第四章數(shù)控裝置

1、第四章第四章 數(shù)控裝置數(shù)控裝置 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 一、數(shù)控裝置的作用 數(shù)控裝置的主要作用是，讀入數(shù)控加工程序，將其轉(zhuǎn)換成控制機床運動和輔助功能要求的格式，分別送給進給電機控制單元、主軸電機控制單元和PLC，具有內(nèi)置PLC功能的數(shù)控裝置本身具有邏輯量解算功能，直接將解算結(jié)果送給機床強電控制系統(tǒng)。具有閉環(huán)控制功能的數(shù)控系統(tǒng)還會讀入機床位置檢測裝置發(fā)出的實際位置信號，與指令位置比較后，用其差值控制機床的移動，可以獲得較高的位置控制精度。返回課件首頁 二、數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面 硬件 軟件 圖4-1 幾種典型的軟硬件界面的劃分程序輸入數(shù)據(jù)處理插補位控速控伺服電機測量 軟硬件功能界面問題：

2、哪些功能由軟件來實現(xiàn)，哪些功能由硬件來實現(xiàn)，或怎樣確定軟件和硬件在數(shù)控裝置中所承擔的任務(wù)。 四種功能界面的劃分，代表了不同時期的數(shù)控裝置產(chǎn)品。數(shù)控裝置發(fā)展的趨勢是軟件承擔的任務(wù)越來越多。這主要是由于計算機的運算處理能力不斷增強，使軟件運行的速度大大提高的結(jié)果。這種趨勢并不是一成不變的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，硬件的成本也在不斷降低，如果硬件的制造可以做到象軟件一樣靈活，能夠根據(jù)特殊需求，專門制做的時候，硬件所擔負的功能還會逐步增加。 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 一、由單片機組成的數(shù)控裝置圖4-2 用80C31單片機組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖 二、單微處理機數(shù)控裝置 圖4

3、-3 單微處理機數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖CPU紙帶機接口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4-4 數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）三、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控裝置圖4-5 基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)控裝置各功能模塊間的通訊是按照SERCOS（Serial Communication System）協(xié)議進行的。圖4-7表示了SERCOS協(xié)議通訊的原理。由一個控制器和若干個伺服驅(qū)動器構(gòu)成通訊回路。通訊以循環(huán)方式進行，每個循環(huán)的時間可設(shè)定為62s、125s、25

4、0s或其整數(shù)倍。循環(huán)時間的長短以保證控制器和伺服驅(qū)動器間的同步通訊為前提。圖中的Master表示運動控制器，Slave i表示連接在控制環(huán)路中的第i個伺服驅(qū)動器，MST表示同步信息，ATi表示第i個伺服驅(qū)動器發(fā)送的數(shù)據(jù)，MDT為控制器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。 驅(qū)動器數(shù)/光纖環(huán) 42 21246通訊周期圖4-6每個光纖環(huán)路能控制的驅(qū)動器個數(shù)66 圖4-7 SERCOS通訊原理 控制器和伺服驅(qū)動器間的通訊包括三種情況： 1控制器發(fā)出同步信息，各伺服驅(qū)動器以此同步信息為保證同步通訊的時間基準； 2控制器向環(huán)路中的所有伺服驅(qū)動器發(fā)送同步數(shù)據(jù)（Cycle Data）和伺服數(shù)據(jù)（Serve Data）； 3伺

5、服驅(qū)動器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的時間槽（Time Slots）。通訊按照NRZI編碼的HDLC協(xié)議進行。 第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控軟件數(shù)控軟件 一、數(shù)控軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 圖4-8 數(shù)控裝置軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 加工程序譯碼刀補處理速 度 控制插 補 處理位置控制伺 服 驅(qū)動P L C 控制位 置 反饋譯碼緩沖區(qū)刀補緩沖區(qū)運行緩沖區(qū) （一）譯碼 譯碼就是把用ASC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 M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.； 高4位 低4位 說 明 1

6、3G 0323M 03100X值 50Y值 0Z值 0I值 50J值 0K值 100F值 圖4-9 不按字符格式的譯碼數(shù)據(jù)存放格式 2保留字符格式的存放方法 Struct PROG_BUFFERchar buf_state； /0：空， 1：有數(shù)據(jù) int block_num； /程序段號 double COORD20； /尺寸字的數(shù)值，單位為m int F，S； /進給速度和主軸速度 char G_flag； /以標志形式存放的G指令 char G1； /G指令表 . char M_flag； /以標志形式存放的M指令 char M1； /M指令表 . char T； /刀具代號 char

