機(jī)床電氣控制技模塊十?dāng)?shù)控裝置結(jié)構(gòu)與原理

數(shù)控機(jī)床電氣控制

教材?數(shù)控機(jī)床電氣控制?授課教師：楊旭麗QQ：515530001本課程教學(xué)手段教師為輔以職業(yè)為核心學(xué)生為主以行動(dòng)為導(dǎo)向課程定位數(shù)控機(jī)床維修平安操作能力數(shù)控機(jī)床電氣線路試驗(yàn)?zāi)芰﹄姎庠淖R(shí)別能力典型機(jī)床電氣線路分析能力典型數(shù)控裝置應(yīng)用能力數(shù)控機(jī)床的維修管理能力數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置分析能力CA6140車床故障排除能力具備自動(dòng)控制系統(tǒng)分析能力……專業(yè)能力方法能力社會(huì)能力獲取信息的能力資料收集整理能力制定、實(shí)施工作方案的能力工藝文件理解能力工作交接能力檢查、判斷能力理論知識(shí)的運(yùn)用能力獨(dú)立分析的能力……溝通協(xié)調(diào)能力團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力語言表達(dá)能力平安與自我保護(hù)能力基層生產(chǎn)組織能力責(zé)任心與職業(yè)道德……課程培養(yǎng)目標(biāo)主要內(nèi)容常用電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用數(shù)控機(jī)床常用低壓電器電器控制基本環(huán)節(jié)典型機(jī)床電氣控制可編程控制器及其應(yīng)用自動(dòng)控制基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)控機(jī)床電氣控制概況數(shù)控裝置結(jié)構(gòu)與原理典型控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床維護(hù)與維修電力拖動(dòng)系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)分析正在進(jìn)行學(xué)習(xí)單元一數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)單元一數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)單元學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)控裝置在數(shù)控機(jī)床中的作用和分類；了解數(shù)控裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；理解數(shù)控裝置的工作原理。單元學(xué)習(xí)內(nèi)容數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全由專用硬件邏輯電路的專用硬件組成的數(shù)控裝置即NC；二是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置即CNC。由于NC本身的缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛開展，現(xiàn)在NC已被CNC取代。計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)的。數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，按CNC中各電路板的插接方式可分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)；按微處理器的個(gè)數(shù)可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)；按硬件的制造方式可分為專用型結(jié)構(gòu)和通用計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)；按CNC的開放程度可分為封閉式結(jié)構(gòu)、PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)、NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)和軟件型開放式結(jié)構(gòu)。1、單微處理器結(jié)構(gòu)2、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)目錄一、單微處理器結(jié)構(gòu)－〔1〕單微處理器結(jié)構(gòu)是指在CNC中只有一個(gè)微處理器〔CPU〕，CPU通過總線與存儲(chǔ)器及各種接口相連接，采取集中控制，分時(shí)處理的工作方式，完成數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。如存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出控制、CRT顯示等。某些CNC中雖然用了兩個(gè)以上的CPU，但能夠控制系統(tǒng)總線的只有一個(gè)CPU，它獨(dú)占總線資源，其它的CPU只是附屬的專用職能部件，它們不能控制總線，也不能訪問主存儲(chǔ)器。它們組成主從結(jié)構(gòu)，故被歸屬于單微處理器結(jié)構(gòu)中。單微處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖10.1所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC由微處理器和總線、存儲(chǔ)器、位置控制局部、數(shù)據(jù)輸入／輸出接口及外圍設(shè)備等組成。一、單微處理器結(jié)構(gòu)－〔2〕〔１〕微處理器主要完成信息處理，包括控制和運(yùn)算兩方面的任務(wù)?？