数控技术 课件第4章

第四章数控装置第一节概述一、数控装置的作用数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。返回课件首页二、数控装置软件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢ硬件软件Ⅳ图4-1几种典型的软硬件界面的划分程序输入数据处理插补位控速控伺服电机测量软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务。四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。第二节数控装置的硬件结构一、由单片机组成的数控装置图4-2用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图二、单微处理机数控装置图4-3单微处理机数控装置的结构图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4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）三、基于网络的数控装置图4-5基于网络的数控系统结构图数控装置各功能模块间的通讯是按照SERCOS（SerialCommunicationSystem）协议进行的。图4-7表示了SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循环的时间可设定为62μs、125μs、250μs或其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步通讯为前提。图中的Master表示运动控制器，Slavei表示连接在控制环路中的第i个伺服驱动器，MST表示同步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为控制器发送到网络上的数据。驱动器数/光纤环4221246通讯周期图4-6每个光纤环路能控制的驱动器个数66图4-7SERCOS通讯原理控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：1．控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此同步信息为保证同步通讯的时间基准；2．控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同步数据（CycleData）和伺服数据（ServeData）；3．伺服驱动器将要发送的数据送到相应的时间槽（TimeSlots）。通讯按照NRZI编码的HDLC协议进行。第三节数控软件一、数控软件的数据转换流程图4-8数控装置软件的数据转换流程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控制位置反馈译码缓冲区刀补缓冲区运行缓冲区（一）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.；高4位低4位说明13G0323M03100X值50Y值0Z值0I值50J值0K值100F值图4-9不按字符格式的译码数据存放格式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}；（二）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。（三）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）。（四）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（五）位置控制图4-10位置控制算法原理指令位置+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++-1．计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+Δx2Y2新=Y2旧+Δy22．计算实际坐标位置X1新=X1旧+Δx1Y1新=Y1旧+Δy13．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。二、数控软件的特点（一）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。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图4-13各任务占用CPU时间示意图0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序（2）时间重叠流水处理图4-14时间重叠流水处理示意图12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间a）顺序处理b）并行处理空间N3N2N1空间N2N1输出输出三、数控软件的基本结构（一）前后台型结构模式图4-15前后台程序的运行关系故障处理；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（二）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级中断服务程序第四节数控装置的输入/输出接口一、接口标准化二、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。抗衰减和畸变。主轴驱动电机数控装置Ⅰ接口分Ⅱ类ⅢⅣ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/关指令信号三、常用的输入输出接口1.直流模拟信号接口a)单极性输出b)双极性输出图4-18AD7520电压输出电路+5V+5V2．2k2.2k1000.1u4．7u100a)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斯密特触发器CNC接收器+5V电平转换电路以电压输入的接收电路见图4-21。MT电压输入接收器+5V图4-21电压输入的接收电路+24V+24V输出CNCa)继电器输出b)无触点输出图4-22输出接口电路CNCCNC3、数控装置的通信接口输入文件名初始化8520输入文件名输入文件名字符？DC1？DC3？结束？结束第五节PLC控制一、PLC的基本概念1．RLC与PLCCWT1StopT1CCWT2T2图4-24实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路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。图4-25内装型PLC结构图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电路二、PLC编程的基本方法由于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（LC—LadderDiagram）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。R1支路11.0AE梯级1支路2120.11.2120.1支路31.1BER2梯级21.2120.2支路4120.2电力轨电力轨图4-27电机正反转控制的接点梯形图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：RDA1.0ORR1120.1AND，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，NOTE1.2WRTR2120.2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。序号指令处理内容1RD读出给定信号的状态2RD.NOT读出给定信号的非状态3WRT将运算结果写入指定的地址单元4WRT.NOT将运算结果的非状态写入指定的地址单元5AND执行逻辑与6AND.NOT以指定的地址信号的非状态执行逻辑与7OR执行逻辑或8OR.NOT以指定的地址信号的非状态执行逻辑或9RD.STKST0内容左移,并将指定地址信号写入ST010RD.NOT.STKST0内容左移,并将指定地址的非信号信号写入ST011AND.STK将ST0和ST1的内容相与,结果存于ST012OR.STK将ST0和ST1的内容相或,结果存于ST0三、PLC的工作过程1．PLC的硬件结构图4-28PLC硬件原理图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2．PLC的