計算機(jī)數(shù)控裝置

第4章計算機(jī)數(shù)控裝置4.1概述4.2計算機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)4.3計算機(jī)數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)4.4數(shù)控機(jī)床的可編程控制器4.5典型的CNC系統(tǒng)簡介14.1概述從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。2

從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。CNC系統(tǒng)平臺3PC+CNC+PLC4CNC系統(tǒng)工作過程輸入→譯碼→數(shù)據(jù)處理→插補(bǔ)→將各個坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動各軸運(yùn)動→實(shí)時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。1）輸入輸入內(nèi)容:零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式:磁盤輸入、光盤輸入、鍵盤輸入、通訊接口輸入及連接上位計算機(jī)的DNC接口輸入2）譯碼：以一個程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。53）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計算以及輔助功能的處理等。4）插補(bǔ)：通過插補(bǔ)計算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5）位置控制：在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。64.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按其中含有CPU的多少可分為：

單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)和多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)；按電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：

大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。7單微處理器結(jié)構(gòu)

以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個任務(wù)。8一個微處理器完成所有的功能；采用總線結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；功能受限制。特點(diǎn)：組成：微處理器（運(yùn)算、控制）、存儲器、總線、接口；91．微處理器微處理器是CNC裝置的中央處理單元，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字運(yùn)算和管理控制，由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。2．總線采用總線結(jié)構(gòu)。分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線三組。3．存儲器只讀存儲器（ROM）：系統(tǒng)程序隨機(jī)存儲器（RAM）：運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息；CMOSRAM或磁泡存儲器：加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)；4．輸入/輸出（I／O）接口5．位置控制器對進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制（包括位置和速度控制）對主軸控制：一般只包括速度控制C軸位置控制：包括位置和速度控制刀庫位置控制（簡易位置控制）6．MDI／CRT接口7．可編程序控制器（PLC）8．通信接口10多微處理器結(jié)構(gòu)

在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理器，分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)控功能。特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。典型結(jié)構(gòu):共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)11共享總線結(jié)構(gòu)12結(jié)構(gòu)特征功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊（RAM/ROM，I/O模塊）；以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上；采用總線仲裁機(jī)構(gòu)（電路）來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。13共享存儲器結(jié)構(gòu)14結(jié)構(gòu)特征面向公共存儲器設(shè)計，即采用多端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊；采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。

由于多端口存儲器設(shè)計較復(fù)雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。15開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可移植性：系統(tǒng)的應(yīng)用模塊無需經(jīng)過任何改變就可以用于另一平臺，仍然保持原有特性。

可擴(kuò)展性：不同應(yīng)用模塊可在同一平臺上運(yùn)行?？蓞f(xié)同性：不同應(yīng)用模塊能夠協(xié)同工作，并以確定方式交換數(shù)據(jù)。

規(guī)?？勺儯簯?yīng)用模塊的功能和性能以及硬件的規(guī)?？砂凑招枰{(diào)整。開放的含義:1617

①軟數(shù)控：SoftCNC以PC機(jī)為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要決實(shí)時性的問題。通過接口卡對伺服驅(qū)動進(jìn)行控制，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo)軸電機(jī)。全方位開放。②PC內(nèi)嵌入運(yùn)動控制卡:把多軸運(yùn)動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，實(shí)現(xiàn)以坐標(biāo)軸運(yùn)動為主的實(shí)時控制（作為數(shù)控功能運(yùn)行）。PC作為人機(jī)接口平臺。易實(shí)現(xiàn)，研究單位和高校。③PC內(nèi)嵌入專用數(shù)控模塊：專業(yè)廠家認(rèn)為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。已生產(chǎn)的大量CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可靠性不利。故采?。涸黾右粔KPC板，提供鍵盤，使PC與CNC聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_放，提高人機(jī)界面的功能。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）現(xiàn)在都這樣做。開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式:184.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)組成：由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。19CNC系統(tǒng)軟件的工作過程：①輸入程序把加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入到CNC裝置中。②譯碼程序?qū)⒊绦蚨沃械墓ぜ喞畔?、進(jìn)給速度等工藝信息和輔助信息翻譯成計算機(jī)識別的數(shù)據(jù)形式，并按一定格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。翻譯過程中對程序段進(jìn)行語法錯誤檢查和邏輯錯誤檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。20③數(shù)據(jù)處理程序刀具半徑和長度補(bǔ)償、速度處理、輔助功能等處理。刀補(bǔ)處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。21速度處理：加工程序給定的進(jìn)給速度是合成速度，無法直接控制。速度處理要做的工作是根據(jù)合成速度來計算各運(yùn)動坐標(biāo)的分速度。開環(huán)系統(tǒng):通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。速度計算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng):采用數(shù)據(jù)采樣方法進(jìn)行插補(bǔ)加工，速度計算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長。22④插補(bǔ)計算程序在給定輪廓線上的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，插入多個中間點(diǎn)位置坐標(biāo)的運(yùn)算過程。中間點(diǎn)的插入是根據(jù)一定的算法由數(shù)控裝置控制軟件或硬件自動完成。23⑤位置控制軟件每個位置反饋采樣周期，將插補(bǔ)給定值與反饋值進(jìn)行比較，用差值去控制電機(jī)。24CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多任務(wù)性：顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制、…

并行處理：系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：☆資源分時共享（單CPU）☆資源重疊流水處理（多CPU）多任務(wù)性與并行處理技術(shù)特點(diǎn):25在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)。即：在規(guī)定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務(wù)占用CPU的時間長度，即時間片的分配問題。資源分時共享并行處理（對單一資源的系統(tǒng)）26資源（CPU）分時共享圖27并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）

在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：

若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行——并發(fā)處理；

若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。28流水處理技術(shù)示意圖29分類:前臺程序:主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個實(shí)時中斷服務(wù)程序。后臺程序(背景程序):完成顯示、程序編輯管理、系統(tǒng)輸入/輸出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理)等弱實(shí)時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運(yùn)行的程序，其在運(yùn)行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。前后臺型結(jié)構(gòu)