【正文】 心的集中型，向一個人計算機為主的小型計算機相互聯(lián)結、配置成網絡的分散型發(fā)展。雖然選用高性能微處理器構成分布式處理結構，可以獲得高性能（如多軸聯(lián)動的高速高精度控制）、強大補償功能、圖形功能、故障診斷功能以及通信功能等。由于PC已經成為微型計算機的事實標準，其開放的體系結構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。將補償點的位置數(shù)據(jù)列成表存入計算機，當運動部件移動經過補償點時，補償相應脈沖。如由于軸的安裝偏心、齒輪的制造和安裝產生的齒輪傳動誤差，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性誤差比較困難，一般只能通過全面提高進給傳動系統(tǒng)各部分的精度和配合質量，增強剛度，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）導軌副的誤差；4) 機械傳動部件的受力變形；5) 機械進給部件的熱變形。其軟件補償處理的過程是：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給方向的指令轉向后， 給出 M 個額外的進給指令脈沖，再執(zhí)行正常的程序。為減小編程誤差，可以通過減小插補間隙或增加機床分辨率來達到，一般不需要專門的軟件補償。這種零件幾何參數(shù)計算時圓整到一個脈沖當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算法逼近零件輪廓時產生的誤差（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。微機實現(xiàn)升降頻控制，可采用均勻地改變步進脈沖間隔的方法，進行升降速控制。但由于步進電動圖251 軟件環(huán)形分配器步進電動機控制 圖252 三相三拍正轉程序框圖機本身特性的限制，如果起動時脈沖頻率較高，步進電動機轉子在最初一些節(jié)拍不能轉夠相應的轉角，則產生“丟步”，嚴重時步進電動機根本不會啟動，而停止轉動時會產生“過沖”。假如要求時間間隔為 lms控制步進電動機三相三拍正轉的程序框圖。圖 251為單片機直接帶動三相步進電動機的接口方式。(5) 鍵盤診斷 經濟型數(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，將導致操作者元法對數(shù)控系統(tǒng)進行控制或進行程序輸入。診斷時，若累加和為零，則說明 ROM 完好，否則認為有錯。其基本方法是：先打開中斷，并在中斷子程序中進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；再關閉該中斷源， 看中斷是否還能發(fā)生。(1) 定時/計數(shù)器的診斷 數(shù)控系統(tǒng)中，定時/計數(shù)器往往是必不可少的，如經濟型數(shù)控系統(tǒng)對步進電動機的控制，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、工件松卡等動作以及控制加工暫停和加工結束；S功能是主軸轉速功能，控制主軸的轉速；T 功能是刀具功能 , 控制換刀等動作；G 準備功能，規(guī)定著各種運 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行編輯和修改。輸入程序中應設置一個地址指針。輸入程序的任務是將輸入的源程序順序讀入并根據(jù)字地址把有關的數(shù)據(jù)送至指定的存儲單元，同時將坐標值 BCD 碼轉換成二進制數(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，對命令進行識別分析，然后，根據(jù)識別分析的結圖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向相應的處理程序模塊。1．系統(tǒng)的初始化開機或人工復位后，數(shù)控系統(tǒng)要進行必要的初始化處理。軟件和硬件的結合，形成一個具有特定功能的計算機控制系統(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)計算、插補和伺服控制等工作。可編程的 I/O 擴展芯片在監(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，以控制主軸電動機的速度轉換。系統(tǒng)主控制板以 8031 為控制器，板上包含內存為 8～16KB的RAM （供用戶輸入和調試加工程序用)；內存為 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/復位功能。1) 專用 I/O 擴展芯片 這類芯片專用于擴展 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 系列單片機的基本特性如下 ( 以 8051 為例)：① CPU 為 8 位； ②片內有時鐘振蕩器；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 / 計數(shù)器；（8）可有 5 個中斷源，兩級優(yōu)先權的向量中斷結構；⑨具有一個全雙工串行 I/O口； ⑩具有位尋址能力，適于邏輯運算。1. MCS51 系列單片機的基本特性MCS51 系列包含三個產品：803 8058751。近年來，國外一些主要半導體制造廠相繼生產了各種 8 位、16 位單片機。 構成經濟型 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。在我國，把由單片機和步進電動機組成的數(shù)控系統(tǒng)和其它功能簡單、價格低的系統(tǒng)稱為經濟型數(shù)控系統(tǒng)。教學實施手段效果記錄課堂講授√課堂討論√現(xiàn)場示教小結講評難點經濟型數(shù)控系統(tǒng)軟件的工作過程；開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構。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)大學出版社,2003教學后記二、講稿第二節(jié) 計算機數(shù)控系統(tǒng)第五節(jié) 經濟型數(shù)控系統(tǒng)的構成一、經濟型數(shù)控系統(tǒng)概述經濟型數(shù)控系統(tǒng)，是相對標準型數(shù)控系統(tǒng)而言。目前，我國經濟型 CNC 多數(shù)是以 8 位或 16 位單片機或者以 8 位或 16 位微處理器（簡稱 MPU）為主構成的系統(tǒng)，進給驅動采用步進電動機，控制軸數(shù)為 2～3 軸，聯(lián)動 2 軸。經濟型數(shù)控系統(tǒng)功能適當，價格低廉，特別適合中小企業(yè)對原有機床進行數(shù)控化、自動化技術改造，以提高生產效率。這里主要介紹用 MCS51 系列單片機構成的經濟型數(shù)控系統(tǒng)。其中以 Inte1 公司的 MCS 系列單片機最為著名，目前已推出 MCS4MCS5MCS96 三個系列。