数控技术第二章PPT.

1、数控技术上海第二工业大学机电工程学院第二章第二章 CNCCNC系统结构及控制方法系统结构及控制方法 2.1 CNC2.1 CNC系统的组成及特点系统的组成及特点 2.2 CNC2.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构2.3 CNC2.3 CNC系统软件结构及控制系统软件结构及控制2.4 2.4 数控用可编程控制器与数控系统数控用可编程控制器与数控系统 常用外设及接口常用外设及接口2.1 CNC2.1 CNC系统的组成及特点系统的组成及特点 一、一、CNCCNC系统的组成系统的组成系统程序系统程序输入输出设备输入输出设备计算机数字控制装置计算机数字控制装置可编程控制器可编程控制器主轴驱动装置主

2、轴驱动装置进给驱动装置进给驱动装置测量装置等组成，测量装置等组成，CNCCNC系统的核心是计算机数控装置系统的核心是计算机数控装置二、二、CNC装置的组成装置的组成 1、硬件组成、硬件组成2、软件组成、软件组成三、三、CNC装置的工作过程（工作原理）装置的工作过程（工作原理）零件程序的输入零件程序的输入 插补预处理（译码、刀补、速度插补预处理（译码、刀补、速度处理处理F F） 插补计算插补计算 位置控制位置控制 I/OI/O开关量处理开关量处理 显示及故障诊断显示及故障诊断 1、零件程序的输入零件程序的输入A、输入内容、输入内容 零件程序零件程序 系统参数系统参数 参数参数 补偿参数补偿参数

3、机床参数机床参数 B、输入方式、输入方式纸带、磁带、键盘（纸带、磁带、键盘（MDIMDI）、计算机通信输入）、计算机通信输入(RS232C(RS232C，DNCDNC）C、工作方式、工作方式存储工作方式存储工作方式DNC工作方式工作方式2、译码、译码v 以程序段为单位以程序段为单位v 译轮廓尺寸和译轮廓尺寸和M、S、T代码，放专用区代码，放专用区v 检查检查 语法检查语法检查3、刀补、刀补 刀具半径、长度补偿刀具半径、长度补偿 编程以零件轮廓尺寸编程以零件轮廓尺寸加工以刀具中心轨迹加工以刀具中心轨迹 交点计算、过渡问题自动完成交点计算、过渡问题自动完成4、进给速度处理、进给速度处理 编程编程F

4、值值合成速度合成速度 将将F值分解成值分解成x、y轴速度轴速度 自动加减速自动加减速5、插补、插补 （实时性）（实时性） 插补运算插补运算 （数据点密化）（数据点密化） 种类：种类： 直线、圆弧、高次曲线、样条曲线直线、圆弧、高次曲线、样条曲线 计算方法：计算方法： 逐点比较法逐点比较法 数字积分法数字积分法 比较积分法比较积分法 6、 位置控制位置控制 位置环、速度环、电流环位置环、速度环、电流环 差值差值 用差值控制进给电机用差值控制进给电机 增益调整、螺距误差补偿、反向间隙补偿增益调整、螺距误差补偿、反向间隙补偿7、I/O处理处理连接连接CNC装置与机床强电装置与机床强电8、显示与诊断、

5、显示与诊断 显示显示 字符字符 静态显示静态显示 图形图形 动态显示动态显示 诊断诊断 自诊断自诊断 脱机诊断脱机诊断 远程诊断远程诊断四、四、CNCCNC装置的特点装置的特点具有灵活性具有灵活性 ： 靠软件控制靠软件控制 通用性通用性 ： 同一系统可用在不同机床上同一系统可用在不同机床上 功能丰富：功能丰富： 如如二次曲线插补运算，固定循环，米英制转换，二次曲线插补运算，固定循环，米英制转换， 坐标偏移，图形显示，刀具补偿坐标偏移，图形显示，刀具补偿 等等 可靠性高：可靠性高： 大规模集成电路或超大规模集成电路大规模集成电路或超大规模集成电路 维修方便：维修方便： 有诊断程序，能显示故障信息

