第3章控系统硬件与软件1PPT课件

.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,1,第三章数控系统的硬件与软件,3.1CNC装置的硬件结构3.2CNC装置的软件结构3.3插补原理与算法3.4刀具补偿原理3.5速度与加减速控制3.6数控机床参数,数控技术,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,2,第三章数控系统的硬件与软件,3.1CNC装置的硬件结构3.2CNC装置的软件结构3.3插补原理与算法3.4刀具补偿原理3.5速度与加减速控制3.6数控机床参数,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,3,CNC装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。根据机床控制、安装要求和经济性要求不同、随着电子技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形式的CNC装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不尽相同。按照数控系统各部分的功能不同，CNC装置一般可分为人机接口部分、运动控制部分、I/O控制（PLC）、加工程序的存储、输入输出接口、数据通信接口等部分组成。,3.1CNC装置的硬件结构,3.1.1CNC装置的硬件组成及连接,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,4,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,5,CNC装置的硬件组成及连接,3.1CNC装置的硬件结构,I/O,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,6,编程键盘：用于程序编辑、参数设置、界面操作等。不产生机床运动，可用缓冲键盘。,操作面板：用于操作机床所有运动。所有按钮接入PLC，部分按钮还有响应指示灯，通过机床厂家的梯形图实现机床的操作。,3.1CNC装置的硬件结构,CNC装置的人机接口（HMI）,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,7,CNC装置的硬件组成及连接,3.1CNC装置的硬件结构,I/O,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,8,早期的数控系统，只有简单的I/O控制，主要实现主轴、冷却等启停，机床操作、运动限位等功能。随着微机和PLC技术的发展，PLC成为了数控系统必不可少的一个重要组成部分。数控系统的PLC有两种形式，一种是嵌入式PLC，一种是独立式PLC。有关PLC原理及应用，在第四章详细介绍。,3.1CNC装置的硬件结构,I/O控制（PLC）,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,9,CNC装置的硬件组成及连接,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,10,主轴电机的控制通常采样模拟量作为速度的控制信号，部分主轴电机有位置反馈，用以实现主轴的准停或螺纹加工功能等。,3.1CNC装置的硬件结构,运动控制,一.主轴电机的控制,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,11,二、进给运动控制,3.1CNC装置的硬件结构,1.步进电机的控制,特点：1）结构简单，成本低。2）扭矩较小3）分辨率低，精度不高。4）开环控制，容易产生“丢步”。,进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、数字量总线通信控制方式。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,12,3.1CNC装置的硬件结构,2.直流伺服电机的控制,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,13,1）功率（扭矩）大、位置分辨率高。2）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。3）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。4）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。,3.1CNC装置的硬件结构,直流伺服数控系统的特点：,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,14,3.1CNC装置的硬件结构,3.交流伺服电机的控制,采用数模转换；一个模拟接口只能连接一个驱动器；模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递；模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,15,运动控制,3.2.1数控系统软件功能模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,16,3.1CNC装置的硬件结构,4.交流伺服电机的脉冲控制,特点：1）接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。2）解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。3）由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。,滞留脉冲=接收的指令脉冲数电机旋转脉冲数n=（滞留脉冲/电机每转脉冲数）*位置环增益(r/s),.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,17,3.1CNC装置的硬件结构,5.总线式控制,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,18,总线式数控系统的运动控制,3.2.1数控系统软件功能模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,19,3.1CNC装置的硬件结构,4.总线式控制,特点：1）总线式数控系统采用分布式计算和控制，使连接简单及扩展灵活、方便。2）通过高可靠性和高实时性网络进行通信与协调，可以最大限度地发挥各子系统的功能，并尽可能地减轻PC主机的负担，易于提高数控系统的性能。3）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的特点。4）现场总线式的数控系统代表着数控系统硬件未来的发展方向。