第四章数控装置

1、第四章第四章 数控装置数控装置 第一节第一节 概概 述述 一、数控装置的作用 数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。返回课件首页 二、数控装置软件和硬件的功能界面 硬件 软件 图4-1 几种典型的软硬件界面的划分程序输入数据处理插补位控速控伺服电机测量 软硬件功能界面问题：

2、哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务。 四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。 第二节第二节 数控装置的硬件结构数控装置的硬件结构 一、由单片机组成的数控装置图4-2 用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图 二、单微处理机数控装置 图4

3、-3 单微处理机数控装置的结构图CPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROM接口RAM接口PLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能 图4-4 数控装置的物理结构（FANUC-6MB）三、基于网络的数控装置图4-5 基于网络的数控系统结构图 数控装置各功能模块间的通讯是按照SERCOS（Serial Communication System）协议进行的。图4-7表示了SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循环的时间可设定为62s、125s、25

4、0s或其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步通讯为前提。图中的Master表示运动控制器，Slave i表示连接在控制环路中的第i个伺服驱动器，MST表示同步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为控制器发送到网络上的数据。 驱动器数/光纤环 42 21246通讯周期图4-6每个光纤环路能控制的驱动器个数66 图4-7 SERCOS通讯原理 控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况： 1控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此同步信息为保证同步通讯的时间基准； 2控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同步数据（Cycle Data）和伺服数据（Serve Data）； 3伺

5、服驱动器将要发送的数据送到相应的时间槽（Time Slots）。通讯按照NRZI编码的HDLC协议进行。 第三节第三节 数控软件数控软件 一、数控软件的数据转换流程 图4-8 数控装置软件的数据转换流程 加工程序译码刀补处理速 度 控制插 补 处理位置控制伺 服 驱动P L C 控制位 置 反馈译码缓冲区刀补缓冲区运行缓冲区 （一）译码 译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。 1不按字符格式的存放方法 M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.； 高4位 低4位 说 明 1

6、3G 0323M 03100X值 50Y值 0Z值 0I值 50J值 0K值 100F值 图4-9 不按字符格式的译码数据存放格式 2保留字符格式的存放方法 Struct PROG_BUFFERchar buf_state； /0：空， 1：有数据 int block_num； /程序段号 double COORD20； /尺寸字的数值，单位为m int F，S； /进给速度和主轴速度 char G_flag； /以标志形式存放的G指令 char G1； /G指令表 . char M_flag； /以标志形式存放的M指令 char M1； /M指令表 . char T； /刀具代号 char

7、D； /刀具半径值 ； （二）刀补刀补处理程序主要进行以下几项工作： 1计算本段零件轮廓的终点坐标值； 2根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置； 3根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。 （三）速度预处理速度预处理程序主要完成以下几步计算： 1计算本程序段总位移量 2计算每个插补周期内的合成进给量 L=Ft/60（m） 式中，F 进给速度值（mm/min）； t 数控系统的插补周期（ms）。 （四）插补处理 1根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量； 2计算新的坐标位置； 3将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。 插补程序的实时性 （

8、五）位置控制图4-10 位置控制算法原理指令位置+插补输出+x2，y2-位控输出x3，y3+X2新，Y2新实 际 位 置 增量x1，y1实际位置X1新，Y1新X2旧，Y2旧X1旧，Y1旧+-1计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + x2 Y2新 = Y2旧 + y22计算实际坐标位置 X1新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y13计算位置控制输出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。 二、数控软件的特点 （一）多任务与并行处理技

9、术 1数控装置的多任务性 图4-11 数控装置的任务 数控装置管理控制输入I/O处理显示诊断通讯速度处理刀具补偿译码插补位置控制 这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如： （1）显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态； （2）在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必须同时进行。 2多任务并行处理的实现 （1）资源分时共享图4-12 分时共享多任务处理方案优先级顺序显示其它译码I/O刀补位置控制插补运算背景程序背 景 程序初始化图4-13 各任务占用CPU时间示意图 0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序 （2）时间重

10、叠流水处理 图4-14 时间重叠流水处理示意图12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间a）顺序处理b）并行处理空 间N3N2N1空间N2N1输出输出 三、数控软件的基本结构 （一）前后台型结构模式 图4-15 前后台程序的运行关系 故障处理；位置控制；插补运算；译码；刀补；速度处理；输入/输出；显示。循环执行后台程序前台程序中断执行 （二）中断型结构模式 中断型结构的数控软件系统见图4-16。 图4-16 中断型结构的数控软件系统 初始化中断管理系统（硬件+软件）0 级 中断服务程序1 级 中断服务程序2 级 中断服务程序N级中断

