数控技术-卢红-CNC装置软件结构 PPT课件

第三节CNC装置软件结构 CNC装置的软件是为完成数控机床的各项功能而专门设计和编制的一种专用软件 其结构取决于硬 软件的分工 也取决于软件本身的工作特点 软件功能是CNC装置的功能体现 一些厂商生产的CNC装置 硬件设计好后基本不变 而软件功能不断升级 以满足制造业发展的要求 1 CNC装置的软件构成如图4 4所示 包括管理软件和控制软件两大部分 管理软件主要包括输入 I O处理 通信 诊断和显示等功能 控制软件包括译码 刀具补偿 速度控制 插补和位置控制及开关量控制等功能 2 软件和硬件在逻辑上等价 由硬件完成的工作同样可以由软件完成 在CNC系统中 软硬件的分配比例 随微电子 计算机技术的发展而不断变化 1952年到1970年 硬联接 数控时代 70年代后 进入了 软联接 的数控时代 80年代后期 计算机数控 CNC 系统 3 一 CNC装置软硬件的分工 程序 输入 数据处理 插补 位置控制 速度控制 伺服电机 测量反馈 几种典型的软硬件分工 界面的划分 软件 硬件 4 CNC装置软硬件的分工图4 19示出了三种典型的CNC装置的软硬件分工 5 CNC系统软件的工作过程1 输入CNC系统的输入内容包括零件数控加工程序 控制参数和补偿数据 一般通过键盘 RS232C接口等方式输入 这些输入方式采用中断方式来实现 且每一种输入法均有一个相对应的中断服务程序 其工作过程是先输入零件加工程序 然后将程序存放到缓冲器中 再经缓冲器将程序存储在零件程序存储器单元内 对于控制参数和补偿数据等可通过键盘输入存放在相应的数据寄存器内 6 2 译码 译码处理是以一个程序段为单位对零件数控加工程序进行处理 在译码过程中 首先对程序段的语法进行检查 若发现错误 立即报警 若没有错误 则把程序段中的零件轮廓信息 如起点 终点 直线或圆弧等 加工速度信息 F代码 和其它辅助信息 M S T代码等 按照一定的语法规则解释成微处理器能够识别的数据形式 并以一定的数据格式存放在指定存储器的内存单元 7 3 数据处理 数据处理通常包括刀具长度补偿 刀具半径补偿 反向间隙补偿 丝杠螺距补偿 过象限及进给方向判断 进给速度换算 加减速控制及机床辅助功能处理等 刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹 一些较好的CNC装置中 还能实现C刀具补偿 即程序段之间的自动转接和过切判别等 进给速度处理是根据程序中所给的刀具移动速度计算各运动在坐标方向的分速度 对机床允许的最低速度和最高速度的限制也要处理 8 4 插补 插补是在一条给定了起点 终点和形状的曲线上进行 数据点的密化 根据给定的进给速度和曲线形状 计算一个插补周期内各坐标轴进给的长度 数控系统的插补运算是一项精度要求较高 实时性很强的运算 插补精度直接影响工件的加工精度 而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度 通常插补分为粗插补和精插补 精插补的插补周期一般取伺服系统的采样周期 而粗插补的插补周期是精插补的插补周期的若干倍 一般的CNC装置中 能对直线 圆弧和螺旋线进行插补 一些较专用或高级的CNC装置还能完成椭圆 抛物线 正弦线的插补工作 9 5 位置控制 位置控制是在伺服系统的每个采样周期内 将精插补计算出的理论位置与实际反馈位置信息进行比较 其差值作为伺服调节的输入 经伺服驱动器控制伺服电机 在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整 各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿 以提高机床的定位精度 10 6 诊断 诊断程序包括在系统运行过程中进行的检查与诊断 和作为服务程序在系统运行前或故障发生停机后进行的诊断 诊断程序一方面可以防止故障的发生 另一方面在故障出现后 可以帮助用户迅速查明故障的类型和发生部位 11 二 CNC装置软件结构的特点 CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统 它的控制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术 其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点 12 CNC系统软件的结构特点 多任务并行处理 前后台型软件结构 实时中断处理 数控软件操作系统 13 多任务并行处理 CNC装置的多任务性 14 CNC装置的软件构成包括管理软件和控制软件两大部分 在多数情况下 CNC装置进行数控加工时 要完成多种任务 管理软件和控制软件的某些工作必须同时进行 例如 为使操作人员能及时了解CNC装置的工作状态 管理软件中的显示模块 必须与控制软件中其它模块同时运行 当在插补加工运行时 管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件中的相关模块同时运行 而当控制软件运行时 其本身的一些处理模块也必须同时运行 例如 为了保证加工过程的连续性 即刀具在各程序段之间不停刀 译码 刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行 而插补程序又必须与位置控制程序同时进行 为此 数控加工的多任务常采用并行处理的方式来实现 