【正文】 心的集中型，向一個人計(jì)算機(jī)為主的小型計(jì)算機(jī)相互聯(lián)結(jié)、配置成網(wǎng)絡(luò)的分散型發(fā)展。雖然選用高性能微處理器構(gòu)成分布式處理結(jié)構(gòu)，可以獲得高性能（如多軸聯(lián)動的高速高精度控制）、強(qiáng)大補(bǔ)償功能、圖形功能、故障診斷功能以及通信功能等。由于PC已經(jīng)成為微型計(jì)算機(jī)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其開放的體系結(jié)構(gòu)和豐富的軟硬件資源，成為現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。將補(bǔ)償點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)列成表存入計(jì)算機(jī)，當(dāng)運(yùn)動部件移動經(jīng)過補(bǔ)償點(diǎn)時，補(bǔ)償相應(yīng)脈沖。如由于軸的安裝偏心、齒輪的制造和安裝產(chǎn)生的齒輪傳動誤差，就可采取有效措施減小或消除。2. 提高系統(tǒng)定位精度的措施減小隨機(jī)性誤差比較困難，一般只能通過全面提高進(jìn)給傳動系統(tǒng)各部分的精度和配合質(zhì)量，增強(qiáng)剛度，以及減少摩擦系數(shù)并使摩擦系數(shù)穩(wěn)定不變來改善。（2）機(jī)械傳動部分的誤差1) 齒輪副或同步帶傳動副的傳動誤差及傳動間隙；2) 滾珠絲杠螺母副的傳動誤差及傳動間隙；3）導(dǎo)軌副的誤差；4) 機(jī)械傳動部件的受力變形；5) 機(jī)械進(jìn)給部件的熱變形。其軟件補(bǔ)償處理的過程是：先將各個間隙值變換成指令脈沖數(shù) M，然后在零件加工程序中判別進(jìn)給方向的指令轉(zhuǎn)向后， 給出 M 個額外的進(jìn)給指令脈沖，再執(zhí)行正常的程序。為減小編程誤差，可以通過減小插補(bǔ)間隙或增加機(jī)床分辨率來達(dá)到，一般不需要專門的軟件補(bǔ)償。這種零件幾何參數(shù)計(jì)算時圓整到一個脈沖當(dāng)量而引起的誤差稱為圓整誤差。 1. 編程誤差 編程誤差由三部分組成：（1）逼近誤差逼近誤差是用近似計(jì)算法逼近零件輪廓時產(chǎn)生的誤差（又稱一次逼近誤差），它出現(xiàn)在用直線或圓弧去逼近零件輪廓的情況。根據(jù)以上分析可編制具體的加減速程序。微機(jī)實(shí)現(xiàn)升降頻控制，可采用均勻地改變步進(jìn)脈沖間隔的方法，進(jìn)行升降速控制。但由于步進(jìn)電動圖251 軟件環(huán)形分配器步進(jìn)電動機(jī)控制 圖252 三相三拍正轉(zhuǎn)程序框圖機(jī)本身特性的限制，如果起動時脈沖頻率較高，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子在最初一些節(jié)拍不能轉(zhuǎn)夠相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，則產(chǎn)生“丟步”，嚴(yán)重時步進(jìn)電動機(jī)根本不會啟動，而停止轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生“過沖”。假如要求時間間隔為 lms控制步進(jìn)電動機(jī)三相三拍正轉(zhuǎn)的程序框圖。圖 251為單片機(jī)直接帶動三相步進(jìn)電動機(jī)的接口方式。(5) 鍵盤診斷 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)采用鍵盤方式輸人零件加工程序或控制指令，若有一鍵失靈，將導(dǎo)致操作者元法對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制或進(jìn)行程序輸入。診斷時，若累加和為零，則說明 ROM 完好，否則認(rèn)為有錯。其基本方法是：先打開中斷，并在中斷子程序中進(jìn)行一段操作通知診斷程序，則可根據(jù)此操作是否發(fā)生來判斷中斷是否發(fā)生；再關(guān)閉該中斷源， 看中斷是否還能發(fā)生。(1) 定時/計(jì)數(shù)器的診斷 數(shù)控系統(tǒng)中，定時/計(jì)數(shù)器往往是必不可少的，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對步進(jìn)電動機(jī)的控制，多數(shù)采用定時中斷功能。 G功能分析程序框圖如圖 250所示。如 M 輔助功能主要涉及主軸啟停、切削液的開關(guān)、工件松卡等動作以及控制加工暫停和加工結(jié)束；S功能是主軸轉(zhuǎn)速功能，控制主軸的轉(zhuǎn)速；T 功能是刀具功能 , 控制換刀等動作；G 準(zhǔn)備功能，規(guī)定著各種運(yùn) 動方式。它與鍵盤輸入通常成為一體，既可用來從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可用來對已輸入的零件加工程序進(jìn)行編輯和修改。輸入程序中應(yīng)設(shè)置一個地址指針。輸入程序的任務(wù)是將輸入的源程序順序讀入并根據(jù)字地址把有關(guān)的數(shù)據(jù)送至指定的存儲單元，同時將坐標(biāo)值 BCD 碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼（即十翻二處理）。在這個循環(huán)過程中，程序掃描鍵盤或操作面板輸入的操作命令，對命令進(jìn)行識別分析，然后，根據(jù)識別分析的結(jié)圖246 鍵盤掃描中斷方式程序框圖 圖247 8279鍵盤處理程序框圖果轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序模塊。