數(shù)控系統(tǒng)基本組成

1、本節(jié)提要：本節(jié)提要： l本節(jié)主要介紹數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)硬、軟件組成、本節(jié)主要介紹數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)硬、軟件組成、分類及特點(diǎn)功能。分類及特點(diǎn)功能。數(shù)控系統(tǒng)的基本組成數(shù)控系統(tǒng)的基本組成 數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心核心部分，是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的部分，是整個(gè)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算中心和控制中心運(yùn)算中心和控制中心，其性能的好壞直接決定了數(shù)控機(jī)床，其性能的好壞直接決定了數(shù)控機(jī)床的整體性能的整體性能, ,數(shù)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。數(shù)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。1.1.數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成：數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成： 數(shù)控系統(tǒng)的硬件：數(shù)控系統(tǒng)的硬件：1. 微機(jī)基本系統(tǒng)、

2、微機(jī)基本系統(tǒng)、2. 人機(jī)對話界面接口、人機(jī)對話界面接口、3. 通信接口、通信接口、4. 進(jìn)給軸控制接口、進(jìn)給軸控制接口、5. 主軸控制接口主軸控制接口6. 輔助控制接口等輔助控制接口等 。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成框圖微機(jī)基本系統(tǒng)微機(jī)基本系統(tǒng) 通常微機(jī)基本系統(tǒng)：通常微機(jī)基本系統(tǒng)：CPUCPU、（數(shù)據(jù)運(yùn)算、（數(shù)據(jù)運(yùn)算存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器、I/OI/O接口、接口、定時(shí)器、中斷控制器等幾個(gè)主要部分組成。定時(shí)器、中斷控制器等幾個(gè)主要部分組成。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 圖 2-6 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類I/O接口（輸入接口（輸入/輸出接口）輸出接口）人機(jī)界面接口人機(jī)界面接口 數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面包括以下四部分：數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面包括以

3、下四部分：l鍵盤鍵盤(MDl)(MDl)：用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等。：用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等。l顯示器顯示器(CRT)(CRT)：用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。：用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。l操作面板：用于對機(jī)床進(jìn)行操作。操作面板：用于對機(jī)床進(jìn)行操作。l手搖脈沖發(fā)生器手搖脈沖發(fā)生器(MPG)(MPG)：通過手搖控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)。：通過手搖控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)。 華中數(shù)控系統(tǒng)操作面板華中數(shù)控系統(tǒng)操作面板廣州數(shù)控系統(tǒng)操作面板廣州數(shù)控系統(tǒng)操作面板手搖脈沖發(fā)生手搖脈沖發(fā)生器器通信接口通信接口 通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標(biāo)準(zhǔn)的通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232CRS232C串行通信串行通信接

4、口，因此與外設(shè)以及上級計(jì)算機(jī)連接很方便。接口，因此與外設(shè)以及上級計(jì)算機(jī)連接很方便。進(jìn)給軸控制接口進(jìn)給軸控制接口 實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的位置控制包括三方面的內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的位置控制包括三方面的內(nèi)容：容：進(jìn)給速度控制進(jìn)給速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算插補(bǔ)運(yùn)算和和位置閉環(huán)位置閉環(huán)控制控制。插補(bǔ)方法分為基準(zhǔn)脈沖法與數(shù)據(jù)采。插補(bǔ)方法分為基準(zhǔn)脈沖法與數(shù)據(jù)采樣法?；鶞?zhǔn)脈沖法就是數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)每次樣法?；鶞?zhǔn)脈沖法就是數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)每次插補(bǔ)的結(jié)果以脈沖的形式提供給位置控制插補(bǔ)的結(jié)果以脈沖的形式提供給位置控制單元，這種插補(bǔ)方法進(jìn)給速度與控制精度單元，這種插補(bǔ)方法進(jìn)給速度與控制精度較低，主要應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。較低，主要應(yīng)用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。主

