SJGZ_A09数控系统_B08数控原理与数控系统_3.ppt

东南大学机械工程学院,黄卫,数控原理与数控系统,第3章数控系统的软硬件及相关技术,3.1数控系统硬件结构概述3.2数控系统软件结构3.3数控系统常用接口3.4数控系统的通信技术,3.1.1数控系统的硬件构成,计算机部分电源部分面板接口和显示接口开关量I/O接口内装型PLC部分伺服输出接口和位置反馈接口主轴控制接口外设接口,3.1数控系统硬件结构概述,3.1.2数控系统的硬件结构,大板式结构结构特点：主板、子板结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低硬件功能不易改变模块化结构结构特点：功能模块（包含硬件与软件）各功能模块之间具有明确定义的接口用户可根据需要选择各功能模块常见的功能模块有：CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板、通讯板,1、专用计算机组成的数控体系结构,单微处理器结构结构特点：单CPU通过总线与存储器和各种接口连接采用集中控制、分时处理的多任务处理方式结构简单、容易实现其功能受单CPU的字长、数据宽度、寻址功能和运算速度的限制,多微处理器结构结构特点：模块化结构，以多个CPU配以相应的接口数控总任务被告划分成多个子任务各子系统分别承担不同的子任务各子系统之间协调动作多微处理器结构的三种结构形式：主从式系统总线式系统分布式系统,主从式多微处理系统结构,总线式多微处理系统结构,分布式多微处理系统结构,多微处理器CNC与单微处理器CNC的区别：通信方式多微处理器CNC的通信方式：共享总线结构共享存储器结构,共享总线结构,共享存储器结构,2、开放式数控体系结构,结构特点：分布式控制，系统、子系统和模块分级式控制结构可根据需要实现重构、编辑，以实现多种功能用途具有良好的通信和接口协议，以实现各独立功能模块之间的信息交换,3、通用PC组成的数控体系结构,PC连接型CNC，是将现有CNC与PC用串行线直接相连而构成,PC内藏型CNC，在CNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。,CNC内藏型，在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡，专用CNC卡包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。,3.2数控系统软件结构,3.2.1CNC系统软硬件界面,3.2.2CNC控制软件的特点,1、多任务,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。,2、并行处理,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。,资源重复用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。如在CNC硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。,资源分时共享并行处理使多个用户按时间顺序使用同一套设备。例如在单CPU的CNC中，主要采用CPU分时共享原则来解决多任务的同时运行。此时需解决各任务何时占用CPU及占用多少时间。这个问题在CNC中通常采用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。,输入,插补准备,诊断,I/O处理,显示,初始化,插补,位控,键盘,中断优先级,资源重叠流水并行处理也称时间重叠流水处理，根据流水处理技术，使多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用同一套设备的几个部分。,例如一个零件程序段的数据转换过程可由下列子过程组成：零件程序输入子过程处理时间为Dt1插补准备子过程处理时间为Dt2插补子过程处理时间为Dt3位置控制子过程处理时间为Dt4,1,2,3,4,1,2,3,4,输出,输出,时间,空间,Dt1,Dt4,顺序处理,1,2,3,4,1,2,3,4,输出,输出,时间,空间,Dt1,Dt4,1,2,3,4,输出,1,2,3,4,输出,流水处理,3、实时中断处理,CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。,CNC系统的中断类型有：外部中断：光电阅读机读孔中断；外部监控中断（优先）；键盘及操作面板输入中断。内部定时中断：插补周期定时中断；位置采样周期定时中断（优先）。硬件故障中断：各硬件故障检测装置发出的中断。程序性中断：程序中出现的各种异常情况报警中断。,3.2.3CNC系统软件总体结构,1、前后台型软件结构,前台程序实时中断程序，承担了几乎全部实时功能，这些功能与机床动作直接有关，如位置控制、插补计算、辅助功能处理、机床监控等。后台程序也称为背景程序，主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理等。这是一个循环运行程序，在运行过程中不断入实时中断服务程序。,2、中断型软件结构,中断型软件结构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。,3.2.4CNC的控制软件工作过程,输入输入CNC控制器通常有零件程序、机床参数和补偿数据。译码译码处理是将零件程序的一个程序段作为单位进行处理。译码处理将零件轮廓信息、进给速度F和其他辅助信息（M、S、T）解释后，存放在指定的内存专用区域。