1．系統(tǒng)的初始化開機(jī)或人工復(fù)位后，數(shù)控系統(tǒng)要進(jìn)行必要的初始化處理。軟件和硬件的結(jié)合，形成一個具有特定功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠完成零件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)計(jì)算、插補(bǔ)和伺服控制等工作。可編程的 I/O 擴(kuò)展芯片在監(jiān)控程序控制下掃描鍵盤（或鍵盤 /LED 數(shù)碼顯示控制板），并輸出組合邏輯信號，以控制主軸電動機(jī)的速度轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)主控制板以 8031 為控制器，板上包含內(nèi)存為 8～16KB的RAM （供用戶輸入和調(diào)試加工程序用)；內(nèi)存為 16KB 的 EPROM。（4） 其它功能芯片 MCS51 還可使用下列具有各種專用功能的外圍芯片：可編程中斷控制器 825可編程鍵盤/顯示控制器 827可編程通用定時器 825可編程通信控制器 8251 等。其中兩個 8 位并行 I/O 口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。通道 C 具有按位置位/復(fù)位功能。1) 專用 I/O 擴(kuò)展芯片 這類芯片專用于擴(kuò)展 I/O 口，如 8255。目前常用的靜態(tài) RAM 是 6116(2KB 8 )和6264(8KB 8) 和 62256(32KB 8) 等； 2）動態(tài) RAM 功耗小、成本低，但需刷新。 MCS51 系列單片機(jī)的基本特性如下 ( 以 8051 為例)：① CPU 為 8 位； ②片內(nèi)有時鐘振蕩器；③具有 4KB ROM 和 128RAM；④具有 21 個特殊功能寄存器；⑤具有 4 個 8 位 I/O 端口，32 根 I/O 線；⑥具有 16 根地址線 ( 與 I/O 線共用 )，可直接尋址 64KB(64KB 外部程序存儲器，64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器)； ⑦具有兩個 16 位定時 / 計(jì)數(shù)器；（8）可有 5 個中斷源，兩級優(yōu)先權(quán)的向量中斷結(jié)構(gòu)；⑨具有一個全雙工串行 I/O口； ⑩具有位尋址能力，適于邏輯運(yùn)算。1. MCS51 系列單片機(jī)的基本特性MCS51 系列包含三個產(chǎn)品：803 8058751。近年來，國外一些主要半導(dǎo)體制造廠相繼生產(chǎn)了各種 8 位、16 位單片機(jī)。 構(gòu)成經(jīng)濟(jì)型 CNC 的基本硬件由 MPU、存儲器、輸入/輸出 (I/O )接口電路組成。它是屬于低檔數(shù)控系統(tǒng)的一種，在我國這類數(shù)控系統(tǒng)有一定批量的生產(chǎn)。在我國，把由單片機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)和其它功能簡單、價格低的系統(tǒng)稱為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)施手段效果記錄課堂講授√課堂討論√現(xiàn)場示教小結(jié)講評難點(diǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)軟件的工作過程；開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。其 它教具CAI，黑板推薦參考書:國防工業(yè)出版社,2009: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003教學(xué)后記二、講稿第二節(jié) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)第五節(jié) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成一、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)概述經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，是相對標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)而言。目前，我國經(jīng)濟(jì)型 CNC 多數(shù)是以 8 位或 16 位單片機(jī)或者以 8 位或 16 位微處理器（簡稱 MPU）為主構(gòu)成的系統(tǒng)，進(jìn)給驅(qū)動采用步進(jìn)電動機(jī)，控制軸數(shù)為 2～3 軸，聯(lián)動 2 軸。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能適當(dāng)，價格低廉，特別適合中小企業(yè)對原有機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化、自動化技術(shù)改造，以提高生產(chǎn)效率。這里主要介紹用 MCS51 系列單片機(jī)構(gòu)成的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。其中以 Inte1 公司的 MCS 系列單片機(jī)最為著名，目前已推出 MCS4MCS5MCS96 三個系列。三者的引腳完全兼容，僅在結(jié)構(gòu)上有些差異。 