第4章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件.ppt

1、第四章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件，4.1概述，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，4.3數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出接口，4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信，4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構，4.6數(shù)控機床的可編程控制器，4.1概述，4.1.1計算機數(shù)控系統(tǒng)的概念根據(jù)電子工業(yè)協(xié)會數(shù)控標準化委員會的定義， 計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種特殊的計算機系統(tǒng)，它利用計算機通過在其存儲器中執(zhí)行程序來完成數(shù)控所需的部分或全部功能，并配有接口電路和伺服驅動器。下頁，返回，4.1概述，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序(或指令)，通過計算機進行插補運算，形成理想的軌跡。通過插值計算的位置數(shù)據(jù)被輸出到伺服單元，并且電機被控制以驅動致動器來處理所需的部件。數(shù)控系統(tǒng)由程序、

2、輸入輸出設備、計算機數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅動和進給驅動裝置等組成。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，如圖4-1所示。計算機數(shù)控設備的組成數(shù)控設備由硬件和軟件組成。硬件由微處理器、存儲器、位置控制、輸入輸出接口、可編程邏輯控制器、圖形控制、電源等模塊組成。硬件組成如圖4-2所示。軟件由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能而編制的專用軟件稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，數(shù)控裝置自動處理輸入的加工程序，并發(fā)出相應的控制指令和進給控制信號。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件組成，如圖4-3所示。管理軟件負責零件加工程序的輸入輸出、輸入輸出處理、系統(tǒng)顯示和故障診斷?？刂栖浖撠熃獯a處理、刀具補償

3、、速度處理、插補運算、位置控制等。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，1微機在計算機數(shù)控裝置中微機(以下簡稱微機)是計算機數(shù)控裝置的核心。像普通計算機一樣，它包括中央處理器、內存、輸入輸出接口、時鐘、解碼和其他輔助電路。下一頁，上一頁，下一頁，4.1概述，中央處理器由算術單元和控制器組成。算術單元是對數(shù)據(jù)執(zhí)行算術和邏輯運算的組件。在運算過程中，運算單元不斷獲取存儲器提供的數(shù)據(jù)，并將運算的中間結果發(fā)回存儲器暫存?？刂破鲝拇鎯ζ髦幸来稳〕鰳嫵沙绦虻闹噶?，并在解碼后，向數(shù)控系統(tǒng)的各個部分發(fā)出控制信號，以便執(zhí)行指令。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件和零件處理程序，并存儲操作的中間

4、結果和處理的結果。它包括兩個部分：存儲系統(tǒng)控制軟件的存儲器和存儲中間數(shù)據(jù)的存儲器。只讀存儲器中的系統(tǒng)控制軟件程序由數(shù)控系統(tǒng)制造商編寫，用于完成數(shù)控系統(tǒng)的各種功能。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，輸入/輸出接口是中央處理器與外界通信的通道，它提供物理連接手段，完成數(shù)據(jù)格式和信號形式的必要轉換。輸入輸出接口按其功能可分為兩類：一類是連接常規(guī)輸入輸出設備實現(xiàn)程序輸入輸出和人機交互的接口，稱為通用輸入輸出接口；另一個與專用的控制和檢測裝置相連，控制和檢測機床的位置和工作狀態(tài)，這是數(shù)控系統(tǒng)獨有的，稱為機床控制輸入輸出接口。輸入/輸出設備的輸入/輸出部分包括各種類型的輸入/輸出設備(也稱為外部設備)和輸

5、入/輸出接口控制組件。其外部設備主要包括光電閱讀器、陰極射線管顯示器、鍵盤、沖床和面板等。其中，光電閱讀器用于輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；陰極射線管用于顯示和監(jiān)控；鍵盤主要用于輸入操作命令和編輯修改數(shù)據(jù)，也可以作為少量零件加工程序的輸入；打孔機用作復制零件程序的紙帶，以便保存和檢查零件程序；操作面板允許操作員改變操作模式、輸入設置數(shù)據(jù)、開始和停止加工等。典型的輸入輸出接口控制部件包括紙帶輸入機接口、盒式磁帶輸入機接口、數(shù)控系統(tǒng)操作面板接口、進給伺服控制接口和字符顯示(CRT)接口等。下一頁，上一頁，后一頁，4.1概述，3可編程邏輯控制器(可編程邏輯控制器)數(shù)控機床的控制在控制側(數(shù)控側)有每個

6、坐標軸的運動控制，在機床側(機床側)有各種執(zhí)行機構的邏輯順序控制?？删幊炭刂破魑挥跀?shù)控和機床之間，處理數(shù)控和機床的輸入輸出信息，通過軟件實現(xiàn)機床側的控制邏輯，即可編程控制器提高了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性、可靠性和利用率，使結構更加緊湊。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，有內置型和獨立型數(shù)控機床可編程控制器?？删幊绦蚩刂破鞯膽贸绦?，即可編程序控制器程序，通常用梯形圖表示。編制可編程序控制器程序的設備包括可編程序控制器專用編程器、編程器、具有可編程序控制器編程功能的數(shù)控系統(tǒng)或裝有可編程序控制器編程系統(tǒng)軟件的個人計算機(或工作站)。下一頁，上一頁，后一頁，4.1概述，4位置控制裝置位置控制裝置由伺服機構和

