加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。
速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标 的 分速度。 开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。
速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工，速度
计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮 廓步长。
可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出 故障后，通过系统重组仍可断继续工作。
12
2.2 CNC装置的硬件结构
结构形式：可分：分布式、主从式、总线式。
分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起来，
数据交换和资源共享通过网络技术实现。
主从式：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总
第二章 计算机数控系统CNC与控制原理
本章主要内容
第一节 概述 第二节 CNC装置的硬件结构 第三节 CNC装置的软件结构
第四节 可编程控制器（PLC）
第五节 典型的CNC系统简介
2
2.1概述
1. CNC系统?
从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速 度
（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运 动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控 制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专 用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。
两个以上任务处理。
♦ 并行处理的实现方式： ☆ 资源分时共享（单CPU）
☆ 资源重叠流水处理（多CPU）
34
Have a Rest!
2.3 CNC系统的软件
资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）
♦ 在单CPU结构的CNC系统中，可采用 “资源分时共
享”并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，
在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程
度，可采用以下两种并行处理技术：
♦ 若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上
同时执行——并发处理； ♦ 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任
务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。
38
2.3 CNC系统的软件
顺序处理 流水处理技术示意图
其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打
断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。
40
2.3 CNC系统的软件
②中断型结构
此结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模 块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理
系统（由硬件和软件组成）对各级中断服 务程序实施调度管
理。整个软件就是一个大的中断管理系统。
18
2.2 CNC装置的硬件结构
4. 功能模块式结构
将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部 件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块
结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。
将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC
装置。
19
2.2 CNC装置的硬件结构
5. 开放式数控系统结构
6
2.1概述
2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、 翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存 放在指定的内存专用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理 等。 4）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之 间进行“数据点的密化工作”。 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置 与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输 出和控制。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。
特点： ♦ 一个微处理器完成所有的功能 ♦ 采用总线结构 ♦ 结构简单，易于实现
♦ 功能受限制
单微处理器结构组成：
微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；
10
2.2 CNC装置的硬件结构
存储器
只读存储器（ROM）：系统程序 ；
随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数 据、运行中的状态、标志信息； CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参 数、刀具参数 。
♦ 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端
口存储器冲突的矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主
模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，
所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口 RAM ）。
17
2.2 CNC装置的硬件结构
3. 大板结构
所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计 在一块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷 电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。
并行处理
39
2.3 CNC系统的软件
分类 ①前后台型结构
♦ 前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断
等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 ♦ 后台程序(背景程序):完成显示、程序编辑管理、系
统输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预
处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，
线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。 总线式（多主式）：主总线连接多个CPU，可直接访问所有
系统资源，解决总线争用问题。
典型结构: 共享总线型、共享存储器型及混合型结构。
13
2.2 CNC装置的硬件结构
共享总线结构
FANUC 15系统硬件结构 14
2.2 CNC装置的硬件结构
结构特征：
♦ 功能模块分为带有CPU的主模块和从模块
③数据处理程序 刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理.
27
2.3 CNC系统的软件
2) 功能： (1)刀具半径补偿
刀补处理的主要工作：
♦ 根据G90/G91计算零件轮 廓的终点坐标值。 ♦ 根据R和G41/G42，计算本
段刀具中心轨迹的终点坐标 值。 ♦ 根据本段与前段连接关系， 进行段间连接处理。
28
2.3 CNC系统的软件
刀具半径补偿的方法 ♦ B刀补 对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。 ♦ C刀补 采用直线作为轮廓之间的刀具过 渡，因此，它的尖角性好，并且 它可自动预报(在内轮廓 刀具中 心轨迹加工时) 过切，以避免产 生过切。
29
2.3 CNC系统的软件
(2) 速度处理功能
G01 x50 F80; G01 x50 y80 F80; 问题：两条命令中，X、Y轴速度是否一样？
7
2.2 CNC装置的硬件结构
CNC装置的硬件结构
按其中含有CPU的多少可分为： 单微处理机结构和多微处理机结构； 按电路板的结构特点可分为： 大板结构和模块化结构。
8
2.2 CNC装置的硬件结构
单微处理器
单微处理器硬件结构图
9

2.2 CNC装置的硬件结构
1. 单微处理器数控装置:
以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储 器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式， 完成数控加工各个任务。
25
2.3 CNC系统的软件
1. CNC系统软件的组成与功能
1) 组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
26
2.3 CNC系统的软件
①输入程序 把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。 ②译码程序 将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助 信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在 指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误 检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。
（RAM/ROM，I/O模块）； ♦ 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定
义的标准系统总线上；
♦ 采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求 使用系统总线的竞争问题。
15
2.2 CNC装置的硬件结构
共享存储器结构
多CPU共享存储器框图 16
2.2 CNC装置的硬件结构
结构特征：
♦ 面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之 间的互连和通讯；
③功能模块型软件结构
多微处理器CNC装置一般采用模块化结构,每个微处理器 承担不同任务,形成特定功能模块，软件模块化，各功能模块
之间有明确的接口。
41
2.3 CNC系统的软件
3. 数控系统功能的发展趋势
42
2.3 CNC系统的软件
3. 数控系统功能的发展趋势
43
2.3 CNC系统的软件
3. 数控系统功能的发展趋势
位置控制单元 ♦对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制） ♦对主轴控制，一般只包括速度控制
♦刀库位置控制（简易位置控制）
11
2.2 CNC装置的硬件结构
2. 多微处理器结构
在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，
分别实现相应的数控功能。
特点：
能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，
3
2.1概述
CNC系统平台
4
2.1概述
5
2.1概述
2. CNC系统工作过程
输入 译码 数据处理 插补 将各个坐标轴的
分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动 伺服电动机，带动各轴运动 实时位置反馈控制，使 各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。
1）输入 输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式——磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通 讯接口输入及连接上位计算机的DNC接口输入等。
开放的含义
可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用
于另一平台，仍然保持原有特性。