数控技术第二章.

数控技术上海第二工业大学机电工程学院第二章CNC系统结构及控制方法§2.1CNC系统的组成及特点§2.2CNC系统的硬件结构§2.3CNC系统软件结构及控制§2.4数控用可编程控制器与数控系统常用外设及接口§2.1CNC系统的组成及特点一、CNC系统的组成系统程序输入输出设备计算机数字控制装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置测量装置等组成，CNC系统的核心是计算机数控装置二、CNC装置的组成1、硬件组成2、软件组成三、CNC装置的工作过程（工作原理）零件程序的输入插补预处理（译码、刀补、速度处理F）插补计算位置控制I/O开关量处理显示及故障诊断1、零件程序的输入A、输入内容零件程序系统参数参数补偿参数机床参数B、输入方式纸带、磁带、键盘（MDI）、计算机通信输入(RS232C，DNC）C、工作方式存储工作方式DNC工作方式2、译码以程序段为单位译轮廓尺寸和M、S、T代码，放专用区检查语法检查3、刀补刀具半径、长度补偿编程以零件轮廓尺寸→加工以刀具中心轨迹交点计算、过渡问题自动完成4、进给速度处理编程F值——合成速度将F值分解成x、y轴速度自动加减速5、插补（实时性）插补运算（数据点密化）种类：直线、圆弧、高次曲线、样条曲线计算方法：逐点比较法数字积分法比较积分法6、位置控制位置环、速度环、电流环差值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7、I/O处理连接CNC装置与机床强电8、显示与诊断显示字符静态显示图形动态显示诊断自诊断脱机诊断远程诊断四、CNC装置的特点具有灵活性：靠软件控制通用性：同一系统可用在不同机床上功能丰富：如二次曲线插补运算，固定循环，米英制转换，坐标偏移，图形显示，刀具补偿等可靠性高：大规模集成电路或超大规模集成电路维修方便：有诊断程序，能显示故障信息基于PC平台的CNC特性五、CNC装置功能1、基本功能：控制功能：CNC装置能控制或能同时控制的轴数准备功能：G指令机床动作方式的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2、选择功能：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§2.2计算机数字控制系统的硬件结构一、CNC装置的结构类型1、计算机类型专用计算机：专机数控，结构合理，性能比高通用计算机：工控机，可靠性大大提高2、电路板结构大板式结构模块化结构1）大板式结构特点：结构紧凑，性价比高，但柔性低，对CPU依赖高如FANCU的F0、F10、F11等系列数控装置主板集成：主CPU、各轴位置控制电路子板：ROM/RAM、I/O、MDI/CRT等子板插在主板上下图为一典型的大板式结构：2）模块式结构总线模块化开放系统结构功能模块：硬件模块：CPU、存储器、I/O控制、位置控制等插件板软件模块：固化于相应硬件模块中功能模块接口标准化：企业标准→行业标准总线标准化：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，扩展性如：SIEMENS大多数系统，FANUC的15、16、18系列下图为一典型的模块式结构：3、微处理器数量单微处理器系统多微处理器系统1）单微处理器系统CNC装置只有一个CPU可以控制总线、访问主存储器，其它CPU不能访问主存储器。如：西门子810/820系列，A-B公司的8400系列2）多微处理器结构有2个或以上CPU可以控制总线或访问主存储器如：SINUMERK8系统、850/880系统、A—B公司的8600系列和FANUC0、15系列二、单微处理器计算机数字控制在单微处理器结构中，主CPU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。1、主要特征：只有一个主CPU可以控制总线，访问主存储器其它CPU只能成为专用控制部件主CPU与其它CPU做成主从结构结构简单，容易实现但数控功能实现与处理速度有突出矛盾1）CPU（是CNC装置的核心）组成：运算器和控制器作用：信息处理，即获取信息、处理信息、发出命令类型：8位、16位、32位选择依据：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、价格2、组成微处理器和总线、存储器、纸带阅读机接口、纸带穿孔机和电传机接口、I/O接口、MDI/CRT接口、位置控制器、PLC任务：数值运算、零件程序输入/输出、定时、中断管理2）总线定义：一组信号线的集合，是CPU与存储器、外围电路连接的信息公共传输线类型：数据总线（双向）：传信息地址总线（单向）：确定与之通信的外部硬件控制总线：确定数据总线信息流时间序列常用总线：STDbus、Multibus、S-100bus、PCI、ISA选择依据：适合利用基本模块构成单机系统或多机系统；适合系统的升级；经济性、可行性3）存储器作用：放程序、数据、参数类型：ROM（EPROM、FLASHEPROM）：放系统程序RAM：放中间变量、标志、需显示数据CMOSRAM：参数（机床、系统、PLC）、零件程序FLASHRAM：后备用4）输入/输出接口输入信号：MT→CNC的开关信号、代码信号输出信号：CNC→MT的开关信号、代码信号作用：电器隔离作用：光电耦合器继电器电平转换和功率放大：CNC侧一般用TTL电平5）内装型PLC特点：有独立的CPU或与CNC共用一个CPU；硬件与CNC制一线路板或单独制附加扳；内装型PLC不配I/O口，借助CNC的I/O口。