數(shù)控技術 課件第4章

1、第四章第四章 數(shù)控裝置數(shù)控裝置 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 一、數(shù)控裝置的作用 數(shù)控裝置的主要作用是，讀入數(shù)控加工程序，將其轉換成控制機床運動和輔助功能要求的格式，分別送給進給電機控制單元、主軸電機控制單元和PLC，具有內置PLC功能的數(shù)控裝置本身具有邏輯量解算功能，直接將解算結果送給機床強電控制系統(tǒng)。具有閉環(huán)控制功能的數(shù)控系統(tǒng)還會讀入機床位置檢測裝置發(fā)出的實際位置信號，與指令位置比較后，用其差值控制機床的移動，可以獲得較高的位置控制精度。返回課件首頁 二、數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面 硬件 軟件 圖4-1 幾種典型的軟硬件界面的劃分程序輸入數(shù)據(jù)處理插補位控速控伺服電機測量 軟硬件功能界面問題：

2、哪些功能由軟件來實現(xiàn)，哪些功能由硬件來實現(xiàn)，或怎樣確定軟件和硬件在數(shù)控裝置中所承擔的任務。 四種功能界面的劃分，代表了不同時期的數(shù)控裝置產(chǎn)品。數(shù)控裝置發(fā)展的趨勢是軟件承擔的任務越來越多。這主要是由于計算機的運算處理能力不斷增強，使軟件運行的速度大大提高的結果。這種趨勢并不是一成不變的，隨著電子技術的發(fā)展，硬件的成本也在不斷降低，如果硬件的制造可以做到象軟件一樣靈活，能夠根據(jù)特殊需求，專門制做的時候，硬件所擔負的功能還會逐步增加。 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)控裝置的硬件結構數(shù)控裝置的硬件結構 一、由單片機組成的數(shù)控裝置圖4-2 用80C31單片機組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖 二、單微處理機數(shù)控裝置 圖4

3、-3 單微處理機數(shù)控裝置的結構圖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4-4 數(shù)控裝置的物理結構（FANUC-6MB）三、基于網(wǎng)絡的數(shù)控裝置圖4-5 基于網(wǎng)絡的數(shù)控系統(tǒng)結構圖 數(shù)控裝置各功能模塊間的通訊是按照SERCOS（Serial Communication System）協(xié)議進行的。圖4-7表示了SERCOS協(xié)議通訊的原理。由一個控制器和若干個伺服驅動器構成通訊回路。通訊以循環(huán)方式進行，每個循環(huán)的時間可設定為62s、125s、25

4、0s或其整數(shù)倍。循環(huán)時間的長短以保證控制器和伺服驅動器間的同步通訊為前提。圖中的Master表示運動控制器，Slave i表示連接在控制環(huán)路中的第i個伺服驅動器，MST表示同步信息，ATi表示第i個伺服驅動器發(fā)送的數(shù)據(jù)，MDT為控制器發(fā)送到網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)。 驅動器數(shù)/光纖環(huán) 42 21246通訊周期圖4-6每個光纖環(huán)路能控制的驅動器個數(shù)66 圖4-7 SERCOS通訊原理 控制器和伺服驅動器間的通訊包括三種情況： 1控制器發(fā)出同步信息，各伺服驅動器以此同步信息為保證同步通訊的時間基準； 2控制器向環(huán)路中的所有伺服驅動器發(fā)送同步數(shù)據(jù)（Cycle Data）和伺服數(shù)據(jù)（Serve Data）； 3伺

5、服驅動器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到相應的時間槽（Time Slots）。通訊按照NRZI編碼的HDLC協(xié)議進行。 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控軟件數(shù)控軟件 一、數(shù)控軟件的數(shù)據(jù)轉換流程 圖4-8 數(shù)控裝置軟件的數(shù)據(jù)轉換流程 加工程序譯碼刀補處理速 度 控制插 補 處理位置控制伺 服 驅動P L C 控制位 置 反饋譯碼緩沖區(qū)刀補緩沖區(qū)運行緩沖區(qū) （一）譯碼 譯碼就是把用ASC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 M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.； 高4位 低4位 說 明 1

