數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1、第二講數(shù)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)由基本硬件與控制軟件組成。目前各數(shù)控廠家的產(chǎn)品可以歸納為兩種風(fēng)格：一種是采用專(zhuān)用硬件，其控制軟件簡(jiǎn)單；另一種是采用通用硬件，其控制軟件復(fù)雜。一、基本硬件構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)（CNC）基本硬件通常由微機(jī)基本系統(tǒng)、人機(jī)界面接口、通信接口、進(jìn)給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功能控制接口等部分組成，如圖21所示。圖21 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖FANUC0i數(shù)控裝置構(gòu)成框圖如圖22所示。FANUC3MA數(shù)控裝置構(gòu)成框圖如圖23所示。圖22 FANUC 0i數(shù)控裝置構(gòu)成框圖、微機(jī)基本系統(tǒng)通常微機(jī)基本系統(tǒng)是由CPU、存儲(chǔ)器（EPROM、RAM）、定時(shí)器、中斷控制器等幾個(gè)主要部分

2、組成。1、CPUCPU是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，常見(jiàn)的中低檔數(shù)控系統(tǒng)基本上采用8位或16位CPU，如80888086、8031等。隨著CPU系統(tǒng)向高精度方向發(fā)展，要求其最小設(shè)定單位越來(lái)越小，同時(shí)又要求CPU系統(tǒng)能滿足大型機(jī)床的需要，當(dāng)最小設(shè)定單位是1m時(shí)，16位二進(jìn)制數(shù)所表示的最大坐標(biāo)為32.76732.767mm，這顯然是不夠的，而采用32位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，最大坐標(biāo)范圍約為20002000m，因此數(shù)控系統(tǒng)一般采用24位二進(jìn)制數(shù)，其坐標(biāo)范圍為8388.6078388.607mm。因此選用8位CPU就需要三個(gè)或四個(gè)字節(jié)運(yùn)算，這就嚴(yán)重影響了運(yùn)算速度，當(dāng)最小設(shè)定單位為0.1m時(shí)，這個(gè)問(wèn)題將更加嚴(yán)重。因此現(xiàn)代

3、數(shù)控系統(tǒng)大多采用16位或32位的CPU，以滿足其性能指標(biāo)，如采用8位CPU，則為多CPU結(jié)構(gòu)。例如FANUC 15、SIEMENS 840、FAGOR 8050等系統(tǒng)均為32位CPU，而FAGOR 8025系統(tǒng)則采用8位多CPU結(jié)構(gòu)。2、EPROMEPROM用于固化系統(tǒng)控制軟件，數(shù)控系統(tǒng)的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。在數(shù)控系統(tǒng)中，硬軟件有密切的關(guān)系，由于軟件的執(zhí)行速度較硬件慢，當(dāng)CPU功能較弱時(shí)，則需要專(zhuān)用硬件解決問(wèn)題或采用多CPU結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化與通用化總線結(jié)構(gòu)，因此不同的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可以采用基本相同的硬件結(jié)構(gòu)，并且系統(tǒng)的改進(jìn)與擴(kuò)展十分方便。在硬件相對(duì)不

4、變的情況下，軟件仍有相當(dāng)大的靈活性。擴(kuò)充軟件就可以擴(kuò)展CNC的功能，而且軟件的這種靈活性有時(shí)會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能產(chǎn)生極大的影響。在國(guó)外，軟件的成本甚至超過(guò)硬件。例如FANUC 3T與3M的差別僅在EPROM中的軟件，F(xiàn)ANUC 3M二軸半聯(lián)動(dòng)變?yōu)槿S聯(lián)動(dòng)也僅需要更換EPROM中的軟件。圖23 FANUC 3MA數(shù)控裝置構(gòu)成框圖3、RAMRAM中存放可能改寫(xiě)的信息，在圖24中，除中斷堆棧存放區(qū)和控制軟件（系統(tǒng)）數(shù)據(jù)暫存區(qū)外，均有后備電池掉電保護(hù)功能，即當(dāng)電源消失后，由電池來(lái)維持RAM芯片電壓，以保持其中信息，其原理示意如圖25所示?，F(xiàn)在大量使用的CMOS半導(dǎo)體RAM芯片如62648（8K），622

