计算机数控系统的模块化设计

1、第3章 计算机数控系统从前的从前的NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件和逻辑电装置是由各种逻辑元件、记忆元件和逻辑电路组成的，是一种固定接线的硬件结构，由硬件来实路组成的，是一种固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能。随着计算机技术的发展，由于微型计算现数控功能。随着计算机技术的发展，由于微型计算机机(以下简称微机以下简称微机)集成度高、体积小、可靠性好且价集成度高、体积小、可靠性好且价格低廉，很快被用于数控系统，称为计算机数控系统格低廉，很快被用于数控系统，称为计算机数控系统(CNC系统系统)。计算机数控装置可以是采用存储程序的。计算机数控装置可以是采用存储程序的专用计算机，也可以采用通用计

2、算机加上接口电路板专用计算机，也可以采用通用计算机加上接口电路板组成。它由软件来实现其部分或全部数控功能，具有组成。它由软件来实现其部分或全部数控功能，具有良好的良好的“柔性柔性”，很容易通过软件来改变或扩展其功能，很容易通过软件来改变或扩展其功能，以适应各类数控机床的特殊要求。采用了计算机的数以适应各类数控机床的特殊要求。采用了计算机的数控机床，综合了计算机、传感器和测量技术、自动控控机床，综合了计算机、传感器和测量技术、自动控制和机械制造等技术领域的最新成就，为柔性制造系制和机械制造等技术领域的最新成就，为柔性制造系统统(FMS)和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统(CIMS)的发展奠

3、定了的发展奠定了基础。基础。23.1 CNC系统的组成和计算机的功用3.1.1 CNC系统的组成系统的组成图3.1是一个典型的CNC系统的原理框图。系统由数控计算机、程序输入/输出装置和机床控制装置三部分组成。33.1.2 CNC系统中的计算 1. 计算机的作用机床数控系统主要是一种位置控制系统。数控系统接收工件加工程序后，识别程序所注明的加工方式和加工尺寸，根据这些数据插补出理论的刀具轨迹，然后将插补的结果，输出到执行部件，使刀具按轨迹加工出所需形状的工件来。 2. 计算机的工作过程(1)工件加工程序的输入、编辑和存储。 (2)工件加工程序的译码处理。 (3)机床状态的监测。 (4)刀具补偿

4、。 (5)插补计算。 (6)伺服控制。 (7)故障诊断。 3. 计算机的硬件结构(1)单微处理器结构。 (2)多微处理器结构。 43.1.3 CNC系统中的可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为可编程控制器简称为可编程控制器(PLC)。PLC诞生于诞生于1969年，最初应用于汽车制造业的自动年，最初应用于汽车制造业的自动生产线等顺序控制的场合。由于其性能优越，生产线等顺序控制的场合。由于其性能优越，可靠性高，现已取代传统的继电器逻辑，大量可靠性高，现已取代传统的继电器逻辑，大量应用于各种机械和生产过程的控制，成为工业

5、应用于各种机械和生产过程的控制，成为工业自动化的重要部件。自动化的重要部件。1. PLC在数控机床中的功用在数控机床中的功用 2. PLC的工作原理的工作原理3. PLC与与CNC功能系统的连接功能系统的连接(1)通用型PLC (2)内置式(集成式) 53.1.4 机床控制I/O部件的实现 CNC系统要实现对机床的控系统要实现对机床的控制及其状态的检测，需要由制及其状态的检测，需要由专门的机床控制专门的机床控制I/O部件来完部件来完成。因此，与普通的成。因此，与普通的I/O接口接口相比，具有以下几个显著特相比，具有以下几个显著特点：点：(1)能够在计算机与输入/输出装置之间进行必要的信息形式的

6、转换。(2)能够输入并可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，同时应具备阻断或抑制干扰信号进入计算机的能力，防止误动作，增加可靠性。 1. 光电隔离电路 2. 信息转换电路举例63.2 数控系统的模块化设计3.2.1 概述概述模块之间的信息都可以通过母板进行交换。此外，每个模块与外设或控制对象的联系是靠模块另一端的连接插座引出各种控制信号，或从控制现场输入信息。采用标准总线模块化设计时，对每一模块的设计布局也有所规定，它主要是按照功能分布，将模块上的电气元件和电路作出合理安排。一般的原则是使每个模块的总线接口与I/O接口之间呈直线连接，尽量使信息传输路径最短。这样，一方面降低了总线信号和I/O信

