第三章數(shù)控系統(tǒng)控制原理及軟硬件結(jié)構(gòu)Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystemKeypoints:

1.插補(bǔ)的概念

2.逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法

3.DDA插補(bǔ)法4.數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)

5.CNC軟硬件特點(diǎn)5.iNC關(guān)鍵技術(shù)第三章數(shù)控系統(tǒng)控制原理及軟硬件結(jié)構(gòu)Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem一、插補(bǔ)的基本概念

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計(jì)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)有二層意思：一是用小線段逼近產(chǎn)生基本線型（如直線、圓弧等）；二是用基本線型擬和其它輪廓曲線。插補(bǔ)運(yùn)算具有實(shí)時(shí)性，直接影響刀具的運(yùn)動(dòng)。插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度是數(shù)控裝置的重要指標(biāo)。插補(bǔ)原理也叫軌跡控制原理。五坐標(biāo)插補(bǔ)加工仍是國(guó)外對(duì)我國(guó)封鎖的技術(shù)。下面以基本線型直線、圓弧生成為例，論述插補(bǔ)原理。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem1、插補(bǔ)方法的分類

完成插補(bǔ)運(yùn)算的裝置或程序稱為插補(bǔ)器,硬件插補(bǔ)器,軟件插補(bǔ)器,軟硬件結(jié)合插補(bǔ)器.

1）基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)每次插補(bǔ)結(jié)束僅向各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸輸出一個(gè)控制脈沖，各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)的速度，而脈沖的數(shù)量代表運(yùn)動(dòng)位移的大小。基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)的方法很多，如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、脈沖乘法器等。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)

采用時(shí)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(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給直線段（又稱輪廓步長(zhǎng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)密化，以此來(lái)逼近輪廓曲線。然后再將輪廓步長(zhǎng)分解為各個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量（一個(gè)插補(bǔ)周期的近給量），作為指令發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置按伺服檢測(cè)采樣周期采集實(shí)際位移，并反饋給插補(bǔ)器與指令比較，有誤差運(yùn)動(dòng)，誤差為零停止，從而完成閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法有：直線函數(shù)法、擴(kuò)展DDA、二階遞歸算法等。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem二、逐點(diǎn)比較法早期數(shù)控機(jī)床廣泛采用的方法，又稱代數(shù)法、醉步伐，適用于開環(huán)系。1.插補(bǔ)原理及特點(diǎn)原理：每次僅向一個(gè)坐標(biāo)軸輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，而每走一步都要通過(guò)偏差函數(shù)計(jì)算，判斷偏差點(diǎn)的瞬時(shí)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(gè)插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟組成。逐點(diǎn)比較法可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及其它曲線插補(bǔ)。特點(diǎn)：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差不大于一個(gè)脈沖當(dāng)量，脈沖輸出均勻，調(diào)節(jié)方便。

第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem原理：每次僅向一個(gè)坐標(biāo)軸輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，而每走一步都要通過(guò)偏差函數(shù)計(jì)算，判斷偏差點(diǎn)的瞬時(shí)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(gè)插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟組成。2.逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（1）偏差函數(shù)構(gòu)造

對(duì)于第一象限直線OP上任一點(diǎn)(X,Y):X/Y=Xe/Ye

若刀具加工點(diǎn)為Mi（Xi，Yi），則該點(diǎn)的偏差函數(shù)Fi可表示為若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)字的遞推計(jì)算采用偏差函數(shù)的遞推式（迭代式）既由前一點(diǎn)計(jì)算后一點(diǎn)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

Fi

=YiXe-XiYe若Fi>=0，規(guī)定向+X

方向走一步

Xi+1=Xi+1Fi+1=XeYi

–Ye(Xi

+1)=Fi–Ye若Fi<0，規(guī)定+Y方向走一步，則有

Yi+1=Yi+1Fi+1=Xe(Yi+1)-YeXi=Fi+Xe（3）終點(diǎn)判別直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別可采用三種方法。1）判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：；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)。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem4）逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)舉例對(duì)于第一象限直線OA，終點(diǎn)坐標(biāo)Xe=6,Ye=4，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(jì)數(shù)器中，每進(jìn)給一步減1，若N=0，則停止插補(bǔ)。

OA98754321610YX第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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步數(shù)判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別0

F0=0∑=101F=0+XF1=F0-ye=0-4=-4∑=10-1=92F<0+YF2=F1+xe=-4+6=2∑=9-1=83F>0+XF3=F2-ye=2-4=-2∑=8-1=74F<0+YF4=F3+xe=-2+6=4∑=7-1=65F>0+XF5=F4-ye=4-4=0∑=6-1=56F=0+XF6=F5-ye=0-4=-4∑=5-1=47F<0+YF7=F6+xe=-4+6=2∑=4-1=38F>0+XF8=F7-ye=2-4=-2∑=3-1=29F<0+YF9=F8+xe=-2+6=4∑=2-1=110F>0+XF10=F9-ye=4-4=0∑=1-1=0第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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3.逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)（1）偏差函數(shù)任意加工點(diǎn)Pi（Xi，Yi），偏差函數(shù)Fi可表示為:若Fi=0，表示加工點(diǎn)位于圓上；若Fi>0，表示加工點(diǎn)位于圓外；若Fi<0，表示加工點(diǎn)位于圓內(nèi)

XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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2）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算1）逆圓插補(bǔ)若Fi≥0，規(guī)定向-X方向走一步若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步2）順圓插補(bǔ)若Fi≥0，規(guī)定向-Y方向走一步若Fi<0，規(guī)定向+y方向走一步（3）終點(diǎn)判別

1）判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：

2）分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)；第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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（4）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)舉例對(duì)于第一象限圓弧AB，起點(diǎn)A（4，0），終點(diǎn)B（0，4）ABYX44第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給

偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)

F0=0x0=4,y0=0Σ=4+4=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=0-2*4+1=-7x1=4-1=3y1=0Σ=8-1=72F1<0+yF2=F1+2y1+1=-7+2*0+1=-6x2=3y2=y1+1=1Σ=7-1=63F2<0+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=2Σ=54F3<0+yF4=F3+2y3+1=2x4=3,y4=3Σ=45F4>0-xF5=F4-2x4+1=-3x5=2,y5=3Σ=36F5<0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,y6=4Σ=27F6>0-xF7=F6-2x6+1=1x7=1,y7=4Σ=18F7>0-xF8=F7-2x7+1=0x8=0,y8=4Σ=0第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem4.逐點(diǎn)比較法的速度分析

式中：L—直線長(zhǎng)度；

V—刀具進(jìn)給速度；N—插補(bǔ)循環(huán)數(shù)；

f—插補(bǔ)脈沖的頻率。所以：刀具進(jìn)給速度與插補(bǔ)時(shí)鐘頻率f和與X軸夾角有關(guān)

第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem5.逐點(diǎn)比較法的象限處理（1）分別處理法四個(gè)象限的直線插補(bǔ)，會(huì)有4組計(jì)算公式，對(duì)于4個(gè)象限的逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)和4個(gè)象限的順時(shí)針圓弧插補(bǔ)，會(huì)有8組計(jì)算公式（2）坐標(biāo)變換法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(jì)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(jì)算。順圓逆圓第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem三、數(shù)字積分法

用數(shù)字積分的方法計(jì)算刀具沿各坐標(biāo)軸的位移，數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析（DDA）法.1.DDA直線插補(bǔ)

（1）原理：積分的過(guò)程可以用微小量的累加近似：

由右圖所示:

則X、Y方向的位移（積分形式）第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem其中，m為累加次數(shù)（容量）取為整數(shù)，m=0?2N-1，共2N

次(N為累加器位數(shù))。令△t=1,mK=1，則K=1/m=1/2N。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem（2）結(jié)論：直線插補(bǔ)從始點(diǎn)走向終點(diǎn)的過(guò)程，可以看作是各坐標(biāo)軸每經(jīng)過(guò)一個(gè)單位時(shí)間間隔，分別以增量kxe（xe/

2N

）及k（ye/

2N

）同時(shí)累加的過(guò)程。累加的結(jié)果為：DDA直線插補(bǔ)：以Xe/2N

、ye/2N

（二進(jìn)制小數(shù)，形式上即Xe、ye）作為被積函數(shù)，同時(shí)進(jìn)行積分（累加），N為累加器的位數(shù)，當(dāng)累加值大于2N-1時(shí)，便發(fā)生溢出，而余數(shù)仍存放在累加器中。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem積分值=溢出脈沖數(shù)代表的值+余數(shù)

當(dāng)兩個(gè)積分累加器根據(jù)插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖同步累加時(shí)，用這些溢出脈沖數(shù)（最終X坐標(biāo)Xe個(gè)脈沖、Y坐標(biāo)ye個(gè)脈沖）分別控制相應(yīng)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，加工出要求的直線。（3）終點(diǎn)判別

累加次數(shù)、即插補(bǔ)循環(huán)數(shù)是否等于2N可作為DDA法直線插補(bǔ)判別終點(diǎn)的依據(jù)。（4）組成：二坐標(biāo)DDA直線插補(bǔ)器包括X積分器和Y積分器，每個(gè)積分器都由被積函數(shù)寄存器JVX（速度寄器）和累加器JRX（余數(shù)寄存器）組成。初始時(shí)，X被積函數(shù)寄存器存Xe，Y被積函數(shù)寄存器存ye。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

數(shù)字積分插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)在硬件的插補(bǔ)過(guò)程中，被積函數(shù)寄存器（存放程序段的原始信息）里的內(nèi)容不斷的與累加寄存器里的內(nèi)容相加然后在存入到累加寄存器里，把累加寄存器的每一次進(jìn)位當(dāng)作進(jìn)給脈沖控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。置初值XeYe累加次數(shù)M累加器清零累加運(yùn)算X方向有溢出Y方向有溢出X方向進(jìn)給Y方向進(jìn)給累加次數(shù)M減1到終點(diǎn)嗎結(jié)束第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2.DDA法直線插補(bǔ)舉例插補(bǔ)第一象限直線OA，起點(diǎn)為O（0，0），終點(diǎn)為A（5，3）。取被積函數(shù)寄存器分別為JVX、JVY，余數(shù)寄存器分別為JRX、JRY，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器為JE，均為三位二進(jìn)制寄存器。

