數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1、第二講數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)由基本硬件與控制軟件組成。目前各數(shù)控廠家的產(chǎn)品可以歸納為兩種風格：一種是采用專用硬件，其控制軟件簡單；另一種是采用通用硬件，其控制軟件復雜。一、基本硬件構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)（CNC）基本硬件通常由微機基本系統(tǒng)、人機界面接口、通信接口、進給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功能控制接口等部分組成，如圖21所示。圖21 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖FANUC0i數(shù)控裝置構(gòu)成框圖如圖22所示。FANUC3MA數(shù)控裝置構(gòu)成框圖如圖23所示。圖22 FANUC 0i數(shù)控裝置構(gòu)成框圖、微機基本系統(tǒng)通常微機基本系統(tǒng)是由CPU、存儲器（EPROM、RAM）、定時器、中斷控制器等幾個主要部分

2、組成。1、CPUCPU是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，常見的中低檔數(shù)控系統(tǒng)基本上采用8位或16位CPU，如80888086、8031等。隨著CPU系統(tǒng)向高精度方向發(fā)展，要求其最小設(shè)定單位越來越小，同時又要求CPU系統(tǒng)能滿足大型機床的需要，當最小設(shè)定單位是1m時，16位二進制數(shù)所表示的最大坐標為32.76732.767mm，這顯然是不夠的，而采用32位二進制數(shù)時，最大坐標范圍約為20002000m，因此數(shù)控系統(tǒng)一般采用24位二進制數(shù)，其坐標范圍為8388.6078388.607mm。因此選用8位CPU就需要三個或四個字節(jié)運算，這就嚴重影響了運算速度，當最小設(shè)定單位為0.1m時，這個問題將更加嚴重。因此現(xiàn)代

3、數(shù)控系統(tǒng)大多采用16位或32位的CPU，以滿足其性能指標，如采用8位CPU，則為多CPU結(jié)構(gòu)。例如FANUC 15、SIEMENS 840、FAGOR 8050等系統(tǒng)均為32位CPU，而FAGOR 8025系統(tǒng)則采用8位多CPU結(jié)構(gòu)。2、EPROMEPROM用于固化系統(tǒng)控制軟件，數(shù)控系統(tǒng)的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。在數(shù)控系統(tǒng)中，硬軟件有密切的關(guān)系，由于軟件的執(zhí)行速度較硬件慢，當CPU功能較弱時，則需要專用硬件解決問題或采用多CPU結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)常采用標準化與通用化總線結(jié)構(gòu)，因此不同的機床數(shù)控系統(tǒng)可以采用基本相同的硬件結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)的改進與擴展十分方便。在硬件相對不

4、變的情況下，軟件仍有相當大的靈活性。擴充軟件就可以擴展CNC的功能，而且軟件的這種靈活性有時會對數(shù)控系統(tǒng)的功能產(chǎn)生極大的影響。在國外，軟件的成本甚至超過硬件。例如FANUC 3T與3M的差別僅在EPROM中的軟件，F(xiàn)ANUC 3M二軸半聯(lián)動變?yōu)槿S聯(lián)動也僅需要更換EPROM中的軟件。圖23 FANUC 3MA數(shù)控裝置構(gòu)成框圖3、RAMRAM中存放可能改寫的信息，在圖24中，除中斷堆棧存放區(qū)和控制軟件（系統(tǒng)）數(shù)據(jù)暫存區(qū)外，均有后備電池掉電保護功能，即當電源消失后，由電池來維持RAM芯片電壓，以保持其中信息，其原理示意如圖25所示?，F(xiàn)在大量使用的CMOS半導體RAM芯片如62648（8K），622

5、56（32K），628128（128K），其維持功耗很低。如日立HM628128芯片，其電源電壓大于2V即可維持信息不丟失，并且維持電流小于lA左右，這就大大延長了電池的使用壽命。圖24數(shù)控系統(tǒng)RAM區(qū)分配示意圖圖25 RMA芯片掉電保護示意圖4、定時器與中斷控制器定時器與中斷控制器用于計算機系統(tǒng)的定時控制與多級中斷管理。、接口1、人機界面接口數(shù)控系統(tǒng)的人機界面包括以下四部分：鍵盤（MDI）：用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等。顯示器（CRT）：用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。操作面板（OPERATOR PANEL）：用于對機床進行操作。圖26 手搖脈沖發(fā)生器手搖脈沖發(fā)生器(MPG)：用于手

