數(shù)控系統(tǒng)的組成課件

1、第5章 數(shù)控系統(tǒng)的組成 5.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 5.2 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng) 5.3 數(shù)控系統(tǒng)中的通信接口 5.4 FANUC數(shù)控系統(tǒng) 5.5 Siemens數(shù)控系統(tǒng) 5.6 開放式數(shù)控系統(tǒng) 思考與練習(xí) 5.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 5.1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的組成 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合不同，功能有所區(qū)別， 但其總體結(jié)構(gòu)大致相同。圖5-1所示為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)， 主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成： 圖 5-1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu) （1） 微機(jī): 主要包括CPU、 EPROM、 RAM、 IO接口等電路。 （2） 驅(qū)動(dòng): 由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為功率式步

2、進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 （3） 開關(guān)量控制電路: 負(fù)責(zé)機(jī)床側(cè)I/O開關(guān)及機(jī)床操作面板與微機(jī)的連接，涉及到M、T、S指令的執(zhí)行。 （4） 主軸控制：由主軸電動(dòng)機(jī)及主軸驅(qū)動(dòng)裝置組成。 （5） 通信接口: 一般指RS232C接口，完成數(shù)控系統(tǒng)與微機(jī)的通信。 （6） 軟件系統(tǒng): 由系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件構(gòu)成。 5.1.2 微機(jī)系統(tǒng)1. 微機(jī)機(jī)型的選取經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)常采用單片機(jī)為主控微機(jī)，如Intel公司的8031、8098等。就當(dāng)前情況來看，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選擇8098較為經(jīng)濟(jì)合理，因其運(yùn)算速度是8031的56倍。但8031位處理功能很強(qiáng)，很適合于開關(guān)量控制。 2. 存儲(chǔ)器的擴(kuò)充存儲(chǔ)器可分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器，一般

3、程序存儲(chǔ)器主要存放系統(tǒng)的監(jiān)控程序與控制程序，用戶無需修改，常采用EPROM存儲(chǔ)器， 如2764或27256等芯片。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存放用戶程序、中間參數(shù)、運(yùn)算結(jié)果等，常采用6264或62256等芯片。 3. IO接口電路常用并行接口芯片8255A來擴(kuò)展系統(tǒng)IO口的點(diǎn)數(shù)，用8279來控制鍵盤顯示，至于定時(shí)/計(jì)數(shù)器與中斷系統(tǒng)，一般由單片機(jī)本身的資源提供。 4. 輔助電路輔助電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路、譯碼電路、復(fù)位電路等。 驅(qū)動(dòng)電路主要采用單向驅(qū)動(dòng)芯片244與雙向驅(qū)動(dòng)芯片245；譯碼電路主要包括三八譯碼器138；復(fù)位電路主要有上電復(fù)位與按鈕復(fù)位或二者的組合復(fù)位電路。 5.1.3 外圍電路1. IO通道IO

4、通道要充分考慮電平匹配、緩沖/鎖存及信號(hào)隔離等因素，以防止信號(hào)的丟失及干擾的引入。一般對(duì)信號(hào)的隔離常采用光電隔離，該隔離方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低而且信號(hào)隔離也較為可靠，圖5-2和圖5-3所示為常用的帶光電隔離的輸入電路與輸出電路。 圖 5-2 開關(guān)量輸入電路(a) 弱電接點(diǎn)輸入電路; (b) 強(qiáng)電接點(diǎn)輸入電路 圖 5-3 開關(guān)量輸出電路 (a) 繼電器輸出; (b) 大功率晶體管或雙向晶閘管輸出 2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要有高低壓驅(qū)動(dòng)、 恒流斬波驅(qū)動(dòng)等形式。 3. 主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)有直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)中的微機(jī)根據(jù)數(shù)控程序中的S指令，求出主軸轉(zhuǎn)速給定值，并將給定值傳送

5、給主軸驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)采用交流變頻方式時(shí)，頻率給定主要有兩種方式，一種為模擬量給定，另一種為數(shù)字量給定。當(dāng)用模擬量給定轉(zhuǎn)速時(shí)，可將微機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)DA轉(zhuǎn)換、隔離及放大濾波后送到變頻器；當(dāng)用數(shù)字量給定轉(zhuǎn)速時(shí)，可直接經(jīng)8255A輸出， 經(jīng)隔離后送至變頻器。 5.1.4 軟件結(jié)構(gòu)1. 輸入數(shù)據(jù)處理程序 (1) 輸入: 主要是指由用戶從操作面板上輸入控制參數(shù)、 補(bǔ)償數(shù)據(jù)及加工程序，一般均采用鍵盤直接輸入，故軟件的作用主要是字符的讀取與存放。 (2) 譯碼: 在輸入的加工程序中，含有零件的輪廓信息、 要求的加工速度及一些輔助信息(如主軸正、反轉(zhuǎn)、停、換刀、 切削液開、 關(guān)等)， 這些信息在微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算

6、與控制操作之前必須翻譯成機(jī)器所能識(shí)別的代碼，即譯碼，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)常采用編譯方式來完成譯碼。 (3) 數(shù)據(jù)處理: 主要包括刀具補(bǔ)償、 速度計(jì)算及輔助功能的處理等。 2. 插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的程序，而且算法較多，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的算法，力爭(zhēng)達(dá)到最優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)軸脈沖的分配。 3. 速度控制程序速度控制是和插補(bǔ)運(yùn)算緊密相關(guān)的，在輸入指令中所給的速度一般指各坐標(biāo)軸的合成速度。速度處理首先要將合成速度分解成各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方向的分速度，然后再利用軟件延時(shí)或定時(shí)器實(shí)現(xiàn)速度的控制。速度控制程序決定著插補(bǔ)運(yùn)算的時(shí)間間隔，插補(bǔ)運(yùn)算的輸出結(jié)果控制著各坐標(biāo)軸的進(jìn)給。 4. 系統(tǒng)管理診斷程序 (1)

7、 管理程序: 其實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)監(jiān)控程序， 它主要負(fù)責(zé)鍵盤顯示的監(jiān)控，中斷信號(hào)的處理及各功能模塊的協(xié)調(diào)。 如能實(shí)現(xiàn)程序并行處理，則可在插補(bǔ)運(yùn)算與速度控制的空閑時(shí)刻完成數(shù)據(jù)的輸入處理，從而大大提高了程序的實(shí)時(shí)性。 (2) 診斷程序：主要包括系統(tǒng)的自診斷(如開機(jī)運(yùn)行前， 檢查系統(tǒng)上各種部件的功能正常與否)和運(yùn)行診斷，并能在故障發(fā)生后， 給出相應(yīng)的報(bào)警信息，幫助維修人員較快地找出故障原因， 以利故障診斷和維修。 圖 5-4 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成 目前系統(tǒng)選用最通用的MCS-51系列8031單片機(jī)， 并擴(kuò)展一片2764EPROM，一片6264SRAM，一片8255A并行IO口和一片74HC244并行IO口。

