数控装置的综述

第4章数控装置4.1数控装置的组成及作用,4.1.1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。,4.1.2主要功能,数控装置在数控机床中的位置,4.1.3数控装置软件和硬件的功能界面,硬件,软件,图4-1几种典型的软硬件界面的划分,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。,4.2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,4.2.1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4-2用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图,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4-3单微处理机数控装置的结构图,4.2.2单微处理机CPU数控装置,图4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）,单微处理机数控装置典型产品：,右：FANUC150i-M系列下：华中世纪星,4.2.3多CPU数控装置,图4-5共享总线式多CPU数控装置结构图,4.2.4基于PC的数控装置,图4-6递阶式PC数控系统结构图,图4-7PCI/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：燕山大学数控凸轮磨床,4.3数控软件,4.3.1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,图4-8数控装置软件的数据转换流程,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4-9不按字符格式的译码数据存放格式,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StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/0：空，1：有数据intblock_num；/程序段号doubleCOORD20；/尺寸字的数值，单位为mintF，S；/进给速度和主轴速度charG_flag；/以标志形式存放的G指令charG1；/G指令表.charM_flag；/以标志形式存放的M指令charM1；/M指令表.charT；/刀具代号charD；/刀具半径值；,2.刀补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,图4-10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。,4.3.2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4-11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。,（2）多任务并行处理的实现1）资源分时共享,图4-12分时共享多任务处理方案,位置控制插补运算背景程序,图4-13各任务占用CPU时间示意图,0ms4ms8ms12ms16ms,2）时间重叠流水处理,图4-14时间重叠流水处理示意图,4.3.3数控软件的基本结构1.前后台型结构模式,图4-15前后台程序的运行关系,2.中断型结构模式中断型结构的数控软件系统见图4-16。,图4-16中断型结构的数控软件系统,3.基于实时操作系统的结构模式。,4.4.1接口的分类与任务1.接口的分类*接口标准化;数控系统开放化的要求2.接口的任务(1)进行电平和功率放大。(2)将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。(3)数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。(4)消除畸变。,4.4.数控装置的输入/输出接口,4.4.2数控装置常用接口,1.直流模拟信号接口,2.直流数字信号接口,+5V+5V2.2k2.2k1000.1u47u100,a)斯密特触发电路b)RS触发器整形电路图4-20消除触点抖动的电路,以电压输入的接收电路见图4-21。,图4-21电压输入的接收电路,a)继电器输出b)无触点输出图4-22输出接口电路,+24V,CNC,输出,3、数控装置的通信接口,图4-23,数控机床上需要控制的数字信号,4.5PLC控制,4.5.1.PLC的基本概念,图4-24实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路,现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外PLC能够控制的开关量数量要比RLC多，能实现复杂的控制逻辑。由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。,2数控装置中的PLC数控装置中的PLC有两种类型：内装型PLC和独立型PLC。内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。,图4-25内装型PLC结构图,独立型PLC又称通用型PLC，的CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型PLC与数控装置的关系如图4-26,图4-26独立型PLC结构图,上：内置型PLC右：独立型PLC,由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。1接点梯形图梯形图编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图4-27所示。,4.5.2PLC编程方法,2语句表语句表也称指令表（ILInstructionList），或指令表语言。指令表语言和汇编语言很相似，每条语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。操作码表示功能类型，操作数表示操作的对象，操作数由地址码和参数组成。若采用指令语句，图4-27所示的梯形图程序可表达为：,RDAORR1AND，NOTEAND，NOTR2WRTR1RDBORR2120.2AND，NOTEAND，NOTR1WRTR2120.2,其中的RD、OR、AND、NOT等称为指令语句的操作码，而1.0、120.1、1.2等为操作数。这种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用梯形图表达，然后写成相应的指令语句再用编程器上的指令和功能键输入到PLC中。表4-1是常用的操作码及其涵义。,11,AND.STK,将,ST0,和,ST1,的内容相与,结果存于,ST0,12,OR.STK,将,ST0,和,ST1,的内容相或,结果存于,ST0,4.5.3PLC的工作过程1PLC的硬件结构,图4-28PLC硬件原理图,2PLC的工作过程PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程。,0000H,图4-29PLC的扫描过程,（1）当按钮开关PB1压下，输入继电器X401的线圈接通；（2）X401常开触点闭合，由此输出继电器Y430通电；（3）外部输出点Y430闭合，指示灯PL亮；（4）当PB1被放开时，输入继电器X401的线圈不再工作，其对应的触点X401断开，这时输出继电器Y430仍保持接通，这是因为Y430的触点接通后，其中的一个触点起到了自锁作用；（5）当行程开关LS1被压下时，继电器X403的线圈接通，X403的常闭触点断开，使得继电器Y430的线圈断电，指示灯灭，输出继电器Y430的自锁功能复位。（6）PB1被按下的同时，X401的另一个常开触点接通另一个梯级，这时若触点M100也处于闭合状态，定时器通电，到达定时器设定的时间后，定时器断开。,图4-30用一个控制实例进一步说明行程开关PB1被压下时PLC的控制过程。,Com400401402403404405407,输入继电器,X401,X40