计算机数字控制装置.ppt

本章内容,CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构可编程控制器（PLC）典型的CNC系统简介,4.1概述,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。,从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,4.1概述,CNC系统平台,硬件,操作系统,管理软件,控制软件,数控加工程序,接,口,被控设备机床机器人测量机.,主轴电机,进给伺服电机,电子手轮,I/O模块等,机床控制面板,CNC键盘,驱动系统,PC+CNC+PLC,4.1概述,输入译码数据处理插补将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。,CNC系统工作过程,输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的DNC接口输入,1）输入,2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,4.2CNC装置的硬件结构,按其中含有CPU的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。,CNC装置的硬件结构,4.2CNC装置的硬件结构,单微处理器硬件结构图,与计算机体系结构密切相关,4.2CNC装置的硬件结构,单微处理器数控装置: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。一个微处理器完成所有的功能采用总线结构结构简单，易于实现功能受限制单微处理器结构组成：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；,4.2CNC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、加工的零件程序、机床参数、刀具参数,存储器,4.2CNC装置的硬件结构,对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）,位置控制单元,第四章计算机数字控制装置,在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。,4.2CNC系统的硬件结构,多微处理器结构,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，通过系统重组仍可继续工作。,80 x86CPU51系列单片机FPGA（现场可编程门阵列）DSP（数字信号处理器）ARM架构处理器,4.2CNC系统的硬件结构,多处理器结构,处理器类型,多处理器组成,同构多处理器,异构多处理器,结构形式：可分：分布式、主从式、总线式。分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。主从式：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。总线式（多主式）：主总线连接多个CPU，可直接访问所有系统资源，解决总线争用问题。,4.2CNC系统的硬件结构,多微处理机结构,典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构,FANUCBUS,操作面板图形显示模块(CPU),通信模块(CPU),自动编程模块(CPU),主存储器模块,插补模块(CPU),PLC模块(CPU),位置控制模块(CPU),主轴控制模块(CPU),CRT/MDI,I/O单元,伺服驱动单元,主轴单元,FANUC15系统硬件结构,4.2CNC系统的硬件结构,共享总线结构,功能模块分为带有CPU的主模块和从模块（RAM/ROM，I/O模块）；以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上；采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,4.2CNC系统的硬件结构,结构特征：,共享存储器结构,4.2CNC系统的硬件结构,多CPU共享存储器框图,公共存储器,I/O(CPU),CRT(CPU),轴控制（CPU）,插补(CPU),从机床来的控制信号,至机床的控制信号,结构特征：面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。,4.2CNC系统的硬件结构,所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。,4.2CNC系统的硬件结构,大板式结构,将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC装置。,4.2CNC系统的硬件结构,功能模块式结构,开放式数控系统结构,4.2CNC系统的硬件结构,可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持原有特性。可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。,开放的含义,开放式数控系统概念结构,4.2CNC系统的硬件结构,开放式数控系统结构形式,4.2CNC系统的硬件结构,软数控：SoftCNC以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要解决实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。,PC内嵌入运动控制卡:把多轴运动控制卡插入传统的PC中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。PC嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PC板，提供键盘，使PC与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。,4.2CNC系统的硬件结构,显示器,CPU,存储器,网卡,传感/执行器,应用层,功能层,设备层,I/O模块,多轴运动控制器,驱动器,驱动器,驱动器,X轴电机,Y轴电机,Z轴电机,机床本体,ISA/PC104/PCI总线,4.2CNC系统的硬件结构,ARM+DSP嵌入式数控系统结构,M、S、T等指令,主轴电机,外围网络接口USB接口键盘接口显示接口存储接口.,插补单元补偿单元位控单元,G代码,伺服单元,进给电机,ARM,PLC软核,操作系统DSP接口FPGA,代码解释模块,4.2CNC系统的硬件结构,ARM微处理器：接受指令、编译；并行多任务调度和资源管理等。配备多种接口。,DSP数字信号处理器：采用哈佛结构，处理速度快；运算能力强；方便用户设计和调试等。在高性能数控系统中有重要的应用价值。,4.3CNC系统的软件结构,组成：由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。,输入程序把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。译码程序将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。,4.3CNC系统的软件结构,硬件是基础，软件是灵魂,数据处理程序刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理,4.3CNC系统的软件结构,程序缓冲存储区,译码缓冲存储区,插补缓冲存储区,插补工作存储区,插补输出存储区,程,序,译码,插补准备,交换,插补,刀具半径补偿刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,4.3CNC系统的软件结构,插补计算程序在给定轮廓线上的起点和终点之间，插入多个中间点位置坐标的运算过程。中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。,4.3CNC系统的软件结构,位置控制软件,4.3CNC系统的软件结构,每个位置反馈采样周期，将插补给定值与反馈值进行比较，用差值去控制电机。,输出程序进行伺服控制反向间隙补偿丝杠螺距误差补偿M、S、T辅助功能输出管理程序诊断程序,4.3CNC系统的软件结构,4.3.2CNC系统软件的特点和结构,特点:多任务性与并行处理技术多任务性：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。并行处理的实现方式：资源分时共享（单CPU）资源重叠流水处理（多CPU）,4.3CNC系统的软件结构,4.3CNC系统的软件结构,资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。即：在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。,4.3CNC系统的软件结构,位控,插补,键盘,中断级别高,中断级别低,资源（CPU）分时共享图,4.3CNC系统的软件结构,并发处理和流水处理（对多资源的系统）,在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,4.3CNC系统的软件结构,流水处理技术示意图,并行处理,2t,t,空间,时间,顺序处理,输出,输出,CPU1,时间,t+t,t,空间,3,3,3,2,2,2,输出,输出,输出,CPU1,CPU2,CPU3,分类前后台型结构前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序):完成显示、程序编辑管理、系统输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,4.3CNC系统的软件结构,中断型结构此结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。,4.3CNC系统的软件结构,功能模块型软件结构,多微处理器CNC装置一般采用模块化结构,每个微处理器承担不同任务,形成特定功能模块,软件模块化，各功能模块之间有明确的接口。,4.3CNC系统的软件结构,多通道控制功能,自动上下料的轴控制,在PLC里增加了位置控制功能，补充系统轴控制数的不足,轴同步控制功能,轴控制功能,可以同时实现铣、磨、钻等16个以上工序的加工及动作，而目前国内数控系统，即使是最先进的6轴联动，也只能同时完成一个工序的加工。这相当于在一台多通道模块化数控系统机床上可完成过去最多达16台机床的加工。,数控系统功能发展趋势,4.3CNC系统的软件结构,高精、高速加工的控制功能,精细加减速功能，以减少加工冲击力,锐角加工时最佳的自动减速功能,追求小的程序段插补时间,.,前馈控制补偿由于反馈滞后所产生的误差，提高加工精度。前瞻控制在程序执行前，对运动数据进行计算处理和多段缓冲，从而控制刀具以很小的误差进行高速运动。,4.3CNC系统的软件结构,多种插补功能,机械误差补偿功能,4.3CNC系统的软件结构,人机界面的友好,4.3CNC系统的软件结构,CNC装置的接口电路,键盘输入接口、显示器接口、机床接口、通信/网络接口,1、选择原则1）名牌厂家FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控2）系统的系列FANUC:FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/180/210/160i/180i/210i/F30i；SIEM