7、執(zhí)行器組成。伺服機構包括速度控制單元和位置控制單元。通過插補運算得到的單位時間間隔內各坐標軸的位移被送到位置控制單元，位置控制單元產生伺服電機速度指令，并將其送到速度控制單元。速度控制單元接收速度反饋信號，對伺服電機進行速度閉環(huán)控制；同時，位置控制單元接收實際位置反饋，修正速度指令，實現(xiàn)機床運動的精確控制。致動器可以是交流或DC伺服電機。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，4.1.3計算機數(shù)控裝置的工作原理在其硬件環(huán)境的支持下，數(shù)控裝置根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控制邏輯控制輸入、解碼處理、數(shù)據(jù)處理、刀具補償、速度控制、插補運算和位置控制、輸入輸出處理、顯示和診斷。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，1將零

8、件加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)輸入數(shù)控裝置。常用的輸入方法包括鍵盤手動輸入、光電閱讀器紙帶輸入、磁盤輸入、磁帶輸入、通信接口RS-232輸入、連接到上級計算機的DNC接口輸入和網絡通信輸入。數(shù)控設備還需要在輸入過程中完成程序檢查和代碼轉換。所有輸入信息都存儲在數(shù)控設備的內部存儲器中。下一步、前一步、后一步、4.1概述、2解碼處理解碼處理程序在程序段中處理零件程序，每個程序段包含零件的輪廓信息、所需的處理速度和其他輔助信息(刀具更換、切削液開始/停止等)。)，在計算機執(zhí)行插值運算和控制運算之前，必須將其翻譯成計算機內部可識別的語言，解碼程序承擔這一任務。在解碼過程中，有必要檢查程序段的語法，如果

9、發(fā)現(xiàn)語法錯誤，應立即向警方報告。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序通常包括刀具半徑補償、速度計算和輔助功能處理等。一般來說，輸入數(shù)據(jù)處理程序的實時性要求不高。輸入數(shù)據(jù)處理充分，減少了插補運算和速度控制程序的負擔，加工過程實時性強。下一步、上一步、返回、4.1概述、4插補運算和位置控制插補運算程序完成數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能，即實現(xiàn)軸脈沖分配的功能。脈搏分布包括三個方面：點、線和曲線。由于現(xiàn)代微機有完善的指令系統(tǒng)和相應的算法子程序，為插補計算提供了許多便利。可以使用一些更方便的數(shù)學方法來提高輪廓控制的精度，而不用擔心增加硬件電路。下一頁、上一頁、返回、4.1概述、插補運算結果輸出，通過位置控制部分(這部分工作可

10、以由軟件完成，也可以由硬件完成)控制伺服系統(tǒng)運動，控制刀具按預定軌跡加工。位置控制的主要任務是在每個采樣周期內將插值計算的理論位置與實際反饋位置進行比較，并利用差值來控制進給電機。在位置控制中，為了提高機床的定位精度，通常要完成位置環(huán)的增益調整、各坐標方向的俯仰誤差補償和反向間隙補償。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，一個更高層次的管理程序可以使多個程序并行工作，如數(shù)據(jù)輸入處理，空閑時的插補運算和速度控制，即調用每個函數(shù)子程序來完成下一個數(shù)據(jù)段的讀取、解碼和數(shù)據(jù)處理，并保證在處理這個數(shù)據(jù)段的過程中準備好下一個數(shù)據(jù)段。一旦該數(shù)據(jù)段被處理，下一個數(shù)據(jù)段的插值處理將立即開始。一些管理程序還安排系統(tǒng)的

11、自動編程或必要的預防性診斷。輸入/輸出處理輸入/輸出處理主要處理數(shù)控設備和機床之間信號的輸入、輸出和控制。數(shù)控裝置和機床必須用光電隔離電路隔離，以保證數(shù)控裝置的穩(wěn)定運行。下頁、上一頁、返回、4.1概述、6顯示數(shù)控裝置顯示主要是為了方便操作人員，通常具有零件程序顯示、參數(shù)顯示、機床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動態(tài)模擬圖形顯示、報警顯示等功能。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，7診斷程序數(shù)控設備可以使用內部自診斷程序進行故障診斷，主要包括啟動診斷和在線診斷。啟動診斷是指每次數(shù)控設備從開機開始進入正常運行準備狀態(tài)，系統(tǒng)相應的自診斷程序都會通過掃描自動檢查系統(tǒng)硬件、軟件及相關外設是否正常。只有當所有檢查的項