8、 在系統(tǒng)中，一片2764EPROM用來存放系統(tǒng)軟件；一片6264SRAM用來存放加工程序和數(shù)據(jù)，并具有掉電保護(hù)，保證數(shù)據(jù)不丟失；8031片內(nèi)的SRAM作數(shù)據(jù)緩沖和椎棧等用；74HC244用于手動(dòng)開關(guān)輸入；8255A用于開關(guān)命令、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制、 狀態(tài)檢測(cè)和刀架轉(zhuǎn)位等； P1口具有較強(qiáng)的位選功能，作為聲光報(bào)警， 中斷擴(kuò)展查詢等輔助IO功能。 在人機(jī)接口方面，采用Intel8279芯片作為鍵盤顯示器接口。8279用硬件自動(dòng)完成鍵盤與顯示器控制。 在系統(tǒng)中斷處理方面，外部中斷入口INT1用于8279鍵盤輸入中斷；INT0用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理緊急停車、暫停、限位報(bào)警功能。系統(tǒng)采用三輸入端與非門74HC10

9、的輸出端作為一個(gè)共用的中斷信號(hào)源接至INT0。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方面，8255A的PA口輸出的信號(hào)至功放電路后，分別控制X軸、Z軸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配采用軟件來實(shí)現(xiàn)，其控制方式采用三相六拍制，當(dāng)三相繞組按A-AB-B-BC-C-CA的順序通電時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)，反之，若按A-AC-C-CB-BA的順序通電，則可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。 利用TO進(jìn)行頻率控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 在通信接口方面，系統(tǒng)能與微機(jī)(PC)實(shí)現(xiàn)通信，它們之間采用RS-232C串行標(biāo)準(zhǔn)通信。單片機(jī)串行口上的TTL電平信號(hào)經(jīng)MC1488/1489芯片轉(zhuǎn)變?yōu)镽S-232C電平后接至PC機(jī)。若編制較復(fù)雜的

10、零件加工程序，手工編程的工作量大而且易出錯(cuò)，則可采用PC機(jī)進(jìn)行自動(dòng)編程，然后再通過串行口傳送給單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。另外， 系統(tǒng)采用單穩(wěn)態(tài)電路CC4098實(shí)現(xiàn)硬件“看門狗”功能，它的輸出通過與上電按鈕復(fù)位電路經(jīng)74HC32和8031的復(fù)位端RST相連。在系統(tǒng)軟件方面，主要由操作管理程序、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出控制程序及診斷程序等部分組成， 其程序框圖如圖5-5所示。 圖 5-5 系統(tǒng)程序框圖 5.2 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng) 5.2.1 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的基本組成1. 組成標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)一般是由程序的I/O設(shè)備、通信設(shè)備、 微機(jī)系統(tǒng)、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置及位置檢測(cè)等組成，如圖5-6所示。 圖 5-6

11、 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)基本組成 2. 模塊功能 (1) 微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制系統(tǒng)是CNC的核心，數(shù)控系統(tǒng)的主要信息均由它進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，微機(jī)控制系統(tǒng)的CPU芯片也逐步由8086發(fā)展到80586、P等，而且由單微處理器系統(tǒng)向多微處理器系統(tǒng)方向發(fā)展。 (2) 可編程控制器(PLC)?？删幊炭刂破髦饕饔檬怯脕韺?shí)現(xiàn)輔助功能，如M、S、T等，其控制方式主要是開關(guān)量控制。 按數(shù)控系統(tǒng)中PLC的配置方式可分為內(nèi)裝型PLC和外裝型PLC，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般均采用內(nèi)裝型PLC。 (3) 主軸控制模塊。主軸控制模塊主要任務(wù)就是控制主軸轉(zhuǎn)速和主軸定位?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)大多采用交流電動(dòng)機(jī)，

12、相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置為變頻器。CNC只需要輸出相應(yīng)的控制信號(hào)到變頻器，就能實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速、定位的控制。 (4) 進(jìn)給伺服控制模塊。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給軸的控制要求很高，它直接關(guān)系到機(jī)床位置控制精度。進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般由速度控制與位置控制兩個(gè)控制環(huán)節(jié)組成，CNC根據(jù)位置控制單元的信息，處理并輸出控制信號(hào)通過速度控制單元完成速度控制。 (5) 檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊完成主軸和進(jìn)給軸的位置檢測(cè)。 檢測(cè)裝置主要有光電編碼器及光柵尺等，其作用就是配合主軸控制模塊、進(jìn)給軸控制模塊完成位置的控制。 (6) 輸入、輸出及通信模塊。輸入、輸出模塊完成程序的輸入與輸出，通信模塊傳遞人機(jī)界面所需的各種信息。 5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)

13、的硬件結(jié)構(gòu) 1. 單微處理器數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在單微處理器結(jié)構(gòu)中，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)CPU，它采用集中控制、分時(shí)處理方式進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5-7所示。 該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為： (1) CNC裝置內(nèi)只有一個(gè)CPU，系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器、插補(bǔ)運(yùn)算、 I/O控制、程序輸入、CRT顯示等控制均由該CPU進(jìn)行分時(shí)處理來完成。 (2) CPU通過地址、數(shù)據(jù)和控制(AB、DB、CB)三大總線與各個(gè)控制單元相連，完成信息交換。 (3)由于系統(tǒng)為單CPU結(jié)構(gòu)，因此其功能、速度等受微處理器本身性能的影響而有一定的局限性。 圖 5-7 單微處理器結(jié)構(gòu)框圖 2. 多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC是將數(shù)控機(jī)床的總?cè)蝿?wù)劃分為各

14、個(gè)子任務(wù)，每一子任務(wù)均由一個(gè)獨(dú)立的微處理器來控制。 系統(tǒng)通過各子任務(wù)之間相互協(xié)調(diào)來完成對(duì)機(jī)床的控制。 1) 多微處理器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)多微處理器結(jié)構(gòu)與單微處理器結(jié)構(gòu)相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 性能價(jià)格比高。 （2） 模塊化結(jié)構(gòu)。 2) 多微處理器數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多微處理器CNC裝置主要由CNC管理模塊、CNC插補(bǔ)模塊、 位置控制模塊、PLC模塊、存儲(chǔ)器模塊、數(shù)據(jù)I/O及顯示模塊等部分組成。結(jié)構(gòu)類型主要有共享總線結(jié)構(gòu)與共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)兩大類。 （1） 共享總線結(jié)構(gòu)。在以系統(tǒng)總線為中心的多微處理器結(jié)構(gòu)中，所有主、從模塊均插在總線槽內(nèi)，共享嚴(yán)格定義的總線標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)總線將各模塊有效地連接在一起，按照要求交換

15、數(shù)據(jù)及控制信息。在系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊占據(jù)總線，從而會(huì)造成各主模塊發(fā)生總線競(jìng)爭(zhēng)， 通常利用仲裁電路來解決這一問題。多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)框圖如圖5-8所示。 圖 5-8 多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖 （2） 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。 在這種結(jié)構(gòu)中， 通常采用多端口存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的連接與信息交換，由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5-9所示。 圖5-10是一個(gè)雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，它配有兩套數(shù)據(jù)、地址與控制線，可供兩個(gè)端口訪問，訪問優(yōu)先權(quán)預(yù)先安排好。當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)訪問時(shí)， 由內(nèi)部硬件電路裁決其中一個(gè)端口優(yōu)先訪問。 圖5-9 多微處理器共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖 圖5-10