A(5,3)XY第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem累加次數(shù)

X積分器

Y積分器

終點(diǎn)計(jì)數(shù)器JE

備注

JVX(Xe)JRX溢出

Jvy(Ye)JRy溢出0101000011000000初始狀態(tài)1101101011011001第一次迭代21010101011110010X溢出31011110110011011Y溢出41011001011100100X溢出51010011011111101X溢出61011100110101110Y溢出71010111011101111X溢出810100010110001000X,Y溢出第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem3.DDA法圓弧插補(bǔ)DDA法圓弧插補(bǔ)的積分表達(dá)式 由

令 則VVyVxPABRXYO第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem圓弧插補(bǔ)時(shí)，是對(duì)切削點(diǎn)的即時(shí)坐標(biāo)Xi與Yi的數(shù)值分別進(jìn)行累加

(2)其特點(diǎn)是：1)各累加器的初始值為零，各寄存器為起點(diǎn)坐標(biāo)值；2)X被寄函數(shù)積存器存Yi,Y被寄函數(shù)積存器存Xi，為動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)；3)Xi、

Yi在積分過(guò)程中，產(chǎn)生進(jìn)給脈沖△X、△Y時(shí)，要對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行加1或減1的修改；4)DDA圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別要有二個(gè)計(jì)數(shù)器，哪個(gè)坐標(biāo)終點(diǎn)到了，哪個(gè)坐標(biāo)停止積分迭代；5)與DDA直線插補(bǔ)一樣，JVX、JVY中的值影響插補(bǔ)速度。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem次序X積分器X終Y積分器Y終注(Yi)(Xi)000000001011010000101初始100000001011011010101200000100001011010101100修正Yi300100101011011110100400101001001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001011000111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000110111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000結(jié)束

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystemA.X,Y方向各需要一個(gè)積分器B.X積分器的組成:1個(gè)累加器∑X.1個(gè)存放動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的寄存器JVX，該寄存器的內(nèi)容隨著動(dòng)點(diǎn)的移動(dòng)要不斷的修改，寄存器的初值是圓弧的起點(diǎn)Y坐標(biāo)值。C.∑X有進(jìn)給脈沖產(chǎn)生的時(shí)候，同時(shí)修改JVY里面的內(nèi)容。圓弧插補(bǔ)數(shù)字積分器設(shè)計(jì)∑X∑YJVX(Y)JVY(X)△X△Y△t-+第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem四、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)

又稱時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)或數(shù)字增量插補(bǔ)。這類插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是數(shù)控裝置產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖，而是數(shù)字量。插補(bǔ)程序每調(diào)用一次，算出坐標(biāo)軸在一個(gè)周期中的增長(zhǎng)段，得到坐標(biāo)軸相應(yīng)的指令位置，與通過(guò)位置采樣所獲得的坐標(biāo)軸的現(xiàn)時(shí)的實(shí)際位置（數(shù)字量）相比較,求得跟隨誤差。位置伺服軟件將根據(jù)當(dāng)前的跟隨誤差算出適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)軸進(jìn)給速度指令，輸出給驅(qū)動(dòng)裝置。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)用小段直線來(lái)逼近給定軌跡，插補(bǔ)輸出的是下一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)各軸要運(yùn)動(dòng)的距離，不需要每走一步脈沖當(dāng)量插補(bǔ)一次，從而達(dá)到很高的進(jìn)給速度。插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成。第三節(jié)數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

1、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)的基本原理

數(shù)據(jù)采樣法實(shí)質(zhì)上就是用一系列首尾相連的微小直線段來(lái)逼近給定的曲線。由于這些線段是按加工時(shí)間進(jìn)行分割的，所以，也稱為“時(shí)間分割法”。一般分割后得到的小線段相對(duì)于系統(tǒng)精度來(lái)講仍是比較大的。為此，必須進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的密化工作。微小直線段的分割過(guò)程也稱為粗插補(bǔ)，而后續(xù)進(jìn)一步的密化過(guò)程稱為精插補(bǔ)。通過(guò)兩者的緊密配合即可實(shí)現(xiàn)高性能的輪廓插補(bǔ)。

第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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第二步為精插補(bǔ)，它是在粗插補(bǔ)算出的每一微小直線上再作“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作，相當(dāng)于對(duì)直線的脈沖增量插補(bǔ)。XOYPiPi+1△L=FT第一步為粗插補(bǔ)，它是在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線之間插入若干個(gè)點(diǎn)，即用若干條微小直線段來(lái)擬合給定曲線，每一微小直線段的長(zhǎng)度△L都相等，且與給定進(jìn)給速度有關(guān)。微小直線段的長(zhǎng)度與進(jìn)給速度F和插補(bǔ)T周期有關(guān)，即△L＝FT。P1XOYP0Pn△L=FT第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2.插補(bǔ)周期和檢測(cè)采樣周期

插補(bǔ)周期大于插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間與完成其它實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)間之和，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般為2-4ms，有的已達(dá)到零點(diǎn)幾毫秒。插補(bǔ)周期應(yīng)是位置反饋檢測(cè)采樣周期的整數(shù)倍。3.插補(bǔ)精度分析

