數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件課件

第4章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件4.1概述4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器第4章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件4.1概述4.1概述4.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的概念按照美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(ElectronicIndustriesAssociation----EIA)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的定義，計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)完成數(shù)控要求的部分或全部功能，并配有接口電路、伺服驅(qū)動(dòng)的一種專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下一頁(yè)返回4.1概述4.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的概念下一頁(yè)返回4.1概述CNC系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序(或指令)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，形成理想的運(yùn)動(dòng)軌跡。插補(bǔ)計(jì)算出的位置數(shù)據(jù)輸出到伺服單元，控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加工出所需要的零件。

CNC系統(tǒng)是由程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等組成。數(shù)控系統(tǒng)的核心是CNC裝置，如圖4-1所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述CNC系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序(或4.1概述4.1.2計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的組成

CNC裝置由硬件和軟件組成。硬件由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、位置控制、輸入/輸出（I/O）接口、可編程序控制器（PLC）、圖形控制、電源等模塊組成，硬件組成如圖4-2所示。軟件則由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。為了實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專(zhuān)用軟件，稱(chēng)為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對(duì)輸入的加工程序自動(dòng)進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制指令及進(jìn)給控制信號(hào)。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件組成，如圖4-3所示。管理軟件承擔(dān)零件加工程序的輸入輸出、I/O處理、系統(tǒng)的顯示和故障診斷?？刂栖浖t承擔(dān)譯碼處理、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等工作。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4.1.2計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的組成下一頁(yè)上一頁(yè)4.1概述1．計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中的微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)）是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中的核心，與通用計(jì)算機(jī)一樣，它包括中央處理器(CPU)、內(nèi)部存儲(chǔ)器、I/O接口以及時(shí)鐘、譯碼等輔助電路。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述1．計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中的微型計(jì)算機(jī)下一頁(yè)上一頁(yè)返4.1概述

中央處理器(CPU)由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。運(yùn)算器是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件。在運(yùn)算過(guò)程中，運(yùn)算器不斷地得到由存儲(chǔ)器提供的數(shù)據(jù)，并將運(yùn)算的中間結(jié)果送回存儲(chǔ)器暫時(shí)保存起來(lái)?？刂破鲝拇鎯?chǔ)器中依次取出組成程序的指令，經(jīng)過(guò)譯碼后向數(shù)控系統(tǒng)的各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號(hào)，使指令得以執(zhí)行。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述中央處理器(CPU)由運(yùn)算4.1概述

存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件和零件加工程序，并將運(yùn)算的中間結(jié)果以及處理后的結(jié)果儲(chǔ)存起來(lái)。它包括存放系統(tǒng)控制軟件的存儲(chǔ)器(ROM)和存放中間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器(RAM)兩部分。ROM中的系統(tǒng)控制軟件程序是由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)家寫(xiě)入的，用來(lái)完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件和零4.1概述

輸入/輸出接口是中央處理器和外界聯(lián)系的通路，它提供物理的連接手段，完成必要的數(shù)據(jù)格式和信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換。I/O接口按功能可分為兩類(lèi)：一類(lèi)連接常規(guī)的輸入輸出設(shè)備以實(shí)現(xiàn)程序的輸入輸出及人機(jī)交互的界面，稱(chēng)之為通用的I/O接口；另一類(lèi)則連接專(zhuān)用的控制和檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的位置和工作狀態(tài)的控制與檢測(cè)，這是CNC系統(tǒng)專(zhuān)有的，稱(chēng)之為機(jī)床控制I/O接口。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述輸入/輸出接口是中央處理器和外界4.1概述2．輸入/輸出裝置輸入/輸出部分包括各種類(lèi)型的輸入/輸出設(shè)備（又稱(chēng)外部設(shè)備）以及輸入/輸出接口控制部件。其外部設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT顯示器、鍵盤(pán)、穿孔機(jī)以及面板等。其中光電閱讀機(jī)是用來(lái)輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序的；CRT作為顯示器及監(jiān)控之用；鍵盤(pán)主要用作輸入操作命令及編輯修改數(shù)據(jù)，也可以用作少量零件加工程序的輸入；穿孔機(jī)則作為復(fù)制零件程序紙帶之用，以便保存和檢查零件程序；操作面板可供操作員改變操作方式，輸入設(shè)定數(shù)據(jù)以及啟停加工等。典型的輸入/輸出接口控制部件有紙帶輸入機(jī)接口、盒式磁帶輸入機(jī)接口、數(shù)控系統(tǒng)操作面板接口、進(jìn)給伺服控制接口以及字符顯示器（CRT）接口等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述2．輸入/輸出裝置下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述3．可編程序控制器（PLC）數(shù)控機(jī)床的控制在控制側(cè)(即NC側(cè))有各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)控制，在機(jī)床側(cè)(即MT側(cè))有各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯順序控制?？删幊绦蚩刂破魈幱贜C和MT之間，對(duì)NC和MT的輸入、輸出信息進(jìn)行處理，用軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)床側(cè)的控制邏輯，亦即用PLC提高CNC系統(tǒng)的靈活性、可靠性和利用率，并使結(jié)構(gòu)更緊湊。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述3．可編程序控制器（PLC）下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述

數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器有內(nèi)裝型(BuiltinType)和獨(dú)立型(Stand-aloneType)兩種。

PLC的應(yīng)用程序(ApplicationProgram)，即PLC程序，通常用梯形圖表示。編制PLC程序的設(shè)備有PLC專(zhuān)用編程機(jī)、編程器、有PLC編程功能的CNC系統(tǒng)或配有PLC編程系統(tǒng)軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)(或工作站)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器有內(nèi)4.1概述4．位置控制裝置位置控制裝置由伺服機(jī)構(gòu)和執(zhí)行元件組成。伺服機(jī)構(gòu)包括速度控制單元和位置控制單元兩部分。經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)的位移量送往位置控制單元，由它生成伺服電動(dòng)機(jī)速度指令發(fā)往速度控制單元。速度控制單元接收速度反饋信號(hào)，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制；同時(shí)位置控制單元接收實(shí)際位置反饋，并修正速度指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。執(zhí)行元件可以是交流或直流伺服電動(dòng)機(jī)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4．位置控制裝置下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4.1.3計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的工作原理

CNC裝置在其硬件環(huán)境支持下，按照系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控制邏輯，對(duì)輸入、譯碼處理、數(shù)據(jù)處理、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算與位置控制、I/O處理、顯示和診斷等方面進(jìn)行控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4.1.3計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的工作原理下一頁(yè)上4.1概述1．輸人輸入到CNC裝置的有零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。常用的輸入方式有鍵盤(pán)手動(dòng)輸入、光電閱讀機(jī)紙帶輸入、磁盤(pán)輸入、磁帶輸入、通信接口RS-232輸入、連接上一級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式輸入。CNC裝置在輸入過(guò)程中還需完成程序檢驗(yàn)和代碼轉(zhuǎn)換等工作。輸入的全部信息存放在CNC裝置的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述1．輸人下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述2．譯碼處理譯碼處理程序?qū)⒘慵绦蛞猿绦蚨螢閱挝贿M(jìn)行處理，每個(gè)程序段中含有零件的輪廓信息、要求的加工速度以及其他的輔助信息(換刀、切削液開(kāi)停等)，這些信息在計(jì)算機(jī)作插補(bǔ)運(yùn)算與控制操作之前必須翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的語(yǔ)言，譯碼程序就承擔(dān)著此項(xiàng)任務(wù)。在譯碼過(guò)程中，還要完成對(duì)程序段的語(yǔ)法檢查，若發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤便立即報(bào)警。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述2．譯碼處理下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述3．?dāng)?shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)處理的程序的實(shí)時(shí)性要求不高。輸入數(shù)據(jù)處理進(jìn)行得充分一些，可減輕加工過(guò)程中實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的插補(bǔ)運(yùn)算及速度控制程序的負(fù)擔(dān)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述3．?dāng)?shù)據(jù)處理下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4．插補(bǔ)運(yùn)算及位置控制插補(bǔ)運(yùn)算程序完成CNC系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能，即實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸脈沖分配的功能。脈沖分配包括點(diǎn)位、直線(xiàn)以及曲線(xiàn)三個(gè)方面，由于現(xiàn)代微機(jī)具有完善的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的算術(shù)子程序，給插補(bǔ)計(jì)算提供了許多方便?？梢圆捎靡恍└奖愕臄?shù)學(xué)方法提高輪廓控制的精度，而不必顧忌會(huì)增加硬件線(xiàn)路。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述4．插補(bǔ)運(yùn)算及位置控制下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述

