数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 第八讲 一、备课教案 适用专业机械设计制造及其自动化讲次 第八讲 上课 时间 年月日节 第二章计算机数控系统 第五节经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述 数 了经济型致拉系统的件组成 及 二、经济型数控系统的硬件组成 控系红的软硬件组成及作 三、经济型数控系统的软件组成 济型数控系统精度的影 因素及提高措施 提 四、精度的影响因素及提高措施 及 第六节基于PC的开放式数控系统 要求 、开放式数控系统概述 了解开放式数控系统的概念及其 二、基于PC的开放式数控系统的体系结构 体系结构 教学实施手段 效果记录 经济型数控系统的软件组成及工作 课堂讲授 重 过程： 点 开放式数控系统的概念及其体系 课堂讨论 现场示教 小结讲评 难」 其它 经济型数控系统软件的工作过程 开放式数控系统的体系结构。 点 教具 CAL,黑板 推 陈德道主编数控技术及应用北京 参 国防工业出版社，2009 学 考书 董玉红主编机床数控技术.哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社，2003 后记 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 1 第八讲 一、备课教案 适用专业 机械设计制造及其自动化 讲次 第八讲 上课 时间 年 月 日 节 教 学 内 容 提 纲 及 要 求 第二章 计算机数控系统 第五节 经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述 了解经济型数控系统的硬件组成 及各部分的功能；了解经济型数 控系统的软硬件组成及工作过 程；经济型数控系统精度的影响 因素及提高措施 二、经济型数控系统的硬件组成 三、经济型数控系统的软件组成 四、精度的影响因素及提高措施 第六节 基于 PC 的开放式数控系统 一、开放式数控系统概述 了解开放式数控系统的概念及其 体系结构 二、基于 PC 的开放式数控系统的体系结构 重 点 经济型数控系统的软件组成及工作 过程； 开放式数控系统的概念及其体系结 构。 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 √ 课堂讨论 √ 现场示教 小结讲评 难 点 经济型数控系统软件的工作过程； 开放式数控系统的体系结构。 其 它 教具 CAI，黑板 推 荐 参 考 书 陈德道主编.数控技术及应用.北京: 国防工业出版社,2009 董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2003 教 学 后 记
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 二、讲稿 第二节计算机数控系统 第五节 经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述 经济型数控系统，是相对标准型数控系统而言。在不同的国家和不同的时期含义 是不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统，以降低产品成本。 在我国，把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统 称为经济型数控系统。目前，我国经济型CC多数是以8位或16位单片机或者以8 位或16位微处理器（简称PU)为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制 轴数为2~3轴，联动2轴。经济型CNC是根据国内需要自行开发的。主要用于功 能简单的车、铣、钻、冲床等的控制，并大量用于旧机床改造。它是属于低档数控系 统的一种，在我国这类数控系统有一定批量的生产。 经济型数控系统功能话当，价格低廉，特别适合中小企业对原有机床讲行数控化 自动化技术改造 以提高生产 效率。 目前， 我国经济 型数控系统发展迅速，已研制了 数十种经济型数控系统，应用较为普遍的是华中】型。 二、数控系统的硬件组成 任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成，硬件是软件运行的基础，而配置了软 件的硬件才是具有控制功能的系统。 构成经济型CNC的基本使件由MPU、存储器、输入/输出(/0)接口电路组成。这 里主要介绍用MCS-51系列单片机构成的经济型数控系统。 单片计算机是在一片芯片上集成了CPU、ROM/RAM/EPROM/E2PRON、定时器/计数器 及各种I/0接口等构成了一个完整的数字处理系统。单片机的主要特点是抗干扰性强， 可靠性高，速度快，指令系统效率高，体积小，性能价格比高。 近年来，国外一些主要半导体制造厂相继生产了各种8位、16位单片机。