第三章 计算机数控 （ CNC）
系统的基本原理
本 章 重 点 内 容
刀 具 补 偿 原 理
插 补 原 理
CNC装置的硬件系统
CNC装置的软件系统
第三章 计算机数控 （ CNC）
系统的基本原理
第一节 概述
第三节 CNC的数据处理
第二节 插补原理
第四节 CNC的软件系统
第五节 CNC的硬件系统
第六节 典型 CNC系统实例
第一节 概 述
一,CNC系统的组成
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
程序 输入设备
输出
设备
CNC
装置
PC
位置
检测器
进给
电机
机床
主轴
电机主轴控制
单元
速度
控制
单元
二,CNC装置的结构
(一 )CNC装置的一般 硬件 结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设备层
机床
机器人
测量机
???
显示设备
输入 /输
出设备
其他设备
接
口
计算机基本系统 设备支持层
人机控制
运动控 制
PMC
其他 I/O
CNC装置硬件组成
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CPU
EPROM RAM IN接口 OUT接口
纸带
阅读机
MDI/
CRT
接口
位置
控制
其它
接口
总线
(二 )CNC装置 软件 的功能性结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
操作系统
管理软件
零
件
操
作
系
统
显
示
处
理
人
机
交
互
输
入
输
出
管
理
编
译
处
理
刀
具
半
径
补
偿
速
度
处
理
插
补
运
算
控制软件
?
???
(三 )CNC硬件、软件的作用和相互关系
CNC装置的硬件和软件构成了 CNC装置的 系统平台,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数控加工系统
CNC装置的系统平台
被控设备
机 床
机器人
测量机
? ?
根据用户
要求开发
应用
软件
控 制
软 件
管 理 程 序
操作系统
硬 件
接 口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
＊ 该平台提供 CNC装置基本配置的 必备功能
＊ 该平台根据用户要求进行 功能设计和开发
CNC平台的建构方式就是 CNC装置的体系结构。
该平台由以下 两 个方面的含义,
三,CNC装置的功能
基本
功能
选择
功能
数控系统基本配置的功能，即必备的功能
用户可以根据要求选择的功能
四,CNC系统的特点
☆ 灵活性大
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
只要改变系统软件，就可改变和扩展其功能，
补充新技术，延长硬件结构的使用期
☆ 通用性强
硬件有多种通用的模块化结构，易于扩展
☆ 可以实现复杂的功能
如高次曲线插补、动静态图形显示等功能
☆ 可靠性高
☆ 使用维修方便
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
许多功能由软件实现，硬件结构大大简化,
用大规模和特大规模通用和专用集成电路
CNC的诊断程序使维修非常方便
☆ 易于实现机电一体化
半导体集成电路技术的发展和采用先进的
制造安装技术,使 CNC装置尺寸大为缩小。
K9M铣床数控系统
K9M铣床数控系统（立式 1）
K9M铣床数控系统（箱式）
K9T铣床数控系统（箱式）
四、几个典型的 CNC系统
♂ 美国艾伦 ?勃兰特雷公司本世纪 70年代中期生产
的 7360系统,是世界上第一个 CNC系统，是该
公司于 1971年公布的。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
♂ 世界著名控制系统制造商日本富士通法努克在
本世界 70年代中期生产的 System 7，包括 7T和
7M 两种。
♂ 美国著名的飞机制造公司麦克唐纳 ?道格拉斯公
司生产的 Actrion Ⅲ, 是一个典型的分布式微型
计算机数控系统。
返 回
第二节 插补原理
§ 2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一,什么是插补
数控装置根据输入的零件程序的信息，将
程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空
间进行数据密化，用一个个输出脉冲把这一
空间填补起来，从而形成要求的轮廓轨迹，
这种, 数据密化, 机能就称为, 插补, 。
第三章计算机数控（ ）系统的基本原理
零件程序 …
N12 G00 X12 Y24
N13 G01 X24 Y56
…
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
y
x0 12
24
24
56
直线插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
零件程序提供直线段的起点、终点坐标,数控装置
将这两点之间的空间进行数据密化,用一个个输出
脉冲把空间填补起来,从而形成要求的直线轨迹。
…
N12 G00 X12 Y24
N13 G01 X24 Y56
…
y
x0 12
24
24
56
圆弧插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
零件程序提供圆弧起点、终点、圆心坐标,数控
装置将起点、终点之间空间进行数据密化,用一个
个脉冲把这一空间填补成近似理想的圆弧,即对圆
弧段进行数据密化。
…
N12 G00 X40 Y30
N13 G03 X0 Y50 R50
?
50
40
30
y
0 X
R
二维插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对于平面曲线，通过二个坐标的插补运算，就能
控制两个坐标轴走出所需轨迹。
y
x0 12
24
24
56
50
40
30
y
0 X
R
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对于空间曲线 (三维、四维 ?),需要多个坐标
轴联动，也就需要多个坐标的插补运算。
多维插补
A(Xe,Ye,Ze)
Z
Y
X
O
Xe
Ye
Ze
二,软件插补算法
Ⅰ,脉冲增量插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
产生的单个行程增量，以一个个 脉 冲
方式输入给伺服系统。
原理
y
x0 12
24
24
56
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
步进电机为驱动装置的开环数控系统。
计算机
数控柜
步进电机
驱动电源
步进
电机
机 床
滚珠丝杆
应用
Ⅱ,数字采样插补（ 时间标量插补 ）
插补程序每调用一次，算出坐标轴在一个
周期中的增长 段 （ 不是脉冲 ），得到坐标轴
相应的指令位置，与通过位置采样所获得的
坐标轴的现时的实际位置（数字量）相比较,
求得 跟随误差 。位置伺服软件将根据当前的
跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令，
输出给驱动装置。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.插补程序的调用周期和系统的位置采样周期相同
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
? 美国 Allen－ Bradley公司的 7300 CNC 系列
2,调用周期是系统的位置采样周期的整数倍
? 西门子公司的 System－ 7 CNC 系统，采用 8ms
的插补周期和 4ms的位置反馈采样周期
应用
适用于闭环和半闭环，以直流（或交流）
电机为驱动装置的位置采样系统。
类型
目前的 MNC系统常采用以下结构方式完成插补运算
i 采用软 /硬件配合实现插补方案的单微机系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
※ FANUC 的 System－ 5
ii 具有分布式微机系统
※ 麦唐纳 · 巴格拉斯公司 Actrion III 型 MNC系统
iii 具有单台高性能微型计算机 NC系统
※ 西德西门子公司的 System-7 CNC 系统
§ 2.2 逐点比较法插补原理
基本思想
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲当量 ?
被控对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都
要和规定的轨迹进行比较，由比较结果决策下
一步移动的方向。
一个脉冲所产生的坐标轴的移动量 mm/p。
逐点比较法既可实现直线插补，又可实现圆弧插补。
Ⅰ, 直线插补
(一 ).偏差计算公式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图所示，设规定轨迹为
直线段 OE，起点在原点，
终点 E的坐标为 E(Xe,Ye),
第一象限 Pi(xi,yi)为加工点
（轨迹点） 。
1.若 P正好处在 OE 上,则下式成立。
xi =
yi ye
xe 即 xeyi － xiye=0
y
0 x
E(Xe,Ye)
Pi(xi,yi)
2.当 P在 OE上方时，
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
即 xeyi－ xiye>0
3.当 P在 OE下方时，
即 xeyi－ xiye<0
xi <
yi
xe
ye
xi >
yi
xe
ye
E(Xe,Ye)y
x
Pi(xi,yi)
0
E(Xe,Ye)
y Pi(x
i,yi)
x0
∴ 判别函数 F为 F＝ XeYi-XiYe
由 F可判别动点 Pi与理想轨迹的相对位置，从而决定下
一步移动方向。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
y
0 x
E(xe,ye)
F>0，点 Pi在直线上方，应向 +X移动。
F<0，点 Pi在直线下方，应向 +Y移动。
F=0，点 Pi在直线上，为方便，将 F=0 归 F>0。
为便于计算机编程计算,将 F的计算予以简化。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设第 I象限中动点 Pi(xi,yi)的 F值为 Fi，
Fi＝ XeYi-XiYe
1.若沿 +x向走一步，即
?
?
?
?
?
??
?
??
???
?
?
eiiii
ii
ii
yxyxF
yy
xx
111
1
1
,1
于是有 Fi+1 = Fi － Ye
Pi(Xi,Yi)
E(xe,ye)y
0 x
Pi+1(Xi+1,Yi+1)
2.若沿 +y向走一步，即
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?
?
?
?
?
??
?
??
???
?
?
eiiei
ii
ii
yxyxF
xx
yy
111
1
1
,1
于是有
eii XFF ??? 1
? 新加工点的偏差完全可以用前一加工点的偏差递推。
x
y
0
Pi(Xi,Yi)
Pi+1
E(xe,ye)
(二 )终点判别的方法有两种：
1.每走一步，判断动点 Pi(xi,yi)的坐标值是否与
终点坐标相同，即
Xi-Xe ≥ 0且 Yi-Ye≥0
若两式同时满足，插补结束。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2,求程序段总步数 n=Xe+Ye
每走一步,n?1?n，直到 n=0，插补结束。
(三 )插补计算过程：（用 流程图 表示 ）
终 点 到？
初始化
偏 差 判 别
坐 标 进 给
偏 差 计 算
End
Y
N
第 I 象限直线插补软件流程图
(四 )不同象限的直线插补计算
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 xe,ye,n=xe+ye,F=0
F?0？
+x方向走一步 +y方向走一步
F← F － Ye F ← F + Xe
n-1→n
n＝ 0
End
Y
NY
N
y
0 x
E(xe,ye)
用同样方法分析第 II,III,? 象限插补情况，
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
-X
+Y
F<0(+Y)
F>0(-X)
F>0(-X)
F>0(+X)
F<0(-Y)
F<0(+Y)
F>0(+X)
F<0(-Y)
+X
-Y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图所示,可以得出：
都是沿 x方向步进，无论 +x,-x,|x|总是增大，
走 +x或 -x由象限标志控制 (跟随 Xe的＋、－）
F≥ 0
+Y
F<0
F>0
F>0
F>0
F<0
F<0
F>0
F<0 +X
-Y
均沿 y方向步进，无论 +y,-y,|y|增大，
I,II走 +y,III,IV走－ y（随 ye的＋，－）。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F<0
+Y
F<0
F>0
F>0
F>0
F<0
F<0
F>0
F<0 +X
-Y
下图所示，轮廓形状
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
C
x
y
0
B
A
D
ad
bc
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
a.看成是第 I象限，起点 O1，终点 O2，输出为＋ x,＋ y
b.看成是第 Ⅱ 象限，起点 O2，终点 O3，输出为－ x,＋ y
c.看成是第 Ⅲ 象限,起点 O3,终点 O4,输出为－ x,－ y
d.看成是第 IV象限,起点 O4,终点 O1,输出为＋ x,－ y
C
x
y
0
B
A
D
ad
bc
x
y
x
y
x
y
x
y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 |Xe|,|Ye|
N=|Xe|+|Ye |
F>0?
沿 Xe向走一步 沿 Ye向走一步
F← F-| Ye | F← F+|Xe|
N=0?
End
Y N
NY
四个象限直线插补流程图可归纳为下图所示，
则 n=|xe－ x0|＋ |ye－ y0|
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
例 1 对直线段 OE进行插补运算,E点坐标为 (5,3)，
试写出控制装置内插补运算步骤。
解：初始化：
xe=5,ye=3
F?0 ?X F=F-3
F<0 ?Y F=F+5
y
x0
E(5,3)
序号 判别 F 进给 F计算 终点判别 (n-1?n)
1 0 ?X -3 7?0
2 -3<0 ?Y 2 6?0
3 2>0 ?X -1 5?0
4 -1<0 ?Y 4 4?0
5 4>0 ?X 1 3?0
6 1>0 ?X -2 2?0
7 -2<0 ?Y 3 1?0
8 3>0 ?X 0 0 终点到
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F?0 ?X F=F-3 F<0 ?Y F=F+5
y
x0
5
3
Ⅱ,圆弧插补
(一 ).偏差计算公式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
若 Pi在圆弧上,
则 （ xi2+ yi2) -(x02+ y02)=0
取判别函数 F为 F=(xi2+ yi2) -(x02+ y02)
X
Y E(xe,ye)
A(x0,y0)
O
Pi
(xi,yi)
圆心为原点，圆弧
起点坐标 (x0,y0)，
终点坐标 (xe,ye)，
设动点 Pi(xi,yi)。
1.动点在圆弧外,F > 0,向 -x 走一步；
2.动点在圆弧内,F < 0,向 +y 走一步；
3.动点在圆弧上,F = 0,向 -x 走一步。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
A(x0,y0)
E(xe,ye)
Pi
x
y
0
F=(xi2+ yi2) -(x02+ y02)
(二 )终点判别的方法有两种：
1、动点与终点坐标值比较
若 xi=xe,x 向已到终点
若 yi=ye,y 向已到终点
只有当 x,y都到达终点，插补才算完成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2、计算总步数 n=|Xe-X0|+ |Ye-Y0|
每走一步,n-1→n,直到 n=0,插补结束
(三 )插补计算过程：（用 流程图 表示 ）
A(x0,y0)
E(xe,ye)
Pi
y
终 点 到？
Y
End
N
初始化
偏 差 判 别
坐 标 进 给
偏 差 计 算
坐 标 计 算
(四 )不同象限的直线插补计算
1、第一象限逆圆插补
动点在 -X方向走一步后
xi+1=xi -1 yi+1=yi
Fi+1=(xi-1)2+yi2-(x02+y02)
=Fi-2xi+1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
动点在 +Y方向走一步后
Fi+1=xi2+(yi+1)2-(x02+ y02)= Fi+2yi+1
第一象限逆圆插补的流程图如图所示
Pi
Pi+1
Pi
xA
E
Pi+1
0
y
第一象限逆圆
插补流程图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 起点 (x0,y0)
终点 (xe,ye) F=0
F≥0？
+Y方向走一步 -X方向走一步
F=F+2Y+1
Y=Y+1
F=F-2X+1
X=X-1
插补完?
End
N
Y
N Y
2、第一象限顺圆插补
F≥0
动点在 -Y方向走一步后
Fi+1=Fi-2Yi+1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第一象限顺圆插补的流程图如图所示
F<0
动点在 +X方向走一步后
Fi+1=Fi-2Xi+1
Pi
Pi+1
Pi Pi+1
x
y
0
A
E
第一象限顺圆
插补流程图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 起点 (x0,y0)
终点 (xe,ye) F=0
F≥0？
+X方向走一步 -Y方向走一步
F=F+2X+1,X=X+1 F=F-2Y+1,Y=Y-1
插补完?
End
N
Y
N Y
3、圆弧插补有八种情况表示如下图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4、四个象限顺圆、逆圆插补表
走向 走 步 条 件 计 算 公 式
+X
第一象限、顺圆,F<0
Xn＝ Xn＋ 1
Fn＋ 1＝ Fn＋ 2Xn＋ 1
Xe－ Xn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F≥0
第三象限、逆圆,F≥0
第四象限、逆圆,F<0
－ X
第一象限、逆圆,F≥0
Xn＝ Xn－ 1
Fn＋ 1＝ Fn－ 2Xn＋ 1
Xe－ Xn＋ 1＝ 0？
第二象限、逆圆,F<0
第三象限、顺圆,F<0
第四象限、顺圆,F≥0
圆弧插补表
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
走向 走 步 条 件 计 算 公 式
+Y
第一象限、逆圆,F<0
Yn＝ Yn＋ 1
Fn＋ 1＝ Fn＋ 2Yn＋ 1
Ye－ Yn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F<0
第三象限、顺圆,F≥0
第四象限、逆圆,F≥0
-Y
第一象限、顺圆,F≥0
Yn＝ Yn－ 1
Fn＋ 1＝ Fn－ 2Yn＋ 1
Ye－ Yn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F≥0
第三象限、逆圆,F<0
第四象限、逆圆,F<0
例 2.欲加工第 I象限逆圆弧,起点 A,x0=4,y0=3;
终点 E:xe=0,ye=5，试写出插补计算步骤,
解,初始化
x=x0=4
y=y0=3
F=0
n=|Xe-Xi|+ |Ye-Yi|=6
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F表达式：
F≥0,-ΔX,F-2X+1→F,X-1→X
F<0,+ΔY,F-2y+1→F,y+1→y
y
E
0 X
A
4
3
5
序号 F判别 进给 F坐标更新 终点判别
1 0 -Δ X F=0-2× 4+1=-7 6-1=5≠0
x=4-1=3
2 -7<0 Δ Y F=-7+2× 3+1=0 5-1=4≠0
y=3+1=4
3 0 -Δ X F=0-2× 3+1=-5 4-1=3≠0
X=3-1=2
4 -5<0 Δ Y F=-5+2× 4+1=4 3-1=2≠0
y=4+1=5 y轴达终
5 4>0 -Δ X F=4-2× 2+1=1 2-1=1≠0
x=2-1=1
6 1>0 -Δ X F=1-2× 1+1=0 1-1=0 插补完
F=1-1=0 X轴达终
y
E
0 X
A
4
3
5
§ 2-3 数字积分法
1、基本概念
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
采用积分运算实现插补，又称 DDA法。
DDA(Digital Differential Analyzer)
2、优点
易于实现多维插补和原有系统多个坐标轴
联动的扩充,尤其多坐标联动的数控系统
一,DDA直线插补
设对直线 OE进行脉冲分配
起点 O(0,0)，终点 E(xe,ye)
直线方程 y/x=ye/xe
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
e
e
x
y
dtdx
dtdv
?
/
/对 t求导
即 Vy/Vx=Ye/Xe
令动点 P，在 x,y轴方向的速度分别是 Vx,Vy,
在 x,y方向的微小位移增量为 ΔX, ΔY则：
E(xe,ye)y
x0
Vy
Vx
V
ΔX = Vx ·Δt
ΔY = Vy ·Δt
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）
假定进给速度 V是均匀的，即 V为常数，对于直线
函数来说,其分速度 Vx,Vy必为常数,且有下式
e
e
y
x
y
X
V
V
?
引入比例系数 K，有
Vx = K ? Xe
Vy = K ? Ye
（ 2）
将 (2)式代入 (1)式，即为坐标轴位移增量
Δx = K ? Xe ? Δt
Δy = K ? Ye ? Δt
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 3）
位移量为
??
?
???
n
i
t
e K X edtKXx
1
0
??
?
???
n
i
e
t
e tKydtKyy
1
0
取单位时间 Δ t=1，则公式化为
t
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
n
i
e
n
i
e
Kyy
KXX
1
1
（ 3）
Σ ≥ 1走一步 → Σ -1→ Σ
→
余值作为
下次累加的余值
Σ +Σ KXe+Σ KYe→ 不断累加 不断溢出溢出脉冲数符合 (3)式
得出接近理想的直线轨迹→
→
累加多少次，才能达到加工终点呢？ K=？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设经过 m 次累加后，达到终点，由 (3)式知，
m次累加后 X = m ? K ? Xe = Xe
Y = m ? K ? Ye = Ye
于是，必须使 m ? k=1，或 m=1/k
i,累加 1/k次后,x, y方向同时到点溢出的
脉冲总数 X=Xe,Y=Ye
ii,K与 m互为倒数关系, m必须是整数,
故 K必是小数。
确定 m(K)：
方法 1：
每次累加，在每个轴上最多只能产生一个进给脉冲。
式 (2)中的 Δx,Δ y相同地要小于等于一个脉冲当量，即
要求
KXe≤1 KYe≤1 (Ⅰ )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
,则必然满足 (I)式的条件。
Xe,Ye的最大允许值受系统字长的限制,假设系统
字长为 m,则 Xe,Ye的最大允许值为 2?-1，若取
2?K=
1
方法 2：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
假设 Xe>Ye,即 X轴累加溢出脉冲总数多于 Y轴,
累加最有效的情况是,每次累加,X轴都有脉冲溢
出,Y轴则不一定,于是选累加次数 m=Xe，则
K= 1/Xe.将 (3)式改写成：
??
??
??
??
??
??
n
i
e
e
n
i
e
n
i
e
e
n
i
e
Y
x
Y
m
y
X
x
X
m
x
11
11
11
11
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
每次累加
1.X轴必有脉冲溢出,(不必要进行累加计算 )
2.Y轴的累加结果大于或等于 m(Xe)时才产生
溢出,发出一个脉冲,故 m又称为溢出基值,
作为是否有脉冲溢出的判别条件
作为终点判别条件
溢出余值 m
设有 x1,x2?? xp个坐标轴同时插补，则令
m=max {x1,x2,^xp},m对应的轴 xm称为
主导轴 每次累加，主导轴必有脉冲溢出，
而其余轴
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
推广到 P个坐标轴同时插补的情况。
?
?
?
n
i
jej xmx
1
1
即以终点坐标作为被积函数 (增量 )进行累加，
累加结果大于或等于 m时,产生溢出,发出一个
脉冲,当经 m次累加计算后,主导轴 xm 达到终点。
此时,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
jeje
n
i
jej xmxmxmx ???? ?
?
11
1
即其余各轴也同时到达了终点。
优 点
1.减少了一个坐标轴 (主导轴 )的累加运算
2.保证了每次累加必有脉冲输出
4.减少了插补程序的长度和插补运算时间
3.提高了脉冲发生率
解,初始化 m=xe=5 Σy=0 累加增量为 3
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
例 3 设有直线 OE,起点在原点，终点 E(xe=5,ye=3)
用 DDA法 实现插补。
y
x0 5
3 E
43
2
1
21
4
5
累加次数 累加求和 判 别 脉冲溢出
n ye+Σy→Σy Σy≥m? Δy Δx
1 3+0=3 3<5 0 1
2 3+3=6 6>5
6-5=1→ Σy 1 1
3 3+1=4 4<5 0 1
4 3+4=7 7>5 1 1
7-5=2→ Σy
5 3+2=5 5=5 1 1
END
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
DDA 逐
累加次数 5 8
一次最多移动坐标轴 2 1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
预置了初值的插补结果见例 3。
?
