數控系統(tǒng)的硬件和軟件課件

第4章數控系統(tǒng)的硬件和軟件4.1概述4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.4數控系統(tǒng)的通信4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.6數控機床用可編程序控制器第4章數控系統(tǒng)的硬件和軟件4.1概述4.1概述4.1.1計算機數控系統(tǒng)的概念按照美國電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustriesAssociation----EIA)數控標準化委員會的定義，計算機數控(CNC)系統(tǒng)是用計算機通過執(zhí)行其存儲器內的程序來完成數控要求的部分或全部功能，并配有接口電路、伺服驅動的一種專用計算機系統(tǒng)。下一頁返回4.1概述4.1.1計算機數控系統(tǒng)的概念下一頁返回4.1概述CNC系統(tǒng)根據輸入的程序(或指令)，由計算機進行插補運算，形成理想的運動軌跡。插補計算出的位置數據輸出到伺服單元，控制電動機帶動執(zhí)行機構，加工出所需要的零件。

CNC系統(tǒng)是由程序、輸入輸出設備、計算機數字控制裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅動和進給驅動裝置等組成。數控系統(tǒng)的核心是CNC裝置，如圖4-1所示。下一頁上一頁返回4.1概述CNC系統(tǒng)根據輸入的程序(或4.1概述4.1.2計算機數控裝置的組成

CNC裝置由硬件和軟件組成。硬件由微處理器（CPU）、存儲器、位置控制、輸入/輸出（I/O）接口、可編程序控制器（PLC）、圖形控制、電源等模塊組成，硬件組成如圖4-2所示。軟件則由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。為了實現CNC系統(tǒng)各項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，CNC裝置對輸入的加工程序自動進行處理并發(fā)出相應的控制指令及進給控制信號。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件組成，如圖4-3所示。管理軟件承擔零件加工程序的輸入輸出、I/O處理、系統(tǒng)的顯示和故障診斷。控制軟件則承擔譯碼處理、刀具補償、速度處理、插補運算、位置控制等工作。下一頁上一頁返回4.1概述4.1.2計算機數控裝置的組成下一頁上一頁4.1概述1．計算機數控裝置中的微型計算機微型計算機（以下簡稱微機）是計算機數控裝置中的核心，與通用計算機一樣，它包括中央處理器(CPU)、內部存儲器、I/O接口以及時鐘、譯碼等輔助電路。下一頁上一頁返回4.1概述1．計算機數控裝置中的微型計算機下一頁上一頁返4.1概述

中央處理器(CPU)由運算器和控制器兩部分組成。運算器是對數據進行算術和邏輯運算的部件。在運算過程中，運算器不斷地得到由存儲器提供的數據，并將運算的中間結果送回存儲器暫時保存起來?？刂破鲝拇鎯ζ髦幸来稳〕鼋M成程序的指令，經過譯碼后向數控系統(tǒng)的各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，使指令得以執(zhí)行。

下一頁上一頁返回4.1概述中央處理器(CPU)由運算4.1概述

存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件和零件加工程序，并將運算的中間結果以及處理后的結果儲存起來。它包括存放系統(tǒng)控制軟件的存儲器(ROM)和存放中間數據的存儲器(RAM)兩部分。ROM中的系統(tǒng)控制軟件程序是由數控系統(tǒng)生產廠家寫入的，用來完成CNC系統(tǒng)的各項功能。

下一頁上一頁返回4.1概述存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件和零4.1概述

輸入/輸出接口是中央處理器和外界聯(lián)系的通路，它提供物理的連接手段，完成必要的數據格式和信號形式的轉換。I/O接口按功能可分為兩類：一類連接常規(guī)的輸入輸出設備以實現程序的輸入輸出及人機交互的界面，稱之為通用的I/O接口；另一類則連接專用的控制和檢測裝置，實現機床的位置和工作狀態(tài)的控制與檢測，這是CNC系統(tǒng)專有的，稱之為機床控制I/O接口。下一頁上一頁返回4.1概述輸入/輸出接口是中央處理器和外界4.1概述2．輸入/輸出裝置輸入/輸出部分包括各種類型的輸入/輸出設備（又稱外部設備）以及輸入/輸出接口控制部件。其外部設備主要包括光電閱讀機、CRT顯示器、鍵盤、穿孔機以及面板等。其中光電閱讀機是用來輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序的；CRT作為顯示器及監(jiān)控之用；鍵盤主要用作輸入操作命令及編輯修改數據，也可以用作少量零件加工程序的輸入；穿孔機則作為復制零件程序紙帶之用，以便保存和檢查零件程序；操作面板可供操作員改變操作方式，輸入設定數據以及啟停加工等。典型的輸入/輸出接口控制部件有紙帶輸入機接口、盒式磁帶輸入機接口、數控系統(tǒng)操作面板接口、進給伺服控制接口以及字符顯示器（CRT）接口等。下一頁上一頁返回4.1概述2．輸入/輸出裝置下一頁上一頁返回4.1概述3．可編程序控制器（PLC）數控機床的控制在控制側(即NC側)有各坐標軸的運動控制，在機床側(即MT側)有各種執(zhí)行機構的邏輯順序控制?？删幊绦蚩刂破魈幱贜C和MT之間，對NC和MT的輸入、輸出信息進行處理，用軟件實現機床側的控制邏輯，亦即用PLC提高CNC系統(tǒng)的靈活性、可靠性和利用率，并使結構更緊湊。下一頁上一頁返回4.1概述3．可編程序控制器（PLC）下一頁上一頁返回4.1概述

數控機床用可編程序控制器有內裝型(BuiltinType)和獨立型(Stand-aloneType)兩種。

PLC的應用程序(ApplicationProgram)，即PLC程序，通常用梯形圖表示。編制PLC程序的設備有PLC專用編程機、編程器、有PLC編程功能的CNC系統(tǒng)或配有PLC編程系統(tǒng)軟件的個人計算機(或工作站)。下一頁上一頁返回4.1概述數控機床用可編程序控制器有內4.1概述4．位置控制裝置位置控制裝置由伺服機構和執(zhí)行元件組成。伺服機構包括速度控制單元和位置控制單元兩部分。經插補運算得到的每個坐標軸在單位時間間隔內的位移量送往位置控制單元，由它生成伺服電動機速度指令發(fā)往速度控制單元。速度控制單元接收速度反饋信號，對伺服電動機進行速度閉環(huán)控制；同時位置控制單元接收實際位置反饋，并修正速度指令，實現機床運動的準確控制。執(zhí)行元件可以是交流或直流伺服電動機。下一頁上一頁返回4.1概述4．位置控制裝置下一頁上一頁返回4.1概述4.1.3計算機數控裝置的工作原理