6、有诊断程序，能显示故障信息基于基于PC平台的平台的CNC特性特性五、五、CNC装置功能装置功能1、基本功能：、基本功能： 控制功能：控制功能：CNCCNC装置能控制或能同时控制的轴数装置能控制或能同时控制的轴数 准备功能：准备功能：G 指令机床动作方式的功能指令机床动作方式的功能 插补功能插补功能 进给功能、主轴功能、辅助功能、字符显示、自诊断等进给功能、主轴功能、辅助功能、字符显示、自诊断等2、选择功能：、选择功能： 图形显示、通信功能、人机对话、编程功能、补偿功能图形显示、通信功能、人机对话、编程功能、补偿功能 固定循环功能固定循环功能2.2 2.2 计算机数字控制系统的计算机数字控制系统

7、的硬件结构硬件结构一、一、CNC装置的结构类型装置的结构类型 1、计算机类型、计算机类型 专用计算机：专用计算机：专机数控，结构合理，性能比高专机数控，结构合理，性能比高 通用计算机：通用计算机：工控机，可靠性大大提高工控机，可靠性大大提高2 2、电路板结构电路板结构 大板式结构大板式结构模块化结构模块化结构1）大板式结构）大板式结构特点：结构紧凑，性价比高，但柔性低，对特点：结构紧凑，性价比高，但柔性低，对CPU依赖高依赖高 如如 FANCU FANCU 的的 F0F0、F10F10、F11F11等系列数控装置等系列数控装置 主板集成：主板集成：主主CPU、各轴位置控制电路、各轴位置控制电路

8、 子板：子板： ROM/RAM、I/O 、MDI/CRT等等 子板插在主板上子板插在主板上下图为一典型的大板式结构：下图为一典型的大板式结构：2）模块式结构）模块式结构总线模块化开放系统结构总线模块化开放系统结构功能模块：功能模块： 硬件模块：硬件模块： CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O控制、位置控制等插件板控制、位置控制等插件板 软件模块：固化于相应硬件模块中软件模块：固化于相应硬件模块中功能模块接口标准化：企业标准功能模块接口标准化：企业标准行业标准行业标准总线标准化：总线标准化：各模块间信号连接的定义各模块间信号连接的定义 特点：设计制造简单单一，调试维护方便，有适应性，特点：

9、设计制造简单单一，调试维护方便，有适应性， 扩展性扩展性如：如：SIEMENS 大多数系统，大多数系统，FANUC的的15、16、18 系列系列下图为一典型的模块式结构：下图为一典型的模块式结构：3、微处理器数量微处理器数量 单微处理器系统单微处理器系统 多微处理器系统多微处理器系统1）单微处理器系统单微处理器系统CNC装置只有一个装置只有一个CPU可以控制总线、访问主存储器，可以控制总线、访问主存储器，其它其它CPUCPU不能访问主存储器。不能访问主存储器。如：西门子如：西门子810/820系列，系列，A-B公司的公司的8400系列系列2）多微处理器结构多微处理器结构有有2 2个或以上个或以

10、上CPUCPU可以控制总线或访问主存储器可以控制总线或访问主存储器如：如：SINUMERK 8SINUMERK 8系统、系统、850/880850/880系统、系统、 A AB B公司的公司的 86008600系列和系列和FANUC 0 FANUC 0 、1515系列系列 二、二、单微处理器计算机数字控制单微处理器计算机数字控制 在单微处理器结构中，主在单微处理器结构中，主CPU通过总线与存储器、通过总线与存储器、各接口相连，实行集中控制、分时处理数控各子任务。各接口相连，实行集中控制、分时处理数控各子任务。1、主要特征：、主要特征： 只有一个主只有一个主CPU可以控制总线，访问主存储器可以控