插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果輸出，經(jīng)過(guò)位置控制部分(這部分工作既可由軟件完成，也可由硬件完成)控制伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，控制刀具按預(yù)定的軌跡加工。位置控制的主要任務(wù)是在每個(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)給電動(dòng)機(jī)。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償，以提高機(jī)床的定位精度。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果輸出，經(jīng)過(guò)位置控制4.1概述

水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補(bǔ)運(yùn)算與速度控制的空閑時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入處理，即調(diào)用各功能子程序，完成下一數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理工作，且保證在本數(shù)據(jù)段加工過(guò)程中將下一數(shù)據(jù)段準(zhǔn)備完畢，一旦本數(shù)據(jù)段加工完畢就立即開(kāi)始下一數(shù)據(jù)段的插補(bǔ)加工。有的管理程序還安排進(jìn)行自動(dòng)編程工作，或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行必要的預(yù)防性診斷。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述水平較高的管理程序可使多道程序并行4.1概述5．輸入/輸出處理輸入/輸出處理主要是處理CNC裝置和機(jī)床之間來(lái)往信號(hào)輸入、輸出和控制。CNC裝置和機(jī)床之間必須通過(guò)光電隔離電路進(jìn)行隔離，確保CNC裝置穩(wěn)定運(yùn)行。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述5．輸入/輸出處理下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述6．顯示

CNC裝置顯示主要是為操作者提供方便，通常應(yīng)具有：零件程序顯示、參數(shù)顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬圖形顯示、報(bào)警顯示等功能。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述6．顯示下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述7．診斷程序

CNC裝置利用內(nèi)部自診斷程序可以進(jìn)行故障診斷，主要有啟動(dòng)診斷和在線(xiàn)診斷兩種。啟動(dòng)診斷是指CNC裝置每次從通電開(kāi)始至進(jìn)入正常的運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)中，系統(tǒng)相應(yīng)的自診斷程序通過(guò)掃描自動(dòng)檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關(guān)外設(shè)等是否正常。只有當(dāng)檢查到的各個(gè)項(xiàng)目都確認(rèn)正確無(wú)誤后，整個(gè)系統(tǒng)才能進(jìn)入正常運(yùn)行的準(zhǔn)備狀態(tài)。否則，CNC裝置將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、TFT、CRT或用硬件（如發(fā)光二極管）報(bào)警方式顯示故障的信息。此時(shí)，啟動(dòng)診斷過(guò)程不能結(jié)束，系統(tǒng)不能投入運(yùn)行。只有排除故障之后CNC裝置才能正常運(yùn)行。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述7．診斷程序下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.1概述

在線(xiàn)診斷是指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)中，由系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)裝診斷程序，通過(guò)定時(shí)中斷掃描檢查CNC裝置本身及外設(shè)。只要系統(tǒng)不停電，在線(xiàn)診斷就持續(xù)進(jìn)行。上一頁(yè)返回4.1概述在線(xiàn)診斷是指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.1按硬件制造方式分類(lèi)

CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)其硬件制造方式的不同可分為兩類(lèi)：專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)式CNC系統(tǒng)。下一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.1按硬件制造方式分類(lèi)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1．專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)這類(lèi)CNC系統(tǒng)的硬件由各制造廠(chǎng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制造的，沒(méi)有通用性。其中，又有大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)之分。大板式結(jié)構(gòu)的CNC裝置一般由主電路板、PLC板、附加I/O板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印制板，其他電路板為小板并插在大電路板上的插槽內(nèi)，大板結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-4所示。大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，有很高的性?xún)r(jià)比，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)。但它的硬件功能不易變動(dòng)，不利于組織生產(chǎn)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1．專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)下一頁(yè)上一頁(yè)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

模塊化結(jié)構(gòu)的CNC裝置，是將整個(gè)CNC裝置按功能劃分為若干個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊的硬件按模塊化方法設(shè)計(jì)成尺寸相同的印刷電路板（稱(chēng)為功能模板），各板均可插到符合相應(yīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)的母板的插槽內(nèi)。功能模塊的控制軟件也是模塊化的。于是可按積木形式構(gòu)成CNC裝置，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試與維修方便，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)的CNC4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2．個(gè)人計(jì)算機(jī)式CNC系統(tǒng)以往CNC系統(tǒng)硬件由不同NC制造廠(chǎng)設(shè)計(jì)和制造，硬件彼此間不能交換及替代。近幾年采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)亦即工業(yè)PC機(jī)作為CNC系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，不同數(shù)控制造廠(chǎng)僅需插入自己的控制卡和CNC軟件即可構(gòu)成CNC系統(tǒng)，不設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的硬件。由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)，其生產(chǎn)成本很低，繼而也就降低了CNC系統(tǒng)的成本。若工業(yè)PC機(jī)出現(xiàn)故障，修理及更換均很容易。美國(guó)ANILAM公司和AI公司生產(chǎn)的CNC系統(tǒng)均屬這種類(lèi)型。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2．個(gè)人計(jì)算機(jī)式CNC系統(tǒng)下一頁(yè)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.2按所用的CPU分類(lèi)

CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)一般分為單微處理器和多微處理器兩大類(lèi)。初期的CNC和現(xiàn)有一些經(jīng)濟(jì)型CNC采用單微處理器結(jié)構(gòu)。隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床提出復(fù)雜功能、高進(jìn)給速度和高加工精度的要求，以及適應(yīng)更高層次的自動(dòng)化FMS和CIMS的要求，因此多微處理器結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展，它反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.2按所用的CPU分類(lèi)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1．單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)微處理器，以集中控制，分時(shí)處理數(shù)控的各個(gè)任務(wù)。而有的CNC系統(tǒng)雖然有兩個(gè)以上的微處理器，但其中只有一個(gè)微處理器能夠控制系統(tǒng)總線(xiàn)，占有總線(xiàn)資源；而其他微處理器成為專(zhuān)用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線(xiàn)，不能訪(fǎng)問(wèn)主存儲(chǔ)器。它們組成主從結(jié)構(gòu)，故被歸類(lèi)于單微處理器結(jié)構(gòu)中。單微處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1．單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)下一4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

單微處理器結(jié)構(gòu)的基本組成如下：①微處理器和總線(xiàn)；②存儲(chǔ)器；③紙帶閱讀機(jī)接口；④紙帶穿孔機(jī)和電傳機(jī)接口；⑤I/O接口；⑥MDI/CRT接口，⑦位置控制器；⑧PLC。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)的基本4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)具有如下一些特點(diǎn)：(1)CNC系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)微處理器，對(duì)存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入/輸出控制、CRT顯示等功能都由它集中控制分時(shí)處理。(2)微處理器通過(guò)總線(xiàn)與存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制等各種接口相連，構(gòu)成CNC系統(tǒng)。(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。(4)單微處理器因?yàn)橹挥幸粋€(gè)微處理器集中控制，其功能將受微處理器字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)具有如4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

