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淺談?dòng)?jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
論文關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng),cnc系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)）是在硬件數(shù)控的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它用一臺(tái)計(jì)算機(jī)代替先前的數(shù)控裝置所完成的功能。所以，它是一種包含有計(jì)算機(jī)在內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的控制程序執(zhí)行部分或全部數(shù)控功能。依照EIA所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的定義，CNC是用一個(gè)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的一部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口。目前在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中所用的計(jì)算機(jī)已不再是小型計(jì)算機(jī)，而是微型計(jì)算機(jī)，用微機(jī)控制的系統(tǒng)稱為MNC系統(tǒng)，亦統(tǒng)稱為CNC系統(tǒng)。

　　由上述定義可知，CNC系統(tǒng)與傳統(tǒng)NC系統(tǒng)的區(qū)別在于：CNC系統(tǒng)附加一個(gè)計(jì)算機(jī)作為控制器的一部分，其組成框圖如圖3-1所示。圖中的計(jì)算機(jī)接收各種輸入信息(如鍵盤(pán)、面板等輸入的指令信息)，執(zhí)行各種控制功能(如插補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)行管理等等)。而硬件電路完成其他一些控制操作。

　　

　　圖3-1 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)方框圖

　　二、CNC系統(tǒng)軟件

　　這里指的是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專(zhuān)用軟件，即存放于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的系統(tǒng)程序。

　　它一般由輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序等組成�，F(xiàn)分

　　三、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　與NC系統(tǒng)相比，CNC系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)有：

　　靈活性

　　這是CNC系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的NC系統(tǒng)，一旦提供了某些控制功能，就不能被改變，除非改變相應(yīng)的硬件。而對(duì)于CNC系統(tǒng)，只要改變相應(yīng)的控制程序就可以補(bǔ)充和開(kāi)發(fā)新的功能，并不必制造新的硬件。CNC系統(tǒng)能夠隨著工廠的發(fā)展而發(fā)展，也能適應(yīng)將來(lái)改變工藝的要求。在CNC設(shè)備安裝之后，新的技術(shù)還可以補(bǔ)充到系統(tǒng)中去，這就延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用期限。因此，CNC系統(tǒng)具有很大的“柔性”——靈活性。

　　通用性

　　在 CNC 系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)，依靠軟件變化來(lái)滿足被控設(shè)備的各種不同要求。采用標(biāo)準(zhǔn)化接口電路，給機(jī)床制造廠和數(shù)控用戶帶來(lái)了許多方便。于是，用一種 CNC 系統(tǒng)就可能滿足大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床 (包括車(chē)床、銑床、加工中心、鉆鏜床等) 的要求，還能滿足某些別的設(shè)備應(yīng)用。當(dāng)用戶要求某些特殊功能時(shí)，僅僅是改變某些軟件而已。由于在工廠中使用同一類(lèi)型的控制系統(tǒng)，培訓(xùn)和學(xué)習(xí)也十分方便。

　　可靠性

　　在CNC系統(tǒng)中，加工程序常常是一次送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)，避免了在加工過(guò)程中由于紙帶輸入機(jī)的故障而產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象 (普通數(shù)控裝置的故障有一半以上發(fā)生在逐段光電輸入時(shí)) 。同時(shí)，由于許多功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件系統(tǒng)所需元器件數(shù)目大為減少，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大改善，特別是隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的采用，系統(tǒng)可靠性更為提高。據(jù)美國(guó)第13屆 NCS 年會(huì)統(tǒng)計(jì)的世界上數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間是：硬線NC系統(tǒng)為136h ，小型計(jì)算機(jī)CNC系統(tǒng)為984h ，而微處理機(jī) CNC 系統(tǒng)據(jù)日本發(fā)那科公司宣稱已達(dá)23000h 。

　　易于實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能

　　CNC 系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)的高度計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)的復(fù)雜的數(shù)控功能。刀具偏移、英公制轉(zhuǎn)換、固定循環(huán)等都能用適當(dāng)?shù)能浖�程序予以�?shí)現(xiàn)；復(fù)雜的插補(bǔ)功能，例如拋物線插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)等也能用軟件方法來(lái)解決；刀具補(bǔ)償也可在加工過(guò)程中進(jìn)行計(jì)算；大量的輔助功能都可以被編程；子程序概念的引入，大大簡(jiǎn)化了程序編制。