直線插補(bǔ)時(shí)，輪廓步長(zhǎng)與被加工直線重合，沒(méi)有插補(bǔ)誤差。圓弧插補(bǔ)時(shí)，輪廓步長(zhǎng)作為弦線或割線對(duì)圓弧進(jìn)行逼近，存在半徑誤差。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem用弦線逼近圓弧，其最大徑向誤差er為：

式中:R—被插補(bǔ)圓弧半徑（mm）；—角步距，在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)逼近弦所對(duì)應(yīng)的圓心角。將上式中的用冪級(jí)數(shù)展開，得:4、插補(bǔ)周期T與精度δ、速度F的關(guān)系:

ORYXerδ

圓弧插補(bǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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設(shè)T為插補(bǔ)周期，F(xiàn)為進(jìn)給速度，則輪廓步長(zhǎng)為

用輪廓步長(zhǎng)代替弦長(zhǎng)，有

有：

可見，圓弧插補(bǔ)過(guò)程中，用弦線逼近圓弧時(shí)，插補(bǔ)誤差er與程編進(jìn)給速度F的平方、插補(bǔ)周期T的平方成正比，與圓弧半徑R成反比。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem5、插補(bǔ)周期T與插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間Ts的關(guān)系:

一旦系統(tǒng)各種線形的插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)完畢，那么插補(bǔ)運(yùn)算的最長(zhǎng)時(shí)間Tsmax就確定了。顯然要求：

Tsmax<T

在采用分時(shí)共享的CNC系統(tǒng)中，Tsmax<T/2

這是因?yàn)橄到y(tǒng)除進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算外，CPU還要執(zhí)行諸如位置控制、顯示等其他任務(wù)。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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由于插補(bǔ)運(yùn)算的輸出是位置控制的輸入，因此插補(bǔ)周期最好是位置控制周期的整數(shù)倍。例如，F(xiàn)ANUC7M系統(tǒng)的插補(bǔ)周期是8ms，而位置控制周期是4ms。插補(bǔ)周期T與位置控制周期ΔTP的關(guān)系：

T=nΔTP

n=0，1，……第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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設(shè)要加工右圖所示直線OE，起點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)O，終點(diǎn)為E（Xe,Ye），直線與X軸夾角為，則有：6.直線插補(bǔ)

若已計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)，從而求得本次插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸進(jìn)給量為：Y

E(Xe，Ye）ΔYiX

OαΔXi直線插補(bǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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圓弧插補(bǔ)，需先根據(jù)指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)l，再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。以弦線逼近圓弧，就是以輪廓步長(zhǎng)為圓弧上相鄰兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)，由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和輪廓步長(zhǎng)，計(jì)算后一插補(bǔ)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是求后一插補(bǔ)點(diǎn)到前一插補(bǔ)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量ΔX、ΔY。7.圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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如右圖所示，A(Xi,Yi)為當(dāng)前點(diǎn)，B(Xi+1,Yi+1）為插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)，圖中AB弦正是圓弧插補(bǔ)時(shí)在一個(gè)插補(bǔ)周期的步長(zhǎng)l，需計(jì)算x軸和y軸的進(jìn)給量ΔX=Xi+1-Xi

，ΔY=Yi+1-Yi。AP是A點(diǎn)的切線，M是弦的中點(diǎn)，OM⊥AB，ME⊥AG，E為AG的中點(diǎn)。圓心角計(jì)算如下:

圓弧插補(bǔ)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem因?yàn)镺A垂直于AP(AP為圓弧切線)所以△AOC∽△PAG則∠AOC＝∠GAP＝因?yàn)椤螾AB+∠OAM=900所以∠PAB＝∠AOM=∠AOB＝設(shè)＝∠GAB＝∠GAP＋∠PAB＝△MOD中

將DH=Xi，OC＝Y(jié)i，HM＝，

CD＝代入上式，則有：

第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem又因?yàn)椋河纱丝梢酝瞥觯旱年P(guān)系式：上式反映了圓弧上任意相鄰兩插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，只要求得和，就可以計(jì)算出新的插補(bǔ)點(diǎn)第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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上式中，和均為未知，求解較困難。為此，采用近似算法，用和來(lái)代替，即

′與不同，從而造成了的偏差，在處偏差較大。如圖所示，由于角成為′，因而影響到值，使之為′：為保證下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)仍在圓弧上，′的計(jì)算應(yīng)按下式進(jìn)行第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem經(jīng)展開整理得由上式可用迭代法解出采用近似算法可保證每次插補(bǔ)點(diǎn)均在圓弧上，引起的偏差僅是：。這種算法僅造成每次插補(bǔ)進(jìn)給量的微小變化，而使進(jìn)給速度有偏差，實(shí)際進(jìn)給速度的變化小于指令進(jìn)給速度的1％，在加工中是允許的。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem近似處理引起的進(jìn)給速度偏差ΔX