由于插補(bǔ)等功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)與處理速度成為一對(duì)突出的矛盾。為解決這個(gè)矛盾，可以增加浮點(diǎn)協(xié)處理器，由硬件分擔(dān)精插補(bǔ)，采用有微處理器的PLC和CRT等智能部件，或者采用多微處理器的結(jié)構(gòu)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由于插補(bǔ)等功能由軟件4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2．多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)（1）多微處理器的特點(diǎn)①性?xún)r(jià)比高采用多微處理器完成各自特定的功能，適應(yīng)多軸控制、高精度、高進(jìn)給速度、高效率的控制要求，同時(shí)，因單個(gè)低規(guī)格CPU的價(jià)格較為便宜，因此其性能價(jià)格比較高。②模塊化結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性與擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試、維修方便。③通信功能強(qiáng)大具有很強(qiáng)的通信功能，便于實(shí)現(xiàn)FMS、FA、CIMS。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2．多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)下一4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（2）多微處理器結(jié)構(gòu)的組成多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置，一般由六種功能模塊組成，通過(guò)增加相應(yīng)的功能模塊，可實(shí)現(xiàn)一些特殊功能。

①CNC管理模塊該模塊管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)各功能協(xié)調(diào)工作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線(xiàn)裁決、系統(tǒng)錯(cuò)誤識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。該模塊還完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀具半徑補(bǔ)償、速度規(guī)劃和處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（2）多微處理器結(jié)構(gòu)的組成下一頁(yè)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)②CNC插補(bǔ)模塊該模塊根據(jù)前面的編譯指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，按規(guī)定的插補(bǔ)類(lèi)型通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算為各個(gè)坐標(biāo)提供位置給定值。③位置控制模塊插補(bǔ)后的坐標(biāo)作為位置控制模塊的給定值，而實(shí)際位置通過(guò)相應(yīng)的傳感器反饋給該模塊，經(jīng)過(guò)一定的控制算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)、無(wú)滯后、高性能的位置閉環(huán)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)②CNC插補(bǔ)模塊該模塊根據(jù)前4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)④PLC模塊零件程序中的開(kāi)關(guān)功能和由機(jī)床來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺(tái)分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)④PLC模塊零件程序中的開(kāi)關(guān)4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)⑤操作面板監(jiān)控和顯示模塊零件程序、參數(shù)、各種操作命令和數(shù)據(jù)的輸入(如軟盤(pán)、硬盤(pán)、鍵盤(pán)、各種開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入、上級(jí)計(jì)算機(jī)輸入等)、輸出(如通過(guò)軟盤(pán)、硬盤(pán)、各種開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸出、打印機(jī))、顯示(如通過(guò)LED、CRT、LCD等)所需要的各種接口電路。⑥存儲(chǔ)器模塊該模塊指程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)⑤操作面板監(jiān)控和顯示模塊零件4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（3）多微處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)在處理器中有一個(gè)作為主處理器負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有處理器的工作。每個(gè)處理器有各自的存儲(chǔ)器及控制程序，當(dāng)需要占用系統(tǒng)總線(xiàn)及其他公用資源(如存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備)時(shí)，需申請(qǐng)占用總線(xiàn)，由主處理器按各個(gè)處理器優(yōu)先級(jí)決定由誰(shuí)來(lái)使用總線(xiàn)。如圖4-6所示為一典型的多處理器CNC系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中共有四個(gè)微處理器模塊板，在主處理器的統(tǒng)一管理下分擔(dān)不同的控制任務(wù)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（3）多微處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)下4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)①微處理器1主處理器，主要處理與外部設(shè)備之間的輸入與輸出，同時(shí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)總線(xiàn)的管理和任務(wù)調(diào)配。②微處理器2完成零件加工程序的譯碼、預(yù)處理計(jì)算，負(fù)責(zé)刀具長(zhǎng)度與半徑補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)刀具軌跡計(jì)算、工作循環(huán)和子程序的管理等功能。③微處理器3完成直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)與位置控制工作。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)①微處理器1主處理器，主要處4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)④微處理器4實(shí)現(xiàn)可編程序控制器功能，通過(guò)輸入、輸出模塊與機(jī)床相連，它把加工程序指令的輔助動(dòng)作發(fā)往機(jī)床，控制如主軸起停、換刀等動(dòng)作，同時(shí)也從機(jī)床各部件接收反饋信號(hào)加以處理。此外，還有主存儲(chǔ)器模塊、主軸控制模塊等。上述系統(tǒng)中各微型計(jì)算機(jī)模塊均采用16位8086CPU，并在有關(guān)模塊上配置8087浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器，它是一種功能強(qiáng)、靈活性大的CNC系統(tǒng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)④微處理器4實(shí)現(xiàn)可編程序控制4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.332位微處理器CNC系統(tǒng)如圖4-7所示為FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)組成情況。這個(gè)系統(tǒng)采用了32位CPU，這樣使得從輸入NC數(shù)據(jù)到計(jì)算出伺服電動(dòng)機(jī)位移量的CNC功能處理速度大大提高。此外，采用伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝高速響應(yīng)和高分辨率的脈沖編碼器，使系統(tǒng)的快速進(jìn)給速度和切削速度在分辨率為1μm時(shí)達(dá)到了100m/min，從而實(shí)現(xiàn)了位置控制的高速、高精度性能。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4.2.332位微處理器CN4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床邏輯動(dòng)作的高速處理，F(xiàn)ANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)采用了高速可編程序機(jī)床控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)對(duì)階梯圖語(yǔ)言的高速處理。FANUC公司開(kāi)發(fā)了PLC專(zhuān)用的處理器，使得PLC的基本指令為0.25μs/步，這樣FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)就具備了M、S、T的高速處理功能，因此允許在一個(gè)加工程序段內(nèi)多次指令M、S、T功能，大大縮短了加工循環(huán)時(shí)間。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床邏輯動(dòng)作4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)以后開(kāi)發(fā)的FANUCFSl6和FSl8系列CNC系統(tǒng)中，集中了更多的新技術(shù)，不但使數(shù)控系統(tǒng)適用于單機(jī)數(shù)控機(jī)床，而且還適用于CIMS系統(tǒng)。在FANUCFSl6和FSl8系列CNC系統(tǒng)中采用了32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)和復(fù)雜指令集(CISC)的多CPU及32位多總線(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送速度，實(shí)現(xiàn)了最小的移動(dòng)單位和最大的進(jìn)給速度，便于用微小程序段，以高速度、高精度加工形狀復(fù)雜的模具或其他復(fù)雜零件。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)在FANUC4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)連接單元可將CNC系統(tǒng)并入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成FMS與CIMS。此外，CNC系統(tǒng)具有機(jī)器人控制功能，機(jī)器人直接可安裝在機(jī)床上，構(gòu)成一體化加工單元?？傊?，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)正朝著高速、高精度、智能化與系統(tǒng)化方向飛速發(fā)展。上一頁(yè)返回4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)通過(guò)連接單元可將C4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.1CNC裝置的輸入/輸出和通信要求一般對(duì)CNC裝置輸入、輸出和通信有四方面的要求：其一，用戶(hù)要能將數(shù)控命令、代碼輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)要具備撥盤(pán)、紙帶、鍵盤(pán)、軟驅(qū)、串口、網(wǎng)絡(luò)之類(lèi)的設(shè)備。其二，需具備按程序?qū)^電器、電機(jī)等進(jìn)行控制的能力和對(duì)相關(guān)開(kāi)關(guān)量(如超程、機(jī)械原點(diǎn)等)進(jìn)行檢測(cè)的能力。