6）伺服输出和位置反馈接口该硬件＋CPU＝CNC位置控制硬件可控制各进给坐标轴的速度、加速度以及位置量x、y、z3个位置控制口伺服输出接口：把CPU运算的控制策略→伺服驱动系统输出寄存器D/A位置反馈接口：鉴相（判正、反相）倍频电路（由数字电路完成）计数电路7）主轴控制接口作用：控制主轴转速使能信号模拟信号±10V定向控制主轴伺服（角度、转速、带反馈）（转速）编码器9）外设接口零件程序、机床参数输入输出上位机通讯RS232C、RS422C、DNC等8）面板、显示接口作用：控制MDI面板、操作面板、数码显示、CRT显示3、CNC、内装型PLC及机床间信息交换1）CNC与PLC的信息交换CNC的CPU访问PLC的RAM：A、CNC发出HOLD信号B、PLC发出HOLDA信号响应，同时悬浮局部总线C、CNC的CPU对RAM读写D、释放PLC的CPUE、HOLD、HOLDA低电平，重新驱动局部总线2）CNC装置和机床（MT）的输入输出信号处理过程Ⅰ、输入MT→CNCⅡ、输出CNC→MTa、CNC程序的输出数据→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、执行PLC用户程序d、PLCRAM→CNCRAMe、送CNC的输出接口a、CNC接口→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、PLC用户程序处理d、PLCRAM→CNCRAMe、CNC软件读取RAM中的数据三、多微处理器计算机数字控制1、硬件连接方式1）两个或以上CPU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2）两个或以上CPU构成功能模块模块间采用松偶合，有多操作系统处理2、结构特点性能价格比高采用模块化结构有很高的可靠性3、CNC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CNC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PLC模块操作面板监控和显示模块存储器模块4、典型结构（通信方式）共享总线共享存储器1）共享总线（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a、主模块：带CPU或DMA器件从模块：不带CPU或DMA器件的各RAM/ROM或I/Ob、主模块控制总线，共享标准总线c、优先级仲裁电路串行：按连接位置决定d、优/缺点系统配置灵活，结构简单，无源总线造价低有竞争总线并行：配专用逻辑电路，用优先权编码以下为共享总线结构以下是串行总线仲裁电路以下是并行总线仲裁电路2）共享存储器（各模块与存储器相连）a、多端口存储器b、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§2.3CNC系统软件结构及控制一、CNC系统的软硬件界面CNC系统硬件：速度快，价格高软件：设计灵活，适应性强，速度慢从逻辑上讲硬件软件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：以下是三种软、硬件划分界面二、CNC系统的软件结构及控制1、多任务并行处理1）CNC装置的多任务性组成：管理、控制工作过程：管理、控制同时进行。2）并行处理的概念概念：指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上的工作目的：提高处理速度实现：硬件：并行处理提高系统性能；多CPU提高系统速度软件：资源重叠流水处理技术。多任务并行处理图３）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2个或更多子过程。比较流水处理和顺序处理的区别：例：CNC装置在NC工作方式时数据转换：零件程序输入t1，插补预处理t2，插补t3，位置控制t4一程序段数据转换时间：T=t1十t2十t3十t4两者的工作过程如下图所示：现象：电机时转时停刀具时走时停T4后保证电机转动连续刀具移动连续时间间隔相等，每段需时间△t=max(t1，t2，t3，t4)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ＣＮＣ系统前台程序：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）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）2、前后台型软件结构３、中断型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A、外部中断：阅读机、外部监控信号（紧急停、量仪到位）、面板B、内部中断插补周期定时中断（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、除零２）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程序中。整个软件是一个大中断系统§2.4数控用可编程控制器与数控系统常用外设及接口一、数控用可编程控制器1、数控机床中的PLC数控机床控制：运动轨迹的准确控制：位置与尺寸控制，数字控制开关量控制(逻缉控制,顺序控制)数控用PLC：处理开关量、与NC通信类型：内装型、独立型2、内装型PLCA、从属于CNC装置，实际上是CNC装置带有PLC功能PLC与MT的I/O信息传递借助于CNC装置的I/O口PLC与NC信号传递在CNC装置内部实现采用PLC，扩大了CNC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与RLC相比，具有响应速度快、控制精度高等特点B、特点结构紧凑，有柔性，省下PLC与NC连接下图为内装型PLC与数控装置的关系一般：主轴、刀架、辅助设备、电气控制、操作面板通过PLC进入NC回参考点、手轮信号、CRT/MDI直接接NC3、独立型PLCA、独立于CNC装置，具有完备的软、硬件，独立工作B、特点：模块化，易于扩展；I/O点数增减方便；可适用于不同机床。下图为一独立型PLC与数控装置的关系4、PLC常见名称MPC(MicrocomputerProgrammableController)PIC(ProgrammableInterfaceController)PLC(ProgrammableLogicController)PMC(ProgrammableMachineController)PSC(ProgrammableSequenceController)二、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用户能将数控命令、代码输入系统能按程序对继电器、电机进行控制，对开关量进行检测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具有与DNC计算机或上级计算机直接通信功能或网络通信功能2、计算机数字控制的显示功能及其接口常用的显示器：数码管LED液晶显示器LCD阴极射线管CRT薄膜晶体管TFT由8255、8155等控制由专门接口板，由6845等控制1）数控机床接口定义及功能分类a）接口分类I