7、号之间的干扰，提高了可靠性，另一方面也便于故障诊断和维修。数控系统模块化设计有下列优点：(1) 提高了设计效率，缩短了系统的设计周期。 (2) 通用性强，易于改进和扩展系统功能。 (3) 有利于提高可靠性。 (4) 便于调试和维修。 (5) 降低了生产成本。 73.2.2 总线标准1. 总线结构总线包括外部总线(如串行总线、并行总线)和内部总线。这里所说的总线为内部总线。所谓总线是指为多个功能部件服务的信息线。通常作为标准应从它的物理特性、功能特性、电气特性、时间特性等四个方面详细地向外界公布，以供用户使用。2. 常用的标准总线(1)S-100总线 (2)多总线(Multibus) (3)VM

8、E总线 (4)STD总线 3. 总线标准的选择(1)根据CPU来选择 (2)根据模块的几何尺寸来选择 (3)根据总线的技术性能来选择 83.2.3 总线功能模块模块化设计模块化设计CNC系统时，选择总线功能模块是其主要系统时，选择总线功能模块是其主要任务。模块选择恰当，将会得到性价比更高的系统。任务。模块选择恰当，将会得到性价比更高的系统。以下分别叙述主要模块的选择。以下分别叙述主要模块的选择。1. CPU模块模块CPU模块主要由微处理器、内部存储器和时钟电路等组成。2. 存储器模块存储器模块存储器模块主要用于系统内存的扩充。 3. I/O模块模块I/O模块的种类较多，主要有数字量I/O、模拟

9、量I/O、工业用I/O等模块和外部设备控制器等。4. 专用功能模块专用功能模块(1) 中断控制器 (2) 定时/计数器 (3) 时钟模块 (4) 掉电处理模块 (5) 伺服控制模块 93.3 CNC系统中的插补运算3.3.1 概述概述1. 脉冲增量插补法脉冲增量插补法 脉冲增量插补法适用于以步进电动机作为驱动元件的开环数控系统。这类插补方法的特点是每个插补周期只产生一个行程增量。在整个插补过程中，计算机不断输出驱动步进电动机旋转的脉冲序列。 2. 数字增量插补法数字增量插补法(数据采样插补法数据采样插补法)这种插补方法与脉冲增量插补法不同，它的插补周期不随进给速度而变化。每次插补计算所输出的，

10、是这个插补周期内的进给增量数据，可以控制一段距离的进给。 103.3.2 脉冲增量插补法 在普通的在普通的CNC程序中，逐点比较法得到了广泛的应用。程序中，逐点比较法得到了广泛的应用。以下介绍逐点比较法的计算过程，从中可以了解到软以下介绍逐点比较法的计算过程，从中可以了解到软件插补的基本思路。件插补的基本思路。1. 逐点比较法逐点比较法逐点比较法的基本想法是：刀具在按照要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，根据比较结果，决定下一步的移动方向，使刀具更接近规定的轨迹。 (1)直线插补直线插补(2)圆弧插补圆弧插补 2. 数字积分插补法数字积分插补法数字积分插补法简称为DDA(Dig

11、ital Differential Analyzer)法。它利用数字积分法，确定三刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具沿着所加工的曲线进给。(1)直线插补直线插补(2)圆弧插补圆弧插补(3)速度分析速度分析113.3.3 数字增量插补法(数据采样法)数据采样插补法的计算过程比较复杂，有时要用到浮数据采样插补法的计算过程比较复杂，有时要用到浮点运算，插补占用点运算，插补占用CPU的时间长。但是，由于在每个的时间长。但是，由于在每个插补循环中发出的指令位移增量大，使得这种插补方插补循环中发出的指令位移增量大，使得这种插补方法的进给速度比脉冲增量插补法的进给速度高出很多。法的进给速度比脉冲增量插补法的进给

12、速度高出很多。以下简单介绍数据采样法中的直线插补和圆弧插补。以下简单介绍数据采样法中的直线插补和圆弧插补。1. 直线插补法2. 圆弧插补法 3. 插补周期的选取(1)插补误差 (2)插补周期与插补运算时间的关系(3)插补周期与位置反馈采样周期的关系(4)与寄存器长度的关系123.4 CNC系统的控制软件CNC系统的控制软件是一系列完成各种各样功系统的控制软件是一系列完成各种各样功能的程序集合。设计这些程序的目的是为了充能的程序集合。设计这些程序的目的是为了充分发挥和完善计算机的硬件功能，使软件和硬分发挥和完善计算机的硬件功能，使软件和硬件结合，形成一个具有规定功能的计算机控制件结合，形成一个具