下一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.1CNC裝置的輸入4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口

其三，系統(tǒng)有操作信息提示，用戶(hù)能對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行情況、電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)視，系統(tǒng)需配備有LED(LightEmittingDiode，數(shù)碼管)，CRT(CathodeRayTube，陰極射線(xiàn)管)，LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶顯示器)，TFT(ThinFilmTransistor，薄膜晶體管)等顯示接口電路。其四，隨著工廠(chǎng)自動(dòng)化(FactoryAutomation，F(xiàn)A)及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展，CNC裝置作為分布式數(shù)控系統(tǒng)(DNC)及柔性制造系統(tǒng)FMS的重要基礎(chǔ)部件，應(yīng)具有與DNC計(jì)算機(jī)或上級(jí)主計(jì)算機(jī)直接通信的功能或網(wǎng)絡(luò)通信功能，以便于系統(tǒng)管理和集成。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口其三，系統(tǒng)有操作4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.2數(shù)控系統(tǒng)的I／O接口電路的作用和要求一般接收機(jī)床操作面板上的開(kāi)關(guān)、按鈕信號(hào)、機(jī)床的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)，把某些工作狀態(tài)顯示在操作面板的指示燈上，把控制機(jī)床的各種信號(hào)送到強(qiáng)電柜等工作都要經(jīng)過(guò)I/O接口來(lái)完成。因此，I/O接口是CNC裝置和機(jī)床、操作面板之間信號(hào)交換的轉(zhuǎn)換接口。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.2數(shù)控系統(tǒng)的I／O4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口I/O接口電路的作用和要求是：（1）進(jìn)行必要的電隔離，防止干擾信號(hào)的串入和強(qiáng)電對(duì)系統(tǒng)的破壞。（2）進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，CNC系統(tǒng)的信號(hào)往往是TTL脈沖或電平信號(hào)，而機(jī)床提供和需要的信號(hào)卻不一定是TTL信號(hào)，而且有的負(fù)載比較大，因此需要進(jìn)行信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和功率放大。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口I/O接口電路的作用和要求是：4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-8所示為開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入接口電路，常用于限位開(kāi)關(guān)、手持點(diǎn)動(dòng)、刀具到位、機(jī)械原點(diǎn)、傳感器的輸入等，對(duì)于一些有過(guò)渡過(guò)程的開(kāi)關(guān)量還要增加適當(dāng)?shù)碾娖秸无D(zhuǎn)換電路。圖4-9為開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出接口電路，可用于驅(qū)動(dòng)24V小型繼電器。在這些電路中要根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)選擇相應(yīng)速度、耐壓、負(fù)載能力的光電耦合器和三極管。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-8所示為開(kāi)4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.3機(jī)床I／O接口機(jī)床控制I/O接口的有關(guān)電路：1．光電隔離電路為了防止強(qiáng)電系統(tǒng)干擾及其他干擾信號(hào)通過(guò)通用I/O接口進(jìn)入微機(jī)，影響其工作，通常采用光電隔離的方法，即外部信號(hào)需經(jīng)過(guò)光電耦合器與微機(jī)發(fā)生聯(lián)系，外部信號(hào)與微機(jī)無(wú)直接的電氣聯(lián)系。光電耦合器是一種以光的形式傳遞信號(hào)的器件，其輸入端為一發(fā)光二極管，輸出端為光敏器件。如發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏器件就受光而導(dǎo)通；反之光敏器件截止。這樣就通過(guò)光電耦合器實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.3機(jī)床I／O接口下4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-10所示為常見(jiàn)的幾種光電耦合器，其中：普通型工作頻率在100kHz以下；高速型由于響應(yīng)速度高，工作頻率可達(dá)1MHz。以上兩種光電耦合器主要用于信號(hào)的隔離。達(dá)林頓輸出型由于輸出部分構(gòu)成達(dá)林頓形式，從而可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器等器件；晶閘管輸出型的輸出部分為光控晶閘管，它通常用于交流大功率的隔離驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-10所示為4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-11為一典型的光電隔離電路。圖（a）為同相輸出電路，圖（b）為反相輸出電路?？刂菩盘?hào)經(jīng)74LS05集電極開(kāi)路門(mén)反相后驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號(hào)為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的發(fā)光三極管截止，同相電路輸出電壓為零電平，反相電路輸出電壓為高電平（12V）。當(dāng)控制信號(hào)為高電平，74LS05吸收電流，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管受到激勵(lì)導(dǎo)通。同相輸出高電平（接近12V），反相輸出電平接近零。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-114.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口光電隔離電路有以下方面的作用：(1)隔離作用。它將輸入與輸出端兩部分電路的地線(xiàn)分開(kāi)，各自使用一套電源供電，信息通過(guò)光電轉(zhuǎn)換單向傳遞。另外，由于光電耦合器輸入與輸出端之間的絕緣電阻非常大，寄生電容很小，所以干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而較好地隔離了干擾信號(hào)。(2)進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。隔離電路通過(guò)光電耦合器能很方便地將微機(jī)的輸出信號(hào)變成+12V的信號(hào)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口光電隔離電路有以下方面的作用：4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口2．信息轉(zhuǎn)換電路信息轉(zhuǎn)換電路主要完成以下幾個(gè)方面的轉(zhuǎn)換：(1)數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換在使用以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖電平，所以要進(jìn)行數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換。應(yīng)用微機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖的轉(zhuǎn)換工作。只要按照一定的相序向I/O接口分配脈沖序列，脈沖信號(hào)經(jīng)光電隔離和功率放大后，就可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換接口電路如圖4-12所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口2．信息轉(zhuǎn)換電路下一頁(yè)上一頁(yè)返4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口(2)D/A、A/D轉(zhuǎn)換機(jī)床控制I/O接口中，還常用到D/A、A/D轉(zhuǎn)換。如圖4-13所示為采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制回路中，就增加了D/A轉(zhuǎn)換電路。微機(jī)送出的對(duì)應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，就成為模擬電壓信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口(2)D/A、A/D轉(zhuǎn)換4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口(3)弱電強(qiáng)電轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的微機(jī)信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)功率放大后，才能控制主軸電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行元件的動(dòng)作，而這些動(dòng)作與強(qiáng)電系統(tǒng)有關(guān)。如圖4-14所示為一典型的交流電動(dòng)機(jī)控制回路。微機(jī)送出電動(dòng)機(jī)啟停信號(hào)，經(jīng)光電隔離、功率放大等來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)或停止。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口(3)弱電強(qiáng)電4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.4通用I／O接口通用I/O接口部分是指外部設(shè)備與微處理器之間的聯(lián)接電路。一般情況下，外部設(shè)備與存儲(chǔ)器之間不能直接通信，必須靠微處理器傳遞信息。通過(guò)微處理器對(duì)通用I/O接口的讀/寫(xiě)操作，完成外部設(shè)備與微處理器之間信息的輸入或輸出。根據(jù)通用I/O接口傳輸信息的方向不同，將微處理器向外部設(shè)備送出信息的接口稱(chēng)之為輸出接口，將外部設(shè)備向微處理器傳送信息的接口稱(chēng)之為輸入接口。除了這兩種單向接口外，還有一種具有兩個(gè)方向都可以傳送信息的雙向接口。上一頁(yè)返回4.3數(shù)控系統(tǒng)的I/O接口4.3.4通用I／O接口上4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.1概述現(xiàn)代CNC系統(tǒng)都使用標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口與其他微型計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)零件程序和參數(shù)的傳送。為了適應(yīng)工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展，CNC裝置作為分布式數(shù)控系統(tǒng)(DNC)及柔性制造系統(tǒng)(FMS)的基礎(chǔ)組成部分，應(yīng)該具有與DNC計(jì)算機(jī)或上級(jí)主計(jì)算機(jī)直接通信功能或網(wǎng)絡(luò)通信功能。下一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.1概述下一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信CNC系統(tǒng)作為獨(dú)立控制單臺(tái)機(jī)床的設(shè)備時(shí)，通常需要與下列設(shè)備相接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。(1)輸入/輸入設(shè)備如打印和穿復(fù)校裝置(TTY)、零件和可編程控制器的程編機(jī)、上位計(jì)算機(jī)、顯示器與鍵盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。(2)外部機(jī)床控制面板在數(shù)控機(jī)床的操作過(guò)程中，為了操作方便，，豐往在機(jī)床外側(cè)設(shè)置一個(gè)機(jī)床操作面板。數(shù)控系統(tǒng)需要與它的操作面板進(jìn)行通信聯(lián)系。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信CNC系統(tǒng)作為獨(dú)4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信(3)手搖脈沖發(fā)生器在手工操作過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)需要與手搖脈沖發(fā)生器進(jìn)行信息交換。(4)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路和主軸驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路一般情況下，這兩部分與數(shù)控系統(tǒng)距離很近，直接通過(guò)內(nèi)部連線(xiàn)相連，它們之間不設(shè)置通用的輸入/輸出接口。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信(3)手搖脈沖發(fā)生器在手工操作過(guò)4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.2CNC系統(tǒng)的異步串行接口1．串行通信通信的基本方式可分為并行通信和串行通信兩種。并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送，其特點(diǎn)是傳輸速度快，但當(dāng)距離較遠(yuǎn)、位數(shù)較多時(shí)，導(dǎo)致了通信線(xiàn)路復(fù)雜且成本高。串行通信是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點(diǎn)是通信線(xiàn)路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)通信，并可利用電話(huà)線(xiàn)，從而大大地降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳送速度慢。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.2CNC系統(tǒng)的異步串行接4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信

