數(shù)控機床設(shè)計 4.3 數(shù)控裝置 學(xué)習(xí)課件

4.1概述

從自動控制的角度來看，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(各運動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。

從外部特征來看，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。4.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按其中含有CPU的多少可分為：

單微處理機結(jié)構(gòu)和多微處理機結(jié)構(gòu)；按電路板的結(jié)構(gòu)特點可分為：大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。4.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置:

以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個任務(wù)。一個微處理器完成所有的功能采用總線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)功能受限制單微處理器結(jié)構(gòu)組成：微處理器（運算、控制）、存儲器、總線、接口；典型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)如圖：單片機EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設(shè)備I/OI/O擴展A/D光電隔離光電隔離光電隔離D/A數(shù)字量檢測模擬量檢測開關(guān)量檢測開關(guān)量控制伺服驅(qū)動控制數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設(shè)備單片機程序開發(fā)語言及支持軟件，常用C,PL/M,Pascal,C語言編輯器有FRANKIN,ARCHIMEDES等，支持軟件，8051、52系列intel公司的ASM-51,PL/M-51及連接定位程序。

MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，MCS-51單片機可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。

MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，其典型系統(tǒng)有（廣州數(shù)控產(chǎn)品）：CPU紙帶機接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROM接口RAM接口PLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能圖4-3單微處理機數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖4.2.2單微處理機CPU數(shù)控裝置

圖4-4數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）單微處理機數(shù)控裝置典型產(chǎn)品：右：FANUC150i-M系列下：華中世紀星4.2.3多CPU數(shù)控裝置圖4-5共享總線式多CPU數(shù)控裝置結(jié)構(gòu)圖4.2.4基于PC的數(shù)控裝置圖4-6遞階式PC數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-7PC＋I/O軟件化數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖典型基于PC的和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)控產(chǎn)品上：SIEMENS802D左：燕山大學(xué)數(shù)控凸輪磨床數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ硬件軟件圖4-1幾種典型的軟硬件界面的劃分4.3

數(shù)控軟件加工程序譯碼刀補處理速度控制插補處理位置控制伺服驅(qū)動PLC控制位置反饋4.3.1

數(shù)控軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

譯碼緩沖區(qū)刀補緩沖區(qū)運行緩沖區(qū)圖4-8數(shù)控裝置軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程高4位

低4位

說明

1

3

G03

2

3

M03

100

X值

50

Y值

0

Z值

0

I值

50

J值

0

K值

100

F值

圖4-9不按字符格式的譯碼數(shù)據(jù)存放格式

1.譯碼譯碼就是把用ASCⅡ碼編寫的零件加工程序翻譯成數(shù)控系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式，并存放到譯碼緩沖區(qū)中，準(zhǔn)備為后續(xù)程序使用。譯碼后的數(shù)據(jù)有兩種存放格式。（1）不按字符格式的存放方法

M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；

（2）保留字符格式的存放方法

StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//0：空，1：有數(shù)據(jù)

intblock_num；//程序段號

doubleCOORD[20]；//尺寸字的數(shù)值，單位為μm

intF，S；//進給速度和主軸速度

charG_flag；//以標(biāo)志形式存放的G指令

charG1；//G指令表

...charM_flag；//以標(biāo)志形式存放的M指令

charM1；//M指令表

...charT；//刀具代號

charD；//刀具半徑值

}；2.刀補刀補處理程序主要進行以下幾項工作：

1．計算本段零件輪廓的終點坐標(biāo)值；

2．根據(jù)刀具的半徑值和刀具補償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置；

3．根據(jù)本段和下一段的轉(zhuǎn)接關(guān)系進行段間處理。

3.速度預(yù)處理速度預(yù)處理程序主要完成以下幾步計算：

1．計算本程序段總位移量

2．計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F(xiàn)—進給速度值（mm/min）；

Δt—數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）。V(t)VcOCBA恒速控制：F值恒定加減速控制：F值按照一定規(guī)律變化4.插補處理

1．根據(jù)速度倍率值計算本次插補周期的實際合成位移量；

2．計算新的坐標(biāo)位置；

3．將合成位移分解到各個坐標(biāo)方向，得到各個坐標(biāo)軸的位置控制指令。插補程序的實時性

指令位置+插補輸出+Δx2，Δy2--位控輸出Δx3，Δy3

+X2新，Y2新實際位置增量Δx1，Δy1

實際位置X1新，Y1新

X2舊，Y2舊

X1舊，Y1舊

++

-5.位置控制圖4-10位置控制算法原理（1）．計算新的指令坐標(biāo)位置

X2新=X2舊+Δx2Y2新=Y2舊+Δy2（2）．計算實際坐標(biāo)位置

X1新=X1舊+Δx1Y1新=Y1舊+Δy1（3）．計算位置控制輸出值

Δx3=X2新-

X1新

Δy3=Y2新–Y1新

位置控制是強實時性任務(wù)，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內(nèi)完成。伺服周期可以等于插補周期，也可以是插補周期的整數(shù)分之一。數(shù)控裝置管理控制輸入I/O處理顯示診斷通訊速度處理刀具補償譯碼插補位置控制

4.3.2

數(shù)控軟件的特點及關(guān)鍵技術(shù)

1.多任務(wù)與并行處理技術(shù)（1）．?dāng)?shù)控裝置的多任務(wù)性圖4-11數(shù)控裝置的任務(wù)及分類框圖這些任務(wù)中有些可以順序執(zhí)行，有些必須同時執(zhí)行，如：（1）顯示和控制任務(wù)必須同時執(zhí)行，以便操作人員及時了解機床運行狀態(tài)；（2）在加工過程中，為使加工過程連續(xù)，譯碼、刀補、插補和位置控制?？煲脖仨毻瑫r進行。優(yōu)先級順序顯示其它譯碼I/O刀補位置控制插補運算背景程序背景程序初始化（2）．多任務(wù)并行處理的實現(xiàn)

