數(shù)控技術(shù) 課件第章

第四章

數(shù)控裝置

第一節(jié)

概

述

一、數(shù)控裝置的作用數(shù)控裝置的主要作用是，讀入數(shù)控加工程序，將其轉(zhuǎn)換成控制機(jī)床運(yùn)動和輔助功能要求的格式，分別送給進(jìn)給電機(jī)控制單元、主軸電機(jī)控制單元和PLC，具有內(nèi)置PLC功能的數(shù)控裝置本身具有邏輯量解算功能，直接將解算結(jié)果送給機(jī)床強(qiáng)電控制系統(tǒng)。具有閉環(huán)控制功能的數(shù)控系統(tǒng)還會讀入機(jī)床位置檢測裝置發(fā)出的實(shí)際位置信號，與指令位置比較后，用其差值控制機(jī)床的移動，可以獲得較高的位置控制精度。

返回課件首頁二、數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢ硬件軟件Ⅳ

圖4-1幾種典型的軟硬件界面的劃分程序輸入數(shù)據(jù)處理插補(bǔ)位控速控伺服電機(jī)測量軟硬件功能界面問題：哪些功能由軟件來實(shí)現(xiàn)，哪些功能由硬件來實(shí)現(xiàn)，或怎樣確定軟件和硬件在數(shù)控裝置中所承擔(dān)的任務(wù)。四種功能界面的劃分，代表了不同時期的數(shù)控裝置產(chǎn)品。數(shù)控裝置發(fā)展的趨勢是軟件承擔(dān)的任務(wù)越來越多。這主要是由于計算機(jī)的運(yùn)算處理能力不斷增強(qiáng)，使軟件運(yùn)行的速度大大提高的結(jié)果。這種趨勢并不是一成不變的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，硬件的成本也在不斷降低，如果硬件的制造可以做到象軟件一樣靈活，能夠根據(jù)特殊需求，專門制做的時候，硬件所擔(dān)負(fù)的功能還會逐步增加。

第二節(jié)

數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

一、由單片機(jī)組成的數(shù)控裝置圖4-2用80C31單片機(jī)組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖

二、單微處理機(jī)數(shù)控裝置

圖4-3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖CPU紙帶機(jī)接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能

圖4-4數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）三、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控裝置

圖4-5基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)控裝置各功能模塊間的通訊是按照SERCOS（SerialCommunicationSystem）協(xié)議進(jìn)行的。圖4-7表示了SERCOS協(xié)議通訊的原理。由一個控制器和若干個伺服驅(qū)動器構(gòu)成通訊回路。通訊以循環(huán)方式進(jìn)行，每個循環(huán)的時間可設(shè)定為62μs、125μs、250μs或其整數(shù)倍。循環(huán)時間的長短以保證控制器和伺服驅(qū)動器間的同步通訊為前提。圖中的Master表示運(yùn)動控制器，Slavei表示連接在控制環(huán)路中的第i個伺服驅(qū)動器，MST表示同步信息，ATi表示第i個伺服驅(qū)動器發(fā)送的數(shù)據(jù)，MDT為控制器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。

