CNC(數控工具機)是計算機數字控制工具機(Computernumericalcontrol)的簡稱，是一種由程式控制的自動化工具機。
基本介紹
- 中文名：CNC系統
- 外文名：Computer numerical control
- 作用：邏輯處理符號指令規定的程式
- 實質：專用的實時多任務計算機系統
概念,主要結構,
概念
該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程式，通過計算機將其解碼，從而使工具機執行規定好了的動作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件。
主要結構
CNC系統是一個專用的實時多任務計算機系統，在它的控制軟體中融合了當今計算機軟體技術中的許多先進技術，其中最突出的是多任務並行處理和多重實時中斷。下面分別加以介紹。
1、多任務並行處理
(1)CNC系統的多任務性。CNC系統通常作為一個獨立的過程控制單元用於工業自動化生產中，因此它的系統軟體必須完成管理和控制兩大任務。系統的管理部分包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統的控制部分包括解碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制。在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如，當CNC系統工作在加工控制狀態時，為了使操作人員能及時地了解CNC系統的工作狀態，管理軟體中的顯示模組必須與控制軟體同時運行。當CNC系統工作在NC加工方式時，管理軟體中的零件程式輸入模組必須與控制軟體同時運行。而當控制軟體運行時，其本身的一些處理模組也必須同時運行。例如，為了保證加工過程的連續性，即刀具在各程式段之間不停刀，解碼、刀具補償和速度處理模組必須與插補模組同時運行，而插補又必須與位置控制同時進行。
下面給出CNC系統的任務分解圖(圖3-10(a))和任務並行處理關係圖(圖3-10(b))。在圖3-10(b)中,雙向箭頭表示兩個模組之間有並行處理關係。
(2)並行處理的概念。並行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。並行處理最顯著的優點是提高了運算速度。拿n位串列運算和n位並行運算來比較，在元件處理速度相同的情況下，後者運算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重複的並行處理方法，它是根據“以數量取勝”的原則大幅度提高運算速度的。但是並行處理還不止於設備的簡單重複，它還有更多的含義。如時間重疊和資源共享。所謂時間重疊是根據流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。而資源共享則是根據“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備
目前在CNC系統的硬體設計中，已廣泛使用資源重複的並行處理方法，如採用多CPU的系統體系結構來提高系統的速度。而在CNC系統的軟體設計中則主要採用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術。
(3)資源分時共享。在單CPU的CNC系統中，主要採用CPU分時共享的原則來解決多任務的同時運行。一般來講，在使用分時共享並行處理的計算機系統中，首先要解決的問題是各任務占用CPU時間的分配原則，這裡面有兩方面的含義：其一是各任務何時占用CPU；其二是允許各任務占用CPU的時間長短。
在CNC系統中，對各任務使用CPU是用循環輪流和中斷優先相結合的方法來解決。圖3-10(c)是一個典型CNC系統各任務分時共享CPU的時間分配圖。
系統在完成初始化以後自動進入時間分配環中，在環中依次輪流處理各任務。而對於系統中一些實時性很強的任務則按優先權排隊，分別放在不同中斷優先權上，環外的任務可以隨時中斷環內各任務的執行。
每個任務允許占有CPU的時間受到一定限制，通常是這樣處理的，對於某些占有CPU時間比較多的任務，如插補準備，可以在其中的某些地方設定斷點，當程式運行到斷點處時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間裡自動跳到斷點處繼續執行。