串行通信本身又分為異步通信與同步通信兩種。異步通信是指通信中兩個(gè)字符間時(shí)間間隔是不固定的，然而在同一字符中的兩個(gè)相鄰位代碼的時(shí)間間隔是固定的。同步通信則在通信過(guò)程中每個(gè)字符間的時(shí)間間隔是相等的，而每個(gè)字符中的兩個(gè)相鄰位代碼的時(shí)間間隔也是固定的，它適用于信息量大的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。異步通信與同步通信的數(shù)據(jù)格式如圖4-15所示。CNC系統(tǒng)的串行通信一般采用異步通信，所以本書(shū)主要介紹異步通信。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信串行通信本身又分為異步通4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信異步通信要求在發(fā)送每一個(gè)字符時(shí)都要在數(shù)據(jù)位的前面加一位起始位，在數(shù)據(jù)位的后面要有1位或1．5位或2位的停止位。在數(shù)據(jù)位和停止位之間可以有一位奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位可以是5～8位長(zhǎng)。在串行通信中，串行數(shù)據(jù)傳送是在兩個(gè)通信端之間進(jìn)行的。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送方向的不同有如圖4-16所示的三種方式：

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信異步通信要求在發(fā)送每一個(gè)字符時(shí)4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信①單工方式，只允許數(shù)據(jù)按照一個(gè)固定的方向傳送，數(shù)據(jù)不能從B站傳送到A站，在這種方式中一方只能發(fā)送，而另一方只能作為接收站；②半雙工方式，數(shù)據(jù)能從A站傳送到B站，也能從B站傳送到A站，但是不能同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送，每次只能有一個(gè)站發(fā)送，一個(gè)站接收；③全雙工方式，通信線(xiàn)路的兩端都能同時(shí)傳送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式相當(dāng)于把兩個(gè)方向相反的單工方式組合在一起，而且它需要兩路傳輸線(xiàn)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信①單工方式，只允許數(shù)據(jù)按照一個(gè)固定的4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信長(zhǎng)距離通信時(shí)，通常要用電話(huà)線(xiàn)傳送。由于用電話(huà)線(xiàn)傳送一個(gè)頻率為1000～2000Hz的正弦波模擬信號(hào)時(shí)，能以較小的失真進(jìn)行傳輸，所以在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，發(fā)送方要用調(diào)制器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，接收方用解調(diào)器檢測(cè)發(fā)送端送來(lái)的模擬信號(hào)，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，如圖4-17所示，實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)任務(wù)的裝置稱(chēng)為信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器(Modem)或稱(chēng)為數(shù)傳機(jī)(Dataset)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信長(zhǎng)距離通信時(shí)，通常要用電話(huà)線(xiàn)傳送4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信頻移鍵控(FSK)法是一種常用的調(diào)制方法：它把數(shù)字信號(hào)“1”與“0”調(diào)制成易于鑒別的兩個(gè)不同頻率的模擬信號(hào)，其原理如圖4-18所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信頻移鍵控(FSK)法是一種常用的4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信2．RS-232C標(biāo)準(zhǔn)在串行通信中，廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C。它是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)在1969年公布的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。RS是推薦標(biāo)準(zhǔn)(Recomendedstandard)的英文縮寫(xiě)，232C是標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的連接信號(hào)的含義及其電壓信號(hào)規(guī)范等參數(shù)。其中DTE可以是計(jì)算機(jī)，DCE一般指調(diào)制解調(diào)器，表示為MODEM。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信2．RS-232C標(biāo)準(zhǔn)下一頁(yè)上一頁(yè)返4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信為實(shí)現(xiàn)串行通信并保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，要求通信雙方遵循某種約定的規(guī)程。目前在微型計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)中最常用的是異步通信控制規(guī)程，或稱(chēng)異步通信協(xié)議。其特點(diǎn)是通信雙方以一幀作為數(shù)據(jù)傳輸單位，每一幀從起始位開(kāi)始，后跟數(shù)據(jù)位(位長(zhǎng)度可選)和奇偶位(奇偶檢驗(yàn)可選)，最后以停止位結(jié)束。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信為實(shí)現(xiàn)串行通信并保證數(shù)據(jù)的正確傳4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信（1）針腳定義

RS-232C接口是一個(gè)具有25針腳的D型連接器。它定義了20條可同外界通信設(shè)備連接的信號(hào)線(xiàn)(1條為保護(hù)地，4條沒(méi)有定義)，并對(duì)傳輸信號(hào)電平作了明確規(guī)定。

