数控机床技术-第4章-计算机数字控制系统

4.1概述4.2CNC装置的硬件结构4.3CNC装置的软件结构4.4数控系统常用接口4.5可编程控制器在数控机床中的应用,第四章计算机数字控制系统,1,本章教学重点、难点,本章重点：计算机数控系统的组成和工作原理。本章难点：多微处理器数控装置的软硬件结构。,4.1概述,数控系统（NC）:是一种控制系统，它自动阅读输入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。,计算机数控系统（CNC）:是一种以计算机为硬件，在计算机中存储控制程序（根据不同机床的工作需要编制的），通过计算机运行控制程序，来执行对机床运动的数字控制功能。,3,4.1.1CNC系统的组成,数控系统一般由输入输出（）装置，数字控制装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控制装置四部分组成，机床本体为被控对象。,4,计算机数控系统的核心是数字控制装置，由硬件和软件共同完成数控任务。,4.1.1CNC系统的组成,5,计算机数控系统的核心是数字控制装置，由硬件和软件共同完成数控任务。,4.1.1CNC系统的组成,6,西门子数控系统,4.1.1CNC系统的组成,7,计算机数控系统的核心是数字控制装置，由硬件和软件共同完成数控任务。,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,8,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,9,CNC装置的简要工作过程,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,输入零件程序、控制参数和补偿量等数据。输入的形式有键盘输入、磁盘输入、DNC接口输入、网络输入。有MDI（ManualDirectInput，手工直接输入）和存储工作方式输入工作方式。,10,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,以一个程序段为单位，把零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释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单元。,11,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。,12,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。,13,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。,14,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机。通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。,15,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷却等）。,16,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,零件程序参数刀具位置机床状态加工轨迹,17,4.1.2CNC装置的组成和工作原理,输入,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,显示,I/O处理,诊断,包括联机诊断和脱机诊断。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。脱机诊断是指系统运转条件下的诊断，一般CNC装置配备有各种脱机诊断程序以检查存储器、外围设备（CRT）、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远程通信方式进行，即所谓的远程诊断，,18,CNC装置的硬件构成,4.2CNC装置的硬件结构,19,4.2CNC装置的硬件结构,CNC装置的体系结构,20,多微处理器CNC装置中有两个或两个以上的CPU，按这些CPU之间相互关系的不同，有如下结构：主从结构主CPU对整个装置的资源（装置内的存储器、总线）有控制权和使用权，其它带有CPU的功能部件则无权控制和使用装置资源，它只能接受主CPU的控制命令或数据或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。只有一个CPU处于主导地位，其它CPU处于从属地位。,21,4.2CNC装置的硬件结构,多主结构在该装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间采用紧耦合（即均挂靠在装置总线上，集中在一个机箱内），有集中的操纵系统，通过总线仲裁器（软件和硬件）来解决争用总线的问题通过公共存储器来交换装置内的信息。,22,4.2CNC装置的硬件结构,分布式结构该装置有两个或两个以上带有CPU的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境（总线、存储器、操作系统等），功能模块间采用松耦合，即在空间上可以较为分散，各模块之间采用通信方式交换信息。,23,4.2CNC装置的硬件结构,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,早期的CNC装置多为单微处理器结构，由一个CPU集中控制和管理整个系统资源、处理装置内的所有信息，通过集中控制、分时处理的方式来实现各种数控功能。优点：投资小，结构简单，易于实现。缺点：系统功能则受CPU的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。已被多微处理器系统的主从结构所取代。,24,单微处理器结构组成,25,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,单微处理器的结构特点是在CNC装置中只有一只微处理器（CPU），其工作方式是集中控制、分时处理数控系统的各项任务。可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输入/输出接口及外围设备。,26,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,计算机部分微处理器CPU是CNC装置的核心，CPU执行系统程序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（PLC）送到机床，同时接收由PLC返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。,27,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,位置控制部分位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单元。位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内的位移量，控制伺服电动机工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元，速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值去控制伺服电动机以恒定速度运转。