數(shù)控裝置的綜述

數(shù)控裝置的綜述第1頁/共55頁數(shù)控裝置在數(shù)控機(jī)床中的位置主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備第2頁/共55頁4.1.3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第3頁/共55頁

早期的數(shù)控系統(tǒng)，它的輸入、運(yùn)算、插補(bǔ)、控制功能均由電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路組成的邏輯電路實(shí)現(xiàn)。不同的數(shù)控機(jī)床需要設(shè)計(jì)專門的邏輯電路，可靠性差，功能和靈活性差。小型機(jī)的采用，世界上第一臺(tái)CNC系統(tǒng)于1970年問世，1974年美日等國便研究出了以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，之后相繼8位、16位、后16位、32位、64位CNC被應(yīng)用。CNC具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。4.2數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)第4頁/共55頁

在一塊半導(dǎo)體芯片上集成了CPU,存儲(chǔ)器以及輸入/輸出接口電路，這樣的芯片習(xí)慣上程為單片微型計(jì)算機(jī)（singlechipmicrocomputer,SCM）單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖：系統(tǒng)時(shí)鐘ROMCPU定時(shí)計(jì)數(shù)器串行I/O并行I/ORAMRESETINT電源4.2.1由單片機(jī)組成的數(shù)控裝置第5頁/共55頁典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)如圖：單片機(jī)EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設(shè)備I/OI/O擴(kuò)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(dòng)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設(shè)備第6頁/共55頁

單片機(jī)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(jī)是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，MCS-51單片機(jī)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(jī)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(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。

MCS-51系列單片機(jī)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）：第7頁/共55頁圖4-2用80C31單片機(jī)組成的

簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖圖中74LS02為：雙極TTL數(shù)字邏輯電路，四2輸入或非門，Y=A+B2764為EPROM,可擦寫只讀存儲(chǔ)器

GND為信號(hào)地

RST為復(fù)位，左面是復(fù)位電路

DG1----DG6為LED顯示器第8頁/共55頁CPU紙帶機(jī)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(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖4.2.2單微處理機(jī)CPU數(shù)控裝置第9頁/共55頁

圖4-4數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）第10頁/共55頁單微處理機(jī)數(shù)控裝置典型產(chǎn)品：右：FANUC150i-M系列下：華中世紀(jì)星第11頁/共55頁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)圖第12頁/共55頁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)圖第13頁/共55頁圖4-7PC＋I(xiàn)/O軟件化數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第14頁/共55頁典型基于PC的和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)控產(chǎn)品上：SIEMENS802D左：燕山大學(xué)數(shù)控凸輪磨床第15頁/共55頁4.3數(shù)控軟件加工程序譯碼刀補(bǔ)處理速度控制插補(bǔ)處理位置控制伺服驅(qū)動(dòng)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(bǔ)緩沖區(qū)運(yùn)行緩沖區(qū)圖4-8數(shù)控裝置軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程第16頁/共55頁高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.；

第17頁/共55頁

（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(hào)

doubleCOORD[20]；//尺寸字的數(shù)值，單位為μmintF，S；//進(jìn)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(hào)

charD；//刀具半徑值

}；第18頁/共55頁2.刀補(bǔ)刀補(bǔ)處理程序主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作：

1．計(jì)算本段零件輪廓的終點(diǎn)坐標(biāo)值；

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

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

第19頁/共55頁3.速度預(yù)處理速度預(yù)處理程序主要完成以下幾步計(jì)算：

1．計(jì)算本程序段總位移量

2．計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F(xiàn)—

進(jìn)給速度值（mm/min）；

Δt—

數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)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)律變化第20頁/共55頁4.插補(bǔ)處理

1．根據(jù)速度倍率值計(jì)算本次插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量；

2．計(jì)算新的坐標(biāo)位置；

3．將合成位移分解到各個(gè)坐標(biāo)方向，得到各個(gè)坐標(biāo)軸的位置控制指令。插補(bǔ)程序的實(shí)時(shí)性

第21頁/共55頁指令位置+插補(bǔ)輸出+Δx2，Δy2--位控輸出Δx3，Δy3+X2新，Y2新實(shí)際位置增量Δx1，Δy1

實(shí)際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊

X1舊，Y1舊

++-5.位置控制圖4-10位置控制算法原理第22頁/共55頁（1）．計(jì)算新的指令坐標(biāo)位置

X2新=X2舊+Δx2Y2新=Y2舊+Δy2（2）．計(jì)算實(shí)際坐標(biāo)位置

X1新=X1舊+Δx1Y1新=Y1舊+Δy1（3）．計(jì)算位置控制輸出值

Δx3=X2新-

X1新

Δy3=Y2新–Y1新

位置控制是強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，所有計(jì)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(bǔ)周期，也可以是插補(bǔ)周期的整數(shù)分之一。第23頁/共55頁數(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(bǔ)償譯碼插補(bǔ)位置控制

4.3.2

數(shù)控軟件的特點(diǎn)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)及分類框圖第24頁/共55頁這些任務(wù)中有些可以順序執(zhí)行，有些必須同時(shí)執(zhí)行，如：（1）顯示和控制任務(wù)必須同時(shí)執(zhí)行，以便操作人員及時(shí)了解機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)；（2）在加工過程中，為使加工過程連續(xù)，譯碼、刀補(bǔ)、插補(bǔ)和位置控制?？煲脖仨毻瑫r(shí)進(jìn)行。第25頁/共55頁優(yōu)先級(jí)順序顯示其它譯碼I/O刀補(bǔ)位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序背景程序初始化（2）．多任務(wù)并行處理的實(shí)現(xiàn)