6、動控制機床坐標軸的運動，類似普通機床的搖手柄（圖26）。（1）鍵盤在數(shù)控系統(tǒng)中亦稱為MDI（Manual Data Input）面板或數(shù)控面板，它由英文字母鍵、功能鍵、數(shù)字鍵等組成，用于編制加工程序、修改參數(shù)等。鍵盤的接口比較簡單，與通常的計算機一樣大多采用掃描矩陣原理。FANUC 0-TD的數(shù)控面板如圖27所示。（2）數(shù)控系統(tǒng)處于不同的操作功能時，顯示器所顯示的內(nèi)容是不同的。在編程時，其顯示的是被編輯的加工程序，而加工時，則顯示當前各坐標軸的坐標位置和機床的狀態(tài)信息。有些數(shù)控系統(tǒng)還具有圖形模擬功能，這時顯示器則顯示模擬加工過程的刀具走刀路徑，可以檢查加工程序的正確與否。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已大量采用

7、高分辨率彩色顯示器或液晶顯示器，顯示的圖形也由二維平面圖形變?yōu)槿S動態(tài)圖形；（3）操作面板又稱機床操作面板，不同的數(shù)控機床由于其所需的動作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手動方式下對機床的操作以及自動方式下對運動的操作或干涉。FANUC 0-TD的機床操作面板如圖28所示。圖27FANUC 0-TD的數(shù)控面板圖28FANUC 0-TD的機床操作面板2、通信接口通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標準的RS232串行通信接口，因此與外設(shè)以及上級計算機的連接很方便。高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有RS485、MAP以及其它各種網(wǎng)絡接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)線FMS以及計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。3、進給軸的位置控制

8、接口實現(xiàn)進給軸的位置控制包括三個方面的內(nèi)容：一是進給速度的控制，二是插補運算，三是位置閉環(huán)控制。插補方法有基準脈沖法與采樣數(shù)據(jù)法?；鶞拭}沖法就是CNC系統(tǒng)每次插補以脈沖的形式提供給位置控制單元，這種插補方法的進給速度與控制精度較低，主要用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。而采樣數(shù)據(jù)法計算出給定時間間隔內(nèi)各坐標軸的位置增量，同時接收機床的實際位置反饋，根據(jù)插補所得到的命令位置與反饋位置的差來控制機床運動，因此采樣數(shù)據(jù)法可以根據(jù)進給速度的大小來計算一個時間間隔內(nèi)的位置增量。只要CPU的運算速度較快，給定時間間隔選擇得較小，就可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制。進給軸位置控制接口包括模擬量輸出接口和位置反饋計數(shù)接口。模擬

9、量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC（一般為十二位至十六位），輸出模擬電壓的范圍為1010V，用以控制速度伺服單元。模擬電壓的正負和大小分別決定了電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。位置反饋計數(shù)接口能檢測并記錄位置反饋元件（如光電編碼器）所發(fā)回的信號，從而得到進給軸的實際位置。此接口還具有失線檢測功能，任意一根反饋信號的線斷了都會引起失線報警。在進行位置控制的同時，數(shù)控系統(tǒng)還進行自動升降速處理，即當機床啟動、停止或在加工過程中改變進給速度時，數(shù)控系統(tǒng)自動進行線性規(guī)律或指數(shù)規(guī)律的速度升降處理。對于一般機床可采用較為簡單的直線線性升降速處理，對于重型機床則需使用指數(shù)升降速處理，以便使速度變化平滑。4、主軸控制接口主

10、軸S功能可分為無級變速、有級變速和分段無級變速三大類。當數(shù)控機床配有主軸驅(qū)動裝置時，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進行無級變速，否則需要S、M、T接口實現(xiàn)有級變速。為提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機床多采用分段無級變速，這可以利用輔助功能M41M44和主軸模擬量控制配合完成。主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、主軸準停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。圖29 FANUC 0i系列各組成單元的構(gòu)成5、MST控制接口數(shù)控系統(tǒng)的MST功能是通過開關(guān)量輸入輸出接口完成（除S模擬量輸出外）。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的MST功能，通過開關(guān)量輸出接口送至強電箱，而機床與強電箱的信號則通過開關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。MST功能