CNC裝置在其硬件環(huán)境支持下，按照系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控制邏輯，對輸入、譯碼處理、數據處理、刀具補償、速度控制、插補運算與位置控制、I/O處理、顯示和診斷等方面進行控制。下一頁上一頁返回4.1概述4.1.3計算機數控裝置的工作原理下一頁上4.1概述1．輸人輸入到CNC裝置的有零件加工程序、控制參數和補償數據。常用的輸入方式有鍵盤手動輸入、光電閱讀機紙帶輸入、磁盤輸入、磁帶輸入、通信接口RS-232輸入、連接上一級計算機的DNC接口輸入以及通過網絡通信方式輸入。CNC裝置在輸入過程中還需完成程序檢驗和代碼轉換等工作。輸入的全部信息存放在CNC裝置的內部存儲器中。下一頁上一頁返回4.1概述1．輸人下一頁上一頁返回4.1概述2．譯碼處理譯碼處理程序將零件程序以程序段為單位進行處理，每個程序段中含有零件的輪廓信息、要求的加工速度以及其他的輔助信息(換刀、切削液開停等)，這些信息在計算機作插補運算與控制操作之前必須翻譯成計算機內部能識別的語言，譯碼程序就承擔著此項任務。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現語法錯誤便立即報警。下一頁上一頁返回4.1概述2．譯碼處理下一頁上一頁返回4.1概述3．數據處理數據處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能的處理等。一般來說，對輸入數據處理的程序的實時性要求不高。輸入數據處理進行得充分一些，可減輕加工過程中實時性較強的插補運算及速度控制程序的負擔。下一頁上一頁返回4.1概述3．數據處理下一頁上一頁返回4.1概述4．插補運算及位置控制插補運算程序完成CNC系統(tǒng)中插補器的功能，即實現坐標軸脈沖分配的功能。脈沖分配包括點位、直線以及曲線三個方面，由于現代微機具有完善的指令系統(tǒng)和相應的算術子程序，給插補計算提供了許多方便?？梢圆捎靡恍└奖愕臄祵W方法提高輪廓控制的精度，而不必顧忌會增加硬件線路。

下一頁上一頁返回4.1概述4．插補運算及位置控制下一頁上一頁返回4.1概述

插補運算的結果輸出，經過位置控制部分(這部分工作既可由軟件完成，也可由硬件完成)控制伺服系統(tǒng)運動，控制刀具按預定的軌跡加工。位置控制的主要任務是在每個采樣周期內，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電動機。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。下一頁上一頁返回4.1概述插補運算的結果輸出，經過位置控制4.1概述

水平較高的管理程序可使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時刻進行數據的輸入處理，即調用各功能子程序，完成下一數據段的讀入、譯碼和數據處理工作，且保證在本數據段加工過程中將下一數據段準備完畢，一旦本數據段加工完畢就立即開始下一數據段的插補加工。有的管理程序還安排進行自動編程工作，或對系統(tǒng)進行必要的預防性診斷。下一頁上一頁返回4.1概述水平較高的管理程序可使多道程序并行4.1概述5．輸入/輸出處理輸入/輸出處理主要是處理CNC裝置和機床之間來往信號輸入、輸出和控制。CNC裝置和機床之間必須通過光電隔離電路進行隔離，確保CNC裝置穩(wěn)定運行。下一頁上一頁返回4.1概述5．輸入/輸出處理下一頁上一頁返回4.1概述6．顯示

CNC裝置顯示主要是為操作者提供方便，通常應具有：零件程序顯示、參數顯示、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6．顯示下一頁上一頁返回4.1概述7．診斷程序

CNC裝置利用內部自診斷程序可以進行故障診斷，主要有啟動診斷和在線診斷兩種。啟動診斷是指CNC裝置每次從通電開始至進入正常的運行準備狀態(tài)中，系統(tǒng)相應的自診斷程序通過掃描自動檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關外設等是否正常。只有當檢查到的各個項目都確認正確無誤后，整個系統(tǒng)才能進入正常運行的準備狀態(tài)。否則，CNC裝置將通過網絡、TFT、CRT或用硬件（如發(fā)光二極管）報警方式顯示故障的信息。此時，啟動診斷過程不能結束，系統(tǒng)不能投入運行。只有排除故障之后CNC裝置才能正常運行。下一頁上一頁返回4.1概述7．診斷程序下一頁上一頁返回4.1概述

在線診斷是指在系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)中，由系統(tǒng)相應的內裝診斷程序，通過定時中斷掃描檢查CNC裝置本身及外設。只要系統(tǒng)不停電，在線診斷就持續(xù)進行。上一頁返回4.1概述在線診斷是指在系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.1按硬件制造方式分類

CNC系統(tǒng)硬件結構根據其硬件制造方式的不同可分為兩類：專用型CNC系統(tǒng)和個人計算機式CNC系統(tǒng)。下一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.1按硬件制造方式分類4.2數控系統(tǒng)的硬件結構1．專用型CNC系統(tǒng)這類CNC系統(tǒng)的硬件由各制造廠專門設計和制造的，沒有通用性。其中，又有大板式結構和模塊化結構之分。大板式結構的CNC裝置一般由主電路板、PLC板、附加I/O板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印制板，其他電路板為小板并插在大電路板上的插槽內，大板結構示意圖如圖4-4所示。大板式結構緊湊，體積小，可靠性高，有很高的性價比，也便于機床的一體化設計。但它的硬件功能不易變動，不利于組織生產。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構1．專用型CNC系統(tǒng)下一頁上一頁4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

模塊化結構的CNC裝置，是將整個CNC裝置按功能劃分為若干個功能模塊，每個功能模塊的硬件按模塊化方法設計成尺寸相同的印刷電路板（稱為功能模板），各板均可插到符合相應工業(yè)標準總線的母板的插槽內。功能模塊的控制軟件也是模塊化的。于是可按積木形式構成CNC裝置，使設計簡單，調試與維修方便，具有良好的適應性和擴展性。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構模塊化結構的CNC4.2數控系統(tǒng)的硬件結構2．個人計算機式CNC系統(tǒng)以往CNC系統(tǒng)硬件由不同NC制造廠設計和制造，硬件彼此間不能交換及替代。近幾年采用工業(yè)標準計算機亦即工業(yè)PC機作為CNC系統(tǒng)的支撐平臺，不同數控制造廠僅需插入自己的控制卡和CNC軟件即可構成CNC系統(tǒng)，不設計專門的硬件。由于工業(yè)標準計算機的生產數以百萬計，其生產成本很低，繼而也就降低了CNC系統(tǒng)的成本。若工業(yè)PC機出現故障，修理及更換均很容易。美國ANILAM公司和AI公司生產的CNC系統(tǒng)均屬這種類型。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構2．個人計算機式CNC系統(tǒng)下一頁4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.2按所用的CPU分類

CNC系統(tǒng)硬件結構一般分為單微處理器和多微處理器兩大類。初期的CNC和現有一些經濟型CNC采用單微處理器結構。隨著機械制造技術的發(fā)展，對數控機床提出復雜功能、高進給速度和高加工精度的要求，以及適應更高層次的自動化FMS和CIMS的要求，因此多微處理器結構得到迅速發(fā)展，它反映了當今數控系統(tǒng)的新水平。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.2按所用的CPU分類4.2數控系統(tǒng)的硬件結構1．單微處理器結構的數控系統(tǒng)在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制，分時處理數控的各個任務。而有的CNC系統(tǒng)雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源；而其他微處理器成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器。它們組成主從結構，故被歸類于單微處理器結構中。單微處理器結構框圖如圖4-5所示。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構1．單微處理器結構的數控系統(tǒng)下一4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