(4)資源重疊流水處理。當CNC系統處在NC工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程式輸入、插補準備(包括解碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為,那么一個零件程式段的數據轉換時間將是
如果以順序方式處理每個零件程式段，即第一個零件程式段處理完以後再處理第二個程式段，依此類推，這種順序處理時的時間空間關係如圖3-11(a)所示。從圖上可以看出，如果等到第一個程式段處理完之後才開始對第二個程式段進行處理，那么在兩個程式段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔。同樣在第二個程式段與第三個程式段的輸出之間也會有時間間隔，依此類推。這種時間間隔反映在電機上就是電機的時轉時停，反映在刀具上就是刀具的時走時停。不管這種時間間隔多么小，這種時走時停在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法是用流水處理技術。採用流水處理後的時間空間關係如圖3-11(b)所示。
流水處理的關鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內不是處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。從圖3-11(b)可以看出，經過流水處理後從時間開始，每個程式段的輸出之間不再有間隔，從而保證了電機轉動和刀具移動的連續性。
從圖3-11（b）中可以看出，流水處理要求沒一個處理子程式的運算時間相等。而在CNC系統中每一個子程式所需的處理時間都是不相等的，解決的辦法是取最長的子程式處理時間為處理時間間隔。這樣當處理時間較短的子程式時，處理完成之後就進入等待狀態。
(a)順序處理
(b)流水處理
圖3-11資源重疊流水處理
在單CPU的CNC裝置中，流水處理的時間重疊只有巨觀的意義，即在一段時間內，CPU處理多個子程式，但從微觀上看，各子程式分時占用CPU時間。
2、實時中斷處理
CNC系統控制軟體的另一個重要特徵是實時中斷處理。CNC系統的多任務性和實時性決定了系統中斷成為整個系統必不可少的重要組成部分。CNC系統的中斷管理主要靠硬體完成，而系統的中斷結構決定了系統軟體的結構。其中斷類型有外部中斷、內部定時中斷、硬體故障中斷以及程式性中斷等。
(1)外部中斷。主要有紙帶光電閱讀機讀孔中斷、外部監控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，通常把這兩種中斷放在較高的優先權上，而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優先權上。在有些系統中，甚至用查詢的方式來處理它。
(2)內部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置採樣定時中斷。在有些系統中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然後處理插補運算。
(3)硬體故障中斷。它是各種硬體故障檢測裝置發出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算逾時等。
(4)程式性中斷。它是程式中出現的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等
計算機數控系統(ComputeNumericalContr01)簡稱CNC系統，是一種用計算機通過執行其存儲器內的程式來實現數控功能，並配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。數控工具機在CNC系統的控制下，自動地按給定的加工程式加工出工件。所以，計算機數控系統是一種包含計算機在內的數字控制系統。---專業CNC維修
自1952年出現第一台數控銑床以來，一直採用硬體數控裝置對工具機進行控制，簡稱NC裝置。經過大約二十年時間，到1971年開始引入了計算機控制。一開始CNC系統中採用小型計算機取代傳統的硬體數控(NC)，但隨著計算機技術的發展，現代數控工具機大都採用成本低、功能強和可靠性高的微型計算機，取代小型計算機進行工具機數字控制，簡稱MNC，但是大家習慣上仍稱它們是CNC。採用計算機控制和採用微型計算機控制的工作原理基本相同。
CNC系統是一種位置控制系統。其控制過程是根據輸入的信息(加工程式)，進行數據處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然後輸出到執行部件，加工出所需要的工件。CNC系統的核心是CNC裝置。由於採用了計算機，使CNC裝置的性能和可靠性提高，促使CNC系統迅速發展。
