数控装置的综述

数控装置的综述第一页，共五十四页，2022年，8月28日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PLC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第二页，共五十四页，2022年，8月28日4.1.3数控装置软件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ硬件软件图4-1几种典型的软硬件界面的划分第三页，共五十四页，2022年，8月28日早期的数控系统，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数控装置的硬件结构第四页，共五十四页，2022年，8月28日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ROMCPU定时计数器串行I/O并行I/ORAMRESETINT电源4.2.1由单片机组成的数控装置第五页，共五十四页，2022年，8月28日典型的单片机应用系统如图：单片机EPROMRAMI/O显示器键盘通用外部设备I/OI/O扩展A/D光电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子系统外部设备第六页，共五十四页，2022年，8月28日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）：第七页，共五十四页，2022年，8月28日图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+B2764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显示器第八页，共五十四页，2022年，8月28日CPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI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/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST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数控装置第九页，共五十四页，2022年，8月28日图4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）第十页，共五十四页，2022年，8月28日单微处理机数控装置典型产品：右：FANUC150i-M系列下：华中世纪星第十一页，共五十四页，2022年，8月28日4.2.3多CPU数控装置图4-5共享总线式多CPU数控装置结构图第十二页，共五十四页，2022年，8月28日4.2.4基于PC的数控装置图4-6递阶式PC数控系统结构图第十三页，共五十四页，2022年，8月28日图4-7PC＋I/O软件化数控系统结构图第十四页，共五十四页，2022年，8月28日典型基于PC的和网络型数控产品上：SIEMENS802D左：燕山大学数控凸轮磨床第十五页，共五十四页，2022年，8月28日4.3数控软件加工程序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第十六页，共五十四页，2022年，8月28日高4位

低4位

说明

1

3

G03

2

3

M03

100

X值

50

Y值

0

Z值

0

I值

50

J值

0

K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ASCⅡ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

M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；

第十七页，共五十四页，2022年，8月28日（2）保留字符格式的存放方法

StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//0：空，1：有数据intblock_num；//程序段号doubleCOORD[20]；//尺寸字的数值，单位为μmintF，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}；第十八页，共五十四页，2022年，8月28日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。

第十九页，共五十四页，2022年，8月28日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

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F—进给速度值（mm/min）；Δt—数控系统的插补周期（ms）。V(t)VcOCBA恒速控制：F值恒定加减速控制：F值按照一定规律变化第二十页，共五十四页，2022年，8月28日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

第二十一页，共五十四页，2022年，8月28日指令位置+插补输出+Δx2，Δy2--位控输出Δx3，Δy3+X2新，Y2新实际位置增量Δx1，Δy1

实际位置X1新，Y1新X2旧，Y2旧

X1旧，Y1旧

++-5.位置控制图4-10位置控制算法原理第二十二页，共五十四页，2022年，8月28日（1）．计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+Δx2Y2新=Y2旧+Δy2（2）．计算实际坐标位置X1新=X1旧+Δx1Y1新=Y1旧+Δy1（3）．计算位置控制输出值Δx3=X2新-

X1新Δy3=Y2新–Y1新

位置控制是强实时性任务，所有计算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。第二十三页，共五十四页，2022年，8月28日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第二十四页，共五十四页，2022年，8月28日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。第二十五页，共五十四页，2022年，8月28日优先级顺序显示其它译码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第二十六页，共五十四页，2022年，8月28日

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第二十七页，共五十四页，2022年，8月28日12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间a）顺序处理b）并行处理空间N3N2N1空间N2N1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第二十八页，共五十四页，2022年，8月28日故障处理；位置控制；插补运算；．．．译码；刀补；速度处理；输入/输出；显示。循环执行后台程序前台程序中断执行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第二十九页，共五十四页，2022年，8月28日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。第三十页，共五十四页，2022年，8月28日

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)．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/输出接口第三十一页，共五十四页，2022年，8月28日主轴驱动电机数控装置

Ⅰ接口分Ⅱ类

Ⅲ

Ⅳ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/关指令信号第三十二页，共五十四页，2022年，8月28日4.4.2数控装置常用接口1.

直流模拟信号接口第三十三页，共五十四页，2022年，8月28日斯密特触发器2.

直流数字信号接口+5V+5V2.2k2.2k1000.1u4．7u

100

a)斯密特触发电路b)R—S触发器整形电路图4-20消除触点抖动的电路第三十四页，共五十四页，2022年，8月28日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第三十五页，共五十四页，2022年，8月28日CNCCNCa)继电器输出b)无触点输出图4-22输出接口电路+24VCNC输出第三十六页，共五十四页，2022年，8月28日3、数控装置的通信接口图4-23第三十七页，共五十四页，2022年，8月28日数控机床上需要控制的数字信号4.5PLC控制第三十八页，共五十四页，2022年，8月28日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第三十九页，共五十四页，2022年，8月28日现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController--PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，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与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。第四十页，共五十四页，2022年，8月28日

NCPLCI/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结构图第四十一页，共五十四页，2022年，8月28日

NCPLC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结构图第四十二页，共五十四页，2022年，8月28日

上：内置型PLC右：独立型PLC第四十三页，共五十四页，2022年，8月28日由于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21.1B120.2120.11.2R1120.11.0AR2R1R2120.2120.1120.2R1E左母线右母线第四十四页，共五十四页，2022年，8月28日2．语句表语句表也称指令表（IL—InstructionList），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：RDAORR1AND，NOTEAND，NOTR2WRTR1RDBORR2120.2AND，NOTEAND，NOTR1WRTR2120.2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。第四十五页，共五十四页，2022年，8月28日序号

指

令

处

理

内

容

1

RD

读出给定信号的状态

2

RD.NOT

读出给定信号的非状态

3

WRT

将运算结果写入指定的地址单元

4

WRT.NOT

将运算结果的非状态写入指定的地址单元

5

AND

执行逻辑与

6

AND.NOT

以指定的地址信号的非状态执行逻辑与

7

OR

执行逻辑或

8

OR.NOT

以指定的地址信号的非状态执行逻辑或

9

RD.STK

ST0内容左移,并将指定地址信号写入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0内容左移,并将指定地址的非信号信号写入ST0

11

AND.STK

将ST0和ST1的内容相与,结果存于ST0

12

OR.STK

将ST0和ST1的内容相或,结果存于ST0

第四十六页，共五十四页，2022年，8月28日CPURAMEPROM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1．