11、的開關(guān)量控制邏輯關(guān)系復雜，在數(shù)控機床中一般采用可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)MST功能。FANUC 0i系列各組成單元的構(gòu)成如圖29所示。二、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能與結(jié)構(gòu)、控制軟件的結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件常采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是前后臺型結(jié)構(gòu)，另一種是中斷型結(jié)構(gòu)。對于前后臺型軟件結(jié)構(gòu)，其軟件可劃分為兩類，一類是與機床控制直接相關(guān)的實時控制部分，其構(gòu)成了前臺程序。前臺程序又稱實時中斷服務程序，它是以一定周期定時發(fā)生的，中斷周期一般小于10ms。另一類是循環(huán)執(zhí)行的主程序，稱為后臺程序，后臺程序又稱背景程序。前后臺程序的結(jié)合構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件。在前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中，后臺程序完成協(xié)調(diào)管理、數(shù)據(jù)譯碼、預計

12、算數(shù)據(jù)以及顯示坐標等無實時性要求的任務。而前臺程序完成機床監(jiān)控、操作面板狀態(tài)掃描、插補計算、位置控制以及PLC可編程控制器功能等實時控制。前后臺軟件的同步與協(xié)調(diào)以及前后臺軟件中各功能模塊之間的同步，通過設(shè)置各種標志位來進行。由于每次中斷發(fā)生，前臺程序響應的途徑不同，因此執(zhí)行時間也不同，但最大執(zhí)行時間必須小于中斷周期，而兩次中斷之間的時間正是用來執(zhí)行背景主程序的。除初始化程序之外，各功能模塊安排在不同級別的中斷服務程序中無前后臺之分，只有級別的差別。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)常用的操作功能，其軟件一般分為各功能模塊。、數(shù)控系統(tǒng)的功能1、系統(tǒng)管理功能用于系統(tǒng)各功能模塊的管理與調(diào)度。2、加工程序的管理與編輯數(shù)控系

13、統(tǒng)RAM區(qū)中存有所有加工程序的目錄，每個目錄項包括程序名、起址、終址、字節(jié)數(shù)等信息。通過目錄區(qū)可以對加工程序進行管理。可以對零件加工程序進行刪除、更名、復制、編輯等操作。在編輯時如果對某些數(shù)控指令的含義不清楚，還可以利用系統(tǒng)的提示與幫助功能。3、參數(shù)設(shè)置在參數(shù)設(shè)置模塊中，可以對各種參數(shù)進行設(shè)置。數(shù)控系統(tǒng)中大致有四類參數(shù)。（1）刀具參數(shù)數(shù)控系統(tǒng)具有刀具長度補償與半徑補償功能。以數(shù)控車床系統(tǒng)為例，其刀具參數(shù)表如圖210所示。其中：X值為刀具沿X軸的長度偏置；Z值為刀具沿Z軸的長度偏置；T值為刀尖的補償方向，代碼（09）；R值為刀具的刀尖圓弧半徑。（2）G53G59參數(shù)G53G59在數(shù)控編程中用于坐

14、標系的零點偏置，其偏置值相對于機床坐標系的零點。其參數(shù)表如圖211所示。圖210 刀具參數(shù)表圖211 G53G59坐標參數(shù)表（3）絲杠的間隙與螺距誤差表在半閉環(huán)與開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，傳動鏈的間隙直接影響加工精度，因此須測量出各軸的傳動間隙，并置入數(shù)控系統(tǒng)，由系統(tǒng)對間隙進行自動補償。此外，數(shù)控系統(tǒng)可對絲杠全行程上的螺距誤差進行補償，螺距誤差補償表如圖212所示，X為相對機床零點的坐標值，X為相應點的誤差。該表中的誤差值可由激光干涉儀測出，該坐標軸在運動時數(shù)控系統(tǒng)會按表中的誤差值自動進行補償。由于機床參考點是系統(tǒng)開機后尋找的坐標系中的基準點，因此在機床參考點上誤差為零。圖213為X軸螺距誤差曲線。（4