　　使用維修方便

　　CNC 系統(tǒng)的一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是有一套診斷程序，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，減少了維修的停機(jī)時(shí)間。

　　三、CNC系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和表面安裝技術(shù)的發(fā)展，CNC系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進(jìn)。從CNC系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。

　　所謂整體式結(jié)構(gòu)是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機(jī)箱內(nèi)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，但有時(shí)可能造成某些信號(hào)連線過(guò)長(zhǎng)。分體式結(jié)構(gòu)通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一個(gè)部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，兩者之間用導(dǎo)線或光纖連接。許多 CNC 機(jī)床把操作面板也單獨(dú)作為一個(gè)部件，這是由于所控制機(jī)床的要求不同，操作面板相應(yīng)地要改變，做成分體式的有利于更換和安裝。

　　CNC 操作面板在機(jī)床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺(tái)式等多種。

　　從組成CNC系統(tǒng)的電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，有兩種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，即大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。

　　四、CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，其中最突出的是多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷。

　　五、CNC系統(tǒng)的控制軟件及其工作過(guò)程

　　控制軟件是為完成特定CNC(或MNC)系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專(zhuān)用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件(或系統(tǒng)程序)。因?yàn)镃NC(或MNC)系統(tǒng)的功能設(shè)置與控制方案各不相同，各種系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上差別很大。系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)與各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)及其將來(lái)的擴(kuò)展有最直接的關(guān)系，是整個(gè)CNC(或MNC)系統(tǒng)研制工作中關(guān)鍵性的和工作量最大的部分。

　　前面曾提到，系統(tǒng)軟件一般由輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理(預(yù)計(jì)算)、插補(bǔ)運(yùn)算、速度控制、輸出控制、管理程序及診斷程序等部分構(gòu)成。下面分別加以介紹。

　　1、輸入

　　CNC系統(tǒng)中一般通過(guò)紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)、磁盤(pán)及鍵盤(pán)輸入零件程序，且其輸入大都采用中斷方式。在系統(tǒng)程序中有相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，如紙帶閱讀機(jī)中斷服務(wù)程序及鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序等。當(dāng)紙帶閱讀機(jī)讀入一個(gè)字符至接口中時(shí)，就向主機(jī)發(fā)出中斷，由中斷服務(wù)程序?qū)⒃撟址�送入�?nèi)存。同樣，每按一個(gè)鍵則表示向主機(jī)申請(qǐng)一次中斷，調(diào)出一次鍵盤(pán)服務(wù)程序，對(duì)相應(yīng)的鍵盤(pán)命令進(jìn)行處理。

　　2、譯碼

　　由前面的討論可知，經(jīng)過(guò)輸入系統(tǒng)的工作，已將數(shù)據(jù)段送入零件程序存儲(chǔ)器。下一步就是由譯碼程序?qū)⑤斎氲牧慵�程序�?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識(shí)別的語(yǔ)言。一個(gè)數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至插補(bǔ)工作寄存器需經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

　　3、預(yù)計(jì)算

　　為了減輕插補(bǔ)工作的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，常常在插補(bǔ)運(yùn)算前先進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，例如，確定圓弧平面、刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算等。當(dāng)采用數(shù)字積分法時(shí)，可預(yù)先進(jìn)行左移規(guī)格化的處理和積分次數(shù)的計(jì)算等，這樣，可把最直接、最方便形式的數(shù)據(jù)提供給插補(bǔ)運(yùn)算。

　　4、插補(bǔ)計(jì)算

　　插補(bǔ)計(jì)算是CNC系統(tǒng)中最重要的計(jì)算工作之一。在傳統(tǒng)的NC裝置中，采用硬件電路(插補(bǔ)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種軌跡的插補(bǔ)。為了在軟件系統(tǒng)中計(jì)算所需的插補(bǔ)軌跡，這些數(shù)字電路必須由計(jì)算機(jī)的程序來(lái)模擬。利用軟件來(lái)模擬硬件電路的問(wèn)題在于：三軸或三軸以上聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)具有三個(gè)或三個(gè)以上的硬件電路(如每軸一個(gè)數(shù)字積分器)，計(jì)算機(jī)是用若干條指令來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)工作的。但是計(jì)算機(jī)執(zhí)行每條指令都須要花費(fèi)一定的時(shí)間，而當(dāng)前有的小型或微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度難以滿足NC機(jī)床對(duì)進(jìn)給速度和分頻率的要求。 因此，在實(shí)際的CNC系統(tǒng)中，常常采用粗、精插補(bǔ)相結(jié)合的方法，即把插補(bǔ)功能氛圍軟件插補(bǔ)和硬件插補(bǔ)兩部分，計(jì)算機(jī)控制軟件把刀具軌跡分為若干段，而硬件電路再在段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡在允許的誤差之內(nèi)，即軟件實(shí)現(xiàn)初插補(bǔ)，硬件實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)。下面以三坐標(biāo)直線插補(bǔ)為例予以說(shuō)明。