單微處理器結構的基本組成如下：①微處理器和總線；②存儲器；③紙帶閱讀機接口；④紙帶穿孔機和電傳機接口；⑤I/O接口；⑥MDI/CRT接口，⑦位置控制器；⑧PLC。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構單微處理器結構的基本4.2數控系統(tǒng)的硬件結構單微處理器結構的CNC系統(tǒng)具有如下一些特點：(1)CNC系統(tǒng)內只有一個微處理器，對存儲、插補運算、輸入/輸出控制、CRT顯示等功能都由它集中控制分時處理。(2)微處理器通過總線與存儲器、輸入/輸出控制等各種接口相連，構成CNC系統(tǒng)。(3)結構簡單，制造容易。(4)單微處理器因為只有一個微處理器集中控制，其功能將受微處理器字長、數據寬度、尋址能力和運算速度等因素限制。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構單微處理器結構的CNC系統(tǒng)具有如4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

由于插補等功能由軟件來實現，因此數控功能的實現與處理速度成為一對突出的矛盾。為解決這個矛盾，可以增加浮點協(xié)處理器，由硬件分擔精插補，采用有微處理器的PLC和CRT等智能部件，或者采用多微處理器的結構。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構由于插補等功能由軟件4.2數控系統(tǒng)的硬件結構2．多微處理器結構的數控系統(tǒng)（1）多微處理器的特點①性價比高采用多微處理器完成各自特定的功能，適應多軸控制、高精度、高進給速度、高效率的控制要求，同時，因單個低規(guī)格CPU的價格較為便宜，因此其性能價格比較高。②模塊化結構采用模塊化結構具有良好的適應性與擴展性，結構緊湊，調試、維修方便。③通信功能強大具有很強的通信功能，便于實現FMS、FA、CIMS。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構2．多微處理器結構的數控系統(tǒng)下一4.2數控系統(tǒng)的硬件結構（2）多微處理器結構的組成多微處理器結構的CNC裝置，一般由六種功能模塊組成，通過增加相應的功能模塊，可實現一些特殊功能。

①CNC管理模塊該模塊管理和組織整個CNC系統(tǒng)各功能協(xié)調工作，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)錯誤識別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。該模塊還完成數控代碼編譯、坐標計算和轉換、刀具半徑補償、速度規(guī)劃和處理等插補前的預處理。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構（2）多微處理器結構的組成下一頁4.2數控系統(tǒng)的硬件結構②CNC插補模塊該模塊根據前面的編譯指令和數據進行插補計算，按規(guī)定的插補類型通過插補計算為各個坐標提供位置給定值。③位置控制模塊插補后的坐標作為位置控制模塊的給定值，而實際位置通過相應的傳感器反饋給該模塊，經過一定的控制算法，實現無超調、無滯后、高性能的位置閉環(huán)。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構②CNC插補模塊該模塊根據前4.2數控系統(tǒng)的硬件結構④PLC模塊零件程序中的開關功能和由機床來的信號在這個模塊中作邏輯處理，實現各功能和操作方式之間的連鎖，機床電氣設備的啟停、刀具交換、轉臺分度、工件數量和運轉時間的計數等。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構④PLC模塊零件程序中的開關4.2數控系統(tǒng)的硬件結構⑤操作面板監(jiān)控和顯示模塊零件程序、參數、各種操作命令和數據的輸入(如軟盤、硬盤、鍵盤、各種開關量和模擬量的輸入、上級計算機輸入等)、輸出(如通過軟盤、硬盤、各種開關量和模擬量的輸出、打印機)、顯示(如通過LED、CRT、LCD等)所需要的各種接口電路。⑥存儲器模塊該模塊指程序和數據的主存儲器，或功能模塊間數據傳送用的共享存儲器。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構⑤操作面板監(jiān)控和顯示模塊零件4.2數控系統(tǒng)的硬件結構（3）多微處理器系統(tǒng)的典型結構在處理器中有一個作為主處理器負責管理和協(xié)調系統(tǒng)中所有處理器的工作。每個處理器有各自的存儲器及控制程序，當需要占用系統(tǒng)總線及其他公用資源(如存儲器、I/O設備)時，需申請占用總線，由主處理器按各個處理器優(yōu)先級決定由誰來使用總線。如圖4-6所示為一典型的多處理器CNC系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中共有四個微處理器模塊板，在主處理器的統(tǒng)一管理下分擔不同的控制任務。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構（3）多微處理器系統(tǒng)的典型結構下4.2數控系統(tǒng)的硬件結構①微處理器1主處理器，主要處理與外部設備之間的輸入與輸出，同時負責系統(tǒng)總線的管理和任務調配。②微處理器2完成零件加工程序的譯碼、預處理計算，負責刀具長度與半徑補償，實現刀具軌跡計算、工作循環(huán)和子程序的管理等功能。③微處理器3完成直線和圓弧插補與位置控制工作。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構①微處理器1主處理器，主要處4.2數控系統(tǒng)的硬件結構④微處理器4實現可編程序控制器功能，通過輸入、輸出模塊與機床相連，它把加工程序指令的輔助動作發(fā)往機床，控制如主軸起停、換刀等動作，同時也從機床各部件接收反饋信號加以處理。此外，還有主存儲器模塊、主軸控制模塊等。上述系統(tǒng)中各微型計算機模塊均采用16位8086CPU，并在有關模塊上配置8087浮點運算協(xié)處理器，它是一種功能強、靈活性大的CNC系統(tǒng)。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構④微處理器4實現可編程序控制4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.332位微處理器CNC系統(tǒng)如圖4-7所示為FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)組成情況。這個系統(tǒng)采用了32位CPU，這樣使得從輸入NC數據到計算出伺服電動機位移量的CNC功能處理速度大大提高。此外，采用伺服電動機內裝高速響應和高分辨率的脈沖編碼器，使系統(tǒng)的快速進給速度和切削速度在分辨率為1μm時達到了100m/min，從而實現了位置控制的高速、高精度性能。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構4.2.332位微處理器CN4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

為了實現機床邏輯動作的高速處理，FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)采用了高速可編程序機床控制器(PLC)，實現對階梯圖語言的高速處理。FANUC公司開發(fā)了PLC專用的處理器，使得PLC的基本指令為0.25μs/步，這樣FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)就具備了M、S、T的高速處理功能，因此允許在一個加工程序段內多次指令M、S、T功能，大大縮短了加工循環(huán)時間。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構為了實現機床邏輯動作4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

在FANUCFSl5系列CNC系統(tǒng)以后開發(fā)的FANUCFSl6和FSl8系列CNC系統(tǒng)中，集中了更多的新技術，不但使數控系統(tǒng)適用于單機數控機床，而且還適用于CIMS系統(tǒng)。在FANUCFSl6和FSl8系列CNC系統(tǒng)中采用了32位精簡指令集(RISC)和復雜指令集(CISC)的多CPU及32位多總線，大大提高了數據處理和數據傳送速度，實現了最小的移動單位和最大的進給速度，便于用微小程序段，以高速度、高精度加工形狀復雜的模具或其他復雜零件。下一頁上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構在FANUC4.2數控系統(tǒng)的硬件結構

