第二章數(shù)字控制裝置

1、第二章第二章 數(shù)字控制裝置數(shù)字控制裝置lCNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)裝置的硬件結(jié)構(gòu)lCNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)裝置的軟件結(jié)構(gòu)l可編程控制器（可編程控制器（PLC）l典型的典型的CNC系統(tǒng)簡介系統(tǒng)簡介1 1、概述、概述l從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。l從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。CNC 系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)工作過程 輸入-譯碼-數(shù)據(jù)處理-插補-將各個坐標軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過

2、轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機，帶動各軸運動-實時位置反饋控制，使各個坐標軸能精確地走到所要求的位置。1）輸入l輸入內(nèi)容零件程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)。l輸入方式磁盤輸入、光盤輸入、鍵盤輸入、通訊接口輸入及連接上位計算機的DNCDNC接口輸入CNC 系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)工作過程 CNC 系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)工作過程2）譯碼：以一個程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理:包括刀具補償,速度計算以及輔助功能處理等。4）插補：通過插補計算程序在一條曲線的已知起點和終點之間進行“數(shù)據(jù)點的密化工作”。5）位置控制：在每個采樣周期內(nèi)

3、，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給伺服電機。6）I/O處理：處理CNC裝置與機床之間的強電信號輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按其中含有CPUCPU的多少可分為：l單微處理機結(jié)構(gòu)l多微處理機結(jié)構(gòu)；按電路板的結(jié)構(gòu)特點可分為：l大板結(jié)構(gòu)l模塊化結(jié)構(gòu)。2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控裝置單微處理器數(shù)控裝置: : 以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作

4、方式，完成數(shù)控加工各個任務。l一個微處理器完成所有的功能l采用總線結(jié)構(gòu)l結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)l功能受限制單微處理器結(jié)構(gòu)組成單微處理器結(jié)構(gòu)組成：微處理器（運算、控制）、存儲器、總線、接口；微處理器（運算、控制）、存儲器、總線、接口；存儲器存儲器l 只讀存儲器（ROM）：系統(tǒng)程序l 隨機存儲器（RAM）：運算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、標志信息l CMOS RAM或磁泡存儲器：加工的零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)位置控制單元位置控制單元l對進給運動的坐標軸位置進行控制對進給運動的坐標軸位置進行控制（包括位置和速度控制）（包括位置和速度控制） 對主軸控制，一般只包括速度控對主軸控制，一般只包

5、括速度控制制lC C軸位置控制：包括位置和速度控制軸位置控制：包括位置和速度控制l刀庫位置控制（簡易位置控制）刀庫位置控制（簡易位置控制）多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu) 在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理器，分別實現(xiàn)相應的數(shù)控功能。微處理器，分別實現(xiàn)相應的數(shù)控功能。特點：特點： 能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功理速度快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強，在某模塊出了故障能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)結(jié)

6、構(gòu)形式：分布式、主從式、總線式。結(jié)構(gòu)形式：分布式、主從式、總線式。l分布式：各分布式：各CPU獨立、完整，通過外部通信獨立、完整，通過外部通信鏈路連接起來，數(shù)據(jù)交換和資源共享通過網(wǎng)絡鏈路連接起來，數(shù)據(jù)交換和資源共享通過網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)。技術(shù)實現(xiàn)。l主從式：主控主從式：主控CPU、從控、從控CPU，主控，主控CPU才才能控制和訪問總線，通過總線對從控能控制和訪問總線，通過總線對從控CPU控制、控制、監(jiān)視、協(xié)調(diào)。監(jiān)視、協(xié)調(diào)。l總線式（多主式）：主總線連接多個總線式（多主式）：主總線連接多個CPU，可直接訪問所有系統(tǒng)資源，解決總線爭用問題?？芍苯釉L問所有系統(tǒng)資源，解決總線爭用問題。典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu):共享

