【正文】 第3章計算機數(shù)控系統(tǒng) 3．1 計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念 計算機數(shù)控（puterized numerical contro，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能．由一臺計算機完成以前機床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對機床運動進行實時控制。 CNC系統(tǒng)由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC裝置、PLC、主軸驅(qū)動裝置和進給（伺眼）驅(qū)動裝置組成。由于使用了CNC裝置，使系統(tǒng)具有軟件功能，又用 PLC取代了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維修也方便，并且具有與上位機連接及進行遠程通信的功能。 3．2 微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成 大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構(gòu)成的計算機裝置，故也可稱微處理器數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。MNC一般由中央處理單元（CPU）和總線、存儲器（ROM，RAM）、輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備、PLC、主軸控制單元、速度進給控制單元等組成。圖3 . 的組成原理圖。（CPU）和總線(BUS）CPU是微型計算機的核心，由運算器、控制器和內(nèi)寄存器組組成。它對系統(tǒng)內(nèi)的部件及操作進行統(tǒng)一的控制，按程序中指令的要求進行各種運算，使系統(tǒng)成為一個有機整體。總線（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導(dǎo)線構(gòu)成。CPU與存儲器、I/O 接口及外設(shè)間通過總線聯(lián)系?？偩€按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 ３．２．２ 存儲器(memory) (１)概述 存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件（管理軟件和控制軟件）和零件加工程序等，并將運算的中間結(jié)果和處理后的結(jié)果（數(shù)據(jù)）存儲起來。數(shù)控系統(tǒng)所用的存儲器為半導(dǎo)體存儲器。 （２）半導(dǎo)體存儲器的分類 ①隨機存取存儲器（讀寫存儲器）ＲＡＭ（random access memory）用來存儲零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲單元的內(nèi)容既可以讀出又可寫入或改寫。 ②只讀存儲器ＲOＭ(resdonly memory)專門存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數(shù)）的存儲器，使用時其存儲單元的內(nèi)容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會因斷電而丟失內(nèi)容。3．2．3 輸入/輸出（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備（1）I／O接口指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機與外設(shè)要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設(shè)與存儲器間不能直接通信，需靠CPU傳遞信息，通過CPU對I／O接口的讀或?qū)懖僮?，完成外設(shè)與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設(shè)送出信息的接口稱為輸出接口，外設(shè)向CPU傳遞信息的接口稱輸入接口，此外還有雙向接口。微機中I／O接口包括硬件電路和軟件兩部分。由于選用的I／O設(shè)備或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而應(yīng)用程序也不同。I／O接口硬件電路主要由地址譯碼、I／O讀寫譯碼和I/O接口芯片（如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器等）組成。在CNC系統(tǒng)中I／O的擴展是為控制對象或外部設(shè)備提供輸入/輸出通道，實現(xiàn)機床的控制和管理功能，如開關(guān)量控制、邏輯狀態(tài)監(jiān)測、鍵盤、顯示器接口等。I／O接口電路同與其相連的外設(shè)硬件電路特性密切相關(guān)，如驅(qū)動功率、電子匹配、干擾抑制等。（2）外部I／O設(shè)備及I／O接口①MDI/CRT接口手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）是通過數(shù)控面板上的鍵盤（常為軟觸鍵）進行操作的。當(dāng)CPU掃描到按下鍵的信號時，就將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，其輸出經(jīng)過報警檢查。若不報警，數(shù)據(jù)經(jīng)選擇門、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送入RAM中；若報警則數(shù)據(jù)不送入RAM。 ②數(shù)據(jù)輸入/輸出串行接口 CNC裝置控制對立的單臺機床時，通常需要與下列設(shè)備相接并進行數(shù)據(jù)的輸入輸出。 （a）數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 如光電紙帶閱讀機（PTR）、紙帶穿孔機（PP）、打印和穿復(fù)校設(shè)備（TTY）、零件的編程機和可編程控制器的編程機等。（b）外部機床控制面板 尤其是大型機床，為操作方便常在機床上設(shè)外部的機床控制面板，可分為固定式或懸掛式兩種。 （c）通用的手搖脈沖發(fā)生器。 （d）進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動線路 一般情況下它們與CNC裝置裝在同一機柜或相鄰機柜內(nèi)，與CNC裝置通過內(nèi)部連線相連，它們之間不設(shè)置通用輸出輸入接口。 此外，ＣＮＣ裝置還要與上級主計算機或ＤＮＣ計算機直接通信，或通過工廠局部網(wǎng)絡(luò)相連，從而具有網(wǎng)絡(luò)通信功能。 （3）機床的I／O控制通道 機床的I／O控制通道是指微機與機床之間的聯(lián)接電路。計算機數(shù)控系統(tǒng)對機床的控制，通常由數(shù)控系統(tǒng)中的I／O控制器和I／O控制軟件共同完成。 ①I／O控制器的功能特點 （a）能夠可靠地傳送控制機床動作的相應(yīng)控制信息，并能夠輸入控制機床所需的有關(guān)狀態(tài)信息。 （b）能夠進行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。 （c）具有較強的阻斷干擾信號進入計算機的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。 ３．３ ＣＮＣ系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)３．３．1 單微處理機與多微處理機結(jié)構(gòu) １．單微處理機結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)只有１個微處理機，采用集中控制、分時方法處理數(shù)控的各個任務(wù)。有的ＣＮＣ裝置雖有２個以上的微處理機，但其中只有１個微處理機能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，它們組成主從結(jié)構(gòu)（如ＦＮＵＣ－６系統(tǒng)）。這類結(jié)構(gòu)也屬于單微機結(jié)構(gòu)。 在這種單微機結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由１個微機來完成，因此ＣＮＣ裝置的功能將受到微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響和限制。 ２．多微處理機結(jié)構(gòu) 有些多微處理機結(jié)構(gòu)中，有２個或２個以上的微處理機構(gòu)成處理部件，處理部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，并共享資源。有些多微處理結(jié)構(gòu)則有２個或２個以上的微處理機構(gòu)成的功能模塊，功能模塊之間采用松耦合，有多重操作系統(tǒng)，能有效地實現(xiàn)并行處理。這種結(jié)構(gòu)中的各處理機分別承擔(dān)一定的任務(wù)，通過公共存儲器或公用總線進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)各微機間的互聯(lián)和通信。（1）多微處理機的結(jié)構(gòu)特點①性能價格比高。 多微機結(jié)構(gòu)中的每個微機完成系統(tǒng)中指定的一部分功能。獨立執(zhí)行程序。它比單微機提高了計算的處理速度，適于多軸控制、高進給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求。由于系統(tǒng)采用共享資源，而單個微處理機的價格又比較便宜，使CNC裝置的性能價格比大為提高。②采用模塊化結(jié)構(gòu)，有良好的適應(yīng)性和擴展性。多微機的CNC裝置大都采用模塊化結(jié)構(gòu)，可將微處理器、存儲器、I/O控制組成獨立微機級的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也采用模塊結(jié)構(gòu)．固化在硬件模塊中。硬軟件模塊形成特定的功能單元，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，符合工廠標(biāo)準或工業(yè)標(biāo)準，彼此可以進行信息交換。這樣可以積木式地組成CNC裝置，使CNC裝置設(shè)計簡單、適應(yīng)性和擴展性好、試制周期短、調(diào)整維護方便、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。③硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。由于硬件是通用的，容易配置，只要開發(fā)新的軟件就可構(gòu)成不同的 CNC裝置，因此多微處理機結(jié)構(gòu)便于組織規(guī)模生產(chǎn)，且保證質(zhì)量。④有很高的可靠性。多微處理機CNC裝置的每個微機分管各自的任務(wù)，形成若干模塊。如果某個模塊出了故障，其他模塊仍照常工作，而不像單微機那樣．一旦出故障就造成整個系統(tǒng)癱瘓。而且插件模塊更換方便，可使故障對系統(tǒng)的影響減到最小。另外，由于多微機的CNC裝置可進行資源共享，省去了一些重復(fù)機構(gòu)，不但降低了造價，也提高了系統(tǒng)的可靠性。（2）多微處理機CNC裝置的結(jié)構(gòu)分類①共享存儲器結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征：a、面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊b、采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。