其中以 Intel公司的MCs系列单片机最为著名 目前已推出MCS MCS-5 -96 系列。MCS-48和MCS-51系列为8位单片机，MCS-96系列为16位单片机。在国内 的经济型数控系统中多数使用MCS-51系列单片机。 1.MCS-51系列单片机的基本特性 MCS-51系列包含三个产品：8031、8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构 上有些差异。 即内部不含ROM的 内部含ROM的8051 和内部含 EPROM 8751。通常所说的MCS-51单片机是该系列的简称。MCS-51系列单片机的基本特性如 下（以8051为例)： ①CPU为8位：②片内有时钟振荡器：③具有4 KB ROM和128RAM:④具有21 个特殊功能寄存器：⑤具有4个8位1/0端口，32根1/0线：⑥具有16根地址 线气共用可直接品66外郎程文在储器6R处部数超在 于两 、16位定时/计数器：(8 可有5个中 断源， 两级优先权的向量 中断结构：⑨具有一个全双工串行I/0口：⑩具有位寻址能力，适于逻辑运算。 2.MCS-51单片机常用系统扩展芯片 (1)程序存储器(ROw0 公外线擦抹的可编程只读存储器EPROM.。通常采用标准芯片，如2T162 8)、2732(4KB× 8) 2764(8KB× 27256132kBX8)和 27512(64KB×8) 兰州交通大学机电工程学院 2
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿 第二节计算机数控系统 第五节 经济型数控系统的构成 一、经济型数控系统概述 经济型数控系统，是相对标准型数控系统而言。在不同的国家和不同的时期含义 是不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统，以降低产品成本。 在我国，把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统 称为经济型数控系统。目前，我国经济型 CNC 多数是以 8 位或 16 位单片机或者以 8 位或 16 位微处理器（简称 MPU）为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制 轴数为 2～3 轴，联动 2 轴。经济型 CNC 是根据国内需要自行开发的。主要用于功 能简单的车、铣、钻、冲床等的控制，并大量用于旧机床改造。它是属于低档数控系 统的一种，在我国这类数控系统有一定批量的生产。 经济型数控系统功能适当，价格低廉，特别适合中小企业对原有机床进行数控化、 自动化技术改造，以提高生产效率。目前，我国经济型数控系统发展迅速，已研制了 数十种经济型数控系统，应用较为普遍的是华中 I 型。 二、数控系统的硬件组成 任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成，硬件是软件运行的基础，而配置了软 件的硬件才是具有控制功能的系统。 构成经济型 CNC 的基本硬件由 MPU、存储器、输入/输出 (I/O )接口电路组成。这 里主要介绍用 MCS-51 系列单片机构成的经济型数控系统。 单片计算机是在一片芯片上集成了 CPU、 ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定时器/计数器 及各种 I/O 接口等构成了一个完整的数字处理系统。单片机的主要特点是抗干扰性强， 可靠性高，速度快，指令系统效率高，体积小，性能价格比高。 近年来，国外一些主要半导体制造厂相继生产了各种 8 位、16 位单片机。其中以 Inte1 公司的 MCS 系列单片机最为著名，目前已推出 MCS-48、MCS-51、MCS-96 三个 系列。MCS -48 和 MCS-51 系列为 8 位单片机，MCS-96 系列为 16 位单片机。在国内 的经济型数控系统中多数使用 MCS-51 系列单片机。 1. MCS-51 系列单片机的基本特性 MCS-51 系列包含三个产品：8031、 8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构 上有些差异。即内部不含 ROM 的 8031、内部含 ROM 的 8051 和内部含 EPROM 的 8751。通常所说的 MCS-51 单片机是该系列的简称。 MCS-51 系列单片机的基本特性如 下 ( 以 8051 为例)： ① CPU 为 8 位； ②片内有时钟振荡器；③具有 4KB ROM 和 128RAM；④具有 21 个特殊功能寄存器；⑤具有 4 个 8 位 I/O 端口，32 根 I/O 线；⑥具有 16 根地址 线 ( 与 I/O 线共用 )，可直接寻址 64KB(64KB 外部程序存储器，64KB 外部数据存储 器)； ⑦具有两个 16 位定时 / 计数器；（8）可有 5 个中断源，两级优先权的向量 中断结构；⑨具有一个全双工串行 I/O口； ⑩具有位寻址能力，适于逻辑运算。 2.MCS-51 单片机常用系统扩展芯片 （1) 程序存储器 (ROM) 主要是紫外线擦抹的可编程只读存储器EPROM。通常采用标准芯片，如 2716(2KB × 8)、2732(4KB × 8)、 2764(8KB × 8)、27128(16KB × 8 )、 27256(32KB × 8) 和 27512(64KB × 8)