16、 雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖 5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 1. 多任務(wù)并行處理 1) CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性 CNC系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立控制單元，它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)，系統(tǒng)的管理軟件主要包括輸入、IO處理、 通信、顯示和診斷等程序，這類程序的實(shí)時(shí)性要求不高，通常作為后臺(tái)程序。系統(tǒng)的控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制、開關(guān)量控制等軟件，這類程序的實(shí)時(shí)性要求非常高， 通常作為前臺(tái)程序。 圖5-11為CNC系統(tǒng)的軟件功能分解圖， 它反映了數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)性。 圖 5-11 CNC系統(tǒng)的任務(wù)分解 在許多情況下，管理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。例如，為了使操作人員

17、能及時(shí)地了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)插補(bǔ)加工運(yùn)行時(shí)， 軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行。而當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí)，其本身的一些處理模塊也必須同時(shí)運(yùn)行，例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，刀具在各程序段之間不停頓，譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必須與插補(bǔ)模塊同時(shí)運(yùn)行，而插補(bǔ)程序又必須與位置控制程序同時(shí)進(jìn)行。這均說明了CNC系統(tǒng)的多任務(wù)在執(zhí)行過程中有著并行處理的關(guān)系。 2) CNC系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理 （1） 資源分時(shí)共享。資源共享是根據(jù)“分時(shí)共享”的原則， 使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。通常在此種方式中， 各任務(wù)何時(shí)占用CPU及各任務(wù)占用CPU

18、時(shí)間的長(zhǎng)短是首先要解決的兩個(gè)問題。 在CNC系統(tǒng)中，各任務(wù)使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來解決的，圖512所示為某CNC系統(tǒng)各任務(wù)共享CPU的時(shí)間分配圖。 圖 5-12 CPU分時(shí)共享和中斷優(yōu)先級(jí)(a) CPU分時(shí)共享； (b) 中斷優(yōu)先級(jí) 系統(tǒng)在完成初始化任務(wù)后，自動(dòng)進(jìn)入時(shí)間分配循環(huán)中， 在環(huán)中依次處理各任務(wù)。對(duì)實(shí)時(shí)要求較高的任務(wù)，則根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，分別放到不同的中斷優(yōu)先級(jí)上進(jìn)行服務(wù)。在這種結(jié)構(gòu)中，環(huán)內(nèi)的任務(wù)作為背景程序，在無中斷時(shí)始終執(zhí)行，而環(huán)外的任務(wù)，即中斷服務(wù)程序可隨時(shí)中斷環(huán)內(nèi)各任務(wù)，并得到執(zhí)行。每個(gè)任務(wù)允許占有CPU的時(shí)間要受到一定的限制，一般對(duì)于某些占

19、有CPU時(shí)間較多的任務(wù)，如插補(bǔ)準(zhǔn)備， 可以在程序的某些地方設(shè)置斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處，自動(dòng)讓出CPU供其他任務(wù)占用，等到下一運(yùn)行時(shí)間里再自動(dòng)跳到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。 （2） 資源重疊流水處理。資源重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。CNC系統(tǒng)處在自動(dòng)工作方式時(shí)，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備(包括譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理)、插補(bǔ)、位置控制4個(gè)子過程組成。如果每個(gè)子過程的處理時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4，那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間T將是： T=t1+t2+t3+t4 假設(shè)以順序方式處理每個(gè)零件程序段，即第一個(gè)零件程序段處理完

20、以后再處理第二個(gè)程序段，依此類推，這種順序處理時(shí)的時(shí)間空間關(guān)系如圖5-13(a)所示。從圖上可以看出， 如果等到第一個(gè)程序段處理以后再對(duì)第二個(gè)程序段進(jìn)行處理，那么在兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為T的間隔。同樣在第二個(gè)程序段與第三個(gè)程序段的輸出之間也會(huì)有時(shí)間間隔， 依此類推。這種時(shí)間間隔反映在電動(dòng)機(jī)上就是電動(dòng)機(jī)的時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停，反映在刀具上就是刀具的時(shí)走時(shí)停。不管這種時(shí)間間隔多么小，這種狀態(tài)在加工工藝上都是不允許的。消除這種間隔的方法就是用流水處理技術(shù)，采用流水處理后的時(shí)間關(guān)系如圖5-13(b)所示。 圖 5-13 資源重疊流水處理(a) 順序處理； (b) 流水處理 2. 實(shí)時(shí)中斷處理 1)

21、 CNC系統(tǒng)的中斷源（1） 外部中斷: 主要有紙帶閱讀機(jī)中斷、外部監(jiān)控中斷(急停， 測(cè)量?jī)x到位等)和鍵盤操作、面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求較高，通常將它們放在中斷優(yōu)先級(jí)較高的中斷上，而后兩種則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。 （2） 內(nèi)部定時(shí)中斷: 主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷，在有些系統(tǒng)中，這兩種定時(shí)中斷合二為一，但在處理時(shí)，總是先處理位置控制， 然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。 （3） 硬件故障中斷: 是各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷，如存儲(chǔ)器出錯(cuò)、定時(shí)器出錯(cuò)、插補(bǔ)運(yùn)算定時(shí)等。 （4） 程序性中斷: 是程序中出現(xiàn)的各種異常情況報(bào)警中斷， 如計(jì)算溢出、 除零等。 2) CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式（

22、1） 前、后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式。在此種軟件結(jié)構(gòu)中，整個(gè)控制軟件分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，它完成全部的實(shí)時(shí)功能，如插補(bǔ)、位置控制等； 后臺(tái)程序即背景程序，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序， 它完成管理及插補(bǔ)準(zhǔn)備等功能。在背景程序的運(yùn)行過程中， 前臺(tái)實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入，與背景程序相配合，共同完成零件的加工任務(wù)。二者之間的關(guān)系如圖5-14所示。 圖 5-14 前、 后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)（2） 中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式。中斷型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是除了初始化程序之外，系統(tǒng)軟件中所有任務(wù)模塊均被安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中。整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。 其管理的功能主要通過各級(jí)中斷服務(wù)程

23、序之間的相互通信來完成。表5-1所示為某CNC系統(tǒng)各級(jí)中斷的主要功能。 該中斷優(yōu)先級(jí)共7級(jí)，其中0級(jí)為最低優(yōu)先級(jí)，實(shí)際上是初始化程序； 1級(jí)為主控程序，當(dāng)沒有其他中斷時(shí)，該程序循環(huán)執(zhí)行； 7級(jí)為最高級(jí)。除了第4級(jí)為硬件中斷完成報(bào)警功能之外，其余均為軟件中斷。 表5-1 CNC系統(tǒng)各級(jí)中斷的主要功能 0級(jí)中斷程序: 是初始化程序，是為整個(gè)系統(tǒng)的正常工作做準(zhǔn)備的。 主要完成： a. 清除RAM工作區(qū)； b. 設(shè)置有關(guān)參數(shù)和偏移數(shù)據(jù)； c. 初始化有關(guān)電路芯片。 1級(jí)中斷程序: 是主控程序，即背景程序。當(dāng)沒有其他中斷時(shí)，1級(jí)程序始終循環(huán)運(yùn)行。主要完成： a. CRT顯示控制； b. ROM奇偶校驗(yàn)。