?
?
?
?
?
????
?
?
?
m
mm
5.05.0,5.0 入进
比较例 1,用逐点比较法进行直线插补，区别
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
累加次数 累加求和 判 别 脉冲溢出
n ye+Σ y→ Σ y Σ y≥m? Δ y Δ x
1 3+2=5 5=5 5-5=0→ Σ y 1 1
2 3+0=3 3<5 0 1
3 3+3=6 6>5 6-5=1→ Σ y 1 1
4 3+1=4 4<5 0 1
5 3+4=7 7>5 7-5=2→ Σ y 1 1
例 3中,Σy=m/2=2
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
x0 5
3 E
43
2
1
21
4
5
与例三比较，两次插补轨迹分别如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
以第 I象限顺圆为例
圆方程为,x 2+y 2=r 2
对时间 t求导
kx
ky
x
y
dtdy
dtdx ????
/
/
由此设出第 I象限顺圆坐标轴方向的速度分量为
Vx = Ky
Vy = － Kx
此式说明，速度分量是随动点变化的。
V Vy
Vx
E
A
y
x0
二,DDA圆弧插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
tKxy
tKyx
????
???
位移量
? ?
?
???
n
i
i tKyk y d tx
1取单位时间 Δt=1
则：
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
n
i
i
n
i
i
Kxy
Kyx
1
1
（ 4）
坐标轴位移增量
由此构成如图所示的插补原理框图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
X轴被积函数寄存器
Y积分累加器
＋
X积分累加器
＋
Y轴被积函数寄存器
插补迭代
控制脉冲
X轴
溢出脉冲
Y轴
溢出脉冲
Δt ΔXΔY
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
考虑用半径 r的数字量作为溢出余值 k=1/r.
于是 (4)式变为：
?
?
?
?
??
?
n
i
i
n
i
i
x
r
y
y
r
x
1
1
1
1
x,y的增量值分别为 y,x轴的动点坐标值 (yi,xi)
累加多少次才能达到终点？ K=？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 预置累加增量值
x,y轴累加增量初值分别为 y0,x0 (Δx,Δy)
② x轴累加求和,∑x+Δx-y→ ∑x
得出的溢出脉冲发到 +x向
y轴累加求和,∑y+Δy-x→ ∑y
得出的溢出脉冲发到 -y向
③ 坐标值更新，
当 x向发出脉冲后,x+1 →x=Δy
更新 y轴累加增量值 y
插补过程如下：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
④ 判终
将 ③ 中计算出的坐标瞬时值与圆弧终点坐标
进行比较，当有一个轴达终，该轴就停止计算，
不再有脉冲溢出，只有当两轴都达到终点时，
插补运算结束。
即当 y向发出脉后,y-1→y=Δx，
更新 x轴累加增量值 x
不同象限，顺逆不同，插补公式也不一样。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
解,溢出基值 m=r=5
x轴增量值 Δx=y0=5
y轴增量值 Δy=x0=0
∑x=∑y=0
插补过程如下：
例 4.用 DDA法进行圆弧插补，半圆弧 AE起点 A(0,5),
终点 E(5,0),半径 r=5。
x0
y
A
E
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
累加
次数
X
求和
X
溢出
更新
∑x-y→∑x
Y
求和
Y
溢出
更新
∑y-r→∑y
n y+∑x→∑x x+1 →x x+ ∑y→∑y y-1→1
1 5+0=5→x 1 0 →∑x 1+0→∑y 0
0+1→x
2 5+0 →∑x 1 0 →∑x 1+2=3→∑y 0
2→x
3 5+0 →∑x 1 0 →∑x 3+3=6→∑y 1 1→∑y
3→x 5-4=1→∑y
4 4+0 →∑x 0 3+1=4→∑y 0
5 4+4 →∑x 1 3→∑x 4+4 →∑y 1 3→∑y
4→x 4-1=3→∑y
6 3+3→∑x 1 1→∑x 5+3→∑y 1 3→∑y
5→x (x 达终 ) 2→y
7 5+3→∑y 1 3→∑y
1→y
8 5+3→∑y 1 3→∑y
0→y (y 达终 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
三、提高积分法插补的精度
1.直线插补时的四舍五入
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
坐标轴积分值＝溢出脉冲数＋余数
※ 其方法是在插补前，为各积分累加器预置
溢出值的一半，从而容易地了实现四舍五入。
1）,当余数 <0.5时，舍去
2）,余数 ≥0.5 时则发出一个脉冲，即四舍五入
功能，以提高插补精度。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
解决措施
产生原因
2、减小 DDA圆弧插补轮廓误差的措施
1).圆弧插补时的初值预置
被积函数较小的坐标轴位置变化较另一个
轴慢，使插补出的轨迹向圆弧外扩展
累加单元预置一初值 (溢出余值的一半 ),
就可使较小坐标轴提早发生位置变化。
积分累加器初值为零
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
积分累加器预置了初值
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2).累加求和结果的互相影响
逆 I,III，顺 II,III,先 x后 y累加
逆 II,IIII，顺 I,III，先 y后 x累加
例, x的累加 x+∑y→∑y,
第一次累加,y累加产生输出并未立即影响到
x的输出，只是使 x的增量值 (y)改变 ;下一次累
加，才改变了的 y才影响到 x累加输出,
产生原因
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 2-4 时间分割法
基本思想
通过速度计算程序将进给速度 V分割成插补
周期的轮廓步长 f，然后进行插补计算，送
出各坐标轴的周期进给增量。
例,System－ 7CNC系统采用时间分割法，插
补周期为 8ms即在每次 8ms插补中断服务后，调
用一次插补程序。
一、直线插补
设要求刀具在 XOY
平面作直线运动，由
0点运动到 P点，则 X
轴和 Y轴的移动增量
为 Xe和 Ye。插补时，
取增量大的为长轴，
增量小的为短轴。要求 X,Y轴的速度保持一定的
比例，同时开始运动，同时到达终点。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Y
0
α
ΔX
ΔY
P(Xe,Ye)
X
设刀具的方向与长轴夹角为 α, OA为一次插补
的进给步长 f。由程序提供的 Xe和 Ye可以确定
tgα=
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Ye
Xe
cosα＝ 1
1+tg 2α
长轴插补进给量 Δ X=fcosα
短轴插补进给量 Δ Y＝ tgα · Δ X
二、圆弧插补
以顺圆插补为例，
顺圆上 B点时继 A
点之后的插补瞬时
点，其坐标分别为
A(Xi,Yi),
B(Xi+1,Yi+1)
X,Y轴的进给量分别
为 ΔX,ΔY
∠AOY= α,∠AOB= Δα
∠AOM=∠BOM=0.5 Δα β= α+0.5Δα
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Y
X0
Yi
Ym
Yi＋ 1
Xi Xm Xi＋ 1
A
BM
F
Δαα
ΔXi
ΔYiβ
由此可以推出 (Xi,Yi)与 ΔX,ΔY的关系式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
cosβ =cos(α i+0.5Δα)
Δ X Yi-0.5Δ Y Yi-0.5fcosβ=
Δ Y Xi+0.5Δ X Xi+0.5fcosβ=
反映圆弧上任意相邻两点间坐标间的关系
只要找到计算 Δ X和 Δ Y的恰当方法，就可以求出
新的插补点坐标：
Xi+1＝ Xi+ΔX
Yi+1＝ Yi+ΔY
1 什么叫插补？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
插补习题
2 插补器有几种分类方法？可分为哪几类？
3 常用的插补方法有哪些？
4 试述逐点比较法的插补过程。
5 偏差函数的作用是什么？
6 逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的？
它与刀具位置有何关系？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7 逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定?
偏差值如何计算？
10 圆弧插补时偏差函数如何定义？它与刀具位置
有何关系？
9 直线的起点坐标在原点 O(0,0)，终点 A的坐标
为 A（ 9,4）,试用逐点比较法对直线进行插补，
并画出插补轨迹。
11 数字积分插补法适用于什么场合？
8 逐点直线插补，怎样判断直线是否加工完毕?
12 插补运算中,DDA法是指 ( )
① 比较积分插被法 ② 单步追踪插补法
③ 数字积分插被法 ④ 逐点比较插被法
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
14 数字积分法圆弧插补的被积函数是什么？
如何判断终点？
13 数字积分法直线插被的被积函数是什么？
如何判断终点？
15 圆弧插补时进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
16 圆弧插补时，如何差别终点？
17 试画出逐点比较法直线插被的程序框图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
18 若插补器所用寄存器的长度为 n位，能插补的最
大直线尺寸是直线终点的纵、横坐标均应小于
19 用逐点比较法插补第二、三、四象限的直线时，
应该如何计算偏差？
③ 2 n-2
① 2 n-1
④ 2 -1n-2
② 2 -1n-1
返 回
第三节 CNC的数据处理
§ 3.1 CNC的输入
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC的输入主要是指 零件加工程序 的输入。
穿孔输出存 储 器
修正删除插入
阅读机
键 盘
无带运转
CNC装置数据转换流程如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
加
工
程
序
译
码
刀
补
处
理
速
度
预
处
理
插
补
处
理
位
置
处
理
伺
服
驱
动
刀补
缓冲区
运行
缓冲区
PLC
控制译码
缓冲区
位置
反馈
插补
缓冲区
存数过程
取数过程
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
纸 带
零件程序
零件程序
缓冲器
零件程序
存储器
零件程序
存储器
零件程序
缓冲器 译 码
CNC系统中通常的工作方式为 存储器工作方式 。
用 键盘命令 调出零件程序存储器中指定的零件
程序。但在工作中还允许用键盘输入修正程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
阅读机 零件程序存储器 MDI键盘
零件程序缓冲器 MDI缓冲器
译 码
§ 3.2 CNC的数据处理
§ 3.2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
进行插补运行前的准备。
译码、运动轨迹计算,F值计算
零件程序中每个程序段所经历的过程是：
零件
程序
缓冲区
译码
结果
寄存器
数据
结果
缓冲器
插补
工作
寄存器
译码
程序
数据处
理程序
传
送
内容
目的
§ 3.2.2 译 码
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
将标准的数控代码翻译成本系统能识别的形式。
如 N042 G01X40 Y20 F80。
识别代码，翻译成具有具体意义的数据形式，
并存入对应单元。
取识 → 拼数 → 分存过 程
任 务
概 念
§ 3.2.3 刀具半径补偿原理
一、刀具半径补偿的基本概念
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（一）什么是刀具半径补偿
按零件轮廓编制
的程序和预先设
定的偏置参数，
数控装置能实时自
动生成刀具中心轨迹的
功能。实线为零件轮廓,
虚线为刀具中心轨迹。
刀具
刀具中心
轨迹
编程
轨迹
（二）刀具半径补偿功能的主要用途
1.由于刀具的磨损或因换刀引起的 刀具半径变化,
不必重新编程，只须修改 相应偏置参数 。
2.加工余量的预留 可通过修改偏置参数实现，
而不必为粗、精加工各编制一个程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 3.2.3 刀具半径补偿原理
一、刀具半径补偿的基本概念
（三）刀具半径补偿的任务
根据程序段的起点，
终点坐标以及 r在起点、
终点处的坐标分量 r x、
r y，求出刀具中心的起
点、终点坐标，核心是
求 r 的分量。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图 B′点 XB′=XB+rx
YB′=YB+ry
计算 r x,r y
R
Ry
Rx
x
y
RA
A′
B′
B
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
※ 园弧过渡型刀补,在硬件 NC中，采用园弧过渡型
刀补，故要 增加一段园弧 。
非圆滑过渡处附加程序段
※ 直线过渡型刀补,求出刀具中心轨迹交点，再对
原来的编程轨迹作 伸长 或 缩短 的修正。
(四 )刀具半径补偿的转接形式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
伸长型
C点处于
JB与 DK的
延长线上 X
Y
Y
X0
J
B C
D
C′B′
A
E
α
缩短型
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
编程轨迹 OA,AF，
刀具中心轨迹
JB与 DK将在 C点
相交。这样，
相对于 OA和 AF而言，
缩短一个 CB与 CD的
长度。
K
F
J
D
X
Y
O
C′
B
C
A
X
Y
α
X
插入型
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Aα X
X
Y
Y
0 C
C′
J
K
F
B
L H
D
刀具半径补偿的常用方法
刀具中心轨迹的段间连接都是圆弧。B刀补
C刀补 相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用
直线连接。
（ 五 ） C刀补的基本设计思想
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
刀具半径补偿是在译码之后进行，译码译出一
段并不立即进行刀补，译出的若是下一段，则
对本段进行刀补，而正在插补加工的是上一段。
r r
Pi
Pi-1
rr
Pi+1
CNC系统专门设立了刀补缓冲区 CS,刀补过程是,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Pi-1
r
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
Pi-1 Pi-11
r r
Pi
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
r r
Pi
Pi-1
r
BS
缓冲寄存器
Pi
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi-1 Pi-1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi-1 Pi-1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
r
Pi+1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
r r
Pi
Pi-1
r
6 P
i-1Pi+1 i
Pi-1Pi+1 Pi
Pi-1
二、刀具半径补偿的工作原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
建立刀补
执行刀补
取消刀补
刀具轨迹中心 编程轨迹
刀补进行刀补建立
刀补撤销
起始点
§ 3.2.4 F值计算
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
开环系统采用步进电机作驱动元件,
每输入一个脉冲，步进电机就转过一定的角度驱动
坐标轴进给一定距离 δ(mm/脉冲 ),发送给步进电
机的脉冲频率确定坐标轴进给速度 F(mm/min),F
与脉冲发送频率的关系如下,
即
原理
Ff＝
δ × 60
F = δ? f ? 60 (mm/min)
获得要求的脉冲发送频率 f 的方有：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 软件延时法
LD B,A
LOOP,DEC B 1≤Ti≤256
JR NZ LOOP
步进机每步执行的周期 Ti由下式决定
Ti=t01+Tci· t
t01,主程每步插补运算所需时间 (us)
Tci,装入 A中延时控制字节 1≤ Tci≤256
t,每次循环的时间 (us)
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
m i n
6
m a x
10
iT
f
?
? (看小于额定最高运行频率 )
1,延时期间,CPU不能做其它工作。
2,不同的插补算法、插补类型,t01也不相同，
这样就增加了软件的复杂性。
改变 Tci即改变 Ti,Tci↓,Ti↓,f↑
t01越短越好，尽可能使插补程序精炼
Tmin=t01+t (Tci'=1)
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
原理 —— 主机完成插补计算，中断服务子程输出
脉冲，利用 CTC作定时器,实现定时中断。
CTC计数定时器的工作过程是：
f→ 时间常数 Tc→ 减 1计数至 0→ 产生中断,执行中断子程
② 定时中断方法
将时间常数送减 1计数器,计数器减到 0时，向
CPU发出中断申请,CPU接收这一申请,就立即
执行中断服务子程。
§ 3.3 管理程序与诊断程序
一、管理程序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
管理程序主要是对 CNC系统的各项 数控功能 与
零件加工过程 的管理。
初始化, 接受命令, 执行命令,
返回待命状态
工作流程
数控功能 编辑、自动、空运行、单段
手动 1、手动 2、手动 3、
（一）运行中诊断
诊断程序常包含在 主控程序, 中断处理程序 等各
部分中。接口、伺服系统和机床方面的都包含在
CNC装置软件的相应部分。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
二、诊断程序
1.用代码和检查内存。
2.格式检查。
3.双向传送数据检验。
4.电压、温度、速度等模拟量监控。
（二）停机诊断
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
概念
当系统发生故障或系统开始运行前，
利用诊断程序进行诊断称为停机诊断。
商业化的 CNC装置多数配有 自诊断 程序。
概念
诊断时，将自诊断程序装入运行,CNC系
统 无故障,检查程序连续进行，不停机。
如 发现故障,则停机，从停机地址即可找
到故障部位。
自诊断程序包括：
内存 检查程序,逻辑 检查程序,算术 检查程序、
接口,外设 检查程序,位置控制 测试程序，以及
掉电处理 检查程序等。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对 接口电路 也可以设立独立诊断程序，就是使
接口与外围设备脱离，将某些接口的输出线与另
一接口的输入线适当连接，以进行信息传送并进
行检查。
（三）通讯诊断
用户 CNC系统经电话线路与诊断中心通讯，由
诊断中心发出诊断程序，指示 CNC进行某种运行，
同时收集数据，分析系统的状态。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
故障发生 时,NC机床操作者 打电话 给诊断中心，
接通 NC系统与诊断系统计算机联系的 按钮,中心
计算机把诊断程序送入 NC系统,由该程序检验 NC
机床各单元回路和机构，检验结果 自动 回送到中心
计算机，给操作者提出 一整套 消除故障的措施。
返 回
第四节 CNC的软件结构
§ 4.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC是一个实时的计算机控制系统。
数控的基本功能是由各种功能子程序实现的。
特 点 1.CNC系统软、硬件的界面
纸
带
输
入
插补
准备
插
补
位
控
软 件 硬 件硬 件
第一种
介
质
输
入
插
补
位
控
2.系统软件的内容及结构类型
? 前后台型软件结构
? 中断型软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
硬件
硬件
介
质
输
入
插补
准备
插
补
位
控
速
控
电
机
测 量
软 件 硬 件
软 件 硬 件
第二种
第三种
3.多任务并行处理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
输 入
显 示 位 控
诊 断 I/O
译 码
↓
刀 补
↓
速 度
处 理
插 补
位 控
资源分时共享并行处理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
显 示
诊 断
输 入插补准备
I/O
处理
初始化 插 补
位 控
键 盘
中
断
优
先
级
由
高
到
低
§ 4.2 前后台型的软件结构
§ 4.2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
作 用 系统的核心，承担几乎全部 实时功能如插补运算、位置控制、故障诊断。
━ 前台程序 (实时中断服务程序 )
━ 后台程序 (背景程序 )
作 用
完成插补前的 准备 工作和 调度 管理，
如显示、插补预处理、程序编辑。
前后台运行的相互关系如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
中断执行
前台程序
故障处理
位置控制
插补运算
.
.
后台程序
译码
刀补处理
速度预处理
输入 /输出
显示
.
.
循环执行
§ 4.2.2 后台程序的调度管理功能
程序段经过输入译码、数据处理后，已进入就绪状
态，等待插补进行。背景程序有一个数据段执行程序，
专门管理数据段的执行。
数据处理后两种信息的传递如图所示：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数 据 处 理
程 序
插补用信息
辅 助 信 息
数据处理结果缓冲器
系 统 工 作 寄 存 器
数据段执行程序的功能：
将数据处理结果缓冲器中的插补用信息传送到
插补缓冲器，并把系统工作寄存器的辅助信息
待送到系统标志单元。在完成了两种传送后，
背景程序设立了两个标志：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数据段传送结束标志
开放插补标志
在一个中断周期，实时中断程序进行插补及
伺服输出，背景程序进行下一段的数据处理。
的
调
度
管
理
功
能
框
图
正
常
状
态
下
背
景
程
序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初 始 化
按了启动按钮否？
停 机
循环停处理程序
数据段执行程序
零件程序结束否？
输入，译码并进行数据处理
N
N
Y
Y
一、什么是 中断型软件结构
§ 4.3 中断型软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
指除了初始化程序外，整个控制程序分成
若干各不同级别的中断服务程序。所有的各
种功能子程序均被安排成级别不同的中断程
序，管理功能主要通过各级中断程序之间的
相互通讯来解决。
二,中断型软件结构的特点
实时性好，但模块关系复杂，耦合度大
该模式的软件结构如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初 始 化
中
断
程
序
0
级
服
务
中
断
程
序
1
级
服
务
中
断
程
序
2
级
服
务
中 断 管 理 系 统 (软 件 + 硬 件 )
中
断
程
序
n
级
服
务
?
?
?
三,CNC系统的中断类型
1.外部中断
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2.内部定时中断
3.硬件故障中断：各种硬件故障检测系统发出的中断,
4.程序性中断：程序中出现异常情况的 报警 中断。
插补周期定时中断
位置采样定时中断
阅读机中断和外部监控中断
键盘操作面板输入中断
§ 4.4 基于实时操作系统的软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
除了具有通用操作系统的功能外，还具有 任务管理、
多种实时任务调度机制, 任务间的通讯机制 等功能。
1.弱化功能模块间的耦合关系
2.系统的开放性和科维护性好
3.减少系统开发的工作量
功 能
优 点
§ 4.5 华中 Ⅰ 型数控系统软件介绍
华中 Ⅰ 型数控系统软件以 工业 PC和 DOS操作系
统为软硬件支持环境，其 底层运动控制软件 实现
开放，构成开放式的运动平台，提供一个 二次开
发环境,能够供不同的数控系统灵活配置、使用，
并提供了一个 标准风格的软件界面 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
过程层软件 相当与前后台型软件结构中的背景
程序，通过 NCBIOS把它与底层软件隔开，使得
过程层不依赖于硬件。
华中 Ⅰ 型
软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
MS-DOS
RTM
NCBIOS
位置控制
I/O控制
SDI 曲面直
接插补模块
PLC
过程控制软件
编辑
程序
参数
设置
位置
显示
PLC
管理
故障
显示
底层软件
过程层软件
?