5、56（32K），628128（128K），其維持功耗很低。如日立HM628128芯片，其電源電壓大于2V即可維持信息不丟失，并且維持電流小于lA左右，這就大大延長(zhǎng)了電池的使用壽命。圖24數(shù)控系統(tǒng)RAM區(qū)分配示意圖圖25 RMA芯片掉電保護(hù)示意圖4、定時(shí)器與中斷控制器定時(shí)器與中斷控制器用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)控制與多級(jí)中斷管理。、接口1、人機(jī)界面接口數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面包括以下四部分：鍵盤(pán)（MDI）：用于加工程序的編制以及參數(shù)的輸入等。顯示器（CRT）：用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。操作面板（OPERATOR PANEL）：用于對(duì)機(jī)床進(jìn)行操作。圖26 手搖脈沖發(fā)生器手搖脈沖發(fā)生器(MPG)：用于手

6、動(dòng)控制機(jī)床坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似普通機(jī)床的搖手柄（圖26）。（1）鍵盤(pán)在數(shù)控系統(tǒng)中亦稱(chēng)為MDI（Manual Data Input）面板或數(shù)控面板，它由英文字母鍵、功能鍵、數(shù)字鍵等組成，用于編制加工程序、修改參數(shù)等。鍵盤(pán)的接口比較簡(jiǎn)單，與通常的計(jì)算機(jī)一樣大多采用掃描矩陣原理。FANUC 0-TD的數(shù)控面板如圖27所示。（2）數(shù)控系統(tǒng)處于不同的操作功能時(shí)，顯示器所顯示的內(nèi)容是不同的。在編程時(shí)，其顯示的是被編輯的加工程序，而加工時(shí)，則顯示當(dāng)前各坐標(biāo)軸的坐標(biāo)位置和機(jī)床的狀態(tài)信息。有些數(shù)控系統(tǒng)還具有圖形模擬功能，這時(shí)顯示器則顯示模擬加工過(guò)程的刀具走刀路徑，可以檢查加工程序的正確與否。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已大量采用

7、高分辨率彩色顯示器或液晶顯示器，顯示的圖形也由二維平面圖形變?yōu)槿S動(dòng)態(tài)圖形；（3）操作面板又稱(chēng)機(jī)床操作面板，不同的數(shù)控機(jī)床由于其所需的動(dòng)作不同，所配操作面板也是不同的。操作面板主要用于手動(dòng)方式下對(duì)機(jī)床的操作以及自動(dòng)方式下對(duì)運(yùn)動(dòng)的操作或干涉。FANUC 0-TD的機(jī)床操作面板如圖28所示。圖27FANUC 0-TD的數(shù)控面板圖28FANUC 0-TD的機(jī)床操作面板2、通信接口通常數(shù)控系統(tǒng)均具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口，因此與外設(shè)以及上級(jí)計(jì)算機(jī)的連接很方便。高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有RS485、MAP以及其它各種網(wǎng)絡(luò)接口，從而能夠?qū)崿F(xiàn)柔性生產(chǎn)線FMS以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS。3、進(jìn)給軸的位置控制

8、接口實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的位置控制包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一是進(jìn)給速度的控制，二是插補(bǔ)運(yùn)算，三是位置閉環(huán)控制。插補(bǔ)方法有基準(zhǔn)脈沖法與采樣數(shù)據(jù)法?；鶞?zhǔn)脈沖法就是CNC系統(tǒng)每次插補(bǔ)以脈沖的形式提供給位置控制單元，這種插補(bǔ)方法的進(jìn)給速度與控制精度較低，主要用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。而采樣數(shù)據(jù)法計(jì)算出給定時(shí)間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的位置增量，同時(shí)接收機(jī)床的實(shí)際位置反饋，根據(jù)插補(bǔ)所得到的命令位置與反饋位置的差來(lái)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，因此采樣數(shù)據(jù)法可以根據(jù)進(jìn)給速度的大小來(lái)計(jì)算一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的位置增量。只要CPU的運(yùn)算速度較快，給定時(shí)間間隔選擇得較小，就可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制。進(jìn)給軸位置控制接口包括模擬量輸出接口和位置反饋計(jì)數(shù)接口。模擬