1）資源分時共享圖4-12分時共享多任務(wù)處理方案

位置控制插補運算背景程序圖4-13各任務(wù)占用CPU時間示意圖

0ms4ms8ms12ms16ms12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時間t1t2t3t4t5t6時間

a）順序處理b）并行處理空間N3N2N1空間N2N1輸出輸出2）時間重疊流水處理圖4-14時間重疊流水處理示意圖故障處理；位置控制；插補運算；．．．譯碼；刀補；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺程序前臺程序中斷執(zhí)行4.3.3數(shù)控軟件的基本結(jié)構(gòu)

1.前后臺型結(jié)構(gòu)模式圖4-15前后臺程序的運行關(guān)系

初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務(wù)程序1級中斷服務(wù)程序2級中斷服務(wù)程序N級中斷服務(wù)程序

2.中斷型結(jié)構(gòu)模式中斷型結(jié)構(gòu)的數(shù)控軟件系統(tǒng)見圖4-16。

圖4-16中斷型結(jié)構(gòu)的數(shù)控軟件系統(tǒng)

3.基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。數(shù)控機床上需要控制的數(shù)字信號4.4PLC控制4.4.1.

PLC的基本概念圖4-24實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)及停止控制的繼電器邏輯電路

現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中采用可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController--PLC）來實現(xiàn)開關(guān)量及其邏輯關(guān)系的控制。PLC是由計算機簡化而來的，為了適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計算機的一些數(shù)字運算功能，強化了邏輯運算功能，是一種介于繼電器控制和計算機控制之間的自動控制裝置。PLC的最大特點是，其輸入輸出量之間的邏輯關(guān)系是由軟件決定的，因此改變控制邏輯時，只要修改控制程序即可，是一種柔性的邏輯控制裝置。另外PLC能夠控制的開關(guān)量數(shù)量要比RLC多，能實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。由于減少了硬件線路，控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。

2．?dāng)?shù)控裝置中的PLC

數(shù)控裝置中的PLC有兩種類型：內(nèi)裝型PLC和獨立型PLC。內(nèi)裝型PLC是指PLC包含在數(shù)控裝置當(dāng)中，PLC與數(shù)控功能模塊間的信號傳送在數(shù)控裝置內(nèi)部實現(xiàn)，PLC與機床間的信號傳送則通過輸入/輸出接口電路實現(xiàn)，如圖4-25所示。

NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作圖4-25內(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)圖

NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路

獨立型PLC又稱通用型PLC，的CPU、系統(tǒng)程序、用戶程序、輸入/輸出電路、通訊等均設(shè)計成獨立的模塊。獨立型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系如圖4-26圖4-26獨立型PLC結(jié)構(gòu)圖

上：內(nèi)置型PLC右：獨立型PLC由于PLC的硬件結(jié)構(gòu)不同，功能也不盡相同，程序的表達方法也不同?？删幊绦蜻壿嬁刂破鞯某Ｓ镁幊谭椒ㄓ薪狱c梯形圖法和語句表法。

1．接點梯形圖梯形圖編程是一種圖形編程方法，由于用了電路元件符號來表示控制任務(wù)，與傳統(tǒng)的繼電器電路圖很相似，因此梯形圖很直觀，易于理解。前面提到的電機正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序如圖4-27所示。

4.4.2PLC編程方法梯級1分支1分支21.1B120.2120.11.2R1120.11.0AR2R1R2120.2120.1120.2R1E左母線右母線2．語句表語句表也稱指令表（IL—InstructionList），或指令表語言。指令表語言和匯編語言很相似，每條語句包含有一個操作碼部分和一個操作數(shù)部分。操作碼表示功能類型，操作數(shù)表示操作的對象，操作數(shù)由地址碼和參數(shù)組成。若采用指令語句，圖4-27所示的梯形圖程序可表達為：RDAORR1AND，NOTEAND，NOTR2WRTR1RDBORR2120.2AND，NOTEAND，NOTR1WRTR2120.2其中的RD、OR、AND、NOT等稱為指令語句的操作碼，而1.0、120.1、1.2等為操作數(shù)。這種編程方法緊湊、系統(tǒng)化，但比較抽象，有時先用梯形圖表達，然后寫成相應(yīng)的指令語句再用編程器上的指令和功能鍵輸入到PLC中。表4-1是常用的操作碼及其涵義。序號

指

令

處

理

內(nèi)

容

1

RD

讀出給定信號的狀態(tài)

2

RD.NOT

讀出給定信號的非狀態(tài)

3

WRT

將運算結(jié)果寫入指定的地址單元

4

WRT.NOT

將運算結(jié)果的非狀態(tài)寫入指定的地址單元

5

AND

執(zhí)行邏輯與

6

AND.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯與

7

OR

執(zhí)行邏輯或

8

OR.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯或

9

RD.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址信號寫入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址的非信號信號寫入ST0

11

AND.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相與,結(jié)果存于ST0

12

OR.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相或,結(jié)果存于ST0

CPURAMEPROM用戶程序EPROM用戶程序編程器電源輸入輸出模塊功能開關(guān)和指示器電池4.4.3PLC的工作過程

1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖4-28PLC硬件原理圖輸入/輸出狀態(tài)采集解算梯形圖掃描I/O口，更新輸出狀態(tài)掃描編程器更新顯示強行