驅(qū)動器數(shù)/光纖環(huán)42

21

246通訊周期

圖4-6每個光纖環(huán)路能控制的驅(qū)動器個數(shù)66

圖4-7SERCOS通訊原理

控制制器器和和伺伺服服驅(qū)驅(qū)動動器器間間的的通通訊訊包包括括三三種種情情況況：：1．．控制制器器發(fā)發(fā)出出同同步步信信息息，，各各伺伺服服驅(qū)驅(qū)動動器器以以此此同同步步信信息息為為保保證證同同步步通通訊訊的的時時間間基基準(zhǔn)準(zhǔn)；；2．．控制制器器向向環(huán)環(huán)路路中中的的所所有有伺伺服服驅(qū)驅(qū)動動器器發(fā)發(fā)送送同同步步數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)（（CycleData）和和伺伺服服數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)（（ServeData）；；3．．伺服服驅(qū)驅(qū)動動器器將將要要發(fā)發(fā)送送的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)送送到到相相應(yīng)應(yīng)的的時時間間槽槽（（TimeSlots）。。通通訊訊按按照照NRZI編碼碼的的HDLC協(xié)議議進(jìn)進(jìn)行行。。第三三節(jié)節(jié)數(shù)控控軟軟件件一、、數(shù)控控軟軟件件的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換流流程程圖4-8數(shù)數(shù)控控裝裝置置軟軟件件的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換流流程程加工程序譯碼刀補(bǔ)處理速度控制插補(bǔ)處理位置控制伺服驅(qū)動PLC控制位置反饋?zhàn)g碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)緩沖區(qū)運(yùn)行緩沖區(qū)（一一））譯譯碼碼譯碼碼就就是是把把用用ASCⅡⅡ碼碼編編寫寫的的零零件件加加工工程程序序翻翻譯譯成成數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)要要求求的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)格格式式，，并并存存放到到譯譯碼碼緩緩沖沖區(qū)區(qū)中中，，準(zhǔn)準(zhǔn)備備為為后后續(xù)續(xù)程程序序使使用用。。譯譯碼碼后后的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)有有兩兩種種存存放放格格式式。。1．．不按按字字符符格格式式的的存存放放方方法法M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；；圖4-9不不按按字字符符格格式式的的譯譯碼碼數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)存存放放格格式式2．．保留留字字符符格格式式的的存存放放方方法法StructPROG_BUFFER{charbuf_state；；//0：：空空，，1：：有有數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)intblock_num；；//程程序序段段號號doubleCOORD[20]；；//尺尺寸寸字字的的數(shù)數(shù)值值，，單單位位為為μμmintF，，S；；//進(jìn)進(jìn)給給速速度度和和主主軸軸速速度度charG_flag；；//以以標(biāo)標(biāo)志志形形式式存存放放的的G指指令令charG1；；//G指指令令表表...charM_flag；；//以以標(biāo)標(biāo)志志形形式式存存放放的的M指指令令charM1；；//M指指令令表表...charT；；//刀刀具具代代號號charD；；//刀刀具具半半徑徑值值}；；（二二））刀刀補(bǔ)補(bǔ)刀補(bǔ)補(bǔ)處處理理程程序序主主要要進(jìn)進(jìn)行行以以下下幾幾項項工工作作：：1．．計算算本本段段零零件件輪輪廓廓的的終終點(diǎn)點(diǎn)坐坐標(biāo)標(biāo)值值；；2．．根據(jù)據(jù)刀刀具具的的半半徑徑值值和和刀刀具具補(bǔ)補(bǔ)償償方方向向，，計計算算出出本本段段刀刀具具中中心心軌軌跡跡的的終終點(diǎn)點(diǎn)位位置置；；3．．根據(jù)據(jù)本本段段和和下下一一段段的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接接關(guān)關(guān)系系進(jìn)進(jìn)行行段段間間處處理理。。（三三））速速度度預(yù)預(yù)處處理理速度度預(yù)預(yù)處處理理程程序序主主要要完完成成以以下下幾幾步步計計算算：：1．．計計算算本本程程序序段段總總位位移移量量2．．計計算算每每個個插插補(bǔ)補(bǔ)周周期期內(nèi)內(nèi)的的合合成成進(jìn)進(jìn)給給量量ΔL=FΔΔt/60（（μμm））式中中，，F(xiàn)——進(jìn)進(jìn)給給速速度度值值（（mm/min））；；Δt——數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)的的插插補(bǔ)補(bǔ)周周期期（（ms））。。（四四））插插補(bǔ)補(bǔ)處處理理1．．根據(jù)據(jù)速速度度倍倍率率值值計計算算本本次次插插補(bǔ)補(bǔ)周周期期的的實(shí)實(shí)際際合合成成位位移移量量；；2．．計算算新新的的坐坐標(biāo)標(biāo)位位置置；；3．．將合合成成位位移移分分解解到到各各個個坐坐標(biāo)標(biāo)方方向向，，得得到到各各個個坐坐標(biāo)標(biāo)軸軸的的位位置置控控制制指指令令。。插補(bǔ)補(bǔ)程程序序的的實(shí)實(shí)時時性性（五五））位位置置控控制制圖4-10位位置置控控制制算算法法原原理理指令位置+插補(bǔ)輸出+Δx2，Δy2--位控輸出Δx3，Δy3