12、目都被確認為正確時，整個系統(tǒng)才能進入正常運行的準備狀態(tài)。否則，數(shù)控設備將通過網絡、薄膜晶體管、陰極射線管或硬件(如發(fā)光二極管)報警模式顯示故障信息。此時，啟動診斷過程無法完成，系統(tǒng)無法投入運行。只有排除故障后，數(shù)控設備才能正常運行。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，在線診斷是指在系統(tǒng)正常運行期間，通過系統(tǒng)相應的內置診斷程序對數(shù)控設備本身和外圍設備進行的檢查。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷將繼續(xù)進行。前一頁，后一頁，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，4.2.1按硬件制造方法分類數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構可根據(jù)不同的硬件制造方法分為兩類：專用數(shù)控系統(tǒng)和個人計算機數(shù)控系統(tǒng)。下頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，1專用數(shù)控

13、系統(tǒng)這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件是由各廠家專門設計制造的，沒有通用性。其中，有大板結構和模塊化結構。大板結構數(shù)控設備一般由主電路板、可編程邏輯控制器板、附加輸入輸出板、圖形控制板和電源單元組成。主電路板是一個大的印刷電路板，其他電路板是小的電路板，并插入到大電路板的插槽中。大板的結構示意圖如圖4-4所示。大板結構緊湊、體積小、可靠性高、性價比高，也便于機床的一體化設計。但是，它的硬件功能不容易改變，這不利于組織生產。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，數(shù)控裝置采用模塊化功能模塊的控制軟件也是模塊化的。因此，數(shù)控設備可以以積木的形式構建，使得設計簡單，調試和維護方便，具有良好的適應性和擴展性。

14、在過去，數(shù)控系統(tǒng)硬件是由不同的數(shù)控制造商設計和制造的，硬件之間不能互換或替換。近年來，工業(yè)標準計算機，即工業(yè)pc機，已經被采用作為數(shù)控系統(tǒng)的支撐平臺。不同的數(shù)控制造商只需要插入他們自己的控制卡和數(shù)控軟件來形成數(shù)控系統(tǒng)，而不需要設計特殊的硬件。由于生產了數(shù)百萬臺工業(yè)標準計算機，生產成本非常低，這反過來又降低了數(shù)控系統(tǒng)的成本。如果工業(yè)電腦出現(xiàn)故障，很容易修理和更換。ANILAM公司和AI公司生產的數(shù)控系統(tǒng)屬于這種類型。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，4.2.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構一般分為單個微處理器和多個微處理器。早期的數(shù)控系統(tǒng)和一些現(xiàn)有的經濟型數(shù)控系統(tǒng)都采用單微處理器結構。隨著機械

15、制造技術的發(fā)展，對數(shù)控機床提出了功能復雜、加工速度快、加工精度高的要求，也對更高層次的自動制造系統(tǒng)和CIMS提出了要求。因此，多微處理器結構發(fā)展迅速，反映了當今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結構，1單微處理器結構的數(shù)控系統(tǒng)在單微處理器結構中，只有一個微處理器用于數(shù)控任務的集中控制和分時處理。有些數(shù)控系統(tǒng)有兩個以上的微處理器，但只有一個微處理器能控制系統(tǒng)總線并占用總線資源；其他微處理器成為特殊的智能組件，不能控制系統(tǒng)總線和訪問主存儲器。它們形成一個主從結構，所以它們被歸類為一個單一的微處理器結構。單微處理器的結構框圖如圖4-5所示。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

16、的硬件結構，單微處理器結構的基本組成如下：微處理器和總線；記憶。紙帶閱讀器接口；紙帶穿孔機和電傳打字機之間的接口；輸入輸出接口；位置控制器；PLC .下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構，單微處理器結構的數(shù)控系統(tǒng)具有以下特點：(1)數(shù)控系統(tǒng)只有一個微處理器，集中控制和處理存儲、插補運算、輸入輸出控制和陰極射線管顯示等功能。(2)微處理器與存儲器、輸入/輸出控制器等各種接口相連。通過總線形成數(shù)控系統(tǒng)。(3)結構簡單，易于制造。(4)由于只有一個微處理器進行集中控制，單個微處理器的功能將受到諸如字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和微處理器的操作速度等因素的限制。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

17、的硬件結構，由于插補等功能都是通過軟件實現(xiàn)的，數(shù)控功能的實現(xiàn)和加工速度成為一對突出的矛盾。為了解決這一矛盾，可以增加浮點協(xié)處理器，硬件共享精插補，采用帶微處理器的智能元件如可編程控制器和陰極射線管，或者采用多微處理器結構。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結構，2多微處理器結構的數(shù)控系統(tǒng)(1)多微處理器的特點是高性價比，多微處理器用來完成其特定功能，滿足多軸控制、高精度、高速高效的控制要求。同時，由于單個低規(guī)格CPU的價格相對便宜，其性能價格也相對較高。模塊化結構具有良好的適應性和擴展性，結構緊湊，調試和維護方便。通訊功能強大，方便實現(xiàn)FMS、FA和CIMS。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系