刂迫蝿?wù)根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能而進(jìn)行協(xié)調(diào)、組織、管理和指揮工作，即獲取信息、處理信息、發(fā)出控制命令。主要包括對(duì)零件加工程序輸入、輸出的控制及機(jī)床加工現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息的記憶控制；運(yùn)算任務(wù)是完成一系列的數(shù)據(jù)處理工作，主要包括譯碼、刀補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算和位置控制的給定值與反響值的比較運(yùn)算等。一、單微處理器結(jié)構(gòu)－〔3〕〔２〕存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器〔ROM〕和隨機(jī)存儲(chǔ)器〔RAM〕兩種。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲(chǔ)器EPROM中，由廠家固化，只能讀出不能寫入，斷電后，程序也不會(huì)喪失；加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在有后備電池的CMOSRAM中，可以讀出，也可以根據(jù)需要進(jìn)行修改；運(yùn)行中的臨時(shí)數(shù)據(jù)存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，可以隨時(shí)讀出和寫入，斷電后信息喪失?！玻场澄恢每刂凭植堪ㄎ恢脝卧退俣瓤刂茊卧?。位置控制單元接收經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)位移量，控制伺服電機(jī)工作，并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反響信號(hào)，修正位置指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元，速度控制單元將速度指令與速度反響信號(hào)相比較，修正速度指令，用其差值控制伺服電機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。一、單微處理器結(jié)構(gòu)－〔4〕〔４〕數(shù)據(jù)輸入／輸出接口與外圍設(shè)備是CNC與操作者之間交換信息的橋梁。例如，通過MDI方式或串行通信，可將工件加工程序送入CNC；通過CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其它信息。在單微處理器結(jié)構(gòu)中，由于僅由一個(gè)微處理器進(jìn)行集中控制，故其功能將受CPU字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔1〕多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器，各微處理器之間采用緊耦合，資源共享，有集中的操作系統(tǒng)，或者各CPU構(gòu)成獨(dú)立部件，采用松耦合，有多層操作系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。圖10.2為多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC的組成框圖。CNC的多CPU典型結(jié)構(gòu)有共享總線型和共享存儲(chǔ)器型。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔2〕１暢多微處理器CNC的根本功能模塊多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC，一般由根本功能模塊組成，通過增加功能模塊，可實(shí)現(xiàn)某些特殊功能?！玻薄矯NC管理模塊。該模塊管理和組織整個(gè)CNC各功能模塊協(xié)調(diào)工作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、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?！玻病矯NC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)類型通過插補(bǔ)計(jì)算為各個(gè)坐標(biāo)提供位置給定值?！玻场澄恢每刂颇K。插補(bǔ)后的坐標(biāo)作為位置控制模塊的給定值，而實(shí)際位置通過相應(yīng)的傳感器反響給該模塊，經(jīng)過一定的控制算法，實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無滯后、高性能的位置閉環(huán)?！玻础砅LC模塊。零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床傳來的信號(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)備的起停、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。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔3〕〔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、硬盤、鍵盤、各種開關(guān)量和模擬量的輸入、上位計(jì)算機(jī)輸入等〕、輸出〔如通過軟盤、硬盤、鍵盤、各種開關(guān)量和模擬量的輸出、打印機(jī)輸出〕、顯示〔如通過LED、CRT、LCD等〕所需要的各種接口電路?！玻丁炒鎯?chǔ)器模塊。該模塊作為程序和數(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。２暢共享總線結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)總線為中心的多微處理器CNC，把組成CNC的各個(gè)功能部件劃分為帶有CPU或DMA器件的主模塊和不帶CPU或DMA器件的從模塊〔如各種RAM、ROM模塊、I／O模塊〕兩大類。