,28,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,数据输入/输出接口与外围设备数据输入/输出接口与外围设备是CNC装置与操作者之间交换信息的桥梁。例如，通过MDI方式或串行通信，可将工件加工程序送入CNC装置；通过CRT显示器，可以显示工件的加工程序和其它信息。,29,4.2.1单微处理器数控装置的硬件结构,多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以上的微处理器。多微处理器结构的CNC装置多为模块化结构，通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实现模块间的互联与通信。,4.2.2多微处理器数控装置的硬件结构,30,多微处理器CNC的组成框图,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,31,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,一、共享总线结构,需要总线仲裁,32,分布式多微处理器结构,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,一、共享总线结构1、分布式总线结构,33,主从式总线多微处理器结构,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,一、共享总线结构2、主从式总线结构,34,总线式多主微处理器结构,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,一、共享总线结构3、总线式多主结构,35,二、共享存储器结构,采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存储器读/写，所以功能复杂。当要求微处理器数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,36,多微处理器共享存储器结构,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,二、共享存储器结构,37,共享存储器多CPU典型系统框图,4.2.4多微处理器数控装置的硬件结构,二、共享存储器结构,38,什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为开放式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统。开放式数控结构目前主要有：PC嵌入NC式结构NC嵌入PC式结构软件型开放式结构,4.2.5开放式数控装置的体系结构,39,在CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板，原来的CNC进行实时控制，而由PC进行非实时性控制。,1.“PC嵌入NC”式结构系统,4.2.5开放式数控装置的体系结构,尽管“PC嵌入NC”式结构系统也具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不够开放的。,40,2.“NC嵌入PC”式结构,4.2.5开放式数控装置的体系结构,41,是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。,3.软件型开放式结构,4.2.5开放式数控装置的体系结构,42,4.3CNC装置的软件结构,CNC系统软件的组成,43,4.3CNC装置的软件结构,44,CNC是实时控制系统，实时性要求最高的任务就是插补和位控，即在必须完成控制策略计算的同时去做其它的工作。CNC系统的插补既可由硬件来实现也可由软件来实现，到底采用软件实现还是硬件实现由多种因素决定，如运算速度、控制精度，插补算法的运算时间以及性价比等。因此现代CNC系统中，软件和硬件界面关系是不固定的。,4.3CNC装置的软件结构,45,三种典型的软硬件界面,4.3.1CNC软件结构的特点,特点1：多任务性,46,4.3.1CNC软件结构的特点,特点2：并行处理同一时间间隔或同一时刻完成两个或两个以上的任务处理,47,4.3.1CNC软件结构的特点,资源分时共享（单CPU）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，根据任务的实时性要求，规定各任务占用CPU的时间，使其分时共享系统的资源关键技术：各任务的优先级确定各任务占用CPU时间的长度（时间片的分配）,48,并行处理的实现,4.3.1CNC软件结构的特点,资源分时共享（单CPU）,49,4.3.1CNC软件结构的特点,时间重叠流水处理（多CPU）,50,4.3.1CNC软件结构的特点,特点3：实时中断处理CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系统必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系统软件的结构。其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。,51,外部中断主要外部监控中断和键盘操作面板输入中断。内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样中断。硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。,4.3.1CNC软件结构的特点,52,目前CNC系统的软件一般采用两种典型的结构：一是前后台型结构；二是中断型结构；1前后台型软件结构将控制软件分为前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，实现插补、位置控制及机床开关逻辑控制等实时功能；后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入和预处理（即译码、刀补计算和速度计算等数据处理）以及各项管理任务。,4.3.2CNC软件结构模式,53,4.3.3CNC系统两种典型的软件结构,54,背景程序和实时中断程序的关系示意图,4.3.3CNC系统两种典型的软件结构,55,2中断型软件结构多重中断型软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。,中断功能一览表,56,4.3.3CNC系统两种典型的软件结构,4.4数控系统常用接口,4.4.1概述对接口的要求：用户要能将数控命令、代码输入系统，系统要具备拨盘、键盘、软驱、串口之类的设备；需具备按程序对继电器、电动机等进行控制的能力和对相关开关量（超程、机械原点等）进行检测的能力；系统需有操作信息提示，用户能对系统执行情况、电动机运动状态等进行监视，系统需配备显示接口电路；应具有直接通信的功能或网络通信功能,4.4.2键盘输入及其接口,键盘有两种基本类型：全编码键盘键的识别由键盘的硬件逻辑自动提供被按键的ASCII代码或其它编码，并能产生一个选通脉冲向CPU申请中断，CPU响应后将键的代码输入内存，通过译码执行该键的功能。有消除抖动、多键和串键的保护电路。优点：使用方便，不占用CPU的资源，但价格昂贵。