第4章数控系统的硬件和软件.ppt

1、第四章数控系统的硬件和软件，4.1概述，4.2数控系统的硬件结构，4.3数控系统的输入输出接口，4.4数控系统的通信，4.5数控系统的软件结构，4.6数控机床的可编程控制器，4.1概述，4.1.1计算机数控系统的概念根据电子工业协会数控标准化委员会的定义， 计算机数控(CNC)系统是一种特殊的计算机系统，它利用计算机通过在其存储器中执行程序来完成数控所需的部分或全部功能，并配有接口电路和伺服驱动器。下页，返回，4.1概述，数控系统根据输入的程序(或指令)，通过计算机进行插补运算，形成理想的轨迹。通过插值计算的位置数据被输出到伺服单元，并且电机被控制以驱动致动器来处理所需的部件。数控系统由程序、

2、输入输出设备、计算机数控装置、可编程控制器、主轴驱动和进给驱动装置等组成。数控装置是数控系统的核心，如图4-1所示。计算机数控设备的组成数控设备由硬件和软件组成。硬件由微处理器、存储器、位置控制、输入输出接口、可编程逻辑控制器、图形控制、电源等模块组成。硬件组成如图4-2所示。软件由系统软件和应用软件组成。为实现数控系统的各种功能而编制的专用软件称为系统软件。在系统软件的控制下，数控装置自动处理输入的加工程序，并发出相应的控制指令和进给控制信号。系统软件由管理软件和控制软件组成，如图4-3所示。管理软件负责零件加工程序的输入输出、输入输出处理、系统显示和故障诊断。控制软件负责解码处理、刀具补偿

3、、速度处理、插补运算、位置控制等。下一页，上一页，返回，4.1概述，1微机在计算机数控装置中微机(以下简称微机)是计算机数控装置的核心。像普通计算机一样，它包括中央处理器、内存、输入输出接口、时钟、解码和其他辅助电路。下一页，上一页，下一页，4.1概述，中央处理器由算术单元和控制器组成。算术单元是对数据执行算术和逻辑运算的组件。在运算过程中，运算单元不断获取存储器提供的数据，并将运算的中间结果发回存储器暂存。控制器从存储器中依次取出构成程序的指令，并在解码后，向数控系统的各个部分发出控制信号，以便执行指令。下一页，上一页，返回，4.1概述，存储器用于存储系统软件和零件处理程序，并存储操作的中间

4、结果和处理的结果。它包括两个部分：存储系统控制软件的存储器和存储中间数据的存储器。只读存储器中的系统控制软件程序由数控系统制造商编写，用于完成数控系统的各种功能。下一页，上一页，返回，4.1概述，输入/输出接口是中央处理器与外界通信的通道，它提供物理连接手段，完成数据格式和信号形式的必要转换。输入输出接口按其功能可分为两类：一类是连接常规输入输出设备实现程序输入输出和人机交互的接口，称为通用输入输出接口；另一个与专用的控制和检测装置相连，控制和检测机床的位置和工作状态，这是数控系统独有的，称为机床控制输入输出接口。输入/输出设备的输入/输出部分包括各种类型的输入/输出设备(也称为外部设备)和输

5、入/输出接口控制组件。其外部设备主要包括光电阅读器、阴极射线管显示器、键盘、冲床和面板等。其中，光电阅读器用于输入系统程序和零件加工程序；阴极射线管用于显示和监控；键盘主要用于输入操作命令和编辑修改数据，也可以作为少量零件加工程序的输入；打孔机用作复制零件程序的纸带，以便保存和检查零件程序；操作面板允许操作员改变操作模式、输入设置数据、开始和停止加工等。典型的输入输出接口控制部件包括纸带输入机接口、盒式磁带输入机接口、数控系统操作面板接口、进给伺服控制接口和字符显示(CRT)接口等。下一页，上一页，后一页，4.1概述，3可编程逻辑控制器(可编程逻辑控制器)数控机床的控制在控制侧(数控侧)有每个

6、坐标轴的运动控制，在机床侧(机床侧)有各种执行机构的逻辑顺序控制。可编程控制器位于数控和机床之间，处理数控和机床的输入输出信息，通过软件实现机床侧的控制逻辑，即可编程控制器提高了数控系统的灵活性、可靠性和利用率，使结构更加紧凑。下一页，上一页，返回，4.1概述，有内置型和独立型数控机床可编程控制器。可编程序控制器的应用程序，即可编程序控制器程序，通常用梯形图表示。编制可编程序控制器程序的设备包括可编程序控制器专用编程器、编程器、具有可编程序控制器编程功能的数控系统或装有可编程序控制器编程系统软件的个人计算机(或工作站)。下一页，上一页，后一页，4.1概述，4位置控制装置位置控制装置由伺服机构和