所有主、從模塊都插在配有總線插座的機(jī)柜內(nèi)，共享標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線的作用是把各個(gè)模塊有效地連接在一起。按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議交換各種數(shù)據(jù)和控制信息，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔4〕在系統(tǒng)中只有主模塊有權(quán)控制和使用系統(tǒng)總線。同一時(shí)刻只能由一個(gè)主模塊占有總線，通過仲裁電路裁決各主模塊同時(shí)請(qǐng)求系統(tǒng)總線的競(jìng)爭(zhēng)，按承擔(dān)任務(wù)的重要程度預(yù)先安排好各主模塊的優(yōu)先級(jí)別或上下順序?？偩€仲裁的目的就是在各主模塊爭(zhēng)用總線時(shí)，判別出各模塊優(yōu)先級(jí)的上下。支持多微處理器系統(tǒng)的總線都設(shè)計(jì)有總線仲裁機(jī)構(gòu)，通常有串行方式和并行方式兩種裁決方式。在串行總線裁決方式中，優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置決定的。某個(gè)主模塊只有在前面優(yōu)先權(quán)更高的主模塊不占用總線時(shí)，才可使用總線，同時(shí)通知其后優(yōu)先權(quán)較低的主模塊不得使用總線，圖10.3為串行總線仲裁連線方式。在并行總線裁決方式中，要配置專用邏輯電路來解決主模塊的判優(yōu)問題，通常采用優(yōu)先權(quán)編碼方案，圖10.4為并行總線仲裁連線方式。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔5〕二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔6〕各結(jié)構(gòu)模塊之間的通信主要依靠存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)，大局部系統(tǒng)采用公共存儲(chǔ)器方式。公共存儲(chǔ)器直接插在系統(tǒng)總線上，供任意兩個(gè)主模塊交換信息，有總線使用權(quán)的主模塊都能訪問，使用公共存儲(chǔ)器的通信雙方都要占用系統(tǒng)總線。支持這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總線有：STDBUS〔支持8位和16位字長(zhǎng)〕，MultiBus〔I型可支持16位字長(zhǎng)，Ⅱ型可支持32位字長(zhǎng)〕，S－100BUS〔可支持16位字長(zhǎng)〕，BERSABUS〔可支持32位字長(zhǎng)〕以及VMEBUS〔可支持32位字長(zhǎng)〕等。制造廠為這類總線提供各種型號(hào)規(guī)格的OEM〔OriginalEquipmentmanufacture〕產(chǎn)品，包括主模塊和從模塊，由用戶選用。〔１〕分布式總線結(jié)構(gòu)。如圖10.5所示，各微處理器之間均通過一條外部的通信鏈路連接在一起，它們相互之間的聯(lián)系及對(duì)共享資源的使用都要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔7〕〔２〕主從式總線結(jié)構(gòu)。如圖10.6所示，有一個(gè)微處理器稱為主控微處理器，其它那么稱為從微處理器，各微處理器也都是完整獨(dú)立的系統(tǒng)。只有主控微處理器能控制總線，并訪問總線上的資源，主微處理器通過該總線對(duì)從微處理器進(jìn)行控制、監(jiān)視，并協(xié)調(diào)多微處理器系統(tǒng)的操作；從微處理器只能被動(dòng)執(zhí)行主微處理器發(fā)來的命令，或完成一些特定的功能，不可能與主微處理器一起進(jìn)行系統(tǒng)的決策和規(guī)劃等工作，一般不能訪問系統(tǒng)總線上的資源。主、從微處理器的通信可以通過I／O接口進(jìn)行應(yīng)答，也可以采用雙端RAM技術(shù)進(jìn)行，即通信的雙方都通過自己的總線讀／寫同一個(gè)存儲(chǔ)器。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔8〕〔３〕總線式多CPU結(jié)構(gòu)。如圖10.7所示，有一條并行主總線連接著多個(gè)微處理器系統(tǒng)，每個(gè)CPU可以直接訪問所有系統(tǒng)資源，包括并行總線、總線上的系統(tǒng)存儲(chǔ)器及I／O接口；同時(shí)還允許自由獨(dú)立地使用所有資源，諸如局部存儲(chǔ)器、局部I／O接口等。各微處理器從邏輯上分不出主從關(guān)系，為解決多個(gè)主CPU爭(zhēng)用并行總線的問題，在這樣的系統(tǒng)中有一個(gè)總線仲裁器，為各CPU分配了總線優(yōu)先級(jí)別，每一時(shí)刻，只有總線優(yōu)先級(jí)較高的CPU可以使用并行主線。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔9〕３暢共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔10〕采用多端口存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各CPU之間的互聯(lián)和通信，每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突。但這種方式由于同一時(shí)刻只能有一個(gè)微處理器對(duì)多端口存儲(chǔ)器讀／寫，所以功能復(fù)雜。當(dāng)要求微處理器數(shù)量增多時(shí)，會(huì)因爭(zhēng)用共享存儲(chǔ)器而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)效率，因此擴(kuò)展功能很困難。