第二章数字控制装置

1、第二章第二章 数字控制装置数字控制装置l CNC装置的硬件结构装置的硬件结构l CNC装置的软件结构装置的软件结构l 可编程控制器（可编程控制器（PLC）l 典型的典型的CNC系统简介系统简介1 1、概述、概述l 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。l 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。CNC 系统工作过程系统工作过程 输入-译码-数据处理-插补-将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱

2、动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动-实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。1）输入l 输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。l 输入方式磁盘输入、光盘输入、键盘输入、通讯接口输入及连接上位计算机的DNCDNC接口输入CNC 系统工作过程系统工作过程 CNC 系统工作过程系统工作过程2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理:包括刀具补偿,速度计算以及辅助功能处理等。4）插补：通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。5）位置控制：

3、在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。2 CNC装置的硬件结构按其中含有CPUCPU的多少可分为：l 单微处理机结构l 多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：l 大板结构l 模块化结构。2 CNC装置的硬件结构单微处理器硬件结构图2 CNC装置的硬件结构单微处理器数控装置单微处理器数控装置: : 以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取

4、集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。l一个微处理器完成所有的功能l采用总线结构l结构简单,易于实现l功能受限制单微处理器结构组成单微处理器结构组成：微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；微处理器（运算、控制）、存储器、总线、接口；存储器存储器l 只读存储器（ROM）：系统程序l 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息l CMOS RAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数位置控制单元位置控制单元l对进给运动的坐标轴位置进行控制对进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）（包括位置和速度控制） 对主轴控制，一般只包括速

5、度控对主轴控制，一般只包括速度控制制lC C轴位置控制：包括位置和速度控制轴位置控制：包括位置和速度控制l刀库位置控制（简易位置控制）刀库位置控制（简易位置控制）多微处理器结构多微处理器结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，分别实现相应的数控功能。微处理器，分别实现相应的数控功能。特点：特点： 能实现真正意义上的并行处理，处能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。后，通过系统重组仍可断继续工作。多微处

6、理器结构多微处理器结构结构形式：分布式、主从式、总线式。结构形式：分布式、主从式、总线式。l分布式：各分布式：各CPU独立、完整，通过外部通信独立、完整，通过外部通信链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络链路连接起来，数据交换和资源共享通过网络技术实现。技术实现。l主从式：主控主从式：主控CPU、从控、从控CPU，主控，主控CPU才才能控制和访问总线，通过总线对从控能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、控制、监视、协调。监视、协调。l总线式（多主式）：主总线连接多个总线式（多主式）：主总线连接多个CPU，可直接访问所有系统资源，解决总线争用问题。可直接访问所有系统资源，解决总线争用问题

7、。典型结构典型结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构共享总线型、共享存储器型及混合型结构共享总线结构共享总线结构FANUC 15系统硬件结构共享总线结构的结构特征：共享总线结构的结构特征：l功能模块分为带有功能模块分为带有CPUCPU的主模块和从模块的主模块和从模块（RAM/ROMRAM/ROM，I/OI/O模块）；模块）；l以系统总线为中心，所有的主、从模块以系统总线为中心，所有的主、从模块插在严格定义的标准系统总线上；插在严格定义的标准系统总线上；l采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个采用总线仲裁机构（电路）来裁定多个块同时请求使用系统总线的竞争问题。块同时请求使用系统总线的竞争问题。共

8、享存储器结构：共享存储器结构：共享存储器结构的结构特征：共享存储器结构的结构特征：l面向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯；l采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。l 由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAMRAM）。大板结构大板结构o 所谓大板结构就是将所有或大部分硬件电路集中设计在一块大印刷电路板上，在其插槽内插入部分辅助小印刷电路板，构成硬件，配合软件实现预定数控功能。功能模块式结构o 将CPU、存储器、输入输出控制、位置控制、显示部件等

9、分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形o 成一个功能模块。将各功能模块以总线方式实现连接，以积木方式构成CNC装置。开放式数控系统结构开放式数控系统结构l （可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍保持原有特性。l 可扩展性：不同应用模块可在同一平台运行。l 可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。l 规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。开放式数控系统概念结构开放式数控系统概念结构数控功能、应用程序开放式数控系统结构形式开放式数控系统结构形式软数控：Soft CNC 以PC机为平台，数控

10、功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。通过接口卡对伺服驱动进行控制，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。 PC内嵌入运动控制卡:把多轴运动控制卡插入传统的PC中，实现以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。开放式数控系统结构形式开放式数控系统结构形式 PC内嵌入专用数控模块：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取：增加一块PC板，提供键盘，使PC与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家（如f

11、anuc，siemens等）现在都这样做。3、CNC系统的软件系统的软件o 由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成3、CNC系统的软件系统的软件输入程序 把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。译码程序 将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查，发现错误立即报警。3、CNC系统的软件系统的软件数据处理程序 刀具半径和长度补偿、速度处理、辅助功能等处理3、CNC系统的软件系统的软件o 刀具半径补偿刀具半径补偿刀补处理的主要工作：l 根据G90/G91计算零

12、件轮廓的终点坐标值。l 根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点坐标值。l 根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。3、CNC系统的软件系统的软件刀具半径补偿的方法刀具半径补偿的方法 l B刀补 对加工轮廓的连接都是以圆弧进行的。 l C刀补 采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时) 过切，以避免产生过切。速度处理速度处理 加工程序给定的进给速度是合成速度，无法直接控制。速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。l开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。l半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的