返 回
第五节 CNC硬件系统
§ 5.1 CNC硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一、按硬件制造方分
1.专用型 CNC装置
模块化结构
采用功能模块化结构。按功能要求可选用 7、
9,11和 13个槽的控制单元母板。在控制单元
母板上插入各种不同功能模块的印刷电路板。
大板结构
2.PC式 CNC系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
组成：由主电路板,PLC板、附加 I/O板、
图形控制板和电源单元等组成。
? 采用工业标准计算机作为 CNC系统支撑平台；
? 不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和
CNC软件即可构成 CNC系统，不设计专门硬件；
? 由于工业标准计算机的生产数以白万计，其
生产成本很低，继而降低 CNC系统的成本。
二、按 CPU的多少分
1.单机系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CPU
CMOS
ROM
RS-
232
I/O
接
口
CRT
接
口
PC
控
制
位置
控
制
控制
媒介 机床
控制
面板
速度控
制单元
EPROM
CRT
其结构框图如图所示
总 线
1).基本概念
2).特点
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
系统功能受到 CPU字长、数据宽度、寻址能
力和运算速度等因素的限制，现在已被多机
系统的主从结构所取代。
整个 CNC装置 只有一个 CPU，集中控制和管理 整个
系统资源,通过分时处理的方式实现各种数控功能。
优 点 投资小,结构简单,易于实现。
缺 点
2.多机系统
多机系统结构如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
其 他 外 围 设 备
I/O接口 辅助功能
CPU|输入端 |输出端
可编程控制器
CNC插补 |位置控制
模块 | 模块
几何处理
其 他
功 能
管理模块 存储器
多机系统 CNC系统并联数据总线
1).基本概念
2).分类
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
整个 CNC装置中有两个或两个以上 CPU，
就是系统中的某些功能模块自身也带有 CPU。
主从结构系统
系统种只有一个 CPU(主 CPU)处于主导地位，
对系统资源有控制和使用权，其他 CPU处于从
属地位，只能接受主 CPU的控制命令或数据，
或向主 CPU发出请求信息以获得所需的数据。
多主结构系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
整个系统有两个或两个以上的带 CPU的功
能部件对系统资源有控制和使用权。模块间
采用紧耦合。
分布式结构系统
整个系统有两个或两个以上的带 CPU的功能
模块，每个模块有独立的运行环境，模块间
采用松耦合。
三、单机或主从结构模块的功能介绍
1.什么是模块化设计方法：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
每个模块配上相应的驱动软件，按功能要
求选择不同的功能模块，并将其插入控制
单元母板上，组成一个完整的控制系统。
将控制系统按功能划分成若干种具有独立
功能的单元模块。
2.模块化设计的条件：
总线 (BUS)标准化
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
单机或主从结构
的 CNC装置硬件结构
功能驱动 1
功能驱动 n
控制面板
机床 I/O
主轴控制模块
速度控制单元 1
速度控制单元 n
系
统
总
线
（BU
S
）
计算机主板
显 示 卡
多功能卡
电 子 盘
计
算
机
I/O
设备
PLC 模 块
位置控制块 1
位置控制块 n
功能模块 1
功能模块 n
四、多主结构的 CNC装置硬件简介
1.特点
1).实现真正意义上的并行处理，处理速度快。
2).容错能力强。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1).共享总线结构
结构简单、系统组配灵活、可靠性高
? FANUC系统
2.结构形式
2).共享存储器结构
? 美国 GE公司的 MTC1-CNC系统
共享存储器结构 CNC装置硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
RAM/EPROM
反馈信号
收发器
RAM512
键盘 显示 CPU
EPROM 512RAM EPROM
中央 CPU 串口和收发器插补 CPU
字符
发生器
CTRC 并行接口 反馈脉冲
和处理
CRT 模拟量输出 机床接口
7360系统的硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
键盘
CRT
阅读机
穿孔机
DNC主控
计算机
主控制
面板
辅助控
制面板
工业
处理机
I/O多
路接口
位 置
反 馈
直流开关
输入接口
直流电磁
驱动接口
主轴伺服
入出接口
机
床
伺服
输出
调速
环节 M R
I
RAM
处理
机前
面板
7M系统的硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CRT/MDI
操作面板
模块 (CPU)
通信 模块
(CPU)
自动编程
模块 (CPU)
主存储
器 模块
通信 模块
(CPU)
I/O单元 驱动伺服单元 主轴单元
PLC模块
(CPU)
位置控制
模块 (CPU)
主轴控
制 模块
FANUC BUS
§ 5.2 I/O接口及通讯功能
一,I/O接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O接口是 CNC系统与外界交换信息必不可少
的手段,不同的输入、输出设备与 CNC系统相接，
采用与其相应的 I/O接口电路和接口芯片。
2.输入接口,接受机床操作面板的按钮信号及机
床的各种限位开关信号。
3.输出接口,将各种工作状态灯信息送到机床操
作面板,把控制机床动作信号送到强电箱。
1.概述
设备辅助控制接口的硬件逻辑图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
系
统
总
线
开关量
转换
模拟量
转换
脉冲量
转换
数
字
接
口
计
数
器
离
器
件
光
电
隔
A/D
D/A
转换
条理电路
功率放大
计数脉冲
滤波整形
传感元件
功率放大
离
器
件
光
电
隔
4.分类
二、通讯接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数字量 I/O
工业用 I/O
模拟量 I/O
外设控制器
作用：主要用于 CPU和外设之间，系统和系统
之间的相互通讯。
通讯接口板上的接口采用标准接口
?如：并行接口 IEEE-488,串行接口 RS-232C
§ 5.3 CNC与 PLC
一,数控机床的强电逻辑控制
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.基本概念
2.主要作用
接收数控装置输出的住运动变速等指令信
号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后
直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部
件，以完成指令所规定的动作。
是介与数控装置和机床机械、液压部件之间
的控制系统。
二,可编程逻辑控制器 PLC
概述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?固态逻辑电子器件的出现提高了系统的稳定性、
响应速度，功耗小、寿命长，但仍属于硬线方式。
?1969年美国数字设备公司研制了 PDP－ 14型 PLC
器件，填充了继电器逻辑和微处理之间的地带。
?由于微型计算机的运用和发展，为逻辑控制开辟
了广阔的前景，以微处理器为基础的 新一代 PLC，
不仅对传统的数字领域产生了巨大影响，并且对
整个计算机辅助制造产生威力。
PLC的基本结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
外部设备
外
部
供
电
通讯功能
人机接口
通讯功能
电
源
功
能
的
执
行
应
用
程
序
操作系统功能
应用程序存储
数 据 存 储
信号处理功能
操作者
设计人员
至传感器和执行器的接口功能
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
外设接口
中央处理器
存贮器
电源
A/D输入
离散量输入
D/A输出
离散量输出
按纽、限位开
关旋转变压器
电机、电磁线
圈可控硅、指
示灯等
程序
设定器 显 示
处理器 I/O子系统
PLC的典型结构
PLC的组成
1.PLC微处理器
处理器的结构与计算机的 CPU结构类似。
差别：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一般计算机的数据处理能力强
PLC以逻辑运算为原则设计的,数据处理
能力较弱。运算控制比较简单，指令数
目少，为了用户采用梯形图编程方式。
2.I/O子系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O子系统是 PLC对外的接口，被控设
备的 I/O信号接到相应的 I/O组件上。
作用
完成电信号电平转换、处理器电路与
外界的隔离、数 /模和模 /数转换以及
故障指示等功能。
PLC的一般工作原理
1.用户根据采用的 梯形图 编制程序，通过程序设
定器转换为及其指令目的码，在 CPU的控制下
进入 EPROM只读存储器。梯形图如图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CR1 PB1 CR3 PB1
CR2
2.在启动程序运行后，处理机不断的进行循环
扫描，顺序的从 PROM中取相应程序的机器
码，译码执行。
PLC的分类
1.内装型 PLC
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1).什么是内装型 PLC
CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序
控制，而将 CNC和 PLC综合起来设计。
2).内装型 PLC的特点
※ 内装型 PLC是 CNC装置的一部分，它与 CNC
中 CPU的信息交换是在 CNC内部进行的。
※ 内装型 PLC是 CNC不能独立工作，是 CNC装
置的一个功能模块，是 CNC装置功能的扩展。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
操
作
面
板
总线连接
存储器 CPU AS511驱动器
I/O
CPU
接口 伺服接口 存储器
输入设备
NC 总 线
I/O
PC 总 线
扩展设备 编辑器
测量回路调节信号
3).带内装型 PLC的 CNC系统总线结构
4).具有内装型 PC的 CNC机床系统结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
NC
PC I/O电路 强电电路
主轴速度
控制单元
速度控
制单元
CRT/MDI
面板
机床操作
面板
M
CNC装置
5).举例
ⅰ,在硬件上，内装型 PLC与 CNC装置共用一个 CPU
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
西门子公司 的 SINUMERIK 810,820等数控系统
ⅱ,在硬件上，内装型 PLC也可是单独的 CPU
♂ FANUC的 0系统和 15系统
♂ 美国 A-B公司 的 8400系统和 8600系统
这种 PLC的硬件和软件整体结构上合理、实用，
性能价格比高，适用于类型变化不大数控机床。
2.独立型 PLC
1).什么是独立型 PLC
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
由专业化生产厂家生产的 PLC产品来实现
顺序控制，称为独立型 PLC。
2).独立型 PLC的特点
※ 独立于 CNC装置，具有完备的硬件和软件
功能，能够独立完成规定的控制任务。
※ 独立型 PLC的生产厂家较多，品种、类型
丰富，使用户由较大的选择余地。
3).具有独立型 PLC的 CNC机床系统结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
NC
PC
I/O
电
路 强电电路
主轴速度
控制单元
速度控制单元
CRT/MDI
面板
机床操作
面板
M
I/O
电
路
I/O
电
路
PC装置
CNC装置
4).主要功能
5).举例
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
♀ 西门子公司 的 SIMATIC S5,S7系列产品
♀ FANUC公司 的 PMC-J系列产品
♀ A-B公司 的 PLC系 列产品
输入 /输出信号接口技术规范
程序存储容量
预算和控制功能
♀ Canada · Entertron公司 SK-1600PLC系列产品
X11
y0
Zc Fc
X12 X13
PLC实例
试设计
三相异步电机
正反停控制的
继电器电路
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
右图为该设计
的主电路图
ZC
FC
FC
ZC
ZA
FA
TA
R
FC
ZC
控制电路
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O连接图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
ZA
TA
P01
P02
P03
FA
ZC
FC
PLC
P41
P42
COMCOM
P04
TA
上图中：
TA:停止按钮
RJ:热继电器
FA:反转按钮
ZA:正转按钮
ZC,FC:电动机接触器
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
LOAD P0001
OR P0041
AND,NOT P0003
AND P0004
AND,NOT P00042
OUT P0041
LOAD P0002
OR P0042
AND,NOT P0003
AND P0004
ANDNOT P0041
OUT P0042
END
其语句表如右部所示
程序运行
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
PLC的发展与应用
?PLC首先应用于 汽车工业,由于适用于逻辑控制，
很快被应用到数控机床中,品种剧增, 功能愈强 。
?1973年出现了 第二代 PLC，在价格上可以与继电
器相匹敌，在功能方面增加了 加、减、乘、除 功能。
?美国 A-B公司 的 PLC-3容量为 96K，字长 16位,I/O
分别为 4096/4096点，定时器 /计数器共达 32768个，
68条指令，还具有 PID功能。
?TEXAS公司 的 TI-510内存容量仅 0.5K,输入 126点，
输出 8点，定时器 /计数器共 16个。
PC的现状和发展方向
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
高性能 CPU
过程控
制领域
机械控
制领域
工程
领域
网络
领域
工程
领域
人机接口
智能化
CAM/CAD
系统化
网络化
三、可编程逻辑控制器 PLC与 CNC
工作过程如下：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.计算机扫描各个输入数据源，获得的数据以表格
方式存入存贮器中。
2.计算机通过 I/O总线向 PLC有关的输入数据和控制
信息，存入 PLC的 RAM之中。
3.计算机向 PLC发送“启动命令”,PLC对启动命
令的响应是将其“忙录”标志置 1，并启动其程序
计数器。
4.上述的过程一直继续到所有的逻辑方式被解出，
即全部的指令被执行。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
5.当计算机检测到 PLC的“完成”标志时，便读出
PLC的输出 RAM中的内容，并将数据存入存贮
器表中。
6.计算机执行另一个输入序列循环，向 PLC传递数
据，启动 PLC。
暂存 RAM用作中间结果储存，与硬线系统
的继电器等价，是系统内部的媒介信息。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
带有 PLC的 CNC框图如图所示
输出转换
器电路
输出转换
器电路
PLC
处理机
PLC
存贮器
I/O
总线接口
系统
计算机
总线连接
器时钟
输入 /输出
总线
双向数据总线及控制总线
§ 5.4 CNC装置的显示模块
§ 1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.计算机图形显示，从显示器件上显示的内容讲，
分为三种类型：
文字显示
文字,数字及简单的字符拼凑的简单图形
图形显示
可以显示各种线条和各类图形
形势显示
2.CNC的 CRT显示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
更为广泛的一种显示，字符和各种线条、
图形,连同某些背景信息在一起的显示。
属于文字显示,CNC的 CRT显示的控制结构是
小型机或微型机内存中所存放的显示程序和档案。
CRT系统内有缓冲存储器及显示控制器。亦有显示
器内带微型机的，成为智能终端。
CNC的显示结构如图 1所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC的 CRT显示原理
CRT系统
CNC
计 算 机 接 口
缓冲
存储器
显示
控制器 CRT
3.CRT显示的特点
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
不仅显示直观，便于修改，而且可以进行
人机对话，是计算机数控中的外围设备。
4.显示卡 CRT的主要作用
?接收来自 CPU的控制命令和显示用的数据
?经与 CRT扫描信号调制后，产生 CRT显示
器所需要的视频信号。
?由 CRT的电子枪对屏幕进行扫描，从而产
生所需的画面。
§ 2 CRT的工作原理
1.高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物，对应
位置就出现光点，光点的亮度决定于 电子束
的强度 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
屏幕上的如象显示，是利用阴极射线管
中高速电子束的不断扫描来实现的。
2.为了使电子束能够有规律的从左到右、自上
而下地移动，以构成一帧完整幕面，必须加
上偏转电路，电子束这种移动称为 扫描 。
3.在电子束扫描过程中，利用图象信号不断控
制电子数的强度，荧光屏上就出现黑白图象。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4.图像信号必须与扫描过程密切配合，否则，
屏幕上就会杂乱无章，不会显示清晰的图像。
扫描过程在荧光屏上形成的一行行光点光 栅
同 步 图象信号与扫描过程的密切配合
逐行扫描形成帧面的动画
逐行扫描形成帧面的示意图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第 1线
第 2线
第 3线
0
水平逆程 (消隐 )
水平正程 (显示 )
开始垂直逆程
§ 3 显示程序的结构
CNC的显示方式的分类
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.加工状态下的 CRT显示
2.非加工状态下的 CRT显示
包括加工的数据段，加工时尺寸大小，
主轴转速，进刀速度及加工状态的显示。
显示内存中已储存的零件程序，目录表等
此时，只需按适当的键盘命令即可进行。
§ 5.5 华中 Ⅰ 型数控系统硬件介绍
华中 Ⅰ 型是我国,八五” 科技攻关中开发的高
中档数控系统，它由 华中理工大学 开发完成。华
中 Ⅰ 型在当时 PC速度还不是太快的情况下，通过
优化软件算法，在 PC单处理器上实现了 多主轴,
多通道控制 及 高速加工能力,达到了国外 高档多
处理系统 的性能。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
华中 Ⅰ 型的硬件组成如下图所示
它由 IPC及功能接口板组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
BU
S
P
C
CPU卡
NC键盘
软驱 /硬盘
CRT/TFT显示
多功能卡 手摇脉冲
主轴控制
光隔离
输入 /输出
操作面板
X轴伺服
Y轴伺服
4/8/16口
串行通信卡
M
M
Z轴伺服 M
网卡（选用）
返 回
第六节 典型 CNC系统实例
§ 6.1 7360系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
美国 Allen－ Bradley公司出品的 7360系统
是用来控制车床的计算机数控系统。
§ 1 概述
★ 系统的核心是一台字长为 16位的小型计算机。
主存储器最小容量为 8K，电源为交流 115伏，
采用半导体为存储元件，还专门准备了一台
蓄电池电源。
7360CNC的功能
? 具备与普通 NC系统同样的功能,例如 定位
插补、延时、车螺纹、绝对和增量编程等。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
? 进行端面恒速车削,即 随着车削半径的增
大或减小，主轴的转速相应地降低和增高。
进给的指定方式可以有三种：
↗ 用进给速度数 FRN编程。 FRN=V/D
↗ 用机床滑板每分移动的毫米或时数编程
↗ 主轴每转滑板移动距离代表进给速度
§ 2 7360系统的硬件
一,7360的控制面板
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（一）、主控制面板
1.荧光屏（ CRT）显示器
可显示 16行，每行 64个字符
2.手动数据输入（ MDI）操作
3.其他操纵按钮
可输入、编辑、存储程序的数据
7360CNC系
统硬件框图
键盘
CRT
阅读机
穿孔机
DNC主控
计算机
主控制
面板
辅助控
制面板
工业
处理机
I/O多
路接口
位 置
反 馈
直流开关
输入接口
直流电磁
驱动接口
主轴伺服
入出接口
机
床
伺服
输出
调速
环节 M R
I
RAM
处理
机前
面板
（二）、辅助控制面板
二,7360系统的接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（三）、专为计算机用的控制面板
? UPK算术逻辑部件
? UPJ控制器插件
? UPG存储器插件，每块 8K,最多可用 4块
? UPI控制器接口
? UPH存储器接口
? UEA外部设备接口
三、工业处理机
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
算术逻辑部件
功能,完成算术运算和逻辑运算，采用 TTL
中规模集成电路和提前进位方式。
输入部分
功能,接受通用外设和专用外部送来的信号。
输 出 部 分
功能,向通用外设和专用外部输出相应的命令。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
三、工业处理机指令系统共 86条指令
? 移位指令 20条 ? 输入输出指令 23条
? 存储器访问指令 14条 ? 变换跳步指令 19条
主 存 储 器
采用半导体存储器，用以存储程序、指令和数据，
根据需要可从 8K扩充到 32K。
控 制 部 分
功能,根据指令要求控制各部分使能协调工作。
§ 2 7360系统的软件
一、概述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
美国 Allen－ Bradley公司的 7360系统是
典型的数字采样实时过程控制系统。
二、组成
各种控制功能都被当作任务，编制成为
独立的程序模块，通过系统程序，讲各
功能联系成为一个整体。
1、背景程序
功能,根据开关命令所确定的系统工作方式，
进行 任务调度 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
背景程序的工作方式
系统初始化，等待紧停复位
工作方式选择
键盘
服务程序
10.24ms实时中断
自动
服务程序
字段
服务程序
手动
服务程序
背景 程序
2.中断服务程序 (前台程序 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
优先级 中断名称 主 要 功 能
1 掉电及电源恢复自起动
掉电时显示掉电信息,停止处
理机,电源恢复时显示接电
信息,进入初始化程序
2 存储奇偶错 显示出错地址，停止处理机
3 阅读机 输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存
4 实时时钟 位置控制,实时监控和插补
5 键盘 输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 6.2 7M 系 统
§ 1 概况
? 7M系统是一种高精度、高性能的闭环 CNC系统
? NC系统由日本富士康 FANUC公司和西门子公司
联合设计，于 1976年共同研制成功。
? 硬件由西门子负责,系统软件由 FANUC负责
? 主要用于控制铣床和加工中心。
? 是当时世界上最先进数控系统之一
§ 2 7M系统的硬件
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CRT/MDI
操作面板
模块 (CPU)
通信 模块
(CPU)
自动编程
模块 (CPU)
主存储
器 模块
通信 模块
(CPU)
I/O单元 驱动伺服单元 主轴单元
PLC模块
(CPU)
位置控制
模块 (CPU)
主轴控
制 模块
FANUC BUS
一、概述
7M是 16位字长 的微处理机数控系统，是以位电式
高速微处理器 (CPU)为核心，用数据总线方式与存贮
器和各种接口,合成一个完整的数控系统,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
二、基本组成包括以下几部分部件,
CPU通过内部数据总线与内部存贮器相连接，存
贮器用于存放控制程序,工作参数和工作数据。内
部数据总线经双向缓冲器接到数据总线,
1、中央处理单元 CPU和存贮器
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3、纸带阅读机接口
通过数据总线,CPU控制纸带阅读机输入零件程序。
2、位置控制器
包括位置控制装置、位置检测装置和脉冲计数器。
功能
4、数控操作面板接口
作用,接收数控面板的按键信号。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
输入接口 用作接收机床操作面板的各开关按钮
信号和机床的各种开关信号。
输出接口 用作把机床工作的各种状态灯信送到
机床操作面板，还把控制机床动作的信号送到强
电箱带动相应的电器。
5、输入输出接口
6、外部操作面板接口
功能与数控面板相仿，可以放置在操作者认为
方便的地方，以便操作控制数控装置。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口
8,CRT接口，控制和显示单元
9、工程师面板
功能,调试 7M的测试仪器,用于调试微程序和
控制程序,维修时可用来检查故障。
CRT可显示数控程序，数控加工中心的瞬时数
据，各种设定参数和故障情况等内容。
功能：存放纸带的零件程序，逐段执行对零件进行加工。
§ 3 7M系统的软件
7M数控装置的软件由 22K控制程序,固化在 ROM
中 (三座标两联动系统为 20K);4K CRT控制程序；
诊断程序 (由专用的诊断纸带输入 )组成，整个程序
总体 结构简单, 功能强, 程序精炼严密 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1、控制程序
控制程序采用中断型软件结构,整个程序就是
一个大的多重中断系统,中断一共有八级,0级到
7级,0级是最低级,7级是最高级。
1) 初始化程序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2、各部分程序简述
每次开机后,首先执行初始化程序,为整个系统的
正常工作做准备,主要完成以下三项工作：
① 对 RAM中工作寄存器初始化；
② 进行 ROM奇偶校验；
③ 设置一些加工所需的初始状态。
初始化程序执行完后返回到 0级中断
控制 CRT显示,中断请求始终存在,即总是进行
CRT显示,除非有别的级中断请求产生。
2) 第 0级中断 (硬件 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3) 第 1级中断 (软件,16ms定时 )
第 1级中断按工作内容细分为 13个口子,系统采
用依次查询的工作方式来完成第 1级中断。
4) 第 2级中断 (软件 16ms定时 )
功能,对机床控制台的输入信号处理,NC键盘监控,
穿孔机操作处理,强光信号处理和输出信号处理。
5) 第 3级中断 (硬件,8ms软定时 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
6) 第 4级中断 (软件,8ms定时 )
7) 第 5级中断 (硬或软件 <需要时 >)
8) 第 6级中断 (4ms时钟 )
分为三个阶段,
━ 输入代码的有效性判别
━ 代码的具体处理
━ 结束处理
完成位置控制,4ms定时计时和存贮器奇偶校验工作。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
功能：最高级中断,监控测试台,进行存贮器数据读、
写程序调试处理。
9) 第 7级中断 (硬件 )
3、零件加工过程举例
新零件的首件一般要先通过空运行来检查编程
是否正确,若有错,要对源程序进行编辑纠正，
重新修改后的程序可穿成纸带以备后用，若编程
正确，即可按照：
开机 → 纸带输入 → 加工
这一工作过程进行零件加工。
返 回
第三章 习题
3-1 机床数控系统主要由哪几部分组成？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章习题
3-2 计算机数控系统（ CNC系统）由哪些部分构成？
各部分的功能如何？
3-3 CNC系统中微机的控制功能有哪些？
3-4 CNC系统中微机译码程序功能是什么？
3-5 工业控制计算机与通用计算机相比，有什么
显著特点？
3-6 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是
数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据
而不脉冲。这种方法适用于（）。
3-7 提高 CNC系统可靠性,可采取哪些措施？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 开环控制系统 ② 闭环控制系统
③ 点位控制系统 ④ 连续控制系统
① 采用单片机 ② 采用双 CPU
③ 提高时钟频率 ④ 采用模块化结构
⑤ 采用光电隔离电路
3-8 CNC系统中的微机部分，主要由微处理
器（ CPU）、内部存储器 （ RAM和 ROM） 和
I/O接口电路组成。由, 和 三条
信号线联接。
题型变换, CNC系统中的微机部分, 主要由
,和 组成 。 由数据总线, 地址
总线和控制总线三条信号线联接 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-9 什么叫微处理器、微机、微机系统？
3-10 微机 I/O接口电路常由哪几部分组成？
3-11 CNC中 I/O控制通道应具备哪些基本功能？
3-12 光电隔离电路（如采用达林顿或可探硅输
出型光电耦合器件）的主要作用是什么？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-13 试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件
环形分配器的步进电机控制通道组成框图。
3-14 CNC系统控制软件主要由哪些部分组成？
3-15 什么是微机数控系统的模块化设计？
3-16 采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些？
3-17 将一台普通车床改造成经济型数控车床其主
电动机仍为手动控制，但方刀架要能自动转
位 (90°, 180° 270°, 0° )，试用框图表明，
组成一个完整的数控系统需要哪些基本的硬
件电路和设备？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-18 机床 I/O控制回路中的接口软件是（）
① 插补程序
② 系统管理程序
③ 系统的编译程序
④ 伺服控制程序
3-19 在中断型系统软件结构中，各种功能程序
被安排成优先级别不同的中断服务程序，下列程
序中被安排成最高级别的应是（）。
① CRT显示
② 伺服系统位置控制
③ 插补运算及转段处理
④ 译码、刀具中心轨迹计算
3-20 实现控制系统的模块化设计的必要条件
是 。而模块化设计工作可归结
为 的选用。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-21 目前 CNC系统控制软件基本上有两种常用
的典型结构，即 和 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-22 微机控制系统的模块化，按照功能，总线标
准模块可分为,, 以及 等。
3-23 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是
数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据
而不脉冲。这种方法适用于（）。
① 开环控制系统 ② 闭环控制系统
③ 点位控制系统 ④ 连续控制系统
1 什么叫插补？
数控装置根据输入的零件程序的信息，将
程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空
间进行数据密化，用一个个输出脉冲把这一
空间填补起来，从而形成要求的轮廓轨迹，
这种, 数据密化, 机能就称为, 插补, 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2 插补器有几种分类方法？可分为哪几类？
答：有两种分类方法：
（ 1）根据插补器的结构，
可分为硬件插补器和软件插补器。
（ 2）根据被插被的曲线，
可分为直线插被器、圆弧插补器、抛物线
插被器及高次曲线插被器等，大多数数控
机床只有直线插补器和圆弧插补器。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3 常用的插补方法有哪些？
答：有逐点比较插被法和数字积分插补法。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4 试述逐点比较法的插补过程。
答：逐步比较插补法是通过逐点比较刀具与所
加工曲线的相对位置，确定刀具的进给方向，以
加工出所需的零件廓形。可以用一个插补循环所
包括的四个节白描述插补过程。
其流程如图所示
偏差判别 进 给 偏差计算
终点判别
加工结束
Y
N
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
各节拍的功能如下：
（ 1）偏差判别：判断加工点对规定图形的偏离
位置，使刀具沿减小偏差的方向进给。
（ 2）进给：按照上面确定的进给方向，以确定
的进给量进行，进行加工。
（ 3）偏差计算：进给一步以后，计算新加工点有
无偏差？即计算新加工点偏离工件廓形的情况。
（ 4）终点判别：判断是滞到达终点？若没有到达
终点，再回到第一节拍，重新开始一个插补
循环；如到达终点，则停止插补，加工完毕。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
5 偏差函数的作用是什么？
答：偏差函数反映了刀具偏离曲线的情况，即偏
差函数的正负反映出刀具与曲线的相对位置关系，
这种关系是：
?