圖10.8為采用多微處理器共享存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖。二、多微處理器CNC結(jié)構(gòu)－〔11〕思考與練習(xí)10.1.1數(shù)控系統(tǒng)有哪幾局部組成？10.1.2單微處理器數(shù)控系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？10.1.3數(shù)控系統(tǒng)的多微處理器有哪幾種典型結(jié)構(gòu)？學(xué)習(xí)單元二數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)單元二數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)單元學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及界面特點(diǎn)；理解數(shù)控系統(tǒng)中軟件模塊的工作特點(diǎn)。單元學(xué)習(xí)內(nèi)容1、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)2、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)目錄一、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)－〔1〕數(shù)控裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了支持環(huán)境。數(shù)控裝置軟件的結(jié)構(gòu)取決于數(shù)控裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身所應(yīng)完成的工作內(nèi)容。數(shù)控裝置軟件是為實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置各項(xiàng)功能而編制的專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件，分為管理軟件和控制軟件兩大局部，如圖10.9所示。在系統(tǒng)軟件的控制下，數(shù)控裝置對(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，使機(jī)床進(jìn)行工件的加工。一、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)－〔2〕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，所以在數(shù)控裝置中，由硬件完成的工作原那么上也可以由軟件來完成，但軟、硬件各有其不同特點(diǎn)。硬件處理速度較快，但價(jià)格貴，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度較慢，因此在數(shù)控裝置中，軟、硬件的分配比例通常由其性能價(jià)格比決定。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，以“硬連接〞構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)，逐漸過渡到以軟件為主要標(biāo)志的“軟連接〞數(shù)控時(shí)代。即用軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制，因而具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。一、數(shù)控裝置的軟件結(jié)構(gòu)－〔3〕圖10.10為三種典型數(shù)控裝置的軟、硬件界面關(guān)系。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔1〕數(shù)控裝置是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中，融會(huì)了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)，其中多任務(wù)并行處理、前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)三個(gè)特點(diǎn)又最為突出。１．?dāng)?shù)控裝置的多任務(wù)并行處理數(shù)控裝置軟件一般包括管理軟件和控制軟件兩大局部。管理軟件包括輸入、I／O處理、顯示、診斷等；而系統(tǒng)控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置補(bǔ)償?shù)取Ｔ谠S多情況下，數(shù)控裝置的管理的控制工作必須同時(shí)進(jìn)行，即所謂的并行處理。例如，加工控制時(shí)必須同步顯示系統(tǒng)的有關(guān)狀態(tài)，位置控制與I／O控制同步處理，并始終伴隨著故障診斷功能；控制本身的插補(bǔ)、位置控制、預(yù)處理之間的并行處理。圖10.11為并行任務(wù)處理圖，雙向箭頭表示兩個(gè)模塊之間有并行處理關(guān)系二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔2〕２．前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置軟件可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式，不同的軟件結(jié)構(gòu)對(duì)各任務(wù)的安排方式、管理方式也不同。常見的數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)形式有前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)。前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器數(shù)控裝置。