15、）系統(tǒng)控制參數(shù)系統(tǒng)控制參數(shù)涉及的范圍很廣，當配接不同的機床時，系統(tǒng)控制參數(shù)要做相應的改變。如圖214所示，其數(shù)據(jù)為8位二進制數(shù)。圖214 8位二進制系統(tǒng)控制參數(shù)4、手動操作與調(diào)整（1）坐標軸的移動控制坐標軸的移動控制有三種方式：連續(xù)移動例如，按下操作面板上的+X，X坐標則朝正方向連續(xù)移動，直至松開+X。移動的速度由F指令和速度倍率開關(guān)控制，如F1000mmmin，倍率為50，則移動速度為500mmrain。點動按一下操作面板上的軸移動按鈕，相應軸則移動一個固定的點動量，一般選擇 為1、10、100或1000m。手搖脈沖發(fā)生器移動首先選擇要移動的軸，然后系統(tǒng)即可根據(jù)手搖脈沖發(fā)生器的移動方向和發(fā)出

16、的脈沖個數(shù)控制相應軸的移動?？蛇x擇手搖脈沖發(fā)生器一個脈沖所對應的機床移動量為l、10、100或1000m。（2）手動MST功能的控制在手動調(diào)整中，可以單獨指定執(zhí)行某一M、S、T功能，M、S、T功能在數(shù)控機床中是由繼電器網(wǎng)絡或PLC可編程控制器實現(xiàn)的。（3）機床坐標系的建立與返回參考點數(shù)控系統(tǒng)的許多功能，如軟極限行程保護（或稱存儲行程極限）、螺距誤差補償、G53G59零點偏置、換刀點等，都是定義在機床坐標系下的，因此對機床零點（機床參考點）的精度要求很高。機床坐標系是通過系統(tǒng)執(zhí)行返回參考點來建立的，在參數(shù)區(qū)中可以設(shè)置每個軸機床零點與參考點的位置。因此，采用增量式位置編碼器的數(shù)控機床，開機后應首先

17、執(zhí)行返回參考點的動作，從而建立機床坐標系。而采用絕對式位置編碼器的機床，機床參考點一次性調(diào)整好后，每次開機不需要進行回參考點的操作。5、零件的自動加工通過鍵盤和通信接口將準備好的零件加工程序送入數(shù)控系統(tǒng)，然后就可啟動零件的自動加工功能，該功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心。零件自動加工的控制流程如圖2-15所示。用戶輸入的數(shù)控加工程序存在內(nèi)存RAM中，其格式是自由的，字符也是按ASC'碼或者EIA碼存放的，因此必須將它們進行整理和分類，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部約定的格式，對數(shù)據(jù)則要進行分析與解釋。在此過程中，信息量無任何增加或減少，這是系統(tǒng)控制程序內(nèi)部格式的需要。分析與解釋后，加工程序中的M、S、T功能由系

18、統(tǒng)傳至PLC可編程控制器，由PLC完成其控制，其實現(xiàn)方法與手動調(diào)整中相同。對運動功能，則需對加工軌跡進行刀具長度與半徑補償，補償后的刀具中心軌跡經(jīng)過插補運算和傳動間隙補償，即可得到每個控制周期各軸的進給量，位置控制軟件根據(jù)此進給量來控制電動機的進給，從而完成加工任務。零件的自動加工可分為連續(xù)運行和單段運行，其差別在于：單段運行方式中數(shù)控系統(tǒng)每次僅執(zhí)行一個程序段，必須再次按循環(huán)啟動鍵后，才能執(zhí)行下一個程序段，而在連續(xù)運行方式中程序是連續(xù)執(zhí)行的。6、空運行與加工圖形模擬該功能用于驗證加工程序的正確性?？者\行時數(shù)控系統(tǒng)可以有幾種執(zhí)行方式：（1）只執(zhí)行加工程序的G功能；（2）系統(tǒng)完整地執(zhí)行程序，但以最大進給率快速移動坐標軸；（3）系統(tǒng)完整地執(zhí)行程序，但不移動坐標軸，也不考慮刀具補償。數(shù)控系統(tǒng)的圖形模擬功能可將刀具的運行軌跡在顯示器上顯示出來，直觀地檢查程序。7、數(shù)控系統(tǒng)