?
?
?
?
?
?
?
刀具在曲线下方
刀具在曲线上
刀具在曲线上方
0),(
0),(
0),(
yxF
yxF
yxF
能使刀具沿减小偏差的方向进给。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
6 逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的?
它与刀具位置有何关系？
答：偏差函数的确定应该反映出刀具偏离
工件廓形曲线的情况。设工件廓形为斜线 OA,
以斜线起点为原点，建立 XOY坐标系,OA与 X轴
夹角为 α 。如加工点为 P1(X1,Y1),P1点在斜
线 OA的上方，则 OP1与 X轴夹角 α 1,α 1>α ;
加工点 P2(X2,Y2)在斜线 OA下方，则 OP2与 X
轴 α 2,α 2 < α ;故可以用 α i和 α 的比较来
反映加工偏差，但因计算机无法判断角度的
大小，故需构造一个偏差函数 F。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如 α i>α,则 F=α i-α >0； α i<α,则 F=α i-α =
0。这里，只需知道 F的正负，即可判断加工点在斜线
的上方、下方或正好在斜线上，并不需要知道 F的数
值，因而可以将 F数作以下变换
???? tgtgFF ii ?????
ai
iaai
a
a
i
i
xx
xyxy
x
y
x
y
F
?
???
上式中分母恒为正，故分子决定 F的正负，故
iaai xyxyF ??
（偏差函数）
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7.逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
答：逐点比较法直线插补时，刀具总是沿着
减小偏差的方向进给，即使加工点尽量
靠近工件廓形直线。
题型变换,欲加工第一象限的斜线（起始点在
坐标原点），用逐点比较法直线插补，若偏差
函数大于零，说明加工点在 ( )。
① 坐标原点 ② 斜线上方
③ 斜线下方 ④ 斜线上方
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
8 逐点比较直线插补时，怎样判断直线是否加工完毕？
答：用逐点比较插补法加工直线，插补循环
数与刀具沿 X,Y轴已走的总步数相等。因此，
直线加工结束的条件为 i=N
式中,i —— 插补循环数；
N —— 刀具沿 X,Y轴走的总步数。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
9 直线的起点坐标在原点 O(0,0)，终点 A的
坐标为 A（ 9,4）试用逐点比较法对直线
进行插补，并画出插补轨迹。
答,加工直线 OA
A点坐标 （ 9,4）
插补循环数 N=9+4=13，
插补运算过程如表所示。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲 偏差判别 方向 偏差计算 终点差别
0 F0=0 i=0
1 F0=0 +X F1=F0-ya=0-4=-4 i=0+1=1<N
2 F1=-4<0 +Y F2=F1+xa=-4+9=5 i=1+1=2<N
3 F2=5>0 +X F3=F2-ya=5-4=1 i=2+1=3<N
4 F3=1>0 +X F4=F3-ya=1-4=-3 i=3+1=4<N
5 F4=-3<0 +Y F5=F4+xa=-3+9=6 i=4+1=5<N
6 F5=6>0 +X F6=F5-ya=6-4=2 i=5+1=6<N
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲 偏差判别 方向 偏差计算 终点差别
7 F6=2>0 +X F7=F6-ya=2-4=-2 i=6+1=7<N
8 F7=-2<0 +Y F8=F7+xa=-2=9=7 i=7+1=8<N
9 F8=7>0 +X F9=F8-ya=7-4=3 i=8+1=9<N
10 F9=3>0 +X F10=F9-ya=3-4=-1 i=9+1=10<N
11 F10=-1<0 +Y F11=F10+xa=-1+9=8 i=10+1=11<N
12 F11=8>0 +X F12=F11-ya=8-4=4 i=11+1=12<N
13 F12=6>0 +X F13=F12-ya=4-4=0 i=12+1=13=N
10 圆弧插补时偏差函数如何定义？
它与刀具位置有何关系？
答：圆弧 AB的圆心是坐标原点 0，半径 R，加工
点 T到圆心的距离和圆弧半径相比较表示偏差。
偏差函数是 F=x2+y2-R2
偏差函数和加工点（刀具）位置的关系如下：
F>0，即 Rr-R>0，表示刀具在圆外；
F=0，即 Rr-R=0，表示刀具在圆上；
F<0，即 Rr-R<0，表示刀具在圆内。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
11 数字积分插被法适用于什么场合？
答：数字积分插补法不仅可以实现一次、二次
甚至高次曲线的插补，而且易于实现多坐
标联动控制，只要输入不多几个数据，就
能加工出较为复杂的轮廓曲线，因此 DDA
方法已被广泛应用。缺点是：在加工直线
过程中，刀具速度变化范围较大。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
12 插补运算中,DDA法是指 ( )
① 比较积分插被法
② 单步追踪插补法
③ 数字积分插被法
④ 农点比较插被法
答,③
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
13 数字积分法直线插被的被积函数是什么？
如何判断终点？
答：直线插补的被积函数是
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
y
l
tq
f
x
l
tq
f
y
ax
?
?
为简化，令 vΔ tq/l=1,则被积函数变成
?
?
?
?
?
oy
ox
yf
xf 式中,xe,ye
— 直线终点 A的坐标。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
14 数字积分法圆弧插补的被积函数是什么？
如何判断终点？
答：数字积分法圆弧插补的被积函数为
?
?
?
??
??
Rt q xf
Rt q yf
y
x
/
/
?
?
1?
?
R
tq?
?
?
?
?
?
xf
yf
y
x
式中,x.y—— 刀具的坐标。
令
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
则被积函数可简化为
15 圆弧插补时进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
答：圆弧分顺圆和逆圆两种，圆弧插补时的
进给方向是根据圆弧所在象限、顺圆或
逆圆以及加工点位置确定的。每个加工
点的进给方向都要使刀具尽量逼近圆弧。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
16 圆弧插补时，如何差别终点？
答：圆弧 AB起点 A(xa,ya),终点 B(xb,yb),
加工完这段圆弧，刀具在 X方向应走的
步数 |xb-xa|,在 Y方向应走的步数为
|yb-ya|，总共走的步数应为
N=|xb-xa|+|yb-ya|，
当插补循环数 i等于总步数 N时,i=N,
即到达终点，加工完毕 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
17 试画出逐点比较法直线插被的程序框图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 xe,ye,n=xe+ye,F=0
F?0？
+x方向走一步 +y方向走一步
F← F － Ye F ← F + Xe
n-1→n
n＝ 0
End
Y
NY
N
答：上图是逐点比较法插补第一象限直线的程序
框图。插补其它象限的直线时，需修改进给方向
和偏差计算公式。图中 e是插被循环数，是直线
终点坐标。 N是加工完直线时刀具沿 X,Y轴应进
给的总步数。
在上图中，去掉了偏差函数的下标，并用箭头
代替等号，更符合计算机编程的表示方法。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
18 若插补器所用寄存器的长度为 n位，能
插补的最大直线尺寸是直线终点的纵、
横坐标均应小于（）
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
答,②
③ 2n-2 ④ 2 -1n-2
① 2n-1 ② 2 -1
n-1
19 用逐点比较法插补第二、三、四象限的
直线时，应该如何计算偏差？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
答：将四个象限中直线插补的偏差计算归纳如表所示。
直线所
在象限
F≥0 F<0
进 给 偏差计算 进 给 偏差计算
SL1,SL3 △ X Fi+1=Fi-ya △ Y Fi+1=Fi+xa
SL2,SL4 △ Y Fi+1=Fi-xa △ X Fi+1=Fi+ya
3-1 机床数控系统主要由哪几部分组成？
答：主要由以下几部分组成：零件加工程序
的输入、数据处理 (例如数制转换、刀
具半径补偿等 )、插补计算和伺服机构
的控制。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-2 计算机数控系统（ CNC系统）由哪些
部分构成？各部分的功能如何？
答：主要由微型计算机、计算机接口电路、
伺服系统及外部输入 /输出（ I/O）设备组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）微型计算机：微机是 CNC系统的核心，
其主要作用有：
①,输入和存储零件加工程序；
②,计算刀具运动轨迹；
③,插补运算；
④,伺服系统的控制。
(2)计算机接口电路：作用传递和转换计算机与
外界联系的信息，并将计算机与外界隔离，起保
护作用。
(3)伺服系统：伺服系统是计算机和机床的联系
环节，由执行机构和驱动电路、检测装置等组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
(4)外部输入 /输出设备：主要包括键盘、显示器、
操作控制面板、外部存储设备、光电阅读机和
纸带穿孔机等。
3-3 CNC系统中微机的控制功能有哪些？
答：主要包括以下几方面：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）记忆功能。
（ 2）信息处理功能。
（ 3）内部控制功能。
（ 4）输入 /输出功能。
（ 5）适应环境的功能。
3-4 CNC系统中微机译码程序的功能是什么？
答：译码程序的功能是将输入的零件轮廓信息、
加工速度及辅助功能进行识别处理。将这引起
零件程序翻译成计算机能够识别的代码。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-5 工业控制计算机与通用计算机相比，有什么
显著特点？
答：根据数控机床的特殊要求，具有两个显著特点：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）高可靠性：工业生产一般要求 CNC系统具有
很强的抗干扰能力，能在比较恶劣的环境中
可靠地工作，要求 CNC系统具有较高的平均
无故障率和很短的修复时间。
（ 2）编程简单，操作方便。以方便用户使用。
3-6 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种
是数据采样法。计算机执行插补程序输出的是
数据而不脉冲。这种方法适用于（）。
答,③
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 开环控制系统
② 闭环控制系统
③ 点位控制系统
④ 连续控制系统
3-7 提高 CNC系统可靠性，可采取哪些措施？
答,④ ⑤
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 采用单片机
② 采用双 CPU
③ 提高时钟频率
④ 采用模块化结构
⑤ 采用光电隔离电路
3-8 CNC系统中的微机部分，需要由微处理器
（ CPU）、内部存储器（ RAM和 ROM）和 I/O接口
电路组成。由, 和 三条信号线
联接。
答：数据总线
地址总线
控制总线
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-10 机床 I/O控制部分根据机床与微机
之间传送信息形式的不同,I/O控制被划
分为, 和 三种。
答：数字量 I/O
开关量 I/O
模拟量 I/O
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-9 什么叫微处理器、微机、微机系统？
答：微处理器是指具有完整的计算机中央处理部件
（ CPU）功能的一片或少数几片大规模集成电路。
微处理器也叫微处理机；微机是指微型计算机，是
以微处理机做为 CPU的电子计算机，微机除包含微
处理器以外，还必须包含内部存储器（ RAM,ROM）
I/O接口和系统总线。微机系统是以微机为主体构
成的系统，在这个系统中，除包含微型计算机以外,
还包含计算机外设、系统软件和电源。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-10 微机 I/O接口电路常由哪几部分组成？
答：微机中 I/O接口应包括 I/O接口硬件电路和软件两
方面的内容。根据选用不同的 I/O设备或接口芯片，
I/O的操作方式不同，因而应用程序亦不可。如入
口地址、接口芯片初始化状态设备、工作方式选择
等。 I/O硬件电路主要由地址译码,I/O读写译码和
I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组
成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-11 CNC系统中 I/O控制通道应具备哪些基本功能？
答,（ 1）可靠地传递输入输出信息；
（ 2）能进行相应的信息转换（如 A/D,D/A、
电平转换、数字量转开关量、弱电转换强电等）；
（ 3）阻断干扰信号进入计算机。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-12 光电隔离电路（如采用达林顿或可探硅
输出型光电耦合器件）的主要作用是什么？
答：（ 1）使微机与强电部件不共地，
阻断干扰信号的传导。
（ 2）可以进行信号电平转换。
（ 3）提高驱动能力。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-13 试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件
环形分配器的步进电机控制通道组成图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
微
机
输
出
端
口
光电隔离电路
光电隔离电路
光电隔离电路
A相放大电路
B相放大电路
C相放大电路
步进
电机
A
B
C
A相放大电路
B相放大电路
C相放大电路
步进
电机
A
B
C
输
出
端
口
环
形
分
配
器
光电隔离电路
光电隔离电路
答：主要由以下 七 部分组成。
（ 1）系统管理程序；
（ 2）零件加工源程序的输入、输出设备的管理程序；
（ 3）机床手动控制程序；
（ 4）系统的编译程序；
（ 5）插补程序；
（ 6）伺服控制开关量控制程序；
（ 7）系统自检程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-14 CNC系统控制软件主要由哪些部分组成？
3-15 什么是微机数控系统的模块化设计？
答：模块化设计方法是把控制根据功能划分成
具有一种或几种独立功能的单元模板，组
成一个模块网络，配上相应的控制软件，
组成一个完整的控制系统。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-16 采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些？
答,其优点是：
（ 1）提高设计效率，缩短设计、制造周期；
（ 2）提高系统的可靠性；（ 3）便于调试和维修
（ 4）能适应技术发展需要 ;（ 5）经济上合理。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
其缺点是：
（ 1）系统硬件模块化，增强了许多插接环节，在有
振动的情况下，易出现故障；
（ 2）插接件之间有接触电阻，在不利工作环境下工
作时，会出现腐蚀损坏；
（ 3）标准化模板会对某些用户有不需要的多余功能，
而使系统的成本提高。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-17 将一台普通车床改造成经济型数控车床
其主电动机仍为手动控制，但方刀架要
能自动转位 (90°, 180°, 270°, 0° )
试用框图表明，组成一个完整的数控系
统需要哪些基本的硬件电路和设备？
答：如下图所示。
16题
答案
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
微
处
理
机
I/O
接
口
光电
隔离
光电
隔离
光电
隔离
环形
分配器
环形
分配器
功率
放大器
功率
放大器
功率
放大器
交流
控制
Z向步
进电机
x向步
进电机
交流
电机
LED
键盘
刀架
回转
PC口
PB口
PC口
PA4
PA2PA3
PA0PA1
到位信号
3-18 机床 I/O控制回路中的接口软件是（）。
① 插补程序
② 系统管理程序
③ 系统的编译程序
④ 伺服控制程序
答,④
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-19 在中断型系统软件结构中，各种功能
程序被安排成优先级别不同的中断服务程序，
下列程序中被安排成最高级别的应是（）。
① CRT显示
② 伺服系统位置控制
③ 插补运算及转段处理
④ 译码、刀具中心轨迹计算
答,②
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-20 实现控制系统的模块化设计的必要
条件是 。而模块化设计工作
可归结为 的选用。
答：总线的标准化
功能模块
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-21 目前 CNC系统控制软件基本上有两种
常用的典型结构，即 和 。
答：前后台型
中断型
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-22 微机控制系统的模块化，按照功能，
总线标准模块可分为,, 以
及 等。
答,CUP模板
存储器板
I/O模板
专用模板
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-23 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种
是数据采样法。计算机执行插补程序输出
的是数据而不脉冲。这种方法适用于（）。
① 开环控制系统
② 闭环控制系统
③ 点位控制系统
④ 连续控制系统
答,③
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
系统的基本原理
本 章 重 点 内 容
刀 具 补 偿 原 理
插 补 原 理
CNC装置的硬件系统
CNC装置的软件系统
第三章 计算机数控 （ CNC）
系统的基本原理
第一节 概述
第三节 CNC的数据处理
第二节 插补原理
第四节 CNC的软件系统
第五节 CNC的硬件系统
第六节 典型 CNC系统实例
第一节 概 述
一,CNC系统的组成
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
程序 输入设备
输出
设备
CNC
装置
PC
位置
检测器
进给
电机
机床
主轴
电机主轴控制
单元
速度
控制
单元
二,CNC装置的结构
(一 )CNC装置的一般 硬件 结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设备层
机床
机器人
测量机
???