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 (2)数据存储器(RAM) 1)静态RAM无需刷新，但功耗大成本高。目前常用的静态RAM是6116(2KB× 8)和6264(8KB×8)和62256(32KB 8) 等 2)动态RAM功耗小、成本低，但需刷新。常用的动态RAW有2164A(64KB× 1)和41464(64KB×4) 一般控制系统多采用静态RAM。 (3)I0护展集成"片 I/0扩展芯片可分为两种类型 1)专用1/0 扩展 这类芯片专用于扩展1/0口 如8255.8255是一种 常用的8位并行输入/输出接口芯片，使用方便灵活，通用性强。8255内部具有三个 可编程选择其工作方式的通道A、B和C,用于与外围设备接口.其中，通道C可在“方 式”字控制下分成两个4位通逍，分别与数据通道A和B配合输出控制信号（包括 外设选通信号和中断申请信号)和输入外设状态信号。通道C具有按位置位/复位功能 三种工作方式为 式0 本输 /输出：方式1一选通的输入/输出：方式2 双向 数据传送（只有通道A可工作在此方式）。 2)I/0扩展复合芯片这类芯片除能扩展I/0口外，还能通过它再扩展其它外 围功能电路，如8155.8155内部有256字节的静态RAM,两个8位并行1/0口(PA 知pR口)和个6位并行I0口(C口) 甘中两 个8位并行/0口可T 作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。PC 或作为PA 和PB口的控制信号线。8155设置有一个14位 进制减法定时器/计数器，可用来 定时或对外部事件计数。8155具有多路转换的地址和数据总线，即地址/数据总线复 (4)其它功能带片CS-51不可可使用下列且有客种专用功能的外用林片，可可 程中断控制器8259、可编程键盘/显示控制器8279、 可编程通用定时器8253、可编 程通信控制器8251等」 时钟 △-译器口电路 -A&-A12- D RAM EPROM 一触发路 可编程0扩器 复位 新鞋鑫电绕精叠计D显示 图2-448031组成的CNC系统 3.单片机构成的经济型数控装置硬件框图 用8031单片机组成CC系统，其数控装置硬件框图如图2-44所示。该系统按 模块化设计，它主要由主控制系统板、CT控制板、 键盘操作板和存储控制板等组成， 若采用LD显示，LD控制板、健盘操作板可由一块健盘/显示操作板代替，经济型 控系统常采用这种形式。系统主控制板以8031为控制器，板上包含内存为8~16KB的 RAM(供用户输入和调试加工程序用)：内存为16KB的EPROM。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 3 （2） 数据存储器 (RAM) 1) 静态 RAM 无需刷新，但功耗大成本高。目前常用的静态 RAM 是 6116(2KB × 8 )和6264(8KB × 8) 和 62256(32KB × 8) 等； 2）动态 RAM 功耗小、成本低，但需刷新。常用的动态 RAM 有 2164A （ 64KB × 1) 和41464(64KB × 4)。 一般控制系统多采用静态 RAM 。 （3）I/O 扩展集成芯片 I/O 扩展芯片可分为两种类型。 1) 专用 I/O 扩展芯片 这类芯片专用于扩展 I/O 口，如 8255。8255 是一种 常用的 8 位并行输入/输出接口芯片，使用方便灵活，通用性强。8255 内部具有三个 可编程选择其工作方式的通道 A、B 和 C，用于与外围设备接口。其中，通道 C 可在“方 式”字控制下分成两个 4 位通道，分别与数据通道 A 和 B 配合输出控制信号（包括 外设选通信号和中断申请信号）和输入外设状态信号。通道 C 具有按位置位/复位功能。 三种工作方式为：方式0—基本输入/输出；方式 1—选通的输入/输出；方式 2—双向 数据传送 ( 只有通道 A 可工作在此方 式)。 2 ）I/O 扩展复合芯片 这类芯片除能扩展 I/O 口外，还能通过它再扩展其它外 围功能电路，如 8155。 8155 内部有256 字节的静态 RAM，两个 8 位并行 I/O 口（PA 口和 PB 口）和 一个 6 位并行 I/O 口（PC 口）。其中两个 8 位并行 I/O 口可工 作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。PC 口可编程为输入或输出或作为 PA 口 和 PB 口的控制信号线。8155 设置有一个 14 位二进制减法定时器/计数器，可用来 定时或对外部事件计数。