4 计算机数控(CNC)装置

第四章计算机数控（CNC）装置,4.1概述,4.1.1CNC技术的发展数控系统用数值数据的控制系统，在运行过程中，不断引入数值数据，从而实现机床加工过程的自动控制。数控系统的基本组成包括控制器和驱动装置（JB/T8832-2001）ISO对数控系统的定义：“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输人载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。,4.1概述,4.1.1CNC技术的发展1952年，美国MIT利用电子管成功地研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。1959年，电子行业研制出晶体管器件，因而数控系统中广泛使用晶体管和印制电路板，数控系统跨人第二代。1965年，出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发展到了第三代。以上三代都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统，也称硬件数控(NC)。,随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控，许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统(CNC)称为第四代数控系统，1970年，在美国芝加哥国际展览会上，首次展出了这种系统。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，又出现了以微处理器为核心的数控系统，这就是第五代数控系统(MNC)。近20多年来，微处理器数控系统得到了飞速发展和广泛的应用。现在，人们将MNC也通称为CNC。由于CNC的大部分功能由软件技术实现，因而使得硬件进一步简化，系统可靠性提高，功能更加灵活和完善。计算机数控(CNC)也称为软接线数控。,4.1.2CNC系统的基本组成,计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。目前习惯上所称的计算机数控(CNC)系统多指微型机数控(MNC)。CNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置)等组成，如图所示。,4.1.3CNC装置的组成,（1）CNC装置的硬件组成CNC装置是数控系统的核心，是一台专用计算机，具有CPU、存储器、总线、外设等。其外设通常是指输出接口及后续装置，最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。,面板控制单元,主轴电机,进给伺服电机,电子手轮,I/O模块,机床控制面板,CNC键盘,驱动系统,（2）CNC装置的软件组成,包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由零件程序的输入、输出程序、显示程序和诊断程序等组成。控制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成,4.1.4、CNC装置的主要功能和特点,4.1.4.1CNC装置的主要功能（1）控制功能（2）准备功能（3）插补功能（4）进给功能（5）主轴速度功能（6）辅助功能（7）刀具功能（8）固定循环功能（9）补偿功能（10）字符图形显示功能（11）程序编制功能（12）输入、出和通信功能（13）自诊断功能4.1.4.2CNC装置的主要特点（1）灵活性大、通用性强（2）可以实现丰富、复杂的功能（3）易于实现机电一体化（4）可靠性高、使用维修方便,4.2CNC装置的硬件结构,现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、标准型和高档型三类数控装置；按微处理器的数目可分为：单微处理器和多微处理器结构按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构,4.2.1大板式结构和模块化结构,大板式结构的CNC装置，将主电路板做成大印刷电路板，称为主板，包括主CPU和位置控制等，其它电路板为小板，可插在大板的插槽内。大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。,模块化结构的CNC装置，是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块的硬件按模块化方法设计成尺寸相同的印刷电路板（称为功能模板），各板均可插到符合相应工业标准总线的母板的插槽内。功能模块的控制软件也是模块化的。于是可按积木形式构成CNC装置，使设计简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。,4.2.2单、多微处理器的硬件结构,1）单微处理器结构整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发请求信息以获得所需数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构,2）多微处理器CNC装置的硬件结构,（1）在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。（2）特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作（3）结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型,（二）多微处理器CNC装置的典型结构,多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，固化在硬件中。软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为功能模块。功能模块之间有明确的固定接口，按工厂或工业标准制造，于是可以组成积木式的CNC装置。如果某一个模块出了故障，其他模块仍能照常工作，可靠性高。CNC装置可根据需要，增加相应的功能模块。一般有以下几种功能模块组成。（1）CNC管理模块（2）CNC插补模块（3）位置控制模块（4）PLC模块（5）数据输入、输出和显示模块（6）存储器模块,多微处理器的CNC置一般采用总线互联方式，典型的结构有共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构等。（1）共享总线型结构,（2）共享存储器结构,（3）共享总线和共享存储器型结构,（三）多微处理器CNC装置结构的特点,（1）计算速度高（2）适应性和扩展性好（3）可靠性高（4）硬件易于组织规模生产,4.2.3专用型结构和个人计算机式结构,1）专用型结构硬件由各制造厂专门设计和制造，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A-B系统等都属于专用型。2）个人计算机式结构以工业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构成相应CNC装置。由于工业标准计算机的生产数以百万计，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本。若工业PC机出故障，修理及更换均很容易。美国ANILAM公司和AI公司生产的CNC装置属该类型。,4.2.4封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构,1)封闭式结构如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、SINUMERIK810系统等都是专用的封闭体系结构的数控系统。