通過連接單元可將CNC系統(tǒng)并入網絡構成FMS與CIMS。此外，CNC系統(tǒng)具有機器人控制功能，機器人直接可安裝在機床上，構成一體化加工單元。總之，現代CNC系統(tǒng)正朝著高速、高精度、智能化與系統(tǒng)化方向飛速發(fā)展。上一頁返回4.2數控系統(tǒng)的硬件結構通過連接單元可將C4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.1CNC裝置的輸入/輸出和通信要求一般對CNC裝置輸入、輸出和通信有四方面的要求：其一，用戶要能將數控命令、代碼輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)要具備撥盤、紙帶、鍵盤、軟驅、串口、網絡之類的設備。其二，需具備按程序對繼電器、電機等進行控制的能力和對相關開關量(如超程、機械原點等)進行檢測的能力。

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其三，系統(tǒng)有操作信息提示，用戶能對系統(tǒng)執(zhí)行情況、電機運動狀態(tài)等進行監(jiān)視，系統(tǒng)需配備有LED(LightEmittingDiode，數碼管)，CRT(CathodeRayTube，陰極射線管)，LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶顯示器)，TFT(ThinFilmTransistor，薄膜晶體管)等顯示接口電路。其四，隨著工廠自動化(FactoryAutomation，FA)及計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展，CNC裝置作為分布式數控系統(tǒng)(DNC)及柔性制造系統(tǒng)FMS的重要基礎部件，應具有與DNC計算機或上級主計算機直接通信的功能或網絡通信功能，以便于系統(tǒng)管理和集成。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口其三，系統(tǒng)有操作4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.2數控系統(tǒng)的I／O接口電路的作用和要求一般接收機床操作面板上的開關、按鈕信號、機床的各種開關信號，把某些工作狀態(tài)顯示在操作面板的指示燈上，把控制機床的各種信號送到強電柜等工作都要經過I/O接口來完成。因此，I/O接口是CNC裝置和機床、操作面板之間信號交換的轉換接口。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.2數控系統(tǒng)的I／O4.3數控系統(tǒng)的I/O接口I/O接口電路的作用和要求是：（1）進行必要的電隔離，防止干擾信號的串入和強電對系統(tǒng)的破壞。（2）進行電平轉換和功率放大，CNC系統(tǒng)的信號往往是TTL脈沖或電平信號，而機床提供和需要的信號卻不一定是TTL信號，而且有的負載比較大，因此需要進行信號的電平轉換和功率放大。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口I/O接口電路的作用和要求是：4.3數控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-8所示為開關量信號輸入接口電路，常用于限位開關、手持點動、刀具到位、機械原點、傳感器的輸入等，對于一些有過渡過程的開關量還要增加適當的電平整形轉換電路。圖4-9為開關量信號輸出接口電路，可用于驅動24V小型繼電器。在這些電路中要根據信號特點選擇相應速度、耐壓、負載能力的光電耦合器和三極管。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-8所示為開4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.3機床I／O接口機床控制I/O接口的有關電路：1．光電隔離電路為了防止強電系統(tǒng)干擾及其他干擾信號通過通用I/O接口進入微機，影響其工作，通常采用光電隔離的方法，即外部信號需經過光電耦合器與微機發(fā)生聯(lián)系，外部信號與微機無直接的電氣聯(lián)系。光電耦合器是一種以光的形式傳遞信號的器件，其輸入端為一發(fā)光二極管，輸出端為光敏器件。如發(fā)光二極管導通發(fā)光，光敏器件就受光而導通；反之光敏器件截止。這樣就通過光電耦合器實現了信息的傳遞。

下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.3機床I／O接口下4.3數控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-10所示為常見的幾種光電耦合器，其中：普通型工作頻率在100kHz以下；高速型由于響應速度高，工作頻率可達1MHz。以上兩種光電耦合器主要用于信號的隔離。達林頓輸出型由于輸出部分構成達林頓形式，從而可以直接驅動繼電器等器件；晶閘管輸出型的輸出部分為光控晶閘管，它通常用于交流大功率的隔離驅動場合。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-10所示為4.3數控系統(tǒng)的I/O接口

如圖4-11為一典型的光電隔離電路。圖（a）為同相輸出電路，圖（b）為反相輸出電路?？刂菩盘柦?4LS05集電極開路門反相后驅動光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當控制信號為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)光二極管不導通，從而輸出的發(fā)光三極管截止，同相電路輸出電壓為零電平，反相電路輸出電壓為高電平（12V）。當控制信號為高電平，74LS05吸收電流，發(fā)光二極管導通發(fā)光，光敏三極管受到激勵導通。同相輸出高電平（接近12V），反相輸出電平接近零。

下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口如圖4-114.3數控系統(tǒng)的I/O接口光電隔離電路有以下方面的作用：(1)隔離作用。它將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電，信息通過光電轉換單向傳遞。另外，由于光電耦合器輸入與輸出端之間的絕緣電阻非常大，寄生電容很小，所以干擾信號很難從輸出端反饋到輸入端，從而較好地隔離了干擾信號。(2)進行信號電平轉換。隔離電路通過光電耦合器能很方便地將微機的輸出信號變成+12V的信號。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口光電隔離電路有以下方面的作用：4.3數控系統(tǒng)的I/O接口2．信息轉換電路信息轉換電路主要完成以下幾個方面的轉換：(1)數字脈沖轉換在使用以步進電動機為驅動元件的計算機數控裝置中，由于步進電動機的驅動信號為脈沖電平，所以要進行數字脈沖轉換。應用微機很容易實現數字脈沖的轉換工作。只要按照一定的相序向I/O接口分配脈沖序列，脈沖信號經光電隔離和功率放大后，就可控制步進電動機按一定的方向轉動。數字脈沖轉換接口電路如圖4-12所示。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口2．信息轉換電路下一頁上一頁返4.3數控系統(tǒng)的I/O接口(2)D/A、A/D轉換機床控制I/O接口中，還常用到D/A、A/D轉換。如圖4-13所示為采用直流伺服電動機的控制回路中，就增加了D/A轉換電路。微機送出的對應伺服電動機轉速的數字量經D/A轉換電路轉換，就成為模擬電壓信號，控制伺服電動機的運轉。下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口(2)D/A、A/D轉換4.3數控系統(tǒng)的I/O接口(3)弱電強電轉換計算機數控系統(tǒng)中的微機信號一般要經過功率放大后，才能控制主軸電動機等執(zhí)行元件的動作，而這些動作與強電系統(tǒng)有關。如圖4-14所示為一典型的交流電動機控制回路。微機送出電動機啟停信號，經光電隔離、功率放大等來控制交流電動機的運轉或停止。