6、3G 0323M 03100X值 50Y值 0Z值 0I值 50J值 0K值 100F值 圖4-9 不按字符格式的譯碼數(shù)據(jù)存放格式 2保留字符格式的存放方法 Struct PROG_BUFFERchar buf_state； /0：空， 1：有數(shù)據(jù) int block_num； /程序段號 double COORD20； /尺寸字的數(shù)值，單位為m int F，S； /進給速度和主軸速度 char G_flag； /以標志形式存放的G指令 char G1； /G指令表 . char M_flag； /以標志形式存放的M指令 char M1； /M指令表 . char T； /刀具代號 char

7、D； /刀具半徑值 ； （二）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)本段和下一段的轉接關系進行段間處理。 （三）速度預處理速度預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的合成進給量 L=Ft/60（m） 式中，F(xiàn) 進給速度值（mm/min）； t 數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）。 （四）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計算新的坐標位置； 3將合成位移分解到各個坐標方向，得到各個坐標軸的位置控制指令。 插補程序的實時性 （

8、五）位置控制圖4-10 位置控制算法原理指令位置+插補輸出+x2，y2-位控輸出x3，y3+X2新，Y2新實 際 位 置 增量x1，y1實際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊X1舊，Y1舊+-1計算新的指令坐標位置 X2新 = X2舊 + x2 Y2新 = Y2舊 + y22計算實際坐標位置 X1新 = X1舊 + x1 Y1新 = Y1舊 + y13計算位置控制輸出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是強實時性任務，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內完成。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。 二、數(shù)控軟件的特點 （一）多任務與并行處理技

9、術 1數(shù)控裝置的多任務性 圖4-11 數(shù)控裝置的任務 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 這些任務中有些可以順序執(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。 2多任務并行處理的實現(xiàn) （1）資源分時共享圖4-12 分時共享多任務處理方案優(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 程序初始化圖4-13 各任務占用CPU時間示意圖 0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算背景程序 （2）時間重

10、疊流水處理 圖4-14 時間重疊流水處理示意圖12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8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 三、數(shù)控軟件的基本結構 （一）前后臺型結構模式 圖4-15 前后臺程序的運行關系 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 （二）中斷型結構模式 中斷型結構的數(shù)控軟件系統(tǒng)見圖4-16。 圖4-16 中斷型結構的數(shù)控軟件系統(tǒng) 初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0 級 中斷服務程序1 級 中斷服務程序2 級 中斷服務程序N級中斷

11、服務程序 第四節(jié) 數(shù)控裝置的輸入/輸出接口 一、接口標準化 二、接口的任務 1進行電平和功率放大。 2將數(shù)控裝置和機床之間的信號在電氣上加以隔離。 3數(shù)/模（D/A）或模/數(shù)（A/D）轉換電路?？顾p和畸變。 主軸驅動電機數(shù)控裝置接口分類 電機速度控制進給主軸驅動機床坐標軸進給電機操作面板限位開關機電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉臺，換刀裝置等）輔助電機機床控制設備控制裝置電源控制（變壓器，保護裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳 感 器 激 勵位置指示電源連鎖停止命令開/關指令信號 三、常用的輸入輸出接口 1.直流模擬信號接口 a)單極性輸出 b)雙極性輸出圖4-18 A

12、D7520電壓輸出電路 +5V +5V 22k 2.2k 100 0.1u 47u 100 a)斯密特觸發(fā)電路 b) RS觸發(fā)器整形電路圖4-20 消除觸點抖動的電路斯密特觸發(fā)器CNC接收器+5V電平轉換電路以電壓輸入的接收電路見圖4-21。 MT 電壓 輸入 接收器 +5V 圖4-21 電壓輸入的接收電路 +24V +24V 輸出 CNC a)繼電器輸出 b)無觸點輸出圖4-22 輸出接口電路CNCCNC3、數(shù)控裝置的通信接口輸入文件名初始化8520輸入文件名輸入文件名字符？DC1？DC3？結束？結束第五節(jié)第五節(jié) PLCPLC控制控制一、PLC的基本概念1RLC與PLC CW T1 Stop

