第4章計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)4.1CNC系統(tǒng)的概述

4.2CNC系統(tǒng)的硬件功能4.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4.4數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)原理

4.1.1CNC系統(tǒng)的組成及其工作原理

1．CNC系統(tǒng)

計算機(jī)數(shù)控(ComputerizedNumericalControl，CNC)系統(tǒng)是使用計算機(jī)控制加工功能實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序、執(zhí)行部分和全部數(shù)值控制功能，配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置。4.1CNC系統(tǒng)的概述

CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給(伺服)驅(qū)動裝置(包括檢測裝置)等組成，如圖4-1所示。

圖4-1CNC系統(tǒng)的組成

CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維護(hù)也方便，并且有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。

2．CNC裝置的組成及其工作過程

CNC裝置由硬件和軟件組成，軟件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。

CNC裝置的硬件除具有一般計算機(jī)所具有的微處理器(CPU)、存儲器(ROM，RAM)、輸入／輸出(I/O)接口外，還具有數(shù)控要求的專用接口和部件，即位置控制器、紙帶閱讀機(jī)接口、手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)接口和顯示(CRT)接口。CNC裝置硬件的組成如圖4-2所示。

圖4-2CNC裝置硬件的組成框圖

CNC裝置的軟件是為了實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各功能而編制的專用軟件，稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對輸入的加工程序自動進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成，如圖4-3所示。

圖4-3CNC裝置軟件的組成

CNC裝置的工作是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的全過程。軟件和硬件各有不同的特點(diǎn)，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢；硬件處理速度快，成本卻較高。因此在CNC裝置中，數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)方法大致分為三種情況：第一種情況是由軟件完成輸入、插補(bǔ)前的準(zhǔn)備，

硬件完成插補(bǔ)和位置控制；第二種情況是由軟件完成輸入、插補(bǔ)前的準(zhǔn)備、插補(bǔ)，硬件完成位置的控制；第三種情況是由軟件完成輸入、插補(bǔ)前的準(zhǔn)備、插補(bǔ)及位置控制的全部工作。

CNC裝置的工作流程及軟/硬件界面關(guān)系如圖4-4-所示。圖4-4CNC裝置的工作流程及軟/硬件界面4.1.2CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)靈活性大、通用性強(qiáng)。

與硬件邏輯數(shù)控裝置相比，靈活性是CNC裝置的主要特點(diǎn)，只要改變軟件，就可改變和擴(kuò)展其功能，補(bǔ)充新技術(shù)。這就延長了硬件結(jié)構(gòu)的使用期限。同時，CNC裝置的硬件有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu)，而且易于擴(kuò)展，主要依靠軟件變化來滿足機(jī)床的各種不同要求。接口電路標(biāo)準(zhǔn)化給機(jī)床廠和用戶帶來了方便。這樣用一種CNC裝置就能滿足多種數(shù)控機(jī)床的要求，對培訓(xùn)和學(xué)習(xí)也十分方便。

(2)可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能。

CNC裝置利用計算機(jī)的高度計算能力，可實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補(bǔ)，動、靜態(tài)圖形顯示，多種插補(bǔ)功能，數(shù)字伺服控制功能等。

(3)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。

由于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展及先進(jìn)的表面安裝技術(shù)的采用，使CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)尺寸大為縮小，容易組成數(shù)控加工自動線，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。

(4)可靠性高、使用維修方便。

CNC裝置的零件程序在加工前一次送入存儲器，并經(jīng)過檢查后被調(diào)用，這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機(jī)的故障產(chǎn)生停機(jī)現(xiàn)象。由于許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，特別是采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性得到了很大的提高。CNC裝置的診斷程序使維修非常方便。CNC裝置有對話編程、藍(lán)圖編程、自動在線編程，使編程工作簡單方便。而且編好的程序可以顯示，通過空運(yùn)行，將刀具軌跡顯示出來以檢查程序是否正確。這些都表現(xiàn)了CNC系統(tǒng)較好的實(shí)用性。4.1.3CNC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能

數(shù)控系統(tǒng)有多種系列，性能各異，選購時應(yīng)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型、用途和加工精度綜合考慮。CNC裝置的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁窍到y(tǒng)必備的數(shù)控功能，選擇功能是用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。CNC裝置的功能主要反映在準(zhǔn)備功能G指令代碼和輔助功能M指令代碼上。

1．基本功能

(1)控制功能?？刂乒δ苤饕从矯NC裝置能夠控制和能同時(聯(lián)動)控制的軸數(shù)?？刂戚S有移動軸和回轉(zhuǎn)軸，基本軸和附加軸。如數(shù)控車床至少需要兩軸聯(lián)動(X、Z)，數(shù)控銑床、加工中心等需要具有三根或三根以上的控制軸。控制軸數(shù)越多，特別是聯(lián)動軸數(shù)越多，CNC裝置就越復(fù)雜，編程也越困難。

(2)準(zhǔn)備功能。

準(zhǔn)備功能(G功能)是指機(jī)床動作方式的功能。主要有基本移動、程序暫停、坐標(biāo)平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、公英制轉(zhuǎn)換、絕對值與相對值轉(zhuǎn)換等指令。

(3)插補(bǔ)功能。

插補(bǔ)功能是指CNC裝置可以實(shí)現(xiàn)各種曲線軌跡插補(bǔ)運(yùn)算的功能，如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和其他二次曲線與多坐標(biāo)插補(bǔ)。插補(bǔ)運(yùn)算要求實(shí)時性很強(qiáng)，即計算速度要同時滿足機(jī)床坐標(biāo)軸對進(jìn)給速度和分辨率的要求。它可用硬件或軟件兩種方式來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然用硬件方式插補(bǔ)速度快，如日本FANUC公司就采用DDA硬件插補(bǔ)專用集成芯片。但目前由于微處理機(jī)的位數(shù)和頻率的提高，大部分系統(tǒng)還是采用了軟件插補(bǔ)方式，并把插補(bǔ)功能劃分為粗、精插補(bǔ)兩步，以滿足其實(shí)時性要求。軟件每次插補(bǔ)一個小線段稱為粗插補(bǔ)。根據(jù)粗插補(bǔ)結(jié)果，將小線段分成單個脈沖輸出，稱為精插補(bǔ)。

(4)進(jìn)給功能。

它反映了刀具進(jìn)給速度，一般用F代碼直接指定各軸的進(jìn)給速度。主要進(jìn)給功能有以下幾點(diǎn)：

①切削進(jìn)給速度(每分鐘進(jìn)給量mm/min)。以每分鐘進(jìn)給距離的形式指定刀具切削進(jìn)給速度，用F字母和它后續(xù)的數(shù)值表示。ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定F1～F2位，對于直線軸，如F15000

表示每分鐘進(jìn)給速度是15000mm;對于回轉(zhuǎn)軸如F12表示每分鐘進(jìn)給速度為12°。②同步進(jìn)給速度(每分鐘進(jìn)給量mm/r)。同步進(jìn)給速度即主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量規(guī)定的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，如0.01mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的機(jī)床才具有指令同步進(jìn)給速度，如螺紋加工。

③快速進(jìn)給速度。數(shù)字控制器規(guī)定了快速進(jìn)給速度，它通過參數(shù)設(shè)定，用GOO指令來實(shí)現(xiàn)，還可通過操作面板上的快速倍率開關(guān)分擋，如快Ⅰ、快Ⅱ等。④進(jìn)給倍率。操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，可實(shí)時進(jìn)行人工修調(diào)。倍率一般在10%～200%之間變化。使用倍率開關(guān)可以不修改程序中的F代碼，就可以改變機(jī)床的進(jìn)給速度，

對每分鐘進(jìn)給量和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量都有效。

(5)主軸功能。

它是指主軸轉(zhuǎn)速功能，用字母S和它后續(xù)的2～4-位數(shù)字表示。有恒轉(zhuǎn)速(r/min)和表面恒線速(m/min)兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式。機(jī)床操作面板上設(shè)有主軸倍率開關(guān)，用它可以改變主軸轉(zhuǎn)速。

(6)刀具功能。它包括選擇的刀具數(shù)量和種類、刀具的編碼方式、自動換刀的方式。用字母T和后續(xù)2～4-位數(shù)表示。

(7)輔助功能。它也稱為M功能，用字母M和它后續(xù)的2位數(shù)字表示，可有100種。ISO標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一定義了這部分M功能，用來規(guī)定主軸的啟停和轉(zhuǎn)向、切削液的開關(guān)、刀庫的啟停、刀具的更換、工件的夾緊與松開等。

(8)字符顯示功能。

CNC裝置可通過CRT顯示器實(shí)現(xiàn)字符顯示，如顯示程序、參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置和故障信息等。