11、制总线，访问主存储器 其它其它CPU只能成为专用控制部件只能成为专用控制部件 主主CPU与其它与其它CPU做成主从结构做成主从结构 结构简单，容易实现结构简单，容易实现 但数控功能实现与处理速度有突出矛盾但数控功能实现与处理速度有突出矛盾1）CPU （是（是CNC装置的核心）装置的核心）组成：运算器和控制器组成：运算器和控制器作用：信息处理，即获取信息、处理信息、发出命令作用：信息处理，即获取信息、处理信息、发出命令 类型：类型：8位、位、16位、位、32位位 选择依据：实时控制、指令系统、数据宽度、寻址能力、选择依据：实时控制、指令系统、数据宽度、寻址能力、 运算速度、存储容量、软件配置、价

12、格运算速度、存储容量、软件配置、价格 2、组成、组成 微处理器和总线、存储器、纸带阅读机接口、纸带微处理器和总线、存储器、纸带阅读机接口、纸带穿孔机和电传机接口、穿孔机和电传机接口、I/OI/O接口、接口、MDI/CRTMDI/CRT接口、位置接口、位置控制器、控制器、PLC 任务：数值运算、零件程序输入任务：数值运算、零件程序输入/输出、定时、中断管理输出、定时、中断管理2）总线）总线定义：一组信号线的集合，是定义：一组信号线的集合，是 CPUCPU与存储器、外围电路与存储器、外围电路 连接的信息公共传输线连接的信息公共传输线 类型：类型： 数据总线（双向）：传信息数据总线（双向）：传信息

13、地址总线（单向）：确定与之通信的外部硬件地址总线（单向）：确定与之通信的外部硬件 控制总线控制总线 ：确定数据总线信息流时间序列：确定数据总线信息流时间序列常用总线：常用总线：STD bus、 Multibus、S-100bus、PCI、ISA 选择依据：选择依据：适合利用基本模块构成单机系统或多机系统；适合利用基本模块构成单机系统或多机系统； 适合系统的升级；经济性、可行性适合系统的升级；经济性、可行性 3）存储器）存储器作用：作用：放程序、数据、参数放程序、数据、参数类型：类型： ROM（EPROM、FLASH EPROM）：放系统程序）：放系统程序 RAM：放中间变量、标志、需显示数据：

14、放中间变量、标志、需显示数据 CMOS RAM：参数（机床、系统、：参数（机床、系统、PLC）、零件程序）、零件程序 FLASH RAM：后备用：后备用4）输入）输入/输出接口输出接口输入信号：输入信号：MTCNC的开关信号、代码信号的开关信号、代码信号输出信号：输出信号：CNCMT的开关信号、代码信号的开关信号、代码信号作用：电器隔离作用：作用：电器隔离作用： 光电光电耦合器耦合器 继电器继电器 电平转换和功率放大：电平转换和功率放大： CNC侧一般用侧一般用TTL电平电平5）内装型）内装型PLC 特点：有独立的特点：有独立的CPU或与或与CNC共用一个共用一个CPU； 硬件与硬件与 CNC

15、制一线路板或单独制附加扳；制一线路板或单独制附加扳； 内装型内装型PLC不配不配I/O口，借助口，借助CNC的的I/O 口。口。6）伺服输出和位置反馈接口伺服输出和位置反馈接口 该硬件该硬件CPUCNC位置控制硬件位置控制硬件可控制各进给坐标轴的速度、加速度以及位置可控制各进给坐标轴的速度、加速度以及位置 量量 x、y、z 3个位置控制口个位置控制口伺服输出接口：把伺服输出接口：把CPU运算的控制策略运算的控制策略伺服驱动系统伺服驱动系统输出寄存器输出寄存器D/A位置反馈接口：位置反馈接口： 鉴相鉴相 （判正、反相）（判正、反相） 倍频电路倍频电路 （由数字电路完成）（由数字电路完成） 计数电

