第4章计算机数控装置

第4章计算机数控装置4.1概述前章已经述及，CNC系统是在传统硬结构数控（NC）的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件和硬件的合理配合完成数据系统的输入、数据处理、插补运算和信息输出，控制数控机床的执行部件运动，实现所需零件的加工。此外，现代数控系统采用PLC取代了传统的机床电气逻辑控制装置（即继电器控制电路），利用PLC的逻辑运算功能实现诸如主轴的正、反转及停止，换刀，工件的夹紧、松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等各种开关量的控制。4.2计算机数字控制装置的硬件结构4.2.1单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，对存储、插补运算、输人输出控制、CRT显示等功能进行集中控制和分时处理。一个微处理器通过总线与存储器、输入输出（Ｉ／O）接口及其它接口相连，构成整个CNC系统，其结构框图如图4-1所示。早期的CNC系统和当前的一些经济型CNC系统都采用单微处面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块机床控制面板CNC键盘驱动系统理器结构。图4-1单微处理器结构框图1．微处理器微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在运算过程中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和反馈信息，决定下一步的指令操作。目前CNC装置中常用的有8位、16位、32位和64位的微处理器，可以根据机床实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的最新成果选用适当的微处理器。如日本的FANUC-15／16CNC系统选用Motorola公司的32位微处理器68020作为其控制CPU。2．总线在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。3．存储器微处理器CPU总线EPROM存储器RAM存储器存储器输入/输出I/O接口位置控制器MDI/CRT可编程控制器通信接口CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。ROM一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），存储器的内容由CNC装置的生产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变EPROM中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。RAM中的信息可以随时被CPU读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。4．输入/输出（I／O）接口CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。5．位置控制器CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能的CNC机床上还要求能实现主轴的定向准停，也就是主轴在某一给定角度位置停止转动。6．MDI／CRT接口MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。显示器一般是阴极射线管（CRT），也可以是平板式液晶显示器（LCD）。7．可编程序控制器（PLC）可编程序控制器用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，实现各种开关量（S、M、T）的控制。如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的夹紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等，同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。8．通信接口通信接口用来与外部设备进行信息传输，如与上位计算机或直接数字控制器DNC等进行数字通信，一般采用RS232C串口。单微处理器结构由于CPU通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换，结构比较简单，但是由于只用一个微处理器来集中控制，CNC的功能受到微处理器字长、寻址功能和运算速度等因素的限制。4.2.2多微处理器结构多微处理器结构中有两个或两个以上微处理器。多微处理器CNC装置采用模块化技术，由多个功能模块组成。一般包括如下几种功能模块：1．CNC管理模块管理和组织整个CNC系统的工作，包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件诊断等功能。2．CNC插补模块完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理，以及进行插补计算，确定各坐标轴的位置。3．位置控制模块插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。4．存储器模块主要用于存放程序和数据，也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。5．操作面板监控和显示模块包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。6．PLC模块零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系，如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。根据CNC装置的需要，还可再增加相应的模块实现某些扩展功能。