数控装置.ppt

淮南联合大学机电系制作：陈其祥,数控装置,数控装置(CNCunit),根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入/输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），从而加工出需要的零件。目前，数控装置采用的是数字计算机，包括硬件和软件。,数控装置的组成及作用,*组成数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。数控装置由输入接口、控制器、运算器、存储器和输出接口等五大部分组成,*数控装置的作用及功能数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。,数控装置各部分介绍:,1CPU;（包括BUS）CPU:由运算器、控制器、内部寄存器构成衡量CPU的两个因素:1）位数2）速度作用:对系统内部工件及操作进行统一控制,按照程序中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机整体.BUS:总线,信息公共通路的总称物理导线分为:地址总线(DB)数据总线(AB)控制总线(CB),2数控装置中的存储器:作用:存放系统软件,零件程序参数等存储运算的中间结果分类:如下图,RAM(随机存储器)既可读入也可写出,用来存放程序参数中间结果均应保持。ROM:只读存储器，存放系统软件又分为:EPROM、E2ROM、闪存。,数控装置中的存储器,数控装置中的I/O接口,系统的I/O接口：系统的接口常采用串行接口,其定义:通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传输是在单根线上完成的.每次以一个二进制“0”“1”为最小单位进行传输.优点:价格便宜,简化通讯设备,可通过电话线进行长距离传输缺点:传输速度慢.协议:为保证数据传输正确,通讯双方遵循某种约定的规程(异步通讯规程)以一帧作为一个数据传输单位,功能:外设不能直接与存储器进行通讯,需要通过CPU对I/O接口的读写操作来完成外设与存储器之间的信息交换,每一帧包含:起始位,数据位,奇偶校验停止位格式如下:信号无传输:表明线路上无数据传输起使传输:发送方任意时刻将线路上的逻辑1状态拉至0,发出一个空号.表明线路上发送方要传输数据,将接受方受到空信号开始准备与发送方同步,并希望收到随后的数据.数据传输:表示一个字符或一个代码等奇偶校验:保证每一帧传输的正确性停止位:可选择1,1.5,2,保证每帧传输时间相等及同步波特率:每秒传输的二进制位数:300,600,1200,2400,4800,9600,系统的I/O串行接口主要格式内容,数控装置在数控机床中的位置,主轴伺服单元,数控装置,输出设备,PLC,进给伺服单元,主轴电机进给电机位置检测,机床本体,接口电路,操作面板,输入设备,早期的数控系统，它的输入、运算、插补、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路实现。不同的数控机床需要设计专门的逻辑电路，可靠性差，功能和灵活性差。小型机的采用，世界上第一台CNC系统于1970年问世，1974年美日等国便研究出了以微处理器为核心的数控系统，之后相继8位、16位、后16位、32位、64位CNC被应用。CNC具有体积小、结构紧凑、功能丰富、可靠性好等优点。,数控装置的硬件结构,在一块半导体芯片上集成了CPU,存储器以及输入/输出接口电路，这样的芯片习惯上程为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer,SCM）单片机的典型结构如图：,系统时钟,ROM,CPU,定时计数器,串行I/O,并行I/O,RAM,RESET,INT,电源,例：由单片机组成的数控装置,典型的单片机应用系统如图：,单片机,EPROM,RAM,I/O,显示器,键盘,通用外部设备,I/O,I/O扩展,A/D,光电隔离,光电隔离,光电隔离,D/A,数字量检测,模拟量检测,开关量检测,开关量控制,伺服驱动控制,数据存储器,程序存储器,基本系统,I/O子系统,外部设备,单片机程序开发语言及支持软件，常用C,PL/M,Pascal,C语言编辑器有FRANKIN,ARCHIMEDES等，支持软件，8051、52系列intel公司的ASM-51,PL/M-51及连接定位程序。,MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其典型系统有（广州数控产品）：,图中74LS02为：双极TTL数字逻辑电路，四2输入或非门，Y=A+B2764为EPROM,可擦写只读存储器GND为信号地RST为复位，左面是复位电路DG1-DG6为LED显示器,图4-2用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图,例：经济型数控系统,单微处理机CPU数控装置结构,单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。1.微处理器和总线微处理器：运算、控制总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。2.存储器只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）它们的用途：,单微处理机数控装置的硬件结构,只读存储器（ROM）：系统程序随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息CMOSRAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.位置控制单元对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）C轴位置控制：包括位置和速度控制刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。,单微处理机数控装置的硬件结构,单CPU系统的硬件结构,单微处理机数控装置典型产品：,右：FANUC150i-M系列下：华中世纪星,图4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）,多CPU系统的硬件结构多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。