ΔX′A

O

B

S

T

F

ΔY′

ΔY

Y

X

α

α′

第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

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直線函數(shù)法，用弦線逼近圓弧，因此插補(bǔ)誤差主要為半徑的絕對(duì)誤差。因插補(bǔ)周期是固定的，該誤差取決于進(jìn)給速度和圓弧半徑，當(dāng)加工的圓弧半徑確定后，為了使徑向絕對(duì)誤差不超過(guò)允許值，對(duì)進(jìn)給速度要有一個(gè)限制。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem課后練習(xí)1.用積分法插補(bǔ)順園（1象限）,起點(diǎn)A(3,4),終點(diǎn)B（5，0）設(shè)置寄存器長(zhǎng)度(3位二進(jìn)制)，計(jì)算插補(bǔ)過(guò)程并繪出插補(bǔ)軌跡。2.題目如上所示,第一象限,從B到A,設(shè)置寄存器長(zhǎng)度(4位二進(jìn)制),計(jì)算插補(bǔ)過(guò)程并繪出插補(bǔ)軌跡.3.用積分法插補(bǔ)直線,起點(diǎn)(0,0),終點(diǎn)為(5,4),寄存器的位數(shù)為四位二進(jìn)制,計(jì)算插補(bǔ)過(guò)程并繪出插補(bǔ)軌跡。畫數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)的硬件框圖，并解釋插補(bǔ)工作過(guò)程。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)—插補(bǔ)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem一、CNC系統(tǒng)的組成

從自動(dòng)控制的角度來(lái)看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量、速度為控制對(duì)象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從外部特征來(lái)看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystemCNC系統(tǒng)平臺(tái)硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測(cè)量機(jī)

......第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

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1、硬件結(jié)構(gòu):CPU，存儲(chǔ)器，總線、外設(shè)等。

2、軟件結(jié)構(gòu)：是一種用于零件加工的、實(shí)時(shí)控制的、特殊的（或稱專用的）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

系

統(tǒng)初始化系統(tǒng)控制軟件程序管理編輯存儲(chǔ)錄放管理軟件控制軟件輸入程序輸出程序顯示程序診斷程序譯碼程序補(bǔ)償計(jì)算速度控制插補(bǔ)程序位控程序CNC軟件的構(gòu)成

第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem3、工作原理

通過(guò)各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個(gè)坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)。并進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。

簡(jiǎn)要工作過(guò)程：

1）輸入：輸入內(nèi)容——零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式——穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入，通訊接口輸入及連接上級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2）譯碼：以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。

4）插補(bǔ)：插補(bǔ)的任務(wù)是通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號(hào)輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。

第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem4.數(shù)控裝置的主要功能（1）控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)（2）準(zhǔn)備功能（G功能）（3）插補(bǔ)功能（4）主軸速度功能：主軸轉(zhuǎn)速的編碼方式、恒定線速度、主軸定向準(zhǔn)（5）進(jìn)給功能（F）

1）切削進(jìn)給速度2)同步進(jìn)給速度3）快速進(jìn)給速度4）進(jìn)給倍率。（6）補(bǔ)償功能

1）刀具長(zhǎng)度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償2）工藝量的補(bǔ)償（7）固定循環(huán)加工功能

第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem（8）輔助功能（M代碼）（9）字符圖形顯示功能（10）程序編制功能：手工編程、在線編程、自動(dòng)編程（11）輸入、輸出和通訊功能（12）自診斷功能2.CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

1）靈活性大

2）通用性強(qiáng)

3）可靠性高

4）可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能

5）使用維修方便

6）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem二、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控裝置、輸入/輸出裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)床電器邏輯控制裝置等組成，這四部分之間通過(guò)I/O等接口互連。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其軟件和硬件來(lái)控制各種數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)

按CNC裝置中微處理器的個(gè)數(shù)可以分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)。

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem1、單微處理器結(jié)構(gòu)在數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展初期出現(xiàn)CNC與現(xiàn)在的一些簡(jiǎn)易型或經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控系統(tǒng)均采用單微處理器硬件結(jié)構(gòu)。單微處理器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。在圖中我們可以看出該結(jié)構(gòu)具有一個(gè)微處理器控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，其它部件只能作從屬部件，它不能控制總線與訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem單微處理器結(jié)構(gòu)的工作方式：各任務(wù)集中控制分時(shí)處理。

1）單微處理器的組成

單微處理器結(jié)構(gòu)由微處理器單元、存儲(chǔ)器總線、外設(shè)、輸入/輸出接口電路組成。2）各部分的功能（1）微處理器：CPU微處理器CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它主要由運(yùn)算器和控制器二大部分組成，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)的運(yùn)算與管理，完成對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯控制及系統(tǒng)的操作控制。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖CPUEPROMRAM鍵盤接口鍵盤CRT接口CRT顯示器數(shù)據(jù)輸入接口數(shù)據(jù)輸出接口機(jī)床強(qiáng)電柜位置控制單元接口速度控制單元電機(jī)速度檢測(cè)單元位置檢測(cè)單元(2)存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是存放數(shù)控系統(tǒng)程序、中間數(shù)據(jù)、機(jī)床號(hào)數(shù)、零件加工程序的重要部件。存儲(chǔ)器一般分為內(nèi)部存儲(chǔ)器與外部存儲(chǔ)器，內(nèi)部存儲(chǔ)器一般位于主機(jī)內(nèi)部與CPU直接聯(lián)系，存取速度高，但存儲(chǔ)量小。外部存儲(chǔ)器都放在主機(jī)外面，一般只同內(nèi)部存儲(chǔ)器交換信息。內(nèi)部存儲(chǔ)器一般分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（ROM，RAM，EPROM），磁泡存儲(chǔ)器。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem一般來(lái)說(shuō)控制程序存放在EPROM中，運(yùn)算中間結(jié)果存放在RAM中，加工零件程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)存在帶后備電池的CMOSRAM或磁泡存儲(chǔ)器中。(3)外設(shè)