7、执行器组成。伺服机构包括速度控制单元和位置控制单元。通过插补运算得到的单位时间间隔内各坐标轴的位移被送到位置控制单元，位置控制单元产生伺服电机速度指令，并将其送到速度控制单元。速度控制单元接收速度反馈信号，对伺服电机进行速度闭环控制；同时，位置控制单元接收实际位置反馈，修正速度指令，实现机床运动的精确控制。致动器可以是交流或DC伺服电机。下一页，上一页，返回，4.1概述，4.1.3计算机数控装置的工作原理在其硬件环境的支持下，数控装置根据系统监控软件的控制逻辑控制输入、解码处理、数据处理、刀具补偿、速度控制、插补运算和位置控制、输入输出处理、显示和诊断。下一页，上一页，返回，4.1概述，1将零

8、件加工程序、控制参数和补偿数据输入数控装置。常用的输入方法包括键盘手动输入、光电阅读器纸带输入、磁盘输入、磁带输入、通信接口RS-232输入、连接到上级计算机的DNC接口输入和网络通信输入。数控设备还需要在输入过程中完成程序检查和代码转换。所有输入信息都存储在数控设备的内部存储器中。下一步、前一步、后一步、4.1概述、2解码处理解码处理程序在程序段中处理零件程序，每个程序段包含零件的轮廓信息、所需的处理速度和其他辅助信息(刀具更换、切削液开始/停止等)。)，在计算机执行插值运算和控制运算之前，必须将其翻译成计算机内部可识别的语言，解码程序承担这一任务。在解码过程中，有必要检查程序段的语法，如果

9、发现语法错误，应立即向警方报告。数据处理数据处理程序通常包括刀具半径补偿、速度计算和辅助功能处理等。一般来说，输入数据处理程序的实时性要求不高。输入数据处理充分，减少了插补运算和速度控制程序的负担，加工过程实时性强。下一步、上一步、返回、4.1概述、4插补运算和位置控制插补运算程序完成数控系统中插补器的功能，即实现轴脉冲分配的功能。脉搏分布包括三个方面：点、线和曲线。由于现代微机有完善的指令系统和相应的算法子程序，为插补计算提供了许多便利。可以使用一些更方便的数学方法来提高轮廓控制的精度，而不用担心增加硬件电路。下一页、上一页、返回、4.1概述、插补运算结果输出，通过位置控制部分(这部分工作可

10、以由软件完成，也可以由硬件完成)控制伺服系统运动，控制刀具按预定轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期内将插值计算的理论位置与实际反馈位置进行比较，并利用差值来控制进给电机。在位置控制中，为了提高机床的定位精度，通常要完成位置环的增益调整、各坐标方向的俯仰误差补偿和反向间隙补偿。下一页，上一页，返回，4.1概述，一个更高层次的管理程序可以使多个程序并行工作，如数据输入处理，空闲时的插补运算和速度控制，即调用每个函数子程序来完成下一个数据段的读取、解码和数据处理，并保证在处理这个数据段的过程中准备好下一个数据段。一旦该数据段被处理，下一个数据段的插值处理将立即开始。一些管理程序还安排系统的

11、自动编程或必要的预防性诊断。输入/输出处理输入/输出处理主要处理数控设备和机床之间信号的输入、输出和控制。数控装置和机床必须用光电隔离电路隔离，以保证数控装置的稳定运行。下页、上一页、返回、4.1概述、6显示数控装置显示主要是为了方便操作人员，通常具有零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图形显示、报警显示等功能。下一页，上一页，返回，4.1概述，7诊断程序数控设备可以使用内部自诊断程序进行故障诊断，主要包括启动诊断和在线诊断。启动诊断是指每次数控设备从开机开始进入正常运行准备状态，系统相应的自诊断程序都会通过扫描自动检查系统硬件、软件及相关外设是否正常。只有当所有检查的项

