第3章CNC系统原理及结构

第3章CNC系统原理及结构3.1CNC系统的组成及特点3.2CNC系统硬件结构3.3CNC系统软件结构3.4CNC系统中的可编程控制器（PLC）3.5CNC系统常用外设及接口3.1CNC系统的组成及特点CNC系统定义：借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的一种专用计算机系统。CNC是在NC的基础上发展起来的，其部分或全部控制功能通过软件来实现。只要更改控制程序，无需更改硬件电路，就可改变控制功能。因此，CNC系统在通用性、灵活性、使用范围等诸方面具有更大的优越性。3.1.1CNC系统的组成数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，习惯上称为CNC系统。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，二者缺一不可。3.1.1CNC系统的组成1、CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...CNC系统硬件的层次结构3.1.1CNC系统的组成2、CNC系统软件的功能结构从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图所示。3.1.1CNC系统的组成操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......图3-2CNC软件系统功能框图3.1.1CNC系统的组成3、CNC硬件软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图所示。3.1.1CNC系统的组成CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......3.1.2CNC系统的工作原理CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对输入、译码、刀具补偿、速度规划、插补、位置控制、I／O口处理、显示和诊断等方面进行控制。（1）输入数据处理程序输入数据处理程序接收输入的零件加工程序，将其用标准代码表示的加工指令和数据进行编译、整理，按所规定的格式存放。有些系统还要进一步进行刀具半径偏移的计算，或为插补运算和速度控制等进行一些预处理。3.1.2CNC系统的工作原理输入数据处理程序一般包括下面三项内容：①输入②译码③数据处理3.1.2CNC系统的工作原理（2）插补运算及位置控制程序插补运算程序完成CNC系统中插补器的功能，即实现坐标轴脉冲分配的功能。脉冲分配包括点位、直线以及曲线三个方面。插补运算的结果输出，经过位置控制部分(这部分工作既可由软件完成，也可由硬件完成)控制伺服系统运动，控制刀具按预定的轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。3.1.2CNC系统的工作原理（3）速度控制程序编程所给的刀具移动速度是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度，即根据给定的速度代码(或其他相应的速度指令)，控制插补运算的频率，以保证按预定速度进给。速度控制可以用两种方法实现：一种是用软件方法，如程序计数法实现；另一种用定时计数电路由外部时钟计数，运用中断方法来实现。3.1.2CNC系统的工作原理（4）系统管理程序为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由系统管理程序进行调度，因此，它是实现CNC系统协调工作的主体软件。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。水平较高的管理程序可使多道程序并行工作。有的管理程序还安排进行自动编程工作，或对系统进行必要的预防性诊断。3.1.2CNC系统的工作原理（5）诊断程序诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示出故障的类型。也可以在运行前或发生故障后，检查各种部件(接口、开关、伺服系统)的功能是否正常，并指出发生故障的部位。还可以在维修中查找有关部件的工作状态，判别其是否正常，对于不正常的部件给予显示，便于维修人员能及时处珲。3.1.3CNC系统的特点1、具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。3.1.3CNC系统的特点2、数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。3.1.3CNC系统的特点3、可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片是可靠性的保证。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。3.1.3CNC系统的特点4、使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。3.1.3CNC系统的特点5、易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小(采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小)，使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。3.1.3CNC系统的特点6、基于PC平台的CNC的特性PC平台提供了开放式的基础，可供利用的软件、硬件资源极为丰富，数控功能相应得到扩展，凡在PC机可运行的软件，如CAD、CAM、CAPP(ComputerAidedProcessPlanning，计算机辅助工艺规划)、工厂级、车间级生产调度管理软件等，在基于PC平台的机床数控系统上均可运行；凡在PC机上可插入的硬件模块和可接上的外部设备，如网卡、图形加速卡、声卡和打印机、摄像机等，在基于PC平台的机床数控系统上均可插入和接上。