显示设备
输入 /输
出设备
其他设备
接
口
计算机基本系统 设备支持层
人机控制
运动控 制
PMC
其他 I/O
CNC装置硬件组成
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CPU
EPROM RAM IN接口 OUT接口
纸带
阅读机
MDI/
CRT
接口
位置
控制
其它
接口
总线
(二 )CNC装置 软件 的功能性结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
操作系统
管理软件
零
件
操
作
系
统
显
示
处
理
人
机
交
互
输
入
输
出
管
理
编
译
处
理
刀
具
半
径
补
偿
速
度
处
理
插
补
运
算
控制软件
?
???
(三 )CNC硬件、软件的作用和相互关系
CNC装置的硬件和软件构成了 CNC装置的 系统平台,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数控加工系统
CNC装置的系统平台
被控设备
机 床
机器人
测量机
? ?
根据用户
要求开发
应用
软件
控 制
软 件
管 理 程 序
操作系统
硬 件
接 口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
＊ 该平台提供 CNC装置基本配置的 必备功能
＊ 该平台根据用户要求进行 功能设计和开发
CNC平台的建构方式就是 CNC装置的体系结构。
该平台由以下 两 个方面的含义,
三,CNC装置的功能
基本
功能
选择
功能
数控系统基本配置的功能，即必备的功能
用户可以根据要求选择的功能
四,CNC系统的特点
☆ 灵活性大
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
只要改变系统软件，就可改变和扩展其功能，
补充新技术，延长硬件结构的使用期
☆ 通用性强
硬件有多种通用的模块化结构，易于扩展
☆ 可以实现复杂的功能
如高次曲线插补、动静态图形显示等功能
☆ 可靠性高
☆ 使用维修方便
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
许多功能由软件实现，硬件结构大大简化,
用大规模和特大规模通用和专用集成电路
CNC的诊断程序使维修非常方便
☆ 易于实现机电一体化
半导体集成电路技术的发展和采用先进的
制造安装技术,使 CNC装置尺寸大为缩小。
K9M铣床数控系统
K9M铣床数控系统（立式 1）
K9M铣床数控系统（箱式）
K9T铣床数控系统（箱式）
四、几个典型的 CNC系统
♂ 美国艾伦 ?勃兰特雷公司本世纪 70年代中期生产
的 7360系统,是世界上第一个 CNC系统，是该
公司于 1971年公布的。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
♂ 世界著名控制系统制造商日本富士通法努克在
本世界 70年代中期生产的 System 7，包括 7T和
7M 两种。
♂ 美国著名的飞机制造公司麦克唐纳 ?道格拉斯公
司生产的 Actrion Ⅲ, 是一个典型的分布式微型
计算机数控系统。
返 回
第二节 插补原理
§ 2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一,什么是插补
数控装置根据输入的零件程序的信息，将
程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空
间进行数据密化，用一个个输出脉冲把这一
空间填补起来，从而形成要求的轮廓轨迹，
这种, 数据密化, 机能就称为, 插补, 。
第三章计算机数控（ ）系统的基本原理
零件程序 …
N12 G00 X12 Y24
N13 G01 X24 Y56
…
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
y
x0 12
24
24
56
直线插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
零件程序提供直线段的起点、终点坐标,数控装置
将这两点之间的空间进行数据密化,用一个个输出
脉冲把空间填补起来,从而形成要求的直线轨迹。
…
N12 G00 X12 Y24
N13 G01 X24 Y56
…
y
x0 12
24
24
56
圆弧插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
零件程序提供圆弧起点、终点、圆心坐标,数控
装置将起点、终点之间空间进行数据密化,用一个
个脉冲把这一空间填补成近似理想的圆弧,即对圆
弧段进行数据密化。
…
N12 G00 X40 Y30
N13 G03 X0 Y50 R50
?
50
40
30
y
0 X
R
二维插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对于平面曲线，通过二个坐标的插补运算，就能
控制两个坐标轴走出所需轨迹。
y
x0 12
24
24
56
50
40
30
y
0 X
R
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对于空间曲线 (三维、四维 ?),需要多个坐标
轴联动，也就需要多个坐标的插补运算。
多维插补
A(Xe,Ye,Ze)
Z
Y
X
O
Xe
Ye
Ze
二,软件插补算法
Ⅰ,脉冲增量插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
产生的单个行程增量，以一个个 脉 冲
方式输入给伺服系统。
原理
y
x0 12
24
24
56
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
步进电机为驱动装置的开环数控系统。
计算机
数控柜
步进电机
驱动电源
步进
电机
机 床
滚珠丝杆
应用
Ⅱ,数字采样插补（ 时间标量插补 ）
插补程序每调用一次，算出坐标轴在一个
周期中的增长 段 （ 不是脉冲 ），得到坐标轴
相应的指令位置，与通过位置采样所获得的
坐标轴的现时的实际位置（数字量）相比较,
求得 跟随误差 。位置伺服软件将根据当前的
跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令，
输出给驱动装置。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.插补程序的调用周期和系统的位置采样周期相同
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
? 美国 Allen－ Bradley公司的 7300 CNC 系列
2,调用周期是系统的位置采样周期的整数倍
? 西门子公司的 System－ 7 CNC 系统，采用 8ms
的插补周期和 4ms的位置反馈采样周期
应用
适用于闭环和半闭环，以直流（或交流）
电机为驱动装置的位置采样系统。
类型
目前的 MNC系统常采用以下结构方式完成插补运算
i 采用软 /硬件配合实现插补方案的单微机系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
※ FANUC 的 System－ 5
ii 具有分布式微机系统
※ 麦唐纳 · 巴格拉斯公司 Actrion III 型 MNC系统
iii 具有单台高性能微型计算机 NC系统
※ 西德西门子公司的 System-7 CNC 系统
§ 2.2 逐点比较法插补原理
基本思想
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲当量 ?
被控对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都
要和规定的轨迹进行比较，由比较结果决策下
一步移动的方向。
一个脉冲所产生的坐标轴的移动量 mm/p。
逐点比较法既可实现直线插补，又可实现圆弧插补。
Ⅰ, 直线插补
(一 ).偏差计算公式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图所示，设规定轨迹为
直线段 OE，起点在原点，
终点 E的坐标为 E(Xe,Ye),
第一象限 Pi(xi,yi)为加工点
（轨迹点） 。
1.若 P正好处在 OE 上,则下式成立。
xi =
yi ye
xe 即 xeyi － xiye=0
y
0 x
E(Xe,Ye)
Pi(xi,yi)
2.当 P在 OE上方时，
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
即 xeyi－ xiye>0
3.当 P在 OE下方时，
即 xeyi－ xiye<0
xi <
yi
xe
ye
xi >
yi
xe
ye
E(Xe,Ye)y
x
Pi(xi,yi)
0
E(Xe,Ye)
y Pi(x
i,yi)
x0
∴ 判别函数 F为 F＝ XeYi-XiYe
由 F可判别动点 Pi与理想轨迹的相对位置，从而决定下
一步移动方向。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
y
0 x
E(xe,ye)
F>0，点 Pi在直线上方，应向 +X移动。
F<0，点 Pi在直线下方，应向 +Y移动。
F=0，点 Pi在直线上，为方便，将 F=0 归 F>0。
为便于计算机编程计算,将 F的计算予以简化。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设第 I象限中动点 Pi(xi,yi)的 F值为 Fi，
Fi＝ XeYi-XiYe
1.若沿 +x向走一步，即
?
?
?
?
?
??
?
??
???
?
?
eiiii
ii
ii
yxyxF
yy
xx
111
1
1
,1
于是有 Fi+1 = Fi － Ye
Pi(Xi,Yi)
E(xe,ye)y
0 x
Pi+1(Xi+1,Yi+1)
2.若沿 +y向走一步，即
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?
?
?
?
?
??
?
??
???
?
?
eiiei
ii
ii
yxyxF
xx
yy
111
1
1
,1
于是有
eii XFF ??? 1
? 新加工点的偏差完全可以用前一加工点的偏差递推。
x
y
0
Pi(Xi,Yi)
Pi+1
E(xe,ye)
(二 )终点判别的方法有两种：
1.每走一步，判断动点 Pi(xi,yi)的坐标值是否与
终点坐标相同，即
Xi-Xe ≥ 0且 Yi-Ye≥0
若两式同时满足，插补结束。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2,求程序段总步数 n=Xe+Ye
每走一步,n?1?n，直到 n=0，插补结束。
(三 )插补计算过程：（用 流程图 表示 ）
终 点 到？
初始化
偏 差 判 别
坐 标 进 给
偏 差 计 算
End
Y
N
第 I 象限直线插补软件流程图
(四 )不同象限的直线插补计算
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 xe,ye,n=xe+ye,F=0
F?0？
+x方向走一步 +y方向走一步
F← F － Ye F ← F + Xe
n-1→n
n＝ 0
End
Y
NY
N
y
0 x
E(xe,ye)
用同样方法分析第 II,III,? 象限插补情况，
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
-X
+Y
F<0(+Y)
F>0(-X)
F>0(-X)
F>0(+X)
F<0(-Y)
F<0(+Y)
F>0(+X)
F<0(-Y)
+X
-Y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图所示,可以得出：
都是沿 x方向步进，无论 +x,-x,|x|总是增大，
走 +x或 -x由象限标志控制 (跟随 Xe的＋、－）
F≥ 0
+Y
F<0
F>0
F>0
F>0
F<0
F<0
F>0
F<0 +X
-Y
均沿 y方向步进，无论 +y,-y,|y|增大，
I,II走 +y,III,IV走－ y（随 ye的＋，－）。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F<0
+Y
F<0
F>0
F>0
F>0
F<0
F<0
F>0
F<0 +X
-Y
下图所示，轮廓形状
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
C
x
y
0
B
A
D
ad
bc
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
a.看成是第 I象限，起点 O1，终点 O2，输出为＋ x,＋ y
b.看成是第 Ⅱ 象限，起点 O2，终点 O3，输出为－ x,＋ y
c.看成是第 Ⅲ 象限,起点 O3,终点 O4,输出为－ x,－ y
d.看成是第 IV象限,起点 O4,终点 O1,输出为＋ x,－ y
C
x
y
0
B
A
D
ad
bc
x
y
x
y
x
y
x
y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 |Xe|,|Ye|
N=|Xe|+|Ye |
F>0?
沿 Xe向走一步 沿 Ye向走一步
F← F-| Ye | F← F+|Xe|
N=0?
End
Y N
NY
四个象限直线插补流程图可归纳为下图所示，
则 n=|xe－ x0|＋ |ye－ y0|
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
例 1 对直线段 OE进行插补运算,E点坐标为 (5,3)，
试写出控制装置内插补运算步骤。
解：初始化：
xe=5,ye=3
F?0 ?X F=F-3
F<0 ?Y F=F+5
y
x0
E(5,3)
序号 判别 F 进给 F计算 终点判别 (n-1?n)
1 0 ?X -3 7?0
2 -3<0 ?Y 2 6?0
3 2>0 ?X -1 5?0
4 -1<0 ?Y 4 4?0
5 4>0 ?X 1 3?0
6 1>0 ?X -2 2?0
7 -2<0 ?Y 3 1?0
8 3>0 ?X 0 0 终点到
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F?0 ?X F=F-3 F<0 ?Y F=F+5
y
x0
5
3
Ⅱ,圆弧插补
(一 ).偏差计算公式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
若 Pi在圆弧上,
则 （ xi2+ yi2) -(x02+ y02)=0
取判别函数 F为 F=(xi2+ yi2) -(x02+ y02)
X
Y E(xe,ye)
A(x0,y0)
O
Pi
(xi,yi)
圆心为原点，圆弧
起点坐标 (x0,y0)，
终点坐标 (xe,ye)，
设动点 Pi(xi,yi)。
1.动点在圆弧外,F > 0,向 -x 走一步；
2.动点在圆弧内,F < 0,向 +y 走一步；
3.动点在圆弧上,F = 0,向 -x 走一步。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
A(x0,y0)
E(xe,ye)
Pi
x
y
0
F=(xi2+ yi2) -(x02+ y02)
(二 )终点判别的方法有两种：
1、动点与终点坐标值比较
若 xi=xe,x 向已到终点
若 yi=ye,y 向已到终点
只有当 x,y都到达终点，插补才算完成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2、计算总步数 n=|Xe-X0|+ |Ye-Y0|
每走一步,n-1→n,直到 n=0,插补结束
(三 )插补计算过程：（用 流程图 表示 ）
A(x0,y0)
E(xe,ye)
Pi
y
终 点 到？
Y
End
N
初始化
偏 差 判 别
坐 标 进 给
偏 差 计 算
坐 标 计 算
(四 )不同象限的直线插补计算
1、第一象限逆圆插补
动点在 -X方向走一步后
xi+1=xi -1 yi+1=yi
Fi+1=(xi-1)2+yi2-(x02+y02)
=Fi-2xi+1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
动点在 +Y方向走一步后
Fi+1=xi2+(yi+1)2-(x02+ y02)= Fi+2yi+1
第一象限逆圆插补的流程图如图所示
Pi
Pi+1
Pi
xA
E
Pi+1
0
y
第一象限逆圆
插补流程图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 起点 (x0,y0)
终点 (xe,ye) F=0
F≥0？
+Y方向走一步 -X方向走一步
F=F+2Y+1
Y=Y+1
F=F-2X+1
X=X-1
插补完?
End
N
Y
N Y
2、第一象限顺圆插补
F≥0
动点在 -Y方向走一步后
Fi+1=Fi-2Yi+1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第一象限顺圆插补的流程图如图所示
F<0
动点在 +X方向走一步后
Fi+1=Fi-2Xi+1
Pi
Pi+1
Pi Pi+1
x
y
0
A
E
第一象限顺圆
插补流程图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 起点 (x0,y0)
终点 (xe,ye) F=0
F≥0？
+X方向走一步 -Y方向走一步
F=F+2X+1,X=X+1 F=F-2Y+1,Y=Y-1
插补完?
End
N
Y
N Y
3、圆弧插补有八种情况表示如下图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4、四个象限顺圆、逆圆插补表
走向 走 步 条 件 计 算 公 式
+X
第一象限、顺圆,F<0
Xn＝ Xn＋ 1
Fn＋ 1＝ Fn＋ 2Xn＋ 1
Xe－ Xn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F≥0
第三象限、逆圆,F≥0
第四象限、逆圆,F<0
－ X
第一象限、逆圆,F≥0
Xn＝ Xn－ 1
Fn＋ 1＝ Fn－ 2Xn＋ 1
Xe－ Xn＋ 1＝ 0？
第二象限、逆圆,F<0
第三象限、顺圆,F<0
第四象限、顺圆,F≥0
圆弧插补表
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
走向 走 步 条 件 计 算 公 式
+Y
第一象限、逆圆,F<0
Yn＝ Yn＋ 1
Fn＋ 1＝ Fn＋ 2Yn＋ 1
Ye－ Yn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F<0
第三象限、顺圆,F≥0
第四象限、逆圆,F≥0
-Y
第一象限、顺圆,F≥0
Yn＝ Yn－ 1
Fn＋ 1＝ Fn－ 2Yn＋ 1
Ye－ Yn＋ 1＝ 0？
第二象限、顺圆,F≥0
第三象限、逆圆,F<0
第四象限、逆圆,F<0
例 2.欲加工第 I象限逆圆弧,起点 A,x0=4,y0=3;
终点 E:xe=0,ye=5，试写出插补计算步骤,
解,初始化
x=x0=4
y=y0=3
F=0
n=|Xe-Xi|+ |Ye-Yi|=6
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
F表达式：
F≥0,-ΔX,F-2X+1→F,X-1→X
F<0,+ΔY,F-2y+1→F,y+1→y
y
E
0 X
A
4
3
5
序号 F判别 进给 F坐标更新 终点判别
1 0 -Δ X F=0-2× 4+1=-7 6-1=5≠0
x=4-1=3
2 -7<0 Δ Y F=-7+2× 3+1=0 5-1=4≠0
y=3+1=4
3 0 -Δ X F=0-2× 3+1=-5 4-1=3≠0
X=3-1=2
4 -5<0 Δ Y F=-5+2× 4+1=4 3-1=2≠0
y=4+1=5 y轴达终
5 4>0 -Δ X F=4-2× 2+1=1 2-1=1≠0
x=2-1=1
6 1>0 -Δ X F=1-2× 1+1=0 1-1=0 插补完
F=1-1=0 X轴达终
y
E
0 X
A
4
3
5
§ 2-3 数字积分法
1、基本概念
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
采用积分运算实现插补，又称 DDA法。
DDA(Digital Differential Analyzer)
2、优点
易于实现多维插补和原有系统多个坐标轴
联动的扩充,尤其多坐标联动的数控系统
一,DDA直线插补
设对直线 OE进行脉冲分配
起点 O(0,0)，终点 E(xe,ye)
直线方程 y/x=ye/xe
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
e
e
x
y
dtdx
dtdv
?
/
/对 t求导
即 Vy/Vx=Ye/Xe
令动点 P，在 x,y轴方向的速度分别是 Vx,Vy,
在 x,y方向的微小位移增量为 ΔX, ΔY则：
E(xe,ye)y
x0
Vy
Vx
V
ΔX = Vx ·Δt
ΔY = Vy ·Δt
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）
假定进给速度 V是均匀的，即 V为常数，对于直线
函数来说,其分速度 Vx,Vy必为常数,且有下式
e
e
y
x
y
X
V
V
?
引入比例系数 K，有
Vx = K ? Xe
Vy = K ? Ye
（ 2）
将 (2)式代入 (1)式，即为坐标轴位移增量
Δx = K ? Xe ? Δt
Δy = K ? Ye ? Δt
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 3）
位移量为
??
?
???
n
i
t
e K X edtKXx
1
0
??
?
???
n
i
e
t
e tKydtKyy
1
0
取单位时间 Δ t=1，则公式化为
t
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
n
i
e
n
i
e
Kyy
KXX
1
1
（ 3）
Σ ≥ 1走一步 → Σ -1→ Σ
→
余值作为
下次累加的余值
Σ +Σ KXe+Σ KYe→ 不断累加 不断溢出溢出脉冲数符合 (3)式
得出接近理想的直线轨迹→
→
累加多少次，才能达到加工终点呢？ K=？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
设经过 m 次累加后，达到终点，由 (3)式知，
m次累加后 X = m ? K ? Xe = Xe
Y = m ? K ? Ye = Ye
于是，必须使 m ? k=1，或 m=1/k
i,累加 1/k次后,x, y方向同时到点溢出的
脉冲总数 X=Xe,Y=Ye
ii,K与 m互为倒数关系, m必须是整数,
故 K必是小数。
确定 m(K)：
方法 1：
每次累加，在每个轴上最多只能产生一个进给脉冲。
式 (2)中的 Δx,Δ y相同地要小于等于一个脉冲当量，即
要求
KXe≤1 KYe≤1 (Ⅰ )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
,则必然满足 (I)式的条件。
Xe,Ye的最大允许值受系统字长的限制,假设系统
字长为 m,则 Xe,Ye的最大允许值为 2?-1，若取
2?K=
1
方法 2：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
假设 Xe>Ye,即 X轴累加溢出脉冲总数多于 Y轴,
累加最有效的情况是,每次累加,X轴都有脉冲溢
出,Y轴则不一定,于是选累加次数 m=Xe，则
K= 1/Xe.将 (3)式改写成：
??
??
??
??
??
??
n
i
e
e
n
i
e
n
i
e
e
n
i
e
Y
x
Y
m
y
X
x
X
m
x
11
11
11
11
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
每次累加
1.X轴必有脉冲溢出,(不必要进行累加计算 )
2.Y轴的累加结果大于或等于 m(Xe)时才产生
溢出,发出一个脉冲,故 m又称为溢出基值,
作为是否有脉冲溢出的判别条件
作为终点判别条件
溢出余值 m
设有 x1,x2?? xp个坐标轴同时插补，则令
m=max {x1,x2,^xp},m对应的轴 xm称为
主导轴 每次累加，主导轴必有脉冲溢出，
而其余轴
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
推广到 P个坐标轴同时插补的情况。
?
?
?
n
i
jej xmx
1
1
即以终点坐标作为被积函数 (增量 )进行累加，
累加结果大于或等于 m时,产生溢出,发出一个
脉冲,当经 m次累加计算后,主导轴 xm 达到终点。
此时,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
jeje
n
i
jej xmxmxmx ???? ?
?
11
1
即其余各轴也同时到达了终点。
优 点
1.减少了一个坐标轴 (主导轴 )的累加运算
2.保证了每次累加必有脉冲输出
4.减少了插补程序的长度和插补运算时间
3.提高了脉冲发生率
解,初始化 m=xe=5 Σy=0 累加增量为 3
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
例 3 设有直线 OE,起点在原点，终点 E(xe=5,ye=3)
用 DDA法 实现插补。
y
x0 5
3 E
43
2
1
21
4
5
累加次数 累加求和 判 别 脉冲溢出
n ye+Σy→Σy Σy≥m? Δy Δx
1 3+0=3 3<5 0 1
2 3+3=6 6>5
6-5=1→ Σy 1 1
3 3+1=4 4<5 0 1
4 3+4=7 7>5 1 1
7-5=2→ Σy
5 3+2=5 5=5 1 1
END
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
DDA 逐
累加次数 5 8
一次最多移动坐标轴 2 1
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
预置了初值的插补结果见例 3。
?