多微处理器CNC装置在结构上可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。1．共享总线结构共享总线结构以系统总线为中心，把组成CNC装置的各个功能部件划分为带有CPU的主模块和不带CPU的从模块（如各种RAM、ROM模块，I／O等）两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准的系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按照标准协议交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能，如图4-2所示。CNC管理模块（CPU）总线主存储器模块对话式自动编程模块CNC插补模块（CPU）操作面板显示模块位置控制模块（CPU）PLC功能模块主轴控制模块（CPU）图4-2多微处理器共享总线结构框图在共享总线结构中，只有主模块有权控制使用系统总线。但由于有多个主模块，可能会同时请求使用总线，而某一时刻只能由一个主模块占有总线。为了解决这一矛盾，系统设有总线仲裁电路。按照每个主模块负担的任务的重要程度，预先安排各自的优先级别顺序。总线仲裁电路在多个主模块争用总线而发生冲突时，能够判别出发生冲突的各个主模块的优先级别的高低，最后决定由优先级高的主模块优先使用总线。共享总线结构中由于多个主模块共享总线，易引起冲突，使数据传输效率降低；总线一旦出现故障，会影响整个CNC装置的性能。但由于其结构简单、系统配置灵活、实现容易等优点而被广泛采用。2．共享存储器结构共享存储器结构通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图4-3所示。图4-3多微处理器共享存储器结构框图在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。共享存储器结构中多个主模块共享存储器时，引起冲突的可能较小，数据传输效率较高，结构也不复杂，所以也被广泛采用。4.2.3开放式数控系统前述的数控系统是由厂商专门设计和制造的，其特点是专用性强，布局合理，是一种专用的封闭系统，但是没有通用性，硬件之间彼此不能交换。各个厂家的产品之间不能互换，与通用计算机不能兼容，并且维修、升级困难，费用较高。虽然专用封闭式数控系统在很长时期内占领了国际市场，但是随着计算机技术的不断发展，人们对数控系统提出了新的要求，这种封闭式的专用系统严重制约着数控技术的发展。针对这种情况，开放式数控系统的概念应运而生，国内外CNC管理模块（CPU）（多端口）存储器（RAM）I/O控制模块（CPU）输出至机床的控制信号操作面板显示模块位置控制模块（CPU）主轴控制模块（CPU）来自机床的控制信号正在大力研究开发开放式数控系统，有的已经进入实用阶段。开放式数控系统是一种模块化的、可重构的、可扩充的通用数控系统，它以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各专业数控厂商根据需要装入自己的控制卡和数控软件构成相应的CNC装置。由于工业PC机大批量生产，成本很低，因而也就降低了CNC系统的成本，同时工业PC机维护和升级均很容易。开放式数控系统采用系统、子系统和模块的分布式控制结构，各模块相互独立，各模块接口协议明确，可移植性好。根据用户的需要可方便地重构和编辑，实现一个系统的多种用途。以工业PC机为基础的开放式数控系统，很容易实现多轴、多通道控制，实时三维实体图形显示和自动编程等，利用Windows工作平台，使得开发工作量大大减少，而且可以实现数控系统三种不同层次的开放：1．CNC系统的开放CNC系统可以直接运行各种应用软件，如工厂管理软件、车间控制软件、图形交互编程软件、刀具轨迹校验软件、办公自动化软件、多媒体软件等，这大大改善了CNC的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。2．用户操作界面的开放用户操作界面的开放使CNC系统具有更加友好的用户接口，并具备一些特殊的诊断功能，如远程诊断。3．CNC内核的深层次开放通过执行用户自己用C或C++语言开发的程序，就可以把应用软件加到标准CNC的内核中，称为编译循环。CNC内核系统提供已定义的出口点，机床制造厂商或用户把自己的软件连接到这些出口点，通过编译循环，将其知识、经验、诀窍等专用工艺集成到CNC系统中去，形成独具特色的个性化数控机床。这样三个层次的全部开放，能满足机床制造厂商和最终用户的种种需求，这种控制技术的柔性，使用户能十分方便地把CNC应用到几乎所有应用场合。4.2.4嵌入式数控系统随着嵌入式处理器的广泛使用，数控装置中也采用了嵌入式微处理器，这种数控系统在市场上被称为嵌入式数控系统。采用了嵌入式处理器的数控装置和先前的数控装置在功能上相似，不过由于嵌入式处理器强大的计算能力和扩展能力，嵌入式数控系统的计算速度更快，与外界的接口也更丰富。图4-4所示为嵌入式数控系统的结构框图。图4-4嵌入式数控系统结构框图嵌入式处理器是整个系统运算和控制中心，种类很多，比较常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等。可编程计算部件是指现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）等可编程计算资源。嵌入式处理器中集成了LCD控制器，它提供与液晶显示器的接口，通过这个接口可以直接驱动液晶显示屏。嵌入式处理器中还集成了USB客户端控制器，方便实现USB客户端接口。嵌入式处理器中的以太网模块还可以实现数控系统的联网功能。4.3计算机数字控制装置的软件结构4.3.1CNC装置的软件组成CNC装置的软件构成如图4-4所示，包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件主要包括输入、I／O处理、通信、诊断和显示等功能。控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补和位置控制及开关量控制