數(shù)控技術(shù)第二章PPT

數(shù)控技術(shù)上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二章CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法

§2.1CNC系統(tǒng)的組成及特點

§2.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)§2.3CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及控制§2.4數(shù)控用可編程控制器與數(shù)控系統(tǒng)常用外設(shè)及接口§2.1CNC系統(tǒng)的組成及特點

一、CNC系統(tǒng)的組成系統(tǒng)程序輸入輸出設(shè)備計算機(jī)數(shù)字控制裝置可編程控制器主軸驅(qū)動裝置進(jìn)給驅(qū)動裝置測量裝置等組成，CNC系統(tǒng)的核心是計算機(jī)數(shù)控裝置二、CNC裝置的組成

1、硬件組成2、軟件組成三、CNC裝置的工作過程（工作原理）零件程序的輸入插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)、速度處理F）插補(bǔ)計算位置控制I/O開關(guān)量處理顯示及故障診斷

1、零件程序的輸入A、輸入內(nèi)容零件程序系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)補(bǔ)償參數(shù)機(jī)床參數(shù)

B、輸入方式紙帶、磁帶、鍵盤（MDI）、計算機(jī)通信輸入(RS232C，DNC）C、工作方式存儲工作方式DNC工作方式2、譯碼

以程序段為單位譯輪廓尺寸和M、S、T代碼，放專用區(qū)檢查語法檢查3、刀補(bǔ)

刀具半徑、長度補(bǔ)償編程以零件輪廓尺寸→加工以刀具中心軌跡交點計算、過渡問題自動完成4、進(jìn)給速度處理

編程F值——合成速度將F值分解成x、y軸速度自動加減速5、插補(bǔ)（實時性）

插補(bǔ)運(yùn)算（數(shù)據(jù)點密化）

種類：直線、圓弧、高次曲線、樣條曲線

計算方法：逐點比較法數(shù)字積分法比較積分法6、位置控制

位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)差值用差值控制進(jìn)給電機(jī)增益調(diào)整、螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償7、I/O處理連接CNC裝置與機(jī)床強(qiáng)電8、顯示與診斷

顯示字符靜態(tài)顯示圖形動態(tài)顯示

診斷自診斷脫機(jī)診斷遠(yuǎn)程診斷四、CNC裝置的特點具有靈活性：靠軟件控制通用性：同一系統(tǒng)可用在不同機(jī)床上功能豐富：如二次曲線插補(bǔ)運(yùn)算，固定循環(huán)，米英制轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)偏移，圖形顯示，刀具補(bǔ)償

等可靠性高：大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路維修方便：有診斷程序，能顯示故障信息基于PC平臺的CNC特性五、CNC裝置功能1、基本功能：

控制功能：CNC裝置能控制或能同時控制的軸數(shù)

準(zhǔn)備功能：G指令機(jī)床動作方式的功能插補(bǔ)功能進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、字符顯示、自診斷等2、選擇功能：

圖形顯示、通信功能、人機(jī)對話、編程功能、補(bǔ)償功能固定循環(huán)功能§2.2計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一、CNC裝置的結(jié)構(gòu)類型

1、計算機(jī)類型專用計算機(jī)：專機(jī)數(shù)控，結(jié)構(gòu)合理，性能比高通用計算機(jī)：工控機(jī)，可靠性大大提高2、電路板結(jié)構(gòu)

大板式結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)1）大板式結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，但柔性低，對CPU依賴高如FANCU的F0、F10、F11等系列數(shù)控裝置

主板集成：主CPU、各軸位置控制電路子板：ROM/RAM、I/O、MDI/CRT等子板插在主板上下圖為一典型的大板式結(jié)構(gòu)：2）模塊式結(jié)構(gòu)總線模塊化開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模塊：硬件模塊：CPU、存儲器、I/O控制、位置控制等插件板軟件模塊：固化于相應(yīng)硬件模塊中功能模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化：企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)→行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)化：各模塊間信號連接的定義