24、 2級(jí)中斷服務(wù)程序: 主要工作是對(duì)系統(tǒng)所處的各種工作方式進(jìn)行處理。 包括： a. 自動(dòng)方式； b. MDI方式； c. 點(diǎn)動(dòng)增量方式； d. 手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給或手輪方式； e. 示教方式； f. 編輯方式。 3級(jí)中斷服務(wù)程序: 主要完成： a. IO映像處理， 用于PLC開關(guān)量信號(hào)的控制;b. 鍵盤掃描和處理; c. M、S、T處理, 將輔助功能， 如主軸正、 反轉(zhuǎn)(M03、 M04)，切削液的開、 關(guān)(M08、 M09)，主軸轉(zhuǎn)速(S指令)以及換刀(M06及T指令)等控制信號(hào)輸出，以控制機(jī)床的動(dòng)作。 4級(jí)中斷程序:當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障時(shí)，由系統(tǒng)診斷程序進(jìn)行檢測(cè)，并將出錯(cuò)信息以指示燈或CRT顯示

25、的形式表示出來。 5級(jí)中斷服務(wù)程序: 主要完成： a. 插補(bǔ)運(yùn)算； b. 坐標(biāo)位置修正； c. 間隙補(bǔ)償； d. 加減速控制。 6級(jí)中斷服務(wù)程序: 這是一種軟件定時(shí)方法。通過這種定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)2級(jí)和3級(jí)的16 ms定時(shí)中斷，并使其相隔8 ms。 當(dāng)2級(jí)或3級(jí)中斷還沒有返回時(shí)，不再發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。 7級(jí)中斷服務(wù)程序: 當(dāng)紙帶通過光電閱讀機(jī)輸入時(shí)， 光電閱讀機(jī)每讀到紙帶上一排孔的信息，立即向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)， 要求處理所讀到的一個(gè)字符。 以上是一個(gè)典型的單處理器數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的位置控制由硬件處理。當(dāng)位置控制用軟件來處理時(shí)，則位置控制程序應(yīng)安排在插補(bǔ)程序同一級(jí)或更高級(jí)的中斷

26、服務(wù)程序中。 在多微處理器系統(tǒng)中，軟件將以上控制任務(wù)分配到各個(gè)處理器，流水作業(yè)并行處理。處理器之間的協(xié)調(diào)仍可用中斷的方式，只是有的中斷源變?yōu)橛善渌幚砥魃暾?qǐng)的外部中斷。 3. CNC系統(tǒng)軟件的工作過程1) 輸入CNC系統(tǒng)中的零件加工程序，一般是通過鍵盤、 磁盤或紙帶閱讀機(jī)等方式輸入的，在軟件設(shè)計(jì)中， 這些輸入方式大都采用中斷方式來完成，且每一種輸入法均有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。如在鍵盤輸入時(shí)，每按一個(gè)按鍵，硬件就向主機(jī)CPU發(fā)出一次中斷申請(qǐng)，若CPU響應(yīng)中斷， 則就調(diào)用一次鍵盤服務(wù)程序，完成相應(yīng)鍵盤命令的處理，鍵盤中斷服務(wù)程序的流程圖如圖5-15所示。 圖 5-15 鍵盤中斷服務(wù)程序 在CN

27、C系統(tǒng)中，無論哪一種輸入方法，其存儲(chǔ)過程總是要經(jīng)過零件程序的輸入，然后將輸入的零件程序先存放到緩沖器中，再經(jīng)緩沖器到達(dá)零件程序存儲(chǔ)器。零件程序的存儲(chǔ)和讀取過程如圖5-16所示。 圖 5-16 程序的存取 (a) 零件程序存儲(chǔ)； (b) 零件程序讀取 2) 譯碼譯碼就是將輸入的零件程序翻譯成本系統(tǒng)所能識(shí)別的語(yǔ)言。 譯碼的結(jié)果存放在指定的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，通常稱為譯碼結(jié)果寄存器。 譯碼程序的功能就是把程序段中的各個(gè)數(shù)據(jù)根據(jù)其前后的文字地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中， 圖5-17為譯碼程序流程圖。 圖 5-17 譯碼程序流程圖 譯碼可在正式加工前一次性將整個(gè)程序翻譯完，并在譯碼過程中對(duì)程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查，若有語(yǔ)法

28、錯(cuò)誤則報(bào)警，這種方式可稱之為編譯；另一種處理方式是在加工過程中進(jìn)行譯碼，即數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工控制時(shí)，利用空閑時(shí)間來對(duì)后面的程序段進(jìn)行譯碼， 這種方式可稱之為解釋。用解釋方式，系統(tǒng)在運(yùn)行用戶程序之前通常也對(duì)用戶程序進(jìn)行掃描，進(jìn)行語(yǔ)法檢查， 有錯(cuò)報(bào)警。用編譯方法可以節(jié)省時(shí)間，使加工控制時(shí)數(shù)控系統(tǒng)不致太忙，并可在編譯的同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)法檢查，但需要占用的內(nèi)存較大。一般數(shù)控代碼比較簡(jiǎn)單，用解釋方式占用的時(shí)間也不多，所以CNC系統(tǒng)常用解釋方式。 3) 數(shù)據(jù)處理（1） 進(jìn)給速度控制。在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的速度是通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)的。開環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算是根據(jù)程序的F值來確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給脈沖

29、頻率的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走一步，相應(yīng)的坐標(biāo)軸移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量，進(jìn)給速度F(mmmin)與進(jìn)給脈沖頻率的關(guān)系為 兩軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度分別為 Fx=60fXFy=60fY 式中Fx、Fy分別為X軸、Y軸的進(jìn)給速度(mmmin)；fx、fy分別為X軸、Y軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率。合成的進(jìn)給速度為 在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中，由于采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，因此進(jìn)給速度是根據(jù)編程的F值，計(jì)算出每個(gè)采樣周期的輪廓步長(zhǎng)來獲得的。 （2） 加減速控制。為了保證機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對(duì)送到伺服驅(qū)動(dòng)裝置的進(jìn)給脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制。即在機(jī)床加速啟動(dòng)時(shí)，保證加在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

30、上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸增大；而當(dāng)機(jī)床減速停止時(shí)，保證加在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸減小。在CNC系統(tǒng)中，加減速控制多數(shù)采用軟件來實(shí)現(xiàn)。加減速控制可以在插補(bǔ)前進(jìn)行，稱為前加減速控制；也可以在插補(bǔ)后進(jìn)行， 稱為后加減速控制， 如圖5-18所示。 圖 5-18 前加減速和后加減速控制 前加減速控制僅對(duì)程編指令速度F進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度，缺點(diǎn)是需要預(yù)測(cè)減速點(diǎn)， 而預(yù)測(cè)減速點(diǎn)的計(jì)算量較大。后加減速控制是對(duì)各軸分別進(jìn)行加減速控制，不需要預(yù)測(cè)減速點(diǎn)，由于對(duì)各軸分別進(jìn)行控制， 因此實(shí)際各坐標(biāo)軸的合成位置就可能不準(zhǔn)確，但這種影響只是在加減速過程中才存在，進(jìn)入勻速狀態(tài)時(shí)這

31、種影響就沒有了。 加減速實(shí)現(xiàn)的方式有線性加減速(勻加減速)、 指數(shù)加減速和sin曲線(S)加減速，圖519為三種加減速的特性曲線。 其中， 線性加減速常用于點(diǎn)位控制系統(tǒng)中；指數(shù)和S曲線加減速常用于輪廓控制系統(tǒng)中。 圖 5-19 加減速特性曲線(a) 線性加減速; (b) 指數(shù)加減速; (c) S曲線加減速 （3） 反向間隙及絲杠螺距補(bǔ)償。位置精度是數(shù)控機(jī)床最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。在點(diǎn)位、直線控制系統(tǒng)中，位置精度中的定位精度影響工件的尺寸精度； 在輪廓控制系統(tǒng)中，定位精度影響工件輪廓的加工精度，產(chǎn)生輪廓失真。通過反向間隙補(bǔ)償及位置補(bǔ)償可提高數(shù)控機(jī)床的位置精度。 反向間隙又稱失動(dòng)量，是由進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)鏈中