主要硬體元部件功能
CNC裝置的硬體組成一般有：CPU及匯流排、存儲器、輸入設備接口、I/O電路接口、位置控制器、顯示設備接口，以及通信網路接口等。下面對主要元部件做一簡單介紹。
CPU與匯流排
1．CPU概述
CPU是CNC裝置的核心，具有執行計算的能力和控制能力。CPU主要由控制單元、算術邏輯單元和一些暫存暫存器組成。CPU在CNC裝置中工作時，其控制單元從存儲器中依次取出組成程式的指令，進行解碼後，向CNC裝置的各部分按順序發出執行操作的控制信號；同時接收執行部件發出的反饋信號，與程式中的指令信號比較後，決定下一步應執行的操作。
2．匯流排
匯流排是計算機系統內部各獨立模組之間傳遞各種信號的渠道。計算機系統中，各種功能模組通過匯流排有機地連線起來，通過匯流排實現相互間的信息傳送和通信。
匯流排通常可以分為片匯流排、內匯流排和外匯流排。
片匯流排為元件級匯流排，是組成一個小系統或CPU外掛程式各晶片間的連線匯流排。片匯流排包括地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排，即所謂三匯流排結構。
內匯流排又稱系統匯流排，為板級匯流排，用於CNC裝置中各外掛程式板之間的連線和通信。如S—100匯流排、PC匯流排、Multi匯流排，STD、IBM—AT、標準匯流排等。
外匯流排又稱通信匯流排，它用於系統與系統之間的通信。這類匯流排有RS—232C、RS—422、IEEE—488等。
實際套用和理論分析證明，Std匯流排是一種比較好的工業匯流排，在國際上獲得廣泛套用，也是國內優選重點發展的工業標準機匯流排。
STD匯流排的CPU模板幾乎可以包容所有的8位和16位微處理器，如Z80、8080、68—00、8086、8088、80286，以及單片機8031、8098等，並且可以與各種通用的存儲器和I/O接口模組匹配。
STD匯流排的工業接口板可以與控制現場的各種機電設備直接連線，可以驅動各種功率的交流電動機、直流電動機、步進電動機，各種繼電器、接觸器等。減少了中間環節，不僅降低成本，也提高了系統的可靠性，並且簡化了系統設計。
STD匯流排的顯著特點是模組化和高可靠性，可以簡要地歸納如下：
（1）板結構，功能單一STD產品採用小板結構，標準尺寸165mmXll4mm’一塊模板通常只有一種功能，用戶可以根據需要靈活地組成自己的實用系統。
（2）標準布局，安全可靠各種模板都是按標準布局設計的，模板上的布局基本是由匯流排驅動，經過功能模組，連到I/O接口。這種結構設計，具有最短的路徑，降低各種信號相互干擾，模組的可靠性提高。
產品配套，功能齊全STD匯流排產品在國際上已有近千種模板，有許多家公司供貨，可以提供多種STD匯流排的功能模組。
1、多任務並行處理
(1)CNC系統的多任務性。CNC系統通常作為一個獨立的過程控制單元用於工業自動化生產中，因此它的系統軟體必須完成管理和控制兩大任務。系統的管理部分包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統的控制部分包括解碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制。在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時進行。例如，當CNC系統工作在加工控制狀態時，為了使操作人員能及時地了解CNC系統的工作狀態，管理軟體中的顯示模組必須與控制軟體同時運行。當CNC系統工作在NC加工方式時，管理軟體中的零件程式輸入模組必須與控制軟體同時運行。而當控制軟體運行時，其本身的一些處理模組也必須同時運行。例如，為了保證加工過程的連續性，即刀具在各程式段之間不停刀，解碼、刀具補償和速度處理模組必須與插補模組同時運行，而插補又必須與位置控制同時進行。
下面給出CNC系統的任務分解圖(圖3-10(a))和任務並行處理關係圖(圖3-10(b))。在圖3-10(b)中,雙向箭頭表示兩個模組之間有並行處理關係。
(2)並行處理的概念。並行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。並行處理最顯著的優點是提高了運算速度。拿n位串列運算和n位並行運算來比較，在元件處理速度相同的情況下，後者運算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重複的並行處理方法，它是根據“以數量取勝”的原則大幅度提高運算速度的。但是並行處理還不止於設備的簡單重複，它還有更多的含義。如時間重疊和資源共享。所謂時間重疊是根據流水線處理技術，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分。而資源共享則是根據“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設備