11、服务程序 第四节 数控装置的输入/输出接口 一、接口标准化 二、接口的任务 1进行电平和功率放大。 2将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。 3数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。抗衰减和畸变。 主轴驱动电机数控装置接口分类 电机速度控制进给主轴驱动机床坐标轴进给电机操作面板限位开关机电器件（电磁铁，离合器等）辅助功能（齿轮箱，转台，换刀装置等）辅助电机机床控制设备控制装置电源控制（变压器，保护装置等）速度Vx，Vy，Vz电源位置测量传 感 器 激 励位置指示电源连锁停止命令开/关指令信号 三、常用的输入输出接口 1.直流模拟信号接口 a)单极性输出 b)双极性输出图4-18 A

12、D7520电压输出电路 +5V +5V 22k 2.2k 100 0.1u 47u 100 a)斯密特触发电路 b) RS触发器整形电路图4-20 消除触点抖动的电路斯密特触发器CNC接收器+5V电平转换电路以电压输入的接收电路见图4-21。 MT 电压 输入 接收器 +5V 图4-21 电压输入的接收电路 +24V +24V 输出 CNC a)继电器输出 b)无触点输出图4-22 输出接口电路CNCCNC3、数控装置的通信接口输入文件名初始化8250输入文件名输入文件名字符？DC1？DC3？结束？结束第五节第五节 PLCPLC控制控制一、PLC的基本概念1RLC与PLC CW T1 Stop

13、 T1 CCW T2 T2 图4-24 实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路 现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外PLC能够控制的开关量数量要比RLC多，能实现复杂的控制逻辑。由于减少了硬件线路，控制

14、系统的可靠性大大提高。 2数控装置中的PLC 数控装置中的PLC有两种类型：内装型PLC和独立型PLC。内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。图4-25 内装型PLC结构图NCPLCI/O电路伺服驱动单元主轴驱动单元强电电路机 床 操 作 面板MDI/CRT面板伺服驱动单元主轴驱动单元辅助动作 独立型PLC又称通用型PLC，它的CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型PLC与数控装置的关系如图4-26 图4-26 独立型PLC结构图

15、 NCPLC伺服驱动单元主轴驱动单元强电电路机床操作面板MDI/CRT面板伺服驱动单元主轴驱动单元辅助动作DI/DO电路DI/DO电路DI/DO电路 二、PLC编程的基本方法 由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。 1接点梯形图 梯形图（LCLadder Diagram）编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图4-27所示。 R1 支路1 1.0 A E 梯级1 支路2 120.1 1.2 120

16、.1 支路3 1 .1 B E R2 梯 级2 1.2 120.2 支路4 120.2 电力轨 电力轨图4-27 电机正反转控制的接点梯形图 2语句表 语句表也称指令表（ILInstruction List），或指令表语言。指令表语言和汇编语言很相似，每条语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。操作码表示功能类型，操作数表示操作的对象，操作数由地址码和参数组成。若采用指令语句，图4-27所示的梯形图程序可表达为：RD A 1.0OR R1 120.1AND，NOT E 1.2WRT R1 120.1RD B 1.1OR R2 120.2AND，NOT E 1.2WRT R2 120.2 其中

17、的RD、OR、AND、NOT等称为指令语句的操作码，而1.0、120.1、1.2等为操作数。这种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用梯形图表达，然后写成相应的指令语句再用编程器上的指令和功能键输入到PLC中。表4-1是常用的操作码及其涵义。序 号 指 令 处 理 内 容 1RD读 出 给 定 信 号 的 状 态 2RD.NOT读 出 给 定 信 号 的 非 状 态 3W R T将 运 算 结 果 写 入 指 定 的 地 址 单 元 4W R T.NOT将 运 算 结 果 的 非 状 态 写 入 指 定 的 地 址 单 元 5AND执 行 逻 辑 与 6AND.NOT以 指 定 的 地 址

18、 信 号 的 非 状 态 执 行 逻 辑 与 7OR执 行 逻 辑 或 8OR.NOT以 指 定 的 地 址 信 号 的 非 状 态 执 行 逻 辑 或 9RD.STKST0内 容 左 移 ,并 将 指 定 地 址 信 号 写 入ST010RD.NOT.STKST0内 容 左 移 ,并 将 指 定 地 址 的 非 信 号 信 号 写 入ST011AND.STK将ST0和ST1的 内 容 相 与 ,结 果 存 于ST012OR.STK将ST0和ST1的 内 容 相 或 ,结 果 存 于ST0 三、PLC的工作过程 1PLC的硬件结构 图4-28 PLC硬件原理图CPURAMEPROM用户程序EP

19、ROM用户程序编程器电源输入输出模块功能开关和指示器电池 2PLC的工作过程PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程。 0000H 图4-29 PLC的扫描过程输入/输出状态采集解算梯形图扫描I/O口，更新输出状态扫描编程器更新显示强行I/O操作用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行。这是PLC的基本工作方式。图4-29给出了GE系列PLC的CPU扫描过程。只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描。扫描从0000H地址所存储的第一条用户程序开始，顺序进行，直到存储器结尾或用户程序的最后一个地址为止，形成一个扫描循环，周而复始。每扫描一次，CPU进行输入点的状态采集、用户程序的逻辑解算、