32、的導(dǎo)軌副間隙、絲杠螺母副間隙及齒輪副齒隙、絲杠及傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)、 壓縮變形,以及其他構(gòu)件的彈性變形等因素綜合引起的。由于反向間隙的存在，因此當(dāng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向改變時(shí)，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)一定角度而工作臺(tái)不移動(dòng)的現(xiàn)象。反向間隙補(bǔ)償是在電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)多轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度， 消除間隙后才正式計(jì)算坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的值，即空走不計(jì)入坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。各軸的反向間隙值可以離線測(cè)出，如激光干涉儀等測(cè)距裝置，補(bǔ)償數(shù)據(jù)作為機(jī)床參數(shù)存入數(shù)控系統(tǒng)中， 供補(bǔ)償時(shí)取用。 絲杠螺距累積誤差是在絲杠制造和裝配過程中產(chǎn)生的， 呈周期性的變化規(guī)律。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中， 由于在機(jī)床工作臺(tái)上安裝了位置檢測(cè)裝置，定位精度主要取決于位置檢測(cè)裝置的系統(tǒng)誤差

33、，如分辨率、線性度及安裝、調(diào)整造成的誤差。 位置誤差補(bǔ)償是通過對(duì)機(jī)床全行程的離線測(cè)量，得到定位誤差曲線，在誤差達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量的位置處設(shè)定正或負(fù)的補(bǔ)償值。 當(dāng)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)，系統(tǒng)將坐標(biāo)值加或減一個(gè)脈沖當(dāng)量，從而將實(shí)際定位誤差控制在一定的精度范圍內(nèi)。位置誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)作為機(jī)床參數(shù)存入數(shù)控系統(tǒng)中。圖5-20所示為數(shù)控機(jī)床一坐標(biāo)軸位置誤差補(bǔ)償前后的定位誤差曲線。 圖 5-20 定位誤差曲線(a) 補(bǔ)償前； (b) 補(bǔ)償后 4) 插補(bǔ)運(yùn)算插補(bǔ)運(yùn)算是CNC系統(tǒng)中最重要的計(jì)算工作之一。在實(shí)際的CNC系統(tǒng)中，常采用粗、精插補(bǔ)相結(jié)合的方法，即把插補(bǔ)功能分成軟件插補(bǔ)與硬件插補(bǔ)兩部分， 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件把

34、刀具軌跡分割成若干段， 而硬件電路再在各段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”， 使刀具軌跡在允許的誤差之內(nèi)，即軟件實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)， 硬件實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)。 5) 輸出輸出控制主要完成伺服控制及M、S、T等輔助功能。伺服控制包括數(shù)控系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出的模擬速度控制信號(hào)或一串脈沖指令， 同時(shí)接受位置反饋信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)位置控制。S功能的信息用于主軸轉(zhuǎn)速控制，數(shù)控系統(tǒng)將譯碼后的S信息傳送給主軸控制系統(tǒng)，由主軸控制系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行控制。M、T功能主要涉及到開關(guān)量的邏輯控制，用可編程控制器來處理。 數(shù)控系統(tǒng)只需將譯碼后的M、T信息適時(shí)地傳送給可編程控制器， 就可完成諸如主軸、冷卻和潤(rùn)滑、刀庫(kù)選刀及機(jī)械手換刀、工作臺(tái)交換

35、等控制。 6) 管理與診斷CNC系統(tǒng)的管理軟件主要包括CPU管理與外設(shè)管理。如前后臺(tái)程序的合理安排與協(xié)調(diào)工作，中斷服務(wù)程序之間的相互通信，控制面板與操作面板上各種信息的監(jiān)控等。 診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大，而且在故障出現(xiàn)后，可以幫助用戶迅速查明故障的類型與部位，減少故障停機(jī)時(shí)間。在設(shè)計(jì)診斷程序時(shí)，診斷程序可以包括在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行檢查與診斷，也可以作為服務(wù)程序在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障發(fā)生停機(jī)后進(jìn)行診斷。 5.3 數(shù)控系統(tǒng)中的通信接口 5.3.1 異步串行通信接口數(shù)據(jù)在設(shè)備之間傳送可以采用并行方式或串行方式。串行通信接口需要有一定的控制邏輯，發(fā)送端將機(jī)內(nèi)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)再發(fā)送出去，接收

36、端要將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)再送至機(jī)內(nèi)處理。常用的串行通信功能芯片有8251A、 MC6850及6852等。 為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確性和一致性，接收和發(fā)送雙方對(duì)數(shù)據(jù)的傳送應(yīng)確定一致的且共同遵守的約定，包括定時(shí)、控制、 格式化和數(shù)據(jù)表示方法等，這些約定稱之為通信規(guī)則或通信協(xié)議。串行通信協(xié)議分為同步協(xié)議和異步協(xié)議。異步串行通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，但速度不快；同步串行通信協(xié)議傳送速度比較高， 但接口比較復(fù)雜。 異步串行通信接口在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，主要的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C20mA電流環(huán)和RS-422RS-449，此外RS-485串行接口也得到了廣泛應(yīng)用。 RS-232C邏輯“0”電平規(guī)定為5

37、15 V之間，邏輯“1”電平為-5-15 V之間。RS-232C 共有25條線，大多采用DB-25型25針連接器或9針連接器。RS-232C每秒所傳送的數(shù)據(jù)位用波特率表示， 常用的有9600、4800、2400、1200、600、300、150、 110、 75、 50。 20 mA電流環(huán)通常與RS-232C接口一起配置，其接點(diǎn)是由電流控制的，以20 mA電流作為邏輯“1”，以零作為邏輯“0”。 電流環(huán)對(duì)共模干擾有抑制作用， 并可采用隔離技術(shù)消除接地回路引起的干擾。RS-232C接口的最大傳輸距離為15 m； 20 mA電流環(huán)接口傳輸距離可達(dá)100 m。 RS-422規(guī)定了雙端口電氣接口形式，

38、其標(biāo)準(zhǔn)是雙端線傳送信號(hào)。如果其中的一條線為邏輯“1”狀態(tài)，則另一條就為邏輯“0”狀態(tài)。因電壓回路是雙向的，用差分接收器接收信號(hào)， 故可大大改善通信性能，最大傳輸距離可達(dá)1200 m。RS-449是對(duì)通信接口功能的補(bǔ)充規(guī)定，包括插頭、插座等。RS-485串行接口常用于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信系統(tǒng)中。 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信接口在直接數(shù)控(DNC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)中， 數(shù)控系統(tǒng)作為DNC、FMS和CIMS結(jié)構(gòu)中的一個(gè)基礎(chǔ)層次，用作設(shè)備層或工作站的控制器時(shí)，可以是FMS或CIMS的有機(jī)組成部分，一般與工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)相連。現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般具有與上級(jí)計(jì)算機(jī)或連入工廠局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)

