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计算机数控系统计算机数控系统 一、一、 CNCCNC系系统的的组成成 从从自自动动控控制制的的角角度度来来看看，，CNCCNC系系统统是是一一种种位位置置（（轨轨迹迹））、、速速度度（（还还包包括括电电流流））控控制制系系统统，，其其本本质质上上是是以以多多执执行行部部件件( (各各运运动动轴轴) )的的位位移移量量、、速速度度为为控控制制对对象象并并使使其其协协调调运运动动的的自自动动控控制制系系统统，，是是一一种种配配有有专专用用操操作作系系统统的的计计算算机机控控制制系系统 从从外外部部特特征征来来看看，，CNCCNC系系统统是是由由硬硬件件（（通通用用硬硬件件和和专专用用硬硬件件））和和软软件件（（专专用用））两两大大部部分分组组成的CNCCNC装置的装置的组成和工作原理成和工作原理   CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序  接接口口被控设备被控设备 机机  床床 机器人机器人 测量机测量机  ......1.1.硬件结构硬件结构: : CPU CPU，，存存储器，器，总线、、外外设等等。

2.2.软件结构软件结构：是一种用于是一种用于零件零件加工的、加工的、实时控制的、特殊的（或称控制的、特殊的（或称专用的）用的）计算机操作系算机操作系统 系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输输入入程程序序输输出出程程序序显显示示程程序序诊诊断断程程序序译译码码程程序序补补偿偿计计算算速速度度控控制制插插补补程程序序位位控控程程序序图图4.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 3 3、、简要工作要工作过程：程：1 1）输入）输入：： 输入内容输入内容————零件程序、控制参数和补偿数据零件程序、控制参数和补偿数据 输输入入方方式式————穿穿孔孔纸纸带带阅阅读读输输入入、、磁磁盘盘输输入入、、光光盘盘输输入入、、手手健健盘盘输输入入，，通通讯讯接接口口输输入入及及连连接接上上级级计计算算机机的的DNCDNC接口输入接口输入2 2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解 释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。

数据格式存放在指定的内存专用区内3 3）数据处理）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等 4）插补：）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之的已知起点和终点之          间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”5 5））位位置置控控制制：：在在每每个个采采样样周周期期内内，，将将插插补补计计算算出出的的理理论位置与实际反馈位论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机置相比较，用其差值去控制进给伺服电机6 6））PLCPLC处理：处理：处理处理CNCCNC装置与机床之间的信息装置与机床之间的信息7 7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等零件程序、参数、刀具位置、机床状态等8 8））诊诊断断：：检检查查一一切切不不正正常常的的程程序序、、操操作作和和其其他他错错误误状状态   CNC  CNC系统的功能系统的功能1 1）基本功能）基本功能 Ø控制功能 ØG功能 Ø插补功能 Ø主轴功能 ØM功能 Ø刀具功能 Ø补偿功能 Ø显示功能 2 2）先进功能）先进功能 Ø模拟加工功能 Ø监测和诊断功能 Ø动力刀具和C轴功能 Ø虚拟轴功能 ØDXF图形文件支持功能 Ø循环加工功能 Ø测量检验功能 Ø自适应控制功能 二、二、 CNC CNC装置的软件结构装置的软件结构 1 1、、 软件件结构特点构特点 1. CNC1. CNC装置软件硬件的界面装置软件硬件的界面 三种典型的软硬件界面关系三种典型的软硬件界面关系纸纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控纸纸带带输输入入插补插补准备准备插插补补位位控控速速控控电电机机测量测量第一种第一种第二种第二种第三种第三种硬件硬件硬件硬件软件软件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件硬件硬件硬件硬件VSVS 2. 2. 系统软件的内容及结构类型系统软件的内容及结构类型 系统软件的组成：系统软件的组成：（管理和控制）（管理和控制） 管理部分：管理部分：输入、输入、I/OI/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。

等程序 控制部分：控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件 管理方式：管理方式： 单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构 多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元  3. 3. 多任务并行处理多任务并行处理 （（1 1））CNCCNC装置的多任务性装置的多任务性 CNC装置软件任务分解装置软件任务分解 软件任务的并行处理软件任务的并行处理CNC装置装置管管   理理控控   制制输入输入显示显示位控位控诊断诊断I/O插补插补位控位控 译译      码码 刀刀      补补速度处理速度处理输输入入I/O处处理理显显示示诊诊断断通通讯讯译译码码刀刀具具补补偿偿速速度度处处理理位位置置控控制制插插补补VSVS（（2 2）并行处理）并行处理 并行处理并行处理：： 是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以 上性质相同或不相同的工作。