13、 T1 CCW T2 T2 圖4-24 實現(xiàn)主軸正反轉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（Programmable Logic Controller-PLC）來實現(xiàn)開關量及其邏輯關系的控制。PLC是由計算機簡化而來的，為了適應順序控制的要求，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能夠控制的開關量數(shù)量要比RLC多，能實現(xiàn)復雜的控制邏輯。由于減少了硬件線路，控制

14、系統(tǒng)的可靠性大大提高。 2數(shù)控裝置中的PLC 數(shù)控裝置中的PLC有兩種類型：內裝型PLC和獨立型PLC。內裝型PLC是指PLC包含在數(shù)控裝置當中，PLC與數(shù)控功能模塊間的信號傳送在數(shù)控裝置內部實現(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。圖4-25 內裝型PLC結構圖NCPLCI/O電路伺服驅動單元主軸驅動單元強電電路機 床 操 作 面板MDI/CRT面板伺服驅動單元主軸驅動單元輔助動作 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、通訊等均設計成獨立的模塊。獨立型PLC與數(shù)控裝置的關系如圖4-26 圖4-26 獨立型PLC結構圖

15、NCPLC伺服驅動單元主軸驅動單元強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服驅動單元主軸驅動單元輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路 二、PLC編程的基本方法 由于PLC的硬件結構不同，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（LCLadder Diagram）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，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控制的梯形圖程序如圖4-27所示。 R1 支路1 1.0 A E 梯級1 支路2 120.1 1.2 120.

16、1 支路3 1 .1 B E R2 梯 級2 1.2 120.2 支路4 120.2 電力軌 電力軌圖4-27 電機正反轉控制的接點梯形圖 2語句表 語句表也稱指令表（ILInstruction List），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：RD A 1.0OR R1 120.1AND，NOT E 1.2WRT R1 120.1RD B 1.1OR R2 120.2AND，NOT E 1.2WRT R2 120.2 其中的

17、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 容 1RD讀 出 給 定 信 號 的 狀 態(tài) 2RD.NOT讀 出 給 定 信 號 的 非 狀 態(tài) 3W R T將 運 算 結 果 寫 入 指 定 的 地 址 單 元 4W R T.NOT將 運 算 結 果 的 非 狀 態(tài) 寫 入 指 定 的 地 址 單 元 5AND執(zhí) 行 邏 輯 與 6AND.NOT以 指 定 的 地 址

18、信 號 的 非 狀 態(tài) 執(zhí) 行 邏 輯 與 7OR執(zhí) 行 邏 輯 或 8OR.NOT以 指 定 的 地 址 信 號 的 非 狀 態(tài) 執(zhí) 行 邏 輯 或 9RD.STKST0內 容 左 移 ,并 將 指 定 地 址 信 號 寫 入ST010RD.NOT.STKST0內 容 左 移 ,并 將 指 定 地 址 的 非 信 號 信 號 寫 入ST011AND.STK將ST0和ST1的 內 容 相 與 ,結 果 存 于ST012OR.STK將ST0和ST1的 內 容 相 或 ,結 果 存 于ST0 三、PLC的工作過程 1PLC的硬件結構 圖4-28 PLC硬件原理圖CPURAMEPROM用戶程序EPR

19、OM用戶程序編程器電源輸入輸出模塊功能開關和指示器電池 2PLC的工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運行軟件的過程。 0000H 圖4-29 PLC的掃描過程輸入/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I/O操作用戶程序通過編程器順序輸入到用戶存儲器內，CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行。這是PLC的基本工作方式。圖4-29給出了GE系列PLC的CPU掃描過程。只要PLC接通電源，CPU就對用戶存儲器的程序進行掃描。掃描從0000H地址所存儲的第一條用戶程序開始，順序進行，直到存儲器結尾或用戶程序的最后一個地址為止，形成一個掃描循環(huán)，周而復始。每掃描一次，CPU進行輸入點的狀態(tài)采集、用戶程序的邏輯解算、