在這種軟件結(jié)構(gòu)中，前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)了幾乎全部實(shí)時(shí)功能，這些功能都與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)，如位置控制、插補(bǔ)、輔助功能二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔3〕處理、面板掃描及輸出等。后臺(tái)程序主要用來完成準(zhǔn)備工作和管理工作，包括輸入、譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備及管理等，通常稱為背景程序。背景程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入。前后臺(tái)程序相互配合完成加工任務(wù)。如圖10.12所示，程序啟動(dòng)后，運(yùn)行完初始化程序即進(jìn)入背景程序環(huán)，同時(shí)開放定時(shí)中斷，每隔一固定時(shí)間間隔發(fā)生一次定時(shí)中斷，執(zhí)行一次中斷效勞程序。就這樣，中斷程序和背景程序有條不紊地協(xié)同工作。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔4〕３．中斷型軟件結(jié)構(gòu)中斷型軟件結(jié)構(gòu)沒有前后之分，除了初始化程序外，根據(jù)各控制模塊實(shí)時(shí)的要求不同，把控制程序安排成不同級(jí)別的中斷效勞程序，整個(gè)軟件是一個(gè)大的多重中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的管理功能主要通過各級(jí)中斷效勞程序之間的通信來實(shí)現(xiàn)。位置控制被安排在級(jí)別較高的中斷程序中，其原因是刀具運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性要求最高，數(shù)控裝置必須提供及時(shí)的效勞。CRT顯示級(jí)別最低，在不發(fā)生其它中斷的情況下才進(jìn)行顯示?！玻薄持袛喑绦虻耐ㄐ欧绞綖榱诉M(jìn)行系統(tǒng)管理，系統(tǒng)中斷程序之間采取的通行方式有以下幾種。①設(shè)置軟件中斷。第1、2、4級(jí)設(shè)置成軟件中斷，第6級(jí)設(shè)置硬件中斷，由時(shí)鐘定時(shí)執(zhí)行，每4ｍｓ中斷一次。第6級(jí)中斷請(qǐng)求兩次后，第4級(jí)中斷產(chǎn)生一次〔第4級(jí)每8ｍｓ產(chǎn)生一次〕。第6級(jí)中斷四次，第1，2級(jí)設(shè)置中斷請(qǐng)求一次。這樣便將第1、2、4、6級(jí)中斷聯(lián)系起來。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔5〕②中斷效勞程序自身的鏈接。系統(tǒng)的第1級(jí)中斷分為13個(gè)口，每一個(gè)口對(duì)應(yīng)狀態(tài)的一位，每一位對(duì)應(yīng)處理一個(gè)任務(wù)，即第1級(jí)中斷包括13個(gè)子任務(wù)。在執(zhí)行第1級(jí)中斷各口的處理時(shí)，可以設(shè)置口狀態(tài)字處理其它位的請(qǐng)求，如圖10.13所示。如在8號(hào)口的處理程序中，可將2號(hào)口置1，這樣8號(hào)口程序一旦執(zhí)行完，即刻轉(zhuǎn)入2號(hào)口處理。③設(shè)置標(biāo)志。標(biāo)志是各程序之間相互通信的有力工具。例如，第4級(jí)中斷主要完成插補(bǔ)功能，每8ms中斷一次。譯碼、刀具半徑補(bǔ)償?shù)仍诘?級(jí)中斷中進(jìn)行。在第1級(jí)中斷效勞程序中，進(jìn)行完譯碼和刀具半徑補(bǔ)償后即刻設(shè)置標(biāo)志。是否開放插補(bǔ)中斷程序取決于該標(biāo)志的設(shè)置。在未設(shè)置譯碼、刀具半徑完成標(biāo)志時(shí)，數(shù)控裝置跳過插補(bǔ)效勞程序而繼續(xù)往下執(zhí)行。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔6〕〔２〕典型中斷的功能①第2級(jí)中斷。主要功能是對(duì)機(jī)床控制臺(tái)的輸入信號(hào)〔控制臺(tái)送給NC的控制開關(guān)信號(hào)和按鈕信號(hào)〕及NC鍵盤進(jìn)行監(jiān)控處理。其次是穿孔機(jī)操作處理，還有M、S、T、H強(qiáng)電信號(hào)處理和輸出信號(hào)處理等。第2級(jí)中斷的簡(jiǎn)化框圖如圖10.14所示，程序段的增量以8ms為單位。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔7〕②第4級(jí)中斷。該級(jí)中斷最重要的功能是完成插補(bǔ)計(jì)算。系統(tǒng)中采用“時(shí)間分割法〞插補(bǔ)，即將程序段的增量以8ms為單位，劃分為許多小段，每次插補(bǔ)進(jìn)給一小段。一次插補(bǔ)處理可以分4個(gè)階段，即速度計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算、終點(diǎn)判別、進(jìn)給量變換。第4級(jí)中斷簡(jiǎn)化框圖如圖10.15所示。ａ．設(shè)置標(biāo)志，在下一次第4級(jí)中段時(shí)，先根據(jù)標(biāo)志進(jìn)行下一程序段的第4級(jí)預(yù)處理〔將軌跡參數(shù)搬到插補(bǔ)的參數(shù)區(qū)等〕；ｂ．進(jìn)行速度處理，根據(jù)所設(shè)的標(biāo)志，將本次插補(bǔ)的軸向進(jìn)給量，作為本次總的軸向進(jìn)給量；ｃ．插補(bǔ)預(yù)處理，是將由第1級(jí)中斷計(jì)算出的并已存于“輸入存儲(chǔ)器〞的本程序段刀具運(yùn)動(dòng)的中心軌跡等參數(shù)及一些軌跡線型〔G01，G02〕標(biāo)志，搬入?yún)?shù)區(qū)。