即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性质相同或不相同的工作 15 2 并行处理并行处理是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性质相同或不相同的工作 并行处理方法有 资源共享 资源重复和时间重叠 CNC装置的硬件设计通常采用资源重复的并行处理方法 而CNC装置的软件设计则采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术 16 任务的并行处理 17 各任务占用CPU时间示意图 资源分时共享并行处理 18 资源重叠流水处理 当CNC装置在自动加工工作方式时 其数据的转换过程将由零件程序输入 插补准备 包括译码 刀具补偿计算和速度处理等 插补 位置控制四个子过程组成 如果各个子程序的处理时间分别为 t t t t 那么 个零件程序段的数据转换时间将是t t t t t 19 消除这种间隔的方法是使用流水处理技术 采用流水处理后的时间空间关系如右图所示 流水处理的关键是时间重叠 即在一段时间间隔内不是处理一个子程序 而是处理两个或更多的子程序 从右图可以看出 经过流水处理后从时间 t 开始 每个程序段的输出之间不再有间隔 从而保证了电机的转动和刀具移动的连续性 20 并行处理中的信息交换和同步 在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲存储区来实现 21 前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装置 在这种软件结构中 前台程序是一个实时中断服务程序 承担了几乎全部的实时功能 实现与机床动作直接相关的功能 如插补 位置控制 机床相关逻辑和监控等 后台程序是一个循环执行程序 承担一些实时性要求不高的功能 如输入 译码 数据处理等插补准备工作 管理程序一般也在后台运行 在后台程序循环运行的过程中 前台的实时中断程序不断地定时插入 二者密切配合 共同完成零件的加工任务 2 前后台软件结构 22 23 2 前后台软件结构 后台程序循环运行 前台中断程序不断插入 24 3 中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分 整个软件是一个大的中断系统 在执行完初始化程序之后 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程序中 系统通过响应不同的中断来执行相应的中断处理程序 完成数控加工的各种功能 其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决 中断优先级共分8级 0级最低 7级最高 除了第4级为硬件中断完成报警功能外 其余均为软件中断 25 3 实时中断处理 CNC装置软件结构的另一个特点是实时中断处理 CNC装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可少的组成部分 CNC装置的中断管理主要靠硬件完成 而其中中断结构决定了CNC装置软件的结构 1 CNC装置中断类型 1 外部中断 内定时部中断 硬件故障中断 程序性中断 2 CNC装置中断结构模式1 中断型结构模式2 前后台型结构模式 26 中断程序间的通讯方式包括 设置软件中断 中断服务程序自身的连接 设置标志 根据实时要求 把控制安排成不同级别的中断服务程序 管理功能 主要通过各级中断服务程序之间的通信实现 例如 中断型软件结构 0到7级中断级别递增 27 三 典型CNC装置软件结构下面介绍一种单CPU的CNC装置软件结构 该系统采用8086CPU 1 软件总体结构本系统软件总体结构采用中断型结构 各中断优先级别的划分见表4 1 中断有两种来源 一种是由时钟或其它外设产生的中断请求信号 称为硬件中断 另一种是由程序产生的中断信号 称为软件信号 28 2 各种中断的功能 1 初始化程序 0级中断 初始化程序是为整个系统正常工作做准备的 1 清除RAM工作区 2 为数控加工工作正常而进行的处理 3 对有关电路初始化设置4 初始程序执行完后 先开中断然后转入第一级中断 29 2 第一级中断第一节中断是系统的主控制程序 主要完成CRT显示控制和ROM奇偶校验 3 第二级中断该级中断主要是为插补的正常进行做准备工作 工作方式有 1 自动方式2 手动数据输入方式 MDI 3 手动连续进给方式 JOG 4 步进增量方式 STEP 5 编辑方式 EDIT 30 第 级中断第 级中断的主要任务是为第 级和第三级中断进行 ms中断定时 8 第7级中断第7级中断从RS 232C接口读入数据存入缓冲存储区 9 第8级中断第8级中断从纸带阅读机读取一个字符并在低级中断中对之进行处理 10 第9级中断第9级中断是串联报警 如果此中断连续产生两次 便置PLC报警并停止工作 11 第10级中断第10级中断是非屏蔽中断 其主要内容 1 RAM奇偶校验错时 显示奇偶错且动态停止 2 电源关断时 停止磁泡存储器工作 3 工程师面版中断时 为它服务 4 监控定时器中断时 显示监控报警并且动态停止 31 一 FANUC公司的主要数控系统FANUC数控系统以其高质量 低成本 高性能 较全的功能 适用于各种机床和生产机械等特点 在市场的占有率远远超过其它的数控系统 1 高可靠性的PowerMate0系列用于控制2轴的小型车床 取代步进电动机的伺服系统 可配画面清晰 操作方便 中文显示的CRT