5、軸控制接口主軸控制接口 主軸主軸S S功能可分為無級變速、有級變速和分段功能可分為無級變速、有級變速和分段無級變速三大類。當(dāng)數(shù)控機(jī)床配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置無級變速三大類。當(dāng)數(shù)控機(jī)床配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行時(shí)，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無級變速，否則需用無級變速，否則需用MSTMST接口實(shí)現(xiàn)有級變速。為接口實(shí)現(xiàn)有級變速。為提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用分段無提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用分段無級變速。主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、級變速。主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、主軸準(zhǔn)停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。主軸準(zhǔn)停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。

6、MSTMST控制接口控制接口 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的MSTMST功能是通過開關(guān)量輸入輸出接功能是通過開關(guān)量輸入輸出接口完成口完成( (除除S S模擬量輸出外模擬量輸出外) )。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的MSTMST功能，通過開關(guān)量輸出接口送至強(qiáng)電箱，而機(jī)床與強(qiáng)功能，通過開關(guān)量輸出接口送至強(qiáng)電箱，而機(jī)床與強(qiáng)電側(cè)的信號則通過開關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。因電側(cè)的信號則通過開關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。因?yàn)闉镸STMST功能的開關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床功能的開關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床中大量采用中大量采用PLCPLC可編程控制器來實(shí)現(xiàn)可編程控制器來實(shí)現(xiàn)MSTMST功能。功能。 現(xiàn)

7、代數(shù)控系統(tǒng)中采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller-PLC）來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量及其邏輯關(guān)系的控制。PLC是由計(jì)算機(jī)簡化而來的，為了適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計(jì)算機(jī)的一些數(shù)字運(yùn)算功能，強(qiáng)化了邏輯運(yùn)算功能，是一種介于繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制之間的自動(dòng)控制裝置。PLC的最大特點(diǎn)是，其輸入輸出量之間的邏輯關(guān)系是由軟件決定的，因此改變控制邏輯時(shí)，只要修改控制程序即可，是一種柔性的邏輯控制裝置。另外PLC能夠控制的開關(guān)量數(shù)量要比RLC多，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。由于減少了硬件線路，控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。 6數(shù)控裝置中的PLC 數(shù)控裝置中的PLC有兩種類型：內(nèi)裝型P

8、LC和獨(dú)立型PLC。內(nèi)裝型PLC是指PLC包含在數(shù)控裝置當(dāng)中，PLC與數(shù)控功能模塊間的信號傳送在數(shù)控裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，PLC與機(jī)床間的信號傳送則通過輸入/輸出接口電路實(shí)現(xiàn)，如圖4-25所示。 上：內(nèi)置型PLC右：獨(dú)立型PLC2.2.數(shù)控系統(tǒng)的軟件組成數(shù)控系統(tǒng)的軟件組成 數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)各數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件。項(xiàng)功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件。 1.1. 輸入數(shù)據(jù)處理程序輸入數(shù)據(jù)處理程序、2.2.插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算程序、3.3.速度控制程序速度控制程序、4.4.管理程序管理程序5.5.診斷程序診斷程序。輸入數(shù)據(jù)處理程序輸

9、入數(shù)據(jù)處理程序 它接收它接收輸入輸入的零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的的零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼譯碼、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理，并按規(guī)定的格，并按規(guī)定的格式存放式存放。 插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算程序 數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)等進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算如曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)等進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，分別向各坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，這個(gè)過程稱結(jié)果，分別向各坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，這個(gè)過程稱為為插補(bǔ)運(yùn)算插補(bǔ)運(yùn)算。進(jìn)給脈沖通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或。進(jìn)給脈沖通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或刀具作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完

10、成程序規(guī)定的加工任務(wù)。刀具作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完成程序規(guī)定的加工任務(wù)。 速度控制程序速度控制程序 速度控制程序根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的速度控制程序根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保預(yù)定的進(jìn)給速度。在速度變化較大時(shí)，需頻率，以保預(yù)定的進(jìn)給速度。在速度變化較大時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)要進(jìn)行自動(dòng)加減速控制加減速控制，以避免因速度突變而造成驅(qū)，以避免因速度突變而造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失步。動(dòng)系統(tǒng)失步。管理程序管理程序 管理程序負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算管理程序負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算等為加工過程服務(wù)的各種程序進(jìn)行調(diào)度管理。管理程等為加工過程服務(wù)的各種程序進(jìn)行調(diào)度管理。管理程序還要對面板命令、時(shí)鐘