1）資源分時(shí)共享圖4-12分時(shí)共享多任務(wù)處理方案第26頁/共55頁

位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序圖4-13各任務(wù)占用CPU時(shí)間示意圖0ms4ms8ms12ms16ms第27頁/共55頁12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時(shí)間t1t2t3t4t5t6時(shí)間

a）順序處理b）并行處理空間N3N2N1空間N2N1輸出輸出2）時(shí)間重疊流水處理圖4-14時(shí)間重疊流水處理示意圖第28頁/共55頁故障處理；位置控制；插補(bǔ)運(yùn)算；．．．譯碼；刀補(bǔ)；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺(tái)程序前臺(tái)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(tái)型結(jié)構(gòu)模式

圖4-15前后臺(tái)程序的運(yùn)行關(guān)系第29頁/共55頁

初始化

中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級(jí)中斷服務(wù)程序1級(jí)中斷服務(wù)程序2級(jí)中斷服務(wù)程序N級(jí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。第30頁/共55頁

4.4.1接口的分類與任務(wù)1.接口的分類*接口標(biāo)準(zhǔn)化;數(shù)控系統(tǒng)開放化的要求2.接口的任務(wù)

(1)．進(jìn)行電平和功率放大。

(2)．將數(shù)控裝置和機(jī)床之間的信號(hào)在電氣上加以隔離。

(3)．?dāng)?shù)/模（D/A）或模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路。

(4)．消除畸變。4.4.數(shù)控裝置的輸入/輸出接口第31頁/共55頁

主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)控裝置

Ⅰ接口分Ⅱ類

Ⅲ

Ⅳ電機(jī)速度控制進(jìn)給主軸驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸進(jìn)給電機(jī)操作面板

限位開關(guān)機(jī)電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉(zhuǎn)臺(tái)，換刀裝置等）輔助電機(jī)

機(jī)床控制設(shè)備控制裝置電源控制（變壓器，保護(hù)裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳感器激勵(lì)位置指示電源連鎖停止命令開/關(guān)指令信號(hào)第32頁/共55頁4.4.2數(shù)控裝置常用接口1.

直流模擬信號(hào)接口第33頁/共55頁斯密特觸發(fā)器2.

直流數(shù)字信號(hào)接口+5V+5V2.2k2.2k1000.1u4．7u

100

a)斯密特觸發(fā)電路b)R—S觸發(fā)器整形電路圖4-20消除觸點(diǎn)抖動(dòng)的電路第34頁/共55頁CNC電平轉(zhuǎn)換電路以電壓輸入的接收電路見圖4-21。圖4-21電壓輸入的接收電路第35頁/共55頁CNCCNCa)繼電器輸出b)無觸點(diǎn)輸出圖4-22輸出接口電路+24VCNC

輸出第36頁/共55頁3、數(shù)控裝置的通信接口圖4-23第37頁/共55頁數(shù)控機(jī)床上需要控制的數(shù)字信號(hào)4.5PLC控制第38頁/共55頁4.5.1.

PLC的基本概念圖4-24實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)及停止控制的繼電器邏輯電路第39頁/共55頁

現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中采用可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController--PLC）來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量及其邏輯關(guān)系的控制。PLC是由計(jì)算機(jī)簡化而來的，為了適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計(jì)算機(jī)的一些數(shù)字運(yùn)算功能，強(qiáng)化了邏輯運(yùn)算功能，是一種介于繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制之間的自動(dòng)控制裝置。PLC的最大特點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(dú)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(hào)傳送在數(shù)控裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，PLC與機(jī)床間的信號(hào)傳送則通過輸入/輸出接口電路實(shí)現(xiàn)，如圖4-25所示。第40頁/共55頁

NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動(dòng)單元主軸驅(qū)動(dòng)單元

強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動(dòng)單元主軸驅(qū)動(dòng)單元

輔助動(dòng)作圖4-25內(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)圖第41頁/共55頁

NCPLC伺服驅(qū)動(dòng)單元主軸驅(qū)動(dòng)單元

強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動(dòng)單元主軸驅(qū)動(dòng)單元

輔助動(dòng)作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路

獨(dú)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(jì)成獨(dú)立的模塊。獨(dú)立型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系如圖4-26圖4-26獨(dú)立型PLC結(jié)構(gòu)圖第42頁/共55頁

上：內(nèi)置型PLC右：獨(dú)立型PLC第43頁/共55頁

由于PLC的硬件結(jié)構(gòu)不同，功能也不盡相同，程序的表達(dá)方法也不同。可編程序邏輯控制器的常用編程方法有接點(diǎn)梯形圖法和語句表法。

1．接點(diǎn)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(hào)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(jī)正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序如圖4-27所示。4.5.2PLC編程方法梯級(jí)1分支1分支21.1B120.2120.11.2R1120.11.0AR2R1R2120.2120.1120.2R1E左母線右母線第44頁/共55頁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(gè)操作碼部分和一個(gè)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(duì)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(dá)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(shí)先用梯形圖表達(dá)，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。第45頁/共55頁序號(hào)

指

令

處

理

內(nèi)

容

1

RD

讀出給定信號(hào)的狀態(tài)

2

RD.NOT

讀出給定信號(hào)的非狀態(tài)

3

WRT

將運(yùn)算結(jié)果寫入指定的地址單元

4

WRT.NOT

將運(yùn)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(hào)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(hào)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(hào)寫入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址的非信號(hào)信號(hào)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

第46頁/共55頁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4.5.3PLC的工作過程

1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖4-28PLC硬件原理圖第47頁/