計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

第4章計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置4.1概述4.2計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)4.3計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)4.4數(shù)控機(jī)床的可編程控制器4.5典型的CNC系統(tǒng)簡(jiǎn)介14.1概述從自動(dòng)控制的角度來(lái)看，CNC系統(tǒng)是一種位置、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量、速度為控制對(duì)象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2

從外部特征來(lái)看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。CNC系統(tǒng)平臺(tái)3PC+CNC+PLC4CNC系統(tǒng)工作過(guò)程輸入→譯碼→數(shù)據(jù)處理→插補(bǔ)→將各個(gè)坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)→實(shí)時(shí)位置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。1）輸入輸入內(nèi)容:零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式:磁盤(pán)輸入、光盤(pán)輸入、鍵盤(pán)輸入、通訊接口輸入及連接上位計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入2）譯碼：以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。53）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。4）插補(bǔ)：通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號(hào)輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。64.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按其中含有CPU的多少可分為：

單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)和多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)；按電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：

大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。7單微處理器結(jié)構(gòu)

以一個(gè)CPU（中央處理器）為核心，CPU通過(guò)總線與存儲(chǔ)器和各種接口相連接，采取集中控制、分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個(gè)任務(wù)。8一個(gè)微處理器完成所有的功能；采用總線結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；功能受限制。特點(diǎn)：組成：微處理器（運(yùn)算、控制）、存儲(chǔ)器、總線、接口；91．微處理器微處理器是CNC裝置的中央處理單元，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字運(yùn)算和管理控制，由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。2．總線采用總線結(jié)構(gòu)。分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線三組。3．存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）：系統(tǒng)程序隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息；CMOSRAM或磁泡存儲(chǔ)器：加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)；4．輸入/輸出（I／O）接口5．位置控制器對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制（包括位置和速度控制）對(duì)主軸控制：一般只包括速度控制C軸位置控制：包括位置和速度控制刀庫(kù)位置控制（簡(jiǎn)易位置控制）6．MDI／CRT接口7．可編程序控制器（PLC）8．通信接口10多微處理器結(jié)構(gòu)

在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器，分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)控功能。特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯(cuò)能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過(guò)系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。典型結(jié)構(gòu):共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及混合型結(jié)構(gòu)11共享總線結(jié)構(gòu)12結(jié)構(gòu)特征功能模塊分為帶有CPU的主模塊和從模塊（RAM/ROM，I/O模塊）；以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上；采用總線仲裁機(jī)構(gòu)（電路）來(lái)裁定多個(gè)模塊同時(shí)請(qǐng)求使用系統(tǒng)總線的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。13共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)14結(jié)構(gòu)特征面向公共存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，即采用多端口來(lái)實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊；采用多端口控制邏輯來(lái)解決多個(gè)模塊同時(shí)訪問(wèn)多端口存儲(chǔ)器沖突的矛盾。

由于多端口存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且對(duì)兩個(gè)以上的主模塊，會(huì)因爭(zhēng)用存儲(chǔ)器可能造成存儲(chǔ)器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲(chǔ)器（雙端口RAM）。15開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可移植性：系統(tǒng)的應(yīng)用模塊無(wú)需經(jīng)過(guò)任何改變就可以用于另一平臺(tái)，仍然保持原有特性。

可擴(kuò)展性：不同應(yīng)用模塊可在同一平臺(tái)上運(yùn)行?？蓞f(xié)同性：不同應(yīng)用模塊能夠協(xié)同工作，并以確定方式交換數(shù)據(jù)。

規(guī)?？勺儯簯?yīng)用模塊的功能和性能以及硬件的規(guī)模可按照需要調(diào)整。開(kāi)放的含義:1617

①軟數(shù)控：SoftCNC以PC機(jī)為平臺(tái)，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。通過(guò)接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸電機(jī)。全方位開(kāi)放。②PC內(nèi)嵌入運(yùn)動(dòng)控制卡:把多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，實(shí)現(xiàn)以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制（作為數(shù)控功能運(yùn)行）。PC作為人機(jī)接口平臺(tái)。易實(shí)現(xiàn)，研究單位和高校。③PC內(nèi)嵌入專用數(shù)控模塊：專業(yè)廠家認(rèn)為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。已生產(chǎn)的大量CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對(duì)維修和可靠性不利。故采?。涸黾右粔KPC板，提供鍵盤(pán)，使PC與CNC聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_(kāi)放，提高人機(jī)界面的功能。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）現(xiàn)在都這樣做。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式:184.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)組成：由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。19CNC系統(tǒng)軟件的工作過(guò)程：①輸入程序把加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入到CNC裝置中。②譯碼程序?qū)⒊绦蚨沃械墓ぜ喞畔?、進(jìn)給速度等工藝信息和輔助信息翻譯成計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并按一定格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。翻譯過(guò)程中對(duì)程序段進(jìn)行語(yǔ)法錯(cuò)誤檢查和邏輯錯(cuò)誤檢查，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)警。20③數(shù)據(jù)處理程序刀具半徑和長(zhǎng)度補(bǔ)償、速度處理、輔助功能等處理。刀補(bǔ)處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計(jì)算零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計(jì)算本段刀具中心軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進(jìn)行段間連接處理。21速度處理：加工程序給定的進(jìn)給速度是合成速度，無(wú)法直接控制。速度處理要做的工作是根據(jù)合成速度來(lái)計(jì)算各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的分速度。開(kāi)環(huán)系統(tǒng):通過(guò)控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度計(jì)算的方法是根據(jù)程編的F值來(lái)確定該頻率值。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng):采用數(shù)據(jù)采樣方法進(jìn)行插補(bǔ)加工，速度計(jì)算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割為采樣周期的輪廓步長(zhǎng)。22④插補(bǔ)計(jì)算程序在給定輪廓線上的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，插入多個(gè)中間點(diǎn)位置坐標(biāo)的運(yùn)算過(guò)程。中間點(diǎn)的插入是根據(jù)一定的算法由數(shù)控裝置控制軟件或硬件自動(dòng)完成。23⑤位置控制軟件每個(gè)位置反饋采樣周期，將插補(bǔ)給定值與反饋值進(jìn)行比較，用差值去控制電機(jī)。24CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多任務(wù)性：顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制、…

并行處理：系統(tǒng)在同一時(shí)間間隔或同一時(shí)刻內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)以上任務(wù)處理。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：☆資源分時(shí)共享（單CPU）☆資源重疊流水處理（多CPU）多任務(wù)性與并行處理技術(shù)特點(diǎn):25在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。即：在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問(wèn)題。其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)度，即時(shí)間片的分配問(wèn)題。資源分時(shí)共享并行處理（對(duì)單一資源的系統(tǒng)）26資源（CPU）分時(shí)共享圖27并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多資源的系統(tǒng)）

在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：

若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行——并發(fā)處理；

若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。28流水處理技術(shù)示意圖29分類:前臺(tái)程序:主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序。后臺(tái)程序(背景程序):完成顯示、程序編輯管理、系統(tǒng)輸入/輸出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理)等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序，其在運(yùn)行過(guò)程中，不斷地定時(shí)被前臺(tái)中斷程序所打斷，前后臺(tái)相互配合來(lái)完成零件的加工任務(wù)。前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)