特點：設(shè)計制造簡單單一，調(diào)試維護(hù)方便，有適應(yīng)性，擴(kuò)展性如：SIEMENS大多數(shù)系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC的15、16、18

系列下圖為一典型的模塊式結(jié)構(gòu)：3、微處理器數(shù)量

單微處理器系統(tǒng)

多微處理器系統(tǒng)1）單微處理器系統(tǒng)CNC裝置只有一個CPU可以控制總線、訪問主存儲器，其它CPU不能訪問主存儲器。如：西門子810/820系列，A-B公司的8400系列2）多微處理器結(jié)構(gòu)有2個或以上CPU可以控制總線或訪問主存儲器如：SINUMERK8系統(tǒng)、850/880系統(tǒng)、A—B公司的

8600系列和FANUC0、15系列二、單微處理器計算機(jī)數(shù)字控制

在單微處理器結(jié)構(gòu)中，主CPU通過總線與存儲器、各接口相連，實行集中控制、分時處理數(shù)控各子任務(wù)。1、主要特征：只有一個主CPU可以控制總線，訪問主存儲器其它CPU只能成為專用控制部件主CPU與其它CPU做成主從結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)但數(shù)控功能實現(xiàn)與處理速度有突出矛盾1）CPU（是CNC裝置的核心）組成：運(yùn)算器和控制器作用：信息處理，即獲取信息、處理信息、發(fā)出命令類型：8位、16位、32位選擇依據(jù)：實時控制、指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力、運(yùn)算速度、存儲容量、軟件配置、價格2、組成

微處理器和總線、存儲器、紙帶閱讀機(jī)接口、紙帶穿孔機(jī)和電傳機(jī)接口、I/O接口、MDI/CRT接口、位置控制器、PLC任務(wù)：數(shù)值運(yùn)算、零件程序輸入/輸出、定時、中斷管理2）總線定義：一組信號線的集合，是CPU與存儲器、外圍電路連接的信息公共傳輸線類型：數(shù)據(jù)總線（雙向）：傳信息地址總線（單向）：確定與之通信的外部硬件控制總線：確定數(shù)據(jù)總線信息流時間序列常用總線：STDbus、Multibus、S-100bus、PCI、ISA選擇依據(jù)：適合利用基本模塊構(gòu)成單機(jī)系統(tǒng)或多機(jī)系統(tǒng)；適合系統(tǒng)的升級；經(jīng)濟(jì)性、可行性

3）存儲器作用：放程序、數(shù)據(jù)、參數(shù)類型：ROM（EPROM、FLASHEPROM）：放系統(tǒng)程序

RAM：放中間變量、標(biāo)志、需顯示數(shù)據(jù)

CMOSRAM：參數(shù)（機(jī)床、系統(tǒng)、PLC）、零件程序

FLASHRAM：后備用4）輸入/輸出接口輸入信號：MT→CNC的開關(guān)信號、代碼信號輸出信號：CNC→MT的開關(guān)信號、代碼信號作用：電器隔離作用：光電耦合器繼電器

電平轉(zhuǎn)換和功率放大：CNC側(cè)一般用TTL電平5）內(nèi)裝型PLC特點：有獨立的CPU或與CNC共用一個CPU；硬件與CNC制一線路板或單獨制附加扳；內(nèi)裝型PLC不配I/O口，借助CNC的I/O口。6）伺服輸出和位置反饋接口