+X2新，Y2新實(shí)際位置增量Δx1，Δy1

實(shí)際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊

X1舊，Y1舊

++-1．．計算算新新的的指指令令坐坐標(biāo)標(biāo)位位置置X2新新=X2舊舊+ΔΔx2Y2新新=Y2舊舊+ΔΔy22．．計算算實(shí)實(shí)際際坐坐標(biāo)標(biāo)位位置置X1新新=X1舊舊+ΔΔx1Y1新新=Y1舊舊+ΔΔy13．．計算算位位置置控控制制輸輸出出值值Δx3=X2新新-X1新新Δy3=Y2新新–Y1新新位置置控控制制是是強(qiáng)強(qiáng)實(shí)實(shí)時時性性任任務(wù)務(wù)，，所所有有計計算算必必須須在在位位置置控控制制周周期期（（伺伺服服周周期期））內(nèi)內(nèi)完完成成。。伺伺服服周周期期可可以以等等于于插插補(bǔ)補(bǔ)周周期期，，也也可可以以是是插插補(bǔ)補(bǔ)周周期期的的整整數(shù)數(shù)分分之之一一。。二、數(shù)控軟件件的特點(diǎn)點(diǎn)（一）多多任務(wù)與與并行處處理技術(shù)術(shù)1．?dāng)?shù)控裝置置的多任任務(wù)性圖4-11數(shù)數(shù)控裝裝置的任任務(wù)數(shù)控裝置管理控制輸入I/O處理顯示診斷通訊速度處理刀具補(bǔ)償譯碼插補(bǔ)位置控制這些任務(wù)務(wù)中有些些可以順順序執(zhí)行行，有些些必須同同時執(zhí)行行，如：：（1）顯示和控控制任務(wù)務(wù)必須同同時執(zhí)行行，以便便操作人人員及時時了解機(jī)機(jī)床運(yùn)行行狀態(tài)；；（2）在加工過過程中，，為使加加工過程程連續(xù)，，譯碼、、刀補(bǔ)、、插補(bǔ)和和位置控控制?？炜煲脖仨毻瑫r進(jìn)進(jìn)行。2．多任務(wù)并并行處理理的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)（1）資源分時時共享圖4-12分分時共共享多任任務(wù)處理理方案優(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圖4-13各各任務(wù)占占用CPU時間間示意圖圖0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序（2）時間重疊疊流水處處理圖4-14時時間重疊疊流水處處理示意意圖12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時間t1t2t3t4t5t6時間a）順序處理b）并行處理空間N3N2N1空間N2N1輸出輸出三、數(shù)控控軟件的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)（一）前前后臺型型結(jié)構(gòu)模模式圖4-15前前后臺臺程序的的運(yùn)行關(guān)關(guān)系故障處理；位置控制；插補(bǔ)運(yùn)算；．．．譯碼；刀補(bǔ)；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺程序前臺程序中斷執(zhí)行（二）中中斷型結(jié)結(jié)構(gòu)模式式中斷型結(jié)結(jié)構(gòu)的數(shù)數(shù)控軟件件系統(tǒng)見見圖4-16。。圖4-16中中斷型型結(jié)構(gòu)的的數(shù)控軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務(wù)程序1級中斷服務(wù)程序2級中斷服務(wù)程序N級中斷服務(wù)程序第四節(jié)數(shù)控裝置置的輸入入/輸出出接口一、接口口標(biāo)準(zhǔn)化化二、接口口的任務(wù)務(wù)1．進(jìn)行電平平和功率率放大。。2．將數(shù)控裝裝置和機(jī)機(jī)床之間間的信號號在電氣氣上加以以隔離。。3．?dāng)?shù)/模（（D/A）或模模/數(shù)（（A/D）轉(zhuǎn)換換電路。?？顾p和和畸變。。主軸驅(qū)動電機(jī)數(shù)控裝置