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,20,3.1CNC装置的硬件结构,3.1.2CNC系统硬件结构分类,按总体安装结构分,一体式,一体式，分离式,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,21,3.1CNC装置的硬件结构,一体式数控系统,FANUCOTD数控系统,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,22,3.1CNC装置的硬件结构,分离式,机床控制面板,NC+PLC,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,23,3.1CNC装置的硬件结构,按印制电路板结构分类,大板式，模块化,大板式结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,24,3.1CNC装置的硬件结构,模块化结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,25,3.1CNC装置的硬件结构,西门子840D数控系统,模块化结构数控系统,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,26,单微处理器结构的CNC装置，由一个微处理器CPU通过数据地址总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。,3.1CNC装置的硬件结构,单微处理器结构的CNC装置多微处理器结构的CNC装置,按装置中微处理器的数量分,一、单微处理器结构的CNC装置,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,27,单微处理器结构的CNC装置,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,28,单CPU运动控制器的硬件实例,滚齿机数控系统的总体方案,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,29,随着微型计算机技术的发展，微处理器的性能越来越强，价格越来越低，数控系统各部分功能模块都开始采用自己的CUP，通过数据通信和数据共享技术，实现各功能模块的协调工作。大大提高了数控系统的性能和可靠性。多CPU结构的CNC装置，多采样模块化结构，具有良好的灵活性和扩展性，且结构紧凑、安装方便。总线式数控系统是多CPU数控系统的典型代表。总线式数控系统通过复杂的现场总线协议，实现各模块的数据通信和数据共享以及同步控制。,二、多微处理器结构的CNC装置,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,30,多微处理器数控系统的功能模块1）CNC管理模块2）CNC插补模块3）PLC功能模块4）位置控制模块5）主轴控制模块6）操作面板控制及显示模块7）主存储器模块,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,31,2.多微处理器数控系统的结构形式1）共享总线结构2）共享存储器结构,3.1CNC装置的硬件结构,共享总线结构CNC装置,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,32,多微处理器共享存贮器CNC装置,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,33,共享存储器多微处理器结构的CNC装置a,3.1CNC装置的硬件结构,主CPU（ARM9）,键盘/显示接口,数控面板,LCD,双端口RAM,数据地址总线,编程键盘,运动控制模块,伺服系统,PLC,CPU,I/O,双端口RAM,CPU,伺服系统,串口,CPU串口,电气柜,操作台,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,34,共享存储器多微处理器结构的CNC装置b,3.1CNC装置的硬件结构,主CPU,HMI,操作面板,双端口RAM,数据地址总线,运动控制模块,伺服系统,PLC,CPU,I/O,双端口RAM,CPU,伺服系统,串口,电气柜,串口,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,35,1）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。,3.多微处理器数控系统的特点,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,36,3.1CNC装置的硬件结构,现场总线式数控系统,4.多微处理器数控系统的发展,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,37,现场总线式的数控系统的特点：1）独立式HMI(HumanMachineInterface)常用的独立式HMI采用通用（工业）PC，利用通用操作系统（如Windows、WinCE、Linux等）平台，构建数控系统的HMI，通过串行通信、现场总线与NC系统相连。利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放性。便于和其它软件连接（如CAM、网络等）。与NC的连线简单，安装方便。,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,38,2）操作面板具有CPU机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于很多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到NC（或PLC）的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机控制，通过串行通信和NC相连。大大节约了连线成本，提高了运行的可靠性。,3.1CNC装置的硬件结构,3）PLC采用独立CPU嵌入式PLC采用系统CPU，通过分时软件，实现I/O控制功能。结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。因此，对于高性能加工中心，PLC控制点数多，程序量大，PLC采用独立的CPU，设计成独立的PLC(模块)，通过串行通信或双端口RAM和系统CPU实现数据通信和数据共享，进而实现NC和PLC的协调工作。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,39,4）采用全数字化控制各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其CPU广泛采用高速DSP，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法的实现；原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数(包括电流环、速度环、位置环参数)由数控系统HMI设置管理，便于各轴伺服匹配。