《機(jī)床電氣控制與plc》課件第6章___數(shù)控系統(tǒng)

1、第6章 數(shù)控系統(tǒng) 6.1 CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6.2、數(shù)控CNC系統(tǒng)的硬件 6.3、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu) 6.4數(shù)控裝置的信息處理 6.5數(shù)控裝置的通信 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的硬件數(shù)控(NC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它主要由硬件和軟件兩大部分組成。通過系統(tǒng)控制軟件與硬件的配合, 完成對進(jìn)給坐標(biāo)控制、主軸控制、刀具控制、輔助功能控制等功能。CNC系統(tǒng)還利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)零件程序編輯、坐標(biāo)系偏移、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、公英制變換、圖形顯示和固定循環(huán)等。使數(shù)控機(jī)床按照操作設(shè)計(jì)要求,加工出需要的零件。 圖6-1國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng) 廣 州 數(shù) 控 系 統(tǒng)FANUC數(shù)控系統(tǒng)西門子系統(tǒng)華 中 數(shù) 控 系 統(tǒng)

2、6.1 CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng),簡稱計(jì)算機(jī)數(shù)控或CNC系統(tǒng),是由系統(tǒng)程序、輸入輸出設(shè)備、通信設(shè)備、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和測量裝置等組成,數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心,數(shù)控裝置有兩種類型: 一是完全由硬件邏輯電路的專用硬件組成的數(shù)控裝置即NC裝置；二是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置即CNC裝置。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是微處理器和微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于數(shù)控裝置后,現(xiàn)在NC裝置已被CNC裝置所取代。 NC:完全由硬件邏輯電路的專用硬件組成的數(shù)控裝置; CNC: 由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)的。 CN

3、C系統(tǒng)的硬件除了一般計(jì)算機(jī)具有的CPU、 EPROM 、 RAM 接口外,還具有數(shù)控位置控制器、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDA)接口、視頻顯示(CRT或LCD)接口和PLC接口等。所以CNC裝置是一種專用計(jì)算機(jī)。 CNC系統(tǒng)的軟件分為管理軟件和控制軟件兩種。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出，刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)、零件程序顯示、機(jī)床狀態(tài)及報(bào)警，故障診斷等?？刂栖浖勺g碼、插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、速度控制、位置控制等軟件組成。6.2、數(shù)控CNC系統(tǒng)的硬件 6.2.1 單微處理器結(jié)構(gòu) 單微處理器結(jié)構(gòu)，是指在CNC裝置中只有一個(gè)微處理器(CPU)。由微處理器、存儲器、位置控制部分、數(shù)據(jù)I/O接口、總線及外圍設(shè)備等

4、組成。它采取集中控制,分時(shí)處理的方式,完成數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。有的CNC裝置中雖然用了兩個(gè)以上的CPU, 但只能有一個(gè)微處理器能夠控制系統(tǒng)總線, 獨(dú)占總線資源, 其它的微處理器只是附屬的專用職能部件,不能控制總線,也不能訪問主存儲器。各微處理器組成主從結(jié)構(gòu),所有數(shù)控功能, 均由一個(gè)微處理器來完成,這種CNC裝置屬于單微處理器結(jié)構(gòu)。圖6-2所示為單微處理器結(jié)構(gòu)。 圖6-2單微處理器結(jié)構(gòu) 1. 微處理器 微處理器是CNC裝置的核心, 主要完成控制器和運(yùn)算器兩大部分的信息處理。常用的CNC裝置微處理器數(shù)據(jù)線寬度為8位、16位、32位,稱相應(yīng)的計(jì)算機(jī)為8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)。 2、存儲器存儲器是計(jì)

5、算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部件。作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)。 CNC裝置的存儲器包括只讀存儲器(ROM)和隨機(jī)存儲器(RAM)兩種。只讀存儲器(ROM)一般采用可以用紫外線擦除的EPROM， 它只能讀出，不能寫入新的內(nèi)容,斷電后,程序也不會丟失。 3、位置控制器位置控制器的主要作用是控制數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給坐標(biāo)軸的位移量,隨時(shí)接收經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)位移量,根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號,修正位置指令,并向坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出位置進(jìn)給指令,使伺服控制單元驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。4、I/0接口電路 數(shù)據(jù)I/0接口與外圍設(shè)備是CNC裝置與操作

6、者之間交換信息的橋梁。 6-3 CNC單元實(shí)物圖 6.2.2.多微處理器結(jié)構(gòu) 多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上連接在一起的微處理器組成。每個(gè)微處理器能獨(dú)立運(yùn)行程序,各微處理器之間各負(fù)責(zé)CNC的一部分功能，與其他處理器進(jìn)行信息交換, 資源共享,協(xié)調(diào)工作,共同完成機(jī)床的控制。多微處理器的組成框圖如圖6- 4所示。 圖6- 4多微處理器的組成框圖6.3、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu) 6.3.1.數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置軟件的結(jié)構(gòu)，應(yīng)取決于數(shù)控裝置中軟件和硬件的分工和軟件本身所應(yīng)完成的工作內(nèi)容有關(guān)。數(shù)控裝置軟件是為實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置各項(xiàng)功能而編制的系統(tǒng)軟件（或?qū)Ｓ密浖?系統(tǒng)軟件又分為管理軟件和控制軟件