39、行網(wǎng)絡(luò)通信的功能。以CNC為基礎(chǔ)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，信息傳送量很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于CNC單機(jī)運(yùn)行的信息量。工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)有距離限制， 要求有較高的傳輸速率，較低的誤碼率， 可以采用多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜及光纖等，也可以通過調(diào)制解調(diào)器用電話線進(jìn)行傳輸。 5.4 FANUC數(shù)控系統(tǒng) 5.4.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介1. FS6系列數(shù)控系統(tǒng)1979年推出的FS6系列數(shù)控系統(tǒng)，是具備一般功能和部分高級(jí)功能的中級(jí)型CNC系統(tǒng)。其中，6M適用于銑、鏜床和加工中心；6T適用于車床。系統(tǒng)使用了大容量磁泡存儲(chǔ)器、專用大規(guī)模集成電路， 還備有由用戶自行制作的變量型子程序的用戶宏功能。 2. F101112系列數(shù)控系統(tǒng)1984

40、年推出的F10、F11和F12系列數(shù)控系統(tǒng)為多微處理器控制系統(tǒng)，其主CPU采用68000，在圖形控制、對(duì)話式自動(dòng)編程控制、軸控制等方面也都有各自的CPU。 F101112在硬件方面作了較大的改進(jìn)，其中包括專用大規(guī)模集成電路四種， 厚膜電路22種，4 Mb的磁泡存儲(chǔ)器等。 由于該系統(tǒng)采用光導(dǎo)纖維，使過去數(shù)控裝置與機(jī)床以及操作板之間的數(shù)百根電纜數(shù)大幅度減少， 提高了抗干擾性和可靠性。 該系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化DNC方面能夠?qū)崿F(xiàn)主計(jì)算機(jī)與機(jī)床、 工作臺(tái)、機(jī)械手、搬運(yùn)車等之間各種數(shù)據(jù)的雙向傳遞。它的PLC裝置使用了獨(dú)特的無觸點(diǎn)、無極性輸出和大電流、高電壓輸出電路，簡(jiǎn)化了強(qiáng)電控制柜。此外,PLC的編程不僅可以

41、使用梯形圖語(yǔ)言， 還可使用PASCAL等高級(jí)語(yǔ)言，便于用戶開發(fā)軟件。F101112系列數(shù)控系統(tǒng)還充實(shí)了專用宏功能、自動(dòng)計(jì)劃功能、自動(dòng)刀具補(bǔ)償功能、刀具壽命管理、彩色圖形顯示CRT等。 該系列數(shù)控系統(tǒng)有很多規(guī)格，可用于各種機(jī)床， 規(guī)格型號(hào)有M形、T形、TT形和F形。其中，M形用于加工中心、銑床和鏜床；T形用于車床； TT形用于雙刀架車床；F形是具有對(duì)話功能的數(shù)控系統(tǒng)。F101112系列數(shù)控系統(tǒng)適用于大、 中型數(shù)控機(jī)床。 3. F0系列數(shù)控系統(tǒng)1985年FANUC公司推出F0系列數(shù)控系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是體積小、價(jià)格低，適用于機(jī)電一體化的小型數(shù)控機(jī)床。該系列數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)多微處理器系統(tǒng)。0A系列主C

42、PU為80186，0B系列主CPU為80286，0C系列主CPU為80386。F0系列在已有的RS-232C串行接口之外，又增加了具有高速串行接口的遠(yuǎn)程緩沖器， 以便實(shí)現(xiàn)DNC運(yùn)行。在硬件組成上以最少的元件數(shù)發(fā)揮最高的效能為宗旨，采用了最新型高速和高集成度微處理器， 共有專用大規(guī)模集成電路六種，其中四種為低功耗CMOS專用大規(guī)模集成電路，專用的厚膜電路有九種。三軸控制系統(tǒng)的主控制電路包括輸入、輸出接口， PMC(Programmable Machine Control)和CRT電路等都裝在一塊大型印制電路板上，與操作面板、CRT組成一體。 其主要功能有： 彩色圖形顯示、會(huì)話菜單式編程、 專用宏

43、功能、 錄返功能等。自FANUC公司推出F0系列數(shù)控系統(tǒng)以來，得到了各國(guó)用戶的高度評(píng)價(jià)， 從而成為廣泛采用的數(shù)控系統(tǒng)之一。 F0系列數(shù)控系統(tǒng)有多種規(guī)格，其中，F(xiàn)0-MAMBMEAMCMF用于加工中心、 銑床和鏜床；F0-TATBTEATCTF用于車床； F0-TTATTBTTC用于一個(gè)主軸雙刀架或兩個(gè)主軸雙刀架的四軸控制車床； F0-GAGB用于磨床；F0-PB用于回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)。 4. FS15系列數(shù)控系統(tǒng)1987年FANUC公司推出了新的FS15系列數(shù)控系統(tǒng)，稱之為AI-CNC系統(tǒng)(人工智能數(shù)控系統(tǒng))。該系列采用模塊式多主總線結(jié)構(gòu)，是多微處理器控制系統(tǒng)，主CPU為68020， 還有一個(gè)子CP

44、U，在軸控制、圖形控制、通信和自動(dòng)編程等功能中也有各自的CPU。FS15系列可構(gòu)成最小至最高系統(tǒng)， 可控制215根軸，適用于大型數(shù)控機(jī)床、多軸控制和多系統(tǒng)控制。 并使用了高速信號(hào)處理器(DSP)，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的各種控制算法在系統(tǒng)中進(jìn)行在線控制。同時(shí)，F(xiàn)S15系列采用了高速度、高精度、高效率的數(shù)字伺服單元及絕對(duì)位置檢測(cè)脈沖編碼器(每周可分辨10萬個(gè)等份)，能使用在10 000 r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中。 并且還增加了制造自動(dòng)化協(xié)議(MAP, Manufacturing Automatic Protocol)和窗口功能等。 5. FS16系列數(shù)控系統(tǒng)FS16系列是在功能上位于FS15系列和F

45、0系列之間的最新CNC系統(tǒng)，在作為控制用的32位復(fù)合指令集計(jì)算機(jī)(CISC, Complex Instruction Set Computer)上又增加了32位精減指令集計(jì)算機(jī)(RISC, Reduced Instruction Set Computer)， 用于高速計(jì)算， 執(zhí)行指令速度可達(dá)到2030 MIPS(Million Instruction Per Second，100萬條指令每秒)，處理一個(gè)程序段的時(shí)間可縮短到0.5 ms， 在連續(xù)1 mm的移動(dòng)指令下能實(shí)現(xiàn)的最大進(jìn)給速度可達(dá)120 mmmin。FS16系列采用了三維安裝技術(shù)， 使電子元器件得以高密度地安裝，大大縮小了系統(tǒng)的占有空間

46、，同時(shí)采用高速32位FANUCBUS和TFT彩色液晶薄型顯示器等新技術(shù)，使CNC系統(tǒng)進(jìn)一步小型化，可更方便地將他們裝到機(jī)械設(shè)備上。 6. FS18系列數(shù)控系統(tǒng)FS18系列是緊接著FS16系列推出的最新32位CNC系統(tǒng)，在功能上也是位于FS15系列和FS0)系列之間，但低于FS16系列。 FS18系列采用了高密度三維安裝技術(shù)，與FS0系列比較，其安裝密度提高了三倍。該系列采用四軸伺服控制、雙軸主軸控制。在操作性能、機(jī)床接口、編程等方面與FS16系列之間有互換性。 5.4.2 功能特點(diǎn) (1) 插補(bǔ)功能除了直線、圓弧插補(bǔ)外，還有極坐標(biāo)插補(bǔ)和樣條(NURBS)插補(bǔ)等。 (2) 切削進(jìn)給的自動(dòng)加減速功