目前在CNC系統的硬體設計中，已廣泛使用資源重複的並行處理方法，如採用多CPU的系統體系結構來提高系統的速度。而在CNC系統的軟體設計中則主要採用資源分時共享和資源重疊的流水線處理技術。
(3)資源分時共享。在單CPU的CNC系統中，主要採用CPU分時共享的原則來解決多任務的同時運行。一般來講，在使用分時共享並行處理的計算機系統中，首先要解決的問題是各任務占用CPU時間的分配原則，這裡面有兩方面的含義：其一是各任務何時占用CPU；其二是允許各任務占用CPU的時間長短。
在CNC系統中，對各任務使用CPU是用循環輪流和中斷優先相結合的方法來解決。圖3-10(c)是一個典型CNC系統各任務分時共享CPU的時間分配圖。
系統在完成初始化以後自動進入時間分配環中，在環中依次輪流處理各任務。而對於系統中一些實時性很強的任務則按優先權排隊，分別放在不同中斷優先權上，環外的任務可以隨時中斷環內各任務的執行。
每個任務允許占有CPU的時間受到一定限制，通常是這樣處理的，對於某些占有CPU時間比較多的任務，如插補準備，可以在其中的某些地方設定斷點，當程式運行到斷點處時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間裡自動跳到斷點處繼續執行。
(4)資源重疊流水處理。當CNC系統處在NC工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程式輸入、插補準備(包括解碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為,那么一個零件程式段的數據轉換時間將是
如果以順序方式處理每個零件程式段，即第一個零件程式段處理完以後再處理第二個程式段，依此類推，這種順序處理時的時間空間關係如圖3-11(a)所示。從圖上可以看出，如果等到第一個程式段處理完之後才開始對第二個程式段進行處理，那么在兩個程式段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔。同樣在第二個程式段與第三個程式段的輸出之間也會有時間間隔，依此類推。這種時間間隔反映在電機上就是電機的時轉時停，反映在刀具上就是刀具的時走時停。不管這種時間間隔多么小，這種時走時停在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法是用流水處理技術。採用流水處理後的時間空間關係如圖3-11(b)所示。
流水處理的關鍵是時間重疊，即在一段時間間隔內不是處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。從圖3-11(b)可以看出，經過流水處理後從時間開始，每個程式段的輸出之間不再有間隔，從而保證了電機轉動和刀具移動的連續性。
從圖3-11（b）中可以看出，流水處理要求沒一個處理子程式的運算時間相等。而在CNC系統中每一個子程式所需的處理時間都是不相等的，解決的辦法是取最長的子程式處理時間為處理時間間隔。這樣當處理時間較短的子程式時，處理完成之後就進入等待狀態。
(a)順序處理
(b)流水處理
圖3-11資源重疊流水處理
在單CPU的CNC裝置中，流水處理的時間重疊只有巨觀的意義，即在一段時間內，CPU處理多個子程式，但從微觀上看，各子程式分時占用CPU時間。
2、實時中斷處理
CNC系統控制軟體的另一個重要特徵是實時中斷處理。CNC系統的多任務性和實時性決定了系統中斷成為整個系統必不可少的重要組成部分。CNC系統的中斷管理主要靠硬體完成，而系統的中斷結構決定了系統軟體的結構。其中斷類型有外部中斷、內部定時中斷、硬體故障中斷以及程式性中斷等。
(1)外部中斷。主要有紙帶光電閱讀機讀孔中斷、外部監控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，通常把這兩種中斷放在較高的優先權上，而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優先權上。在有些系統中，甚至用查詢的方式來處理它。