CNC系統(tǒng)側(cè)的RS-232C的針腳定義如表4-1所示。在微型計(jì)算機(jī)側(cè)中，RS-232C接口有25針和9針兩種，它們的針腳定義如表4-2和表4-3所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信（1）針腳定義下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信（2）CNC系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的串行連接現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床或加工中心都具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C串行通信端口。配備SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床或加工中心與微型計(jì)算機(jī)的連線(xiàn)方式如圖4-19所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信（2）CNC系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的串行連接下4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信3．RS-232C／20mA接口在CNC系統(tǒng)中，RS-232C接口用以連接輸入輸出設(shè)備(PTR，PP或TTY)、外部機(jī)床控制面板或手搖脈沖發(fā)生器。傳輸速率不超過(guò)9600bit/s。SIEMENS的CNC中規(guī)定連接距離不超過(guò)50m。在CNC系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C/20mA接口結(jié)構(gòu)如圖4-20所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信3．RS-232C／20mA接口下一4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4．RS-422/RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)為了彌補(bǔ)RS-232C的不足，提出了新的接口標(biāo)準(zhǔn)RS-422/RS-449。RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙端平衡電氣接口模塊。RS-449規(guī)定了這種接口的機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)，即采用37個(gè)引腳的連接器，與RS-232C的25個(gè)引腳插座不同。這種平衡發(fā)送能保證更可靠、更快速的數(shù)據(jù)傳送。它采用雙端驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，而用差分接收器接收信號(hào)，能抗傳送過(guò)程中的共模干擾，還允許線(xiàn)路有較大信號(hào)衰減，這樣可使傳送頻率高得多，傳送距離也比RS-232C遠(yuǎn)得多。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4．RS-422/RS-449接口標(biāo)4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.3CNC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接口當(dāng)前對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化提出很高的要求，生產(chǎn)要有很高的靈活性并能充分利用制造設(shè)備資源。為此，計(jì)算機(jī)通過(guò)工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)將CNC系統(tǒng)和各種系統(tǒng)中的設(shè)備連網(wǎng)，以構(gòu)成FMS或CIMS。連網(wǎng)時(shí)應(yīng)能保證高速和可靠地傳送數(shù)據(jù)和程序。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信4.4.3CNC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)看，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)通信線(xiàn)路并根據(jù)一定的通信協(xié)議互連起來(lái)的獨(dú)立自主的計(jì)算機(jī)的集合。CNC系統(tǒng)可以看作是一臺(tái)具有特殊功能的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的互連是為了交換信息，共享資源。工廠(chǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用的主要是局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)，通常它有距離限制(幾公里)，較高的傳輸速率，較低的誤碼率和可以采用各種傳輸介質(zhì)(如電話(huà)線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光導(dǎo)纖維)。ISO的開(kāi)放式互連系統(tǒng)參考模型(OSI/RM)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的分層結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)通信協(xié)議的模型。提出這一模型是為了使世界各國(guó)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設(shè)備能夠互連，它是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。OSI/RM在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有7個(gè)層次，如圖4-21所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)看，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信通信一定是在兩個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行。因此兩個(gè)系統(tǒng)都必須具有相同的層次功能。通信可以認(rèn)為是在兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)層次(同等層，Peer)內(nèi)進(jìn)行。同等層間通信必須遵循一系列規(guī)則或約定，這些規(guī)則和約定稱(chēng)為協(xié)議。OSI/RM最大優(yōu)點(diǎn)在于有效地解決了異種機(jī)之間的通信問(wèn)題。不管兩個(gè)系統(tǒng)之間的差異有多大，只要具有下述特點(diǎn)就可以相互有效地通信：①它們完成一組同樣的通信功能；②這些功能分成相同的層次，對(duì)等層提供相同的功能；③同等層必須共享共同的協(xié)議。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信通信一定是在兩個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行。因4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信局部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802委員會(huì)提出建議，并已被ISO采用。它只規(guī)定了鏈路層和物理層的協(xié)議。它將數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制(LLC)和介質(zhì)存取控制(MAC)兩個(gè)子層。MAC中根據(jù)采用的LAN技術(shù)分成：CSMA/CD(IEEE802．3)，令牌總線(xiàn)(TokenBus802．4)，令牌環(huán)(TokenRing802．5)。物理層也分成兩個(gè)子層次：介質(zhì)存取單元(MAU)和傳輸載體(Carrier)。MAU分基帶、載帶和寬帶傳輸。傳輸載體有雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光導(dǎo)纖維(見(jiàn)圖4-22)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信局部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802委員4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信

SIEMENS公司開(kāi)發(fā)了總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的SINECH1工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)可用以連接成FMC和FMS。SINECH1是基于以太網(wǎng)技術(shù)，其MAC子層采用CSMA/CD(802.3)，協(xié)議采用自行研制的自動(dòng)化協(xié)議SINECAPl.O(AutomationProtocol)。為了將SINUMERIK850系統(tǒng)連接至SINECH1網(wǎng)絡(luò)，在850系統(tǒng)中插入專(zhuān)用的CP535工廠(chǎng)總線(xiàn)接口板，通過(guò)SINECH1網(wǎng)絡(luò)，850系統(tǒng)可以與主控計(jì)算機(jī)交換信息，傳送零件程序，接受指令，傳送各種狀態(tài)信息等。主計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向850系統(tǒng)傳送零件程序的過(guò)程如圖4-23所示。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信SIEMENS公司開(kāi)發(fā)了總線(xiàn)結(jié)4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信主計(jì)算機(jī)送來(lái)的零件程序經(jīng)工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)到達(dá)850系統(tǒng)PLC區(qū)的CP535接口，再經(jīng)專(zhuān)用接口功能模塊處理，存入多口RAM，然后由COM區(qū)將之存入NC零件程序存儲(chǔ)器中。其數(shù)據(jù)交換的格式是“透明”方式，如圖4-24所示。數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括信息幀長(zhǎng)度(2B)、標(biāo)識(shí)段(8B)、差錯(cuò)編碼(2B)及有效數(shù)據(jù)(最多224B)。上一頁(yè)返回4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信主計(jì)算機(jī)送來(lái)的零件程序經(jīng)工業(yè)局4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.1CNC系統(tǒng)的軟硬件組合類(lèi)型

CNC系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了一個(gè)支持環(huán)境，只有軟件的正常運(yùn)行才能執(zhí)行CNC的各項(xiàng)任務(wù)。同一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，由于軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，所以在CNC系統(tǒng)中，由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來(lái)完成。但是硬件和軟件各有不同的特點(diǎn)。硬件處理速度較快，但造價(jià)較高，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度較慢。因此在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的分配比例是由性能價(jià)格比決定的。下一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.1CNC系統(tǒng)的軟硬件4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求最高的任務(wù)就是插補(bǔ)和位控，即在一個(gè)采樣周期中必須完成控制策略的計(jì)算，而且還要留有一定的時(shí)間去做其他的事。CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)器既可面向軟件也可面向硬件，歸結(jié)起來(lái)，主要有以下三種類(lèi)型：下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求最高的4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(1)不用軟件插補(bǔ)器，插補(bǔ)完全由硬件完成的CNC系統(tǒng)。(2)由軟件插補(bǔ)器完成粗插補(bǔ)，由硬件插補(bǔ)器完成精插補(bǔ)的CNC系統(tǒng)。(3)帶有完全用軟件實(shí)施的插補(bǔ)器的CNC系統(tǒng)。上述第一種CNC系統(tǒng)常用單CPU結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，它通常不存在實(shí)時(shí)速度問(wèn)題。由于插補(bǔ)方法受到硬件設(shè)計(jì)的限制，其柔性較差。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(1)不用軟件插補(bǔ)器，插補(bǔ)完全由4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第三種CNC系統(tǒng)需用快速計(jì)算機(jī)計(jì)算出刀具軌跡。具有多軸(坐標(biāo))控制的機(jī)床，須要裝備專(zhuān)用CPU的多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算。位片式處理器和I/O處理器用來(lái)加速控制任務(wù)的完成。第二種CNC系統(tǒng)通常沒(méi)有計(jì)算瓶頸，因?yàn)榫_插補(bǔ)由硬件完成。刀具軌跡所需的插補(bǔ)，由程序準(zhǔn)備并使之參數(shù)化。程序的輸出是描述曲線(xiàn)段的參數(shù)，例如起點(diǎn)、終點(diǎn)、速度、插補(bǔ)頻率等，這些參數(shù)都是作為硬件精插補(bǔ)器的輸入。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第三種CNC系統(tǒng)需用快速計(jì)4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)實(shí)際上，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的界面關(guān)系是不固定的。在早期的NC系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)的全部工作都由硬件來(lái)完成，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是硬件成本的下降，計(jì)算機(jī)參與了數(shù)控系統(tǒng)的工作，構(gòu)成了所謂的計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)。但是這種參與的程度在不同的年代和不同的產(chǎn)品中是不一樣的。如圖4-25所示說(shuō)明了三種典型CNC裝置的軟硬件界面關(guān)系。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)實(shí)際上，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)中，軟4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，其中最突出的是多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.2CNC系統(tǒng)的控制軟4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)1．多任務(wù)并行處理