47、能，除了插補(bǔ)后加減速之外， 還有插補(bǔ)前加減速，有些系統(tǒng)可對(duì)零件程序進(jìn)行多段預(yù)讀控制， 實(shí)現(xiàn)切削速度的最佳加減速度。 (3) 補(bǔ)償功能除了螺距誤差補(bǔ)償、絲杠反向間隙補(bǔ)償、 刀具補(bǔ)償外，還有坡度補(bǔ)償、線性度補(bǔ)償?shù)裙δ?。如FS15系列可進(jìn)行非線性補(bǔ)償、靜動(dòng)態(tài)慣性補(bǔ)償值的自動(dòng)設(shè)定和更新等， 在一定精度的要求下，可使響應(yīng)速度大幅度提高。 (4) 編程功能除了常規(guī)的G、M、S、T指令外，利用用戶宏程序，用戶可以進(jìn)行個(gè)性化的作業(yè)，編制適合于機(jī)床專用加工和測(cè)量的循環(huán)程序，有些系統(tǒng)還可進(jìn)行交互式圖樣直接編程。 (5) 圖形顯示功能除了程序顯示、梯形圖顯示、機(jī)床數(shù)據(jù)顯示外，還有伺服波形顯示，即將各種伺服數(shù)據(jù)，如位

48、置誤差、 指令脈沖、 轉(zhuǎn)矩指令用波形在系統(tǒng)的CRT上顯示。 (6) 通信功能除了通過RS-232C接口與微機(jī)進(jìn)行通信外， 有些系統(tǒng)還具備網(wǎng)絡(luò)通信接口，如F101112及FS15系統(tǒng)具有MAP2.1和MAP3.0接口板及配套產(chǎn)品，MAP2.1接口的調(diào)制系統(tǒng)是寬帶(AMPSK)，傳輸介質(zhì)是CATV的75 同軸電纜， 傳輸速率為10 Mbs。MAP3.0接口適用于10 Mbs寬帶技術(shù)和5 Mbs窄帶技術(shù)兩種傳輸方法， 窄帶調(diào)制解調(diào)器已做在MAP3.0接口板上。 (7) 控制功能實(shí)現(xiàn)平滑高增益(SHG, Smooth High Gain)的速度控制，同時(shí)大大降低位置指令的延時(shí)，縮短了定位時(shí)間。 在系統(tǒng)

49、內(nèi)部裝有能進(jìn)行順序控制的PMC，簡(jiǎn)化外部強(qiáng)電箱的配置，在MDICRT上進(jìn)行梯形圖的編輯和監(jiān)控。 (8) 診斷功能采用人工智能(專家系統(tǒng))，系統(tǒng)所具有的推理軟件， 以知識(shí)庫(kù)為根據(jù)，分析查找故障原因。 5.4.3 系統(tǒng)構(gòu)成1. FANUC 0系統(tǒng)FANUC 0系統(tǒng)是大板結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。一般由主電路板、 PLC板、附加IO板、圖形控制板和電源組成。主電路板是大印制電路板， 其他電路板為小板并插在大電路板上的插槽內(nèi)， 圖 5-21是FANUC 0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖， 圖5-22為FANUC OM系統(tǒng)構(gòu)成框圖。 圖 5-21 FANUC 0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖 5-22 FANUC OM系統(tǒng)構(gòu)成框圖 電網(wǎng)輸入

50、電壓經(jīng)強(qiáng)電柜中的變壓器輸出交流200 V電壓至電源單元，獲得直流24 V穩(wěn)壓電源，供CRTMDI和IO控制用。主印制電路板上有主CPU、RAM、ROM及外設(shè)接口，并帶有一個(gè)手搖脈沖發(fā)生器接口，通過MB87103位置控制用大規(guī)模集成電路完成位置控制；PMC印制電路板通過IO電路與機(jī)床外部輸入、輸出開關(guān)及機(jī)床操作面板實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制， 并通過接口與系統(tǒng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；圖形控制及PMC接口印制電路板實(shí)現(xiàn)CRT顯示及兩個(gè)手搖脈沖發(fā)生器的控制，并通過接口與系統(tǒng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通過增設(shè)IO印制電路板，實(shí)現(xiàn)第4軸位置控制的擴(kuò)展。 圖5-23所示為FANUC 0系統(tǒng)與系列交流驅(qū)動(dòng)單元的連接示意圖。 圖 5-

51、23 連接示意圖 2. FANUC 11系統(tǒng) 圖 5-24 FANUC 11數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) FANUC 11系統(tǒng)除能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)控制外，還能實(shí)現(xiàn)在線(后臺(tái))的自動(dòng)編程、加工過程和編程零件的圖形顯示以及與主機(jī)的通信等。該系統(tǒng)采用共享總線和共享存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)形式， 具有并行多任務(wù)實(shí)時(shí)處理的數(shù)控功能。按功能可劃分為基本的數(shù)控會(huì)話式自動(dòng)編程功能、CRT圖形顯示功能和機(jī)床控制器等功能，各功能有各自的CPU和存儲(chǔ)器。功能模塊包括如下部分： 1) 中央處理單元(CPU)系統(tǒng)共有四個(gè)CPU，主CPU為68000，自動(dòng)編程部分(CAP)為8086加上協(xié)處理器8087，圖形顯示為8086，可編程序機(jī)床控制器(PMC

52、)為68000， 這些CPU都是16位機(jī)。 2) 總線仲裁控制器(BAC)在多微處理器控制系統(tǒng)中，各CPU并行工作，CPU之間交換信息或CPU與系統(tǒng)的IO設(shè)備、內(nèi)存等資源交換信息時(shí)，都經(jīng)過系統(tǒng)的總線，通過總線仲裁控制器(BAC)分配總線的使用權(quán)。 BAC的主要功能為對(duì)總線的請(qǐng)求使用者進(jìn)行裁決，按優(yōu)先級(jí)分配總線的使用權(quán)，同時(shí)使沒有得到總線使用權(quán)的CPU處于等待狀態(tài)，這是一般總線控制器的功能。此外，BAC還具有位操作功能、并行直接存儲(chǔ)器存取(DMA)控制和串行DMA控制等特殊功能。 3) 接口(SSU)SSU是CNC裝置與機(jī)床和機(jī)器人等設(shè)備的接口。功能部件有： 位置控制芯片MB87103的讀/寫控

53、制，其輸出接坐標(biāo)軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置或主軸驅(qū)動(dòng)裝置，輸入是位置測(cè)量元件的位置反饋信號(hào)；與機(jī)器人、DNC主機(jī)等設(shè)備相連的RS-232C和RS-422接口；傳遞高速信息的高速I/O口及2 ms的插補(bǔ)定時(shí)器。 4) 操作板控制器(OPC)OPC用于和各種操作外設(shè)相連。主要包括鍵盤信號(hào)的接收與驅(qū)動(dòng)；CRT的控制接口；與紙帶閱讀機(jī)、穿孔機(jī)等外設(shè)相連的RS-232C接口和20 mA電流回路接口； 手搖脈沖發(fā)生器接口； 操作開關(guān)和顯示燈接口。 5) 輸入輸出控制器(I/OC) I/OC用于和機(jī)床的輸入輸出開關(guān)量信號(hào)相連，可接收或傳送機(jī)床可編程控制器(PMC)與機(jī)床側(cè)按鈕、限位開關(guān)、繼電器等之間的信號(hào)。 6) 存