?
?
?
?
?
????
?
?
?
m
mm
5.05.0,5.0 入进
比较例 1,用逐点比较法进行直线插补，区别
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
累加次数 累加求和 判 别 脉冲溢出
n ye+Σ y→ Σ y Σ y≥m? Δ y Δ x
1 3+2=5 5=5 5-5=0→ Σ y 1 1
2 3+0=3 3<5 0 1
3 3+3=6 6>5 6-5=1→ Σ y 1 1
4 3+1=4 4<5 0 1
5 3+4=7 7>5 7-5=2→ Σ y 1 1
例 3中,Σy=m/2=2
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
x0 5
3 E
43
2
1
21
4
5
与例三比较，两次插补轨迹分别如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
以第 I象限顺圆为例
圆方程为,x 2+y 2=r 2
对时间 t求导
kx
ky
x
y
dtdy
dtdx ????
/
/
由此设出第 I象限顺圆坐标轴方向的速度分量为
Vx = Ky
Vy = － Kx
此式说明，速度分量是随动点变化的。
V Vy
Vx
E
A
y
x0
二,DDA圆弧插补
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
tKxy
tKyx
????
???
位移量
? ?
?
???
n
i
i tKyk y d tx
1取单位时间 Δt=1
则：
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
n
i
i
n
i
i
Kxy
Kyx
1
1
（ 4）
坐标轴位移增量
由此构成如图所示的插补原理框图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
X轴被积函数寄存器
Y积分累加器
＋
X积分累加器
＋
Y轴被积函数寄存器
插补迭代
控制脉冲
X轴
溢出脉冲
Y轴
溢出脉冲
Δt ΔXΔY
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
考虑用半径 r的数字量作为溢出余值 k=1/r.
于是 (4)式变为：
?
?
?
?
??
?
n
i
i
n
i
i
x
r
y
y
r
x
1
1
1
1
x,y的增量值分别为 y,x轴的动点坐标值 (yi,xi)
累加多少次才能达到终点？ K=？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 预置累加增量值
x,y轴累加增量初值分别为 y0,x0 (Δx,Δy)
② x轴累加求和,∑x+Δx-y→ ∑x
得出的溢出脉冲发到 +x向
y轴累加求和,∑y+Δy-x→ ∑y
得出的溢出脉冲发到 -y向
③ 坐标值更新，
当 x向发出脉冲后,x+1 →x=Δy
更新 y轴累加增量值 y
插补过程如下：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
④ 判终
将 ③ 中计算出的坐标瞬时值与圆弧终点坐标
进行比较，当有一个轴达终，该轴就停止计算，
不再有脉冲溢出，只有当两轴都达到终点时，
插补运算结束。
即当 y向发出脉后,y-1→y=Δx，
更新 x轴累加增量值 x
不同象限，顺逆不同，插补公式也不一样。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
解,溢出基值 m=r=5
x轴增量值 Δx=y0=5
y轴增量值 Δy=x0=0
∑x=∑y=0
插补过程如下：
例 4.用 DDA法进行圆弧插补，半圆弧 AE起点 A(0,5),
终点 E(5,0),半径 r=5。
x0
y
A
E
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
累加
次数
X
求和
X
溢出
更新
∑x-y→∑x
Y
求和
Y
溢出
更新
∑y-r→∑y
n y+∑x→∑x x+1 →x x+ ∑y→∑y y-1→1
1 5+0=5→x 1 0 →∑x 1+0→∑y 0
0+1→x
2 5+0 →∑x 1 0 →∑x 1+2=3→∑y 0
2→x
3 5+0 →∑x 1 0 →∑x 3+3=6→∑y 1 1→∑y
3→x 5-4=1→∑y
4 4+0 →∑x 0 3+1=4→∑y 0
5 4+4 →∑x 1 3→∑x 4+4 →∑y 1 3→∑y
4→x 4-1=3→∑y
6 3+3→∑x 1 1→∑x 5+3→∑y 1 3→∑y
5→x (x 达终 ) 2→y
7 5+3→∑y 1 3→∑y
1→y
8 5+3→∑y 1 3→∑y
0→y (y 达终 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
三、提高积分法插补的精度
1.直线插补时的四舍五入
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
坐标轴积分值＝溢出脉冲数＋余数
※ 其方法是在插补前，为各积分累加器预置
溢出值的一半，从而容易地了实现四舍五入。
1）,当余数 <0.5时，舍去
2）,余数 ≥0.5 时则发出一个脉冲，即四舍五入
功能，以提高插补精度。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
解决措施
产生原因
2、减小 DDA圆弧插补轮廓误差的措施
1).圆弧插补时的初值预置
被积函数较小的坐标轴位置变化较另一个
轴慢，使插补出的轨迹向圆弧外扩展
累加单元预置一初值 (溢出余值的一半 ),
就可使较小坐标轴提早发生位置变化。
积分累加器初值为零
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
积分累加器预置了初值
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x
y
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2).累加求和结果的互相影响
逆 I,III，顺 II,III,先 x后 y累加
逆 II,IIII，顺 I,III，先 y后 x累加
例, x的累加 x+∑y→∑y,
第一次累加,y累加产生输出并未立即影响到
x的输出，只是使 x的增量值 (y)改变 ;下一次累
加，才改变了的 y才影响到 x累加输出,
产生原因
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 2-4 时间分割法
基本思想
通过速度计算程序将进给速度 V分割成插补
周期的轮廓步长 f，然后进行插补计算，送
出各坐标轴的周期进给增量。
例,System－ 7CNC系统采用时间分割法，插
补周期为 8ms即在每次 8ms插补中断服务后，调
用一次插补程序。
一、直线插补
设要求刀具在 XOY
平面作直线运动，由
0点运动到 P点，则 X
轴和 Y轴的移动增量
为 Xe和 Ye。插补时，
取增量大的为长轴，
增量小的为短轴。要求 X,Y轴的速度保持一定的
比例，同时开始运动，同时到达终点。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Y
0
α
ΔX
ΔY
P(Xe,Ye)
X
设刀具的方向与长轴夹角为 α, OA为一次插补
的进给步长 f。由程序提供的 Xe和 Ye可以确定
tgα=
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Ye
Xe
cosα＝ 1
1+tg 2α
长轴插补进给量 Δ X=fcosα
短轴插补进给量 Δ Y＝ tgα · Δ X
二、圆弧插补
以顺圆插补为例，
顺圆上 B点时继 A
点之后的插补瞬时
点，其坐标分别为
A(Xi,Yi),
B(Xi+1,Yi+1)
X,Y轴的进给量分别
为 ΔX,ΔY
∠AOY= α,∠AOB= Δα
∠AOM=∠BOM=0.5 Δα β= α+0.5Δα
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Y
X0
Yi
Ym
Yi＋ 1
Xi Xm Xi＋ 1
A
BM
F
Δαα
ΔXi
ΔYiβ
由此可以推出 (Xi,Yi)与 ΔX,ΔY的关系式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
cosβ =cos(α i+0.5Δα)
Δ X Yi-0.5Δ Y Yi-0.5fcosβ=
Δ Y Xi+0.5Δ X Xi+0.5fcosβ=
反映圆弧上任意相邻两点间坐标间的关系
只要找到计算 Δ X和 Δ Y的恰当方法，就可以求出
新的插补点坐标：
Xi+1＝ Xi+ΔX
Yi+1＝ Yi+ΔY
1 什么叫插补？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
插补习题
2 插补器有几种分类方法？可分为哪几类？
3 常用的插补方法有哪些？
4 试述逐点比较法的插补过程。
5 偏差函数的作用是什么？
6 逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的？
它与刀具位置有何关系？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7 逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定?
偏差值如何计算？
10 圆弧插补时偏差函数如何定义？它与刀具位置
有何关系？
9 直线的起点坐标在原点 O(0,0)，终点 A的坐标
为 A（ 9,4）,试用逐点比较法对直线进行插补，
并画出插补轨迹。
11 数字积分插补法适用于什么场合？
8 逐点直线插补，怎样判断直线是否加工完毕?
12 插补运算中,DDA法是指 ( )
① 比较积分插被法 ② 单步追踪插补法
③ 数字积分插被法 ④ 逐点比较插被法
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
14 数字积分法圆弧插补的被积函数是什么？
如何判断终点？
13 数字积分法直线插被的被积函数是什么？
如何判断终点？
15 圆弧插补时进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
16 圆弧插补时，如何差别终点？
17 试画出逐点比较法直线插被的程序框图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
18 若插补器所用寄存器的长度为 n位，能插补的最
大直线尺寸是直线终点的纵、横坐标均应小于
19 用逐点比较法插补第二、三、四象限的直线时，
应该如何计算偏差？
③ 2 n-2
① 2 n-1
④ 2 -1n-2
② 2 -1n-1
返 回
第三节 CNC的数据处理
§ 3.1 CNC的输入
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC的输入主要是指 零件加工程序 的输入。
穿孔输出存 储 器
修正删除插入
阅读机
键 盘
无带运转
CNC装置数据转换流程如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
加
工
程
序
译
码
刀
补
处
理
速
度
预
处
理
插
补
处
理
位
置
处
理
伺
服
驱
动
刀补
缓冲区
运行
缓冲区
PLC
控制译码
缓冲区
位置
反馈
插补
缓冲区
存数过程
取数过程
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
纸 带
零件程序
零件程序
缓冲器
零件程序
存储器
零件程序
存储器
零件程序
缓冲器 译 码
CNC系统中通常的工作方式为 存储器工作方式 。
用 键盘命令 调出零件程序存储器中指定的零件
程序。但在工作中还允许用键盘输入修正程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
阅读机 零件程序存储器 MDI键盘
零件程序缓冲器 MDI缓冲器
译 码
§ 3.2 CNC的数据处理
§ 3.2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
进行插补运行前的准备。
译码、运动轨迹计算,F值计算
零件程序中每个程序段所经历的过程是：
零件
程序
缓冲区
译码
结果
寄存器
数据
结果
缓冲器
插补
工作
寄存器
译码
程序
数据处
理程序
传
送
内容
目的
§ 3.2.2 译 码
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
将标准的数控代码翻译成本系统能识别的形式。
如 N042 G01X40 Y20 F80。
识别代码，翻译成具有具体意义的数据形式，
并存入对应单元。
取识 → 拼数 → 分存过 程
任 务
概 念
§ 3.2.3 刀具半径补偿原理
一、刀具半径补偿的基本概念
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（一）什么是刀具半径补偿
按零件轮廓编制
的程序和预先设
定的偏置参数，
数控装置能实时自
动生成刀具中心轨迹的
功能。实线为零件轮廓,
虚线为刀具中心轨迹。
刀具
刀具中心
轨迹
编程
轨迹
（二）刀具半径补偿功能的主要用途
1.由于刀具的磨损或因换刀引起的 刀具半径变化,
不必重新编程，只须修改 相应偏置参数 。
2.加工余量的预留 可通过修改偏置参数实现，
而不必为粗、精加工各编制一个程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 3.2.3 刀具半径补偿原理
一、刀具半径补偿的基本概念
（三）刀具半径补偿的任务
根据程序段的起点，
终点坐标以及 r在起点、
终点处的坐标分量 r x、
r y，求出刀具中心的起
点、终点坐标，核心是
求 r 的分量。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如图 B′点 XB′=XB+rx
YB′=YB+ry
计算 r x,r y
R
Ry
Rx
x
y
RA
A′
B′
B
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
※ 园弧过渡型刀补,在硬件 NC中，采用园弧过渡型
刀补，故要 增加一段园弧 。
非圆滑过渡处附加程序段
※ 直线过渡型刀补,求出刀具中心轨迹交点，再对
原来的编程轨迹作 伸长 或 缩短 的修正。
(四 )刀具半径补偿的转接形式
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
伸长型
C点处于
JB与 DK的
延长线上 X
Y
Y
X0
J
B C
D
C′B′
A
E
α
缩短型
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
编程轨迹 OA,AF，
刀具中心轨迹
JB与 DK将在 C点
相交。这样，
相对于 OA和 AF而言，
缩短一个 CB与 CD的
长度。
K
F
J
D
X
Y
O
C′
B
C
A
X
Y
α
X
插入型
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Aα X
X
Y
Y
0 C
C′
J
K
F
B
L H
D
刀具半径补偿的常用方法
刀具中心轨迹的段间连接都是圆弧。B刀补
C刀补 相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用
直线连接。
（ 五 ） C刀补的基本设计思想
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
刀具半径补偿是在译码之后进行，译码译出一
段并不立即进行刀补，译出的若是下一段，则
对本段进行刀补，而正在插补加工的是上一段。
r r
Pi
Pi-1
rr
Pi+1
CNC系统专门设立了刀补缓冲区 CS,刀补过程是,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
Pi-1
r
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
Pi-1 Pi-11
r r
Pi
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
r r
Pi
Pi-1
r
BS
缓冲寄存器
Pi
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi-1 Pi-1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi-1 Pi-1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
Pi
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
r
Pi+1
BS
缓冲寄存器
CS
刀补缓冲区
Pi
AS
工作寄存器
OS
输出寄存器
r r
Pi
Pi-1
r
6 P
i-1Pi+1 i
Pi-1Pi+1 Pi
Pi-1
二、刀具半径补偿的工作原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
建立刀补
执行刀补
取消刀补
刀具轨迹中心 编程轨迹
刀补进行刀补建立
刀补撤销
起始点
§ 3.2.4 F值计算
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
开环系统采用步进电机作驱动元件,
每输入一个脉冲，步进电机就转过一定的角度驱动
坐标轴进给一定距离 δ(mm/脉冲 ),发送给步进电
机的脉冲频率确定坐标轴进给速度 F(mm/min),F
与脉冲发送频率的关系如下,
即
原理
Ff＝
δ × 60
F = δ? f ? 60 (mm/min)
获得要求的脉冲发送频率 f 的方有：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 软件延时法
LD B,A
LOOP,DEC B 1≤Ti≤256
JR NZ LOOP
步进机每步执行的周期 Ti由下式决定
Ti=t01+Tci· t
t01,主程每步插补运算所需时间 (us)
Tci,装入 A中延时控制字节 1≤ Tci≤256
t,每次循环的时间 (us)
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
m i n
6
m a x
10
iT
f
?
? (看小于额定最高运行频率 )
1,延时期间,CPU不能做其它工作。
2,不同的插补算法、插补类型,t01也不相同，
这样就增加了软件的复杂性。
改变 Tci即改变 Ti,Tci↓,Ti↓,f↑
t01越短越好，尽可能使插补程序精炼
Tmin=t01+t (Tci'=1)
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
原理 —— 主机完成插补计算，中断服务子程输出
脉冲，利用 CTC作定时器,实现定时中断。
CTC计数定时器的工作过程是：
f→ 时间常数 Tc→ 减 1计数至 0→ 产生中断,执行中断子程
② 定时中断方法
将时间常数送减 1计数器,计数器减到 0时，向
CPU发出中断申请,CPU接收这一申请,就立即
执行中断服务子程。
§ 3.3 管理程序与诊断程序
一、管理程序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
管理程序主要是对 CNC系统的各项 数控功能 与
零件加工过程 的管理。
初始化, 接受命令, 执行命令,
返回待命状态
工作流程
数控功能 编辑、自动、空运行、单段
手动 1、手动 2、手动 3、
（一）运行中诊断
诊断程序常包含在 主控程序, 中断处理程序 等各
部分中。接口、伺服系统和机床方面的都包含在
CNC装置软件的相应部分。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
二、诊断程序
1.用代码和检查内存。
2.格式检查。
3.双向传送数据检验。
4.电压、温度、速度等模拟量监控。
（二）停机诊断
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
概念
当系统发生故障或系统开始运行前，
利用诊断程序进行诊断称为停机诊断。
商业化的 CNC装置多数配有 自诊断 程序。
概念
诊断时，将自诊断程序装入运行,CNC系
统 无故障,检查程序连续进行，不停机。
如 发现故障,则停机，从停机地址即可找
到故障部位。
自诊断程序包括：
内存 检查程序,逻辑 检查程序,算术 检查程序、
接口,外设 检查程序,位置控制 测试程序，以及
掉电处理 检查程序等。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
对 接口电路 也可以设立独立诊断程序，就是使
接口与外围设备脱离，将某些接口的输出线与另
一接口的输入线适当连接，以进行信息传送并进
行检查。
（三）通讯诊断
用户 CNC系统经电话线路与诊断中心通讯，由
诊断中心发出诊断程序，指示 CNC进行某种运行，
同时收集数据，分析系统的状态。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
故障发生 时,NC机床操作者 打电话 给诊断中心，
接通 NC系统与诊断系统计算机联系的 按钮,中心
计算机把诊断程序送入 NC系统,由该程序检验 NC
机床各单元回路和机构，检验结果 自动 回送到中心
计算机，给操作者提出 一整套 消除故障的措施。
返 回
第四节 CNC的软件结构
§ 4.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC是一个实时的计算机控制系统。
数控的基本功能是由各种功能子程序实现的。
特 点 1.CNC系统软、硬件的界面
纸
带
输
入
插补
准备
插
补
位
控
软 件 硬 件硬 件
第一种
介
质
输
入
插
补
位
控
2.系统软件的内容及结构类型
? 前后台型软件结构
? 中断型软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
硬件
硬件
介
质
输
入
插补
准备
插
补
位
控
速
控
电
机
测 量
软 件 硬 件
软 件 硬 件
第二种
第三种
3.多任务并行处理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
输 入
显 示 位 控
诊 断 I/O
译 码
↓
刀 补
↓
速 度
处 理
插 补
位 控
资源分时共享并行处理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
显 示
诊 断
输 入插补准备
I/O
处理
初始化 插 补
位 控
键 盘
中
断
优
先
级
由
高
到
低
§ 4.2 前后台型的软件结构
§ 4.2.1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
作 用 系统的核心，承担几乎全部 实时功能如插补运算、位置控制、故障诊断。
━ 前台程序 (实时中断服务程序 )
━ 后台程序 (背景程序 )
作 用
完成插补前的 准备 工作和 调度 管理，
如显示、插补预处理、程序编辑。
前后台运行的相互关系如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
中断执行
前台程序
故障处理
位置控制
插补运算
.
.
后台程序
译码
刀补处理
速度预处理
输入 /输出
显示
.
.
循环执行
§ 4.2.2 后台程序的调度管理功能
程序段经过输入译码、数据处理后，已进入就绪状
态，等待插补进行。背景程序有一个数据段执行程序，
专门管理数据段的执行。
数据处理后两种信息的传递如图所示：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数 据 处 理
程 序
插补用信息
辅 助 信 息
数据处理结果缓冲器
系 统 工 作 寄 存 器
数据段执行程序的功能：
将数据处理结果缓冲器中的插补用信息传送到
插补缓冲器，并把系统工作寄存器的辅助信息
待送到系统标志单元。在完成了两种传送后，
背景程序设立了两个标志：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数据段传送结束标志
开放插补标志
在一个中断周期，实时中断程序进行插补及
伺服输出，背景程序进行下一段的数据处理。
的
调
度
管
理
功
能
框
图
正
常
状
态
下
背
景
程
序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初 始 化
按了启动按钮否？
停 机
循环停处理程序
数据段执行程序
零件程序结束否？
输入，译码并进行数据处理
N
N
Y
Y
一、什么是 中断型软件结构
§ 4.3 中断型软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
指除了初始化程序外，整个控制程序分成
若干各不同级别的中断服务程序。所有的各
种功能子程序均被安排成级别不同的中断程
序，管理功能主要通过各级中断程序之间的
相互通讯来解决。
二,中断型软件结构的特点
实时性好，但模块关系复杂，耦合度大
该模式的软件结构如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初 始 化
中
断
程
序
0
级
服
务
中
断
程
序
1
级
服
务
中
断
程
序
2
级
服
务
中 断 管 理 系 统 (软 件 + 硬 件 )
中
断
程
序
n
级
服
务
?
?
?
三,CNC系统的中断类型
1.外部中断
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2.内部定时中断
3.硬件故障中断：各种硬件故障检测系统发出的中断,
4.程序性中断：程序中出现异常情况的 报警 中断。
插补周期定时中断
位置采样定时中断
阅读机中断和外部监控中断
键盘操作面板输入中断
§ 4.4 基于实时操作系统的软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
除了具有通用操作系统的功能外，还具有 任务管理、
多种实时任务调度机制, 任务间的通讯机制 等功能。
1.弱化功能模块间的耦合关系
2.系统的开放性和科维护性好
3.减少系统开发的工作量
功 能
优 点
§ 4.5 华中 Ⅰ 型数控系统软件介绍
华中 Ⅰ 型数控系统软件以 工业 PC和 DOS操作系
统为软硬件支持环境，其 底层运动控制软件 实现
开放，构成开放式的运动平台，提供一个 二次开
发环境,能够供不同的数控系统灵活配置、使用，
并提供了一个 标准风格的软件界面 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
过程层软件 相当与前后台型软件结构中的背景
程序，通过 NCBIOS把它与底层软件隔开，使得
过程层不依赖于硬件。
华中 Ⅰ 型
软件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
MS-DOS
RTM
NCBIOS
位置控制
I/O控制
SDI 曲面直
接插补模块
PLC
过程控制软件
编辑
程序
参数
设置
位置
显示
PLC
管理
故障
显示
底层软件
过程层软件
?