該硬件＋CPU＝CNC位置控制硬件可控制各進(jìn)給坐標(biāo)軸的速度、加速度以及位置量x、y、z3個位置控制口伺服輸出接口：把CPU運(yùn)算的控制策略→伺服驅(qū)動系統(tǒng)輸出寄存器D/A位置反饋接口：鑒相（判正、反相）倍頻電路（由數(shù)字電路完成）計數(shù)電路7）主軸控制接口作用：控制主軸轉(zhuǎn)速使能信號模擬信號±10V定向控制主軸伺服（角度、轉(zhuǎn)速、帶反饋）（轉(zhuǎn)速）編碼器9）外設(shè)接口零件程序、機(jī)床參數(shù)輸入輸出上位機(jī)通訊RS232C、RS422C、DNC等8）面板、顯示接口作用：控制MDI面板、操作面板、數(shù)碼顯示、CRT顯示3、CNC、內(nèi)裝型PLC及機(jī)床間信息交換

1）CNC與PLC的信息交換

CNC的CPU訪問PLC的RAM：A、CNC發(fā)出HOLD信號B、PLC發(fā)出HOLDA信號響應(yīng)，同時懸浮局部總線C、CNC的CPU對RAM讀寫D、釋放PLC的CPUE、HOLD、HOLDA低電平，重新驅(qū)動局部總線2）CNC裝置和機(jī)床（MT）的輸入輸出信號處理過程

Ⅰ、輸入MT→CNCⅡ、輸出CNC→MTa、CNC程序的輸出數(shù)據(jù)→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、執(zhí)行PLC用戶程序d、PLCRAM→CNCRAMe、送CNC的輸出接口a、CNC接口→CNCRAMb、CNCRAM→PLCRAMc、PLC用戶程序處理

d、PLCRAM→CNCRAMe、CNC軟件讀取RAM中的數(shù)據(jù)三、多微處理器計算機(jī)數(shù)字控制

1、硬件連接方式1）兩個或以上CPU構(gòu)成處理部件處理部件間采用緊耦合，有集中操作系統(tǒng)，共享資源2）兩個或以上CPU構(gòu)成功能模塊模塊間采用松偶合，有多操作系統(tǒng)處理2、結(jié)構(gòu)特點

性能價格比高

采用模塊化結(jié)構(gòu)

有很高的可靠性

3、CNC裝置基本模塊（硬件模塊）CNC管理模塊：初始化、中斷、診斷、出錯識別

CNC插補(bǔ)模塊：零件程序譯碼、補(bǔ)償?shù)忍幚砦恢每刂颇K：位置采樣、回零、漂移補(bǔ)償?shù)?/p>

PLC模塊操作面板監(jiān)控和顯示模塊存儲器模塊4、典型結(jié)構(gòu)（通信方式）共享總線共享存儲器1）共享總線（以系統(tǒng)總線為中心）總線作用：連接各模塊，交換數(shù)據(jù)，控制信息a、主模塊：帶CPU或DMA器件從模塊：不帶CPU或DMA器件的各RAM/ROM或I/Ob、主模塊控制總線，共享標(biāo)準(zhǔn)總線c、優(yōu)先級仲裁電路串行：按連接位置決定d、優(yōu)/缺點系統(tǒng)配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，無源總線造價低有競爭總線并行：配專用邏輯電路，用優(yōu)先權(quán)編碼以下為共享總線結(jié)構(gòu)以下是串行總線仲裁電路以下是并行總線仲裁電路2）共享存儲器（各模塊與存儲器相連）a、多端口存儲器b、由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突如下圖所示雙端口存儲器結(jié)構(gòu)以下為雙端口共享存儲器結(jié)構(gòu)介紹系統(tǒng)的軟、硬件界面，軟件的組成和結(jié)構(gòu)

§2.3CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及控制一、CNC系統(tǒng)的軟硬件界面

CNC系統(tǒng)硬件：速度快，價格高軟件：設(shè)計靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，速度慢

從邏輯上講硬件軟件

由性能價格比決定軟、硬件分配比例不同年代、不同產(chǎn)品中使用以下三種界面：以下是三種軟、硬件劃分界面二、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及控制

1、多任務(wù)并行處理

1）CNC裝置的多任務(wù)性

組成：管理、控制工作過程：管理、控制同時進(jìn)行。2）并行處理的概念概念：指計算機(jī)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上的工作