單微處理器數(shù)控系統(tǒng)外設(shè)分為輸入設(shè)備與輸出設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)，輸入設(shè)備有：磁帶機(jī)、磁盤、光盤、數(shù)控內(nèi)置通訊口（如RS232，RS485等）、鍵盤、機(jī)床面板等。

輸出設(shè)備有：顯示器CRT或LCD、LED、打印機(jī)、磁帶機(jī)，讀/寫磁盤，讀/寫光盤，伺服控制信號(hào)、指示信號(hào)面板等。所有的輸入/輸出設(shè)備的實(shí)現(xiàn)均由相應(yīng)接口來(lái)完成。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2、多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)是指在CNC系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲(chǔ)器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨(dú)立執(zhí)行程序，它與單CPU結(jié)構(gòu)相比，提高了計(jì)算機(jī)的處理速度。多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊間有明確的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口,設(shè)計(jì)制造周期短，適應(yīng)性和擴(kuò)展性好，結(jié)構(gòu)緊湊。下面介紹一下多CPUCNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和多CPUCNC系統(tǒng)基本功能模塊第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem（1）共享總線結(jié)構(gòu)共享總線的結(jié)構(gòu)的典型案例是FANUC15系統(tǒng)，在這種結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，只有主模塊有權(quán)控制系統(tǒng)總線，且在某一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊占有總線，如有多個(gè)主模塊同時(shí)請(qǐng)求使用總線會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)總線問(wèn)題。共享總線結(jié)構(gòu)的各模塊之間的通信，主要依靠存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，采用公共存儲(chǔ)器的方式。公共存儲(chǔ)器直接插在系統(tǒng)總線上，有總線使用權(quán)的主模塊都能訪問(wèn)，可供任意兩個(gè)主模塊交換信息，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。1）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

（共享總線和共享存儲(chǔ)器）第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem1）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem（2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)典型案例GE公司的MTCI數(shù)控系統(tǒng)。在該結(jié)構(gòu)中，采用多端口存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)各CPU之間的互連和通信，每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問(wèn)，由多端控制邏輯電路解決訪問(wèn)沖突，如圖所示。系統(tǒng)擁有3個(gè)CPU，其中中央處理器負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)程序的編輯、G代碼解釋、刀具管理和機(jī)床參數(shù)，顯示CPU把中央CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到HMI單元進(jìn)行顯示，同時(shí)包含外部狀態(tài)的監(jiān)控和管理。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem共享存儲(chǔ)器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖插補(bǔ)CPU主要負(fù)責(zé)對(duì)譯碼后運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、I/O控制和通過(guò)RS232與外部串行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)接收外部位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2）多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)基本功能模塊(1)管理模塊。該模塊是管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等。(2)插補(bǔ)模塊。該模塊用于在完成插補(bǔ)前，進(jìn)行零件程序的譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算、進(jìn)給速度處理等預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并給定各坐標(biāo)軸的位置值。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem(3)位置控制模塊。對(duì)坐標(biāo)位置給定值與由位置檢測(cè)裝置測(cè)到的實(shí)際位置值進(jìn)行比較并獲得差值，進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、對(duì)伺服系統(tǒng)滯后量進(jìn)行監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓(或速度的數(shù)字量)，去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem(4)PLC模塊。零件程序的開關(guān)量(S、M、T)和機(jī)床面板來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣設(shè)備的啟、?？刂疲毒呓粨Q，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。(5)命令與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊。指零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)，各種操作指令的輸入/輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。(6)存儲(chǔ)器模塊。指程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

以PC操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CNC，從功能實(shí)現(xiàn)方式上可以分為基于運(yùn)動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)和基于PC的全軟件的數(shù)控系統(tǒng)。按軟件來(lái)分可以分為集中式和分布式數(shù)控系統(tǒng)。（下面我們來(lái)介紹一下集中式和分布式數(shù)控系統(tǒng)）3、PC操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)CNC硬件結(jié)構(gòu)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem1)集中式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

集中式數(shù)控系統(tǒng)其典型的結(jié)構(gòu)一般由內(nèi)核運(yùn)動(dòng)控制功能、人機(jī)交互（HMI）功能和PLC功能。G代碼的解釋、插補(bǔ)、位置控制、加減速控制、補(bǔ)償控制等均有內(nèi)核運(yùn)動(dòng)控制功能完成。操作、編輯程序與外部的系統(tǒng)通信和機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)控均有HMI完成。機(jī)床更換刀具、主軸控制、I/O點(diǎn)等均有PLC控制。這種系統(tǒng)，伺服模塊只負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、以模擬量的方式輸入電機(jī)，所有的運(yùn)動(dòng)控制均有CNC系統(tǒng)完成。硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem集中式控制數(shù)控系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2）分布式控制數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