(9)自診斷功能。

CNC裝置有各種診斷程序，可以診斷故障。在故障出現(xiàn)后便能迅速查明故障的類型和部位，便于及時排除故障，減少故障停機(jī)時間。

2．選擇功能

(1)補(bǔ)償功能。

CNC裝置備有多種補(bǔ)償功能，可以對加工過程中由于刀具磨損或更換，以及機(jī)械傳動的絲杠螺距誤差和反向間隙所引起的加工誤差予以補(bǔ)償。CNC裝置的存儲器中存放著刀具長度和半徑的相應(yīng)補(bǔ)償量，加工是按補(bǔ)償量計算刀具的運(yùn)動軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的零件。

(2)固定循環(huán)功能。

該功能是指CNC裝置為常見的加工工藝所編制的、可多次循環(huán)加工的功能。在固定循環(huán)使用前，要有用戶選擇合適的切削用量和重復(fù)次數(shù)等參數(shù)，然后按固定循環(huán)約定的功能進(jìn)行加工。用戶若需編制適用自己的固定循環(huán)程序，可借助用戶宏程序功能來實(shí)現(xiàn)。

(3)圖形顯示功能。該功能一般需要高分辨率的CRT顯示器。某些CNC裝置可配置14-英寸的彩色CRT顯示器，能顯示人機(jī)對話編程菜單、零件圖形、動態(tài)模擬刀具軌跡等。

(4-)通信功能。該功能是CNC裝置與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。通常CNC裝置都有RS232C接口，可與上級計算機(jī)進(jìn)行通信，傳送零件加工程序。有的還備有DNC接口，以利于實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控。更高檔的CNC裝置還能與制造自動化協(xié)議MAP相連，進(jìn)入工廠通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)FMS、CIMS的要求。

(5)人機(jī)對話編程功能。

該功能不但有助于編制復(fù)雜零件的程序，而且可以方便編程。如藍(lán)圖編程只要輸入圖樣上表示幾何尺寸的簡單命令，就能自動生成加工程序。對話式編程可根據(jù)引導(dǎo)圖和說明進(jìn)行示教編程，并具有工序、刀具、切削條件等自動選擇的智能功能。

CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩種類型。早期的CNC裝置和現(xiàn)有的一些經(jīng)濟(jì)型CNC裝置采用了單微處理器結(jié)構(gòu)。隨著數(shù)控系統(tǒng)功能的增加，機(jī)床切削速度的提高，單微處理器結(jié)構(gòu)已不能滿足要求，因此許多CNC裝置采用了多微處理器結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)機(jī)床向高精度、高速度和智能化方向發(fā)展，以及適應(yīng)并入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、形成FMS和CIMS的更高要求，使數(shù)控系統(tǒng)向更高層次發(fā)展。4.2CNC系統(tǒng)的硬件功能4.2.1CNC系統(tǒng)單微處理器結(jié)構(gòu)

所謂單微處理器結(jié)構(gòu)，即采用一個微處理器來集中控制、分時處理數(shù)控的各個任務(wù)。而某些CNC裝置雖然采用了兩個以上的微處理器，但能夠控制系統(tǒng)總線的只是其中的一個微處理器，它占有總線資源；其他微處理器作為專用的智能部件，它們不能控制系統(tǒng)總線，也不能訪問存儲器。這是一種主從結(jié)構(gòu)，故被納入單微處理器結(jié)構(gòu)中。如圖4-5所示，單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置包括了微型計算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如微處理器和存儲器、總線、接口等。

其中，接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口，還包括數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如單位控制單元、可編程序控制器(PLC)、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)接口以及其他選件接口等。

圖4-5單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)

1．微處理器和總線

微處理器主要完成運(yùn)算和控制兩方面的任務(wù)。運(yùn)算任務(wù)是完成一系列的數(shù)據(jù)處理工作，包括譯碼、刀補(bǔ)計算、軌跡計算、插補(bǔ)計算和位置控制的給定值與反饋值的比較運(yùn)算等?？刂迫蝿?wù)主要包括內(nèi)部控制、零件加工程序輸入和輸出的控制，對機(jī)床加工現(xiàn)場狀態(tài)信息的記憶控制。內(nèi)部控制功能用于CNC裝置內(nèi)各功能部件的動作以及各部件間的協(xié)調(diào)。輸入、輸出控制用于保持對外聯(lián)系和機(jī)床的控制狀態(tài)信息的輸入和輸出。

CNC裝置中常用的微處理器有8位、16位和32位CPU，如Intel公司的8085、8086、80186、

80286、80386、804-86，Motorola公司的6800、6810、6820、6830，Zilog公司的Z80、Z800、Z80000等。選用CPU時，要根據(jù)實(shí)時控制、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度幾方面來考慮?，F(xiàn)在CNC裝置多以16位、32位乃至64-位CPU為主。

總線是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)三條總線。為適應(yīng)傳輸信息的高速度和多任務(wù)性，總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。

2．存儲器

CNC裝置中的存儲器包括只讀存儲器(ROM)和隨機(jī)存儲器(RAM)兩類。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲器EPROM中，由CNC裝置生產(chǎn)廠家固化，即使斷電，系統(tǒng)程序也不會丟失。該程序只能被CPU讀出，不能寫入，必要時經(jīng)刪除后再重寫。

加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在有后備電池的CMOSRAM中，或者存放在磁泡存儲器中，這些信息在這種存儲器中能被隨機(jī)讀出，還可根據(jù)操作需要寫入或修改，斷電后信息仍保留。運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息等存放在隨機(jī)存儲器RAM中，它可以隨時讀出和寫入，斷電后信息就消失。

3．位置控制元件

CNC裝置中的位置控制單元又稱位置控制環(huán)(位置控制器、位置控制模塊)。位置控制主要是對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)進(jìn)行控制。例如機(jī)床工作臺前、后、左、右移動，主軸箱的上、下移動，圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等。軸控制是數(shù)控機(jī)床上要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運(yùn)動和位置精度的控制有嚴(yán)格的要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各移動軸有很好地動態(tài)配合。對主軸的控制要求在很寬的范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào)，并在每一個速度下均能提供足夠的切削所需的功率和轉(zhuǎn)矩。在某些高性能的CNC機(jī)床上還要求主軸可任意控制(即C軸位置控制)。

進(jìn)給坐標(biāo)的位置控制的硬件一般采用大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片和位置控制模板等。

1)位置控制芯片

位置控制芯片MB8739的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，它是FANUC公司專門設(shè)計的，包括位置測量與反饋的全部線路，集成度非常高。CPU輸出的位置指令，經(jīng)過芯片MB8739處理后，送往D/A變換，再經(jīng)過速度控制單元以控制電機(jī)運(yùn)動。電動機(jī)的軸上裝有光電脈沖發(fā)生器，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生系列脈沖。該脈沖經(jīng)接收器后反饋到MB8739，然后將其分為兩路，一路作為位置量的反饋，一路經(jīng)頻率/電壓(F/V)變換，作為速度量的反饋信號送往速度控制單元。

圖4-6位置控制芯片的結(jié)構(gòu)位置控制芯片的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：

(1)DDA插補(bǔ)器。該插補(bǔ)器是用作粗、精兩級插補(bǔ)結(jié)構(gòu)的第二級插補(bǔ)——精(細(xì)插補(bǔ))，

它的輸入是來自第一級軟件插補(bǔ)一個插補(bǔ)周期的信息。

(2)CMR和DMR。CMR是指令值倍乘比，其作用是將指令值乘以一個比例系數(shù)。因?yàn)榫幊痰闹噶顔挝慌c機(jī)床實(shí)際移動單位可能不一致，所以需要用CMR和DMR調(diào)整，以便進(jìn)行比較。DMR是實(shí)際值的倍乘比，其目的是與滾珠絲杠的螺距相匹配，使實(shí)際位移值的脈沖當(dāng)量乘DMR后等于乘CMR后的指令值當(dāng)量。DMR的值由軟件根據(jù)實(shí)際的機(jī)床參數(shù)設(shè)定。

(3)誤差寄存器。進(jìn)行指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的誤差(實(shí)際上是多位可逆計數(shù)器)。指令值來自DDA插補(bǔ)器，反饋值來自鑒相器。

(4-)位置增益控制。為了調(diào)整整個位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)增益Kv，對上述誤差乘以一定的比例系數(shù)。Kv是由軟件根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求設(shè)定的。

(5)漂移補(bǔ)償控制。伺服系統(tǒng)中經(jīng)常受到漂移的干擾，即在無位置指令輸出時，坐標(biāo)軸可能出現(xiàn)移動，從而影響機(jī)床的精度。漂移補(bǔ)償控制的作用是當(dāng)漂移到某一程度時(可用軟件參數(shù)設(shè)定)，自動予以補(bǔ)償。

(6)誤差的脈寬調(diào)制PWM。誤差被調(diào)制成某一固定頻率，且寬度與誤差值成正比的矩形脈沖波，經(jīng)PWM調(diào)制后，輸出粗誤差指令，即CCMD1和CCMD2以及精度誤差指令VCMD。