Ⅰ接口分Ⅱ類

Ⅲ

Ⅳ電機(jī)速度控制進(jìn)給主軸驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸進(jìn)給電機(jī)操作面板限位開關(guān)機(jī)電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉(zhuǎn)臺，換刀裝置等）輔助電機(jī)機(jī)床控制設(shè)備控制裝置電源控制（變壓器，保護(hù)裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳感器激勵位置指示電源連鎖停止命令開/關(guān)指令信號三、常用的輸輸入輸出出接口1.直流模擬擬信號接接口a)單極極性輸出出b)雙雙極性輸輸出圖4-18AD7520電壓輸輸出電路路+5V+5V2．2k2.2k1000.1u4．7u100a)斯密密特觸發(fā)發(fā)電路b)R—S觸觸發(fā)器整整形電路路圖4-20消消除觸觸點(diǎn)抖動動的電路路斯密特觸發(fā)器CNC接收器+5V電平轉(zhuǎn)換電路以電壓輸輸入的接接收電路路見圖4-21。MT電壓輸入接收器+5V圖4-21電電壓輸輸入的接接收電路路+24V+24V輸出CNCa)繼電電器輸出出b)無觸點(diǎn)點(diǎn)輸出圖4-22輸輸出接接口電路路CNCCNC3、數(shù)控控裝置的的通信接接口輸入文件名初始化8520輸入文件名輸入文件名字符？DC1？DC3？結(jié)束？結(jié)束第五節(jié)PLC控制制一、PLC的的基本概概念1．RLC與PLCCWT1StopT1CCWT2T2圖4-24實(shí)實(shí)現(xiàn)主主軸正反反轉(zhuǎn)及停停止控制制的繼電電器邏輯輯電路現(xiàn)代數(shù)控控系統(tǒng)中中采用可可編程邏邏輯控制制器（ProgrammableLogicController--PLC）來實(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)關(guān)量及其其邏輯關(guān)關(guān)系的控控制。PLC是是由計算算機(jī)簡化化而來的的，為了了適應(yīng)順順序控制制的要求求，PLC省去去了計算算機(jī)的一一些數(shù)字字運(yùn)算功功能，強(qiáng)強(qiáng)化了邏邏輯運(yùn)算算功能，，是一種種介于繼繼電器控控制和計計算機(jī)控控制之間間的自動動控制裝裝置。PLC的的最大特特點(diǎn)是，，其輸入入輸出量量之間的的邏輯關(guān)關(guān)系是由由軟件決決定的，，因此改改變控制制邏輯時時，只要要修改控控制程序序即可，，是一種種柔性的的邏輯控控制裝置置。另外外PLC能夠控控制的開開關(guān)量數(shù)數(shù)量要比比RLC多，能能實(shí)現(xiàn)復(fù)復(fù)雜的控控制邏輯輯。由于于減少了了硬件線線路，控控制系統(tǒng)統(tǒng)的可靠靠性大大大提高。。2．?dāng)?shù)控控裝置中中的PLC數(shù)控裝置置中的PLC有有兩種類類型：內(nèi)內(nèi)裝型PLC和和獨(dú)立型型PLC。內(nèi)裝裝型PLC是指指PLC包含在在數(shù)控裝裝置當(dāng)中中，PLC與數(shù)數(shù)控功能能模塊間間的信號號傳送在在數(shù)控裝裝置內(nèi)部部實(shí)現(xiàn)，，PLC與機(jī)床床間的信信號傳送送則通過過輸入/輸出接接口電路路實(shí)現(xiàn)，，如圖4-25所示。。圖4-25內(nèi)內(nèi)裝型PLC結(jié)結(jié)構(gòu)圖

NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作獨(dú)立型PLC又又稱通用用型PLC，的的CPU、系統(tǒng)統(tǒng)程序、、用戶程程序、輸輸入/輸輸出電路路、通訊訊等均設(shè)設(shè)計成獨(dú)獨(dú)立的模模塊。獨(dú)獨(dú)立型PLC與與數(shù)控裝裝置的關(guān)關(guān)系如圖圖4-26圖4-26獨(dú)獨(dú)立型PLC結(jié)結(jié)構(gòu)圖

NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路二、PLC編程程的基本本方法由于PLC的硬硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)不同，，功能也也不盡相相同，程程序的表表達(dá)方法法也不同同?？删幘幊绦蜻夁壿嬁刂浦破鞯某３Ｓ镁幊坛谭椒ㄓ杏薪狱c(diǎn)梯梯形圖法法和語句句表法。。1．接點(diǎn)梯形形圖梯形圖（（LC——LadderDiagram））編程是是一種圖圖形編程程方法，，由于用用了電路路元件符符號來表表示控制制任務(wù)，，與傳統(tǒng)統(tǒng)的繼電電器電路路圖很相相似，因因此梯形形圖很直直觀，易易于理解解。前面面提到的的電機(jī)正正反轉(zhuǎn)控控制的梯梯形圖程程序如圖圖4-27所示示。R1支路11.0AE梯梯級級1支路2120.11.2120.1支路31.1BER2梯級21.2120.2支路4120.2電力軌電電力力軌圖4-27電電機(jī)正反反轉(zhuǎn)控制制的接點(diǎn)點(diǎn)梯形圖圖2．語句表語句表也也稱指令令表（IL—InstructionList），或或指令表表語言。。指令表表語言和和匯編語語言很相相似，每每條語句句包含有有一個操操作碼部部分和一一個操作作數(shù)部分分。操作作碼表示示功能類類型，操操作數(shù)表表示操作作的對象象，操作作數(shù)由地地址碼和和參數(shù)組組成。若若采用指指令語句句，圖4-27所示的的梯形圖圖程序可可表達(dá)為為：RDA1.0ORR1120.1AND，，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，，NOTE1.2WRTR2120.2其中的RD、OR、AND、、NOT等稱為為指令語語句的操操作碼，，而1.0、120.1、1.2等等為操作作數(shù)。這這種編程程方法緊緊湊、系系統(tǒng)化，，但比較較抽象，，有時先先用梯形形圖表達(dá)達(dá)，然后后寫成相相應(yīng)的指指令語句句再用編編程器上上的指令令和功能能鍵輸入入到PLC中。。表4-1是常常用的操操作碼及及其涵義義。三、PLC的工工作過程程1．PLC的硬硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)圖4-28PLC硬硬件原理理圖CPURAMEPROM用戶程序EPROM用戶程序編程器電源輸入輸出模塊功能開關(guān)和指示器電池2．PLC的工工作過程程PLC的的工作過過程是在在硬件的的支持下下運(yùn)行軟軟件的過過程。0000H圖4-29PLC的的掃描過過程輸入/輸出狀態(tài)采集解算梯形圖掃描I/O口，更新輸出狀態(tài)掃描編程器更新顯示強(qiáng)行I/O操作用戶程序序通過編編程器順順序輸入入到用戶戶存儲器器內(nèi)，CPU對對用戶程程序循環(huán)環(huán)掃描并并順序執(zhí)執(zhí)行。這這是PLC的基基本工作作方式。。圖4-29給給出了GE系列列PLC的CPU掃描描過程。。只要PLC接接通電源源，CPU就對對用戶存存儲器的的程序進(jìn)進(jìn)行掃描描。掃描描從0000H地址所所存儲的的第一條條用戶程程序開始始，順序序進(jìn)行，，直到存存儲器結(jié)結(jié)尾或用用戶程序序的最后后一個地地址為止止，形成成一個掃掃描循環(huán)環(huán)，周而而復(fù)始。。每掃描描一次，，CPU進(jìn)行輸輸入點(diǎn)的的狀態(tài)采采集、用用戶程序序的邏輯輯解算、、相應(yīng)輸輸出狀態(tài)態(tài)的更新新和I/O執(zhí)行行。接入入編程器器時，也也對編程程器的輸輸入響應(yīng)應(yīng)，并更更新顯示示。然后后CPU對自身身的硬件件進(jìn)行快快速自檢檢，并對對監(jiān)視掃掃描用定定時器進(jìn)進(jìn)行復(fù)位位。完成成自檢后后，CPU又從從存儲器器的0000H地址重重新開始始掃描運(yùn)運(yùn)行。圖圖4-30用一一個控制制實(shí)例進(jìn)進(jìn)一步說說明行程程開關(guān)PB1被被壓下時時PLC的控制制過程。。（1）當(dāng)按鈕開開關(guān)PB1壓下下，輸入入繼電器器X401的線線圈接通通；（2）X401常開觸觸點(diǎn)閉合合，由此此輸出繼繼電器Y430通電；；（3）外部輸出出點(diǎn)Y430閉閉合，指指示燈PL亮；；（4）當(dāng)PB1被放開開時，輸輸入繼電電器X401的的線圈不不再工作作，其對對應(yīng)的觸觸點(diǎn)X401斷斷開，這時時輸出繼繼電器Y430仍保持持接通，，這是因因為Y430的的觸點(diǎn)接接通后，，其中的的一個觸觸點(diǎn)起到到了自鎖鎖作用；；（5