11、信號、故障信號等引起的中序還要對面板命令、時(shí)鐘信號、故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理。斷進(jìn)行處理。 診斷程序診斷程序 診斷程序的功能是在程序運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的診斷程序的功能是在程序運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也可以在運(yùn)行前或故障發(fā)故障，并指出故障的類型。也可以在運(yùn)行前或故障發(fā)生后，檢查系統(tǒng)各主要部件生后，檢查系統(tǒng)各主要部件（CPUCPU、存儲(chǔ)器、接口、存儲(chǔ)器、接口、開關(guān)、伺服系統(tǒng)等）開關(guān)、伺服系統(tǒng)等）的功能是否正常，并指出發(fā)生故的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。障的部位。 CNC系統(tǒng)中的微處理器系統(tǒng)中的微處理器 1單微處理器單微處理器系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn) 單微處理

12、器系統(tǒng)的單微處理器系統(tǒng)的CNC裝置的特點(diǎn)是整個(gè)裝置的特點(diǎn)是整個(gè)CNC裝裝置中只有一個(gè)置中只有一個(gè)CPU，通過該，通過該CPU來集中管理和控制整來集中管理和控制整個(gè)系統(tǒng)的資源（包括存儲(chǔ)器、總線），并通過分時(shí)處個(gè)系統(tǒng)的資源（包括存儲(chǔ)器、總線），并通過分時(shí)處理的方法，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。有些理的方法，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。有些CNC裝置中，雖裝置中，雖然有兩個(gè)或兩個(gè)以上的然有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，但只有一個(gè)，但只有一個(gè)CPU對系統(tǒng)對系統(tǒng)的資源擁有控制權(quán)和使用權(quán)，該的資源擁有控制權(quán)和使用權(quán)，該CPU稱為主稱為主CPU，其，其它它CPU（稱為從（稱為從CPU）無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，只）無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資

13、源，只能接受主能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)請求發(fā)請求信號以獲取所需要的數(shù)據(jù)，從而完成某一輔助功能，信號以獲取所需要的數(shù)據(jù)，從而完成某一輔助功能，該結(jié)構(gòu)稱為主從結(jié)構(gòu)，也可歸為單機(jī)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)稱為主從結(jié)構(gòu)，也可歸為單機(jī)結(jié)構(gòu)。多微處理器系統(tǒng)的組成多微處理器系統(tǒng)的組成l多微處理器系統(tǒng)的CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶CPU的功能部件可對系統(tǒng)資源（存儲(chǔ)器、總線）有控制權(quán)和使用權(quán)。它們又分為多主結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。多主結(jié)構(gòu)是指帶CPU的功能部件之間采用緊耦合方式聯(lián)結(jié)，有集中的操作系統(tǒng)用總線仲裁器解決總線爭用通過公共存儲(chǔ)器交換系統(tǒng)信息。 1多微處理器系統(tǒng)特點(diǎn)多微處理器系

14、統(tǒng)特點(diǎn)l（1）計(jì)算處理速度高 l（2）可靠性高l（3）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性l（4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)2. 多微處理器系統(tǒng)的基本功能模塊多微處理器系統(tǒng)的基本功能模塊 l（1) CNC管理模塊 l（2）存儲(chǔ)器模塊l（3）CNC插補(bǔ)模塊 l（4）位置控制模塊l（5）操作和控制數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊l（6） PLC模塊3多微處理機(jī)多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)裝置的典型結(jié)構(gòu)l（1）共享總線結(jié)構(gòu)l（2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 數(shù)控軟件的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 1.多任務(wù)與并行處理技術(shù)（1） 數(shù)控裝置的多任務(wù)性圖4-11 數(shù)控裝置的任務(wù)及分類框圖這些任務(wù)中有些可以順序執(zhí)行，有些必須同時(shí)執(zhí)行，如： （1） 顯示和控制任