7、D； /刀具半徑值 ； （二）刀補刀補處理程序主要進行以下幾項工作： 1計算本段零件輪廓的終點坐標值； 2根據(jù)刀具的半徑值和刀具補償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置； 3根據(jù)本段和下一段的轉(zhuǎn)接關(guān)系進行段間處理。 （三）速度預處理速度預處理程序主要完成以下幾步計算： 1計算本程序段總位移量 2計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量 L=Ft/60（m） 式中，F(xiàn) 進給速度值（mm/min）； t 數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）。 （四）插補處理 1根據(jù)速度倍率值計算本次插補周期的實際合成位移量； 2計算新的坐標位置； 3將合成位移分解到各個坐標方向，得到各個坐標軸的位置控制指令。 插補程序的實時性 （

8、五）位置控制圖4-10 位置控制算法原理指令位置+插補輸出+x2，y2-位控輸出x3，y3+X2新，Y2新實 際 位 置 增量x1，y1實際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊X1舊，Y1舊+-1計算新的指令坐標位置 X2新 = X2舊 + x2 Y2新 = Y2舊 + y22計算實際坐標位置 X1新 = X1舊 + x1 Y1新 = Y1舊 + y13計算位置控制輸出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是強實時性任務(wù)，所有計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周期，也可以是插補周期的整數(shù)分之一。 二、數(shù)控軟件的特點 （一）多任務(wù)與并行處理技

9、術(shù) 1數(shù)控裝置的多任務(wù)性 圖4-11 數(shù)控裝置的任務(wù) 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償譯碼插補位置控制 這些任務(wù)中有些可以順序執(zhí)行，有些必須同時執(zhí)行，如： （1）顯示和控制任務(wù)必須同時執(zhí)行，以便操作人員及時了解機床運行狀態(tài)； （2）在加工過程中，為使加工過程連續(xù)，譯碼、刀補、插補和位置控制?？煲脖仨毻瑫r進行。 2多任務(wù)并行處理的實現(xiàn) （1）資源分時共享圖4-12 分時共享多任務(wù)處理方案優(yōu)先級順序顯示其它譯碼I/O刀補位置控制插補運算背景程序背 景 程序初始化圖4-13 各任務(wù)占用CPU時間示意圖 0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算背景程序 （2）時間重

10、疊流水處理 圖4-14 時間重疊流水處理示意圖12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時間t1t2t3t4t5t6時間a）順序處理b）并行處理空 間N3N2N1空間N2N1輸出輸出 三、數(shù)控軟件的基本結(jié)構(gòu) （一）前后臺型結(jié)構(gòu)模式 圖4-15 前后臺程序的運行關(guān)系 故障處理；位置控制；插補運算；譯碼；刀補；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺程序前臺程序中斷執(zhí)行 （二）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) 初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0 級 中斷服務(wù)程序1 級 中斷服務(wù)程序2 級 中斷服務(wù)程序N級中斷

11、服務(wù)程序 第四節(jié) 數(shù)控裝置的輸入/輸出接口 一、接口標準化 二、接口的任務(wù) 1進行電平和功率放大。 2將數(shù)控裝置和機床之間的信號在電氣上加以隔離。 3數(shù)/模（D/A）或模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路?？顾p和畸變。 主軸驅(qū)動電機數(shù)控裝置接口分類 電機速度控制進給主軸驅(qū)動機床坐標軸進給電機操作面板限位開關(guān)機電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉(zhuǎn)臺，換刀裝置等）輔助電機機床控制設(shè)備控制裝置電源控制（變壓器，保護裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳 感 器 激 勵位置指示電源連鎖停止命令開/關(guān)指令信號 三、常用的輸入輸出接口 1.直流模擬信號接口 a)單極性輸出 b)雙極性輸出圖4-18 A

12、D7520電壓輸出電路 +5V +5V 22k 2.2k 100 0.1u 47u 100 a)斯密特觸發(fā)電路 b) RS觸發(fā)器整形電路圖4-20 消除觸點抖動的電路斯密特觸發(fā)器CNC接收器+5V電平轉(zhuǎn)換電路以電壓輸入的接收電路見圖4-21。 MT 電壓 輸入 接收器 +5V 圖4-21 電壓輸入的接收電路 +24V +24V 輸出 CNC a)繼電器輸出 b)無觸點輸出圖4-22 輸出接口電路CNCCNC3、數(shù)控裝置的通信接口輸入文件名初始化8250輸入文件名輸入文件名字符？DC1？DC3？結(jié)束？結(jié)束第五節(jié)第五節(jié) PLCPLC控制控制一、PLC的基本概念1RLC與PLC CW T1 Stop