9、量輸出接口采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC（一般為十二位至十六位），輸出模擬電壓的范圍為1010V，用以控制速度伺服單元。模擬電壓的正負(fù)和大小分別決定了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。位置反饋計(jì)數(shù)接口能檢測(cè)并記錄位置反饋元件（如光電編碼器）所發(fā)回的信號(hào)，從而得到進(jìn)給軸的實(shí)際位置。此接口還具有失線檢測(cè)功能，任意一根反饋信號(hào)的線斷了都會(huì)引起失線報(bào)警。在進(jìn)行位置控制的同時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)還進(jìn)行自動(dòng)升降速處理，即當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)、停止或在加工過(guò)程中改變進(jìn)給速度時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行線性規(guī)律或指數(shù)規(guī)律的速度升降處理。對(duì)于一般機(jī)床可采用較為簡(jiǎn)單的直線線性升降速處理，對(duì)于重型機(jī)床則需使用指數(shù)升降速處理，以便使速度變化平滑。4、主軸控制接口主

10、軸S功能可分為無(wú)級(jí)變速、有級(jí)變速和分段無(wú)級(jí)變速三大類(lèi)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床配有主軸驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，可利用系統(tǒng)的主軸控制接口輸出模擬量進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，否則需要S、M、T接口實(shí)現(xiàn)有級(jí)變速。為提高低速輸出轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床多采用分段無(wú)級(jí)變速，這可以利用輔助功能M41M44和主軸模擬量控制配合完成。主軸的位置反饋主要用于螺紋切削功能、主軸準(zhǔn)停功能以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。圖29 FANUC 0i系列各組成單元的構(gòu)成5、MST控制接口數(shù)控系統(tǒng)的MST功能是通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口完成（除S模擬量輸出外）。數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的MST功能，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出接口送至強(qiáng)電箱，而機(jī)床與強(qiáng)電箱的信號(hào)則通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入接口送至數(shù)控系統(tǒng)。MST功能

11、的開(kāi)關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)床中一般采用可編程控制器（PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)MST功能。FANUC 0i系列各組成單元的構(gòu)成如圖29所示。二、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能與結(jié)構(gòu)、控制軟件的結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件常采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)，另一種是中斷型結(jié)構(gòu)。對(duì)于前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)，其軟件可劃分為兩類(lèi)，一類(lèi)是與機(jī)床控制直接相關(guān)的實(shí)時(shí)控制部分，其構(gòu)成了前臺(tái)程序。前臺(tái)程序又稱(chēng)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，它是以一定周期定時(shí)發(fā)生的，中斷周期一般小于10ms。另一類(lèi)是循環(huán)執(zhí)行的主程序，稱(chēng)為后臺(tái)程序，后臺(tái)程序又稱(chēng)背景程序。前后臺(tái)程序的結(jié)合構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件。在前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)中，后臺(tái)程序完成協(xié)調(diào)管理、數(shù)據(jù)譯碼、預(yù)計(jì)

12、算數(shù)據(jù)以及顯示坐標(biāo)等無(wú)實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)。而前臺(tái)程序完成機(jī)床監(jiān)控、操作面板狀態(tài)掃描、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制以及PLC可編程控制器功能等實(shí)時(shí)控制。前后臺(tái)軟件的同步與協(xié)調(diào)以及前后臺(tái)軟件中各功能模塊之間的同步，通過(guò)設(shè)置各種標(biāo)志位來(lái)進(jìn)行。由于每次中斷發(fā)生，前臺(tái)程序響應(yīng)的途徑不同，因此執(zhí)行時(shí)間也不同，但最大執(zhí)行時(shí)間必須小于中斷周期，而兩次中斷之間的時(shí)間正是用來(lái)執(zhí)行背景主程序的。除初始化程序之外，各功能模塊安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中無(wú)前后臺(tái)之分，只有級(jí)別的差別。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)常用的操作功能，其軟件一般分為各功能模塊。、數(shù)控系統(tǒng)的功能1、系統(tǒng)管理功能用于系統(tǒng)各功能模塊的管理與調(diào)度。2、加工程序的管理與編輯數(shù)控系