7、兩部分，管理軟件包括輸入、I/O處理、顯示、診斷等；而系統(tǒng)控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置補(bǔ)償?shù)取Ｈ鐖D6-5所示。 圖6-5 CNC裝置軟件的組成 圖6-6 軟件面板操作控制圖 6.3.2.軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 數(shù)控裝置是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的多任務(wù)系統(tǒng), 在它的軟件設(shè)計(jì)中,融合了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)。在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)中, 軟件結(jié)構(gòu)常采用前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)； 在多微處理器數(shù)控系統(tǒng)中,各個(gè)CPU分別承擔(dān)一項(xiàng)任務(wù), CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)都具有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷特點(diǎn)。前臺程序是一個(gè)中斷服務(wù)程序,實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、位控及機(jī)床相關(guān)邏輯等實(shí)時(shí)功能；后臺程序?qū)崿F(xiàn)輸入譯碼、數(shù)

8、據(jù)處理及管理等功能,是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序,又稱為背景程序。 1.多任務(wù)并行處理（1)CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性。CNC裝置在數(shù)控機(jī)床中是一個(gè)獨(dú)立的控制單元,它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制任務(wù)。系統(tǒng)管理軟件的作用是監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài),完成操作管理的功能,如程序輸入、I/O處理、顯示及診斷等，實(shí)時(shí)性要求不高,通常作為后臺程序?？刂栖浖歉鶕?jù)零件的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,控制程序?yàn)樽g碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等?？刂栖浖?shí)時(shí)性要求非常高,通常作為前臺程序。 （2)CNC系統(tǒng)的并行處理。并行處理是指CNC數(shù)控裝置在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理顯著的優(yōu)點(diǎn)是提高了

9、運(yùn)算速度。對于多CPU的數(shù)控裝置,采用這種并行處理方法,可以大大提高系統(tǒng)的處理速度。圖6-7 并行任務(wù)處理 （3)分時(shí)共享。要想資源分時(shí)共享，在單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置中, 要采用CPU分時(shí)共享的方法來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)CPU的分時(shí)共享,必須確定各任務(wù)何時(shí)可以占用CPU以及占用CPU的時(shí)間長度。 圖6-8是一個(gè)CNC裝置各任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖,是采用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來使用CPU。 系統(tǒng)在完成初始化以后自動(dòng)進(jìn)入時(shí)間分配環(huán)中,按各自分配的時(shí)間段輪流處理各任務(wù)。對于系統(tǒng)中一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)如位置控制、插補(bǔ)計(jì)算等,按優(yōu)先級排隊(duì),放在環(huán)外,環(huán)外的中斷任務(wù),可以隨時(shí)中

10、斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。中斷優(yōu)先級如圖6- 9所示。圖6-8 CPU的時(shí)間分配圖 圖6-9 中斷優(yōu)先級 2.實(shí)時(shí)中斷處理 (1）中斷的概念 中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。它使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更加靈活、多變.可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理任務(wù)的分時(shí)操作,提高CPU的效率;可以對緊急事件及時(shí)響應(yīng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理與控制。 (2)中斷處理 實(shí)時(shí)中斷處理，數(shù)控機(jī)床在加工零件的過程中,有些控制任務(wù)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求,在系統(tǒng)軟件中只能通過中斷服務(wù)程序來完成。通常CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成,而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)則決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。其原理與計(jì)算機(jī)相似,在內(nèi)部設(shè)立中斷入口地址,一旦有中斷信號, CPU會中斷當(dāng)前的程序運(yùn)行,轉(zhuǎn)

11、入相應(yīng)的中斷服務(wù)系統(tǒng)執(zhí)行。 6.4數(shù)控裝置的信息處理 CNC系統(tǒng)實(shí)際上就是一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(數(shù)控裝置)執(zhí)行數(shù)控軟件的全過程。CNC的系統(tǒng)軟件是為CNC系統(tǒng)完成各項(xiàng)功能而編制的專用軟件。數(shù)控機(jī)床加工, 是由系統(tǒng)程序來完成。不同的CNC系統(tǒng),其軟件結(jié)構(gòu)與規(guī)模各有所不同, 但一個(gè)CNC系統(tǒng)的軟件總是由輸入、程序譯碼、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、進(jìn)給速度處理、位置控制、I/O開關(guān)量處理、管理及診斷程序等部分組成。其核心任務(wù)是控制零件程序的執(zhí)行。是由伺服系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)控裝置輸出的指令,驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工的。 1.零件程序的輸入 輸入CNC裝置的零件加工程序, 一般是通過MDI鍵盤輸入、紙帶輸入、和計(jì)算機(jī)通信輸入。零