(1)CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性CNC裝置的軟件構(gòu)成如圖4-26所示，包括管理軟件和控制軟件兩大部分。管理軟件主要包括輸入、I/O處理、通信、顯示和診斷?？刂栖浖ㄗg碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)控制和位置控制及開(kāi)關(guān)量控制等功能。如圖4-27所示為CNC系統(tǒng)的任務(wù)并行處理關(guān)系，雙向箭頭表示兩個(gè)模塊之間有并行處理關(guān)系

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)1．多任務(wù)并行處理下一頁(yè)上一頁(yè)返4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

(2)并行處理的概念并行處理是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理最顯著的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)算速度。拿n位串行運(yùn)算和n位并行運(yùn)算來(lái)比較，在元件處理速度相同的情況下，后者運(yùn)算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重復(fù)的并行處理方法，它是根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則大幅度提高運(yùn)算速度的。但是并行處理還不止于設(shè)備的簡(jiǎn)單重復(fù)，它還有更多的含義。如時(shí)間重疊和資源共享。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(2)并行處理的概念并4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

(3)資源分時(shí)共享在單CPU的CNC系統(tǒng)中，主要采用CPU分時(shí)共享的原則來(lái)解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。一般來(lái)講，在使用分時(shí)共享并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，首先要解決的問(wèn)題是各任務(wù)占用CPU時(shí)間的分配原則，這里面有兩方面的含義：其一是各任務(wù)何時(shí)占用CPU；其二是允許各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)短。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(3)資源分時(shí)共享在單C4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)在CNC系統(tǒng)中，對(duì)各任務(wù)使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來(lái)解決。如圖4-28所示是一個(gè)典型CNC系統(tǒng)各任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖。系統(tǒng)在完成初始化以后自動(dòng)進(jìn)入時(shí)間分配環(huán)中，在環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。而對(duì)于系統(tǒng)中一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)則按優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，分別放在不同中斷優(yōu)先級(jí)上，環(huán)外的任務(wù)可以隨時(shí)中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)的執(zhí)行。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)在CNC系統(tǒng)中，對(duì)各任務(wù)使用4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

(4)資源重疊流水處理當(dāng)CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時(shí)，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備(包括譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理)、插補(bǔ)、位置控制4個(gè)子過(guò)程組成。如果每個(gè)子過(guò)程的處理時(shí)間分別為、、、，那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為

T=+++下一頁(yè)上一頁(yè)返回=+4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(4)資源重疊流水處理當(dāng)4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

如果以順序方式處理每個(gè)零件程序段，即第一個(gè)零件程序段處理完以后再處理第二個(gè)程序段，依此類(lèi)推，這種順序處理時(shí)的時(shí)間空間關(guān)系如圖4-29(a)所示。消除這種間隔的方法是用流水處理技術(shù)。采用流水處理后的時(shí)間空間關(guān)系如圖4-29(b)所示。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如果以順序方式4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)2．實(shí)時(shí)中斷處理

CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個(gè)重要特征是實(shí)時(shí)中斷處理。CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性決定了系統(tǒng)中斷成為整個(gè)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。其中斷類(lèi)型有外部中斷、內(nèi)部定時(shí)中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)2．實(shí)時(shí)中斷處理下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(1)外部中斷主要有紙帶光電閱讀機(jī)讀孔中斷、外部監(jiān)控中斷(如緊急停、量?jī)x到位等)和鍵盤(pán)操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高，通常把這兩種中斷放在較高的優(yōu)先級(jí)上，而鍵盤(pán)和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(1)外部中斷主要4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(2)內(nèi)部定時(shí)中斷主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時(shí)中斷合二為一。但在處理時(shí)，總是先處理位置控制，然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。(3)硬件故障中斷它是各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷，如存儲(chǔ)器出錯(cuò)、定時(shí)器出錯(cuò)、插補(bǔ)運(yùn)算超時(shí)等。(4)程序性中斷它是程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報(bào)警中斷，如各種溢出、清零等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(2)內(nèi)部定時(shí)中斷主要有插補(bǔ)4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.3CNC系統(tǒng)軟件及其工作過(guò)程

CNC系統(tǒng)是在硬件的支持下執(zhí)行軟件程序的工作過(guò)程。下面從輸人、譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)、位置控制、診斷程序等方面來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明CNC工作過(guò)程。1．輸入2．譯碼3．?dāng)?shù)據(jù)處理4．插補(bǔ)5．位置控制上一頁(yè)返回4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.5.3CNC系統(tǒng)軟件及其4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.1可編程序控制器的組成1．PLC的硬件如圖4-30所示為一個(gè)小型PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。它由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊、編程器、電源和外部設(shè)備等組成，并且內(nèi)部通過(guò)總線(xiàn)相連。下一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.1可編程序控制4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（1）中央處理單元（CPU）中央處理單元是PLC的主要部分，是系統(tǒng)的核心。它通過(guò)輸入模塊將現(xiàn)場(chǎng)的外設(shè)狀態(tài)讀入，并按用戶(hù)程序去處理，然后將結(jié)果通過(guò)輸出模塊去控制外部設(shè)備。

PLC常用的中央處理單元為通用微處理器、單片機(jī)或位微處理器。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（1）中央處理單元（CPU4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（2）存儲(chǔ)器在可編程序控制器系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶(hù)程序和工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序是指控制和完成PLC各種功能的程序，包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、指令解釋程序、故障自診斷程序和各種管理程序等，并且在出廠(chǎng)時(shí)由制造廠(chǎng)固化在PROM，用戶(hù)不能訪(fǎng)問(wèn)和修改。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（2）存儲(chǔ)器下一頁(yè)上一頁(yè)返4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（3）輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊是PLC內(nèi)部與外部設(shè)備的連接部件，它一方面將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信號(hào)，另一方面將PLC內(nèi)部邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成外部執(zhí)行元件所要求的信號(hào)。常用的PLC輸入/輸出接口分開(kāi)關(guān)量（包括數(shù)字量）和模擬量I/O兩類(lèi)。典型的模塊有：直流開(kāi)關(guān)量輸入模塊、直流開(kāi)關(guān)量輸出模塊、交流開(kāi)關(guān)量輸入模塊、交流開(kāi)關(guān)量輸出模塊、繼電器輸出模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（3）輸入/輸出模塊下一頁(yè)4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（4）編程器

PLC的編程器是用來(lái)開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行應(yīng)用程序的特殊工具。一般由鍵盤(pán)、顯示屏、智能處理器、外部設(shè)備等組成，通過(guò)通信接口與PLC相連。

PLC的編程器可分為兩種：手持式編程器和高功能編程器。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（4）編程器下一頁(yè)上一頁(yè)返4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（5）電源電源單元的作用是將外部提供的交流電轉(zhuǎn)換為可編程序控制器內(nèi)部所需要的直流電源，有的PLC還提供DC24V輸出。PLC的內(nèi)部電源一般要求有三路輸出，一路供給CPU模塊，一路供給編程器接口，還有一路供給各種接口模塊。對(duì)電源單元的要求是很高的，不但要求具有較好的電磁兼容性能，而且還要求工作電源穩(wěn)定，并有過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)功能。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器（5）電源下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器2．PLC的軟件