3.2CNC系统硬件结构从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。大板式结构特点：一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板，如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心部分。优点：结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能／价格比，也便于机床的一体化设计。缺点：它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。3.2CNC系统硬件结构总线模块化的开放系统结构特点：将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板(称为硬件模块)，甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。优点：使设计简单，有良好的适应性和扩展性，使制作周期短、调整维护方便、效率高。3.2.1单处理器计算机数字控制（1）单处理器结构单处理器结构CNC装置一般是专用型的，其硬件由系统制造厂家专门设计、制造，不具备通用性。单微处理器特点：•只有一个微处理器，以集中控制、分时处理系统的各个任务。•某些CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占用总线资源，而其他微处理器只作为专用控制部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构，故也归于单微处理器结构中。3.2.1单处理器计算机数字控制下图是单微处理器结构框图。3.2.1单处理器计算机数字控制①微处理器微处理器CPU是CNC装置的核心，主要由运算器和控制器两部分组成。运算器含算术逻辑运算、寄存器和堆栈等部件，对数据进行算术和逻辑运算。控制器从存储器中依次取出组成程序的指令，经过译码，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信号，使指令得以执行。同时接收执行部件发回来的反馈信息，控制器根据程序中的指令信息及这些反馈信息，决定下一步命令操作。3.2.1单处理器计算机数字控制②总线总线是由赋予一定信号意义的物理导线构成，按信号的物理意义，可分为数据总线、地址总线、控制总线三组。数据总线为各部件之间传送数据，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地或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是管理总线的某些控制信号，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。3.2.1单处理器计算机数字控制③存储器存储器用于存放数据、参数和程序等。系统控制程序存放在可擦写只读存储器(EPROM)中，即使系统断电控制程序也不会丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入，必要时可用紫外线擦除EPROM，再重写监控程序。常用的EPROM有2732、2764、27128、27256、27512、27010等。运算的中间结果存放在随机存储器(RAM)中，常用的RAM有6264、62256等。存放在RAM中的数据能随机地进行读写，但如不采取适当的措施，断电后存放信息会丢失。3.2.1单处理器计算机数字控制④I／O(输入／输出)接口CNC装置和机床之间的信号一般不直接连接，而通过输入(Input)和输出(Output)接口(I／O)电路连接。接口电路的主要任务如下：1）进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。2）进行电平转换和功率放大。3.2.1单处理器计算机数字控制⑤MDI／CRT接口MDI手动数据输入是通过数控面板上的键盘操作。当扫描到有键按下时，将数据送入移位寄存器，经数据处理判别该键的属性及其有效，并进行相关的监控处理。CRT(阴极射线管)接口在CNC软件控制下，在单色或彩色CRT(或LCD)上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。3.2.1单处理器计算机数字控制⑥位置控制模块速度控制、位置反馈等单元组成位置环控制模块。机床数控系统对位置环的控制要求是无超调、无滞后、特性硬、抗干扰能力强；对速度环的要求是大惯性、大调速比(一般大于1：2000)、特性硬。下图是位置环与速度环示意图。3.2.1单处理器计算机数字控制⑦可编程控制器可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC，替代传统机床强电继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。CNC装置和PLC的数据交换和处理过程如下：1）CNC装置将要PLC处理的数据写到DPRAM中；2）PLC从DPRAM中读取数据，并进行相关逻辑检测、逻辑运算和处理；3）一方面PLC用处理的结果通过输出接口控制机床电气，另一方面将处理的状态通过DPRAM反馈给CNC装置；4）CNC装置根据反馈结果，进行相关处理和显示。3.2.1单处理器计算机数字控制⑧通信接口当CNC装置用作设备层和工作层控制器组成分布式数控系统DNC或柔性制造系统FMS时，还要与上级计算机或直接数字控制器DNC进行数字通信。多微处理器结构的CNC装置：有两个或两个以上的微处理器，各微处理器之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上的微处理器构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，多重操作系统有效地实现并行处理。3.2.2多微处理器结构的计算机数字控制装置3.2.2多微处理器结构的计算机数字控制装置存贮器CPU1I/O接口存贮器CPU2