,非编码键盘硬件上仅提供键盘的行和列的矩阵，其它识别、译码等全部工作都是由软件来完成。非编码键盘结构简单，是较便宜的输入设备。非编码键盘的接口技术和控制原理由软件识别键盘矩阵中被按下的键；产生与被按键对应的编码，消除按键时产生的抖动干扰，防止键盘操作中串键的错误（同时按下一个以上的键）。,4.4.2键盘输入及其接口,4.4.3显示器及其接口,现代CNC装置采用CRT或液晶作为显示器、既能显示字符，又能显示图形。利用CRT的软键和软键菜单使操作简化，不仅丰富了操作内容，还可利用CRT直接在CNC装置上进行人机对话方式的程编过程。CNC装置一面进行编程或输入，一面进行数控加工。可利用CRT的图形功能进行零件加工程序的仿真，显示零件的轮廓、刀具轨迹、判断加工程序是否合格，检查加工过程中是否出现干涉现象。,Sinumerik810T的屏幕显示的布置,4.4.4机床开关量及其接口,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。主要有：与驱动命令有关的连接电路；数控系统与检测系统和测量传感器间的连接电路；电源及保护电路；通断信号和代码信号连接电路。,直流输入信号接口电路,4.4.4机床开关量及其接口,直流输出信号接口电路,4.4.4机床开关量及其接口,大负载驱动输出电路,4.4.4机床开关量及其接口,4.4.5串行通信及其接口,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I/O信号经过缓冲器转换成并行数据，再送至机内处理。常用芯片8251A、MC6850、6852等，可以实现这些功能。,异步串行传送在数控机床上应用比较广泛，现在主要的接口标准有RS-232C/20mA电流环和RS-422/RS-485。CNC装置中RS-232C接口（见图4.56）用以连接输入输出设备（PTR、PP或TTY），外部机床控制面板或手摇脉冲发生器传输速率不超过9600bit/s.,4.4.5串行通信及其接口,4.4.6网络通信及其接口,MAP是美国GM公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信标准。制造自动化协议MAP已成为应用于工厂自动化的标准工业局部网络的协议。FANUC、Siemens、A-B等公司表示支持MAP，生产的CNC装置中可以配置MAP2.1，或MAP3.0的网络通信接口。工业局部网络（LAN）有距离限制，要求较高的传输速率，较低的误码率，可采用各种传输介质（如电话线、双绞线、同轴电缆和光导纤维等）。,4.5可编程控制器在数控机床中的应用,数控系统除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对辅助动作进行顺序控制。主轴正转和反转、起动和停止；伺服驱动的使能控制；刀库及换刀机械手控制；工件夹紧松开；工作台交换；冷却和润滑；机床报警处理；主要是输入元件、输出元件控制。,70,4.5可编程控制器在数控机床中的应用,现代数控机床一般均采用可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）来完成上述功能。由于PLC在数控机床中的特殊作用，FANUC系统中将这一功能模块称为可编程机床控制器PMC（ProgrammableMachineController）。,71,数控系统内部处理的信息大致可分为两大类：控制坐标轴运动的连续数字信息，这种信息主要由CNC系统本身去完成。控制刀具更换、主轴启动停止、换向变速、零件装卸、冷却液的开停和控制面板、机床面板的输入输出处理等离散的逻辑信息，这些信息的处理一般用可编程控制器（PLC）来实现。,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,72,PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间的中间环节，根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算，并完成输入/输出控制功能。PLC在CNC系统中的形式有两种：独立型PLC又称通用型PLC，是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC。内装型PLC采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC在CNC内部，称为内装型PLC（或称作集成式PLC）。,73,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,独立型PLC,74,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,独立型PLC,75,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,独立型PLC特点：1.一般采用中型和大型PLC，I/O点数一般在200点以上，多采用模块化结构，安装方便、易于扩展和变换；2.I/O点数可通过I/O模块灵活配置；3.可通过多个终端连接器构成大量I/O点数的网络实现大范围集中控制；常用SIEMENS公司的SIMATICS5、S7，日立公司的OMRONSYSMAC，三菱公司的FX系列,76,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,内装型PLC,77,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,内装型PLC,78,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,内装型PLC特点：1、实际上是CNC装置带有的PLC功能，作为基本功能提供给用户。2、性能指标（如I/O、程序最大步、程序扫描时间、单步执行时间、功能指令数目等）与CNC的规格性能有关。3、软硬件结构紧凑，功能针对性强，适用于单台数控机床及加工中心。4.内装型PLC可与CNC功用CPU，也可单独使用一个CPU。,79,4.5.1可编程控制器PLC与数控机床的关系,80,4.5.2可编程控制器及其工作过程,1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(ProgrammableLogicController)。20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器。,81,4.5.2可编程控制器及其工作过程,小型PLC的内部结构组成：（1）中央处理器（CPU）（2）存储器（3）输入/输出模块（4）编程器（5）电源（6）在大、中型PLC中大多还配有扩展接口和智能模块。,82,4.5.2可编程控制器及其工作过程,PLC的工作过程：一般采用循环扫描的工作方式。,PLC的循环扫描工作过程,83,4.5.2可编程控制器及其工作过程,FANUC-PLC梯形图编制的一般规则：（1）输入/输出信号及继电器等的名称和记号应易懂、确切，名称长度不超过8个字符。（2）梯形图中的继电器一般按其作用来给定符号，字母要大写。（3）当出现PLC机床侧输入/输出信号的名称与CNC设备连接手册中输入/输出信号名称相同的情况时，应在机床侧的信号名称之后加“M”，以便与CNC信号相区别。,84,4.5.2可编程控制器及其工作过程,（4）在梯形图中，通常都应标出每个继电器在图形中的地址，用S表示，第一个是顺序号，间隔为5或2