16、路计数电路7 7）主轴控制接口）主轴控制接口作用：控制主轴转速作用：控制主轴转速使能信号使能信号模拟信号模拟信号 10V定向控制定向控制 主轴伺服（角度、转速、带反馈）主轴伺服（角度、转速、带反馈） （转速）编码器（转速）编码器9）外设接口）外设接口零件程序、机床参数输入输出零件程序、机床参数输入输出上位机通讯上位机通讯 RS232C、RS422C、DNC等等8）面板、显示接口）面板、显示接口作用：作用：控制控制MDI面板、操作面板、数码显示、面板、操作面板、数码显示、CRT显示显示3、CNC、内装型、内装型PLC及机床间信息交换及机床间信息交换 1）CNC与与PLC的信息交换的信息交换 CN

17、C的的CPU访问访问PLC的的RAM ：A A、CNCCNC发出发出HOLD信号信号B、PLC发出发出HOLDA信号响应，同时悬浮局部总线信号响应，同时悬浮局部总线C、CNC的的CPU对对RAM读写读写D D、释放、释放PLC的的CPUE、HOLD、 HOLDA低电平，重新驱动局部总线低电平，重新驱动局部总线2）CNC装置和机床（装置和机床（MTMT）的输入输出信号处理过程）的输入输出信号处理过程 、输入、输入 MTCNC、输出、输出 CNCMTa、CNC程序的输出数据程序的输出数据CNC RAM b、CNC RAM PLC RAMPLC RAMc c、执行、执行PLCPLC用户程序用户程序d

18、 d、PLC RAM CNC RAMPLC RAM CNC RAMe e、送、送CNCCNC的输出接口的输出接口 a、CNC接口接口CNC RAM b、CNC RAM PLC RAM c、PLC用户程序处理用户程序处理 d、PLC RAM CNC RAM e、CNC软件读取软件读取RAM中的数据中的数据三、三、多微处理器计算机数字控制多微处理器计算机数字控制 1、硬件连接方式、硬件连接方式1）两个或以上）两个或以上CPU构成处理部件构成处理部件 处理部件间采用紧耦合，有集中操作系统，共享资源处理部件间采用紧耦合，有集中操作系统，共享资源2）两个或以上）两个或以上CPU构成功能模块构成功能模块

19、模块间采用松偶合，有多操作系统处理模块间采用松偶合，有多操作系统处理2、结构特点、结构特点v 性能价格比高性能价格比高 v 采用模块化结构采用模块化结构 v 有很高的可靠性有很高的可靠性 3 3、CNCCNC装置基本模块（硬件模块）装置基本模块（硬件模块） CNC管理模块：初始化、中断、诊断、出错识别管理模块：初始化、中断、诊断、出错识别 CNC插补模块：零件程序译码、补偿等处理插补模块：零件程序译码、补偿等处理 位置控制模块：位置采样、回零、漂移补偿等位置控制模块：位置采样、回零、漂移补偿等 PLC模块模块 操作面板监控和显示模块操作面板监控和显示模块 存储器模块存储器模块4、典型结构（通信

20、方式）、典型结构（通信方式）共享总线共享总线共享存储器共享存储器1）共享总线）共享总线 （以系统总线为中心）（以系统总线为中心）总线作用：连接各模块，交换数据，控制信息总线作用：连接各模块，交换数据，控制信息a、主模块：带、主模块：带CPU或或DMA器件器件 从模块：不带从模块：不带CPU或或DMA器件的各器件的各RAM/ROM或或I/Ob、主模块控制总线，共享标准总线、主模块控制总线，共享标准总线c、优先级、优先级 仲裁电路仲裁电路串行：按连接位置决定串行：按连接位置决定d、优、优/缺点缺点 系统配置灵活，结构简单，无源总线造价低系统配置灵活，结构简单，无源总线造价低 有竞争总线有竞争总线并