13、有规定功能的计算机控制系统。因此，了解控制软件的功能和实现方法系统。因此，了解控制软件的功能和实现方法对掌握对掌握CNC系统的工作原理是至关重要的。系统的工作原理是至关重要的。133.4.1 CNC控制软件的组成 图图3.28所示为典型的所示为典型的CNC系统控制软件组成形式。系统控制软件组成形式。一个一个CNC系统控制软件主系统控制软件主要由以下部分组成：要由以下部分组成： 系统总控程序；工件加工程序的输入和输出管理；工件加工程序的编辑；机床手动调整的控制；工件加工程序的解释和执行；插补运算；伺服系统；系统自检。143.4.2 CNC控制软件的结构 本节中将讨论如何将控制软件中本节中将讨论如

14、何将控制软件中的程序模块组合到一起，构成整的程序模块组合到一起，构成整体的控制软件的方式。体的控制软件的方式。CNC系系统控制软件的构成方式，或者说统控制软件的构成方式，或者说软件的结构，主要有前后台型和软件的结构，主要有前后台型和中断驱动型两种。下面分别予以中断驱动型两种。下面分别予以介绍。介绍。 1. 前后台型如图如图3.31所示为一个典型的前所示为一个典型的前后台结构的后台结构的CNC控制程序的框控制程序的框图。图。 2. 中断驱动型这种结构的控制程序实质上是一个多重中断系统。CNC系统中插补、进给、程序的输入/输出和显示、操作面板开关状态的改变等操作，都是通过识别不同的中断并执行对应的

15、中断服务程序来实现的。153.5 习 题 (1)试述试述CNC系统的基本组成部分及各部分完成的主要功能。系统的基本组成部分及各部分完成的主要功能。 (2)数控计算机一般连接了哪些输入输出设备？这些设备各完成什么功能？数控计算机一般连接了哪些输入输出设备？这些设备各完成什么功能？ (3)机床数控装置由哪两部分组成？各自的功能是什么？机床数控装置由哪两部分组成？各自的功能是什么？ (4)数控计算机在数控计算机在CNC系统中的主要作用是什么？系统中的主要作用是什么？ (5)对零件加工程序作译码处理的作用是什么？对零件加工程序作译码处理的作用是什么？ (6)说明说明CNC装置的单微处理器结构的组成部分

16、及其各部分的功能。装置的单微处理器结构的组成部分及其各部分的功能。 (7)系统的控制程序放在哪种存储器中，理由是什么？系统的控制程序放在哪种存储器中，理由是什么？ (8)多微处理器结构的数控计算机有何特点？应用于什么场合？多微处理器结构的数控计算机有何特点？应用于什么场合？ (9)CNC系统中的系统中的PLC完成哪些功能？完成哪些功能？CNC与与PLC是怎样连接的？是怎样连接的？ (10) 说明数控计算机的说明数控计算机的I/O接口的功能、作用、基本组成部分以及对它的特接口的功能、作用、基本组成部分以及对它的特殊要求。殊要求。 (11) 光电耦合电路的作用是什么？说明常用的光电隔离器件的工作原

17、理。光电耦合电路的作用是什么？说明常用的光电隔离器件的工作原理。 (12) 在数控计算机中，机床控制在数控计算机中，机床控制I/O部件中为什么要进行部件中为什么要进行D/A和和A/D转换？转换？ (13) 试列举提高数控计算机可靠性的措施。试列举提高数控计算机可靠性的措施。 (14) 为什么数控系统要采用模块化设计？为什么数控系统要采用模块化设计？ (15) 说明数控计算机的总线的构成和各部分的功能。说明数控计算机的总线的构成和各部分的功能。163.5 习 题 (16) 在模块化设计中，常用的标准总线有几种？各适用于什么场合？如何在模块化设计中，常用的标准总线有几种？各适用于什么场合？如何选择

18、总线选择总线 标准？标准？ (17) 在构成一台数控计算机时，常配备哪些模块？在构成一台数控计算机时，常配备哪些模块？ (18) 什么叫作脉冲当量和最小设定单位？什么叫作脉冲当量和最小设定单位？ (19) 插补的作用是什么？插补的作用是什么？ (20) 插补方法分哪两大类？各有什么特点？各用于什么场合？插补方法分哪两大类？各有什么特点？各用于什么场合？ (21) 什么叫作逐点插补法？试写出逐点插补法中直线插补和圆弧插补的偏什么叫作逐点插补法？试写出逐点插补法中直线插补和圆弧插补的偏差函数表差函数表 达式。达式。 (22) 设设oB为第一象限逆圆弧，起点为原点，终点为第一象限逆圆弧，起点为原点，终点B(0, 6)，用逐点比较法加，用逐点比较法加工该直线。工该直线。 (23