(7)鑒相器。該線路用來處理脈沖編碼器的反饋信號，從接收器輸出的兩組相位差為90°的脈沖信號，經(jīng)該線路變?yōu)槟鼙硎具\(yùn)動方向的一系列脈沖。該線路包括辨向與倍頻線路。

(8)參考計數(shù)器。當(dāng)機(jī)床坐標(biāo)回到參考點(diǎn)時，由參考計數(shù)器產(chǎn)生零點(diǎn)信號。

(9)地址譯碼。芯片內(nèi)部各數(shù)據(jù)和控制寄存器都由地址選擇，故設(shè)置此地址譯碼器。

FANUC公司使用的位置控制芯片還有MB8720、MB87103等。

2)位置控制模板

采用位置控制模板的CNC裝置結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)。其中，軟件負(fù)責(zé)跟隨誤差和進(jìn)給速度指令數(shù)值的計算。硬件由位置控制輸出模板和位置測量模板組成，用于接收進(jìn)給指令，進(jìn)行D/A變換，為速度單元提供指令電壓；同時位置反饋信號被處理，去“跟隨誤差計數(shù)器”與指令進(jìn)行比較。

圖4-7位置控制模板框圖在CNC裝置中，采用位置控制模板(模塊或組件)的方案很普遍，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，

位置控制模塊集成度更高，功能更齊全。Siemens公司使用的位置控制模板MS230、MS250、MS300等，都是一些典型產(chǎn)品。

4．可編程序控制器(PLC)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床使用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器邏輯，利用PLC的邏輯運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)各種開關(guān)量控制。PLC已成為CNC裝置的一個部件。

數(shù)控機(jī)床上用的PLC可分為兩類：一是內(nèi)裝型PLC，這類PLC是專為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而設(shè)計制造的，從屬于CNC系統(tǒng)，PLC與CNC間的信息傳送在CNC系統(tǒng)內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)；二是獨(dú)立性PLC，這類PLC接口技術(shù)規(guī)范，輸入／輸出點(diǎn)數(shù)、程序存儲容量以及運(yùn)算控制功能均滿足數(shù)控機(jī)床的要求。數(shù)控機(jī)床中的PLC多采用內(nèi)裝型，如圖4-8所示，PLC與機(jī)床間通過CNC輸入／輸出接口電路實(shí)現(xiàn)信號傳送。

圖4-8有內(nèi)裝型PLC的CNC機(jī)床系統(tǒng)

1)內(nèi)裝型PLC

內(nèi)裝型PLC實(shí)際上是CNC裝置帶有的PLC功能，一般作為一種基本的或可選的功能提供給用戶。它具有以下特性：

(1)內(nèi)裝型PLC的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)、程序最大步數(shù)、每步執(zhí)行時間、程序掃描時間、功能指令數(shù)目等性能指標(biāo)是根據(jù)從屬的CNC系統(tǒng)及使用機(jī)床的類型等確定的，其軟／硬件也是被作為CNC裝置的一部分與CNC裝置一起設(shè)計、制造的。因此，整體結(jié)構(gòu)緊湊，針對性強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)合理、實(shí)用。

(2)在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC可與CNC共用CPU，也可以單獨(dú)使用一個CPU。硬件電路可與CNC其他電路制作在一塊印制電路板上，也可以單獨(dú)制成一塊附加板。內(nèi)裝型PLC一般使用CNC裝置本身的輸入／輸出電路。PLC控制電路及輸入／輸出電路(一般為輸入電路)所用電源由CNC裝置提供，不設(shè)另外電源。

(3)采用內(nèi)裝型PLC的CNC裝置具有某些高級控制功能，如梯形圖編輯和傳送功能；在CNC內(nèi)不可以直接處理大量的數(shù)據(jù)信息。

2)獨(dú)立型PLC

獨(dú)立型PLC又稱為通用型PLC，它不屬于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，可以自己獨(dú)立使用。獨(dú)立型PLC具有如下特點(diǎn)：

(1)具有完整的功能結(jié)構(gòu)、CPU及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入／輸出接口電路、與程編機(jī)等外設(shè)通信的接口和電源等。

(2)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各功能模塊做成獨(dú)立的模塊或印刷電路插板，具有易擴(kuò)展、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。例如，可采用通信模塊與外部輸入／輸出設(shè)備、編程設(shè)備、上位機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；可采用D/A模塊對外部伺服裝置直接進(jìn)行控制；可采用計數(shù)模塊對加工工件數(shù)量、刀具使用次數(shù)、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)分度數(shù)進(jìn)行控制；可采用定位模塊直接對刀庫、轉(zhuǎn)臺、直線運(yùn)動軸等機(jī)械運(yùn)動部件或裝置進(jìn)行控制。

(3)獨(dú)立型PLC的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)可以通過I/O模塊的增減來增加或減少。獨(dú)立型PLC可以用于大范圍的工業(yè)順序控制、集中控制和網(wǎng)絡(luò)控制。在數(shù)控機(jī)床上也有采用獨(dú)立型PLC的。專為FMS、FA開發(fā)的具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能的獨(dú)立型PLC是現(xiàn)代自動化生產(chǎn)制造系統(tǒng)重要的控制裝置。4.2.2多微處理器結(jié)構(gòu)

單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置只有一個CPU，實(shí)行集中控制，通過分時處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能，插補(bǔ)等功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能則受CPU的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。因此，數(shù)控能力的擴(kuò)展和提高與處理速度成為一對突出的矛盾。在多微處理器結(jié)構(gòu)中，由兩個或兩個以上的微處理器來構(gòu)成處理部件。各處理部件之間通過一組公用地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，每個微處理器共享系統(tǒng)公用存儲器或I/O接口，每個微處理器分擔(dān)系統(tǒng)的一部分工作，從而將在單微處理器的CNC裝置中順序完成的工作轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔⑻幚砥鞯牟⑿小⑼瑫r完成的工作，因而大大提高了整個系統(tǒng)的處理速度。

1．CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

多微處理器CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，也就是CNC裝置中的某些功能自身也帶有CPU，按照這些CPU之間相互關(guān)系的不同，可將其分為如下結(jié)構(gòu)：

(1)主從結(jié)構(gòu)。

在裝置中只有一個CPU(稱為主CPU)對整個裝置的資源(即存儲器、總線)有控制權(quán)和使用權(quán)，而其他帶有CPU的功能部件(統(tǒng)稱為智能部件)只能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。從硬件的體系結(jié)構(gòu)來看，單微處理器結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)極其相似，因?yàn)橹鲝慕Y(jié)構(gòu)的從模塊與單微處理器結(jié)構(gòu)中相應(yīng)模塊在功能上是等價的。現(xiàn)在單微處理器結(jié)構(gòu)已被這種主從結(jié)構(gòu)所取代。

(2)多主結(jié)構(gòu)。

有兩個或兩個以上帶CPU的功能部件對裝置資源有控制權(quán)和使用權(quán)。功能部件之間采用緊耦合，即均掛靠在裝置總線上，集中在一個機(jī)箱內(nèi)，有集中的操縱系統(tǒng)，通過總線仲裁器(軟件和硬件)來解決爭用總線問題，通過公共存儲器來交換裝置內(nèi)的信息。

(3)分布式結(jié)構(gòu)。

該裝置有兩個或兩個以上帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(總線、存儲器、操作系統(tǒng)等)。功能模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，各模塊之間采用通信方式交換信息。

從20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)多微處理器數(shù)控裝置產(chǎn)品，其中絕大部分是主從結(jié)構(gòu)類型，主從結(jié)構(gòu)裝置能夠滿足數(shù)控加工的大多數(shù)要求。由于多主結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作系統(tǒng)設(shè)計較困難，所以在數(shù)控裝置中應(yīng)用的相對較少。

2．多微處理器CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置大多采用模塊化結(jié)構(gòu)，固化在硬件中。軟/硬件模塊形成一個具有特定功能的單元，稱為功能模塊。功能模塊之間有明確的固定接口，按工廠或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造，于是可以組成積木式的CNC裝置。如果某一個模塊出了故障，其他模塊仍能照常工作，可靠性高。CNC裝置可根據(jù)需要，增加相應(yīng)的功能模塊。一般有以下幾種功能模塊組成：

(1)CNC管理模塊。

該模塊執(zhí)行管理和組織整個CNC系統(tǒng)工作過程的職能，例如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯的識別和處理、系統(tǒng)軟/硬件故障診斷等。

(2)CNC插補(bǔ)模塊。

該模塊對零件加工程序進(jìn)行譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計算等插補(bǔ)前的預(yù)處理工作，