8155 具有多路转换的地址和数据总线，即地址/数据总线复 用。 （4） 其它功能芯片 MCS-51 还可使用下列具有各种专用功能的外围芯片：可编 程中断控制器 8259、可编程键盘/显示控制器 8279、可编程通用定时器 8253、可编 程通信控制器 8251 等。 图2-44 8031组成的CNC系统 3. 单片机构成的经济型数控装置硬件框图 用 8031 单片机组成 CNC 系统，其数控装置硬件框图如图 2-44 所示。该系统按 模块化设计，它主要由主控制系统板、CRT 控制板、键盘操作板和存储控制板等组成。 若采用 LED 显示，LED 控制板、键盘操作板可由一块键盘/显示操作板代替，经济型数 控系统常采用这种形式。系统主控制板以 8031 为控制器，板上包含内存为 8～16KB的 RAM （供用户输入和调试加工程序用)；内存为 16KB 的 EPROM
数控技术及应用教案及讲癌 上部分：数控技术及编程 由图2-44可知，系统中的RAM与EPR0W及编程I/0扩展慧片的粉数据线和任8 位地址线在8031地址锁存信号输出端 ALE及地址锁存器控制下，公用一组8031的 8位总线 (PO 口)，而高8位地址及片选信号，则由8031的另 一组8位总线(P2口 结合译码器提供。因8O31的外部ROW由PSEN信号选通，外部RAM和扩展I/0端 口由W/R信号选通，所以RAM与EPROM的地址可以重复。 831的P1口输出环形分配脉冲信号（软件环形分配）或输出控制指令经环形分配 器输出的环形分配脉冲信号（硬件环形分配），经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电 的 口在 能情况 可完成回转 脉 光电 码器)信号及外部中断控制等工作。可编程的I/0扩展芯片在监控程序控制下扫描链 盘（或键盘儿ED数码显示控制板），并输出组合逻辑信号，以控制主轴电动机的速度 转换。 CRT控制系统是以视频控制器为主芯片的扩展电路。其中还包括有8KB的静态RAW (存放被显 的 称显 (存放汉字，同计数器 组成 、数控系统的软件组成 数控软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。软件和硬件的结合，形成一个具 有特定功能的计算机控制系统，使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据 计算、 插补和伺 经济型数 系 软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软 件、误差补偿软件 一)监控与操作程序 监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它 包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改 指令分析 与执行 系统自检等 1.系统的初始化 开机或人工复位后，数控系统要进行必要的初始化处理。例如，设置系统硬件， 包括中央处理器(CPU)或微处理器(MPU)及其可编程I/0芯片的工作状态：设置中 断方式：对系统变量赋于初值：初始化输出端口的内容以使机床处于正确的初始工作状 态以及系统硬件部件的自检。初始化程序框图如图2-45所示。 CPU(8o31 电动机给出可 计时/计数器 初始化 芯片初始化一8279)初始化 初始化 步进电动机通 ,刀具工们有关寄存鉴设图设工作状态指 电状态设置 位置设置 初值（置数清零）定单元，控制字 图2-45 初始化程序框图 2.命令处理循环 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 4 由图 2-44 可知，系统中的 RAM 与 EPROM 及编程 I/O 扩展芯片的数据线和低 8 位地址线在 8031 地址锁存信号输出端 ALE 及地址锁存器控制下，公用一组 8031 的 8 位总线 (PO口)，而高 8 位地址及片选信号，则由 8031 的另一组 8 位总线（P2 口） 结合译码器提供。因 8031 的外部 ROM 由 PSEN 信号选通，外部 RAM 和扩展 I/O 端 口由 W/R 信号选通，所以 RAM 与 EPROM 的地址可以重复。 8031 的 P1 口输出环形分配脉冲信号（软件环形分配）或输出控制指令经环形分配 器输出的环形分配脉冲信号（硬件环形分配），经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电 动机 8031 的 P3 口在其第二功能情况下，可完成回转刀架、主轴脉冲发生器（光电编 码器）信号及外部中断控制等工作。可编程的 I/O 扩展芯片在监控程序控制下扫描键 盘（或键盘 /LED 数码显示控制板），并输出组合逻辑信号，以控制主轴电动机的速度 转换。 CRT 控制系统是以视频控制器为主芯片的扩展电路。