第3章控系统硬件与软件1

1、1第三章 数控系统的硬件(yn jin)与软件3.1 CNC装置的硬件结构3.2 CNC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(sd)与加减速控制3.6 数控机床参数数 控 技 术共六十页2第三章 数控系统的硬件(yn jin)与软件3.1 CNC装置的硬件结构3.2 CNC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(sh kn j chun)参数共六十页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

2、(dinz)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。3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构3.1.1 CNC装置的硬件组成及连接共六十页43.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构4主轴电机伺服电机机床控制面板Windows NT系统PCU50 NC+PLC 驱动驱动模块手轮I/O接口共六十页5CNC装置的硬件组成(z chn)及连接运动控制伺服驱动机床PLC

3、电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘操作面板打孔机/纸带阅读机磁带/磁盘U盘/网络光栅CNC通信接口3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构I/O共六十页6编程键盘： 用于程序编辑(binj)、参数设置、界面操作等。 不产生机床运动，可用缓冲键盘。 操作(cozu)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。3.1 CNC装置的硬件结构 CNC装置的人机接口（HMI）共六十页7CNC装置(zhungzh)的硬件组成及连接运动控制伺服驱动机床PLC电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘操作面板打孔机

4、/纸带阅读机磁带/磁盘U盘/网络光栅CNC通信接口3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构I/O共六十页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(jsh)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。3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构 I/O控制（PLC）共六十页9CNC装置的硬件(yn jin)组成及连接运动控制伺服驱动机床PLC电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘

5、操作面板打孔机/纸带阅读机磁带/磁盘U盘/网络光栅CNC通信接口3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构共六十页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(shxin)主轴的准停或螺纹加工功能等。3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构 运动控制一. 主轴电机的控制DAC主轴伺服驱动器主轴电机CPU编码器位置反馈CNC共六十页11二、进给运动(yndng)控制3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构1. 步进电机的控制脉冲输出接口电路驱动器步进电机CPU总线特点：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，

6、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。共六十页123.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构2. 直流伺服电机的控制(kngzh)位置反馈伺服驱动器直流伺服电机CPU本地总线DAC测速发电机编码器/光栅共六十页131）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(m sn)，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。 3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构 直流伺服数控系统的特点：共六十页1

7、43.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构3. 交流(jioli)伺服电机的控制位置反馈伺服驱动器交流伺服电机CPU本地总线DAC编码器光栅测速发电机采用数模转换；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。共六十页15位置反馈位置环PID控制器速度控制电流控制速度反馈电流反馈插 补译码预处理加减速控制位置前馈位置指令刀具补偿误差补偿速度前馈扭矩前馈伺服系统运动(yndng)控制3.2.1 数控系统软件(run jin)功能模块共六十页163.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构4. 交流(jioli)伺服电机的脉冲控

8、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。脉冲输出接口电路交流伺服驱动器电机CPU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)共六十页173.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构5. 总线(zn xin)式控制伺服驱动器伺服电机CPU本地总线现场总线接口编码器光栅伺服驱动器PLC伺服电机共六十页18总线式数控系统的运动(yndng)控制插 补译码预处理加减速控制位置前馈位

9、置指令刀具补偿误差补偿位置反馈位置环PID控制器速度控制电流控制速度反馈电流反馈速度前馈扭矩前馈伺服系统3.2.1 数控系统软件(run jin)功能模块共六十页193.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构4. 总线(zn xin)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。共六十页203.1 CNC装置(

10、zhungzh)的硬件结构3.1.2 CNC 系统硬件结构(jigu)分类按总体安装结构分一体式 一体式 ，分离式共六十页213.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构一体式数控系统FANUCOTD数控系统共六十页223.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构 分离(fnl)式机床控制面板 NC+PLC 共六十页233.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构按印制电路(yn zh din l)板结构分类大板式 ，模块化大板式结构共六十页243.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构模块化结构(jigu)共六十页253.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构西门子840D数控系统

11、模块化结构(jigu)数控系统共六十页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( zhn)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。 3.1 CNC装置的硬件(yn jin)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装置共六十页27单微处理器结构(jigu)的CNC装置FPGACPURAM键盘/显示接口串行通信接口数控面板LCD程序输入/输出接口I/O 接口运动控制机床数据地址总线网络接口编程键盘位置反馈伺服系统EEPROM接口Nand flash（

12、硬盘）3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构共六十页28单CPU运动控制器的硬件(yn jin)实例滚齿机数控系统的总体方案3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构共六十页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(jsh)，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