现代的CNC系统大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单CPU结构提高了计算机的处理速度。多CPU结构的CNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPU的CNC系统由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。,多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,1.多微处理机CNC装置的典型结构总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。（1）功能模块1）CNC管理模块2）存储器模块3）CNC插补模块4）位置控制模块5）操作控制数据输入、输出和显示模块6）PLC模块,多CPU结构分类：共存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。共总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。,VS,VS,（2）共享总线结构结构与仲裁主模块与从模块总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案模块之间的通讯：公共存储器总线：STDbus（支持8位和16位字长）Multibus（型支持16位字长，型支持32位字长）S-100bus（可支持16位字长）VERSAbus（可支持32位字长）VMEbus（可支持32位字长）,4.2.3多CPU数控装置,图：共享总线式多CPU数控装置结构图,多CPUCNC系统的典型结构1）共享总线结构在这种结构的CNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。其结构如图3-4所示：,串行总线仲裁连接方式,主模块1,主模块2,主模块3,总线优先权入,总线优先权出,总线忙,入,忙,出,入,忙,出,并行总线仲裁连接方式,主模块1总线优总线总线优先权入忙先权出,主模块3入忙出,译器码,主模块2入忙出,优先权编器码,2）共享存储器结构在该结构中，采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。如图3-5所示。当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。,图3-5共享存储器的多CPU结构框图,MTC1的CNC装置结构框图,(16K)EPROM,(16K)EPROM,(56K)EPROM,(2K)EAM,(26K)RAM,(2K)EAM,512K,512K,(CRT)CPU2,键盘,(中央)CPU1,(插补)CPU3,串口和收发器,CRTC,CRT,字符发生器,并行接口,反馈脉冲处理,反馈信号适配器,机床接口,模拟量接口,RS232C,XYZCW,共享存储器结构,共享总线和共享存储器型结构FUNUC11的CNC装置结构框图,键盘,纸带机,手摇盘,PMC68000,CAP8086+8087,ROM,RAM,主CPU68000,SSU,RS232,RS232,位控,位控,位控,IOC,BAC,ROM,RAM,ROM,RAM,RAM,ROM,图形显示8087,OPC,CRT,机床I/O,坐标轴,坐标轴,主轴,其中OPC操作控制器；BAC总线仲裁控制器；IOC输入输出控制器；CAP自动编程单元；SSU系统支持单元；PMC可编程机床控制器,双端口存储器结构框图多CPU共享存储器框图,端口1,存储控制逻辑,地址和数据多路转换器,RAM,共享存储器,I/O(CPU),CRT(CPU2),轴控制（COU4）,插补(CPU3),端口2,中断,控制,从机床来的控制信号,至机床的控制信号,2多CPUCNC系统基本功能模块（1）管理模块该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：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功能。（2）插补模块该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。（3）位置控制模块对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。（4）PLC模块零件程序的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。（5）命令与数据输入输出模块指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6）存储器模块是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。,VS,VS,2.多微处理机CNC装置结构的特点（1）计算处理速度高（2）可靠性高（3）有良好的适应性和扩展性（4）硬件易于组织规模生产,专用型结构和基于PC开放式数控装置结构专用型结构CNC系统的硬件由各制造厂家专门设计和制造，其布局合理，结构紧凑，专用性强，但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。如FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国AB系统、法国NUM系统及我国的一些数控系统生产厂家生产的数控系统都属于专用型结构。个人计算机式结构的CNC系统是以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件，来构成相应的CNC装置的。因工业标准PC机采用与一般PC机相同的总线标准，所以个人计算机式结构的CNC系统综合了一般PC机和工业标准PC机的特点，其具体反映在下述几个方面：,开放式数控装置的体系结构,VS,VS,一、开放式数控系统的产生随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化(Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；,（1）与一般PC机完全兼容，且易于实现升级换代。近几年来，个人计算机的应用越来越广，其丰富的软件资源和大量的硬件资源给人们提供了一个极为优越的开发环境。又因为PC机的生产数以万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本，修理及更换都很方便。此外，与其他类型的工控机相比，工业标准PC机具有更强的通信功能，各类PC机均有网络适配器，可用以构成各种局域网。