12、件加工程序輸入,可以一次全部輸入到數(shù)控裝置的內(nèi)部程序存儲器中,加工時(shí)把一個(gè)個(gè)程序段分別調(diào)出執(zhí)行,稱為存儲工作方式。另一種是一邊輸入零件程序一邊加工, 稱為DNC工作方式, DNC工作方式最適合零件程序長,不能一次性全部輸入,或是CNC裝置內(nèi)部存儲器容量不足,而加工過程又需要連續(xù)的場合。 圖6-10 程序輸入過程 2、數(shù)據(jù)處理零件加工程序輸入后,插補(bǔ)程序是不能直接應(yīng)用的, 必須對加工的零件程序進(jìn)行預(yù)計(jì)算處理,得到插補(bǔ)程序所需要的數(shù)據(jù)信息和控制信息。數(shù)據(jù)處理, 通常包括譯碼、刀具長度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償、進(jìn)給速度換算和機(jī)床輔助功能處理等。3.譯碼處理譯碼處理就是把各種零件

13、輪廓信息(如：起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等)、加工速度信息(F代碼)和其他輔助信息(M、S、T代碼等)按照一定的語法規(guī)則，翻譯成系統(tǒng)能識別的語言。并按照一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)間。在譯碼過程中,還要完成對程序段的語法檢查。譯碼處理的過程如圖6-11所示。圖6-11 譯碼處理過程 4.刀具補(bǔ)償?shù)毒哐a(bǔ)償主要是長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。CNC裝置的零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的,刀具補(bǔ)償?shù)挠?jì)算是將零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡(通過刀具補(bǔ)償實(shí)現(xiàn))。刀具補(bǔ)償還包括程序段之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)接和過切削判別等。5.插補(bǔ)CNC系統(tǒng)中最重要任務(wù)是對機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的控制,通常情況是已知運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)

14、和軌跡的曲線方程, 通過數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算“插入、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)屮間點(diǎn)的坐標(biāo),把這個(gè)過程稱為“插補(bǔ)”。 插補(bǔ)的結(jié)果是輸出運(yùn)動(dòng)軌跡的屮間坐標(biāo)值,由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)這些坐標(biāo)值控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng),并加工出符合規(guī)定的零件形狀。（1）脈沖增量插補(bǔ)法脈沖增量插補(bǔ)法把每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。每發(fā)出一個(gè)脈沖,工作臺移動(dòng)一個(gè)基本長度單位,即脈沖當(dāng)量。由于輸出脈沖的最大速度取決于執(zhí)行一次運(yùn)算所需的時(shí)間,因此,進(jìn)給速率受到一定限制,所以適用于以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。1)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)2)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) （2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)是用小段直線來逼近給定軌跡,

15、插補(bǔ)輸出的是下一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)各軸要運(yùn)動(dòng)的距離,可達(dá)到很高的進(jìn)給速度,適用于閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。6.位置控制位置控制 位置控制的主要任務(wù)是在每個(gè)取樣周期內(nèi),將插補(bǔ)計(jì)算的理論指令位置與實(shí)際反饋位置相比較, 用其差值去控制伺服電動(dòng)機(jī)。在位置控制中，還必須完成位置回路的增益調(diào)整、各螺距誤差補(bǔ)償及反向間隙補(bǔ)償,才能確保數(shù)控機(jī)床的定位精度。7.輸出輸出控制主要是CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號的輸出，輸出控制主要是完成伺服控制、反向間隙、絲杠螺距補(bǔ)償處理以及M、S、T輔助功能，CNC與PLC之間的I/0信號處理。8.顯示CNC裝置的顯示功能有: 零件程序顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、參數(shù)顯示和報(bào)警顯示等。有的

16、CNC裝置中還有刀具加工軌跡的圖形顯示。9.診斷在CNC裝置中設(shè)計(jì)有自診斷程序, 這種自診斷程序融合在各個(gè)部分, 診斷程序可以使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可隨時(shí)進(jìn)行故障檢查與診斷, 一旦有不正常的事件立即報(bào)警。當(dāng)故障出現(xiàn)后, 診斷程序可以幫助用戶迅速查明故障的類型與部位，也可以作為服務(wù)程序在系統(tǒng)運(yùn)行前或發(fā)生故障停機(jī)后進(jìn)行診斷。8.4” 彩色 LCD / MDI9” 單色 CRT / MDI分離型10.4” 彩色 LCD (新)分離型全鍵盤MDI (新) 系統(tǒng)顯示裝置與MDI鍵盤7.2寸黑白LCD6.5數(shù)控裝置的通信 隨著CAD、CAM、ClMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等技術(shù)的發(fā)展,機(jī)床數(shù)控裝置與計(jì)算機(jī)的通信顯得越來越重要?，F(xiàn)代數(shù)控裝置一般具有與上級計(jì)算機(jī)或DNC(分布式數(shù)控系統(tǒng))計(jì)算機(jī)直接通信或連人工廠局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的功能。數(shù)控裝置常用的通信接口有異步串行通信接口RS-232和網(wǎng)