下一頁上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口(3)弱電強電4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.4通用I／O接口通用I/O接口部分是指外部設備與微處理器之間的聯(lián)接電路。一般情況下，外部設備與存儲器之間不能直接通信，必須靠微處理器傳遞信息。通過微處理器對通用I/O接口的讀/寫操作，完成外部設備與微處理器之間信息的輸入或輸出。根據通用I/O接口傳輸信息的方向不同，將微處理器向外部設備送出信息的接口稱之為輸出接口，將外部設備向微處理器傳送信息的接口稱之為輸入接口。除了這兩種單向接口外，還有一種具有兩個方向都可以傳送信息的雙向接口。上一頁返回4.3數控系統(tǒng)的I/O接口4.3.4通用I／O接口上4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.1概述現代CNC系統(tǒng)都使用標準串行通信接口與其他微型計算機相連，進行點對點通信，實現零件程序和參數的傳送。為了適應工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展，CNC裝置作為分布式數控系統(tǒng)(DNC)及柔性制造系統(tǒng)(FMS)的基礎組成部分，應該具有與DNC計算機或上級主計算機直接通信功能或網絡通信功能。下一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.1概述下一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信CNC系統(tǒng)作為獨立控制單臺機床的設備時，通常需要與下列設備相接，并進行數據通信。(1)輸入/輸入設備如打印和穿復校裝置(TTY)、零件和可編程控制器的程編機、上位計算機、顯示器與鍵盤、磁盤驅動器等。(2)外部機床控制面板在數控機床的操作過程中，為了操作方便，，豐往在機床外側設置一個機床操作面板。數控系統(tǒng)需要與它的操作面板進行通信聯(lián)系。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信CNC系統(tǒng)作為獨4.4數控系統(tǒng)的通信(3)手搖脈沖發(fā)生器在手工操作過程中，數控系統(tǒng)需要與手搖脈沖發(fā)生器進行信息交換。(4)進給驅動線路和主軸驅動線路一般情況下，這兩部分與數控系統(tǒng)距離很近，直接通過內部連線相連，它們之間不設置通用的輸入/輸出接口。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信(3)手搖脈沖發(fā)生器在手工操作過4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.2CNC系統(tǒng)的異步串行接口1．串行通信通信的基本方式可分為并行通信和串行通信兩種。并行通信是指數據的各位同時進行傳送，其特點是傳輸速度快，但當距離較遠、位數較多時，導致了通信線路復雜且成本高。串行通信是指數據一位位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現通信，并可利用電話線，從而大大地降低了成本，特別適用于遠距離通信，但傳送速度慢。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.2CNC系統(tǒng)的異步串行接4.4數控系統(tǒng)的通信

串行通信本身又分為異步通信與同步通信兩種。異步通信是指通信中兩個字符間時間間隔是不固定的，然而在同一字符中的兩個相鄰位代碼的時間間隔是固定的。同步通信則在通信過程中每個字符間的時間間隔是相等的，而每個字符中的兩個相鄰位代碼的時間間隔也是固定的，它適用于信息量大的遠程通信系統(tǒng)。異步通信與同步通信的數據格式如圖4-15所示。CNC系統(tǒng)的串行通信一般采用異步通信，所以本書主要介紹異步通信。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信串行通信本身又分為異步通4.4數控系統(tǒng)的通信異步通信要求在發(fā)送每一個字符時都要在數據位的前面加一位起始位，在數據位的后面要有1位或1．5位或2位的停止位。在數據位和停止位之間可以有一位奇偶校驗位，數據位可以是5～8位長。在串行通信中，串行數據傳送是在兩個通信端之間進行的。根據數據傳送方向的不同有如圖4-16所示的三種方式：

下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信異步通信要求在發(fā)送每一個字符時4.4數控系統(tǒng)的通信①單工方式，只允許數據按照一個固定的方向傳送，數據不能從B站傳送到A站，在這種方式中一方只能發(fā)送，而另一方只能作為接收站；②半雙工方式，數據能從A站傳送到B站，也能從B站傳送到A站，但是不能同時在兩個方向上傳送，每次只能有一個站發(fā)送，一個站接收；③全雙工方式，通信線路的兩端都能同時傳送和接收數據，數據可以同時在兩個方向上傳送。全雙工方式相當于把兩個方向相反的單工方式組合在一起，而且它需要兩路傳輸線。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信①單工方式，只允許數據按照一個固定的4.4數控系統(tǒng)的通信長距離通信時，通常要用電話線傳送。由于用電話線傳送一個頻率為1000～2000Hz的正弦波模擬信號時，能以較小的失真進行傳輸，所以在遠距離通信時，發(fā)送方要用調制器把數字信號轉換為模擬信號，接收方用解調器檢測發(fā)送端送來的模擬信號，再把它轉換成數字信號，這就是信號的調制和解調，如圖4-17所示，實現調制和解調任務的裝置稱為信號的調制解調器(Modem)或稱為數傳機(Dataset)。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信長距離通信時，通常要用電話線傳送4.4數控系統(tǒng)的通信頻移鍵控(FSK)法是一種常用的調制方法：它把數字信號“1”與“0”調制成易于鑒別的兩個不同頻率的模擬信號，其原理如圖4-18所示。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信頻移鍵控(FSK)法是一種常用的4.4數控系統(tǒng)的通信2．RS-232C標準在串行通信中，廣泛應用的標準是RS-232C。它是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1969年公布的數據通信標準。RS是推薦標準(Recomendedstandard)的英文縮寫，232C是標準號，該標準定義了數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)之間的連接信號的含義及其電壓信號規(guī)范等參數。其中DTE可以是計算機，DCE一般指調制解調器，表示為MODEM。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信2．RS-232C標準下一頁上一頁返4.4數控系統(tǒng)的通信為實現串行通信并保證數據的正確傳輸，要求通信雙方遵循某種約定的規(guī)程。目前在微型計算機與數控系統(tǒng)中最常用的是異步通信控制規(guī)程，或稱異步通信協(xié)議。其特點是通信雙方以一幀作為數據傳輸單位，每一幀從起始位開始，后跟數據位(位長度可選)和奇偶位(奇偶檢驗可選)，最后以停止位結束。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信為實現串行通信并保證數據的正確傳4.4數控系統(tǒng)的通信（1）針腳定義

RS-232C接口是一個具有25針腳的D型連接器。它定義了20條可同外界通信設備連接的信號線(1條為保護地，4條沒有定義)，并對傳輸信號電平作了明確規(guī)定。