并行处理的优点是提高了运行速度上性质相同或不相同的工作并行处理的优点是提高了运行速度 并行处理的分类：并行处理的分类： “ “资源重叠的流水处理资源重叠的流水处理””和和““资源分时共享资源分时共享”” 资源共享：资源共享： 根据根据““分时共享分时共享””的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备 时间重叠：时间重叠： 根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用 同一套设备的几个部分同一套设备的几个部分VSVS1 1））资资源源分分时时共共享享并并行行处处理理（（对对单单一一资资源源的的系系统）统）Ø在在单单CPUCPU结构的结构的CNCCNC系统中，可采用系统中，可采用““资源分时资源分时共享共享””并行处理技术并行处理技术Ø资资源源分分时时共共享享————在在规规定定的的时时间间长长度度（（时时间间片片））内内，，根根据据各各任任务务实实时时性性的的要要求求，，规规定定它它们们占占用用CPUCPU的时间，使它们分时共享系统的资源。

的时间，使它们分时共享系统的资源Ø““资源分时共享资源分时共享””的技术关键：的技术关键： 其一：各任务的优先级分配问题其一：各任务的优先级分配问题 其二：各任务占用其二：各任务占用CPUCPU的时间长度，的时间长度，即即 时间片的分配问题时间片的分配问题VSVS诊断诊断I/O处理处理输入输入插补插补准备准备显示显示初始化初始化插补插补位控位控键盘键盘 中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低资源（资源（资源（资源（CPUCPUCPUCPU）分时共享图）分时共享图）分时共享图）分时共享图VSVSØØ 资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征ü在任何一个时刻只有一个任务占用在任何一个时刻只有一个任务占用CPUCPU；；ü在在一一个个时时间间片片（（如如8ms8ms或或16ms16ms））内内，，CPUCPU并并行行地地执执行行了两个或两个以上的任务了两个或两个以上的任务 因因此此，，资资源源分分时时共共享享的的并并行行处处理理只只具具有有宏宏观观上上的的意意义，即从微义，即从微 观上来看，各个任务还是逐一执行的观上来看，各个任务还是逐一执行的。

VSVSØØ 流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPUCPU），），将一个大将一个大的任务分成若干个子任务的任务分成若干个子任务( (任务的分法与资源重复的多任务的分法与资源重复的多少有关少有关) )，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样不同工序加工零件的流水作业一样流水处理技术示意图流水处理技术示意图 VSVS并行处理并行处理1231232tt空空间间时间时间顺序处理顺序处理输输出出输输出出CPU1时间时间t+△△t tt空空间间111333222输输出出输输出出输输出出CPU1CPU2CPU3VSVS 4. 4. 实时中断处理实时中断处理 （（1 1））CNCCNC系统的中断类型系统的中断类型 1 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入 中断。

中断 2 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断 3 3）硬件故障中断）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断种硬件故障检测装置发出的中断 4 4）程序性中断）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断程序中出现的异常情况的报警中断 （（2 2））CNCCNC系统中断结构模式系统中断结构模式 1 1）前后台软件结构中的中断模式）前后台软件结构中的中断模式 2 2）中断型软件结构中的中断模式）中断型软件结构中的中断模式 背景程序背景程序初始化初始化实施中断实施中断程序程序三、三、  CNC CNC系统的硬件构成系统的硬件构成 1、、 CNC系统的外部硬件构成系统的外部硬件构成 从CNC系统的外部硬件构成上看，一般可以分为键盘、显示器、主机单元、控制单元和功率模块几个部分 CNCCNC装装置置的的体体系系结构构分分为为：：单单微微处处理理机机和和多多微微处处理理机系统，中机系统，中 高档的高档的CNCCNC装置装置以以多微处理机结构为多。

多微处理机结构为多 ■ ■ 单微处理机结构单微处理机结构: :见下图见下图 ■ ■ 多多微微处处理理机机CNCCNC装装置置的的结结构构：：分分为为紧紧耦耦合合和和松松耦耦合合 紧耦合主要指共享总线、共享存储器；紧耦合主要指共享总线、共享存储器； 松耦合主要有分布式结构松耦合主要有分布式结构 2 2、、 CNC CNC装置的体系装置的体系结构构 CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图单单微微处处理理机机数数控控装装置置: :是是以以一一个个CPUCPU（（中中央央处处理理器器））为为核核心心，，CPUCPU通通过过总总线线与与存存储储器器和和各各种种接接口口相相连连接接，，采采取取集集中中控控制制、、分分时时处处理理的的工工作方式，完成数控加工各个任务作方式，完成数控加工各个任务单微处理机结构：单微处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等微处理器、存储器、总线、接口等。