分布式數(shù)控系統(tǒng)是為了改進(jìn)集中式數(shù)控系統(tǒng)軸數(shù)不能擴(kuò)展的缺點(diǎn)。在分布式數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)只負(fù)責(zé)譯碼與插補(bǔ)，位置、速度、電流等控制功能都由伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)總線傳輸，從而更容易實(shí)現(xiàn)高速高精度，多軸多通道的運(yùn)動(dòng)控制。分布式數(shù)控系統(tǒng)還包括邊緣計(jì)算模塊、霧計(jì)算模塊等，通過(guò)網(wǎng)口/USB/藍(lán)牙的方式與數(shù)控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交互。其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem分布式控制數(shù)控系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem4、智能數(shù)控系統(tǒng)（iNC）硬件結(jié)構(gòu)iNC系統(tǒng)具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化的特征，具備自主感知、自學(xué)習(xí)、自決策和自執(zhí)行的能力，由于強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互連功能，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)床云端與移動(dòng)端的監(jiān)管等管理功能。從功能角度來(lái)看，iNC系統(tǒng)具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和平臺(tái)化三大特征。

智能數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字化指的是通過(guò)數(shù)控機(jī)床的傳感器系統(tǒng)對(duì)機(jī)床整體狀態(tài)的感知，通過(guò)融合計(jì)算，建立物理空間機(jī)床與Cyber空間數(shù)字機(jī)床的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、機(jī)床狀態(tài)的預(yù)測(cè)、機(jī)床故障的識(shí)別。

第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

智能數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化有二部分的含義，包括機(jī)床內(nèi)部的通訊的網(wǎng)絡(luò)化和機(jī)床與機(jī)床之間、機(jī)床與控制中心之間的通訊的網(wǎng)絡(luò)化。智能數(shù)控系統(tǒng)的平臺(tái)化指的是系統(tǒng)提供的硬件與軟件平臺(tái)。硬件平臺(tái)包括數(shù)控裝置、智能計(jì)算模塊等，軟件平臺(tái)包括遠(yuǎn)程控制、數(shù)控裝置、智能算法、移動(dòng)終端二次開發(fā)模塊；大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、管理和用戶應(yīng)用軟件（APP）的運(yùn)行環(huán)境。智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem智能數(shù)控系統(tǒng)（iNC）的體系結(jié)構(gòu)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem5、開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)開放式系統(tǒng)包含三種結(jié)構(gòu)類型：

PC嵌入NC型（NC+PC）：這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為NC+PC主板，即把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC控制器中。CNC控制器完成插補(bǔ)、位置控制、PLC時(shí)序邏輯控制等實(shí)時(shí)控制任務(wù)。PC板完成一些非實(shí)時(shí)控制的任務(wù)如網(wǎng)絡(luò)通訊等，作為用戶與控制器的人機(jī)接口平臺(tái)，利用PC板可以享用到PC機(jī)豐富的軟件資源。典型系統(tǒng)有FANUC18i、16i系統(tǒng)、SIEMENS840系統(tǒng)等.第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystemPC+運(yùn)動(dòng)控制卡型：將數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制卡可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ISA接口PCI接口插入到PC機(jī)的主板上。運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力，它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用，用以完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和時(shí)序邏輯控制。典型的數(shù)控系統(tǒng)有美國(guó)的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)和日本的MAZATROL640數(shù)控系統(tǒng)。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem全軟件型開放式系統(tǒng)：該數(shù)控系統(tǒng)是一種最新的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它的CNC軟件全部裝在PC機(jī)中，而硬件部分僅僅是PC機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)外部I/O之間的接口板卡。在這種數(shù)控系統(tǒng)中，PC機(jī)不僅能夠完成文件管理、人機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信等非實(shí)時(shí)任務(wù)，同時(shí)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的管理下，還可以以軟件控制的方式完成插補(bǔ)運(yùn)算、伺服進(jìn)給控制以及PLC控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)。典型的數(shù)控系統(tǒng)有：美國(guó)MDSI公司的OpenCNC、德國(guó)PowerAutomation公司的PA800NT等。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem典型的開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡。參考結(jié)構(gòu)如下圖所示PC+運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成硬件平臺(tái)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem6、可重構(gòu)智能數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了提升系統(tǒng)的平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重構(gòu)，硬件平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

（1）可重構(gòu)硬件平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)車間網(wǎng)絡(luò)層下圖所示，車間網(wǎng)絡(luò)層由遠(yuǎn)端服務(wù)器、數(shù)控系統(tǒng)和云平臺(tái)等組成。數(shù)控系統(tǒng)之間可通過(guò)MTconnect、NClink等進(jìn)行互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)管理功能、二次開發(fā)、智能調(diào)試，遠(yuǎn)端服務(wù)器與各數(shù)控系統(tǒng)相連，可以實(shí)現(xiàn)云端管理功能，云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作與控制等功能。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

控制層控制層有多個(gè)控制系統(tǒng)組成，每個(gè)控制系統(tǒng)由控制單元（NCU）、人機(jī)接口單元（HMU）和信息終端單元構(gòu)成。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部采用現(xiàn)場(chǎng)總線（如EtherCAT、NCUC-Bus等）連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線將驅(qū)動(dòng)器、I/O、

