第4章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件.ppt

1、第四章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件，4.1概述，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.3數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出接口，4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信，4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，4.6數(shù)控機(jī)床的可編程控制器，4.1概述，4.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的概念根據(jù)電子工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的定義， 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)通過(guò)在其存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序來(lái)完成數(shù)控所需的部分或全部功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)器。下頁(yè)，返回，4.1概述，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序(或指令)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，形成理想的軌跡。通過(guò)插值計(jì)算的位置數(shù)據(jù)被輸出到伺服單元，并且電機(jī)被控制以驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器來(lái)處理所需的部件。數(shù)控系統(tǒng)由程序、

2、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等組成。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，如圖4-1所示。計(jì)算機(jī)數(shù)控設(shè)備的組成數(shù)控設(shè)備由硬件和軟件組成。硬件由微處理器、存儲(chǔ)器、位置控制、輸入輸出接口、可編程邏輯控制器、圖形控制、電源等模塊組成。硬件組成如圖4-2所示。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能而編制的專(zhuān)用軟件稱(chēng)為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，數(shù)控裝置自動(dòng)處理輸入的加工程序，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令和進(jìn)給控制信號(hào)。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件組成，如圖4-3所示。管理軟件負(fù)責(zé)零件加工程序的輸入輸出、輸入輸出處理、系統(tǒng)顯示和故障診斷?？刂栖浖?fù)責(zé)解碼處理、刀具補(bǔ)償

3、、速度處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，1微機(jī)在計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中微機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī))是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的核心。像普通計(jì)算機(jī)一樣，它包括中央處理器、內(nèi)存、輸入輸出接口、時(shí)鐘、解碼和其他輔助電路。下一頁(yè)，上一頁(yè)，下一頁(yè)，4.1概述，中央處理器由算術(shù)單元和控制器組成。算術(shù)單元是對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的組件。在運(yùn)算過(guò)程中，運(yùn)算單元不斷獲取存儲(chǔ)器提供的數(shù)據(jù)，并將運(yùn)算的中間結(jié)果發(fā)回存儲(chǔ)器暫存?？刂破鲝拇鎯?chǔ)器中依次取出構(gòu)成程序的指令，并在解碼后，向數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出控制信號(hào)，以便執(zhí)行指令。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件和零件處理程序，并存儲(chǔ)操作的中間

4、結(jié)果和處理的結(jié)果。它包括兩個(gè)部分：存儲(chǔ)系統(tǒng)控制軟件的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)控制軟件程序由數(shù)控系統(tǒng)制造商編寫(xiě)，用于完成數(shù)控系統(tǒng)的各種功能。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，輸入/輸出接口是中央處理器與外界通信的通道，它提供物理連接手段，完成數(shù)據(jù)格式和信號(hào)形式的必要轉(zhuǎn)換。輸入輸出接口按其功能可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是連接常規(guī)輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)程序輸入輸出和人機(jī)交互的接口，稱(chēng)為通用輸入輸出接口；另一個(gè)與專(zhuān)用的控制和檢測(cè)裝置相連，控制和檢測(cè)機(jī)床的位置和工作狀態(tài)，這是數(shù)控系統(tǒng)獨(dú)有的，稱(chēng)為機(jī)床控制輸入輸出接口。輸入/輸出設(shè)備的輸入/輸出部分包括各種類(lèi)型的輸入/輸出設(shè)備(也稱(chēng)為外部設(shè)備)和輸

5、入/輸出接口控制組件。其外部設(shè)備主要包括光電閱讀器、陰極射線管顯示器、鍵盤(pán)、沖床和面板等。其中，光電閱讀器用于輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；陰極射線管用于顯示和監(jiān)控；鍵盤(pán)主要用于輸入操作命令和編輯修改數(shù)據(jù)，也可以作為少量零件加工程序的輸入；打孔機(jī)用作復(fù)制零件程序的紙帶，以便保存和檢查零件程序；操作面板允許操作員改變操作模式、輸入設(shè)置數(shù)據(jù)、開(kāi)始和停止加工等。典型的輸入輸出接口控制部件包括紙帶輸入機(jī)接口、盒式磁帶輸入機(jī)接口、數(shù)控系統(tǒng)操作面板接口、進(jìn)給伺服控制接口和字符顯示(CRT)接口等。下一頁(yè)，上一頁(yè)，后一頁(yè)，4.1概述，3可編程邏輯控制器(可編程邏輯控制器)數(shù)控機(jī)床的控制在控制側(cè)(數(shù)控側(cè))有每個(gè)

