性。便于和其它软件连接（如 CAM 、网络等）。与 NC 的连线简单，安装方便。


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2 ）操作面板具有 CPU 机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于很

多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到 NC （或 PLC ）的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机控制，通过串行通信和 NC 相连。大大节约了连线成本，提高了运行的可靠性。


3 ） PLC 采用独立 CPU 嵌入式 PLC 采用系统 CPU ，通过分时软件，实现 I/O 控制功能。结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。因此，对于高性能加工中心， PLC 控制点数多，程序量大， PLC 采用独立的 CPU ，设计成独立的 PLC( 模块 ) ，通过串行通信或双端口 RAM 和系统 CPU 实现数据通信和数据共享，进而实现 NC 和 PLC 的协调工作。

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4 ）采用全数字化控制各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其 CPU

广泛采用高速 DSP ，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法的实现；

原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数 (包括电流环、速度环、位置环参数 )由数控系统 HMI 设置管理，便于各轴伺服匹配。

5 ）实时网络接口各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。


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3.1 CNC 装置的硬件结构按硬件的设计与制造方式

传统专用型数控系统开放式数控系统

一、传统专用型数控系统硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性；经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着大量市场；为了保护各自的权益， CNC 具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等；CNC 系统的软、硬件对用户都是封闭的。上述缺陷造成了 CNC 系统使用和维护的不便，也限制了数控系统的集成和进一步发展。

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二、开放式 CNC 装置


1. 开放式 CNC 装置的特点

开放式数控系统采用通用计算机及其配套模块组成，使CNC 系统标准化、模块化；便于系统的智能化（操作、编程等）、数据共享（ CAD/

CAE/CAPP/CAM ）和系统扩展 ( 功能扩展、平台扩展、重构 ) ，以及系统的系列化、可兼容和升级换代。可大幅度降低系统的研制和制造费用，提高用户设备和资源的利用率以及数控产品的市场竞争力，满足现代制造业发展的需要。

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PC 嵌入 NC型即在传统的专用数控机床中嵌入 PC 技术， PC 与 CNC之间用专用总线连接。如 FANUC公司的16i/18i/21i 系统、 Siemens840D 系统、 Num1060系统等

NC 嵌入 PC型即运动控制器 +PC型即在通用 PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以 PC为硬件平台的数控系统。如华中数控、基于固高 /DELTA TAU运动控制卡的数控系统、日本MAZAK 公司的MAZATROL640CNC。

全软件型NC 即完全采用 PC 的全软件形式的数控系统。 NC 的全部功能处理全由 PC 进行，并通过装在 PC扩展槽中的接口卡等进行控制。美国MDSI 公司开发的Open CNC 、德国 Power Automation 公司的PA8000 NT。

2. 开放式 CNC 装置的结构形式

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第三章第三章数控系统的硬件与软件

3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构






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3.1 CNC 装置的软件结构

基本功能控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、

主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能等

工作过程


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数控装置

控制软件模块管理软件模块

运动控制

工作循环控制

G功能处理

监控诊断

中断控制

PLC处理

系统初始化

加工程序编辑

键盘及显示

系统程序调度

机床参数

梯形图编辑

通信功能

文件管理

软件功能模块

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工作循环控制

手动

按钮手动

返回参考点

手轮手动

译码

预处理

运动控制

MDI 自动

段执行控制

PLC

运动控制插补

刀补

1. 控制软件模块

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运动控制

位置控制

位置反馈

加减速控制

监控诊断

伺服优化

伺服特性测试

I/O监控测试

系统自检诊断

机床状态诊断

PLC处理

I/O状态刷新

NC通信模块

梯形图执行

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中断控制

中断允许控制

中断级别控制

中断向量

中断嵌套

中断程序有固定的程序入口地址（中断向量），通过特定的硬件触发，自动跳转到相应的中断入口，每个中断程序相当与一个独立运行的程序线程。主控程序可通过中断允许标志来控制中断的响应与否。