然后按規(guī)定的插補(bǔ)類型的軌跡坐標(biāo)，通過插補(bǔ)計算為各個坐標(biāo)軸提供位置給定值。

(3)位置控制模塊。

該模塊將插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置指令值與位置檢測單元反饋回來的位置實(shí)際值進(jìn)行比較，并進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓，去驅(qū)動進(jìn)給伺服電機(jī)。

(4)PLC模塊。

該模塊對零件加工中的開關(guān)功能和機(jī)床送來的信號進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖。例如，機(jī)床電器設(shè)備的啟停、刀具交換、回轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時間的計數(shù)等。

(5)數(shù)據(jù)輸入／輸出和顯示模塊。

這里包括零件加工程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)，各種操作命令的輸入(如通過紙帶閱讀機(jī)、鍵盤或上級計算機(jī)等)和輸出(如通過穿孔機(jī)、打印機(jī))，顯示(如通過CRT、液晶顯示器等)所需要的各種接口電路。

(6)存儲器模塊。

它是存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，也可以是功能模塊間傳遞數(shù)據(jù)用的共享存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器。多微處理器的CNC裝置一般采用總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)有共享總線型、共享存儲器型及它們的混合型結(jié)構(gòu)等。

共享總線的CNC裝置的部分結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，這是一種具有多微處理器共享總線的結(jié)構(gòu)。按照功能，可將系統(tǒng)劃分為若干功能模塊。帶CPU的稱為主模塊，不帶CPU的稱為從模塊。根據(jù)不同的配置可以選用7(或9、11、13)個功能模塊插件板，所有主從模塊都插在配有總線(FANUCbus)插座的機(jī)柜內(nèi)，通過共享總線把各模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種數(shù)據(jù)和信息，組成一個完整的多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CNC裝置預(yù)定的功能。

圖4-9共享總線的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

FANUC15系統(tǒng)CNC裝置的主CPU(基本CPU，與插補(bǔ)模塊做在一起)為68020(32位微處理器)。在可編程序控制器、插補(bǔ)、軸控制(進(jìn)給坐標(biāo))、圖形控制、通信及自動編程模塊中都有各自的CPU，可構(gòu)成最小至最大系統(tǒng)，控制2～15根軸。系統(tǒng)總線采用了32位高速多主總線結(jié)構(gòu)，信息傳送速度很快。FANUC15系統(tǒng)CNC裝置帶有內(nèi)裝PLC，CNC與PLC之間有很大的窗口。在系統(tǒng)中只有主模塊有權(quán)控制和使用系統(tǒng)總線。由于某一時刻只能有一個主模塊占有總線，設(shè)有總線仲裁器來解決多個主模塊同時請求使用總線造成的矛盾，每個主模塊按其擔(dān)負(fù)的任務(wù)的重要程度，已預(yù)先排好優(yōu)先級別順序。總線仲裁的目的是在它們爭用總線時，判別出各模塊的優(yōu)先權(quán)高低。

總線仲裁有串行和并行兩種方式。串行仲裁方式的優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定的。某個主模塊只有在前面優(yōu)先權(quán)更高的主模塊不占用總線時，才可以使用總線，同時通知它后面的優(yōu)先權(quán)較低的主模塊不得使用總線。并行仲裁方式要配備專用邏輯電路來解決主模塊的優(yōu)先權(quán)問題，通常采用優(yōu)先權(quán)編碼方案。這種結(jié)構(gòu)模塊之間的通信，大部分采用公共存儲器方式，公共存儲器直接插在總線上，有總線使用權(quán)的主模塊都能訪問。支持共享總線結(jié)構(gòu)的總線有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)、S100bus(可支持16位字長)、VERSAbus(可支持32位字長)以及VMEbus(可支持32位字長)等。

共享總線結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，造價低。不足之處是會引起“競爭”，使信息傳輸率降低，而且總線一旦出現(xiàn)故障，會影響全局。

圖4-10為共享存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖，其功能模塊之間通過公用存儲器連接耦合在一起，共三個CPU。

圖4-10共享存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

CPU1為中央處理器，其任務(wù)是數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機(jī)床參數(shù)的輸入。此外，

做為主處理器，它還控制CPU2和CPU3，并與之交換信息。CNC的控制程序(系統(tǒng)程序)有56KB，存放在EPROM中，26KB的RAM存放零件程序和預(yù)處理信息及工作狀態(tài)、標(biāo)志。為與CPU2和CPU3交換信息，它們各有512字節(jié)的公用存儲器，CPU1可以與公用存儲器交換信息。

CPU2為CRT顯示處理器，其任務(wù)是根據(jù)CPU1的指令和顯示數(shù)據(jù)，在顯示緩沖區(qū)中組成一幅畫面數(shù)據(jù)，通過CRT控制器、字符發(fā)生器和位移寄存器，將顯示數(shù)據(jù)串行送到視頻電路進(jìn)行顯示。此外，它還定時掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)，并送CPU1進(jìn)行處理。CPU2有16KBEPROM，用于存放顯示控制程序，還有2KBRAM存儲器，其中512字節(jié)是與CPU1共用的公用存儲器，另外的512字節(jié)是對應(yīng)顯示屏幕的頁面緩沖區(qū)，其余1KB字節(jié)用于數(shù)據(jù)、狀態(tài)及開關(guān)編碼等信息的存儲。

CPU3為插補(bǔ)處理器，它完成的工作是插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、機(jī)床輸入／輸出接口和RS232C

接口控制。插補(bǔ)控制程序存儲在16KBEPROM存儲器中，CPU3根據(jù)CPU1的命令及與處理結(jié)果進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)。它定時回收各軸的實(shí)際位置，并根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果計算各軸的跟隨誤差，以得到速度指令值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓到各伺服單元。另外，CPU3通過它的512字節(jié)公用存儲器向CPU1提供機(jī)床操作面板開關(guān)的狀態(tài)及所需顯示的位置信息等。CPU3對RS232C接口定時接收外設(shè)送來的數(shù)據(jù)，并通過公用存儲器轉(zhuǎn)到CPU1的零件存儲器中；或從公用存儲器將CPU1送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)RS232C接口送到外設(shè)。

MTC1數(shù)控裝置中的公用存儲器通過CPU1分別向CPU2或CPU3發(fā)送總線請求保持信號HOLD才被占用的。此時CPU2或CPU3處于保持狀態(tài)，CPU1與公用存儲器進(jìn)行交換。交換信息結(jié)束，

CPU1撤銷HOLD信號，CPU1釋放公用存儲器，CPU2和CPU3恢復(fù)對公用存儲器的控制權(quán)。

三個CPU都分別設(shè)有若干級中斷，CPU1通過中斷實(shí)現(xiàn)對CPU2和CPU3的控制。多微處理器CNC裝置采用共享總線，又共享存儲器的結(jié)構(gòu)形式能較好地完成并行多任務(wù)實(shí)時處理的數(shù)控功能。FANUC11CNC裝置就是這種硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-11所示。

圖4-11共享總線和存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

FANUC11的CNC裝置是為FMS(柔性制造系統(tǒng))所用數(shù)控機(jī)床設(shè)計的，它除能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)控制外，

還能實(shí)現(xiàn)后臺自動編程、加工過程和程編零件的圖形顯示以及與主機(jī)的通信等。系統(tǒng)有公用的存儲器，各自的CPU還有自己的存儲器。按功能可劃分為基本的數(shù)控部分、會話式自動編程部分、CRT圖形顯示部分和可編程控制器PLC(也叫PMC，可編程機(jī)床控制器)等。

功能模塊包括如下部分：

(1)主處理單元，完成基本的數(shù)控任務(wù)及系統(tǒng)管理，主CPU為68000，16位微處理器。

(2)圖形顯示單元，完成數(shù)控加工的圖形顯示(CPU為8086)和在線的人機(jī)對話自動編程(CPU為8086＋8087)。

(3)總線仲裁控制器(BAC)，對請求總線使用權(quán)的CPU進(jìn)行裁決，按優(yōu)先級分配總線使用權(quán)以及產(chǎn)生信號，使沒有得到總線控制權(quán)的CPU處于等待狀態(tài)。此外，BAC還具有位操作、并行DMA(直接存儲器存取)控制和串行DMA控制等特殊功能。

(4)接口SSU，是CNC裝置與機(jī)床和機(jī)器人等設(shè)備的接口，使系統(tǒng)支持單元。功能部件有：位置控制芯片(MB87103)，其輸出接坐標(biāo)軸的進(jìn)給驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置，位置控制芯片的輸入為插補(bǔ)來的速度指令和位置測量元件的反饋信號；用于傳送高速信號的高速I/O口；2ms的插補(bǔ)定時器。

(5)輸入／輸出控制器IOC，接收和傳送可編程控制器PMC與機(jī)床開關(guān)控制的按鈕、限位開關(guān)、繼電器等之間的信號。PMC的CPU為68000。