21、行：配专用逻辑电路，用优先权编码并行：配专用逻辑电路，用优先权编码以下为共享总线结构以下为共享总线结构以下是串行总线仲裁电路以下是串行总线仲裁电路以下是并行总线仲裁电路以下是并行总线仲裁电路2）共享存储器共享存储器 （各模块与存储器相连）（各模块与存储器相连）a、多端口存储器、多端口存储器b、由多端口控制逻辑电路解决访问冲突、由多端口控制逻辑电路解决访问冲突 如下图所示双端口存储器结构如下图所示双端口存储器结构以下为双端口共享存储器结构以下为双端口共享存储器结构介绍系统的软、硬件界面，软件的组成和结构介绍系统的软、硬件界面，软件的组成和结构 2.3 CNC2.3 CNC系统软件结构及控制系统软

22、件结构及控制一、一、CNC系统的软硬件界面系统的软硬件界面 v CNC系统系统 硬件：速度快，价格高硬件：速度快，价格高 软件：设计灵活，适应性强，速度慢软件：设计灵活，适应性强，速度慢v 从逻辑上讲从逻辑上讲 硬件硬件 软件软件v 由性能价格比决定软、硬件分配比例由性能价格比决定软、硬件分配比例不同年代、不同产品中使用以下三种界面：不同年代、不同产品中使用以下三种界面：以下是三种软、硬件划分界面以下是三种软、硬件划分界面二、二、CNC 系统的软件结构及控制系统的软件结构及控制 1、多任务并行处理多任务并行处理 1）CNC装置的多任务性装置的多任务性 组成：管理、控制组成：管理、控制工作过程：

23、管理、控制同时进行。工作过程：管理、控制同时进行。2）并行处理的概念）并行处理的概念概念：概念：指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种 或两种以上的工作或两种以上的工作 目的：提高处理速度目的：提高处理速度实现：实现： 硬件：并行处理提高系统性能；多硬件：并行处理提高系统性能；多CPU提高系统速度提高系统速度 软件：软件：资源重叠流水处理技术资源重叠流水处理技术 。多任务并行处理图）资源重叠流水处理）资源重叠流水处理关键：同一时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理关键：同一时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理2个或更多子过程。个或更多子过程。比较

24、流水处理和顺序处理的区别：比较流水处理和顺序处理的区别：例：例：CNC装置在装置在NC工作方式时工作方式时数据转换：零件程序输入数据转换：零件程序输入t1，插补预处理，插补预处理t2，插补，插补t3， 位置控制位置控制t4一程序段数据转换时间：一程序段数据转换时间：T= t1十十t2十十t3十十t4 两者的工作过程如下图所示：两者的工作过程如下图所示：现象：电机时转时停现象：电机时转时停 刀具时走时停刀具时走时停T4后保证电机转动连续后保证电机转动连续刀具移动连续刀具移动连续时间间隔相等，每段需时间时间间隔相等，每段需时间t t=max(t t1，t t2，t t3，t t4)时间间隔可以各不

25、相同时间间隔可以各不相同适用于采用集中控制的单微处理器系统适用于采用集中控制的单微处理器系统前台程序：中断服务程序，实时功能（插补、位控、辅前台程序：中断服务程序，实时功能（插补、位控、辅助功能处理、面板扫描等）助功能处理、面板扫描等）后台程序：循环运行程序，完成准备工作和管理工作后台程序：循环运行程序，完成准备工作和管理工作（管理软件、输入、译码、插补准备等）（管理软件、输入、译码、插补准备等）2、前后台型软件结构、前后台型软件结构、中断型软件结构、中断型软件结构系统中断结构决定系统软件结构系统中断结构决定系统软件结构1）CNC系统中断类型系统中断类型A、外部中断：阅读机、外部监控信号（紧急