其中还包括有 8KB 的静态 RAM （存放被显示的字形和图形，称显示存储器）、 8KB 的 EPROM（存放汉字，同计数器 组成“字符发生器”）、锁存器及其他缓冲器和逻辑电路。 三、数控系统的软件组成 数控软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。软件和硬件的结合，形成一个具 有特定功能的计算机控制系统，使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据 计算、插补和伺服控制等工作。 经济型数控系统软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软 件、误差补偿软件等。 （一)监控与操作程序 监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它 包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、 指令分析与执行、系统自检等。 1．系统的初始化 开机或人工复位后，数控系统要进行必要的初始化处理。例如，设置系统硬件， 包括中央处理器（CPU）或微处理器（MPU）及其可编程 I/O 芯片的工作状态；设置中 断方式；对系统变量赋于初值；初始化输出端口的内容以使机床处于正确的初始工作状 态以及系统硬件部件的自检。初始化程序框图如图 2-45所示。 图2-45 初始化程序框图 2．命令处理循环
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 在完成初始化工作以后，程序进入命令处理循环。在这个循环过程中，程序扫描键 盘或操作面板输入的操作命令，对命令进行识别分析，然后，根据识别分析的结 有健按下中断人口 廷时去 29设中程序○ 老其中一行取列信息查询 透读1FU布令至29☐ 一是行健9了 棉行 从FFO中话家过组达A☐ 根招行、列信息识别健值 > 延时去 命令健处罩☐数学健处理字特精处理 该健是命令健> 数字健处命令处 中○ 中返回- 图2-46建盘扫描中析方式程序框你 图2-478279键盘处理程序框图 果转向相应的处理 程 模块。 经济型数控一般采用两种键盘处理方 是键盘 描中断方式，其程序框图如图2-46所示： 一种是采用专用可编程键盘显示芯片8279 管理方式，其程序框图如图2-47所示。 3.零件加工程序的输入程序 经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐段输入的输人的数据经数据处理 程序将输入的 十进制数 司指令转换为BCD码存于规定 缓冲区， 。输入程 元，同时将坐标值BCD码转换成二进制数码（即十翻二处理）。以后的解释工作就是 以这些存储单元的内容为依据的。 日前 一般加工程序都是按字地址程序格式编制的。由于每个程序段的功能字（如 G F 、T等)和 寸字 (如X、Y、Z I、J、K等)的 要数据按固定格式顺序存放，所以不要保留字符。输入程序中应设置一个地址指针。 每读完一个程序段，必须把当前指针压人堆栈，以备下段程序读入时使用。输入程序框 图如图2-48所示。 NC读 速人要检案的理序号☐ 健人策鳄修政命令☐ N序号一N单元 显示下一指令 >YG指令-G单元 义除多余内存■ 人命 插人增如内容 <镶被徐2> 修政错误内容 MY选sM单元 Y复制号程序 的钢修政完> L程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 5 在完成初始化工作以后，程序进入命令处理循环。在这个循环过程中，程序扫描键 盘或操作面板输入的操作命令，对命令进行识别分析，然后，根据识别分析的结 图2-46 键盘扫描中断方式程序框图 图2-47 8279键盘处理程序框图 果转向相应的处理程序模块。经济型数控一般采用两种键盘处理方式 , 一种是键盘扫 描中断方式，其程序框图如图 2-46所示； 一种是采用专用可编程键盘显示芯片 8279 管理方式，其程序框图如图 2-47 所示。 3．零件加工程序的输入程序 经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐段输入的。输人的数据经数据处理 程序将输入的十进制数与指令转换为 BCD 码存于规定的缓冲区，即源程序区。输入程 序的任务是将输入的源程序顺序读入并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单 元，同时将坐标值 BCD 码转换成二进制数码（即十翻二处理）。以后的解释工作就是 以这些存储单元的内容为依据的。 目前，一般加工程序都是按字地址程序格式编制的。由于每个程序段的功能字（如 G 、 M 、F 、S 、T 等）和尺寸字（如 X 、Y 、Z 、U 、V 、W 、I 、J 、K 等）的 主要数据按固定格式顺序存放，所以不要保留字符。输入程序中应设置一个地址指针。 每读完一个程序段，必须把当前指针压人堆栈，以备下段程序读入时使用。输入程序框 图如图 2-48 所示