一般，對(duì)于有插補(bǔ)要求的程序段，都要先進(jìn)行插補(bǔ)預(yù)處理。進(jìn)給量換算處理。進(jìn)給量換算包括進(jìn)給量公英制換算和進(jìn)給量的指數(shù)加減處理。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔8〕③第6級(jí)中斷。本級(jí)中斷主要完成位置控制、4ms定時(shí)計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)工作。該典型數(shù)控系統(tǒng)中，位置控制是軟件和硬件配合下完成的。軟件局部的任務(wù)是在第6級(jí)中斷中，定時(shí)地從“實(shí)際位置計(jì)數(shù)器〞中回收實(shí)際位置值，然后將位置指令值與實(shí)際位置值之間的差值換算成速度指令值，送給硬件的“速度指令存放器〞，去控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)4ms定時(shí)計(jì)時(shí)。具體方法是：對(duì)4ms進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔8ms定時(shí)地產(chǎn)生一次第３級(jí)和第４級(jí)軟件中斷請(qǐng)求。每隔16ms定時(shí)地產(chǎn)生一次第１級(jí)和第２級(jí)軟件中斷請(qǐng)求。以4ms為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)4ms進(jìn)行累加計(jì)算，和數(shù)就是數(shù)控裝置使用的時(shí)間，這就是計(jì)時(shí)功能。存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)，其方法依ROM和RAM而有所不同，通過讀、寫奇偶校驗(yàn)的方法，來判斷RAM是否出錯(cuò)，如果出錯(cuò)，先使伺服系統(tǒng)停止工作，并報(bào)警；然后，對(duì)出錯(cuò)的區(qū)域進(jìn)行寫和讀全0，全1試驗(yàn)，找出出錯(cuò)的地址和出錯(cuò)的狀態(tài)，并將出錯(cuò)范圍、出錯(cuò)地址和出錯(cuò)狀態(tài)在顯示器上顯示。ROM的奇偶校驗(yàn)以一塊ROM為單位，通過求該塊ROM的累加和的方法實(shí)現(xiàn)。假設(shè)出錯(cuò)，那么使伺服系統(tǒng)停止工作，點(diǎn)亮報(bào)警燈，找出出錯(cuò)的位置，并在顯示器上顯示出該ROM在印制板上的安裝位置。第6級(jí)中斷簡(jiǎn)化框圖如圖10.16所示。二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔9〕二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔10〕思考與練習(xí)10.2.1數(shù)控裝置系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是什么？10.2.2數(shù)控裝置系統(tǒng)軟、硬件界面有哪幾種形式？10.2.3數(shù)控系統(tǒng)的功能由硬件和軟件實(shí)現(xiàn)各有什么特點(diǎn)？二、數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)－〔11〕學(xué)習(xí)單元三數(shù)控裝置的信息處理單元學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)控裝置控制軟件的根本任務(wù)；理解零件程序的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)計(jì)算的要求和原理。單元學(xué)習(xí)內(nèi)容使用數(shù)控機(jī)床加工，必須編制好零件加工程序，而零件程序的解釋與具體執(zhí)行，那么要由系統(tǒng)程序來完成。數(shù)控裝置的控制軟件主要完成以下根本任務(wù)?！玻薄诚到y(tǒng)管理?！玻病巢僮髦噶畹奶幚怼！玻场沉慵绦虻妮斎?、解釋與執(zhí)行。〔４〕系統(tǒng)狀態(tài)顯示。〔５〕手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入〔MDI〕。〔６〕故障報(bào)警和診斷單元三數(shù)控裝置的信息處理－〔1〕單元三數(shù)控裝置的信息處理－〔2〕其中，核心任務(wù)是控制零件程序的執(zhí)行。一個(gè)零件程序的執(zhí)行首先要輸入數(shù)控系統(tǒng)，然后經(jīng)過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)、位置控制，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)控裝置輸出的指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工。整個(gè)過程可以用圖10.17表示。1、零件程序的輸入2、數(shù)據(jù)處理3、插補(bǔ)計(jì)算目錄一、零件程序的輸入零件程序的輸入一般通過MDI鍵盤或通信方式進(jìn)行，大都采用中斷方式。數(shù)控裝置的接口接收到一個(gè)字符后就向CPU發(fā)出中斷信號(hào)，激活中斷效勞程序，每讀入一個(gè)字符，先進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，檢查讀入字符的正確性；再進(jìn)行語句檢查，即檢查該字符是不是程序字的信息，最后才把輸入的字符存入零件程序緩沖區(qū)。輸入一段完整的程序后還要進(jìn)行語法檢查，即檢查各個(gè)字是否符合程序段格式；字的順序?qū)Σ粚?duì)，需要的信息是否完整等。通過了這些檢查，才把此程序段輸入到零件程序存儲(chǔ)器。零件程序的輸入過程如圖10.18所示。二、數(shù)據(jù)處理零件程序輸入后，插補(bǔ)程序是不能直接應(yīng)用的，必須對(duì)加工程序進(jìn)行預(yù)處理，得出插補(bǔ)程序所需要的數(shù)據(jù)信息和控制信息。