注意：由于多端口存儲器設(shè)計較復(fù)雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。③共享總線結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征：a、功能模塊分為帶有CPU或DMA的主模塊和從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)b、以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標(biāo)準系統(tǒng)總線上c、采用總線仲裁機構(gòu)(電路)來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題 3．3．2 大板式結(jié)構(gòu)與功能模塊式結(jié)構(gòu)1．大板式結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的CNC裝置由主電路板、位置控制板、PLC板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印刷電路板，其他電路是小印刷電路板，它們插在大印刷電路板上的插槽內(nèi)，共同構(gòu)成CNC裝置。下圖為大板式結(jié)構(gòu)示意圖。2．功能模塊式結(jié)構(gòu)在采用功能模塊式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，整個CNC裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計都采用模塊化設(shè)計方法，即每個功能模塊被做成尺寸相同的印刷電路板（稱功能模塊），而相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。這樣形成一個“交鑰匙”CNC系統(tǒng)產(chǎn)品系列，用戶只要按需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，再將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就搭成了自己需要的ＣＮＣ系統(tǒng)控制裝置。常見的功能模塊有ＣＮＣ控制板、位置控制板ＰＬＣ板、圖形板、通信板及主存儲器模板等６種。另外，機床操作面板的按鈕箱（臺）也是標(biāo)準化的，上面有由用戶定義的按鍵。用戶只要按產(chǎn)品的型號、功能把各功能模塊、外設(shè)、相應(yīng)的電纜（帶插頭）及按鈕箱（機床操作面板及ＭＤＩ，ＣＲＴ）購買回來，經(jīng)組裝連接便可，從而大大方便了用戶。  ３．４ ＣＮＣ系統(tǒng)的軟件３．４．1 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能下圖所示為 ＣＮＣ系統(tǒng)軟件的組成。ＣＮＣ系統(tǒng)軟件可分為管理軟件與控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補運算和位置控制等功能軟件。 １．輸入程序 輸入程序的功能有兩個：一是把零件程序從閱讀機或鍵盤經(jīng)相應(yīng)的緩沖器輸入到零件程序存儲器；二是將零件程序從零件程序存儲器取出送入緩沖器。 ２．譯碼程序在輸入的零件加工程序中，含有零件的輪廓信息（線型，起點、終點坐標(biāo)值）、工藝要求的加工速度及其他輔助信息（換刀、冷卻液開/關(guān)等）。這些信息在計算機作插補運算與控制操作之前，需按一定的語法規(guī)則解釋成計算機容易處理的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在給定的內(nèi)存專用區(qū)間，即把各程序段中的數(shù)據(jù)根據(jù)其前面的文字地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中。譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或ＭＤＩ緩沖器中逐個讀入字符，先識別出其中的文字碼和數(shù)字碼，然后根據(jù)文字碼所代表的功能，將后續(xù)數(shù)字碼送到相應(yīng)譯碼結(jié)果緩沖器單元中。 ３ 數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)處理程序有三個任務(wù)，即刀具半徑補償，速度計算（即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度）以及輔助功能的處理等。 刀具半徑補償是把零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡；速度計算確定加工數(shù)據(jù)段的運動速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進給速度Ｆ計算出頻率f，而閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)則根據(jù)Ｆ算出位移量（ΔＬ）；輔助功能處理是指換刀，主軸啟動、停止，冷卻液開、停等輔助功能的處理（即Ｍ，Ｓ，T功能的傳送及其先后順序的處理）。 數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補工作及速度控制程序的負擔(dān)，提高系統(tǒng)的實時處理能力，故也稱為預(yù)計算。下面將著重介紹刀具半徑補償，速度處理將在插補計算程序中的預(yù)計算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)容中介紹。 （1）刀具半徑補償?shù)母拍? 在連續(xù)進行輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑[例如銑刀的半徑或線切割機的鉬絲（或銅絲）半徑等］，所以刀具中心運動軌跡并不