cnc系统的硬件结构.ppt

1,数 控 技 术,辽阳职业技术学院,2,二、CNC系统的硬件结构 CNC的软件功能要有相应的硬件水准来支持。 已有的或常规的CNC必须趋向开放式的CNC。,1、常规CNC的硬件结构 （1）常规CNC发展的主要形式，大体上有三种： 一种是总线式模块化结构CNC，元器件采用了32位的RISC（精简指令集）芯片、数学协处理器及闪烁存储器等； 用于多轴控制高档数控机床。,3,第二种是以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC。 大量用于中档和经济型数控机床。,第三种是基于通用计算机（PC或IPC）基础上开发的CNC。 其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，而且可以随着计算机硬件的升级而升级。 前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机，其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的，不具有通用性。 第三种的硬件通常无需专门设计，只要装入不同的控制软件，便可构成不同类型的CNC，通用性大，易于维修。,4,（2）单微处理器结构： 是CNC发展初期采用的结构，由于只有一个微处理器能控制系统总线，占有总线资源，CNC的各个任务都以集中控制、分时处理的方式完成。,如图为单微处理器结构CNC框图，其中微处理器CPU是CNC的核心，主要由运算器和控制器组成，完成对数据的算术和逻辑运算以及系统操作的控制。,5,6,（3）多微处理器结构 CNC的多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线、或主存储器进行工作的系统结构。,具体有紧耦合和松耦合两种结构型式。 所谓紧耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，共享资源。 所谓送耦合，是指两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统有效地实现并行处理。,7,1）多微处理器CNC的典型结构 共享总线结构，如图。,8,共享存储器结构，如图。,9,2）多微处理器的CNC的基本功能模块 主要有以下六种基本功能模块：,CNC管理模块。包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等。 CNC插补模块。完成插补前的预处理，然后进行插补计算，给定各坐标轴的位置值。 位置控制模块。 PLC(PMC)模块。零件程序中的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。 命令与数据输入输出和显示模块。 存储器模块。这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。,10,2、开放式CNC的硬件结构 目前，对数控系统的柔性和通用性的要求主要体现在： 根据不同的加工需求迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统；,减少数控机床生产厂对控制系统供应商的高依赖性； 大幅度降低维护和培训成本； 改变目前数控系统的封闭型设计，以适应未来车间面向任务恶化订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。 为此，必须重新审视原有控制系统的设计模式，建立新的开放型的系统设计框架，使数控系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展。,11,国外，数控系统开放性在技术上体现为平台技术和面向应用功能单元的系统参考结构。,美国1981年开始的NDD(Next Generational Controller)计划，最终形成了一份开放式系统体系结构规范SOSAS。 1994年又开始了OMAC(Open Modular Architecture Systems)项目的研究。 欧共体于1992年在ESPRIT框架内，开始了OSACA (Open System Architecture for Controls Within Automation Systems)项目的研究，1994年完成了定义，1996年完成了原型系统的开发。 1990年日本的IMS中，对CNC要求标准化和智能化。,12,（1）开放式CNC的定义 参照IEEE对开放式系统的规定：一个真正意义上的开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力，,提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面，具有以下特征： 1）可互操作性（Interoperability）： 指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上， 不同模块之间保持平等的相互操作能力，协调工作。 这一特征要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。,13,2）可移植性（Portability）： 指不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的系统平台之上。,这一特征解决CNC软件的公用问题； 要求设计的软件与设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制。 3）可缩放性（Scalability）：指增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载和卸载。 4）可相互替代性(Interchangeability)：指不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可相互替代。,14,一个开放式CNC的开放性体现在： 提供标准化环境的基础平台， 允许不同开发商所提供不同功能的软、硬件模块介入，以构成满足不同需求的CNC。,开放式数控系统是从全新的角度分析和实现数控的功能， 强调系统对控制需求的可重构性和透明性， 以及系统功能面向多供应商。,15,（2）基于PC(或IPC)开放式CNC的硬件配置形式 1）基于PC的有限开放CNC,大多通过改造原有CNC系统的接口，使CNC系统能与PC互连，由PC承担CNC人机界面功能。具体有 PC连接型CNC如图,是将现有CNC与PC用串行线直接相连而构成。,16, PC内藏型CNC，如图。 是指在CNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。,17,2）基于PC的可开放CNC 是在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡而成，也称CNC内藏型。 专用CNC卡包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。,18,三、CNC的软件结构 1、CNC中软、硬件界面与数据转换 在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可由软件完成。,如图为不同时期和产品中的典型CNC软、硬件界面。,19,在CNC中，直线、圆弧和其他曲线控制功能的数据转换过程是类同的。 如图为直线控制功能的数据转换过程。,20,2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理 CNC的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两大任务。,系统管理包括：输入、I/O处理、显示、诊断。 系统控制包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制。如图。,21,CNC的各项任务必须协调工作，在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。如图。,22,所谓并行处理，是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上相同或不同的工作。 并行处理方法有资源重复、时间重叠和资源分时共享等处理方法。,CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，中断类型有： 外部中断。 内部定时中断。 硬件故障中断。 程序性中断。,23,3、常规CNC的软件结构 CNC的软件结构决定于系统采用的中断结构。 常规的CNC中，已有的结构模式有中断型结构和前后台型结构。,（1）中断型结构模式 此类型的结构特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。 其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信安排来实现。 如FANUE-BESK 7CM CNC系统的软件结构就是一个典型的中断型结构。,24,（2）前后型结构模式 这种软件的结构特点是前台程序为一个中断服务程序，它几乎承担了全部实时的功能，,而后台程序或背景程序只是完成管理功能和非实时性任务（如插补准备）。 后台程序是一个循环运行的程序，在其运行过程中