返 回
第五节 CNC硬件系统
§ 5.1 CNC硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一、按硬件制造方分
1.专用型 CNC装置
模块化结构
采用功能模块化结构。按功能要求可选用 7、
9,11和 13个槽的控制单元母板。在控制单元
母板上插入各种不同功能模块的印刷电路板。
大板结构
2.PC式 CNC系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
组成：由主电路板,PLC板、附加 I/O板、
图形控制板和电源单元等组成。
? 采用工业标准计算机作为 CNC系统支撑平台；
? 不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和
CNC软件即可构成 CNC系统，不设计专门硬件；
? 由于工业标准计算机的生产数以白万计，其
生产成本很低，继而降低 CNC系统的成本。
二、按 CPU的多少分
1.单机系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CPU
CMOS
ROM
RS-
232
I/O
接
口
CRT
接
口
PC
控
制
位置
控
制
控制
媒介 机床
控制
面板
速度控
制单元
EPROM
CRT
其结构框图如图所示
总 线
1).基本概念
2).特点
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
系统功能受到 CPU字长、数据宽度、寻址能
力和运算速度等因素的限制，现在已被多机
系统的主从结构所取代。
整个 CNC装置 只有一个 CPU，集中控制和管理 整个
系统资源,通过分时处理的方式实现各种数控功能。
优 点 投资小,结构简单,易于实现。
缺 点
2.多机系统
多机系统结构如图所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
其 他 外 围 设 备
I/O接口 辅助功能
CPU|输入端 |输出端
可编程控制器
CNC插补 |位置控制
模块 | 模块
几何处理
其 他
功 能
管理模块 存储器
多机系统 CNC系统并联数据总线
1).基本概念
2).分类
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
整个 CNC装置中有两个或两个以上 CPU，
就是系统中的某些功能模块自身也带有 CPU。
主从结构系统
系统种只有一个 CPU(主 CPU)处于主导地位，
对系统资源有控制和使用权，其他 CPU处于从
属地位，只能接受主 CPU的控制命令或数据，
或向主 CPU发出请求信息以获得所需的数据。
多主结构系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
整个系统有两个或两个以上的带 CPU的功
能部件对系统资源有控制和使用权。模块间
采用紧耦合。
分布式结构系统
整个系统有两个或两个以上的带 CPU的功能
模块，每个模块有独立的运行环境，模块间
采用松耦合。
三、单机或主从结构模块的功能介绍
1.什么是模块化设计方法：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
每个模块配上相应的驱动软件，按功能要
求选择不同的功能模块，并将其插入控制
单元母板上，组成一个完整的控制系统。
将控制系统按功能划分成若干种具有独立
功能的单元模块。
2.模块化设计的条件：
总线 (BUS)标准化
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
单机或主从结构
的 CNC装置硬件结构
功能驱动 1
功能驱动 n
控制面板
机床 I/O
主轴控制模块
速度控制单元 1
速度控制单元 n
系
统
总
线
（BU
S
）
计算机主板
显 示 卡
多功能卡
电 子 盘
计
算
机
I/O
设备
PLC 模 块
位置控制块 1
位置控制块 n
功能模块 1
功能模块 n
四、多主结构的 CNC装置硬件简介
1.特点
1).实现真正意义上的并行处理，处理速度快。
2).容错能力强。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1).共享总线结构
结构简单、系统组配灵活、可靠性高
? FANUC系统
2.结构形式
2).共享存储器结构
? 美国 GE公司的 MTC1-CNC系统
共享存储器结构 CNC装置硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
RAM/EPROM
反馈信号
收发器
RAM512
键盘 显示 CPU
EPROM 512RAM EPROM
中央 CPU 串口和收发器插补 CPU
字符
发生器
CTRC 并行接口 反馈脉冲
和处理
CRT 模拟量输出 机床接口
7360系统的硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
键盘
CRT
阅读机
穿孔机
DNC主控
计算机
主控制
面板
辅助控
制面板
工业
处理机
I/O多
路接口
位 置
反 馈
直流开关
输入接口
直流电磁
驱动接口
主轴伺服
入出接口
机
床
伺服
输出
调速
环节 M R
I
RAM
处理
机前
面板
7M系统的硬件结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CRT/MDI
操作面板
模块 (CPU)
通信 模块
(CPU)
自动编程
模块 (CPU)
主存储
器 模块
通信 模块
(CPU)
I/O单元 驱动伺服单元 主轴单元
PLC模块
(CPU)
位置控制
模块 (CPU)
主轴控
制 模块
FANUC BUS
§ 5.2 I/O接口及通讯功能
一,I/O接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O接口是 CNC系统与外界交换信息必不可少
的手段,不同的输入、输出设备与 CNC系统相接，
采用与其相应的 I/O接口电路和接口芯片。
2.输入接口,接受机床操作面板的按钮信号及机
床的各种限位开关信号。
3.输出接口,将各种工作状态灯信息送到机床操
作面板,把控制机床动作信号送到强电箱。
1.概述
设备辅助控制接口的硬件逻辑图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
系
统
总
线
开关量
转换
模拟量
转换
脉冲量
转换
数
字
接
口
计
数
器
离
器
件
光
电
隔
A/D
D/A
转换
条理电路
功率放大
计数脉冲
滤波整形
传感元件
功率放大
离
器
件
光
电
隔
4.分类
二、通讯接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
数字量 I/O
工业用 I/O
模拟量 I/O
外设控制器
作用：主要用于 CPU和外设之间，系统和系统
之间的相互通讯。
通讯接口板上的接口采用标准接口
?如：并行接口 IEEE-488,串行接口 RS-232C
§ 5.3 CNC与 PLC
一,数控机床的强电逻辑控制
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.基本概念
2.主要作用
接收数控装置输出的住运动变速等指令信
号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后
直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部
件，以完成指令所规定的动作。
是介与数控装置和机床机械、液压部件之间
的控制系统。
二,可编程逻辑控制器 PLC
概述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
?固态逻辑电子器件的出现提高了系统的稳定性、
响应速度，功耗小、寿命长，但仍属于硬线方式。
?1969年美国数字设备公司研制了 PDP－ 14型 PLC
器件，填充了继电器逻辑和微处理之间的地带。
?由于微型计算机的运用和发展，为逻辑控制开辟
了广阔的前景，以微处理器为基础的 新一代 PLC，
不仅对传统的数字领域产生了巨大影响，并且对
整个计算机辅助制造产生威力。
PLC的基本结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
外部设备
外
部
供
电
通讯功能
人机接口
通讯功能
电
源
功
能
的
执
行
应
用
程
序
操作系统功能
应用程序存储
数 据 存 储
信号处理功能
操作者
设计人员
至传感器和执行器的接口功能
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
外设接口
中央处理器
存贮器
电源
A/D输入
离散量输入
D/A输出
离散量输出
按纽、限位开
关旋转变压器
电机、电磁线
圈可控硅、指
示灯等
程序
设定器 显 示
处理器 I/O子系统
PLC的典型结构
PLC的组成
1.PLC微处理器
处理器的结构与计算机的 CPU结构类似。
差别：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
一般计算机的数据处理能力强
PLC以逻辑运算为原则设计的,数据处理
能力较弱。运算控制比较简单，指令数
目少，为了用户采用梯形图编程方式。
2.I/O子系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O子系统是 PLC对外的接口，被控设
备的 I/O信号接到相应的 I/O组件上。
作用
完成电信号电平转换、处理器电路与
外界的隔离、数 /模和模 /数转换以及
故障指示等功能。
PLC的一般工作原理
1.用户根据采用的 梯形图 编制程序，通过程序设
定器转换为及其指令目的码，在 CPU的控制下
进入 EPROM只读存储器。梯形图如图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CR1 PB1 CR3 PB1
CR2
2.在启动程序运行后，处理机不断的进行循环
扫描，顺序的从 PROM中取相应程序的机器
码，译码执行。
PLC的分类
1.内装型 PLC
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1).什么是内装型 PLC
CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序
控制，而将 CNC和 PLC综合起来设计。
2).内装型 PLC的特点
※ 内装型 PLC是 CNC装置的一部分，它与 CNC
中 CPU的信息交换是在 CNC内部进行的。
※ 内装型 PLC是 CNC不能独立工作，是 CNC装
置的一个功能模块，是 CNC装置功能的扩展。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
操
作
面
板
总线连接
存储器 CPU AS511驱动器
I/O
CPU
接口 伺服接口 存储器
输入设备
NC 总 线
I/O
PC 总 线
扩展设备 编辑器
测量回路调节信号
3).带内装型 PLC的 CNC系统总线结构
4).具有内装型 PC的 CNC机床系统结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
NC
PC I/O电路 强电电路
主轴速度
控制单元
速度控
制单元
CRT/MDI
面板
机床操作
面板
M
CNC装置
5).举例
ⅰ,在硬件上，内装型 PLC与 CNC装置共用一个 CPU
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
西门子公司 的 SINUMERIK 810,820等数控系统
ⅱ,在硬件上，内装型 PLC也可是单独的 CPU
♂ FANUC的 0系统和 15系统
♂ 美国 A-B公司 的 8400系统和 8600系统
这种 PLC的硬件和软件整体结构上合理、实用，
性能价格比高，适用于类型变化不大数控机床。
2.独立型 PLC
1).什么是独立型 PLC
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
由专业化生产厂家生产的 PLC产品来实现
顺序控制，称为独立型 PLC。
2).独立型 PLC的特点
※ 独立于 CNC装置，具有完备的硬件和软件
功能，能够独立完成规定的控制任务。
※ 独立型 PLC的生产厂家较多，品种、类型
丰富，使用户由较大的选择余地。
3).具有独立型 PLC的 CNC机床系统结构
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
NC
PC
I/O
电
路 强电电路
主轴速度
控制单元
速度控制单元
CRT/MDI
面板
机床操作
面板
M
I/O
电
路
I/O
电
路
PC装置
CNC装置
4).主要功能
5).举例
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
♀ 西门子公司 的 SIMATIC S5,S7系列产品
♀ FANUC公司 的 PMC-J系列产品
♀ A-B公司 的 PLC系 列产品
输入 /输出信号接口技术规范
程序存储容量
预算和控制功能
♀ Canada · Entertron公司 SK-1600PLC系列产品
X11
y0
Zc Fc
X12 X13
PLC实例
试设计
三相异步电机
正反停控制的
继电器电路
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
右图为该设计
的主电路图
ZC
FC
FC
ZC
ZA
FA
TA
R
FC
ZC
控制电路
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
I/O连接图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
ZA
TA
P01
P02
P03
FA
ZC
FC
PLC
P41
P42
COMCOM
P04
TA
上图中：
TA:停止按钮
RJ:热继电器
FA:反转按钮
ZA:正转按钮
ZC,FC:电动机接触器
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
LOAD P0001
OR P0041
AND,NOT P0003
AND P0004
AND,NOT P00042
OUT P0041
LOAD P0002
OR P0042
AND,NOT P0003
AND P0004
ANDNOT P0041
OUT P0042
END
其语句表如右部所示
程序运行
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
PLC的发展与应用
?PLC首先应用于 汽车工业,由于适用于逻辑控制，
很快被应用到数控机床中,品种剧增, 功能愈强 。
?1973年出现了 第二代 PLC，在价格上可以与继电
器相匹敌，在功能方面增加了 加、减、乘、除 功能。
?美国 A-B公司 的 PLC-3容量为 96K，字长 16位,I/O
分别为 4096/4096点，定时器 /计数器共达 32768个，
68条指令，还具有 PID功能。
?TEXAS公司 的 TI-510内存容量仅 0.5K,输入 126点，
输出 8点，定时器 /计数器共 16个。
PC的现状和发展方向
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
高性能 CPU
过程控
制领域
机械控
制领域
工程
领域
网络
领域
工程
领域
人机接口
智能化
CAM/CAD
系统化
网络化
三、可编程逻辑控制器 PLC与 CNC
工作过程如下：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.计算机扫描各个输入数据源，获得的数据以表格
方式存入存贮器中。
2.计算机通过 I/O总线向 PLC有关的输入数据和控制
信息，存入 PLC的 RAM之中。
3.计算机向 PLC发送“启动命令”,PLC对启动命
令的响应是将其“忙录”标志置 1，并启动其程序
计数器。
4.上述的过程一直继续到所有的逻辑方式被解出，
即全部的指令被执行。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
5.当计算机检测到 PLC的“完成”标志时，便读出
PLC的输出 RAM中的内容，并将数据存入存贮
器表中。
6.计算机执行另一个输入序列循环，向 PLC传递数
据，启动 PLC。
暂存 RAM用作中间结果储存，与硬线系统
的继电器等价，是系统内部的媒介信息。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
带有 PLC的 CNC框图如图所示
输出转换
器电路
输出转换
器电路
PLC
处理机
PLC
存贮器
I/O
总线接口
系统
计算机
总线连接
器时钟
输入 /输出
总线
双向数据总线及控制总线
§ 5.4 CNC装置的显示模块
§ 1 概 述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.计算机图形显示，从显示器件上显示的内容讲，
分为三种类型：
文字显示
文字,数字及简单的字符拼凑的简单图形
图形显示
可以显示各种线条和各类图形
形势显示
2.CNC的 CRT显示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
更为广泛的一种显示，字符和各种线条、
图形,连同某些背景信息在一起的显示。
属于文字显示,CNC的 CRT显示的控制结构是
小型机或微型机内存中所存放的显示程序和档案。
CRT系统内有缓冲存储器及显示控制器。亦有显示
器内带微型机的，成为智能终端。
CNC的显示结构如图 1所示
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CNC的 CRT显示原理
CRT系统
CNC
计 算 机 接 口
缓冲
存储器
显示
控制器 CRT
3.CRT显示的特点
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
不仅显示直观，便于修改，而且可以进行
人机对话，是计算机数控中的外围设备。
4.显示卡 CRT的主要作用
?接收来自 CPU的控制命令和显示用的数据
?经与 CRT扫描信号调制后，产生 CRT显示
器所需要的视频信号。
?由 CRT的电子枪对屏幕进行扫描，从而产
生所需的画面。
§ 2 CRT的工作原理
1.高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物，对应
位置就出现光点，光点的亮度决定于 电子束
的强度 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
屏幕上的如象显示，是利用阴极射线管
中高速电子束的不断扫描来实现的。
2.为了使电子束能够有规律的从左到右、自上
而下地移动，以构成一帧完整幕面，必须加
上偏转电路，电子束这种移动称为 扫描 。
3.在电子束扫描过程中，利用图象信号不断控
制电子数的强度，荧光屏上就出现黑白图象。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4.图像信号必须与扫描过程密切配合，否则，
屏幕上就会杂乱无章，不会显示清晰的图像。
扫描过程在荧光屏上形成的一行行光点光 栅
同 步 图象信号与扫描过程的密切配合
逐行扫描形成帧面的动画
逐行扫描形成帧面的示意图
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第 1线
第 2线
第 3线
0
水平逆程 (消隐 )
水平正程 (显示 )
开始垂直逆程
§ 3 显示程序的结构
CNC的显示方式的分类
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1.加工状态下的 CRT显示
2.非加工状态下的 CRT显示
包括加工的数据段，加工时尺寸大小，
主轴转速，进刀速度及加工状态的显示。
显示内存中已储存的零件程序，目录表等
此时，只需按适当的键盘命令即可进行。
§ 5.5 华中 Ⅰ 型数控系统硬件介绍
华中 Ⅰ 型是我国,八五” 科技攻关中开发的高
中档数控系统，它由 华中理工大学 开发完成。华
中 Ⅰ 型在当时 PC速度还不是太快的情况下，通过
优化软件算法，在 PC单处理器上实现了 多主轴,
多通道控制 及 高速加工能力,达到了国外 高档多
处理系统 的性能。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
华中 Ⅰ 型的硬件组成如下图所示
它由 IPC及功能接口板组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
BU
S
P
C
CPU卡
NC键盘
软驱 /硬盘
CRT/TFT显示
多功能卡 手摇脉冲
主轴控制
光隔离
输入 /输出
操作面板
X轴伺服
Y轴伺服
4/8/16口
串行通信卡
M
M
Z轴伺服 M
网卡（选用）
返 回
第六节 典型 CNC系统实例
§ 6.1 7360系统
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
美国 Allen－ Bradley公司出品的 7360系统
是用来控制车床的计算机数控系统。
§ 1 概述
★ 系统的核心是一台字长为 16位的小型计算机。
主存储器最小容量为 8K，电源为交流 115伏，
采用半导体为存储元件，还专门准备了一台
蓄电池电源。
7360CNC的功能
? 具备与普通 NC系统同样的功能,例如 定位
插补、延时、车螺纹、绝对和增量编程等。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
? 进行端面恒速车削,即 随着车削半径的增
大或减小，主轴的转速相应地降低和增高。
进给的指定方式可以有三种：
↗ 用进给速度数 FRN编程。 FRN=V/D
↗ 用机床滑板每分移动的毫米或时数编程
↗ 主轴每转滑板移动距离代表进给速度
§ 2 7360系统的硬件
一,7360的控制面板
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（一）、主控制面板
1.荧光屏（ CRT）显示器
可显示 16行，每行 64个字符
2.手动数据输入（ MDI）操作
3.其他操纵按钮
可输入、编辑、存储程序的数据
7360CNC系
统硬件框图
键盘
CRT
阅读机
穿孔机
DNC主控
计算机
主控制
面板
辅助控
制面板
工业
处理机
I/O多
路接口
位 置
反 馈
直流开关
输入接口
直流电磁
驱动接口
主轴伺服
入出接口
机
床
伺服
输出
调速
环节 M R
I
RAM
处理
机前
面板
（二）、辅助控制面板
二,7360系统的接口
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（三）、专为计算机用的控制面板
? UPK算术逻辑部件
? UPJ控制器插件
? UPG存储器插件，每块 8K,最多可用 4块
? UPI控制器接口
? UPH存储器接口
? UEA外部设备接口
三、工业处理机
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
算术逻辑部件
功能,完成算术运算和逻辑运算，采用 TTL
中规模集成电路和提前进位方式。
输入部分
功能,接受通用外设和专用外部送来的信号。
输 出 部 分
功能,向通用外设和专用外部输出相应的命令。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
三、工业处理机指令系统共 86条指令
? 移位指令 20条 ? 输入输出指令 23条
? 存储器访问指令 14条 ? 变换跳步指令 19条
主 存 储 器
采用半导体存储器，用以存储程序、指令和数据，
根据需要可从 8K扩充到 32K。
控 制 部 分
功能,根据指令要求控制各部分使能协调工作。
§ 2 7360系统的软件
一、概述
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
美国 Allen－ Bradley公司的 7360系统是
典型的数字采样实时过程控制系统。
二、组成
各种控制功能都被当作任务，编制成为
独立的程序模块，通过系统程序，讲各
功能联系成为一个整体。
1、背景程序
功能,根据开关命令所确定的系统工作方式，
进行 任务调度 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
背景程序的工作方式
系统初始化，等待紧停复位
工作方式选择
键盘
服务程序
10.24ms实时中断
自动
服务程序
字段
服务程序
手动
服务程序
背景 程序
2.中断服务程序 (前台程序 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
优先级 中断名称 主 要 功 能
1 掉电及电源恢复自起动
掉电时显示掉电信息,停止处
理机,电源恢复时显示接电
信息,进入初始化程序
2 存储奇偶错 显示出错地址，停止处理机
3 阅读机 输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存
4 实时时钟 位置控制,实时监控和插补
5 键盘 输入一个字符发生一次中断，对读入的字符进行处理和储存
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
§ 6.2 7M 系 统
§ 1 概况
? 7M系统是一种高精度、高性能的闭环 CNC系统
? NC系统由日本富士康 FANUC公司和西门子公司
联合设计，于 1976年共同研制成功。
? 硬件由西门子负责,系统软件由 FANUC负责
? 主要用于控制铣床和加工中心。
? 是当时世界上最先进数控系统之一
§ 2 7M系统的硬件
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
CRT/MDI
操作面板
模块 (CPU)
通信 模块
(CPU)
自动编程
模块 (CPU)
主存储
器 模块
通信 模块
(CPU)
I/O单元 驱动伺服单元 主轴单元
PLC模块
(CPU)
位置控制
模块 (CPU)
主轴控
制 模块
FANUC BUS
一、概述
7M是 16位字长 的微处理机数控系统，是以位电式
高速微处理器 (CPU)为核心，用数据总线方式与存贮
器和各种接口,合成一个完整的数控系统,
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
二、基本组成包括以下几部分部件,
CPU通过内部数据总线与内部存贮器相连接，存
贮器用于存放控制程序,工作参数和工作数据。内
部数据总线经双向缓冲器接到数据总线,
1、中央处理单元 CPU和存贮器
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3、纸带阅读机接口
通过数据总线,CPU控制纸带阅读机输入零件程序。
2、位置控制器
包括位置控制装置、位置检测装置和脉冲计数器。
功能
4、数控操作面板接口
作用,接收数控面板的按键信号。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
输入接口 用作接收机床操作面板的各开关按钮
信号和机床的各种开关信号。
输出接口 用作把机床工作的各种状态灯信送到
机床操作面板，还把控制机床动作的信号送到强
电箱带动相应的电器。
5、输入输出接口
6、外部操作面板接口
功能与数控面板相仿，可以放置在操作者认为
方便的地方，以便操作控制数控装置。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口、纸带存贮器、穿孔机和电传机接口
8,CRT接口，控制和显示单元
9、工程师面板
功能,调试 7M的测试仪器,用于调试微程序和
控制程序,维修时可用来检查故障。
CRT可显示数控程序，数控加工中心的瞬时数
据，各种设定参数和故障情况等内容。
