数控系统原理解析

数控是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。它可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用对电路或机械机构作改动，从而使机械设备具有很大的“柔性”。

1.数控系统的组成

计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的具体动作。它由硬件和软件组成。

硬件部分除计算机外，其外围设备主要包括CRT、键盘、操作面板、机床接口等。CRT供显示与监控；键盘用于输入操作命令、零件加工程序及编辑、修改加工程序等；操作面板可供操作人员改变工作方式、输入设定数据、运行加工等；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，包括伺服驱动接口及机床输入/输出接口。

软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入/输出、显示、自诊断等程序；控制软件包括输入、译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分。

2.数控系统的原理与工作过程

国际信息处理联盟对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。这里的程序控制系统，就是我们所说的数控系统（Numerical Control System）。数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统（CNC）。CNC系统是由计算机承担命令发生器和控制器的数控系统，由于计算机完全可由软件来确定数字信息的处理，从而具有真正的“柔性”。

数控系统的工作过程包括：

（1）输入 输入给数控系统的有零件加工程序、电器接口信号和补偿数据等。

（2）译码 计算机依靠译码程序来识别输入的内容，将加工程序段中的各种零件几何信息（如轮廓的形状、节点坐标等）、工艺参数（F、M、S代码等）翻译成计算机内部能识别的信息。

（3）数据处理 数据处理程序一般包括刀具参数补偿、速度计算和辅助功能的处理。刀具参数补偿主要是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹或在刀具长度上进行处理。速度计算是解决加工程序段及程序段间的速度运动问题。加工速度的确定是一个工艺问题，数控系统只是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如主轴功能、换刀等也在这个程序中实现。

（4）插补 根据给定的曲线类型（如直线、圆弧等）、起点、终点及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。插补是一个适时控制过程，它要求插补运算要快于机床的动作。插补运算工作要使密化的数据点构成的曲线误差在工件允许的公差范围之内。现代计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现。

（5）位置控制 将计算机送出的位置进给脉冲和进给速度指令，经变换和放大后转化为进给电动机（步进电动机或交流、直流伺服电动机）的转动，从而带动机床工作台移动。

（6）管理程序 当一个程序段开始插补时，管理程序即着手准备下一个或几个程序段的读入、译码、数据处理，即由它调用各个功能子程序，且保证在一个程序段加工过程中将下一个程序段已准备就绪。一旦本程序段加工完成，即开始下一个程序段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。

3.数控系统的结构(www.xing528.com)

数控系统一般包括输入/输出（I/O）装置、数控装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置四部分，控制对象为机床的主轴和进给等。

输入装置将数控加工程序和其他各种控制信息输入数控装置，输入内容及数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。

数控装置是数控系统的核心，由计算机硬件和软件组成。计算机数控装置即CNC装置，是一个典型的计算机控制系统。

计算机数控系统由硬件和软件共同完成数控任务，其基本组成如图1-5所示。它具有数控系统一般组成形式的各个部分，它可以通过键盘方式输入和编辑数控加工程序，通过通信方式输入其他计算机CAD/CAM系统或工作站计算机所提供的数控加工程序。

CNC装置与数控系统的其他部分通过接口相连。CNC装置与通用计算机一样，是由中央处理器（CPU）及存储数据与程序的存储器等组成。存储器分为系统控制软件程序存储器（ROM）、加工程序存储器及工作存储器（RAM）。ROM中的系统控制软件程序由数控系统生产厂家编写，用来完成CNC系统的各项功能，数控机床操作者将自行编制的零件加工程序存储在RAM中，供数控系统用于控制机床加工零件时调用。工作存储器是系统程序执行过程中的活动场所，用于参数、中间运算结果保存等。中央处理器（CPU）执行系统程序、读取加工程序，经过加工程序段译码、预处理计算，然后根据加工程序段指令，进行实时插补与机床位置伺服控制，同时将辅助动作指令通过可编程序控制器（PLC）发往机床，并接收通过可编程序控制器返回的机床各部分状态信息，以决定下一步操作。

（1）数控系统硬件组成 硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了装置的基本功能，不同的系统其组成结构不同，功能也相去甚远，根据功能可采用不同的结构。CNC装置的硬件一般分为单CPU结构和多CPU结构。

单CPU结构的CNC装置采用集中控制，分时处理数控的每一个任务。单CPU结构的CNC装置的特点是：CNC系统内只有一个CPU，对存储、插补运算、输入/输出控制等功能都由它集中控制，分时处理。

多CPU结构的CNC装置中有两个或两个以上CPU构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，资源共享。有的有两个或两个以上的CPU结构功能模块，功能模块间采用松耦合，有多重操作系统，可有效地实现并行处理。多CPU结构的CNC装置的特点是：运算速度快，性能价格比高，适应性强。

图1-5 计算机数控系统组成

（2）数控系统软件结构 CNC系统同一般计算机系统一样，软件和硬件在逻辑上是等价的。在CNC系统中由硬件完成的工作，原则上也可以由软件来完成，但是硬件和软件各有不同的特点。硬件处理速度较快，专用性强，但造价较高，软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢。CNC是实时控制系统，实时性要求最高的任务就是插补运算和位置控制，即在一个运算周期中不但必须完成控制策略的计算，而且还要留出一定的时间去做管理工作。传统的CNC系统的插补是由硬件来实现的，随着计算机运算速度的大幅度提高，现代CNC系统的插补主要由软件来实现，不同的实现方法决定了它们的控制精度、插补算法的运算时间，并直接影响其性能价格比。

CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。

CNC系统作为一个独立的过程控制单元用于控制各种对象，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下，管理和控制的某些任务必须同时进行。例如，管理软件的显示模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时进行。如为保证加工的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须同时进行，而插补又必须与位置控制同时进行。

CNC装置软件的另一个特点是实时中断处理。CNC装置的多任务和实时性的要求决定了中断处理为其必不可少的组成部分。中断管理主要靠硬件完成，而中断结构则决定了其软件的结构。CNC装置的外部中断如键盘中断、监控中断等，内部定时中断包括插补周期定时中断和位置采样中断，还有硬件故障中断和程序出现异常情况的中断等。