數(shù)據(jù)處理，主要包括譯碼、運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算和速度計(jì)算。譯碼是把零件程序中的各種信息轉(zhuǎn)為數(shù)控裝置系統(tǒng)所能識(shí)別的專門信息，存放在指定的內(nèi)存專用空間。譯碼處理的過程如圖10.19所示。運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算是將工作輪廓軌跡轉(zhuǎn)化為刀具中心軌跡〔通過刀具補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)〕；速度計(jì)算主要解決加工運(yùn)動(dòng)的速度問題。數(shù)控裝置在處理數(shù)據(jù)過程中，有很多程序是并存的。數(shù)控裝置中各種信息的存儲(chǔ)與傳遞〔即交換〕是通過各種緩沖存放區(qū)實(shí)現(xiàn)的。三、插補(bǔ)計(jì)算－〔1〕數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，一般情況是運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和軌跡的曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地計(jì)算出各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，即通過數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算“插入、補(bǔ)上〞運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常把這個(gè)過程稱為“插補(bǔ)〞。插補(bǔ)的結(jié)果是輸出運(yùn)動(dòng)軌跡的中間坐標(biāo)值，機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)這些坐標(biāo)值控制各坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，加工出預(yù)定的幾何形狀。插補(bǔ)工作可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。早期的硬件數(shù)控系統(tǒng)〔NC〕，采用硬件的邏輯電路來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，而計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，一般由軟件來完成。軟件插補(bǔ)法可分為脈沖增量插補(bǔ)法和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法兩類。三、插補(bǔ)計(jì)算－〔2〕〔一〕脈沖增量插補(bǔ)法脈沖增量插補(bǔ)法把每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。每發(fā)出一個(gè)脈沖，工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)根本長(zhǎng)度單位，即脈沖當(dāng)量。由于輸出脈沖的最大速度取決于執(zhí)行一次運(yùn)算所需的時(shí)間，因此，進(jìn)給速率受到一定限制，所以適用于以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。１、逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法的根本原理是控制對(duì)象每走一步都要和規(guī)定的軌跡進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果斷定下一步移動(dòng)的方向，向誤差最小的方向移動(dòng)。逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來逼近運(yùn)動(dòng)軌跡的。如圖10.20所示，加工軌跡為第一象限直線OA，起點(diǎn)坐標(biāo)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為A〔Xｅ，Ｙｅ〕，點(diǎn)M〔Xｍ，Yｍ〕為加工點(diǎn)〔動(dòng)點(diǎn)〕。假設(shè)M在直線OA上，那么有：

Σ＝XｅYｍ－XｍYｅ＝０假設(shè)M點(diǎn)在直線OA的上方，有：Σ＝XｅYｍ－XｍYｅ＞０三、插補(bǔ)計(jì)算－〔3〕假設(shè)M點(diǎn)在直線OA的下方，有：Σ＝XｅYｍ－XｍYｅ＜０所以，｜Σ｜越小，M點(diǎn)越逼近直線。因此，可用Σ作為判別函數(shù)，判斷動(dòng)點(diǎn)和直線的相對(duì)位置。對(duì)于待加工的第一象限直線OA，在X，Y方向只能向＋X，＋Y方向運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)向使｜Σ｜最小的方向走步。所以當(dāng)Σ＞０，向＋X方向移動(dòng)一步；當(dāng)Σ＜０，向＋Y方向移動(dòng)一步；當(dāng)Σ＝０，向＋X方向、＋Y方向或＋X，＋Y同時(shí)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)方向中，選擇使｜Σ｜最小的方向移動(dòng)。三、插補(bǔ)計(jì)算－〔4〕直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別可采用兩種方法，一是設(shè)置兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，在加工前，分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值Xｅ，Yｅ。