功能：存放纸带的零件程序，逐段执行对零件进行加工。
§ 3 7M系统的软件
7M数控装置的软件由 22K控制程序,固化在 ROM
中 (三座标两联动系统为 20K);4K CRT控制程序；
诊断程序 (由专用的诊断纸带输入 )组成，整个程序
总体 结构简单, 功能强, 程序精炼严密 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
1、控制程序
控制程序采用中断型软件结构,整个程序就是
一个大的多重中断系统,中断一共有八级,0级到
7级,0级是最低级,7级是最高级。
1) 初始化程序
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2、各部分程序简述
每次开机后,首先执行初始化程序,为整个系统的
正常工作做准备,主要完成以下三项工作：
① 对 RAM中工作寄存器初始化；
② 进行 ROM奇偶校验；
③ 设置一些加工所需的初始状态。
初始化程序执行完后返回到 0级中断
控制 CRT显示,中断请求始终存在,即总是进行
CRT显示,除非有别的级中断请求产生。
2) 第 0级中断 (硬件 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3) 第 1级中断 (软件,16ms定时 )
第 1级中断按工作内容细分为 13个口子,系统采
用依次查询的工作方式来完成第 1级中断。
4) 第 2级中断 (软件 16ms定时 )
功能,对机床控制台的输入信号处理,NC键盘监控,
穿孔机操作处理,强光信号处理和输出信号处理。
5) 第 3级中断 (硬件,8ms软定时 )
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
6) 第 4级中断 (软件,8ms定时 )
7) 第 5级中断 (硬或软件 <需要时 >)
8) 第 6级中断 (4ms时钟 )
分为三个阶段,
━ 输入代码的有效性判别
━ 代码的具体处理
━ 结束处理
完成位置控制,4ms定时计时和存贮器奇偶校验工作。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
功能：最高级中断,监控测试台,进行存贮器数据读、
写程序调试处理。
9) 第 7级中断 (硬件 )
3、零件加工过程举例
新零件的首件一般要先通过空运行来检查编程
是否正确,若有错,要对源程序进行编辑纠正，
重新修改后的程序可穿成纸带以备后用，若编程
正确，即可按照：
开机 → 纸带输入 → 加工
这一工作过程进行零件加工。
返 回
第三章 习题
3-1 机床数控系统主要由哪几部分组成？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章习题
3-2 计算机数控系统（ CNC系统）由哪些部分构成？
各部分的功能如何？
3-3 CNC系统中微机的控制功能有哪些？
3-4 CNC系统中微机译码程序功能是什么？
3-5 工业控制计算机与通用计算机相比，有什么
显著特点？
3-6 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是
数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据
而不脉冲。这种方法适用于（）。
3-7 提高 CNC系统可靠性,可采取哪些措施？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 开环控制系统 ② 闭环控制系统
③ 点位控制系统 ④ 连续控制系统
① 采用单片机 ② 采用双 CPU
③ 提高时钟频率 ④ 采用模块化结构
⑤ 采用光电隔离电路
3-8 CNC系统中的微机部分，主要由微处理
器（ CPU）、内部存储器 （ RAM和 ROM） 和
I/O接口电路组成。由, 和 三条
信号线联接。
题型变换, CNC系统中的微机部分, 主要由
,和 组成 。 由数据总线, 地址
总线和控制总线三条信号线联接 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-9 什么叫微处理器、微机、微机系统？
3-10 微机 I/O接口电路常由哪几部分组成？
3-11 CNC中 I/O控制通道应具备哪些基本功能？
3-12 光电隔离电路（如采用达林顿或可探硅输
出型光电耦合器件）的主要作用是什么？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-13 试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件
环形分配器的步进电机控制通道组成框图。
3-14 CNC系统控制软件主要由哪些部分组成？
3-15 什么是微机数控系统的模块化设计？
3-16 采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些？
3-17 将一台普通车床改造成经济型数控车床其主
电动机仍为手动控制，但方刀架要能自动转
位 (90°, 180° 270°, 0° )，试用框图表明，
组成一个完整的数控系统需要哪些基本的硬
件电路和设备？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-18 机床 I/O控制回路中的接口软件是（）
① 插补程序
② 系统管理程序
③ 系统的编译程序
④ 伺服控制程序
3-19 在中断型系统软件结构中，各种功能程序
被安排成优先级别不同的中断服务程序，下列程
序中被安排成最高级别的应是（）。
① CRT显示
② 伺服系统位置控制
③ 插补运算及转段处理
④ 译码、刀具中心轨迹计算
3-20 实现控制系统的模块化设计的必要条件
是 。而模块化设计工作可归结
为 的选用。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-21 目前 CNC系统控制软件基本上有两种常用
的典型结构，即 和 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-22 微机控制系统的模块化，按照功能，总线标
准模块可分为,, 以及 等。
3-23 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种是
数据采样法。计算机执行插补程序输出的是数据
而不脉冲。这种方法适用于（）。
① 开环控制系统 ② 闭环控制系统
③ 点位控制系统 ④ 连续控制系统
1 什么叫插补？
数控装置根据输入的零件程序的信息，将
程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空
间进行数据密化，用一个个输出脉冲把这一
空间填补起来，从而形成要求的轮廓轨迹，
这种, 数据密化, 机能就称为, 插补, 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
2 插补器有几种分类方法？可分为哪几类？
答：有两种分类方法：
（ 1）根据插补器的结构，
可分为硬件插补器和软件插补器。
（ 2）根据被插被的曲线，
可分为直线插被器、圆弧插补器、抛物线
插被器及高次曲线插被器等，大多数数控
机床只有直线插补器和圆弧插补器。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3 常用的插补方法有哪些？
答：有逐点比较插被法和数字积分插补法。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
4 试述逐点比较法的插补过程。
答：逐步比较插补法是通过逐点比较刀具与所
加工曲线的相对位置，确定刀具的进给方向，以
加工出所需的零件廓形。可以用一个插补循环所
包括的四个节白描述插补过程。
其流程如图所示
偏差判别 进 给 偏差计算
终点判别
加工结束
Y
N
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
各节拍的功能如下：
（ 1）偏差判别：判断加工点对规定图形的偏离
位置，使刀具沿减小偏差的方向进给。
（ 2）进给：按照上面确定的进给方向，以确定
的进给量进行，进行加工。
（ 3）偏差计算：进给一步以后，计算新加工点有
无偏差？即计算新加工点偏离工件廓形的情况。
（ 4）终点判别：判断是滞到达终点？若没有到达
终点，再回到第一节拍，重新开始一个插补
循环；如到达终点，则停止插补，加工完毕。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
5 偏差函数的作用是什么？
答：偏差函数反映了刀具偏离曲线的情况，即偏
差函数的正负反映出刀具与曲线的相对位置关系，
这种关系是：
?
?
?
?
?
?
?
?
刀具在曲线下方
刀具在曲线上
刀具在曲线上方
0),(
0),(
0),(
yxF
yxF
yxF
能使刀具沿减小偏差的方向进给。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
6 逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的?
它与刀具位置有何关系？
答：偏差函数的确定应该反映出刀具偏离
工件廓形曲线的情况。设工件廓形为斜线 OA,
以斜线起点为原点，建立 XOY坐标系,OA与 X轴
夹角为 α 。如加工点为 P1(X1,Y1),P1点在斜
线 OA的上方，则 OP1与 X轴夹角 α 1,α 1>α ;
加工点 P2(X2,Y2)在斜线 OA下方，则 OP2与 X
轴 α 2,α 2 < α ;故可以用 α i和 α 的比较来
反映加工偏差，但因计算机无法判断角度的
大小，故需构造一个偏差函数 F。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
如 α i>α,则 F=α i-α >0； α i<α,则 F=α i-α =
0。这里，只需知道 F的正负，即可判断加工点在斜线
的上方、下方或正好在斜线上，并不需要知道 F的数
值，因而可以将 F数作以下变换
???? tgtgFF ii ?????
ai
iaai
a
a
i
i
xx
xyxy
x
y
x
y
F
?
???
上式中分母恒为正，故分子决定 F的正负，故
iaai xyxyF ??
（偏差函数）
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
7.逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
答：逐点比较法直线插补时，刀具总是沿着
减小偏差的方向进给，即使加工点尽量
靠近工件廓形直线。
题型变换,欲加工第一象限的斜线（起始点在
坐标原点），用逐点比较法直线插补，若偏差
函数大于零，说明加工点在 ( )。
① 坐标原点 ② 斜线上方
③ 斜线下方 ④ 斜线上方
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
8 逐点比较直线插补时，怎样判断直线是否加工完毕？
答：用逐点比较插补法加工直线，插补循环
数与刀具沿 X,Y轴已走的总步数相等。因此，
直线加工结束的条件为 i=N
式中,i —— 插补循环数；
N —— 刀具沿 X,Y轴走的总步数。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
9 直线的起点坐标在原点 O(0,0)，终点 A的
坐标为 A（ 9,4）试用逐点比较法对直线
进行插补，并画出插补轨迹。
答,加工直线 OA
A点坐标 （ 9,4）
插补循环数 N=9+4=13，
插补运算过程如表所示。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲 偏差判别 方向 偏差计算 终点差别
0 F0=0 i=0
1 F0=0 +X F1=F0-ya=0-4=-4 i=0+1=1<N
2 F1=-4<0 +Y F2=F1+xa=-4+9=5 i=1+1=2<N
3 F2=5>0 +X F3=F2-ya=5-4=1 i=2+1=3<N
4 F3=1>0 +X F4=F3-ya=1-4=-3 i=3+1=4<N
5 F4=-3<0 +Y F5=F4+xa=-3+9=6 i=4+1=5<N
6 F5=6>0 +X F6=F5-ya=6-4=2 i=5+1=6<N
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
脉冲 偏差判别 方向 偏差计算 终点差别
7 F6=2>0 +X F7=F6-ya=2-4=-2 i=6+1=7<N
8 F7=-2<0 +Y F8=F7+xa=-2=9=7 i=7+1=8<N
9 F8=7>0 +X F9=F8-ya=7-4=3 i=8+1=9<N
10 F9=3>0 +X F10=F9-ya=3-4=-1 i=9+1=10<N
11 F10=-1<0 +Y F11=F10+xa=-1+9=8 i=10+1=11<N
12 F11=8>0 +X F12=F11-ya=8-4=4 i=11+1=12<N
13 F12=6>0 +X F13=F12-ya=4-4=0 i=12+1=13=N
10 圆弧插补时偏差函数如何定义？
它与刀具位置有何关系？
答：圆弧 AB的圆心是坐标原点 0，半径 R，加工
点 T到圆心的距离和圆弧半径相比较表示偏差。
偏差函数是 F=x2+y2-R2
偏差函数和加工点（刀具）位置的关系如下：
F>0，即 Rr-R>0，表示刀具在圆外；
F=0，即 Rr-R=0，表示刀具在圆上；
F<0，即 Rr-R<0，表示刀具在圆内。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
11 数字积分插被法适用于什么场合？
答：数字积分插补法不仅可以实现一次、二次
甚至高次曲线的插补，而且易于实现多坐
标联动控制，只要输入不多几个数据，就
能加工出较为复杂的轮廓曲线，因此 DDA
方法已被广泛应用。缺点是：在加工直线
过程中，刀具速度变化范围较大。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
12 插补运算中,DDA法是指 ( )
① 比较积分插被法
② 单步追踪插补法
③ 数字积分插被法
④ 农点比较插被法
答,③
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
13 数字积分法直线插被的被积函数是什么？
如何判断终点？
答：直线插补的被积函数是
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
y
l
tq
f
x
l
tq
f
y
ax
?
?
为简化，令 vΔ tq/l=1,则被积函数变成
?
?
?
?
?
oy
ox
yf
xf 式中,xe,ye
— 直线终点 A的坐标。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
14 数字积分法圆弧插补的被积函数是什么？
如何判断终点？
答：数字积分法圆弧插补的被积函数为
?
?
?
??
??
Rt q xf
Rt q yf
y
x
/
/
?
?
1?
?
R
tq?
?
?
?
?
?
xf
yf
y
x
式中,x.y—— 刀具的坐标。
令
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
则被积函数可简化为
15 圆弧插补时进给方向如何确定？
偏差值如何计算？
答：圆弧分顺圆和逆圆两种，圆弧插补时的
进给方向是根据圆弧所在象限、顺圆或
逆圆以及加工点位置确定的。每个加工
点的进给方向都要使刀具尽量逼近圆弧。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
16 圆弧插补时，如何差别终点？
答：圆弧 AB起点 A(xa,ya),终点 B(xb,yb),
加工完这段圆弧，刀具在 X方向应走的
步数 |xb-xa|,在 Y方向应走的步数为
|yb-ya|，总共走的步数应为
N=|xb-xa|+|yb-ya|，
当插补循环数 i等于总步数 N时,i=N,
即到达终点，加工完毕 。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
17 试画出逐点比较法直线插被的程序框图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
初始化 xe,ye,n=xe+ye,F=0
F?0？
+x方向走一步 +y方向走一步
F← F － Ye F ← F + Xe
n-1→n
n＝ 0
End
Y
NY
N
答：上图是逐点比较法插补第一象限直线的程序
框图。插补其它象限的直线时，需修改进给方向
和偏差计算公式。图中 e是插被循环数，是直线
终点坐标。 N是加工完直线时刀具沿 X,Y轴应进
给的总步数。
在上图中，去掉了偏差函数的下标，并用箭头
代替等号，更符合计算机编程的表示方法。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
18 若插补器所用寄存器的长度为 n位，能
插补的最大直线尺寸是直线终点的纵、
横坐标均应小于（）
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
答,②
③ 2n-2 ④ 2 -1n-2
① 2n-1 ② 2 -1
n-1
19 用逐点比较法插补第二、三、四象限的
直线时，应该如何计算偏差？
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
答：将四个象限中直线插补的偏差计算归纳如表所示。
直线所
在象限
F≥0 F<0
进 给 偏差计算 进 给 偏差计算
SL1,SL3 △ X Fi+1=Fi-ya △ Y Fi+1=Fi+xa
SL2,SL4 △ Y Fi+1=Fi-xa △ X Fi+1=Fi+ya
3-1 机床数控系统主要由哪几部分组成？
答：主要由以下几部分组成：零件加工程序
的输入、数据处理 (例如数制转换、刀
具半径补偿等 )、插补计算和伺服机构
的控制。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-2 计算机数控系统（ CNC系统）由哪些
部分构成？各部分的功能如何？
答：主要由微型计算机、计算机接口电路、
伺服系统及外部输入 /输出（ I/O）设备组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）微型计算机：微机是 CNC系统的核心，
其主要作用有：
①,输入和存储零件加工程序；
②,计算刀具运动轨迹；
③,插补运算；
④,伺服系统的控制。
(2)计算机接口电路：作用传递和转换计算机与
外界联系的信息，并将计算机与外界隔离，起保
护作用。
(3)伺服系统：伺服系统是计算机和机床的联系
环节，由执行机构和驱动电路、检测装置等组成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
(4)外部输入 /输出设备：主要包括键盘、显示器、
操作控制面板、外部存储设备、光电阅读机和
纸带穿孔机等。
3-3 CNC系统中微机的控制功能有哪些？
答：主要包括以下几方面：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）记忆功能。
（ 2）信息处理功能。
（ 3）内部控制功能。
（ 4）输入 /输出功能。
（ 5）适应环境的功能。
3-4 CNC系统中微机译码程序的功能是什么？
答：译码程序的功能是将输入的零件轮廓信息、
加工速度及辅助功能进行识别处理。将这引起
零件程序翻译成计算机能够识别的代码。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-5 工业控制计算机与通用计算机相比，有什么
显著特点？
答：根据数控机床的特殊要求，具有两个显著特点：
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
（ 1）高可靠性：工业生产一般要求 CNC系统具有
很强的抗干扰能力，能在比较恶劣的环境中
可靠地工作，要求 CNC系统具有较高的平均
无故障率和很短的修复时间。
（ 2）编程简单，操作方便。以方便用户使用。
3-6 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种
是数据采样法。计算机执行插补程序输出的是
数据而不脉冲。这种方法适用于（）。
答,③
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 开环控制系统
② 闭环控制系统
③ 点位控制系统
④ 连续控制系统
3-7 提高 CNC系统可靠性，可采取哪些措施？
答,④ ⑤
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
① 采用单片机
② 采用双 CPU
③ 提高时钟频率
④ 采用模块化结构
⑤ 采用光电隔离电路
3-8 CNC系统中的微机部分，需要由微处理器
（ CPU）、内部存储器（ RAM和 ROM）和 I/O接口
电路组成。由, 和 三条信号线
联接。
答：数据总线
地址总线
控制总线
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-10 机床 I/O控制部分根据机床与微机
之间传送信息形式的不同,I/O控制被划
分为, 和 三种。
答：数字量 I/O
开关量 I/O
模拟量 I/O
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-9 什么叫微处理器、微机、微机系统？
答：微处理器是指具有完整的计算机中央处理部件
（ CPU）功能的一片或少数几片大规模集成电路。
微处理器也叫微处理机；微机是指微型计算机，是
以微处理机做为 CPU的电子计算机，微机除包含微
处理器以外，还必须包含内部存储器（ RAM,ROM）
I/O接口和系统总线。微机系统是以微机为主体构
成的系统，在这个系统中，除包含微型计算机以外,
还包含计算机外设、系统软件和电源。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-10 微机 I/O接口电路常由哪几部分组成？
答：微机中 I/O接口应包括 I/O接口硬件电路和软件两
方面的内容。根据选用不同的 I/O设备或接口芯片，
I/O的操作方式不同，因而应用程序亦不可。如入
口地址、接口芯片初始化状态设备、工作方式选择
等。 I/O硬件电路主要由地址译码,I/O读写译码和
I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组
成。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-11 CNC系统中 I/O控制通道应具备哪些基本功能？
答,（ 1）可靠地传递输入输出信息；
（ 2）能进行相应的信息转换（如 A/D,D/A、
电平转换、数字量转开关量、弱电转换强电等）；
（ 3）阻断干扰信号进入计算机。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-12 光电隔离电路（如采用达林顿或可探硅
输出型光电耦合器件）的主要作用是什么？
答：（ 1）使微机与强电部件不共地，
阻断干扰信号的传导。
（ 2）可以进行信号电平转换。
（ 3）提高驱动能力。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-13 试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件
环形分配器的步进电机控制通道组成图。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
微
机
输
出
端
口
光电隔离电路
光电隔离电路
光电隔离电路
A相放大电路
B相放大电路
C相放大电路
步进
电机
A
B
C
A相放大电路
B相放大电路
C相放大电路
步进
电机
A
B
C
输
出
端
口
环
形
分
配
器
光电隔离电路
光电隔离电路
答：主要由以下 七 部分组成。
（ 1）系统管理程序；
（ 2）零件加工源程序的输入、输出设备的管理程序；
（ 3）机床手动控制程序；
（ 4）系统的编译程序；
（ 5）插补程序；
（ 6）伺服控制开关量控制程序；
（ 7）系统自检程序。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-14 CNC系统控制软件主要由哪些部分组成？
3-15 什么是微机数控系统的模块化设计？
答：模块化设计方法是把控制根据功能划分成
具有一种或几种独立功能的单元模板，组
成一个模块网络，配上相应的控制软件，
组成一个完整的控制系统。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-16 采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些？
答,其优点是：
（ 1）提高设计效率，缩短设计、制造周期；
（ 2）提高系统的可靠性；（ 3）便于调试和维修
（ 4）能适应技术发展需要 ;（ 5）经济上合理。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
其缺点是：
（ 1）系统硬件模块化，增强了许多插接环节，在有
振动的情况下，易出现故障；
（ 2）插接件之间有接触电阻，在不利工作环境下工
作时，会出现腐蚀损坏；
（ 3）标准化模板会对某些用户有不需要的多余功能，
而使系统的成本提高。
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-17 将一台普通车床改造成经济型数控车床
其主电动机仍为手动控制，但方刀架要
能自动转位 (90°, 180°, 270°, 0° )
试用框图表明，组成一个完整的数控系
统需要哪些基本的硬件电路和设备？
答：如下图所示。
16题
答案
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
微
处
理
机
I/O
接
口
光电
隔离
光电
隔离
光电
隔离
环形
分配器
环形
分配器
功率
放大器
功率
放大器
功率
放大器
交流
控制
Z向步
进电机
x向步
进电机
交流
电机
LED
键盘
刀架
回转
PC口
PB口
PC口
PA4
PA2PA3
PA0PA1
到位信号
3-18 机床 I/O控制回路中的接口软件是（）。
① 插补程序
② 系统管理程序
③ 系统的编译程序
④ 伺服控制程序
答,④
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3-19 在中断型系统软件结构中，各种功能
程序被安排成优先级别不同的中断服务程序，
下列程序中被安排成最高级别的应是（）。
① CRT显示
② 伺服系统位置控制
③ 插补运算及转段处理
④ 译码、刀具中心轨迹计算
答,②
第三章计算机数控（ CNC）系统的基本原理
3-20 实现控制系统的模块化设计的必要
条件是 。而模块化设计工作
可归结为 的选用。
答：总线的标准化
功能模块
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3-21 目前 CNC系统控制软件基本上有两种
常用的典型结构，即 和 。
答：前后台型
中断型
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3-22 微机控制系统的模块化，按照功能，
总线标准模块可分为,, 以
及 等。
答,CUP模板
存储器板
I/O模板
专用模板
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3-23 CNC系统常用的软件插补方法中，有一种
是数据采样法。计算机执行插补程序输出
的是数据而不脉冲。这种方法适用于（）。
① 开环控制系统
② 闭环控制系统
③ 点位控制系统
④ 连续控制系统
答,③
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