目的：提高處理速度實現(xiàn)：硬件：并行處理提高系統(tǒng)性能；多CPU提高系統(tǒng)速度軟件：資源重疊流水處理技術(shù)。多任務(wù)并行處理圖３）資源重疊流水處理關(guān)鍵：同一時間間隔內(nèi)不是處理一個子過程，而是處理2個或更多子過程。比較流水處理和順序處理的區(qū)別：例：CNC裝置在NC工作方式時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：零件程序輸入t1，插補(bǔ)預(yù)處理t2，插補(bǔ)t3，位置控制t4一程序段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間：T=t1十t2十t3十t4兩者的工作過程如下圖所示：現(xiàn)象：電機(jī)時轉(zhuǎn)時停刀具時走時停T4后保證電機(jī)轉(zhuǎn)動連續(xù)刀具移動連續(xù)時間間隔相等，每段需時間△t=max(t1，t2，t3，t4)時間間隔可以各不相同適用于采用集中控制的單微處理器ＣＮＣ系統(tǒng)前臺程序：中斷服務(wù)程序，實時功能（插補(bǔ)、位控、輔助功能處理、面板掃描等）后臺程序：循環(huán)運(yùn)行程序，完成準(zhǔn)備工作和管理工作（管理軟件、輸入、譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備等）2、前后臺型軟件結(jié)構(gòu)３、中斷型軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)1）CNC系統(tǒng)中斷類型A、外部中斷：閱讀機(jī)、外部監(jiān)控信號（緊急停、量儀到位）、面板B、內(nèi)部中斷插補(bǔ)周期定時中斷（后）、位置采樣周期中斷（先）C、硬件故障中斷定時器出錯、存儲器出錯、插補(bǔ)運(yùn)算超時

D、程序型中斷：報警、溢出、除零２）中斷型結(jié)構(gòu)除初始化程序，各任務(wù)模塊安排在不同級別的中斷程序中。整個軟件是一個大中斷系統(tǒng)

§2.4數(shù)控用可編程控制器與數(shù)控系統(tǒng)常用外設(shè)及接口一、數(shù)控用可編程控制器1、數(shù)控機(jī)床中的PLC數(shù)控機(jī)床控制：運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確控制：位置與尺寸控制，數(shù)字控制開關(guān)量控制(邏緝控制,順序控制)

數(shù)控用PLC：處理開關(guān)量、與NC通信類型：內(nèi)裝型、獨立型2、內(nèi)裝型PLCA、從屬于CNC裝置，實際上是CNC裝置帶有PLC功能PLC與MT的I/O信息傳遞借助于CNC裝置的I/O口

PLC與NC信號傳遞在CNC裝置內(nèi)部實現(xiàn)采用PLC，擴(kuò)大了CNC內(nèi)部直接處理的窗口通信功能，可以使用梯形圖編輯和傳送高級控制功能與RLC相比，具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點B、特點結(jié)構(gòu)緊湊，有柔性，省下PLC與NC連接下圖為內(nèi)裝型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系一般：主軸、刀架、輔助設(shè)備、電氣控制、操作面板通過PLC進(jìn)入NC

回參考點、手輪信號、CRT/MDI直接接NC3、獨立型PLCA、獨立于CNC裝置，具有完備的軟、硬件，獨立工作B、特點：模塊化，易于擴(kuò)展；I/O點數(shù)增減方便；可適用于不同機(jī)床。下圖為一獨立型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系4、PLC常見名稱MPC(MicrocomputerProgrammableController)PIC(ProgrammableInterfaceController)PLC(ProgrammableLogicController)PMC(ProgrammableMachineController)PSC(ProgrammableSequenceController)

二、數(shù)控系統(tǒng)常用外設(shè)及接口1、CNC裝置的輸入輸出和通信要求

用戶能將數(shù)控命令、代碼輸入系統(tǒng)能按程序