CNC系統(tǒng)側的RS-232C的針腳定義如表4-1所示。在微型計算機側中，RS-232C接口有25針和9針兩種，它們的針腳定義如表4-2和表4-3所示。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信（1）針腳定義下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信（2）CNC系統(tǒng)與計算機的串行連接現代數控機床或加工中心都具有標準的RS-232C串行通信端口。配備SINUMERIK802D數控系統(tǒng)的數控機床或加工中心與微型計算機的連線方式如圖4-19所示。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信（2）CNC系統(tǒng)與計算機的串行連接下4.4數控系統(tǒng)的通信3．RS-232C／20mA接口在CNC系統(tǒng)中，RS-232C接口用以連接輸入輸出設備(PTR，PP或TTY)、外部機床控制面板或手搖脈沖發(fā)生器。傳輸速率不超過9600bit/s。SIEMENS的CNC中規(guī)定連接距離不超過50m。在CNC系統(tǒng)中標準的RS-232C/20mA接口結構如圖4-20所示。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信3．RS-232C／20mA接口下一4.4數控系統(tǒng)的通信4．RS-422/RS-449接口標準為了彌補RS-232C的不足，提出了新的接口標準RS-422/RS-449。RS-422標準規(guī)定了雙端平衡電氣接口模塊。RS-449規(guī)定了這種接口的機械連接標準，即采用37個引腳的連接器，與RS-232C的25個引腳插座不同。這種平衡發(fā)送能保證更可靠、更快速的數據傳送。它采用雙端驅動器發(fā)送信號，而用差分接收器接收信號，能抗傳送過程中的共模干擾，還允許線路有較大信號衰減，這樣可使傳送頻率高得多，傳送距離也比RS-232C遠得多。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信4．RS-422/RS-449接口標4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.3CNC系統(tǒng)的網絡通信接口當前對生產自動化提出很高的要求，生產要有很高的靈活性并能充分利用制造設備資源。為此，計算機通過工業(yè)局部網絡(LAN)將CNC系統(tǒng)和各種系統(tǒng)中的設備連網，以構成FMS或CIMS。連網時應能保證高速和可靠地傳送數據和程序。

下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信4.4.3CNC系統(tǒng)的網絡通信接4.4數控系統(tǒng)的通信從計算機網絡技術看，計算機網絡是通過通信線路并根據一定的通信協(xié)議互連起來的獨立自主的計算機的集合。CNC系統(tǒng)可以看作是一臺具有特殊功能的專用計算機。計算機的互連是為了交換信息，共享資源。工廠范圍內應用的主要是局部網絡(LAN)，通常它有距離限制(幾公里)，較高的傳輸速率，較低的誤碼率和可以采用各種傳輸介質(如電話線、雙絞線、同軸電纜和光導纖維)。ISO的開放式互連系統(tǒng)參考模型(OSI/RM)是國際標準化組織提出的分層結構的計算機通信協(xié)議的模型。提出這一模型是為了使世界各國不同廠家生產的設備能夠互連，它是網絡的基礎。OSI/RM在系統(tǒng)結構上具有7個層次，如圖4-21所示。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信從計算機網絡技術看，計算機網絡是4.4數控系統(tǒng)的通信通信一定是在兩個系統(tǒng)之間進行。因此兩個系統(tǒng)都必須具有相同的層次功能。通信可以認為是在兩個系統(tǒng)的對應層次(同等層，Peer)內進行。同等層間通信必須遵循一系列規(guī)則或約定，這些規(guī)則和約定稱為協(xié)議。OSI/RM最大優(yōu)點在于有效地解決了異種機之間的通信問題。不管兩個系統(tǒng)之間的差異有多大，只要具有下述特點就可以相互有效地通信：①它們完成一組同樣的通信功能；②這些功能分成相同的層次，對等層提供相同的功能；③同等層必須共享共同的協(xié)議。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信通信一定是在兩個系統(tǒng)之間進行。因4.4數控系統(tǒng)的通信局部網絡標準由IEEE802委員會提出建議，并已被ISO采用。它只規(guī)定了鏈路層和物理層的協(xié)議。它將數據鏈路層分成邏輯鏈路控制(LLC)和介質存取控制(MAC)兩個子層。MAC中根據采用的LAN技術分成：CSMA/CD(IEEE802．3)，令牌總線(TokenBus802．4)，令牌環(huán)(TokenRing802．5)。物理層也分成兩個子層次：介質存取單元(MAU)和傳輸載體(Carrier)。MAU分基帶、載帶和寬帶傳輸。傳輸載體有雙絞線、同軸電纜、光導纖維(見圖4-22)。下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信局部網絡標準由IEEE802委員4.4數控系統(tǒng)的通信

SIEMENS公司開發(fā)了總線結構的SINECH1工業(yè)局部網絡可用以連接成FMC和FMS。SINECH1是基于以太網技術，其MAC子層采用CSMA/CD(802.3)，協(xié)議采用自行研制的自動化協(xié)議SINECAPl.O(AutomationProtocol)。為了將SINUMERIK850系統(tǒng)連接至SINECH1網絡，在850系統(tǒng)中插入專用的CP535工廠總線接口板，通過SINECH1網絡，850系統(tǒng)可以與主控計算機交換信息，傳送零件程序，接受指令，傳送各種狀態(tài)信息等。主計算機通過網絡向850系統(tǒng)傳送零件程序的過程如圖4-23所示。

下一頁上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信SIEMENS公司開發(fā)了總線結4.4數控系統(tǒng)的通信主計算機送來的零件程序經工業(yè)局部網絡到達850系統(tǒng)PLC區(qū)的CP535接口，再經專用接口功能模塊處理，存入多口RAM，然后由COM區(qū)將之存入NC零件程序存儲器中。其數據交換的格式是“透明”方式，如圖4-24所示。數據幀內容包括信息幀長度(2B)、標識段(8B)、差錯編碼(2B)及有效數據(最多224B)。上一頁返回4.4數控系統(tǒng)的通信主計算機送來的零件程序經工業(yè)局4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.1CNC系統(tǒng)的軟硬件組合類型

CNC系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成，硬件為軟件的運行提供了一個支持環(huán)境，只有軟件的正常運行才能執(zhí)行CNC的各項任務。同一般計算機系統(tǒng)一樣，由于軟件和硬件在邏輯上是等價的，所以在CNC系統(tǒng)中，由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成。但是硬件和軟件各有不同的特點。硬件處理速度較快，但造價較高，軟件設計靈活，適應性強，但處理速度較慢。因此在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的分配比例是由性能價格比決定的。下一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.1CNC系統(tǒng)的軟硬件4.5數控系統(tǒng)的軟件結構

CNC系統(tǒng)中實時性要求最高的任務就是插補和位控，即在一個采樣周期中必須完成控制策略的計算，而且還要留有一定的時間去做其他的事。CNC系統(tǒng)的插補器既可面向軟件也可面向硬件，歸結起來，主要有以下三種類型：下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構CNC系統(tǒng)中實時性要求最高的4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(1)不用軟件插補器，插補完全由硬件完成的CNC系統(tǒng)。(2)由軟件插補器完成粗插補，由硬件插補器完成精插補的CNC系統(tǒng)。(3)帶有完全用軟件實施的插補器的CNC系統(tǒng)。上述第一種CNC系統(tǒng)常用單CPU結構實現，它通常不存在實時速度問題。由于插補方法受到硬件設計的限制，其柔性較差。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(1)不用軟件插補器，插補完全由4.5數控系統(tǒng)的軟件結構第三種CNC系統(tǒng)需用快速計算機計算出刀具軌跡。具有多軸(坐標)控制的機床，須要裝備專用CPU的多微處理機結構來完成算術運算。位片式處理器和I/O處理器用來加速控制任務的完成。第二種CNC系統(tǒng)通常沒有計算瓶頸，因為精確插補由硬件完成。刀具軌跡所需的插補，由程序準備并使之參數化。程序的輸出是描述曲線段的參數，例如起點、終點、速度、插補頻率等，這些參數都是作為硬件精插補器的輸入。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構第三種CNC系統(tǒng)需用快速計4.5數控系統(tǒng)的軟件結構實際上，現代CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的界面關系是不固定的。在早期的NC系統(tǒng)中，數控系統(tǒng)的全部工作都由硬件來完成，隨著計算機技術的發(fā)展，特別是硬件成本的下降，計算機參與了數控系統(tǒng)的工作，構成了所謂的計算機數控(CNC)系統(tǒng)。但是這種參與的程度在不同的年代和不同的產品中是不一樣的。如圖4-25所示說明了三種典型CNC裝置的軟硬件界面關系。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構實際上，現代CNC系統(tǒng)中，軟4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.2CNC系統(tǒng)的控制軟件結構特點

CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務計算機系統(tǒng)，在它的控制軟件中融合了當今計算機軟件技術中的許多先進技術，其中最突出的是多任務并行處理和多重實時中斷。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.2CNC系統(tǒng)的控制軟4.5數控系統(tǒng)的軟件結構1．多任務并行處理

(1)CNC系統(tǒng)的多任務性CNC裝置的軟件構成如圖4-26所示，包括管理軟件和控制軟件兩大部分。管理軟件主要包括輸入、I/O處理、通信、顯示和診斷?？刂栖浖ㄗg碼、刀具補償、速度控制、插補控制和位置控制及開關量控制等功能。如圖4-27所示為CNC系統(tǒng)的任務并行處理關系，雙向箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關系

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(2)并行處理的概念并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。并行處理最顯著的優(yōu)點是提高了運算速度。拿n位串行運算和n位并行運算來比較，在元件處理速度相同的情況下，后者運算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重復的并行處理方法，它是根據“以數量取勝”的原則大幅度提高運算速度的。但是并行處理還不止于設備的簡單重復，它還有更多的含義。如時間重疊和資源共享。

下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(2)并行處理的概念并4.5數控系統(tǒng)的軟件結構

(3)資源分時共享在單CPU的CNC系統(tǒng)中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務的同時運行。一般來講，在使用分時共享并行處理的計算機系統(tǒng)中，首先要解決的問題是各任務占用CPU時間的分配原則，這里面有兩方面的含義：其一是各任務何時占用CPU；其二是允許各任務占用CPU的時間長短。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(3)資源分時共享在單C4.5數控系統(tǒng)的軟件結構在CNC系統(tǒng)中，對各任務使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結合的方法來解決。如圖4-28所示是一個典型CNC系統(tǒng)各任務分時共享CPU的時間分配圖。系統(tǒng)在完成初始化以后自動進入時間分配環(huán)中，在環(huán)中依次輪流處理各任務。而對于系統(tǒng)中一些實時性很強的任務則按優(yōu)先級排隊，分別放在不同中斷優(yōu)先級上，環(huán)外的任務可以隨時中斷環(huán)內各任務的執(zhí)行。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構在CNC系統(tǒng)中，對各任務使用4.5數控系統(tǒng)的軟件結構

(4)資源重疊流水處理當CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程序輸入、插補準備(包括譯碼、刀具補償和速度處理)、插補、位置控制4個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為、、、，那么一個零件程序段的數據轉換時間為

T=+++下一頁上一頁返回=+4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(4)資源重疊流水處理當4.5數控系統(tǒng)的軟件結構

如果以順序方式處理每個零件程序段，即第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段，依此類推，這種順序處理時的時間空間關系如圖4-29(a)所示。消除這種間隔的方法是用流水處理技術。采用流水處理后的時間空間關系如圖4-29(b)所示。

下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構如果以順序方式4.5數控系統(tǒng)的軟件結構2．實時中斷處理

CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)的多任務性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結構決定了系統(tǒng)軟件的結構。其中斷類型有外部中斷、內部定時中斷、硬件故障中斷以及程序性中斷等。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構2．實時中斷處理下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(1)外部中斷主要有紙帶光電閱讀機讀孔中斷、外部監(jiān)控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，通常把這兩種中斷放在較高的優(yōu)先級上，而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(1)外部中斷主要4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(2)內部定時中斷主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。(3)硬件故障中斷它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷，如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。(4)程序性中斷它是程序中出現的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等。下一頁上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構(2)內部定時中斷主要有插補4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.3CNC系統(tǒng)軟件及其工作過程

CNC系統(tǒng)是在硬件的支持下執(zhí)行軟件程序的工作過程。下面從輸人、譯碼、數據處理、插補、位置控制、診斷程序等方面來簡要說明CNC工作過程。1．輸入2．譯碼3．數據處理4．插補5．位置控制上一頁返回4.5數控系統(tǒng)的軟件結構4.5.3CNC系統(tǒng)軟件及其4.6數控機床用可編程序控制器4.6.1可編程序控制器的組成1．PLC的硬件如圖4-30所示為一個小型PLC內部結構示意圖。它由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出模塊、編程器、電源和外部設備等組成，并且內部通過總線相連。下一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器4.6.1可編程序控制4.6數控機床用可編程序控制器（1）中央處理單元（CPU）中央處理單元是PLC的主要部分，是系統(tǒng)的核心。它通過輸入模塊將現場的外設狀態(tài)讀入，并按用戶程序去處理，然后將結果通過輸出模塊去控制外部設備。

PLC常用的中央處理單元為通用微處理器、單片機或位微處理器。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器（1）中央處理單元（CPU4.6數控機床用可編程序控制器（2）存儲器在可編程序控制器系統(tǒng)中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作數據。系統(tǒng)程序是指控制和完成PLC各種功能的程序，包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、指令解釋程序、故障自診斷程序和各種管理程序等，并且在出廠時由制造廠固化在PROM，用戶不能訪問和修改。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器（2）存儲器下一頁上一頁返4.6數控機床用可編程序控制器（3）輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊是PLC內部與外部設備的連接部件，它一方面將現場信號轉換成標準的邏輯電平信號，另一方面將PLC內部邏輯信號電平轉換成外部執(zhí)行元件所要求的信號。常用的PLC輸入/輸出接口分開關量（包括數字量）和模擬量I/O兩類。典型的模塊有：直流開關量輸入模塊、直流開關量輸出模塊、交流開關量輸入模塊、交流開關量輸出模塊、繼電器輸出模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器（3）輸入/輸出模塊下一頁4.6數控機床用可編程序控制器（4）編程器

PLC的編程器是用來開發(fā)、調試、運行應用程序的特殊工具。一般由鍵盤、顯示屏、智能處理器、外部設備等組成，通過通信接口與PLC相連。

PLC的編程器可分為兩種：手持式編程器和高功能編程器。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器（4）編程器下一頁上一頁返4.6數控機床用可編程序控制器（5）電源電源單元的作用是將外部提供的交流電轉換為可編程序控制器內部所需要的直流電源，有的PLC還提供DC24V輸出。PLC的內部電源一般要求有三路輸出，一路供給CPU模塊，一路供給編程器接口，還有一路供給各種接口模塊。對電源單元的要求是很高的，不但要求具有較好的電磁兼容性能，而且還要求工作電源穩(wěn)定，并有過電流和過電壓保護功能。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器（5）電源下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器2．PLC的軟件