(2)內部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置採樣定時中斷。在有些系統中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然後處理插補運算。
(3)硬體故障中斷。它是各種硬體故障檢測裝置發出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算逾時等。
(4)程式性中斷。它是程式中出現的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等
計算機數控系統(ComputeNumericalContr01)簡稱CNC系統，是一種用計算機通過執行其存儲器內的程式來實現數控功能，並配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。數控工具機在CNC系統的控制下，自動地按給定的加工程式加工出工件。所以，計算機數控系統是一種包含計算機在內的數字控制系統。---專業CNC維修
自1952年出現第一台數控銑床以來，一直採用硬體數控裝置對工具機進行控制，簡稱NC裝置。經過大約二十年時間，到1971年開始引入了計算機控制。一開始CNC系統中採用小型計算機取代傳統的硬體數控(NC)，但隨著計算機技術的發展，現代數控工具機大都採用成本低、功能強和可靠性高的微型計算機，取代小型計算機進行工具機數字控制，簡稱MNC，但是大家習慣上仍稱它們是CNC。採用計算機控制和採用微型計算機控制的工作原理基本相同。
CNC系統是一種位置控制系統。其控制過程是根據輸入的信息(加工程式)，進行數據處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡信息，然後輸出到執行部件，加工出所需要的工件。CNC系統的核心是CNC裝置。由於採用了計算機，使CNC裝置的性能和可靠性提高，促使CNC系統迅速發展。
主要硬體元部件功能
CNC裝置的硬體組成一般有：CPU及匯流排、存儲器、輸入設備接口、I/O電路接口、位置控制器、顯示設備接口，以及通信網路接口等。下面對主要元部件做一簡單介紹。
CPU與匯流排
1．CPU概述
CPU是CNC裝置的核心，具有執行計算的能力和控制能力。CPU主要由控制單元、算術邏輯單元和一些暫存暫存器組成。CPU在CNC裝置中工作時，其控制單元從存儲器中依次取出組成程式的指令，進行解碼後，向CNC裝置的各部分按順序發出執行操作的控制信號；同時接收執行部件發出的反饋信號，與程式中的指令信號比較後，決定下一步應執行的操作。
2．匯流排
匯流排是計算機系統內部各獨立模組之間傳遞各種信號的渠道。計算機系統中，各種功能模組通過匯流排有機地連線起來，通過匯流排實現相互間的信息傳送和通信。
匯流排通常可以分為片匯流排、內匯流排和外匯流排。
片匯流排為元件級匯流排，是組成一個小系統或CPU外掛程式各晶片間的連線匯流排。片匯流排包括地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排，即所謂三匯流排結構。
內匯流排又稱系統匯流排，為板級匯流排，用於CNC裝置中各外掛程式板之間的連線和通信。如S—100匯流排、PC匯流排、Multi匯流排，STD、IBM—AT、標準匯流排等。
外匯流排又稱通信匯流排，它用於系統與系統之間的通信。這類匯流排有RS—232C、RS—422、IEEE—488等。
實際套用和理論分析證明，Std匯流排是一種比較好的工業匯流排，在國際上獲得廣泛套用，也是國內優選重點發展的工業標準機匯流排。
STD匯流排的CPU模板幾乎可以包容所有的8位和16位微處理器，如Z80、8080、68—00、8086、8088、80286，以及單片機8031、8098等，並且可以與各種通用的存儲器和I/O接口模組匹配。
STD匯流排的工業接口板可以與控制現場的各種機電設備直接連線，可以驅動各種功率的交流電動機、直流電動機、步進電動機，各種繼電器、接觸器等。減少了中間環節，不僅降低成本，也提高了系統的可靠性，並且簡化了系統設計。
STD匯流排的顯著特點是模組化和高可靠性，可以簡要地歸納如下：
（1）板結構，功能單一STD產品採用小板結構，標準尺寸165mmXll4mm’一塊模板通常只有一種功能，用戶可以根據需要靈活地組成自己的實用系統。
（2）標準布局，安全可靠各種模板都是按標準布局設計的，模板上的布局基本是由匯流排驅動，經過功能模組，連到I/O接口。這種結構設計，具有最短的路徑，降低各種信號相互干擾，模組的可靠性提高。
產品配套，功能齊全STD匯流排產品在國際上已有近千種模板，有許多家公司供貨，可以提供多種STD匯流排的功能模組。