單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片（1) 程序存儲器 (ROM)主要是紫外線擦抹的可編程只讀存儲器EPROM。常用的動態(tài) RAM 有 2164A （ 64KB 1) 和41464(64KB 4)。8255 是一種常用的 8 位并行輸入/輸出接口芯片，使用方便靈活，通用性強(qiáng)。三種工作方式為：方式0—基本輸入/輸出；方式 1—選通的輸入/輸出；方式 2—雙向數(shù)據(jù)傳送 ( 只有通道 A 可工作在此方 式)。PC 口可編程為輸入或輸出或作為 PA 口和 PB 口的控制信號線。圖244 8031組成的CNC系統(tǒng)3. 單片機(jī)構(gòu)成的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置硬件框圖用 8031 單片機(jī)組成 CNC 系統(tǒng)，其數(shù)控裝置硬件框圖如圖 244 所示。由圖 244 可知，系統(tǒng)中的 RAM 與 EPROM 及編程 I/O 擴(kuò)展芯片的數(shù)據(jù)線和低 8 位地址線在 8031 地址鎖存信號輸出端 ALE 及地址鎖存器控制下，公用一組 8031 的 8 位總線 (PO口)，而高 8 位地址及片選信號，則由 8031 的另一組 8 位總線（P2 口）結(jié)合譯碼器提供。CRT 控制系統(tǒng)是以視頻控制器為主芯片的擴(kuò)展電路。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控與操作軟件、插補(bǔ)計(jì)算軟件、步進(jìn)電動機(jī)控制軟件、誤差補(bǔ)償軟件等。例如，設(shè)置系統(tǒng)硬件，包括中央處理器（CPU）或微處理器（MPU）及其可編程 I/O 芯片的工作狀態(tài)；設(shè)置中斷方式；對系統(tǒng)變量賦于初值；初始化輸出端口的內(nèi)容以使機(jī)床處于正確的初始工作狀態(tài)以及系統(tǒng)硬件部件的自檢。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控一般采用兩種鍵盤處理方式 , 一種是鍵盤掃描中斷方式，其程序框圖如圖 246所示； 一種是采用專用可編程鍵盤顯示芯片 8279 管理方式，其程序框圖如圖 247 所示。以后的解釋工作就是以這些存儲單元的內(nèi)容為依據(jù)的。每讀完一個程序段，必須把當(dāng)前指針壓人堆棧，以備下段程序讀入時使用。當(dāng)按下檢索命令鍵或在系統(tǒng)開關(guān)預(yù)置編輯方式下進(jìn)入編輯修改程序，進(jìn)入編輯修改狀態(tài)后，檢索需編輯修改的程序，對該程序中的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的刪除或插入等編輯修改工作。G功能種類很多 , 處理較復(fù)雜。圖250 G功能分析程序框圖6．系統(tǒng)診斷程序該程序檢測 CNC 系統(tǒng)各個硬件功能的正確性，指示可能存在故障的位置和性質(zhì)，輔助維修人員確定故障部件，縮短系統(tǒng)維修時間，提高系統(tǒng)的可靠性。由于定時/計(jì)數(shù)器的定時功能診斷不需外部條件，而計(jì)數(shù)功能的診斷需從外部引入脈沖源，所以，一般診斷程序只診斷其定時功能。這樣可判斷中斷是否正常。此時，系統(tǒng)便停止工作，并給出報(bào)警信號和出錯內(nèi)容。所以鍵盤診斷是很重要的，其基本方法是：在系統(tǒng)鍵盤管理程序中加入使按鍵發(fā)聲子程序，當(dāng)有鍵按下時，發(fā)出標(biāo)識聲音，每當(dāng)按下鍵時若聽到該標(biāo)識聲，表明無故障，否則鍵出故障。單片機(jī)凹的低三位為輸出位，分別控制步進(jìn)電動機(jī) U 、 V 、 W 三相繞組通斷。如圖 252 所示。原因是步進(jìn)電動機(jī)的響應(yīng)頻率比較低，限制了步進(jìn)電動機(jī)的最高啟動頻率。如步進(jìn)電動機(jī)以 400Hz 的頻率起動，要求從第 20 個脈沖開始進(jìn)入 1500Hz 恒速運(yùn)行，以 10μs 延時為基礎(chǔ)，可求出：起動時每個脈沖周期： μs/400～25010μs， 時間常數(shù) =250；恒速時每個脈沖周期: μs/1500～6610μs， 時間常數(shù) =66；起動過程中相鄰脈沖周期差：(25066)/2O～910μs， 變化間隔 =9 。綜上所述，微機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)的控制，也就是控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)和步進(jìn)脈沖的間隔，而其間隔又可轉(zhuǎn)化為某基準(zhǔn)延時子程序的循環(huán)次數(shù)。即用近似方程式擬合列表曲線時，方程式所表示的形狀與零件原始輪廓之間存在的差值。圓整誤差的大小決定于脈沖當(dāng)量。 2. 間隙誤差 數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動部件間存在一定的問隙，由此產(chǎn)生的加工誤差稱為間隙誤差。這樣的補(bǔ)償處理方法，對于點(diǎn)位和輪廓控制都適用。 以上各種因素中，某些固定不變的或按確定規(guī)律變化的因素引起的定位誤差屬于系統(tǒng)性誤差，如絲杠的螺距誤差、導(dǎo)軌的形位誤差等。 對于系統(tǒng)性誤差則比較容易采取措施減小或消除。圖253 定位誤差補(bǔ)償點(diǎn)的確定2）采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣叨ㄎ痪? 在 CNC 機(jī)床上可采用軟件方式進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償。