單智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)控系統(tǒng)中。信息的傳輸通過(guò)以太網(wǎng)或?qū)Ｓ们д滓蕴W(wǎng)（RGMII）總線實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)通信。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem設(shè)備層

設(shè)備層可重構(gòu)硬件平臺(tái)的底層，包含驅(qū)動(dòng)器、I/O、傳感器介入網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。機(jī)床的感知能力很大程度上是傳感器的大量應(yīng)用。由于驅(qū)動(dòng)器等電控?cái)?shù)據(jù)匯聚到數(shù)控系統(tǒng)，使得伺服系統(tǒng)由執(zhí)行器轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢髫?fù)載和加工精度的傳感器。傳感器介入網(wǎng)關(guān)支持有線和無(wú)線兩種方式輸入。智能數(shù)控的可重構(gòu)硬件平臺(tái)采用廣播同步與總線同步方式，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與控制信息的同步。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem智能化數(shù)控裝置硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem（2）可重構(gòu)硬件平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)

在智能制造的背景下，網(wǎng)絡(luò)化的涵義是要求數(shù)控機(jī)床以設(shè)備終端的形式融入智能制造網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備如生產(chǎn)線、AGV小車、機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)與數(shù)據(jù)的共享。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接，數(shù)控機(jī)床之間，數(shù)控機(jī)床與各終端設(shè)備之間，采用外部通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)感知信息的實(shí)時(shí)反饋，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備精準(zhǔn)同步控制，可以實(shí)現(xiàn)管理功能、二次開發(fā)、智能調(diào)試，通過(guò)遠(yuǎn)端服務(wù)器還可以實(shí)現(xiàn)云端管理功能。其網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)如下圖

所示。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem智能化硬件平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem1、數(shù)控機(jī)床在單機(jī)運(yùn)行中數(shù)據(jù)輸入輸出

數(shù)控機(jī)床單機(jī)運(yùn)行中，用于計(jì)算機(jī)、編程機(jī)、手搖脈沖發(fā)生器、外部機(jī)床控制面板、顯示器等均通過(guò)通信口通信。進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)與CNC通過(guò)內(nèi)部連線相連。近期，數(shù)控系統(tǒng)的接口正朝著總線化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，如采用現(xiàn)場(chǎng)總線

如NCUC總線。

一、數(shù)控裝置的輸入輸出與通信基礎(chǔ)第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入輸出與互聯(lián)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem對(duì)于智能機(jī)床，由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不僅包含機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、溫度、等外部傳感器數(shù)據(jù)，還包括內(nèi)部位置、速度等電控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量成倍上升，智能機(jī)床主要通過(guò)NCUC總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。NCUC是數(shù)控系統(tǒng)級(jí)的內(nèi)部互聯(lián)協(xié)議，作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高速通道，對(duì)內(nèi)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行同步、高頻采集和匯聚，為大數(shù)據(jù)智能奠定基礎(chǔ)。第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入輸出與互聯(lián)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem

2.數(shù)控機(jī)床在智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的通信現(xiàn)在制造業(yè)，數(shù)控系統(tǒng)作為群控(DNC)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）的基礎(chǔ)，除了與數(shù)據(jù)輸人、輸出設(shè)備相連接外，還與上級(jí)計(jì)算機(jī)或DNC計(jì)算機(jī)，通過(guò)工廠局域網(wǎng)相連，具有網(wǎng)絡(luò)通信功能。對(duì)于智能機(jī)床，其通信方式主要是NC-Link的同構(gòu)、異構(gòu)混聯(lián)的通信模式。智能制造的核心之一是信息物理融合系統(tǒng)（CyberPhyscialSystem，CPS），CPS利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合，使得物理設(shè)備具備計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)采集等功能，從而實(shí)現(xiàn)智能制造。第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入輸出與互聯(lián)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem二、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1．通信系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信常用的有基帶傳輸、載波傳輸和寬帶網(wǎng)傳輸三種?；鶐鬏敂?shù)據(jù)傳輸速率一般為1～100Mbit/s，傳輸距離一般不超過(guò)25km，且信號(hào)隨著傳播距離的增加而衰減。寬帶網(wǎng)傳輸?shù)膫鬏斔俾士蛇_(dá)400M

bit/s，并可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信路徑。載波傳輸采用數(shù)字信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)波原樣進(jìn)行調(diào)制后實(shí)行傳輸。這種通信系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示。

第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入輸出與互聯(lián)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem單工方式數(shù)據(jù)傳輸：信息傳送是單向的，可稱做單向通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)在線路上的傳送方式除了單工通信還有半雙工通信和全雙工通信二種。半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信。全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。第三節(jié)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入輸出與互聯(lián)

Chapter3ControlprincipleandsoftwareandhardwarestructureofCNCsystem2．?dāng)?shù)據(jù)傳送方式設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送可采用串行或并行方式。數(shù)據(jù)的并行輸入與輸出如圖a所示，串行輸入與輸出如圖b所示。

串行通信：指數(shù)據(jù)在單條一位寬的