（2）抗干扰和抗恶劣环境的能力强。工业标准PC机采用无源总线底板和结构坚实的工业标准机箱，全部组件为插入式，带紧固装置，能经受较强的冲击、振动和电磁干扰。工业标准PC机的主板包括了普通微机的全部组件和功能(CPU、高速缓冲器Cache、系统内存、系统BIOS、RS232C接口、打印机接口、键盘接口、磁盘驱动器接口、时钟和扩展总线等)，并采用表面封装技术制造，机箱内有正压的空气过滤系统，具有抗潮湿和腐蚀性气体的能力，它还采用了大功率抗干扰的开关电源。由于个人计算机式结构的CNC系统有诸多优点，且能满足用户对CNC系统硬件通用性的要求，因此有不少数控厂家都开发了个人计算机式结构的CNC系统，如美国的ANILAN公司和AI公司。,以工业PC机为技术平台的数控系统结构框图,NC嵌入PC式结构NC嵌入PC式结构由开放体系结构运动控制卡和PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库能提供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统，因此这种结构被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC和日本MAZAK公司用三菱电动机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等都是这种结构的数控系统。,软件型开放式结构软件型开放式结构的数控系统是一种最新开放体系结构的数控系统。它能提供给用户最大的选择和灵活性。它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部IO之间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核开发所需的各种功能，以构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，软件型开放式结构的数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC和德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。,基于PC的数控装置（递阶式PC数控系统结构图）,PCI/O软件化数控系统结构图,典型基于PC的和网络型数控产品,上：SIEMENS802D左：数控凸轮磨床,VS,VS,二、开放体系结构CNC的优点,向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。,VS,VS,2.开放程度：1）CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件2）用户操作界面的开放。3）NC内核的深层次开放(PC+实时硬插件；PC+实时软中断)。3.开放式数控系统的发展趋势：1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数控系统。2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的需求。3）网络化,开放式数控装置的概念结构,硬件配置单元,软件配置单元,数控软件,数控软件的数据转换流程,译码缓冲区刀补缓冲区运行缓冲区,加工程序,高,4,位,低,4,位,说明,1,3,G03,2,3,M03,100,X,值,50,Y,值,0,Z,值,0,I,值,50,J,值,0,K,值,100,F,值,图：不按字符格式的译码数据存放格式,软件工作流程1.译码译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。（1）不按字符格式的存放方法M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；（2）保留字符格式的存放方法（略）,2.刀补（软件工作流程）刀补处理程序主要进行以下几项工作：1计算本段零件轮廓的终点坐标值；2根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；3根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。,3.速度预处理（软件工作流程）速度预处理程序主要完成以下几步计算：1计算本程序段总位移量2计算每个插补周期内的合成进给量L=Ft/60（m）式中，F进给速度值（mm/min）；t数控系统的插补周期（ms）。,恒速控制：F值恒定加减速控制：F值按照一定规律变化,4.插补处理（软件工作流程）1根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；2计算新的坐标位置；3将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。插补程序的实时性,5.位置控制（软件工作流程）,图：位置控制算法原理,（1）计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+x2Y2新=Y2旧+y2（2）计算实际坐标位置X1新=X1旧+x1Y1新=Y1旧+y1（3）计算位置控制输出值x3=X2新-X1新y3=Y2新Y1新位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。,数控软件的特点及关键技术,1.多任务与并行处理技术,（1）数控装置的多任务性,图：数控装置的任务及分类框图,这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如：（1）显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态；（2）在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必须同时进行。,多任务并行处理的实现,CNC装置软件任务分解软件任务的并行处理,资源（CPU）分时共享图,1）多任务措施1：资源分时共享,VS,VS,资源分时共享技术的特征,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。,位置控制插补运算背景程序,图：各任务占用CPU时间示意图,0ms4ms8ms12ms16ms,VS,VS,多任务处理措施2：并行处理和流水处理,在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的