在定位誤差為正處，進(jìn)行減脈沖補(bǔ)償，而在定位脈沖為負(fù)處進(jìn)行加脈沖補(bǔ)償。本節(jié)主要介紹基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)、硬軟件體系結(jié)構(gòu)、工作原理和典型實(shí)例。但由于技術(shù)保密和降低成本等原因，各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商通常自己設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)，不同廠商設(shè)計(jì)制造的封閉式數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件模塊、編程語言、人機(jī)界面都不相同，世界各大數(shù)控廠商在數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、實(shí)時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信接口和通信協(xié)議等方面實(shí)施技術(shù)壟斷、市場壟斷、甚至技術(shù)服務(wù)壟斷，數(shù)控系統(tǒng)用戶無法對購買的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展、系統(tǒng)維護(hù)以及升級換代，數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)、維修以及人員培訓(xùn)等全部依賴于世界各大制造廠商。這一變化不僅擁有技術(shù)上的優(yōu)勢，而且更符合實(shí)際生產(chǎn)的需要。因此，現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展也提出了制造設(shè)備開放性的要求。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開放性、模塊化、可移植性、可控制即可互換性、可伸縮性、互操作性等一系列特點(diǎn)，與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(diǎn)。 （3）網(wǎng)絡(luò)集成便捷 開放式數(shù)控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)總線和通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，作為網(wǎng)絡(luò)加工中的加工設(shè)備和通信站點(diǎn)，便于制造網(wǎng)絡(luò)集成。用戶也可在系統(tǒng)中融入自己的技術(shù)訣竅，創(chuàng)造出具有自己特色的產(chǎn)品。美國的NGC計(jì)劃、OMAC計(jì)劃及歐共體的OSACA計(jì)劃，都采用了全新設(shè)計(jì)的方案。OSACA計(jì)劃試圖將OSACA規(guī)范作為自動化領(lǐng)域的通用國際標(biāo)準(zhǔn)，其研究范圍涵蓋了整個自動化領(lǐng)域，包容性大，適應(yīng)性強(qiáng)，但研究開發(fā)工作量非常大，目前還處于整體構(gòu)思、分布實(shí)施階段，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)對大部分操作平臺的支持。由于PC插卡式結(jié)構(gòu)，為構(gòu)造開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)搭建了理想的平臺，因此，人們很快將目光轉(zhuǎn)向PC擴(kuò)展設(shè)計(jì)方面，即以工業(yè)PC硬件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展相應(yīng)的板卡和數(shù)控應(yīng)用軟件，構(gòu)成基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)?；赑C擴(kuò)展設(shè)計(jì)開放式數(shù)控系統(tǒng)思路的提出，極大地推動了開放式數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展。 主要包括如下內(nèi)容。因此，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)一般采用工業(yè)PC（IPC）或各種與PC兼容的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并采用箱式結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)散熱和防塵的性能，還需對工業(yè)PC的通用模板進(jìn)行力學(xué)特性改造和加固。Data Tau公司的開放式解決方案，可以保證數(shù)控系統(tǒng)的集成商不斷吸收世界上各種新技術(shù)，與時俱進(jìn)地開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是原來的CNC不必改動，既保持了原來數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)大的功能，又具有數(shù)據(jù)傳送速度快、系統(tǒng)相應(yīng)時間短的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和成本的不斷降低，這種開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很可能只是一個過渡。這