13、 T1 CCW T2 T2 圖4-24 實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)及停止控制的繼電器邏輯電路 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller-PLC）來實現(xiàn)開關(guān)量及其邏輯關(guān)系的控制。PLC是由計算機簡化而來的，為了適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計算機的一些數(shù)字運算功能，強化了邏輯運算功能，是一種介于繼電器控制和計算機控制之間的自動控制裝置。PLC的最大特點是，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，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，能實現(xiàn)復雜的控制邏輯。由于減少了硬件線路，控制

14、系統(tǒng)的可靠性大大提高。 2數(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和獨立型PLC。內(nèi)裝型PLC是指PLC包含在數(shù)控裝置當中，PLC與數(shù)控功能模塊間的信號傳送在數(shù)控裝置內(nèi)部實現(xiàn)，PLC與機床間的信號傳送則通過輸入/輸出接口電路實現(xiàn)，如圖4-25所示。圖4-25 內(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)圖NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強電電路機 床 操 作 面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作 獨立型PLC又稱通用型PLC，它的CPU、系統(tǒng)程序、用戶程序、輸入/輸出電路、通訊等均設(shè)計成獨立的模塊。獨立型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系如圖4-26 圖4-26 獨立型PLC結(jié)構(gòu)圖

15、 NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路 二、PLC編程的基本方法 由于PLC的硬件結(jié)構(gòu)不同，功能也不盡相同，程序的表達方法也不同。可編程序邏輯控制器的常用編程方法有接點梯形圖法和語句表法。 1接點梯形圖 梯形圖（LCLadder Diagram）編程是一種圖形編程方法，由于用了電路元件符號來表示控制任務(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。前面提到的電機正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序如圖4-27所示。 R1 支路1 1.0 A E 梯級1 支路2 120.1 1.2 120

16、.1 支路3 1 .1 B E R2 梯 級2 1.2 120.2 支路4 120.2 電力軌 電力軌圖4-27 電機正反轉(zhuǎn)控制的接點梯形圖 2語句表 語句表也稱指令表（ILInstruction List），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操作碼部分和一個操作數(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為：RD A 1.0OR R1 120.1AND，NOT E 1.2WRT R1 120.1RD B 1.1OR R2 120.2AND，NOT E 1.2WRT R2 120.2 其中

17、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，有時先用梯形圖表達，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。序 號 指 令 處 理 內(nèi) 容 1RD讀 出 給 定 信 號 的 狀 態(tài) 2RD.NOT讀 出 給 定 信 號 的 非 狀 態(tài) 3W R T將 運 算 結(jié) 果 寫 入 指 定 的 地 址 單 元 4W R T.NOT將 運 算 結(jié) 果 的 非 狀 態(tài) 寫 入 指 定 的 地 址 單 元 5AND執(zhí) 行 邏 輯 與 6AND.NOT以 指 定 的 地 址

18、 信 號 的 非 狀 態(tài) 執(zhí) 行 邏 輯 與 7OR執(zhí) 行 邏 輯 或 8OR.NOT以 指 定 的 地 址 信 號 的 非 狀 態(tài) 執(zhí) 行 邏 輯 或 9RD.STKST0內(nèi) 容 左 移 ,并 將 指 定 地 址 信 號 寫 入ST010RD.NOT.STKST0內(nèi) 容 左 移 ,并 將 指 定 地 址 的 非 信 號 信 號 寫 入ST011AND.STK將ST0和ST1的 內(nèi) 容 相 與 ,結(jié) 果 存 于ST012OR.STK將ST0和ST1的 內(nèi) 容 相 或 ,結(jié) 果 存 于ST0 三、PLC的工作過程 1PLC的硬件結(jié)構(gòu) 圖4-28 PLC硬件原理圖CPURAMEPROM用戶程序EP

19、ROM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 2PLC的工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運行軟件的過程。 0000H 圖4-29 PLC的掃描過程輸入/輸出狀態(tài)采集解算梯形圖掃描I/O口，更新輸出狀態(tài)掃描編程器更新顯示強行I/O操作用戶程序通過編程器順序輸入到用戶存儲器內(nèi)，CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行。這是PLC的基本工作方式。圖4-29給出了GE系列PLC的CPU掃描過程。只要PLC接通電源，CPU就對用戶存儲器的程序進行掃描。掃描從0000H地址所存儲的第一條用戶程序開始，順序進行，直到存儲器結(jié)尾或用戶程序的最后一個地址為止，形成一個掃描循環(huán)，周而復始。每掃描一次，CPU進行輸入點的狀態(tài)采集、用戶程序的邏輯解算、