13、和数据共享以及同步控制。二、多微处理器结构(jigu)的CNC装置3.1 CNC装置的硬件结构共六十页30多微处理器数控系统的功能模块 1）CNC 管理(gunl)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3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构共六十页312. 多微处理器数控系统的结构(jigu)形式 1）共享总线结构 2）共享存储器结构3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构共享总线结构CNC装置 共六十页32多微处理器共享存贮器CNC装置(zhungzh)共六十页33共享存储器多微处理器结构(

14、jigu)的CNC装置 a3.1 CNC装置的硬件(yn jin)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 CPUI/O双端口RAMCPU伺服系统串口CPU串口电气柜操作台共六十页34共享存储器多微处理器结构(jigu)的CNC装置 b3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构 主CPUHMI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 CPUI/O双端口RAMCPU伺服系统串口电气柜 串口共六十页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(zzh)

15、规模生产。3. 多微处理器数控系统的特点(tdin)3.1 CNC装置的硬件结构共六十页363.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构现场(xinchng)总线式数控系统4. 多微处理器数控系统的发展共六十页37 现场总线式的数控系统的特点：1） 独立式HMI(Human Machine Interface) 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(j

16、indn)，安装方便。 3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构共六十页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(t go)了运行的可靠性。3.1 CNC装置的硬件(yn jin)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

17、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。共六十页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(gunl)，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，

18、以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。3.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构共六十页403.1 CNC装置(zhungzh)的硬件结构按硬件的设计(shj)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。共六十页41 二

19、、开放式CNC装置(zhungzh)3.1 CNC装置(zhungzh)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。共六十页42 3.1 CNC装置的硬件(yn jin)结构PC嵌入NC型 即在传统的专用(zhunyng)数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用

20、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/DELTA TAU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Open CNC 、德国Power Automation 公司的PA8000 NT。2. 开放式CNC装置的结构形

21、式共六十页43第三章 数控系统的硬件(yn jin)与软件3.1 CNC装置的硬件结构(jigu)3.2 CNC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 数控机床参数共六十页443.1 CNC装置(zhungzh)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(bchng)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共六十页453.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构数控装置控制软件模块管理软件模块运动控制工作循环控制G功能处理监控诊断中断

22、控制PLC处理系统初始化加工程序编辑键盘及显示系统程序调度机床参数梯形图编辑通信功能文件管理软件(run jin)功能模块共六十页463.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构工作循环控制手动按钮手动返回参考点手轮手动译码预处理运动控制MDI自动段执行控制PLC运动控制插补刀补1. 控制软件模块(m kui)共六十页473.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构运动(yndng)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共六十页48中断控制中断允许控制中断级别控制中断向量中断嵌套 中断程

23、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(xingdng)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。主程序低级中断高级中断3.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构共六十页493.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构系统初始化硬件初始化机床参数读入系统变量初始化参数传递硬件检测系统程序调度系统节拍控制中断管理界面切换任务管理共享数据传递2. 管理软件模块(m kui)共六十页503.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构机床参数轴参数伺服参数通道参数控制参数系统参数补偿参数网络通信软件模块

24、间数据通信多CPU模块通信通信功能串行通信共六十页513.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构输入输出文件管理打开关闭删除备份梯形图编辑梯形图编辑译码检查传送备份文本编辑器加工程序编辑CAM软件接口程序检查运动轨迹模拟共六十页52资源分时共享CPU时间(shjin)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(wi zhi)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。3.2 CNC装置的软件

25、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。共六十页并发(bngf)处理和流水处理：3.2 CNC装置(zhungzh)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。531译码处理、2刀补处理、3速度处理共六十页543.2 CNC装置(zhungzh)的软件结构3.2.2 CNC装置(zhungzh)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。

26、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Windows XP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、网络传输等），具有较好的开放性。 西门子840D，采用Windows PE/NT操作系统，工作中不能运行其它Windows程序，用户可使用VB实现二次开发，设计特殊的控制程序。共六十页55 对于实时性要求较高的NC部分或集中控制的单微处理器CNC装置，通常采用前后台式软件结构。 程序的主循环为前台程序，用于实现各软件模块的控制和调度、以及低实时软件模块的分时按节拍运行。实时性要求高的软件部分（如插补、运动控制等）作为后台中断(zhngdun)程序，根据前台控制程序的控制标志，通过定时中断或硬件中断来启动，进而实现高实时性控制。 前台程序循环运行，根据操作指令和加工程序的执行情况，通过设定控制标志来实现对前台程序的调度和控制。3.2 CNC装置(zhungzh)的