PLC的基本軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶(hù)應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件決定PLC的功能。PLC的硬件通過(guò)基本軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言編譯系統(tǒng)、各種功能軟件等。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器2．PLC的軟件下一頁(yè)上一4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.2可編程序控制器的工作過(guò)程

PLC內(nèi)部一般采用循環(huán)掃描工作方式，在大、中型PLC中還增加了中斷工作方式。當(dāng)用戶(hù)將應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后，用編程器寫(xiě)入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中，并將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)和被控制的執(zhí)行元件相應(yīng)地連接在輸入模塊的輸入端和輸出模塊的輸出端上，然后通過(guò)PLC的控制開(kāi)關(guān)使其處于運(yùn)行工作方式，接著PLC就以循環(huán)順序掃描的工作方式進(jìn)行工作。在輸入信號(hào)和用戶(hù)程序的控制下，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，完成預(yù)定的控制任務(wù)。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.2可編程序控制4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器

如圖4-31所示的PLC典型循環(huán)順序掃描工作流程圖可以看出，它在一個(gè)掃描周期中要完成如下六個(gè)掃描過(guò)程。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按如圖4-31所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式稱(chēng)為順序掃描方式。從掃描過(guò)程中的某個(gè)掃描過(guò)程開(kāi)始，順序掃描后又回到該過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器如圖4-31所4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器(1)自診斷掃描過(guò)程(2)與編程器信息交換掃描過(guò)程(3)與網(wǎng)絡(luò)信息交換掃描過(guò)程(4)用戶(hù)程序掃描過(guò)程(如圖4-32所示)(5)超時(shí)檢查掃描過(guò)程(6)出錯(cuò)顯示、停機(jī)掃描過(guò)程下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器(1)自診斷掃描過(guò)程下一4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.3可編程序控制器的特點(diǎn)(1)可靠性高(2)編程簡(jiǎn)單，使用方便(3)靈活性好(4)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)(5)便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化(6)利用其通信網(wǎng)絡(luò)功能可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制。總之，PLC技術(shù)代表了當(dāng)前電氣程序控制的先進(jìn)水平，PLC與數(shù)控技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人已成為機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.3可編程序控制4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.4數(shù)控系統(tǒng)PLC的類(lèi)型1．內(nèi)裝型PLC

內(nèi)裝型PLC是指PLC包含在數(shù)控系統(tǒng)CNC中，它從屬于CNC，與CNC裝于一體，成為集成化的不可分割的一部分。PLC與CNC間的信號(hào)傳送在CNC裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。PLC與數(shù)控機(jī)床之間的信號(hào)傳送則通過(guò)CNC輸入/輸出接口電路實(shí)現(xiàn)，如圖4-33所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.4數(shù)控系統(tǒng)PL4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器它與獨(dú)立型PLC相比具有如下特點(diǎn)：(1)內(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)由所從屬的CNC系統(tǒng)的性能、規(guī)格來(lái)確定。(2)內(nèi)裝型PLC有與CNC共用微處理器和具有專(zhuān)用微處理器兩種類(lèi)型。(3)內(nèi)裝型PLC與CNC其他電路通常裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，共用一個(gè)電源和地線(xiàn)。(4)內(nèi)裝型PLC的硬件電路可與CNC其他電路制作在同一塊印制線(xiàn)路板上，也可以單獨(dú)制成附加印制電路板，供用戶(hù)選擇。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器它與獨(dú)立型PLC相比具有如4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器(5)內(nèi)裝型PLC，對(duì)外沒(méi)有單獨(dú)配置的輸入/輸出電路，而使用CNC系統(tǒng)本身的輸入/輸出電路。(6)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(jí)控制功能，且造價(jià)低，提高了CNC的性能價(jià)格比。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器(5)內(nèi)裝型PLC，對(duì)外沒(méi)4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器2．獨(dú)立型PLC

獨(dú)立型PLC是完全獨(dú)立于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨(dú)立完成規(guī)定控制任務(wù)的裝置，如圖4-34所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器2．獨(dú)立型PLC下一頁(yè)上一4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器獨(dú)立型PLC具有以下特點(diǎn)：(1)根據(jù)數(shù)控機(jī)床對(duì)控制功能的要求可以靈活選購(gòu)或自行開(kāi)發(fā)通用型PLC。(2)要進(jìn)行PLC與CNC裝置的I/O連接，PLC與機(jī)床側(cè)的I/O連接。(3)可以擴(kuò)大CNC的控制功能。(4)在性能/價(jià)格比上不如內(nèi)裝型PLC。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器獨(dú)立型PLC具有以下特點(diǎn)：4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器

總的來(lái)看，單微處理器的CNC系統(tǒng)采用內(nèi)裝型PLC為多，而獨(dú)立型PLC主要用在多微處理器CNC系統(tǒng)、FMC、FMS、FA、CIMS中具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，成為CNC與上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備。單機(jī)CNC系統(tǒng)中的內(nèi)裝型和獨(dú)立型PLC的作用是一樣的，主要是協(xié)助CNC裝置實(shí)現(xiàn)刀具軌跡控制和機(jī)床順序控制。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器總的來(lái)看，單微4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.5數(shù)控機(jī)床中PLC控制功能的實(shí)現(xiàn)1．M功能的實(shí)現(xiàn)

M功能也稱(chēng)輔助功能，其代碼用字母“M”后跟隨2位數(shù)字表示。根據(jù)M代碼的編程，可以控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開(kāi)關(guān)，卡盤(pán)的夾緊和松開(kāi)以及自動(dòng)換刀裝置的取刀和還刀等。某數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本輔助功能如表4-4所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器4.6.5數(shù)控機(jī)床中P4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器2．S功能的實(shí)現(xiàn)

S功能主要完成主軸轉(zhuǎn)速的控制，并且常用S2位代碼形式和S4位代碼形式來(lái)進(jìn)行編程。所謂S2位代碼編程是指S代碼后跟隨2位十進(jìn)制數(shù)字來(lái)指定主軸轉(zhuǎn)速，共有100級(jí)(S00～S99)分度，并且按等比級(jí)數(shù)遞增，其公比為1.12，即相鄰分度的后一級(jí)速度比前一級(jí)速度增加約12％。這樣根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的上下限和上述等比關(guān)系就可以獲得一個(gè)S2位代碼與主軸轉(zhuǎn)速(BCD碼)的對(duì)應(yīng)表格，它用于S2位代碼的譯碼。

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如圖4-35所示為S2位代碼在PLC中的處理框圖，圖中譯S代碼和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)際上就是針對(duì)S2位代碼查出主軸轉(zhuǎn)速的大小，然后將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，并經(jīng)上下限幅處理后，將得到的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)O～10V或O～5V或-10～+10V的直流控制電壓給主軸伺服系統(tǒng)或主軸變頻器，從而保證了主軸按要求的速度旋轉(zhuǎn)。S4代碼編程的S功能軟件流程如圖4-36所示。下一頁(yè)上一頁(yè)返回4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器如圖4-35所4.6數(shù)控機(jī)床用可編程序控制器3．T功能的實(shí)現(xiàn)

T功能即為刀具功能，T代碼后跟隨2～5位數(shù)字表示要求的刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)T代碼通過(guò)PLC可以管理刀庫(kù)，自動(dòng)更換刀具，也就是說(shuō)根據(jù)刀具和刀具座的編號(hào)，可以簡(jiǎn)便、可靠地進(jìn)行選刀和換刀控制。根據(jù)取刀/還刀位置是否固定，可將