MDI 也可配性能 价格比高的DPL MDI 2 普及型CNC0 D系列0 TD用于车床 0 MD用于铣床及小型加工中心 0 GCD用于圆柱磨床 0 GSD用于平面磨床 0 PD用于冲床 典型的CNC系统简介 32 3 全功能型的0 C系列0 TC用于通用车床 自动车床 0 MC用于铣床 钻床 加工中心 0 GCC用于内 外圆磨床 0 GSC用于平面磨床 0 TTC用于双刀架4轴车床 4 高性能 价格比的0i系列整体软件功能包 高速 高精度加工 并具有网络功能 0i MB MA用于加工中心和铣床 4轴4联动 0i TB TA用于车床 4轴2联动 0i mateMA用于铣床 3轴3联动 0i mateTA用于车床 2轴2联动 33 5 具有网络功能的超小型 超薄型CNC16i 18i 21i系列控制单元与LCD集成于一体 具有网络功能 超高速串行数据通讯 其中FSl6i MB的插补 位置检测和伺服控制以纳米为单位 16i最大可控8轴 6轴联动 18i最大可控6轴 4轴联动 21i最大可控4轴 4轴联动 除此之外 还有实现机床个性化的CNCl6 18 160 180系列 34 1 FANUC0系列FANUC0系列分别有A B C D等产品 各产品又有不同 在这四种产品中 目前在国内使用最多的是普及型FANUC0 D和全功能型FANUC0 C两个系列 FANUC0系统由CNC基本配置 主轴和进给伺服单元以及相应的主轴电动机和进给电动机 CRT显示器 系统操作面板 机床操作面板 附加的输入 输出接口板 B2 电池盒 手摇脉冲发生器等部件组成 其中的CNC基本配置又由主印制电路板 PCB 存储器板 图形显示板 可编程机床控制器板 PMC M 伺服轴控制板 输入 输出接口板 子CPU 中央处理器 板 扩展的轴控制板 数控单元电源和DNC控制板组成 各板插在主印制电路板上 与CPU的总线相连 35 2 FANUC0i系列FANUC0i系列目前在国内已成为主流产品 各机床生产厂家已大量采用 FANUC0i系统由主板和I O两个模块构成 主板模块包括主CPU 内存 PMC控制 I OLink控制 伺服控制 主轴控制 内存卡I F LED显示等 I O模块包括电源 I O接口 通讯接口 MDI控制 显示控制 手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等 36 3 FANUC16i 18i 21i系列FANUCl6i 18i 21i系列产品比0i系统体积进一步缩小 将液晶显示器与CNC控制部分合为一体 实现了超小型化和超薄型化 无扩展槽时厚度只有60mm FANUCl6i 18i 21i系统由液晶显示器一体型CNC 机床操作面板 伺服放大器 强电盘用I O模块 I OLink 放大器 便携式机床操作面板及适配器 i系列AC伺服电动机 i系列AC主轴电动机 应用软件包等部分组成 37 FANUC16i 18i 21i系列产品有以下特点 1 纳米插补以纳米为单位计算发送到数字伺服控制器的位置指令 极为稳定 在与高速 高精度的伺服控制部分配合下能够实现高精度加工 通过使用高速RISC处理器 可以在进行纳米插补的同时 以适合于机床性能的最佳进给速度进行加工 2 超高速串行通讯利用光导纤维将CNC控制单元和多个伺服放大器之间连接起来的高速串行总线 可以实现高速度的数据通讯并减少连接电缆 38 3 伺服HRV HighResponseVector高响应向量 控制通过组合借助于纳米CNC的稳定指令和高响应伺服HRV控制的高增益伺服系统以及高分辨率的脉冲编码器 16000000r 1 实现高速 高精度加工 4 丰富的网络功能FANUC16i 18i 21i系统具有内嵌式以太网控制板 21i为选购件 可以与多台电脑同时进行高速数据传输 适合于构建在加工线和工厂主机之间进行交换的生产系统 并配以集中管理软件包 以一台电脑控制多台机床 便于进行监控 运转作业和NC程序传送的管理 39 5 远程诊断通过因特网对数控系统进行远程诊断 将维护信息发送到服务中心 6 操作与维护可以通过接触摸画面上所显示的按键进行操作 可以利用存储卡进行各类数据的输入 输出 可以以对话方式诊断发生报警的原因 显示出报警的详细内容和处置办法 显示出随附在机床上的易损件的剩余寿命 存储机床维护时所需的信息 通过波形方式显示伺服的各类数据 便于进行伺服的调节 可以存储报警记录和操作人员的操作记录 便于发生故障时查找原因 40 7 控制个性化通过C语言编程 实现画面显示和操作的个性化 用宏语言编程 实现CNC功能的高度定制 通过C语言编程 可以构建与由梯形图控制的机器处理密切相关的应用功能 8 高性能的开放式CNCFANUC系列160i 180i 210i是与Windows2000对应的高功能开放式CNC 这些型号的CNC与Windows2000对应 可以使用多种应用软件 不仅支持机床制造商的机床个性化和智能化 而且还可以与终端用户自身的个性化相对应 41 9 软件环境为了与CNC PMC进行数据交换 提供可以从C语言或BASIC语言调用的FOCASl驱动器和库函数 提供CNC基本操作软件包 它是在电脑进行CNC PMC的显示 输入 维护的应用软件 通过用户界面向操作人员提供 状态显示 位置显示 程序编辑 数据设定 等操作画面 CNC画面显示功能软件 是在电脑上显示出与标准的i系列CNC相同画面的应用软件 DNC运转管理软件包 可以完成从电脑上的硬盘高速地向CNC传输NC程序并加以运转工作 42 二 SIEMENS公司的主要数控系统