12、目都被确认为正确时，整个系统才能进入正常运行的准备状态。否则，数控设备将通过网络、薄膜晶体管、阴极射线管或硬件(如发光二极管)报警模式显示故障信息。此时，启动诊断过程无法完成，系统无法投入运行。只有排除故障后，数控设备才能正常运行。下一页，上一页，返回，4.1概述，在线诊断是指在系统正常运行期间，通过系统相应的内置诊断程序对数控设备本身和外围设备进行的检查。只要系统不断电，在线诊断将继续进行。前一页，后一页，4.2数控系统的硬件结构，4.2.1按硬件制造方法分类数控系统的硬件结构可根据不同的硬件制造方法分为两类：专用数控系统和个人计算机数控系统。下页，返回，4.2数控系统的硬件结构，1专用数控

13、系统这种数控系统的硬件是由各厂家专门设计制造的，没有通用性。其中，有大板结构和模块化结构。大板结构数控设备一般由主电路板、可编程逻辑控制器板、附加输入输出板、图形控制板和电源单元组成。主电路板是一个大的印刷电路板，其他电路板是小的电路板，并插入到大电路板的插槽中。大板的结构示意图如图4-4所示。大板结构紧凑、体积小、可靠性高、性价比高，也便于机床的一体化设计。但是，它的硬件功能不容易改变，这不利于组织生产。下一页，上一页，返回，4.2数控系统的硬件结构，数控装置采用模块化功能模块的控制软件也是模块化的。因此，数控设备可以以积木的形式构建，使得设计简单，调试和维护方便，具有良好的适应性和扩展性。

14、在过去，数控系统硬件是由不同的数控制造商设计和制造的，硬件之间不能互换或替换。近年来，工业标准计算机，即工业pc机，已经被采用作为数控系统的支撑平台。不同的数控制造商只需要插入他们自己的控制卡和数控软件来形成数控系统，而不需要设计特殊的硬件。由于生产了数百万台工业标准计算机，生产成本非常低，这反过来又降低了数控系统的成本。如果工业电脑出现故障，很容易修理和更换。ANILAM公司和AI公司生产的数控系统属于这种类型。下一页，上一页，返回，4.2数控系统的硬件结构，4.2.2数控系统的硬件结构一般分为单个微处理器和多个微处理器。早期的数控系统和一些现有的经济型数控系统都采用单微处理器结构。随着机械

15、制造技术的发展，对数控机床提出了功能复杂、加工速度快、加工精度高的要求，也对更高层次的自动制造系统和CIMS提出了要求。因此，多微处理器结构发展迅速，反映了当今数控系统的新水平。下一页，上一页，返回，4.2数控系统硬件结构，1单微处理器结构的数控系统在单微处理器结构中，只有一个微处理器用于数控任务的集中控制和分时处理。有些数控系统有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器能控制系统总线并占用总线资源；其他微处理器成为特殊的智能组件，不能控制系统总线和访问主存储器。它们形成一个主从结构，所以它们被归类为一个单一的微处理器结构。单微处理器的结构框图如图4-5所示。下一页，上一页，返回，4.2数控系统

16、的硬件结构，单微处理器结构的基本组成如下：微处理器和总线；记忆。纸带阅读器接口；纸带穿孔机和电传打字机之间的接口；输入输出接口；位置控制器；PLC .下一页，上一页，返回，4.2数控系统的硬件结构，单微处理器结构的数控系统具有以下特点：(1)数控系统只有一个微处理器，集中控制和处理存储、插补运算、输入输出控制和阴极射线管显示等功能。(2)微处理器与存储器、输入/输出控制器等各种接口相连。通过总线形成数控系统。(3)结构简单，易于制造。(4)由于只有一个微处理器进行集中控制，单个微处理器的功能将受到诸如字长、数据宽度、寻址能力和微处理器的操作速度等因素的限制。下一页，上一页，返回，4.2数控系统

17、的硬件结构，由于插补等功能都是通过软件实现的，数控功能的实现和加工速度成为一对突出的矛盾。为了解决这一矛盾，可以增加浮点协处理器，硬件共享精插补，采用带微处理器的智能元件如可编程控制器和阴极射线管，或者采用多微处理器结构。下一页，上一页，返回，4.2数控系统硬件结构，2多微处理器结构的数控系统(1)多微处理器的特点是高性价比，多微处理器用来完成其特定功能，满足多轴控制、高精度、高速高效的控制要求。同时，由于单个低规格CPU的价格相对便宜，其性能价格也相对较高。模块化结构具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑，调试和维护方便。通讯功能强大，方便实现FMS、FA和CIMS。下一页，上一页，返回，4.2数控系