三者的引腳完全兼容，僅在結構上有些差異。 單片機常用系統(tǒng)擴展芯片（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。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. 單片機構成的經濟型數(shù)控裝置硬件框圖用 8031 單片機組成 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展電路。 經濟型數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控與操作軟件、插補計算軟件、步進電動機控制軟件、誤差補償軟件等。例如，設置系統(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)；設置中斷方式；對系統(tǒng)變量賦于初值；初始化輸出端口的內容以使機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。經濟型數(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容為依據(jù)的。每讀完一個程序段，必須把當前指針壓人堆棧，以備下段程序讀入時使用。當按下檢索命令鍵或在系統(tǒng)開關預置編輯方式下進入編輯修改程序，進入編輯修改狀態(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，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/計數(shù)器的定時功能診斷不需外部條件，而計數(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，并給出報警信號和出錯內容。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，當有鍵按下時，發(fā)出標識聲音，每當按下鍵時若聽到該標識聲，表明無故障，否則鍵出故障。單片機凹的低三位為輸出位，分別控制步進電動機 U 、 V 、 W 三相繞組通斷。如圖 252 所示。原因是步進電動機的響應頻率比較低，限制了步進電動機的最高啟動頻率。如步進電動機以 400Hz 的頻率起動，要求從第 20 個脈沖開始進入 1500Hz 恒速運行，以 10μs 延時為基礎，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，微機對步進電動機的控制，也就是控制步進脈沖的個數(shù)和步進脈沖的間隔，而其間隔又可轉化為某基準延時子程序的循環(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量。 2. 間隙誤差 數(shù)控機床機械傳動部件間存在一定的問隙，由此產生的加工誤差稱為間隙誤差。這樣的補償處理方法，對于點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 定位誤差補償點的確定2）采用誤差補償?shù)姆椒ㄌ岣叨ㄎ痪? 在 CNC 機床上可采用軟件方式進行定位誤差補償。在定位誤差為正處，進行減脈沖補償，而在定位脈沖為負處進行加脈沖補償。本節(jié)主要介紹基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點、硬軟件體系結構、工作原理和典型實例。但由于技術保密和降低成本等原因，各數(shù)控系統(tǒng)生產廠商通常自己設計數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結構，不同廠商設計制造的封閉式數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件模塊、編程語言、人機界面都不相同，世界各大數(shù)控廠商在數(shù)控系統(tǒng)硬件結構、實時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信接口和通信協(xié)議等方面實施技術壟斷、市場壟斷、甚至技術服務壟斷，數(shù)控系統(tǒng)用戶無法對購買的數(shù)控系統(tǒng)進行功能擴展、系統(tǒng)維護以及升級換代，數(shù)控系統(tǒng)的維護、維修以及人員培訓等全部依賴于世界各大制造廠商。這一變化不僅擁有技術上的優(yōu)勢，而且更符合實際生產的需要。因此，現(xiàn)代生產系統(tǒng)的進步和發(fā)展也提出了制造設備開放性的要求。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，與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點。 （3）網絡集成便捷 開放式數(shù)控系統(tǒng)采用標準總線和通信網絡協(xié)議，可接入計算機網絡，作為網絡加工中的加工設備和通信站點，便于制造網絡集成。用戶也可在系統(tǒng)中融入自己的技術訣竅，創(chuàng)造出具有自己特色的產品。美國的NGC計劃、OMAC計劃及歐共體的OSACA計劃，都采用了全新設計的方案。OSACA計劃試圖將OSACA規(guī)范作為自動化領域的通用國際標準，其研究范圍涵蓋了整個自動化領域，包容性大，適應性強，但研究開發(fā)工作量非常大，目前還處于整體構思、分布實施階段，短期內很難實現(xiàn)對大部分操作平臺的支持。由于PC插卡式結構，為構造開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)搭建了理想的平臺，因此，人們很快將目光轉向PC擴展設計方面，即以工業(yè)PC硬件體系結構和實時操作系統(tǒng)為基礎，擴展相應的板卡和數(shù)控應用軟件，構成基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)?；赑C擴展設計開放式數(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)的進步與發(fā)展。 主要包括如下內容。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)控制計算機，并采用箱式結構，增強散熱和防塵的性能，還需對工業(yè)PC的通用模板進行力學特性改造和加固。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，與時俱進地開發(fā)先進的數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點是原來的CNC不必改動，既保持了原來數(shù)控系統(tǒng)的強大的功能，又具有數(shù)據(jù)傳送速度快、系統(tǒng)相應時間短的特點。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，硬件的標準化和成本的不斷降低，這種開放式數(shù)控系統(tǒng)結構很可能只是一個過渡。這