13、統(tǒng)RAM區(qū)中存有所有加工程序的目錄，每個(gè)目錄項(xiàng)包括程序名、起址、終址、字節(jié)數(shù)等信息。通過(guò)目錄區(qū)可以對(duì)加工程序進(jìn)行管理?？梢詫?duì)零件加工程序進(jìn)行刪除、更名、復(fù)制、編輯等操作。在編輯時(shí)如果對(duì)某些數(shù)控指令的含義不清楚，還可以利用系統(tǒng)的提示與幫助功能。3、參數(shù)設(shè)置在參數(shù)設(shè)置模塊中，可以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。數(shù)控系統(tǒng)中大致有四類(lèi)參數(shù)。（1）刀具參數(shù)數(shù)控系統(tǒng)具有刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償與半徑補(bǔ)償功能。以數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)為例，其刀具參數(shù)表如圖210所示。其中：X值為刀具沿X軸的長(zhǎng)度偏置；Z值為刀具沿Z軸的長(zhǎng)度偏置；T值為刀尖的補(bǔ)償方向，代碼（09）；R值為刀具的刀尖圓弧半徑。（2）G53G59參數(shù)G53G59在數(shù)控編程中用于坐

14、標(biāo)系的零點(diǎn)偏置，其偏置值相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)。其參數(shù)表如圖211所示。圖210 刀具參數(shù)表圖211 G53G59坐標(biāo)參數(shù)表（3）絲杠的間隙與螺距誤差表在半閉環(huán)與開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，傳動(dòng)鏈的間隙直接影響加工精度，因此須測(cè)量出各軸的傳動(dòng)間隙，并置入數(shù)控系統(tǒng)，由系統(tǒng)對(duì)間隙進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。此外，數(shù)控系統(tǒng)可對(duì)絲杠全行程上的螺距誤差進(jìn)行補(bǔ)償，螺距誤差補(bǔ)償表如圖212所示，X為相對(duì)機(jī)床零點(diǎn)的坐標(biāo)值，X為相應(yīng)點(diǎn)的誤差。該表中的誤差值可由激光干涉儀測(cè)出，該坐標(biāo)軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)按表中的誤差值自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。由于機(jī)床參考點(diǎn)是系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后尋找的坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此在機(jī)床參考點(diǎn)上誤差為零。圖213為X軸螺距誤差曲線。（4

15、）系統(tǒng)控制參數(shù)系統(tǒng)控制參數(shù)涉及的范圍很廣，當(dāng)配接不同的機(jī)床時(shí)，系統(tǒng)控制參數(shù)要做相應(yīng)的改變。如圖214所示，其數(shù)據(jù)為8位二進(jìn)制數(shù)。圖214 8位二進(jìn)制系統(tǒng)控制參數(shù)4、手動(dòng)操作與調(diào)整（1）坐標(biāo)軸的移動(dòng)控制坐標(biāo)軸的移動(dòng)控制有三種方式：連續(xù)移動(dòng)例如，按下操作面板上的+X，X坐標(biāo)則朝正方向連續(xù)移動(dòng)，直至松開(kāi)+X。移動(dòng)的速度由F指令和速度倍率開(kāi)關(guān)控制，如F1000mmmin，倍率為50，則移動(dòng)速度為500mmrain。點(diǎn)動(dòng)按一下操作面板上的軸移動(dòng)按鈕，相應(yīng)軸則移動(dòng)一個(gè)固定的點(diǎn)動(dòng)量，一般選擇 為1、10、100或1000m。手搖脈沖發(fā)生器移動(dòng)首先選擇要移動(dòng)的軸，然后系統(tǒng)即可根據(jù)手搖脈沖發(fā)生器的移動(dòng)方向和發(fā)出