　　5、輸出

　　輸出程序的功能是：

　　(1) 進(jìn)行伺服控制。如上所述。

　　(2) 當(dāng)進(jìn)給脈沖改變方向時(shí)，要進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償處理。若某一軸由正向變成負(fù)向運(yùn)動(dòng)，則在反向前輸出Q個(gè)正向脈沖；反之，若由負(fù)向變成正向運(yùn)動(dòng)，則在反向前輸出Q個(gè)負(fù)向脈沖(Q為反向間隙值，可由程序預(yù)置)。

　　(3) 進(jìn)行絲杠螺距補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)具有絕對(duì)零點(diǎn)時(shí)，軟件可顯示刀具在任意位置上的絕對(duì)坐標(biāo)值。

　　(4) M,S,T等輔助功能的輸出。

　　6、管理與診斷軟件

　　一般CNC(MNC)系統(tǒng)中的管理軟件只涉及兩項(xiàng)，即CPU管理和外部設(shè)備管理。由于數(shù)控機(jī)床的加工是以單個(gè)零件為對(duì)象的，一個(gè)零件程序可以分成若干程序段。每個(gè)程序段的執(zhí)行又分成數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算、走刀控制、其他動(dòng)作的控制等步驟。通常情況下，這些加工步驟之間多是順序關(guān)系，因此實(shí)際的過(guò)程就是這些預(yù)定步驟的反復(fù)執(zhí)行。在實(shí)際系統(tǒng)中，通常多是采用一個(gè)主程序?qū)⒄麄�(gè)加工過(guò)程串起來(lái)，主控程序?qū)�輸入的�?shù)據(jù)分析判斷后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序處理，處理完畢后再返回對(duì)數(shù)據(jù)的分析、判斷、運(yùn)算……。在主控程序空閑時(shí)(如延時(shí))，可以安排CPU執(zhí)行預(yù)防性診斷程序，或?qū)ι形磮?zhí)行程序段的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理等。

　　在CNC系統(tǒng)中，中斷處理部分是重點(diǎn)，工作量也比較大。因?yàn)榇蟛糠謱?shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制步驟如插補(bǔ)運(yùn)算、速度控制、故障處理等都要由中斷處理來(lái)完成。有的機(jī)床將行程超程和報(bào)警、閱讀機(jī)請(qǐng)求、插補(bǔ)等分為多級(jí)中斷，根據(jù)其優(yōu)先級(jí)決定響應(yīng)的次序。有的機(jī)床則只設(shè)一級(jí)中斷，只是在中斷請(qǐng)求同時(shí)存在時(shí)，才用硬件排隊(duì)或軟件詢問(wèn)的方法來(lái)定一個(gè)順序。

　　能夠方便地設(shè)置各種診斷程序也是CNC和MNC系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。有了較完善的診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大。在故障出現(xiàn)后可以迅速查明故障的類(lèi)型和部位，減少故障停機(jī)時(shí)間。各種CNC(MNC)系統(tǒng)設(shè)置診斷程序的情況差別也很大。診斷程序可以包括在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行檢查和診斷；也可以作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后進(jìn)行診斷，查找故障的部位。國(guó)外一些公司的CNC系統(tǒng)還可以進(jìn)行通信(海外)診斷，由通信診斷中心指示系統(tǒng)或操作者進(jìn)行某些試運(yùn)行，以查找故障隱患或故障部位。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　以上內(nèi)容淺談了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及構(gòu)成。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是集高、精、尖技術(shù)于一體，集機(jī)、電、光、液于一身的高技術(shù)產(chǎn)物。具有加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)行業(yè)受到廣泛歡迎，在使用方面，也是越來(lái)越受到重視。

參考文獻(xiàn)
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