5）实时网络接口各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。,3.1CNC装置的硬件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,40,3.1CNC装置的硬件结构,按硬件的设计与制造方式,传统专用型数控系统开放式数控系统,一、传统专用型数控系统硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性；经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着大量市场；为了保护各自的权益，CNC具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等；CNC系统的软、硬件对用户都是封闭的。上述缺陷造成了CNC系统使用和维护的不便，也限制了数控系统的集成和进一步发展。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,41,二、开放式CNC装置,3.1CNC装置的硬件结构,1.开放式CNC装置的特点,开放式数控系统采用通用计算机及其配套模块组成，使CNC系统标准化、模块化；便于系统的智能化（操作、编程等）、数据共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）和系统扩展(功能扩展、平台扩展、重构)，以及系统的系列化、可兼容和升级换代。可大幅度降低系统的研制和制造费用，提高用户设备和资源的利用率以及数控产品的市场竞争力，满足现代制造业发展的需要。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,42,3.1CNC装置的硬件结构,PC嵌入NC型即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。如FANUC公司的16i/18i/21i系统、Siemens840D系统、Num1060系统等NC嵌入PC型即运动控制器+PC型即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。如华中数控、基于固高/DELTATAU运动控制卡的数控系统、日本MAZAK公司的MAZATROL640CNC。全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。美国MDSI公司开发的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT。,2.开放式CNC装置的结构形式,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,43,第三章数控系统的硬件与软件,3.1CNC装置的硬件结构3.2CNC装置的软件结构3.3插补原理与算法3.4刀具补偿原理3.5速度与加减速控制3.6数控机床参数,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,44,3.1CNC装置的软件结构,基本功能控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能等,工作过程,3.2.1数控系统软件功能模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,45,3.2CNC装置的软件结构,软件功能模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,46,3.2CNC装置的软件结构,1.控制软件模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,47,3.2CNC装置的软件结构,运动控制,位置控制,位置反馈,加减速控制,监控诊断,伺服优化,伺服特性测试,I/O监控测试,系统自检诊断,机床状态诊断,PLC处理,I/O状态刷新,NC通信模块,梯形图执行,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,48,中断程序有固定的程序入口地址（中断向量），通过特定的硬件触发，自动跳转到相应的中断入口，每个中断程序相当与一个独立运行的程序线程。主控程序可通过中断允许标志来控制中断的响应与否。,3.2CNC装置的软件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,49,3.2CNC装置的软件结构,2.管理软件模块,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,50,3.2CNC装置的软件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,51,3.2CNC装置的软件结构,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,52,资源分时共享CPU时间分配图,资源分时共享：假定CNC软件功能仅分为三个任务：插补控制、加减速运算和位置显示。任务的优先级为：插补控制的最高，加减速运算的其次，位置显示的最低。系统规定：插补控制每4ms执行一次，加减速运算每8ms执行次，两个任务都由定时中断激活，当插补控制和加减速运算都不执行时便执行位置显示。,3.2CNC装置的软件结构,多任务的并行处理,1）在任一个时刻只有个任务占用CPU；2）从一个时间片(如8ms或16ms)来看，CPU并行执行了三个任务。,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,53,并发处理和流水处理：,3.2CNC装置的软件结构,当各任务间关联程度不高时,将这些任务分别安排一个CPU，让其同时执行。,当各任务间关联程度较高时，即一个任务的输出是另一任务的输入时，采用资源重叠的流水线的工作方式处理。,1译码处理、2刀补处理、3速度处理,.InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,54,3.2CNC装置的软件结构,3.2.2CNC装置的软件结构,根据CNC装置的硬件结构形式的不同，CNC装置的软件结构也有多种形式。对与多CPU结构的CNC装置，不同模块其软件结构有很大差别。对于独立HMI部分，由于其承担了大量、繁琐的信息显示、参数管理、文件管理、文本输入等实时性要求不高的工作，通常采用多任务操作系统平台（可以是非实时操作系统），用高级语言编程，应用面向对象的模块化程序结构。具有一定的开放性。如：NUM1050的HMI，采用WindowsXP操作系统，可同时运行HMI程序和其它应用程序（如CAM软件，机床厂家开发的在线测量、网络传