26、停、量、外部中断：阅读机、外部监控信号（紧急停、量仪到位）、面板仪到位）、面板B、内部中断、内部中断插补周期定时中断（后）、位置采样周期中断（先）插补周期定时中断（后）、位置采样周期中断（先）C、硬件故障中断、硬件故障中断定时器出错、存储器出错、插补运算超时定时器出错、存储器出错、插补运算超时D、程序型中断：报警、溢出、除零、程序型中断：报警、溢出、除零）中断型结构）中断型结构 除初始化程序，各任务模块安排在不同级别的中断除初始化程序，各任务模块安排在不同级别的中断程序中。整个软件是一个大中断系统程序中。整个软件是一个大中断系统 2.4 2.4 数控用可编程控制器与数控系统常数控用可编程控制器

27、与数控系统常用外设及接口用外设及接口一、数控用可编程控制器一、数控用可编程控制器1、数控机床中的数控机床中的PLC 数控机床控制：数控机床控制： 运动轨迹的准确控制：位置与尺寸控制，数字控制运动轨迹的准确控制：位置与尺寸控制，数字控制 开关量控制开关量控制( ( 逻缉控制逻缉控制, ,顺序控制顺序控制) ) 数控用数控用PLC：处理开关量、与：处理开关量、与NC通信通信类型：内装型、独立型类型：内装型、独立型2、 内装型内装型PLCA、从属于、从属于CNC装置，实际上是装置，实际上是CNC装置带有装置带有PLC功能功能 PLC与与MT的的I/O信息传递借助于信息传递借助于CNC装置的装置的I/

28、O口口 PLC与与NC信号传递在信号传递在CNC装置内部实现装置内部实现 采用采用PLC，扩大了，扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功内部直接处理的窗口通信功能，可以使用梯形图编辑和传送高级控制功能能，可以使用梯形图编辑和传送高级控制功能 与与RLC相比，具有响应速度快、控制精度高等特点相比，具有响应速度快、控制精度高等特点B、特点、特点 结构紧凑，有柔性，省下结构紧凑，有柔性，省下PLC与与NC连接连接下图为内装型下图为内装型PLC与数控装置的关系与数控装置的关系一般：主轴、刀架、辅助设备、电气控制、操作面板通一般：主轴、刀架、辅助设备、电气控制、操作面板通 过过PLC进入进入NC 回参考点

29、、手轮信号、回参考点、手轮信号、CRT/MDI直接接直接接NC3、 独立型独立型PLCA、独立于、独立于CNC装置，具有完备的软、硬件，独立工作装置，具有完备的软、硬件，独立工作B、特点：模块化，易于扩展；、特点：模块化，易于扩展；I/O点数增减方便；可适点数增减方便；可适用于不同机床。用于不同机床。下图为一独立型下图为一独立型PLC与数控装置的关系与数控装置的关系4、 PLC常见名称常见名称MPC (Microcomputer Programmable Controller)MPC (Microcomputer Programmable Controller)PIC (Programmabl

30、e Interface Controller)PIC (Programmable Interface Controller)PLC (Programmable Logic Controller) PLC (Programmable Logic Controller) PMC (Programmable Machine Controller)PMC (Programmable Machine Controller)PSC (Programmable Sequence Controller)PSC (Programmable Sequence Controller) 二、二、数控系统常用外设及接口数控系统常用外设及接口1、CNC装置的输入输出和通信要求装置的输入输出和通信要求 v 用户能将数控命令、代码输入系统用户能将数控命令、代码输入系统v 能按程序对继电器、电机进行控制，对开关量进行检测能按程序对继电器、电机进行控制，对开关量进行检测v 系统有操作信息提示和用户能对系统执行情况、电机状系统有操作信息提示和用户能对系统执行情况、电机状 态进行监视态进行监视 v 具有与具有与DNC计算机或上级计算机直接通信功能或网络计算机或上级计算机直接通信功能或网络通信功能通信功能2