15、務(wù)必須同時(shí)執(zhí)行，以便操作人員及時(shí)了解機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)； （2） 在加工過程中，為使加工過程連續(xù)，譯碼、刀補(bǔ)、插補(bǔ)和位置控制模快也必須同時(shí)進(jìn)行。優(yōu)先級順序顯示其它譯碼I/ O刀補(bǔ)位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序背 景 程序 初始化（2） 多任務(wù)并行處理的實(shí)現(xiàn) 1） 資源分時(shí)共享圖4-12 分時(shí)共享多任務(wù)處理方案2.2 2.2 數(shù)控系統(tǒng)的分類、性能指標(biāo)及功能數(shù)控系統(tǒng)的分類、性能指標(biāo)及功能l2.2.1 2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類數(shù)控系統(tǒng)的分類 就系統(tǒng)硬件和軟件組成及其結(jié)構(gòu)形式而言，當(dāng)今世界就系統(tǒng)硬件和軟件組成及其結(jié)構(gòu)形式而言，當(dāng)今世界的各種數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下的各種數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下四種類型四種類型: :

16、1.1.傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，具有很強(qiáng)的專用這類數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，具有很強(qiáng)的專用性，經(jīng)過了長時(shí)間的使用，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠。但由于其采用一種完性，經(jīng)過了長時(shí)間的使用，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠。但由于其采用一種完全封閉的體系結(jié)構(gòu)，往往存在以下缺點(diǎn)：全封閉的體系結(jié)構(gòu)，往往存在以下缺點(diǎn)：l 用戶的應(yīng)用、維修以及操作人員培訓(xùn)完全依賴于數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，用戶的應(yīng)用、維修以及操作人員培訓(xùn)完全依賴于數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用較高；系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用較高；l 系統(tǒng)功能的擴(kuò)充以及更新完全依賴于公司的技術(shù)水平，周期比較長；系統(tǒng)功能的擴(kuò)充

17、以及更新完全依賴于公司的技術(shù)水平，周期比較長；l 大量市售廉價(jià)通用軟硬件在專用數(shù)控系統(tǒng)上無法使用，功能比較單一。大量市售廉價(jià)通用軟硬件在專用數(shù)控系統(tǒng)上無法使用，功能比較單一。2.PC2.PC嵌入嵌入NCNC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)相比，這類數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)相比，（優(yōu)點(diǎn)）（優(yōu)點(diǎn)）結(jié)構(gòu)上具備一些開放性，功能十分強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)上具備一些開放性，功能十分強(qiáng)大，（缺點(diǎn)）（缺點(diǎn)）但系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，系統(tǒng)價(jià)格也十分昂貴，但系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，系統(tǒng)價(jià)格也十分昂貴，一般的中小型數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家沒有經(jīng)濟(jì)能力去購買。一般的中小型數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家沒有

18、經(jīng)濟(jì)能力去購買。3.NC3.NC嵌入嵌入PCPC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng) 這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分由開放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分由開放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制卡與制卡與PCPC機(jī)構(gòu)成，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)構(gòu)成，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLCPLC控制能力?？刂颇芰?。開放性能比較好，并且對功能進(jìn)行改進(jìn)也比較方便，系統(tǒng)開放性能比較好，并且對功能進(jìn)行改進(jìn)也比較方便，系統(tǒng)的控制功能主要由運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)，機(jī)床硬件發(fā)生改變的控制功能主要由運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)，機(jī)床硬件發(fā)生改變時(shí)，只需要修改相應(yīng)部分的控制軟件，并且系統(tǒng)性價(jià)比也時(shí)，只需要修改相應(yīng)部分的控制軟件，并且系統(tǒng)性價(jià)比也比較高，能夠滿足大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家的需要。比較高，能夠滿足大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家的需要。 4.4.全軟件型的開放式數(shù)控系統(tǒng)全軟件型的開放式數(shù)控系統(tǒng) 這是一種最新型的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，所有這是一種最新型的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，所有的數(shù)控功能的數(shù)控功能( (包括插補(bǔ)、位置控制等包括插補(bǔ)、位置控制等) )全部都是由計(jì)算機(jī)軟全部都是由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的。與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，全軟件