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查，发现错误立即报警。,预计算为了减轻插补工作的负担，提高实时处理能力，通常在插补运算前先进行数据的预处理。插补计算要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”工作，此即所谓插补。软件插补：粗插补硬件插补：精插补,输出进行伺服控制当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙补偿处理进行丝杠螺距补偿M、S、T等辅助功能的输出管理与诊断软件,3.3数控系统常用接口,3.3.1数控系统的开关量I/O接口,I/O接口是CNC装置与机床、操作面板之间信号交换的转换接口接口电路的作用与要求是：进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的破坏进行电平转换和功率放大,开关量信号输入接口电路限位开关手持点动刀具到位机械原点传感器输入,开关量信号输出接口电路,3.3.2数控系统的模拟量输入/输出接口,数控机床中的被测量（如位移、速度、温度、力矩等）往往是连续变化的模拟信号，而执行机构（如电动机）则需要以模拟量来驱动。而计算机中处理的则是数字量，这就需要进行模拟量与数字量的输入/输出的转换。A/D转换接口电路：被测模拟量经过信号调理后，输入模拟量输入接口，由A/D转换器转换成数字量后，被数控装置的计算机控制电路接收。D/A转换接口电路：数控系统送往执行机构的控制信号经过模拟量输出接口的D/A转换和信号调理后被执行机构所接收。,3.3.3数控系统的DNC通信接口,DNC的含义有两种提法，80年代颁布的ISO2806对于DNC定义为“DirectNumericalControl（直接数控）”，其概念为：“此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存贮器发生联系，一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床”。在90年代颁布的ISO2806定义DNC为“DistributedNumericalControl（分布式数控）”，其意义为“在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据的分组系统”。DNC概念从“直接数控”到“分布式数控”，其本质也发生了变化，“分布式数控”表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模式可扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。,1、DNC通信接口功能分类,2、典型数控系统的DNC通信接口,经济型数控系统只能实现基本DNC功能需外接DNC接口板,无RS-232C串行通信接口的数控系统需外接DNC接口板可实现基本DNC、狭义DNC和广义DNC功能,有RS-232C串行通信接口的数控系统利用RS-232C接口可实现狭义DNC功能外接DNC接口板可实现广义DNC功能,有DNC通信接口的数控系统数控系统自带DNC通信接口和接口软件可实现广义DNC功能,3.4数控系统的通信技术,CNC系统要与各种系统和设备进行信息交换，才能完成加工任务。这需要涉及到通信方式（并行和串行）、通信时的同步、计算机网络通信的标准和协议、通信设备、传输媒体的通信接口、总线等技术,3.4.1数据通信技术概述,1、数据通信系统,2、通信线路的通信方式,单工通信数据信息只能按照一个固定的方向由发送端向接收端传送例如：显示终端只能接收计算机发送过来的数据,半双工通信可以交替改变数据传送方向通信双方都有发送端和接收端，但不能同时发送和接收在某一时刻只允许一个方向的数据流动,全双工通信在任意时刻都可以进行双向传送数据收发装置都具有独立的收发能力,3、数据传输方式,在数据传输的过程中，为了保证数据能够被正确地接收，接收方就必须知道它所接收信息的每一位的开始时间和持续时间。也就是说，接收方应按照发送方信息发送的频率及起始时间来接收信息。要做到通信双方的步调一致，就要解决数据传输过程中的同步问题。,异步传输又称起止方式在发送的每一个字符代码前加一位为“0”的起始位字符代码的后面加一位（一位半或两位）停止位“1”通过“0”和“1”的跳变来判断一个新字符的开始控制简单，传输效率低、速度较慢,同步传输被传输的信息格式采用帧格式方式帧：在一组字符或一个二进制位组成的数据块（小于字节）的前后加上同步字符SYN（代码01101000）或同步位模式（代码01111110）SYN起联络作用，通知接收方开始接收数据传输时收发双方要保持完全同步，必须使用同一个时钟传输效率高，速度快，控制较复杂,4、传输媒介,双绞线同轴电缆光缆无线传输介质,3.4.2网络标准与协议,计算机网络就是利用通信设备和线路将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接进来，通过完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统）实现网络中资源共享和信息传递的系统当用户应用程序、文件传输信息包、数据库管理系统和电子邮件等互相通信时，必须约定一种规则，即协议。