7、總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)FANUC 15系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征：共享總線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征：l功能模塊分為帶有功能模塊分為帶有CPUCPU的主模塊和從模塊的主模塊和從模塊（RAM/ROMRAM/ROM，I/OI/O模塊）；模塊）；l以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上；插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上；l采用總線仲裁機構(gòu)（電路）來裁定多個采用總線仲裁機構(gòu)（電路）來裁定多個塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。共享存儲器結(jié)構(gòu)：共享存儲器

8、結(jié)構(gòu)：共享存儲器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征：共享存儲器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征：l面向公共存儲器設計，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊；l采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。l 由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口RAMRAM）。大板結(jié)構(gòu)大板結(jié)構(gòu)o所謂大板結(jié)構(gòu)就是將所有或大部分硬件電路集中設計在一塊大印刷電路板上，在其插槽內(nèi)插入部分輔助小印刷電路板，構(gòu)成硬件，配合軟件實現(xiàn)預定數(shù)控功能。功能模塊式結(jié)構(gòu)o將CPU、存儲器、輸入輸出控制、位置控制、顯示部件等分別做成插件板（硬件模塊），

9、相應的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中，軟硬件模塊形o成一個功能模塊。將各功能模塊以總線方式實現(xiàn)連接，以積木方式構(gòu)成CNC裝置。開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l（可移植性：系統(tǒng)的應用模塊無需經(jīng)過任何改變就可以用于另一平臺，仍保持原有特性。l可擴展性：不同應用模塊可在同一平臺運行。l可協(xié)同性：不同應用模塊能夠協(xié)同工作，并以確定方式交換數(shù)據(jù)。l規(guī)模可變：應用模塊的功能和性能以及硬件的規(guī)?？砂凑招枰{(diào)整。開放式數(shù)控系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)數(shù)控功能、應用程序開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式軟數(shù)控：Soft CNC 以PC機為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要決實時性的問題

10、。通過接口卡對伺服驅(qū)動進行控制，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標軸電機。全方位開放。 PC內(nèi)嵌入運動控制卡:把多軸運動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，實現(xiàn)以坐標軸運動為主的實時控制（作為數(shù)控功能運行）。PC作為人機接口平臺。易實現(xiàn)，研究單位和高校。開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式 PC內(nèi)嵌入專用數(shù)控模塊：專業(yè)廠家認為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性，PC的死機現(xiàn)象是不允許的。已生產(chǎn)的大量CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可靠性不利。故采?。涸黾右粔KPC板，提供鍵盤，使PC與CNC聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_放，提高人機界面的功能。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）現(xiàn)在都這樣

11、做。3、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的軟件o由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成3、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的軟件輸入程序 把加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)輸入到CNC裝置中。譯碼程序 將程序段中的工件輪廓信息、進給速度等工藝信息和輔助信息翻譯成計算機識別的數(shù)據(jù)形式，并按一定格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。翻譯過程中對程序段進行語法錯誤檢查和邏輯錯誤檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。3、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)處理程序 刀具半徑和長度補償、速度處理、輔助功能等處理3、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的軟件o刀具半徑補償?shù)毒甙霃窖a償?shù)堆a處理的主要工作：l根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標值。l根據(jù)R和G41/42，

12、計算本段刀具中心軌跡的終點坐標值。l根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進行段間連接處理。3、CNC系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的軟件刀具半徑補償?shù)姆椒ǖ毒甙霃窖a償?shù)姆椒?lB刀補 對加工輪廓的連接都是以圓弧進行的。 lC刀補 采用直線作為輪廓之間的過渡，因此，它的尖角性好，并且它可自動預報(在內(nèi)輪廓加工時) 過切，以避免產(chǎn)生過切。速度處理速度處理 加工程序給定的進給速度是合成速度，無法直接控制。速度處理要做的工作是根據(jù)合成速度來計算各運動坐標的分速度。l開環(huán)系統(tǒng):通過控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)。速度計算的方法是根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。l半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng):采用數(shù)據(jù)采樣方法進行插補加工，速度計算是根據(jù)程編的F值，將輪廓曲線分割