X或Y方向上每走一步，就在相應(yīng)的計(jì)數(shù)器中減１，直到兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的數(shù)都減為零時(shí)，停止插補(bǔ)；二是設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，存入X和Y坐標(biāo)進(jìn)給的步數(shù)總和N，即N＝Xｅ＋Yｅ，每走一步，計(jì)數(shù)器減１，直到N＝０為止。逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的計(jì)算，需要以下4個(gè)步驟?！玻薄称钣?jì)算。計(jì)算Σ值，作為偏差判別的依據(jù)?！玻病称钆袆e。根據(jù)Σ值確定動(dòng)點(diǎn)和直線的相對(duì)位置，決定下一步進(jìn)給的方向?！玻场匙鴺?biāo)進(jìn)給。根據(jù)判別結(jié)果，向相應(yīng)的方向移動(dòng)一步?！玻础辰K點(diǎn)判別。根據(jù)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是否為０判別是否到達(dá)終點(diǎn)。對(duì)于其它象限的直線，插補(bǔ)過程類似，區(qū)別僅僅是坐標(biāo)的移動(dòng)方向不同。２、逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)的原理與直線插補(bǔ)相同，先判斷動(dòng)點(diǎn)與圓弧的相對(duì)位置，然后決定進(jìn)給方向，最后判別是否到達(dá)終點(diǎn)。詳細(xì)過程不再贅述。三、插補(bǔ)計(jì)算－〔5〕〔二〕數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)是用小段直線來逼近給定軌跡，插補(bǔ)輸出的是下一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)各軸要運(yùn)動(dòng)的距離，可到達(dá)很高的進(jìn)給速度，適用于閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)是根據(jù)用戶程序的進(jìn)給速度，將給定輪廓曲線分割為每一插補(bǔ)周期的進(jìn)給段，即輪廓步長(zhǎng)。每一個(gè)插補(bǔ)周期執(zhí)行一次插補(bǔ)運(yùn)算，計(jì)算出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)〔動(dòng)點(diǎn)〕坐標(biāo)，從而計(jì)算出下一周期各個(gè)坐標(biāo)的進(jìn)給量，進(jìn)而得出下一插補(bǔ)點(diǎn)的位置。計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)坐標(biāo)的實(shí)際位置進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)與指令位置進(jìn)行比較，得出位置誤差，再根據(jù)位置誤差對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，到達(dá)消除誤差，使實(shí)際位置跟隨指令位置的目的。插補(bǔ)周期可以等于采樣周期，也可以是采樣周期的整數(shù)倍。對(duì)于直線插補(bǔ)，動(dòng)點(diǎn)在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的直線段與給定直線重合。對(duì)于圓弧插補(bǔ)，動(dòng)點(diǎn)在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的直線段以弦線〔或切線、割線〕逼近圓弧。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)的具體算法有多種，如時(shí)間分割法、擴(kuò)展DDA法、雙DDA法等，本書不做詳細(xì)介紹。三、插補(bǔ)計(jì)算－〔6〕思考與練習(xí)10.3.1零件加工程序輸入的過程是怎樣的？10.3.1數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括哪幾個(gè)方面？10.3.3何謂插補(bǔ)？有哪兩大類插補(bǔ)算法？學(xué)習(xí)單元四數(shù)控裝置的通信單元四數(shù)控裝置的通信單元學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握數(shù)控裝置異步串行通信接口和網(wǎng)絡(luò)通信接口定義；掌握數(shù)控裝置異步串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)單元學(xué)習(xí)內(nèi)容隨著CAD、CAM、CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〕等技術(shù)的開展，機(jī)床數(shù)控裝置與計(jì)算機(jī)的通信顯得越來越重要?，F(xiàn)代數(shù)控裝置一般具有與上級(jí)計(jì)算機(jī)或DNC〔分布式數(shù)控系統(tǒng)〕計(jì)算機(jī)直接通信或連入工廠局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的功能。數(shù)控裝置常用的通信接口有異步串行通信接口RS－232和網(wǎng)絡(luò)通信接口。1、異步串行通信接口2、網(wǎng)絡(luò)通信接口目錄一、異步串行通信接口－〔1〕異步串行通信接口在數(shù)控裝置中應(yīng)用非常廣泛，主要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)與一臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接進(jìn)行信息的交換。在串行通信中，廣泛使用的接口標(biāo)準(zhǔn)是RS－232C標(biāo)準(zhǔn)。它是美國(guó)