(6)操作板控制器OPC，用于和各種操作外設(shè)相連，主要包括鍵盤信號的接收和驅(qū)動；CRT的控制接口；手搖脈沖發(fā)生器接口；用于和紙帶閱讀機(jī)、穿孔機(jī)等與外設(shè)相連的RS232C接口和20mA電流回路接口；操作開關(guān)和顯示器接口。

(7)存儲器，該系統(tǒng)有多種存儲器，除主存儲器外，各CPU都有各自的存儲器。大容量磁泡存儲器可達(dá)4-MB，可存儲4-km紙帶的零件程序。PMC的ROM為128KB。順序邏輯程序可達(dá)16000步。系統(tǒng)控制程序ROM容量為256KB。

多CPU共享存儲器的CNC裝置還采用多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的互聯(lián)和通信，由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突。

3．多微處理器CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

多微處理器CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

(1)計算處理速度高。

多微處理器結(jié)構(gòu)中的每一個處理器完成系統(tǒng)中指定的一部分功能，獨(dú)立執(zhí)行程序，并行運(yùn)行，比單微處理器提高了計算處理速度。它適應(yīng)多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求。由于系統(tǒng)共享資源，因此性價比也較高。

(2)適應(yīng)性和擴(kuò)展性好。

多微處理器的CNC裝置大多采用模塊結(jié)構(gòu)，可將微處理器、存儲器、輸入／輸出控制組成獨(dú)立微計算機(jī)級的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。軟／硬件模塊形成一個特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此可進(jìn)行信息交換，于是可以積木式組成CNC裝置，使設(shè)計簡單，并且具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

(3)可靠性高。

由于系統(tǒng)中每個微處理器分管各自的任務(wù)，因此形成了若干模塊。插件模塊更換方便，可使故障對系統(tǒng)的影響減到最小。共享資源省去了重復(fù)機(jī)構(gòu)，不但降低了造價，還提高了可靠性。

(4-)硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。

一般硬件是通用的，容易配置，只要開發(fā)新的軟件就可構(gòu)成不同的CNC裝置，便于組織規(guī)模生產(chǎn)，形成批量，保證質(zhì)量。4.2.3開放式CNC系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)和以STD總線模板機(jī)為主體的數(shù)控系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。而且已出現(xiàn)以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，它既可充分利用微機(jī)豐富的硬件、軟件資源，也可為數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展開辟新的途徑。

1981年，美國國防部開始了一項(xiàng)“下一代控制器(NGG)”的計劃;1991年完成了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(SOSAS)”；1994-年美國汽車工業(yè)開始了“開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器(OMAC)”計劃；1992年歐洲啟動了“自動化系統(tǒng)中控制的開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(OSACA)”計劃；1995年日本機(jī)床公司開始了“控制器開放系統(tǒng)環(huán)境(OSEC)”計劃。OMAC、OSACA和OSEC是三個有影響的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究計劃。1996年芝加哥國際機(jī)床展覽會開始展出以個人計算機(jī)(PC)為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)，從此開始了開放式數(shù)控系統(tǒng)的新時代。開放式數(shù)控系統(tǒng)有如下兩種模式。

(1)以CP作為傳統(tǒng)CNC的前端接口。在CNC上插入一塊專門開發(fā)的個人計算機(jī)模板，原有的CNC進(jìn)行實(shí)時控制，而由PC進(jìn)行非實(shí)時性控制，這種模式的柔性有限，而且NC(數(shù)控)的內(nèi)核也不開放。

(2)將整個CNC單元(或運(yùn)動控制模板)包括集成的PLC插入到個人計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)槽中。CNC單元(或運(yùn)動控制模板)作實(shí)時控制，個人計算機(jī)作實(shí)時處理。這種模式正變?yōu)殚_放式數(shù)控系統(tǒng)的主流。如美國DeltaTataSystem公司的PMACNC、OrmesSystem和Orion，

德國Sinumerik840D、PA公司的PA8000和Indramat公司的MTC200，它們都屬于這種模式。PMACNC是在個人計算機(jī)上插入一塊PMAC運(yùn)動控制板，執(zhí)行全部的實(shí)時任務(wù)，如輪廓加工、插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制、刀具半徑補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償?shù)?。MTC200則是在PC中插入MTCPPLC板分別處理運(yùn)動控制和PLC。這種模式的運(yùn)動計算通常都是由32位數(shù)字信號處理器(DSP)處理的，為了保持最大的吞吐量和簡化編程，DSP與PC共享公共存儲器空間。美國Cincinnati公司開發(fā)的雙PC平臺Acramatic2100也是這種模式的應(yīng)用實(shí)例。它的一個PC母板控制工作站功能，如車間編程和數(shù)據(jù)庫工作；另一個PC作實(shí)時伺服控制。據(jù)稱這樣做，CNC系統(tǒng)升級更容易，費(fèi)用也更低；而OrmecSystem公司近兩年時間就開發(fā)出了以IBMPC結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的CNC系統(tǒng)，它可控制14根軸運(yùn)動。日本FANUC公司與富士通公司合作，由富士通提供PC機(jī)，F(xiàn)ANUC配置控制用基板、軟件、電機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)等，并與牧野銑床制作所、森精機(jī)械制作所緊密合作，它的用戶改制自由度很大，個人計算機(jī)的硬件、軟件可以靈活地應(yīng)用，與過去的數(shù)控系統(tǒng)有連續(xù)性和互換性、可靠性得到提高。以PC為基礎(chǔ)的開放式CNC系統(tǒng)，利用帶有Windows平臺的個人計算機(jī)，使開發(fā)工作大大減少，而且很容易實(shí)現(xiàn)多軸、多通道控制，實(shí)時三維實(shí)體圖形顯示和自動編程等。

以這種模式開放的數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)下列三種不同層次的開放程度。

(1)CNC可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件，強(qiáng)有力的軟件包(例如數(shù)字化)能作為許可證軟件來執(zhí)行。各種車間編程軟件、刀具軌跡檢驗(yàn)軟件、工廠管理軟件、通信軟件、多媒體軟件都可在控制器上運(yùn)行，這大大改善了CNC的圖形顯示、動態(tài)仿真、編程和診斷功能。

(2)用戶操作界面的開放。這使得CNC系統(tǒng)的用戶接口有其自己的操作特點(diǎn)，而且更加友好，并具備特殊的診斷功能(如遠(yuǎn)距離診斷等)。

(3)NC內(nèi)核的深層次開放。通過執(zhí)行用戶自己的C或C＋＋語言開發(fā)的程序，就可以把應(yīng)用軟件加到標(biāo)準(zhǔn)CNC的內(nèi)核中，這稱為編譯循環(huán)。CNC內(nèi)核系統(tǒng)提供已定義的出口點(diǎn)，機(jī)床制造廠商或用戶把自己的軟件連接到這些出口點(diǎn)，通過編譯循環(huán)，就可把他們自己的知識、經(jīng)驗(yàn)、訣竅等專用工藝集成到CNC系統(tǒng)中去形成獨(dú)具特色的個性化數(shù)控機(jī)床。而且?guī)в袑ｉT知識技能的應(yīng)用軟件永遠(yuǎn)屬于機(jī)床制造商或用戶自己。這樣三個層次的全部開放，就能滿足機(jī)床制造廠商和最終用戶的種種要求，這種控制技術(shù)的柔性，使用戶能十分方便地把CNC應(yīng)用到幾乎所有的應(yīng)用場合?？傊瑹o論是以個人計算機(jī)(PC)為基體，加上CNC系統(tǒng)的主要控制部分而組成的數(shù)控系統(tǒng)，還是以CNC系統(tǒng)為主，加上個人計算機(jī)的有關(guān)部分而組成的數(shù)控系統(tǒng)，都有各自的優(yōu)勢。未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下：

(1)在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的、先進(jìn)的、適銷的、經(jīng)濟(jì)合理的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

(2)數(shù)控系統(tǒng)今后主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率(高速)、高自動化加工的要求。特別是對有復(fù)雜任意曲線、任意曲面零件的加工，需要利用新的加工表述語言，簡化設(shè)計、

生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工過程，并減少數(shù)據(jù)存儲量，采用64位CPU實(shí)現(xiàn)CAD／CAM進(jìn)行三維曲面的加工。

(3)開放式個人計算機(jī)CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，即CNC機(jī)床配上個人計算機(jī)開放式CNC系統(tǒng)，能在廠內(nèi)連網(wǎng)并與廠外通信網(wǎng)絡(luò)連接，對CNC機(jī)床能進(jìn)行作業(yè)管理、遠(yuǎn)距離監(jiān)視、情報檢索等。在實(shí)現(xiàn)高精度、高效率加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無人化、智能化、集成化的高度自動化生產(chǎn)。