主程序低级中断高级中断


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系统初始化

硬件初始化

机床参数读入

系统变量初始化

参数传递

硬件检测

系统程序调度

系统节拍控制

中断管理

界面切换

任务管理

共享数据传递

2. 管理软件模块

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机床参数

轴参数

伺服参数

通道参数

控制参数

系统参数

补偿参数

网络通信

软件模块间数据通

信

多CP

U 模块通

信

通信功能

串行通信

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输入输出

文件管理

打开关闭

删除备份

梯形图编辑

梯形图编辑

译码检查

传送备份

文本编辑器

加工程序编辑

CAM软件接口

程序检查

运动轨迹模拟

52资源分时共享 CPU时间分配图

资源分时共享：假定 CNC 软件功能仅分为三个任务：插补控制、加减速运算和位置显示。任务的优先级为：插补控制的最高，加减速运算的其次，位置显示的最低。系统规定：插补控制每 4ms 执行一次，加减速运算每 8ms 执行—次，两个任务都由定时中断激活，当插补控制和加减速运算都不执行时便执行位置显示。

3.2 CNC 装置的软件结构多任务的并行处理

1 ）在任一个时刻只有—个任务占用 CPU；2 ）从一个时间片 ( 如 8ms 或 16ms) 来看， CPU并行执行了三个任务。

并发处理和流水处理：


当各任务间关联程度不高时 ,将这些任务分别安排一个CPU ，让其同时执行。当各任务间关联程度较高时，即一个任务的输出是另一任务的输入时，采用资源重叠的流水线的工作方式处理。

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1译码处理、 2 刀补处理、 3 速度处理

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3.2 CNC 装置的软件结构3.2.2 CNC 装置的软件结构

根据 CNC 装置的硬件结构形式的不同， CNC 装置的软件结构也有多种形式。对与多 CPU 结构的 CNC 装置，不同模块其软件结构有很大差别。

对于独立 HMI 部分，由于其承担了大量、繁琐的信息显示、参数管理、文件管理、文本输入等实时性要求不高的工作，通常采用多任务操作系统平台（可以是非实时操作系统），用高级语言编程，应用面向对象的模块化程序结构。具有一定的开放性。

如： NUM1050 的 HMI ，采用 Windows XP 操作系统，可同时运行 HMI 程序和其它应用程序（如 CAM 软件，机床厂家开发的在线测量、网络传输等），具有较好的开放性。

西门子 840D ，采用 Windows PE/NT 操作系统，工作中不能运行其它Windows 程序，用户可使用 VB 实现二次开发，设计特殊的控制程序。

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对于实时性要求较高的 NC 部分或集中控制的单微处理器 CNC 装置，通常采用前后台式软件结构。

程序的主循环为前台程序，用于实现各软件模块的控制和调度、以及低实时软件模块的分时按节拍运行。实时性要求高的软件部分（如插补、运动控制等）作为后台中断程序，根据前台控制程序的控制标志，通过定时中断或硬件中断来启动，进而实现高实时性控制。

前台程序循环运行，根据操作指令和加工程序的执行情况，通过设定控制标志来实现对前台程序的调度和控制。

3.2 CNC 装置的软件结构前后台式软件结构

56 前后台型结构程序运行关系图


后台前台

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定时中断为前台程序提供系统节拍（每次中断其值 +1 ），主循环前台程序可根据系统节拍变量的值，来控制不同实时性要求的软件模块的调度，使系统达到优化控制。


定时中断

Step=Step+1

返回

OldStep=Step

Step=OldStep ？Y

N

高速处理程序

软件模块 1

Step=2 ？软件模块 2

N

Y

Step=N ？软件模块 N

OldStep=1

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3.2 CNC 装置的软件结构同级多任务的分时处理

对于实时性要求相近的 N 个软件模块，每个软件模块间隔 N 个系统（定时）周期执行一次。每个时间节拍（ Step改变一次），执行 1 个软件模块，使整个系统周期程序的执行时间较短，保证了高实时性程序的可靠运行。

Step=N ？

模块0

模块1

模块N-1

0 1 N-1

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中断型结构的 CNC 系统软件，各功能模块安排成不同优先级别的中断，整个控制软件是一个大的多重中断系统。 20世纪80-90年代初的 CNC 系统软件大多采用这种结构。

中断型结构模式


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