接接口口包包括括I/OI/O接接口口、、串串行行接接口口、、CRT/MDICRT/MDI接接口口、、数数控控技技术术中中的的控控制制单单元元部部件件和和接接口口电电路路，，如如位位置置控控制制单单元元、、可可编编程程控控制制器器（（PCPC））、、主主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等1.1.微处理器和总线微处理器和总线 微处理器：运算、控制微处理器：运算、控制 总总线线：：CPUCPU与与各各组组成成部部件件、、接接口口等等之之间间的的信信息息公公共共传传输输线线，，包包括括控控制制 、地址和数据三总线地址和数据三总线2.2.存储器存储器 ① ① 只只读存存储器（器（ROMROM）和随机存）和随机存储器（器（RAMRAM）） 它们的用途：它们的用途： 单微微处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结构构  ● 只只读存存储器（器（ROMROM））：系统程序：系统程序 ● ● 随随机机存存储储器器（（RAMRAM））：：运运算算的的中中间间结结果果、、需需显显示示的的数数据据、、运运行行中中的的状状态、标志信息态、标志信息 ② ② CMOS RAMCMOS RAM或或磁泡存磁泡存储器器：：加工的零件程序、机床参数、刀具参数加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.3.位置控制单元位置控制单元 ●●对对数数控控机机床床的的进进给给运运动动的的坐坐标标轴轴位位置置进进行行控控制制（（包包括括位位置置和和速速度度控控制制）。

（对主轴的控制一般只包括速度控制）（对主轴的控制一般只包括速度控制） ●C ●C轴位置控制：轴位置控制：包括位置和速度控制包括位置和速度控制 ●●刀刀库位置控制位置控制（简易位置控制）（简易位置控制） 进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、 位置控制模板位置控制模板 多微多微处理机数控装置的硬件理机数控装置的硬件结构构 VSVS1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置的典型结构装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构: :共享总线型、共享存储器型及混合型结构共享总线型、共享存储器型及混合型结构 （（1 1）功能模块）功能模块 1 1））CNCCNC管理模块管理模块 2 2）存储器模块）存储器模块 3 3））CNCCNC插补模块插补模块 4 4）位置控制模块）位置控制模块 5 5）操作控制数据输入、输出和显示模块）操作控制数据输入、输出和显示模块 6 6））PLCPLC模块模块 VSVS（（2 2）共享总线结构）共享总线结构 结构与仲裁结构与仲裁 主模块与从模块主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。

串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定 并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯模块之间的通讯：：公共存储器公共存储器 总线：总线：STD bus STD bus （支持（支持8 8位和位和1616位字长）位字长） Multi bus Multi bus （（ⅠⅠ型支持型支持1616位字长，位字长，ⅡⅡ型支持型支持3232位字长）位字长） S-100 bus S-100 bus （可支持（可支持1616位字长）位字长） VERSA bus VERSA bus （可支持（可支持3232位字长）位字长） VME bus VME bus （可支持（可支持3232位字长）位字长）  串行总线仲裁连接方式串行总线仲裁连接方式主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3总线优总线优总线优总线优先权入先权入先权入先权入总线优总线优总线优总线优先权出先权出先权出先权出总线总线总线总线忙忙忙忙入入忙忙出出入入忙忙出出并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式主模块主模块主模块主模块1 1总线优总线优 总线总线 总线优总线优先权入先权入 忙忙 先权出先权出主模块主模块主模块主模块3 3入入 忙忙 出出译译 器器 码码主模块主模块主模块主模块2 2入入 忙忙 出出优先权编器码优先权编器码…（（3 3）共享存储器结构）共享存储器结构 VS图图MTC1的的CNC装置结构框图装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512 K512K(CRT)CPU2键盘键盘(中央中央)CPU1(插补插补)CPU3串口和串口和收发器收发器CRTCCRT  字符字符发生器发生器并行并行接口接口反馈脉冲反馈脉冲处理处理反馈信号反馈信号适配器适配器机床机床接口接口模拟量模拟量接口接口RS232CX Y Z C W双端口存储器结构框图双端口存储器结构框图 多多CPU共享存储器框图共享存储器框图端口端口1存储存储控制逻辑控制逻辑地址和数据地址和数据多路转换器多路转换器RAM共享存共享存储器储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制轴控制（（COU4））插补插补(CPU3)端口端口2中断中断控制控制从机床来的从机床来的   控制信号控制信号至机床的至机床的控制信号控制信号VSVS2.2.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 （（1 1）计算处理速度高）计算处理速度高 （（2 2）可靠性高）可靠性高 （（3 3）有良好的适应性和扩展性）有良好的适应性和扩展性 （（4 4）硬件易于组织规模生产）硬件易于组织规模生产。