54、儲(chǔ)器系統(tǒng)使用多種存儲(chǔ)器，且每個(gè)CPU都有自己的存儲(chǔ)器。大容量磁泡存儲(chǔ)器可達(dá)到4 MB，可存儲(chǔ)約4 km紙帶的零件程序； PMC的ROM為128 KB，順序邏輯程序可達(dá)16 000 步；系統(tǒng)控制程序ROM容量為256 KB。 7) 位置控制器位置控制器是和伺服系統(tǒng)連接的位置控制芯片MB87103。 該芯片內(nèi)部功能電路包括： DDA插補(bǔ)器， 用于實(shí)現(xiàn)細(xì)插補(bǔ)， 給各坐標(biāo)軸分配進(jìn)給脈沖； 位置誤差的比較與寄存； 誤差的脈寬調(diào)制，把位置誤差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖寬度； CMR、 DMR比例倍乘，使指令當(dāng)量、進(jìn)給脈沖當(dāng)量與進(jìn)給傳動(dòng)比一致起來； 位置測(cè)量信號(hào)的處理，當(dāng)使用脈沖編碼器時(shí)， 對(duì)相位差為90的兩相信號(hào)進(jìn)

55、行辨向與倍頻，當(dāng)使用感應(yīng)同步器或旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，產(chǎn)生正弦和余弦兩相勵(lì)磁信號(hào)等。 5.5 Siemens數(shù)控系統(tǒng)5.5.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介1. SINUMERIK 8系列數(shù)控系統(tǒng)20世紀(jì)80年代初期， Siemens公司推出了SINUMERIK 8系列數(shù)控系統(tǒng)，該系列產(chǎn)品適用于各種機(jī)床， 按其用途可分為8M8ME/8MECSprint 8MSprint 8MESprint 8MEC， 用于鉆床、銑床和加工中心，其中Sprint系列具有藍(lán)圖編程功能； 8MC/8MCE/8MCEC用于大型鏜銑床； 8TSprint 8T用于車床。 SINUMERIK 8系列CNC系統(tǒng)主要由主控制模板、電源模板、 存儲(chǔ)模板、

56、各種位置控制模板、測(cè)量接口模板、操作面板、 電源模板和譯碼電路模板、PLC與CNC接口模板(適用于外部用PLC)、 PLC和CNC信號(hào)傳遞模板(適用于集成PLC)及系統(tǒng)軟件模板等組成, 是一個(gè)多微處理器控制系統(tǒng)，所用主CPU為8086， 各種位置控制模板上的CPU也是8086。 SINUMERIK 8系列CNC系統(tǒng)最多可擴(kuò)展到控制12個(gè)坐標(biāo)軸， 可實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，它帶有SIMATIC S5 PLC?？删幊炭刂破鱌LC不僅能完成刀具管理和刀具壽命監(jiān)控的功能，還能進(jìn)行工件監(jiān)控和控制工件輸送設(shè)備。 2. SINUMERIK 3系列數(shù)控系統(tǒng) SINUMERIK 3系列CNC系統(tǒng)主要由中央處理單元、

57、 存儲(chǔ)器模塊、操作面板接口、外部連接接口、PLC中央處理單元、PLC存儲(chǔ)模塊、編程器接口、邏輯模塊及各種I/O模塊等組成。其中央處理單元的主CPU為8086，內(nèi)設(shè)或外設(shè)兩個(gè)PLC。NC和PLC之間設(shè)有很寬的窗口，可滿足機(jī)床的各種自動(dòng)加工功能的要求。這些要求包括換刀控制、數(shù)據(jù)傳送控制、刀具壽命監(jiān)控、 刀具和工件的測(cè)量和補(bǔ)償及計(jì)算機(jī)通信功能等。通過配置相應(yīng)的軟件， 可使SINUMERIK 3進(jìn)入柔性制造系統(tǒng)(FMS, Flexible Manufacture System)。 3. SINUMERIK 810820系列數(shù)控系統(tǒng)20世紀(jì)80年代中期，Siemens公司推出了810、820系列數(shù)控系統(tǒng)

58、。 810和820在體系結(jié)構(gòu)和功能上相似。 該系列產(chǎn)品分為M、T、G形等。M形用于鏜床、銑床和加工中心，T型用于車床，G形用于磨床。SINUMERIK 810820系列數(shù)控系統(tǒng)一般適用于中小型機(jī)床。 SINUMERIK 810820系列數(shù)控系統(tǒng)由CPU模塊、位置控制模塊、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器模塊、文字圖形處理模塊、接口模塊、 IO模塊、CRT顯示器及操作面板組成。 其中央單元的主CPU為80186，采用通道式結(jié)構(gòu)，有主通道和輔助通道。用RS-232C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信聯(lián)網(wǎng)，可使編程和操作簡(jiǎn)便、 運(yùn)行可靠、維修方便。 操作者可利用軟功能鍵在CRT上調(diào)用軟件菜單內(nèi)容， 輸入加工程序， 還可以快速模擬

59、程序。 20世紀(jì)90年代中期，Siemens公司推出了全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 810DDE，該系統(tǒng)最明顯的標(biāo)志就是采用ASIC芯片將控制和驅(qū)動(dòng)集成在一塊電路上。緊湊型控制單元(CCU)負(fù)責(zé)處理CNC、PLC的通信和閉環(huán)控制任務(wù)，控制器和驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)整體，它們之間沒有接口。 810DDE采用32位微處理器， 內(nèi)裝高性能的SIMATIC S7 PLC， 最多可控制5個(gè)進(jìn)給軸，分辨力為110-4 mm。CCU單元中包括了三個(gè)進(jìn)給軸的功率模塊(也可組合成2個(gè)進(jìn)給軸和1個(gè)主軸)，利用這一特點(diǎn)，只要配置一個(gè)電源模塊， 就可以組成一臺(tái)數(shù)控車床所需的驅(qū)動(dòng)裝置。 4. SINUMERIK 8508

60、80系列數(shù)控系統(tǒng)20世紀(jì)80年代后期，Siemens公司相繼推出了SINUMERIK 850、 880系列數(shù)控系統(tǒng)，850和880在體系結(jié)構(gòu)上相似，但在功能強(qiáng)度上有明顯的差別。該系列產(chǎn)品適用于高度自動(dòng)化水平的機(jī)床及柔性制造系統(tǒng)，有850M、 850T、 880M和880T等規(guī)格。 SINUMERIK 850880最多可控制30個(gè)主、輔坐標(biāo)軸和6個(gè)主軸， 可實(shí)現(xiàn)16個(gè)工位聯(lián)動(dòng)控制。 SINUMERIK 850880為緊湊型通道結(jié)構(gòu)、多微處理器數(shù)控系統(tǒng)，其主CPU為80386，除了數(shù)控用CPU之外，還有伺服用CPU、 通信用CPU及PLC用CPU。上述CPU除通信用CPU外均可擴(kuò)展至24個(gè)CPU。