4.3.1CNC系統(tǒng)軟件概述

CNC系統(tǒng)是一個典型而又復(fù)雜的實(shí)時控制系統(tǒng)，能對信息作出快速處理和響應(yīng)。一個實(shí)時控制系統(tǒng)包括受控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。受控系統(tǒng)由硬件設(shè)備組成，如電機(jī)及其驅(qū)動；控制系統(tǒng)(在此為CNC裝置)由軟件及其支持硬件組成，共同完成數(shù)控的基本功能。4.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC裝置的許多控制任務(wù)，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑的補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制以及精度補(bǔ)償?shù)榷际怯绍浖?shí)現(xiàn)的。從邏輯上講，這些任務(wù)可看成是一個個的功能模塊，模塊之間存在耦合關(guān)系；從時間上來講，各功能模塊之間存在一個時序配合。在許多情況下，某些功能模塊必須同時運(yùn)行，同時運(yùn)行的模塊是由具體的加工控制要求所決定。例如，在加工零件的同時，要求CNC裝置能顯示其工作狀態(tài)，如零件程序的執(zhí)行過程、參數(shù)變化和刀具運(yùn)動軌跡等，以方便操作者。這時，在控制軟件運(yùn)行時管理軟件中的顯示模塊也必須同時運(yùn)行；在控制軟件運(yùn)行過程中，其本身的一些功能也必須同時運(yùn)行。為使刀具運(yùn)行連續(xù)進(jìn)行，在各程序段之間無停頓，則要求譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理必須與插補(bǔ)同時進(jìn)行。CNC裝置各功能模塊之間的并行處理關(guān)系如圖4-12所示，具有并行處理的兩模塊之間用雙向箭頭表示。

圖4-12并行處理關(guān)系4.3.2CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1．CNC裝置軟件、硬件的界面

CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)取決于軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運(yùn)行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價的，硬件能完成的工作原則上軟件也可以完成。硬件處理速度快，但造價高；軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢。

所以，在CNC裝置中，軟、硬件的分工是由性價比決定的。在現(xiàn)代CNC裝置中，軟件和硬件的界面關(guān)系是固定的。早期的NC裝置中，數(shù)控系統(tǒng)的全部功能都由硬件來實(shí)現(xiàn)，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)參與了數(shù)控系統(tǒng)的工作，構(gòu)成了計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)，數(shù)控工作便由軟件來完成。隨著產(chǎn)品、功能要求的不同，軟件和硬件界面是不一樣的，三種典型CNC裝置的軟、硬件界面關(guān)系如圖4-13所示。

圖4-13三種典型的軟、硬件界面關(guān)系

2．系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

CNC系統(tǒng)是一個專用的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)，CNC裝置通常作為一個獨(dú)立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中。因此，它的系統(tǒng)軟件包括管理和控制兩大部分，如圖4-14所示。管理部分包括輸入、I／O處理、通信、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序；控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。數(shù)控的基本功能由這些功能子程序?qū)崿F(xiàn)。這是任何一個計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)所必須具備的，功能增加，子程序就增加。

圖4-14CNC裝置軟件任務(wù)分解不同的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中對這些子程序的安排方式不同，管理方式亦不同。在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)中，常采用前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。在多微處理器數(shù)控系統(tǒng)中，將微處理器作為一個功能單元利用上面的思想構(gòu)成相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)類型，各個CPU分別承擔(dān)一定的任務(wù)，它們之間的通信依靠共享總線和共享存儲器進(jìn)行協(xié)調(diào)。在子系統(tǒng)較多時，也可采用相互通信的方法。無論何種類型的結(jié)構(gòu)，CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)都具有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時中斷的特點(diǎn)。

3．多任務(wù)并行處理

1)CNC裝置的多任務(wù)性

數(shù)控加工時，CNC裝置要完成許多任務(wù)，圖4-14則反映了它的多任務(wù)性。在多數(shù)情況下，管理和控制的某些工作必須同時進(jìn)行。例如，為使操作人員能及時來了解CNC裝置的工作狀態(tài)，顯示模塊必須與控制軟件同時運(yùn)行；當(dāng)在插補(bǔ)加工運(yùn)行時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運(yùn)行。而當(dāng)控制軟件運(yùn)行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運(yùn)行，例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必須與插補(bǔ)模塊同時運(yùn)行，而插補(bǔ)程序又必須與位置控制程序同時進(jìn)行。

2)并行處理

并行處理是指計算機(jī)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)相同或不同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)能提高運(yùn)行速度。

并行處理分為資源重復(fù)并行處理方法、時間重疊并行處理方法和資源共享并行處理方法。時間重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個部分。資源共享是根據(jù)“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設(shè)備。目前CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)中，已廣泛使用資源重復(fù)并行處理技術(shù)，如采用多CPU的體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。而在CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法。在單CPU的CNC裝置中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運(yùn)行。各任務(wù)何時占用CPU及各任務(wù)占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配問題。在CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU使用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來解決。圖

圖4-15CNC裝置分時共享CPU的時間分配在完成初始化任務(wù)后，系統(tǒng)自動進(jìn)入時間分配循環(huán)中，在循環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。

而對系統(tǒng)中一些實(shí)時性很強(qiáng)的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊(duì)，分別處于不同中斷優(yōu)先級上作為環(huán)外任務(wù)，

環(huán)外任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)任務(wù)的執(zhí)行。每個任務(wù)允許占用CPU的時間受到一定的限制，

對于某些占有CPU時間較多的任務(wù)，如插補(bǔ)準(zhǔn)備(包括譯碼、刀具半徑補(bǔ)償和速度處理等)可以在其中的某些地方設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處時，自動讓出CPU，等到下一個運(yùn)行時間里自動跳到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。

4．實(shí)時中斷處理

CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點(diǎn)是實(shí)時中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序有許多子程序，它們按預(yù)定的順序反復(fù)執(zhí)行，各步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序?qū)崟r性很強(qiáng)，這就決定了中斷成為整個系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。

1)CNC系統(tǒng)的中斷類型

CNC系統(tǒng)有外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷和程序性中斷等幾種類型。

(1)外部中斷主要有光電閱讀機(jī)中斷、外部監(jiān)控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤、操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時性要求很高，將它們放在較高的優(yōu)先級上。

(2)內(nèi)部定時中斷主要有插補(bǔ)周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。

(3)硬件故障中斷是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補(bǔ)運(yùn)算超時等。

(4)程序性中斷是程序出現(xiàn)的異常情況的報警中斷，如各種溢出、除零等。

2)CNC系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)模式

CNC系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)模式有前后臺軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式和中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式等。

在前后臺軟件結(jié)構(gòu)中，前臺程序是一個中斷服務(wù)程序，完成全部的實(shí)時功能，后臺(背景)程序是一個循環(huán)運(yùn)行程序，管理軟件和插補(bǔ)準(zhǔn)備在這里完成，后臺程序運(yùn)行中，實(shí)時中斷程序不斷插入，與后臺程序相配合，共同完成零件加工任務(wù)。在中斷型軟件結(jié)構(gòu)中，其軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)，其管理的功能主要通過各級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來解決。4.3.3CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式

CNC系統(tǒng)是一個大的多重中斷系統(tǒng)，其中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)則取決于系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)。CNC的中斷源有多種，已知的主要有外部中斷、內(nèi)部定時中斷、

硬件故障中斷、程序性中斷等。目前，CNC有兩種類型的軟件結(jié)構(gòu)，一種是前后臺型結(jié)構(gòu)，另一種是中斷型結(jié)構(gòu)。

1．前后臺型結(jié)構(gòu)

在前后臺型結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，整個系統(tǒng)分為兩大部分，即前臺程序和后臺程序。前臺程序是一個實(shí)時中斷服務(wù)程序，幾乎承擔(dān)了全部的實(shí)時功能(如插補(bǔ)、位置控制、機(jī)床相關(guān)邏輯和監(jiān)控等)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)床動作直接相關(guān)的功能。后臺程序是一個循環(huán)執(zhí)行程序，一些實(shí)時性要求不高的功能，如輸入譯碼、數(shù)據(jù)處理等插補(bǔ)準(zhǔn)備工作和管理程序等均由后臺程序承擔(dān)，后臺程序又稱背景程序。在后臺程序循環(huán)運(yùn)行的過程中，前臺的實(shí)時中斷程序不停地定時插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。如圖4-15所示，程序一經(jīng)啟動，經(jīng)過一段初始化程序后便進(jìn)入背景(后臺)程序循環(huán)。同時開放定時中斷，每隔一定時間間隔發(fā)生一次中斷，執(zhí)行完畢后返回背景程序，如此循環(huán)往復(fù)，共同完成數(shù)控的全部功能。

前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流動過程如圖4-16所示。零件程序段進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)過圖中的流動處理，輸出運(yùn)動軌跡信息和輔助信息。

