数控装置综述

1、第4 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

2、精度。 4.1.2 主要功能 数控装置在数控机床中的位置 主轴伺 服单元 数 控 装 置 输出设 备 P L C 进给伺 服单元 主 轴 电机 进 给 电机 位 置 检测 机 床 本 体 接口电路 操作面 板 输入设 备 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

3、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 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

4、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

5、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+B 2764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 CPU 纸带机 接口 RS232 接口 CRT/M DI接口 手摇轮 接口 ROM 接口 RAM 接口 PLC 接口 位控 单元 位控 单元 位控 单元 主轴 单元 D/AD/

6、AD/AD/A 速度 单元 速度 单元 速度 单元 速度 单元 MMMM MST 功能 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4-7 PCI/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 4.3 数控软件 加工程序

7、译 码 刀补 处理 速度控制 插补处理 位置 控制 伺服驱动 PLC控制 位置反馈 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 13G03 23M03 100 X值 50 Y值 0Z值 0I值 50 J值 0K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 M03 G03 X100. Y50. I0 J50.

8、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m intF，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

9、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。 A C A r r r A r a)b) c) r B r C B r B C B 1 M r D E F G H F H G D E F D E G H 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）。 V(t) Vc OC BA 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

10、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 Y E(Xe,Ye) Y X X O 指令位置+ 插补输出+ x2，y2 - - 位控输出 x3，y3 +X2新，Y2新 实际位置增量x1， y1 实际位置 X1新，Y1新 X2旧，Y2旧 X1旧，Y1旧 + + - 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+x2 Y2新=Y2旧+y2 （2）计算实际坐标位置 X1新=X1旧+x1 Y1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

11、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。 数控装置 管理控制 输 入 I/O 处 理 显 示 诊 断 通 讯 速 度 处 理 刀 具 补 偿 译 码 插 补 位 置 控 制 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。 优 先 级 顺 序 显示

12、其它译码 I/O刀补 位置控制 插补运算 背景程序 背 景 程 序 初始化 （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 1234 1234 1234 1234 1234 t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间 a）顺序处理b）并行处理 空 间 N3 N2 N1 空间 N2 N1 输出 输出 2）时间重叠流水处理 图4-14时间重叠流水处理示意图 故障处理； 位置控制； 插补运算； 译码； 刀补； 速度处理； 输入/输出； 显

13、示。 循环执行 后台程序 前台程序 中断执行 4.3.3 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 初始化 中断管理系统（硬件+软件） 0 级 中 断 服务 程序 1 级 中 断 服务 程序 2 级 中 断 服务 程序 N级中 断 服务 程序 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

14、)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 主轴 驱动电机 数控装置 接 口 分 类 电机速度控制 进给 主轴驱动 机床 坐标轴 进给电机 操作面板 限位开关 机电器件 （电磁铁，离合 器等） 辅助功能（齿 轮箱，转台，换 刀装置等） 辅助电机 机床控制设备 控制装置 电源控制 （变压器，保护 装置等） 速度 Vx，Vy，Vz 电源 位置测量 传 感 器 激 励 位置指示 电源 连锁 停止命令 开/关指令 信号 4.4.2 数控装置常用接口 1. 直流模拟信号接口 斯密特 触发器 2. 直流数字信号接口 +5V+5V 2.2k2.2k 1

15、00 0.1u 47u 100 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 CNC 电平转换电路 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 CNCCNC 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 4.5 PLC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（Programmable Logic Controller-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由

16、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

17、的信号传送则通过输入/输出接口电路 实现，如图4-25所示。 N C PLCI/O 电路 伺服驱动单元 主轴驱动单元 强电电路 机床操作面板 MDI/CRT面板 伺服驱动单元 主轴驱动单元 辅助 动作 图4-25内装型PLC结构图 N C PLC 伺服驱动单元 主轴驱动单元 强电电路 机床操作面板 MDI/CRT面板 伺服驱动单元 主轴驱动单元 辅助 动作 DI/DO电路 DI/DO电路 DI/DO电路 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

18、 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 梯级1 分支1 分支2 1.1 B 120.2 120.1 1.2 R1 120.1 1.0 A R2 R1 R2 120.2 120.1 120.2 R1 E 左母线 右母线 2语句表 语句表也称指令表（ILInstruction

19、List），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： RD A OR R1 AND，NOT E AND，NOT R2 WRT R1 RD B OR R2 120.2 AND，NOT E AND，NOT R1 WRT R2 120.2 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

20、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。 序号 指令处理内容 1RD 读出给定信号的状态 2RD.NOT 读出给定信号的非状态 3WRT 将运算结果写入指定的地址单元 4WRT.NO T 将运算结果的非状态写入指定的地址单元 5AND 执行逻辑与 6AND.NOT 以指定的地址信号的非状态执行逻辑与 7OR 执行逻辑或 8OR.NOT 以指定的地址信号的非状态执行逻辑或 9RD.STK ST0内容左移,并将指定地址信号写入ST0 10RD.NOT.STKST0内容左移,并将指定地址的非信号信号写入ST0 11AND.STK 将ST0和ST1的内容相与 ,结果存于ST0 12OR.STK 将ST0和ST1的内容相或 ,结果存于ST0 CPU RAM EPROM 用户程序 EPROM 用户程序 编程器 电源 输入输出模块 功能开关和指示器 电池 4.5.3PLC的工作过程 1PLC的硬件结构 图4-28PL