6、坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)控制，在機(jī)床側(cè)(機(jī)床側(cè))有各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯順序控制?？删幊炭刂破魑挥跀?shù)控和機(jī)床之間，處理數(shù)控和機(jī)床的輸入輸出信息，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)床側(cè)的控制邏輯，即可編程控制器提高了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性、可靠性和利用率，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，有內(nèi)置型和獨(dú)立型數(shù)控機(jī)床可編程控制器。可編程序控制器的應(yīng)用程序，即可編程序控制器程序，通常用梯形圖表示。編制可編程序控制器程序的設(shè)備包括可編程序控制器專(zhuān)用編程器、編程器、具有可編程序控制器編程功能的數(shù)控系統(tǒng)或裝有可編程序控制器編程系統(tǒng)軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)(或工作站)。下一頁(yè)，上一頁(yè)，后一頁(yè)，4.1概述，4位置控制裝置位置控制裝置由伺服機(jī)構(gòu)和

7、執(zhí)行器組成。伺服機(jī)構(gòu)包括速度控制單元和位置控制單元。通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算得到的單位時(shí)間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的位移被送到位置控制單元，位置控制單元產(chǎn)生伺服電機(jī)速度指令，并將其送到速度控制單元。速度控制單元接收速度反饋信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制；同時(shí)，位置控制單元接收實(shí)際位置反饋，修正速度指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的精確控制。致動(dòng)器可以是交流或DC伺服電機(jī)。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，4.1.3計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的工作原理在其硬件環(huán)境的支持下，數(shù)控裝置根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控制邏輯控制輸入、解碼處理、數(shù)據(jù)處理、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制、輸入輸出處理、顯示和診斷。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，1將零

8、件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入數(shù)控裝置。常用的輸入方法包括鍵盤(pán)手動(dòng)輸入、光電閱讀器紙帶輸入、磁盤(pán)輸入、磁帶輸入、通信接口RS-232輸入、連接到上級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入和網(wǎng)絡(luò)通信輸入。數(shù)控設(shè)備還需要在輸入過(guò)程中完成程序檢查和代碼轉(zhuǎn)換。所有輸入信息都存儲(chǔ)在數(shù)控設(shè)備的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。下一步、前一步、后一步、4.1概述、2解碼處理解碼處理程序在程序段中處理零件程序，每個(gè)程序段包含零件的輪廓信息、所需的處理速度和其他輔助信息(刀具更換、切削液開(kāi)始/停止等)。)，在計(jì)算機(jī)執(zhí)行插值運(yùn)算和控制運(yùn)算之前，必須將其翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部可識(shí)別的語(yǔ)言，解碼程序承擔(dān)這一任務(wù)。在解碼過(guò)程中，有必要檢查程序段的語(yǔ)法，如果

9、發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤，應(yīng)立即向警方報(bào)告。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序通常包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算和輔助功能處理等。一般來(lái)說(shuō)，輸入數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)時(shí)性要求不高。輸入數(shù)據(jù)處理充分，減少了插補(bǔ)運(yùn)算和速度控制程序的負(fù)擔(dān)，加工過(guò)程實(shí)時(shí)性強(qiáng)。下一步、上一步、返回、4.1概述、4插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制插補(bǔ)運(yùn)算程序完成數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能，即實(shí)現(xiàn)軸脈沖分配的功能。脈搏分布包括三個(gè)方面：點(diǎn)、線和曲線。由于現(xiàn)代微機(jī)有完善的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的算法子程序，為插補(bǔ)計(jì)算提供了許多便利?？梢允褂靡恍└奖愕臄?shù)學(xué)方法來(lái)提高輪廓控制的精度，而不用擔(dān)心增加硬件電路。下一頁(yè)、上一頁(yè)、返回、4.1概述、插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果輸出，通過(guò)位置控制部分(這部分工作可