,1、开放系统互联参考模型OSI/RM,1981年，ISO公布了OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection）OSI/RM只给出了一些原则性的说明，并不是一个具体的网络OSI/RM采用结构化描述方法，将整个网络的通信功能划分成7个层次，目的是将一个复杂的通信问题分成若干个独立且比较容易解决的子问题,第一层：物理层（PhysicalLayer）规定通信设备的机械、电气、功能和过程特性，用以建立、维护和拆除物理链路连接第二层：数据链路层（DataLinkLayer）在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上的无差错传输，并进行数据流量控制第三层：网络层（NetworkLayer）为传输层的数据传送提供建立、维护和终止网络连接的手段,第四层：传输层（TransportLayer）为会话层提供端到端的透明、可靠的数据传输服务第五层：会话层（SessionLayer）为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务第六层：表示层（PresentationLayer）为应用层提供信息表示方式的服务、如数据格式的交换、文本压缩、加密技术等第七层：应用层（ApplicationLayer）为网络用户应用程序提供各种网络服务，如文件传输、电子邮件、分布式数据库和网络管理等,2、TCP/IP协议,20世纪80年代，TCP/IP作为异种机互联的工业标准得到应用TCP/IP是事实上的国际标准和工业标准，为Internet和Intranet的协议标准TCP/IP是一组协议的代名词，包括许多别的协议IP（InternetProtocol）网际协议：负责主机间数据的路由和网络上数据的存储，同时为ICMP、TCP和UDP提供分组发送服务ARP（AddressResolutionProtocol）地址分析协议：将网络地址映射到硬件地址RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）反射地址分析协议：将硬件地址映射到网络地址,TCP/IP是一组协议的代名词，包括许多别的协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）网间报文控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）传送控制协议：一种提供给用户的可靠的全双工数据流服务协议UDP（UserDatagramProtocol）用户数据报协议FTP（FileTrasferProtocol）文件传输协议：允许用户以文件操作的方式（文件的增删、修改、查询、传送）与另一个主机互相通信SMTP（SimpleMailTrasferProtocol）简单邮件传送协议TELNET（TelnetTerminalProtocol）标准终端仿真协议TFTP（TrivialFileTrasferProtocol）简单文件传输协议,3、IEEE802标准,IEEE802标准是美国电气和电子工程师协会（IEEE）的局域网络标准委员会（IEEE802委员会）提出的局域网络标准主要针对OSI/RM的数据链路层制定了若干局域网络协议，将该层划分为两个子层逻辑链路控制LLC（LogicalLinkControl）子层：提供寻址、帧收发、帧顺序控制和流量控制等功能媒体访问控制MAC（MediumAccessControl）子层：定义了几种媒体访问控制方法,IEEE802.3定义了总线型局域网（LAN）的媒体访问控制方法CSMA/CDCSMA/CD的典型应用：以太网CSMA/CD的核心思想：在每个站点发送信息之前，首先侦听总线，若总线空闲，则发送信息，否则等待；在信息发送期间，同时检测是否有冲突，若有则停止发送，并向总线发送出一串阻塞信号，加剧冲突，各站点在侦听到冲突时作稍等处理，再重新发送信息。CSMA/CD采用总线争用方式，具有结构简单，轻负载下延迟小等优点，但负载增加则冲突加剧，性能下降,IEEE802.5定义了令牌环（TokenRing）媒体访问控制方法令牌环的传输媒体是环，环上节点只有获得令牌后才能发送信息帧当一个节点占有令牌（令牌状态为“忙”）发送信息时，其它节点只能处于接收状态令牌环的工作原理：令牌依次沿环上的每个节点传送令牌环访问控制具有在重负载时利用率高，传送距离不会影响其性能以及公平访问的优点，但环形网结构复杂，并存在检验和可靠性的问题。,IEEE802.4定义了令牌总线媒体访问控制方法综合了CSMA/CD和令牌环的优点，是在总线结构的局域网上采用令牌控制方式来实现信息传递。实现方法：将挂在总线上的站点组成一个逻辑上的环路，并给每一个站点赋予一个顺序的逻辑地址，按令牌环的控制方法进行运行。,3.4.3现场总线接口,国际电工委员会（IEC）提出了一种连接工业底层设备的局域网现场总线网现场总线网络体系结构通常采用3层模型，分别对应于ISO/OSI中的物理层、数据链路层和应用层现场总线网的物理层接口标准：RS-232C、RS-485、RS-449点到点通信链路：采用20mA电流环传输数字信号多点通信链路：使用屏蔽双绞线、同轴电缆或者光纤传输数字信号数据链路层采用高级数据链路控制规程HDLC和同步数据链路控制规程SDLC的帧格式应用层使用MAP网络应用层支持的制造报文规范MMS,1、SERCOS数字驱动接口,SERCOS是一种用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议SSERCOS可实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器I/O口之间的实时数据通信S