PLC的基本軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶應用軟件。系統(tǒng)軟件決定PLC的功能。PLC的硬件通過基本軟件實現對被控對象的控制。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語言編譯系統(tǒng)、各種功能軟件等。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器2．PLC的軟件下一頁上一4.6數控機床用可編程序控制器4.6.2可編程序控制器的工作過程

PLC內部一般采用循環(huán)掃描工作方式，在大、中型PLC中還增加了中斷工作方式。當用戶將應用軟件設計、調試完成后，用編程器寫入PLC的用戶程序存儲器中，并將現場的輸入信號和被控制的執(zhí)行元件相應地連接在輸入模塊的輸入端和輸出模塊的輸出端上，然后通過PLC的控制開關使其處于運行工作方式，接著PLC就以循環(huán)順序掃描的工作方式進行工作。在輸入信號和用戶程序的控制下，產生相應的輸出信號，完成預定的控制任務。

下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器4.6.2可編程序控制4.6數控機床用可編程序控制器

如圖4-31所示的PLC典型循環(huán)順序掃描工作流程圖可以看出，它在一個掃描周期中要完成如下六個掃描過程。在系統(tǒng)軟件的指揮下，按如圖4-31所示的程序流程順序地執(zhí)行，這種工作方式稱為順序掃描方式。從掃描過程中的某個掃描過程開始，順序掃描后又回到該過程稱為一個掃描周期。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器如圖4-31所4.6數控機床用可編程序控制器(1)自診斷掃描過程(2)與編程器信息交換掃描過程(3)與網絡信息交換掃描過程(4)用戶程序掃描過程(如圖4-32所示)(5)超時檢查掃描過程(6)出錯顯示、停機掃描過程下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器(1)自診斷掃描過程下一4.6數控機床用可編程序控制器4.6.3可編程序控制器的特點(1)可靠性高(2)編程簡單，使用方便(3)靈活性好(4)直接驅動負載能力強(5)便于實現機電一體化(6)利用其通信網絡功能可實現計算機網絡控制?？傊琍LC技術代表了當前電氣程序控制的先進水平，PLC與數控技術和工業(yè)機器人已成為機械工業(yè)自動化的三大支柱。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器4.6.3可編程序控制4.6數控機床用可編程序控制器4.6.4數控系統(tǒng)PLC的類型1．內裝型PLC

內裝型PLC是指PLC包含在數控系統(tǒng)CNC中，它從屬于CNC，與CNC裝于一體，成為集成化的不可分割的一部分。PLC與CNC間的信號傳送在CNC裝置內部實現。PLC與數控機床之間的信號傳送則通過CNC輸入/輸出接口電路實現，如圖4-33所示。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器4.6.4數控系統(tǒng)PL4.6數控機床用可編程序控制器它與獨立型PLC相比具有如下特點：(1)內裝型PLC的性能指標由所從屬的CNC系統(tǒng)的性能、規(guī)格來確定。(2)內裝型PLC有與CNC共用微處理器和具有專用微處理器兩種類型。(3)內裝型PLC與CNC其他電路通常裝在一個機箱內，共用一個電源和地線。(4)內裝型PLC的硬件電路可與CNC其他電路制作在同一塊印制線路板上，也可以單獨制成附加印制電路板，供用戶選擇。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器它與獨立型PLC相比具有如4.6數控機床用可編程序控制器(5)內裝型PLC，對外沒有單獨配置的輸入/輸出電路，而使用CNC系統(tǒng)本身的輸入/輸出電路。(6)采用PLC，擴大了CNC內部直接處理的窗口通信功能，可以使用梯形圖編輯和傳送高級控制功能，且造價低，提高了CNC的性能價格比。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器(5)內裝型PLC，對外沒4.6數控機床用可編程序控制器2．獨立型PLC

獨立型PLC是完全獨立于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定控制任務的裝置，如圖4-34所示。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器2．獨立型PLC下一頁上一4.6數控機床用可編程序控制器獨立型PLC具有以下特點：(1)根據數控機床對控制功能的要求可以靈活選購或自行開發(fā)通用型PLC。(2)要進行PLC與CNC裝置的I/O連接，PLC與機床側的I/O連接。(3)可以擴大CNC的控制功能。(4)在性能/價格比上不如內裝型PLC。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器獨立型PLC具有以下特點：4.6數控機床用可編程序控制器

總的來看，單微處理器的CNC系統(tǒng)采用內裝型PLC為多，而獨立型PLC主要用在多微處理器CNC系統(tǒng)、FMC、FMS、FA、CIMS中具有較強的數據處理、通信和診斷功能，成為CNC與上級計算機聯(lián)網的重要設備。單機CNC系統(tǒng)中的內裝型和獨立型PLC的作用是一樣的，主要是協(xié)助CNC裝置實現刀具軌跡控制和機床順序控制。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器總的來看，單微4.6數控機床用可編程序控制器4.6.5數控機床中PLC控制功能的實現1．M功能的實現

M功能也稱輔助功能，其代碼用字母“M”后跟隨2位數字表示。根據M代碼的編程，可以控制主軸的正反轉及停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開關，卡盤的夾緊和松開以及自動換刀裝置的取刀和還刀等。某數控系統(tǒng)設計的基本輔助功能如表4-4所示。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器4.6.5數控機床中P4.6數控機床用可編程序控制器2．S功能的實現

S功能主要完成主軸轉速的控制，并且常用S2位代碼形式和S4位代碼形式來進行編程。所謂S2位代碼編程是指S代碼后跟隨2位十進制數字來指定主軸轉速，共有100級(S00～S99)分度，并且按等比級數遞增，其公比為1.12，即相鄰分度的后一級速度比前一級速度增加約12％。這樣根據主軸轉速的上下限和上述等比關系就可以獲得一個S2位代碼與主軸轉速(BCD碼)的對應表格，它用于S2位代碼的譯碼。

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如圖4-35所示為S2位代碼在PLC中的處理框圖，圖中譯S代碼和數據轉換實際上就是針對S2位代碼查出主軸轉速的大小，然后將其轉換成二進制數，并經上下限幅處理后，將得到的數字量進行D/A轉換，輸出一個O～10V或O～5V或-10～+10V的直流控制電壓給主軸伺服系統(tǒng)或主軸變頻器，從而保證了主軸按要求的速度旋轉。S4代碼編程的S功能軟件流程如圖4-36所示。下一頁上一頁返回4.6數控機床用可編程序控制器如圖4-35所4.6數控機床用可編程序控制器3．T功能的實現

T功能即為刀具功能，T代碼后跟隨2～5位數字表示要求的刀具號和刀具補償號。數控機床根據T代碼通過PLC可以管理刀庫，自動更換刀具，也就是說根據刀具和刀具座的編號，可以簡便、可靠地進行選刀和換刀控制。根據取刀/還刀位置是否固定，可將