數(shù)控原理與系統(tǒng)-第3章-數(shù)控系統(tǒng)軟硬件

1、 數(shù)控原理與系統(tǒng)數(shù)控原理與系統(tǒng) 第第3章章 數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件及相關(guān)技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件及相關(guān)技術(shù) 3.1數(shù)控系統(tǒng)組成與原理數(shù)控系統(tǒng)組成與原理 3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述 3.3數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 3.4數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)I/O接口接口 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù) 3.1 數(shù)控系統(tǒng)組成與原理數(shù)控系統(tǒng)組成與原理 o 3.1.1 數(shù)控系統(tǒng)組成數(shù)控系統(tǒng)組成圖圖3-1 計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖3.1 數(shù)控系統(tǒng)組成與原理數(shù)控系統(tǒng)組成與原理o 1操作面板操作面板o 2輸入輸出裝置輸入輸出裝置o 3計算機數(shù)控裝置計算機數(shù)控裝置(CNC裝置

2、裝置)o 4伺服單元伺服單元o 5驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置o 6可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器(PLC)3.1 數(shù)控系統(tǒng)組成與原理數(shù)控系統(tǒng)組成與原理3.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的基本原理數(shù)控系統(tǒng)的基本原理CNC的控制軟件主要完成如下基本任務(wù)。的控制軟件主要完成如下基本任務(wù)。o 系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理。o 操作指令處理。操作指令處理。o 零件程序的編輯。零件程序的編輯。o 零件程序的輸入、解釋與執(zhí)行。零件程序的輸入、解釋與執(zhí)行。o 系統(tǒng)狀態(tài)顯示。系統(tǒng)狀態(tài)顯示。o 手動數(shù)據(jù)輸入手動數(shù)據(jù)輸入MDI。o 故障報警和診斷故障報警和診斷3.1 數(shù)控系統(tǒng)組成與原理數(shù)控系統(tǒng)組成與原理圖3-3 CNC對零件程序的處理過程3.2數(shù)

3、控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述3.2.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成o 1計算機部分o 2電源部分o 3面板接口和顯示接口o 4開關(guān)量I/O接口o 5內(nèi)裝型PLC部分o 6伺服輸出和位置反饋接口o 7主軸控制接口 o 8外設(shè)接口3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述3.2.2大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)o 1大板式結(jié)構(gòu) 特點是：CNC裝置內(nèi)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等其他相關(guān)子板，如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。大板式結(jié)構(gòu)的CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、價格低、有很高的性能價格比。但大板式結(jié)構(gòu)

4、硬件功能不易變動，不利于組織生產(chǎn)。 3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述PLC板主電路板光纜通信板圖形控制板附件軸板ROM/RAM板電源單元板圖3-4 大板式結(jié)構(gòu)示意圖3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述o 2模塊化結(jié)構(gòu)o 模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置是將CPU、存儲器、輸入輸出控制、位置檢測、顯示部件等分別做成插件板，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，被固化在硬件模塊中。 3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述圖3-5 Fanuc 15系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述3.2.3單微處理器結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)o 按CNC裝置內(nèi)的微處

5、理器(CPU)數(shù)量可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩類o 1.單微處理器結(jié)構(gòu)。o 單微處理器結(jié)構(gòu)是指在CNC裝置中只有一個微處理器（CPU），工作方式為集中控制、分時處理CNC的各項任務(wù)，如存儲、插補運算、I/O控制、CRT顯示等。 3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述o 2多微處理器結(jié)構(gòu)o 多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置將數(shù)控系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)劃分為多個子任務(wù)，也稱為子功能模塊，每個子任務(wù)由一個獨立的CPU來控制。 o 在多微處理器結(jié)構(gòu)中，CPU之間有兩種耦合形式，即緊耦合和松耦合。 o 目前使用的多微處理系統(tǒng)有三種不同的結(jié)構(gòu)，即主從式系統(tǒng)、總線式多主CPU系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)。 o 多微處理器

6、結(jié)構(gòu)的CNC的典型通信方式有共享總線和共享存儲器兩類結(jié)構(gòu)。3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述3.2.4開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)o 伴隨著計算機軟件取得的重大成果，開放式數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生了三種結(jié)構(gòu)類型: o 專用CNC+PC型 o 運動控制器+PC型 o 純PC型 3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3.3.1 CNC系統(tǒng)軟硬件的界面系統(tǒng)軟硬件的界面o CNC系統(tǒng)的軟件是為實現(xiàn)其各項功能而編寫的專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件。o 系統(tǒng)軟件進一步可分為管理軟件和控制軟件。管理軟件和控制軟件又由不同的功能模塊組成，如圖3-12所示。 3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)