16、的脈沖個(gè)數(shù)控制相應(yīng)軸的移動(dòng)?？蛇x擇手搖脈沖發(fā)生器一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的機(jī)床移動(dòng)量為l、10、100或1000m。（2）手動(dòng)MST功能的控制在手動(dòng)調(diào)整中，可以單獨(dú)指定執(zhí)行某一M、S、T功能，M、S、T功能在數(shù)控機(jī)床中是由繼電器網(wǎng)絡(luò)或PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)的。（3）機(jī)床坐標(biāo)系的建立與返回參考點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)的許多功能，如軟極限行程保護(hù)（或稱(chēng)存儲(chǔ)行程極限）、螺距誤差補(bǔ)償、G53G59零點(diǎn)偏置、換刀點(diǎn)等，都是定義在機(jī)床坐標(biāo)系下的，因此對(duì)機(jī)床零點(diǎn)（機(jī)床參考點(diǎn)）的精度要求很高。機(jī)床坐標(biāo)系是通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行返回參考點(diǎn)來(lái)建立的，在參數(shù)區(qū)中可以設(shè)置每個(gè)軸機(jī)床零點(diǎn)與參考點(diǎn)的位置。因此，采用增量式位置編碼器的數(shù)控機(jī)床，開(kāi)機(jī)后應(yīng)首先

17、執(zhí)行返回參考點(diǎn)的動(dòng)作，從而建立機(jī)床坐標(biāo)系。而采用絕對(duì)式位置編碼器的機(jī)床，機(jī)床參考點(diǎn)一次性調(diào)整好后，每次開(kāi)機(jī)不需要進(jìn)行回參考點(diǎn)的操作。5、零件的自動(dòng)加工通過(guò)鍵盤(pán)和通信接口將準(zhǔn)備好的零件加工程序送入數(shù)控系統(tǒng)，然后就可啟動(dòng)零件的自動(dòng)加工功能，該功能是數(shù)控系統(tǒng)的核心。零件自動(dòng)加工的控制流程如圖2-15所示。用戶輸入的數(shù)控加工程序存在內(nèi)存RAM中，其格式是自由的，字符也是按ASC'碼或者EIA碼存放的，因此必須將它們進(jìn)行整理和分類(lèi)，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部約定的格式，對(duì)數(shù)據(jù)則要進(jìn)行分析與解釋。在此過(guò)程中，信息量無(wú)任何增加或減少，這是系統(tǒng)控制程序內(nèi)部格式的需要。分析與解釋后，加工程序中的M、S、T功能由系

18、統(tǒng)傳至PLC可編程控制器，由PLC完成其控制，其實(shí)現(xiàn)方法與手動(dòng)調(diào)整中相同。對(duì)運(yùn)動(dòng)功能，則需對(duì)加工軌跡進(jìn)行刀具長(zhǎng)度與半徑補(bǔ)償，補(bǔ)償后的刀具中心軌跡經(jīng)過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償，即可得到每個(gè)控制周期各軸的進(jìn)給量，位置控制軟件根據(jù)此進(jìn)給量來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給，從而完成加工任務(wù)。零件的自動(dòng)加工可分為連續(xù)運(yùn)行和單段運(yùn)行，其差別在于：?jiǎn)味芜\(yùn)行方式中數(shù)控系統(tǒng)每次僅執(zhí)行一個(gè)程序段，必須再次按循環(huán)啟動(dòng)鍵后，才能執(zhí)行下一個(gè)程序段，而在連續(xù)運(yùn)行方式中程序是連續(xù)執(zhí)行的。6、空運(yùn)行與加工圖形模擬該功能用于驗(yàn)證加工程序的正確性?？者\(yùn)行時(shí)數(shù)控系統(tǒng)可以有幾種執(zhí)行方式：（1）只執(zhí)行加工程序的G功能；（2）系統(tǒng)完整地執(zhí)行程序，但以最大進(jìn)給率快速移動(dòng)坐標(biāo)軸；（3）系統(tǒng)完整地執(zhí)行程序，但不移動(dòng)坐標(biāo)軸，也不考慮刀具補(bǔ)償。數(shù)控系統(tǒng)的圖形模擬功能可將刀具的運(yùn)行軌跡在顯示器上顯示出來(lái)，直觀地檢查程序。7、數(shù)控系統(tǒng)