2)PC嵌入NC式结构系统如FANUCl8i、16i系统，SINUMERIK840D系统，Numl060系统，AB9/360等数控系统，是由于数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。3)NC嵌人PC式结构它由开放体系结构运动控制卡加PC机构成。4)软件型开放式结构这是一种最新开放体系结构的数控系统。,4.3CNC装置的软件结构,CNC装置的软件又称为系统软件(系统程序)，是数控加工的一种专用软件，是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。现代数控机床的功能大都采用软件来实现，因此，系统软件的设计及功能是CNC装置的关键。,CNC装置的软件结构取决于软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。硬件为软件运行提供了支持环境。软件和硬件在逻辑上是等价的，由硬件能完成的工作原则上也可以由软件完成。硬件处理速度快，但造价高，软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢。所以，在CNC装置中，软硬件的分工是由性能/价格比决定的。在现代CNC装置中，软件和硬件的界面关系是不固定的。早期的NC装置中，数控系统的全部功能都由硬件来实现，随着计算机技术的发展，计算机参与了数控系统的工作，构成了计算机数控(CNC)系统，由软件完成数控工作。,4.3.1CNC装置软件硬件的界面,随着产品的不同、功能要求的不同,软件和硬件界面是不一样的，三种典型CNC装置的软硬件界面关系如图所示。,CNC软件的内容及其结构类型,CNC系统是一个专用的实时多任务系统，CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中。因此，它的系统软件包括管理和控制两大部分。管理部分包括输入、IO处理、通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序；控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。数控的基本功能由这些功能子程序实现。这是任何一个计算机数控系统所必须具备的。,不同的系统软件结构中对这些子程序的安排方式不同，管理方式亦不同。在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。在多微处理器数控系统中,将微处理器作为一个功能单元利用上面的思想构成相应的软件结构类型，各个CPU分别承担一定的任务，它们之间的通信依靠共享总线和共享存储器进行协调。在子系统较多时，也可采用相互通信的方法。无论何种类型的结构，CNC装置的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。,4.3.2CNC系统软件的结构与特点,1)多任务并行处理数控加工时，CNC装置要完成许多任务，在多数情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。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性质相同或不相同的工作。并行处理的优点能提高运行速度。,表现在软件上主要采用“资源分时共享”和“资源重叠流水处理”,2）实时中断处理,CNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC系统程序以零件加工为对象，每个程序有许多子程序，它们按预定的顺序反复执行，各步骤间关系十分密切，有许多子程序实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可少的重要组成部分。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软件结构。（1）CNC系统的中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断和程序性中断等几种类型。（2）CNC系统的中断结构模式有前后台软件结构中的中断模式和中断型软件结构中的中断模式等。,4.3.2CNC装置的数据转换,CNC装置的数据转换包括指令输入、译码、刀具补偿、速度处理、插补以及位置控制等几个过程，如图所示。,4.3.3故障诊断,完善的诊断程序是现代CNC装置的特点之一。CNC装置的故障诊断利用装置中的计算机进行，通过软件来实现。诊断程序可包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断。也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障部位。还可以通信诊断，由通信诊断中心运行诊断程序，指示操作者进行某些试运行来进行诊断。4.3.3.1运行中诊断运行中的诊断程序比较分散，常包含在主控程序、中断处理程序等各部分中。接口、伺服系统和机床方面的诊断程序都包含在CNC装置软件结构的相应部分。,4.3.3.2停机诊断停机诊断是当系统发生故障或和系统开始运行前，利用诊断程序进行的诊断。该诊断程序可以与系统程序分开，需要时再输入CNC装置。诊断时，将自诊断程序装人运行，若CNC系统无故障，检查程序连续运行，不停机；若发现故障，则停机，从停机地址即可找到故障部位。自诊断程序包括：内存检查程序、逻辑检查程序、算术检查程序、接口与外设检查程序、位置控制测试程序，以及掉电处理检查程序等等。,4.3.3.3通讯诊断,用户CNC系统经电话线路与诊断中心通信，由诊断中心发出诊断程序，CNC进行某种运行，同时收集数据，分析系统的状态。系统状态与存储的应有工作状态或某些极限值进行比较，来确定系统工作状态是否正常。对于长时间才能发现和排除的间歇性故障，诊断中心计算机可发送诊断程序给用户CNC。此程序与CNC的系统程序并行工作，实时地寻找与监视故障。一旦发现故障，就使系统停止工作。通过通信诊断不但能找出故障，而且还能对故障趋势进行分析预测。随着CNC装置结构的发展，自诊断功能也不断发展。,4.4CNC装置的接口与通讯,4.4.1概述接口是保证信息快速、正确传送的关键部分，现代CNC装置都具有完备的数据传送和通信接口。数控机床的CNC装置需要与下列设备进行数据传送和信息通信。1)数据输入输出设备2)外部机床控制面版3)进给驱动线路和主轴驱动线路4)通用的手摇脉冲发生器,4.4.2输入/输出(I/O)接口,数控机床“接口”指的是数控系统与机床电气控制设备(由继电器、接触器组成的强电)之间的电气连接部分。1）数控机床上的接口规范根据国际标准“IS043361981(E)机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四类。2）数控机床上的输入、输出信号由机床(MT)向CNC装置传送的信号称为输入信号；由CNC装置向MT传送的信号称为输出信号。输入/输出信号有：直流数字输入/输出信号、直流模拟输入/输出信号、交流输入/输出信号。,4.4.3串行通信及接口,数据在设备间的传送可用串行方式或并行方式。相距较远的设备数据传送采用串行方式。串行接口需要有一定的逻辑，将机内的并行数据转换成串行信号后再传送出去，接收时也要将收到的串行信号经过缓冲器转换成并行数据，再送至机内处理。为证数据传送的正确和一致，接收和发送双方对数据的传送应确定一致的且互相遵守的约定，称为通信协议或通信规则。串行传送分为两种：一是异步协议传送，传送比较简单，但速度不快；二是同步协议传送，传送效率高，但接口结构复杂，传送大量数据时使用。,4.4.4网络通信接口,计算机网络是由通信线路，根据一定的通信