7、構(gòu)CNC系統(tǒng)軟件管理軟件控制軟件輸入輸入輸出處理顯示診斷譯碼刀具補償插補速度控制位置控制圖3-12 CNC系統(tǒng)軟件框圖3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)o 隨著功能要求的不同，不同產(chǎn)品的軟硬件界面是不一樣的，如圖3-13所示是三種典型CNC系統(tǒng)的軟硬件界面。 圖3-13 三種典型CNC系統(tǒng)的軟硬件界面3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3.3.2 CNC控制軟件的特點控制軟件的特點o 1CNC裝置的多任務(wù)并行處理o CNC是一個專用的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它的系統(tǒng)程序包括管理和控制兩大任務(wù) o 系統(tǒng)的管理包括通信、顯示、診斷、零件程序的輸入/輸出以及人機界面管理(參數(shù)設(shè)置、程序編輯、文

8、件管理等)，這類程序?qū)崟r性要求不高o 系統(tǒng)的控制包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制、開關(guān)量I/O控制等，這類程序完成實時性很強的控制任務(wù) 3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)o 并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作 o 并行處理分為“資源重復(fù)”法、“時間重疊”法和“資源共享”法等并行處理方法 o 目前CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，廣泛使用“資源重復(fù)”的并行處理技術(shù)，如采用多CPU的體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。而在CNC系統(tǒng)的軟件中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法。補充內(nèi)容 并行性：指計算機系統(tǒng)具有可以同時進行運算或操作

9、的特性，在同一時間完成兩種或兩種以上工作。u 并發(fā)性：同一段時間內(nèi)發(fā)生的并行性u 同時性：同一個時刻發(fā)生的并行性 并行性存在于計算機系統(tǒng)的各個層次u 指令級并行：多條指令間并行u 線程級并行：多個線程或進程間并行u 多處理器系統(tǒng)：多個處理器系統(tǒng)間并行并行處理技術(shù)（1）并行性概念并發(fā)的實質(zhì)是一個物理CPU（也可以多個物理CPU）在若干道程序之間多路復(fù)用，并發(fā)性是對有限物理資源強制行駛多用戶共享以提高效率。 實現(xiàn)幷發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵之一是如何對系統(tǒng)內(nèi)的多個活動（進程）進行切換。 廣義的講，并行性還可以理解為多個程序同時執(zhí)行。例如，操作系統(tǒng)中的多道程序處理，用戶屏幕操作時的后臺處理等。這些都可以是多個程序

10、在并行執(zhí)行。并行處理技術(shù) 并行性概念乃是推動計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要因素，為了達到高性能的要求并滿足大量計算應(yīng)用領(lǐng)域的需要，一方面可在單處理內(nèi)廣泛采取多種并行性措施，沿著時間重疊、資源重復(fù)和資源共享三條技術(shù)途徑向現(xiàn)代并行處理領(lǐng)域發(fā)展，另一方面把多臺計算機連接起來、相互配合、各盡其能，沿著功能專門化、多機群和網(wǎng)絡(luò)化這三種基本技術(shù)途徑向現(xiàn)代并行處理領(lǐng)域發(fā)展。 時間重疊=時間并行將一套硬件設(shè)備分解成多個可以獨立使用的部分，多個任務(wù)在時間上相互錯開，重疊使用同一套硬件設(shè)備的各個部件。 資源重復(fù)=空間并行通過重復(fù)設(shè)置資源，尤其是硬件資源，使得多個任務(wù)可以同時被處理。并行處理技術(shù)（3）并行性的發(fā)展資源共享

11、多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備多道程序分時系統(tǒng)虛擬存儲器多終端遠程終端分布處理系統(tǒng)多存儲體多操作部件先行控制高速緩存相聯(lián)存儲器并行處理機同構(gòu)型多處理機異構(gòu)型多處理機單處理機指令操作宏流水線資源 重復(fù)資源共享時間重疊單處理機系統(tǒng)朝并行處理領(lǐng)域發(fā)展并行處理技術(shù)通信處理機計算機網(wǎng)絡(luò)局部計算機網(wǎng)絡(luò)分布處理系統(tǒng)緊密耦合系統(tǒng)松散耦合系統(tǒng)專用外圍機同構(gòu)型多處理機異構(gòu)型多處理機多計算機高級語言數(shù)據(jù)庫處理機多機 互連網(wǎng)絡(luò)化功能專用化可重構(gòu) 容錯多處理機多計算機系統(tǒng)朝并行處理領(lǐng)域發(fā)展并行處理技術(shù)3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)o 2實時中斷處理o 由于數(shù)控機床在加工零件的過程中，有些控制任務(wù)

12、具有較強的實時性要求，反映在CNC系統(tǒng)的控制軟件上就是利用實時中斷來滿足這一要求。o CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)取決于系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)，中斷類型主要有外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷和程序性中斷。3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3.3.3軟件總體結(jié)構(gòu)軟件總體結(jié)構(gòu)o 1前后臺型軟件結(jié)構(gòu)o 2中斷型軟件結(jié)構(gòu)3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3.3.4 CNC系統(tǒng)的控制軟件工作過程系統(tǒng)的控制軟件工作過程o 1輸入o 2譯碼o 3預(yù)計算o 4插補計算o 5輸出o 6管理與診斷軟件3.4 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)I/O接口接口3.4.1數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口電路的