圖4-16前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流

1)背景程序

背景程序的主要功能是進(jìn)行插補(bǔ)前的準(zhǔn)備和任務(wù)的管理調(diào)度。它一般由三個主要服務(wù)組成，

為鍵盤、單段、自動和手動四種工作方式服務(wù)，如圖4-17所示。各服務(wù)方式的功能見表4-1。表4-1背景程序四種工作方式的功能

圖4-17背景程序結(jié)構(gòu)加工工作方式在背景程序中處于主導(dǎo)地位。在操作前的準(zhǔn)備工作(如由鍵盤方式調(diào)零件程序、由手動方式使刀架回到機(jī)床原點(diǎn))完成后，一般便進(jìn)入加工方式。在加工工作方式下，背景程序要完成程序段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理(如刀具補(bǔ)償)等插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作，如此逐個程序段地進(jìn)行處理，直到整個零件程序執(zhí)行完畢為止。自動循環(huán)工作方式如圖4-18所示，在正常情況下，背景程序在1→2→3→4-中循環(huán)。

2)實(shí)時中斷服務(wù)程序

實(shí)時中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心。實(shí)時控制的任務(wù)包括位置伺服、面板掃描、PLC控制、實(shí)時診斷和插補(bǔ)。在實(shí)時中斷服務(wù)程序中，各種程序優(yōu)先級排隊(duì)，按時間先后順序執(zhí)行。

每次中斷有嚴(yán)格的最大運(yùn)行時間限制，如果前一次中斷尚未完成，又發(fā)生了新的中斷，說明發(fā)生服務(wù)重疊，系統(tǒng)進(jìn)入急停狀態(tài)。實(shí)時中斷服務(wù)程序流程如圖4-19所示。

圖4-18自動循環(huán)工作方式圖4-19實(shí)時中斷服務(wù)程序流程

2．中斷型結(jié)構(gòu)

中斷型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件除初始化程序之外，將CNC的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)(由軟件和硬件組成)對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。也就是說，所有功能子程序均安排成級別不同的中斷程序，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)，其管理功能通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。

各中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級別與其作用和執(zhí)行時間密切相關(guān)。級別高的中斷程序可以打斷級別低的中斷程序。優(yōu)先級及其功能見表4-2。表4-2中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級及其功能中斷服務(wù)程序的中斷有兩種來源：一種外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求信號，稱為硬件中斷(如第0、1、4-、6、7、8、9、10級)；另一種是由程序產(chǎn)生的中斷信號，稱為軟件中斷，這是由2ms的實(shí)時時鐘在軟件中分頻得出的(如第2、3、5級)。硬件中斷請求又稱為外中斷，要求受中斷控制器(如Intel8259A)的統(tǒng)一管理，由中斷控制器進(jìn)行優(yōu)先排隊(duì)和鑲嵌處理；而軟件中斷是由中斷指令產(chǎn)生的中斷，每出現(xiàn)4-次2ms時鐘中斷時，產(chǎn)生第5級8ms軟件中斷，每出現(xiàn)8次2ms時鐘中斷時，分別產(chǎn)生第3級和第2級16ms軟件中斷，各軟件中斷的優(yōu)先順序由程序決定。由于軟件中斷有既不使用中斷控制器也不能被屏蔽的特點(diǎn)，因此為了將軟件中斷優(yōu)先嵌入硬件中斷的優(yōu)先級中，在軟件中斷服務(wù)程序的開始處，要通過改變屏蔽優(yōu)先級比其低的中斷，軟件中斷返回前，再恢復(fù)初始屏蔽狀態(tài)。

3．功能模塊軟件結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)時性和并行性的任務(wù)，越來越多地采用多微處理器結(jié)構(gòu)，

從而使數(shù)控裝置的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，更適合于多軸控制、高速進(jìn)給速度、高精度和高效率的數(shù)控系統(tǒng)的要求。

圖4-20功能模塊軟件結(jié)構(gòu)多微處理器CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個微處理器分管各自的任務(wù)，形成特定的功能模塊。相應(yīng)的軟件也模塊化，形成功能模塊軟件結(jié)構(gòu)，固化在對應(yīng)的硬件功能模塊中。各功能模塊之間有明確的軟、硬件接口。

圖4-20所示的功能模塊軟件結(jié)構(gòu)主要由三大模塊組成，即人機(jī)通信(MMC)模塊、數(shù)控通道(NCK)模塊和可編程控制器(PLC)模塊。每個模塊都有一個微處理器系統(tǒng)，三者可以互相通信。各模塊的功能見表4-3。表4-3三大模塊的功能

4.4.1概述

1．插補(bǔ)基本概念

在數(shù)控機(jī)床中，刀具或工件的最小位移量是機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動的一個分辨單位，由檢測裝置辨識，稱為分辨率(閉環(huán)系統(tǒng))或稱為脈沖當(dāng)量(開環(huán)系統(tǒng))，又叫做最小設(shè)定單位。4.4數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)原理因此刀具的運(yùn)動軌跡在微觀上是由小段構(gòu)成的折線，不可能絕對地沿著刀具所要求的零件輪廓形狀運(yùn)動，只能用折線逼近所要求的廓形曲線。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)一定方法確定刀具運(yùn)動的軌跡，進(jìn)而產(chǎn)生基本廓形曲線，如直線、圓弧等。其他需要加工的復(fù)雜曲線由基本廓形曲線逼近，這種擬合方法稱為插補(bǔ)(Interpolation)。插補(bǔ)實(shí)質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線形的有限信息(如直線的起點(diǎn)、終點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)、圓心等)，計算出刀具的一系列加工點(diǎn)，完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。插補(bǔ)有兩層意思：一是生產(chǎn)基本線型，二是用基本線型擬合其他輪廓曲線。插補(bǔ)運(yùn)算具有實(shí)時性，要滿足刀具運(yùn)動實(shí)時控制的要求，其運(yùn)算速度和精度會直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2．插補(bǔ)運(yùn)算的基本原理

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的精度要求，運(yùn)用微積分的方法，以脈沖當(dāng)量為單位，進(jìn)行有限分段，

以折線代替直線，以弦代替圓弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡。常用機(jī)床的脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖～0.001mm／脈沖，脈沖當(dāng)量越小數(shù)控機(jī)床精度越高，各種斜線、圓弧、曲線均可由脈沖當(dāng)量為單位的微小直線擬合而成，如圖4-21所示。

圖4-21用微小直線段來擬合曲線

3．插補(bǔ)方法的分類

數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)運(yùn)算的裝置或程序稱為插補(bǔ)器，根據(jù)插補(bǔ)器的結(jié)構(gòu)可分為硬件插補(bǔ)器、

軟件插補(bǔ)器和軟硬件結(jié)合插補(bǔ)器三種類型。早期NC系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算由專門設(shè)計的數(shù)字邏輯電路裝置來完成，稱為硬件插補(bǔ)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在CNC系統(tǒng)中插補(bǔ)功能一般由計算機(jī)程序來完成，稱為軟件插補(bǔ)。由于硬件插補(bǔ)具有速度高的特點(diǎn)，為了滿足插補(bǔ)速度和精度的要求，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)也采用軟件與硬件相結(jié)合的方法，由軟件完成粗插補(bǔ)，由硬件完成精插補(bǔ)。由于直線和圓弧是構(gòu)成零件輪廓的基本線型，因此CNC系統(tǒng)一般都具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)兩種基本類型，在三坐標(biāo)以上聯(lián)動的CNC系統(tǒng)中，一般還具有螺旋線插補(bǔ)和其他線型插補(bǔ)。

為了方便對各種曲線、曲面的直接加工，人們一直研究各種曲線的插補(bǔ)功能，在一些高檔CNC系統(tǒng)中，已經(jīng)出現(xiàn)了拋物線插補(bǔ)、漸開線插補(bǔ)、正弦線插補(bǔ)、樣條曲線插補(bǔ)、球面螺旋線插補(bǔ)以及曲面直接插補(bǔ)等功能。

插補(bǔ)運(yùn)算所采用的原理和方法很多，一般可歸納為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)兩大類型。

(1)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)，又稱為脈沖增量插補(bǔ)或行程標(biāo)量插補(bǔ)，其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束僅向各運(yùn)動坐標(biāo)軸輸出一個控制脈沖，因此各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量或行程的增量。脈沖序列的頻率代表坐標(biāo)運(yùn)動的速度，而脈沖的數(shù)量代表運(yùn)動位移的大小。這類插補(bǔ)運(yùn)算簡單，容易用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，早期的插補(bǔ)都是采用這類方法，在目前的CNC系統(tǒng)中原來的硬件插補(bǔ)功能可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，但僅適用于一些中等速度和中等精度的系統(tǒng)，主要用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)。也有的數(shù)控系統(tǒng)將其用作數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)中的精插補(bǔ)?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)的方法很多，如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、脈沖乘法器、矢量判別法、