13、作用和要求接口電路的作用和要求o 接口電路的作用和要求是：進行必要的電隔離，進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大 o 常用的器件有光電耦合器和繼電器(如簧式繼電器、固態(tài)繼電器等) 3.4 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)I/O接口接口3.4.2數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)量數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)量I/O接口接口o 開關(guān)量信號輸入接口電路開關(guān)量信號輸入接口電路 o 開關(guān)量信號輸出接口電路 3.4.3數(shù)控系統(tǒng)的模擬量輸入輸出接口數(shù)控系統(tǒng)的模擬量輸入輸出接口o 通常工業(yè)用A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口電路的輸入、輸出為05V、05V、010V電壓信號或010mA、420mA電流信號 3.4 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)I/O接口接口3.4.4機床控制機床控制I/O接口電

14、路接口電路o 1.光電隔離電路o 2.信息轉(zhuǎn)換電路o （1）數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換o （2）D/A、A/D轉(zhuǎn)換o （3）弱電強電轉(zhuǎn)換3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)3.5.1 CNC系統(tǒng)的串行通信系統(tǒng)的串行通信o 1串行通信的通信方式o 串行通信中，通信線路的通信方式有三種基本的形式，即單工通信、半雙工通信和全雙工通信 o 2數(shù)據(jù)傳輸方式 o 常見的數(shù)據(jù)傳輸方式有異步傳輸和同步傳輸兩種 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)o 3.RS-232C標準o 在串行通信中，廣泛使用的標準是RS-232C，該接口是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家在197

15、0年共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。 3.5.2 CNC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信o 為滿足構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)等先進制造系統(tǒng)的需要，為適應(yīng)制造企業(yè)信息化的不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)必須具有強大的網(wǎng)路通信功能。3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)o1. 網(wǎng)絡(luò)標準與協(xié)議o（1）開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI /RMo要在計算機網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)通信就必須依靠網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。在20世紀70年代，各計算機生產(chǎn)廠家(如IBM、DEC等)的產(chǎn)品都有自己的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這樣，不

16、同廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)就難以聯(lián)網(wǎng)。為了實現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)之間以及不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，國際標準化組織ISO對當(dāng)時的各類計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進行了研究，并于1981年正式公布了一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型作為國際標準，稱為開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，即OSI/RM( Reference Model of Open System Interconnection )，也稱為ISO/OSI。這里的“開放”表示任何兩個遵守OSI/RM的系統(tǒng)都能與另一個系統(tǒng)進行通信，就稱該系統(tǒng)為開放系統(tǒng)。目前，OSI/RM仍在不斷完善之中，一些新的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也多按照OSI/RM進行設(shè)計。 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的

17、通信技術(shù) o OSI/RM各層的主要功能如下。o 第一層：物理層(Physical Layer)，規(guī)定通信設(shè)備的機械的、電氣的、功能的和過程的特性，用以建立、維護和拆除物理鏈路連接。o 第二層：數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)，在物理層提供bit流服務(wù)的基礎(chǔ)上，建立相鄰結(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，通過差錯控制提供數(shù)據(jù)幀(Frame)在信道上無差錯的傳輸，并進行數(shù)據(jù)流量控制。 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)o第三層：網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)，為傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸提供建立、維護和終止網(wǎng)絡(luò)連接的手段，把上層來的數(shù)據(jù)組織成報文分組(Packet)，在結(jié)點之間進行交換，并且負責(zé)

18、路由控制(即傳輸中的路徑選擇控制)和擁擠控制。o第四層：傳輸層(Transport Layer )，為上層提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。所謂透明的傳輸是指在通信過程中傳輸層對上層屏蔽了通信傳輸系統(tǒng)的具體細節(jié)。o第五層：會話層(Session Layer)，為表示層提供建立、維護和結(jié)束會話連接的功能，并提供會話管理服務(wù)。o第六層：表示層(Presentation Layer)，為應(yīng)用層提供信息表示方式的服務(wù)，如數(shù)據(jù)格式的交換、文本壓縮、加密技術(shù)等。o第七層：應(yīng)用層(Application Layer)，為網(wǎng)絡(luò)用戶應(yīng)用程序提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、如文件傳輸、電子郵件(E-

19、mail)、分布式數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理等。3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù) o 2TCP/IP協(xié)議 o 在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，如何實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)及計算機間的互操作是計算機聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵問題。傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)就是解決這些問題的眾多比較完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)o 3IEEE802標準o IEEE802標準是美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的局域網(wǎng)絡(luò)標準委員會(該委員會于1980年2月成立，故簡稱IEEE802委員會)所提出的局域網(wǎng)絡(luò)標準。該標準制定了若干局域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，主要是針對OSI/RM的數(shù)據(jù)鏈路層，將該層劃分為兩個子層次。這樣劃分主要是為了將涉及硬件的部分和與硬件無關(guān)的部分分開，便于設(shè)計并使IEEE802標準具有可擴充性，有利于將來接納新的媒體訪問控制方法。3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù) o IEEE802.3 3.5數(shù)控機床的通信技術(shù)數(shù)控機床的通信技術(shù)o(1)IEEE802.3oIEEE802.3標準定義了總線型局域網(wǎng)(LAN)的媒體訪問控制方法CSMA/CD(C