比較積分法、最小偏差法、單步追蹤法等。應(yīng)用較多的是逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。

(2)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，又稱數(shù)字增量插補(bǔ)、時間分割插補(bǔ)或時間標(biāo)量插補(bǔ)，

其運(yùn)算采用時間分割思想，根據(jù)編程的進(jìn)給速度將輪廓曲線分割為每個插補(bǔ)周期的進(jìn)給直線段(又稱為輪廓步長)，以此來逼近輪廓曲線。數(shù)控裝置將輪廓步長分解為各坐標(biāo)軸的插補(bǔ)周期進(jìn)給量，作為命令發(fā)送給伺服驅(qū)動裝置。伺服系統(tǒng)按位移檢測采樣周期采集實(shí)際位移量，并反饋給插補(bǔ)器進(jìn)行比較以完成閉環(huán)控制。伺服系統(tǒng)中指令執(zhí)行過程實(shí)質(zhì)也是數(shù)據(jù)密化工作。閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)都采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法，它能滿足控制速度和精度的要求。數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法很多，如直線函數(shù)法、擴(kuò)展數(shù)字積分法、二階歸算法等。但都基于時間分割的思想。4.4.2基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)

1．逐點(diǎn)比較法

1)插補(bǔ)原理及特點(diǎn)

逐點(diǎn)比較法是我國早期數(shù)控機(jī)床中廣泛采用的一種方法，又稱為代數(shù)運(yùn)算法或醉步法，其基本原理是每次僅向一個坐標(biāo)軸輸出一個進(jìn)給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，判斷偏差點(diǎn)的瞬時坐標(biāo)同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向。每個插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差函數(shù)計算和終點(diǎn)判別四個步驟組成。逐點(diǎn)比較法可進(jìn)行直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)，也可用于其他曲線的插補(bǔ)，其特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差不大于一個脈沖當(dāng)量，脈沖輸出均勻，調(diào)節(jié)方便。

2)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)

圖4-22逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)

(1)偏差函數(shù)構(gòu)造。直線插補(bǔ)時，通常將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在直線起點(diǎn)上。對于第一象限直線OA，如圖4-22所示，其方程可表示為

改寫為

若刀具加工點(diǎn)為Pi(Xi，Yi)，則該點(diǎn)的偏差函數(shù)Fi可表示為

(4-1)

若Fi＝0，表示加工點(diǎn)位于直線上；若Fi＞0，表示加工點(diǎn)位于直線上方；

若Fi＜0，表示加工點(diǎn)位于直線下方。

(2)偏差函數(shù)的遞推計算。為了簡化式(4-1)的計算，通常采用偏差函數(shù)的遞推式(迭代式)。

若Ｆi≥0，規(guī)定向＋X方向走一步，若坐標(biāo)單位用脈沖當(dāng)量表示，則有

(4-2)

若Fi＜0，規(guī)定＋Y方向走一步，則有

(4-3)因此插補(bǔ)過程中用式(4-2)和式(4-3)代替式(4-1)進(jìn)行偏差計算，可使計算大為簡化。

(3)終點(diǎn)判別。直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別可采用以下三種方法:

①判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)，即N＝Xe＋Ye。

②分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。

③僅判斷進(jìn)給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。

(4)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)舉例。對于第一象限直線OA，終點(diǎn)坐標(biāo)Xe＝6，Ye＝4，其插補(bǔ)運(yùn)算過程如表4-4所示，插補(bǔ)軌跡如圖4-23所示。插補(bǔ)從直線起點(diǎn)O開始，故F0＝0。終點(diǎn)判別是判斷進(jìn)給總步數(shù)N＝6＋4＝10，將其存入終點(diǎn)判別計數(shù)器中，每進(jìn)給一步減1，若N＝0，則停止插補(bǔ)。

圖4-23逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)軌跡表4-4逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)過程

3)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)

(1)偏差函數(shù)構(gòu)造。若加工半徑為R的圓弧AB，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在圓心上，如圖4-24所示。對于任意加工點(diǎn)Pi(Xi，Yi)，其偏差函數(shù)Fi可表示為

(4-4)

顯然，若Fi＝0，則表示加工點(diǎn)位于圓上；若Fi＞0，則表示加工點(diǎn)位于圓外；若Fi＜0，則表示加工點(diǎn)位于圓內(nèi)。

圖4-24逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)

(2)偏差函數(shù)的遞推計算。為了簡化式(4-4-)的計算，需采用其遞推式(或迭代式)。圓弧加工可分為順時針加工或逆時針加工，與此相對應(yīng)的便有逆圓插補(bǔ)和順圓插補(bǔ)兩種方式，

下面就第一象限圓弧，對其遞推式公式加以推導(dǎo)。①逆圓插補(bǔ)。若Fi≥0，規(guī)定向－X方向走一步，則有

(4-5)

若Fi＜0，規(guī)定向＋Y方向走一步，則有

(4-6)

②順圓插補(bǔ)。若Fi≥0，規(guī)定向－Y方向走一步，則有

(4-7)

若Fi＜0，規(guī)定向＋X方向走一步，則有

(4-8)

(3)終點(diǎn)判別。終點(diǎn)判別可采用與直線插補(bǔ)相同的方法:

①判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：N＝|XA－XB|＋|YA－YB|。

②分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)：Nx＝|XA－XB|，Ny＝|YA－YB|。

圖4-25逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)軌跡

(4)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)舉例。

對于第一象限圓弧AB，起點(diǎn)A(4，0)、終點(diǎn)B(0，4)，如圖4-25所示。要求采用逆圓插補(bǔ)方法，其運(yùn)算過程如表4-5所示，插補(bǔ)軌跡如圖4-26所示。表4-5逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)過程

4)逐點(diǎn)比較法的速度分析

刀具進(jìn)給速度是插補(bǔ)方法的重要性能指標(biāo)，也是選擇插補(bǔ)方法的重要依據(jù)。

(1)直線插補(bǔ)的速度分析。直線加工時，有

式中，L為直線長度，v為刀具進(jìn)給速度，N為插補(bǔ)循環(huán)數(shù)，f為插補(bǔ)脈沖的頻率。

(4-9)式中，α為直線與X軸的夾角。式(4-9)說明刀具進(jìn)給速度與插補(bǔ)時鐘頻率f和與X軸夾角α有關(guān)。若保持f不變，加工0°和90°傾角的直線時刀具進(jìn)給速度最大(為f)，加工4-5°傾角直線時速度最小(為0.707f)，如圖4-26所示。

(2)圓弧插補(bǔ)的速度分析。如圖4-27所示，P是圓弧AB上任意一點(diǎn)，cd是圓弧在P點(diǎn)的切線，切線與X軸夾角為α。

圖4-26逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)速度的變化圖4-27逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)速度分析顯然刀具在P點(diǎn)的速度可認(rèn)為與插補(bǔ)切線cd的速度基本相等。因此，由式(4-9)可知，加工圓弧時，刀具的進(jìn)給速度是變化的，除了與插補(bǔ)時鐘的頻率成正比外，還與切削點(diǎn)處的半徑同Y軸的夾角α有關(guān)，α在0°和90°附近進(jìn)給速度最快(為f)，在45°附近速度最慢(為0.707f)，進(jìn)給速度在(1～0.707)f間變化。

5)逐點(diǎn)比較法的象限處理

以上僅討論了第一象限的直線和圓弧插補(bǔ)，對于其他象限的直線和圓弧，可采取不同方法進(jìn)行處理。下面介紹其中的兩種。

(1)分別處理法。前面討論的插補(bǔ)原理與計算公式，僅適用與第一象限的情況。對于其他象限的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，可根據(jù)上面的分析方法，分別建立其偏差函數(shù)的計算公式。

這樣，對于四個象限的直線插補(bǔ)，會有四組計算公式，對于四個象限的逆時針圓弧插補(bǔ)和四個象限的順時針圓弧插補(bǔ)，會有八組計算公式，其刀具的偏差和進(jìn)給方向可用圖4-28簡單加以表示。

圖4-28圓弧與直線插補(bǔ)中刀具偏差與進(jìn)給方向簡圖

(2)坐標(biāo)變換法。通過對圖4-27進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)能通過坐標(biāo)變換減少偏差函數(shù)計算公式。若將原坐標(biāo)系OXY變換為O′X′Y′，且X＝|X′|

(4-10)

則可用第一象限的直線插補(bǔ)的偏差函數(shù)完成其余三個象限直線插補(bǔ)的偏差計算，用第一象限逆圓插補(bǔ)的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限逆圓和第二、四象限順圓插補(bǔ)的偏差計算，用第一象限順圓插補(bǔ)的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限順圓和第二、四象限逆圓插補(bǔ)的偏差計算。

2．?dāng)?shù)字積分法

1)插補(bǔ)原理及其特點(diǎn)

數(shù)字積