10、以由軟件完成，也可以由硬件完成)控制伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，控制刀具按預(yù)定軌跡加工。位置控制的主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi)將插值計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置進(jìn)行比較，并利用差值來(lái)控制進(jìn)給電機(jī)。在位置控制中，為了提高機(jī)床的定位精度，通常要完成位置環(huán)的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的俯仰誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，一個(gè)更高層次的管理程序可以使多個(gè)程序并行工作，如數(shù)據(jù)輸入處理，空閑時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算和速度控制，即調(diào)用每個(gè)函數(shù)子程序來(lái)完成下一個(gè)數(shù)據(jù)段的讀取、解碼和數(shù)據(jù)處理，并保證在處理這個(gè)數(shù)據(jù)段的過(guò)程中準(zhǔn)備好下一個(gè)數(shù)據(jù)段。一旦該數(shù)據(jù)段被處理，下一個(gè)數(shù)據(jù)段的插值處理將立即開(kāi)始。一些管理程序還安排系統(tǒng)的

11、自動(dòng)編程或必要的預(yù)防性診斷。輸入/輸出處理輸入/輸出處理主要處理數(shù)控設(shè)備和機(jī)床之間信號(hào)的輸入、輸出和控制。數(shù)控裝置和機(jī)床必須用光電隔離電路隔離，以保證數(shù)控裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。下頁(yè)、上一頁(yè)、返回、4.1概述、6顯示數(shù)控裝置顯示主要是為了方便操作人員，通常具有零件程序顯示、參數(shù)顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬圖形顯示、報(bào)警顯示等功能。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，7診斷程序數(shù)控設(shè)備可以使用內(nèi)部自診斷程序進(jìn)行故障診斷，主要包括啟動(dòng)診斷和在線診斷。啟動(dòng)診斷是指每次數(shù)控設(shè)備從開(kāi)機(jī)開(kāi)始進(jìn)入正常運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)，系統(tǒng)相應(yīng)的自診斷程序都會(huì)通過(guò)掃描自動(dòng)檢查系統(tǒng)硬件、軟件及相關(guān)外設(shè)是否正常。只有當(dāng)所有檢查的項(xiàng)

12、目都被確認(rèn)為正確時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)才能進(jìn)入正常運(yùn)行的準(zhǔn)備狀態(tài)。否則，數(shù)控設(shè)備將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、薄膜晶體管、陰極射線管或硬件(如發(fā)光二極管)報(bào)警模式顯示故障信息。此時(shí)，啟動(dòng)診斷過(guò)程無(wú)法完成，系統(tǒng)無(wú)法投入運(yùn)行。只有排除故障后，數(shù)控設(shè)備才能正常運(yùn)行。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.1概述，在線診斷是指在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，通過(guò)系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)置診斷程序?qū)?shù)控設(shè)備本身和外圍設(shè)備進(jìn)行的檢查。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷將繼續(xù)進(jìn)行。前一頁(yè)，后一頁(yè)，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.2.1按硬件制造方法分類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的硬件制造方法分為兩類(lèi)：專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。下頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，1專(zhuān)用數(shù)控

13、系統(tǒng)這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件是由各廠家專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的，沒(méi)有通用性。其中，有大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。大板結(jié)構(gòu)數(shù)控設(shè)備一般由主電路板、可編程邏輯控制器板、附加輸入輸出板、圖形控制板和電源單元組成。主電路板是一個(gè)大的印刷電路板，其他電路板是小的電路板，并插入到大電路板的插槽中。大板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-4所示。大板結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、性?xún)r(jià)比高，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)。但是，它的硬件功能不容易改變，這不利于組織生產(chǎn)。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)控裝置采用模塊化功能模塊的控制軟件也是模塊化的。因此，數(shù)控設(shè)備可以以積木的形式構(gòu)建，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試和維護(hù)方便，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

14、在過(guò)去，數(shù)控系統(tǒng)硬件是由不同的數(shù)控制造商設(shè)計(jì)和制造的，硬件之間不能互換或替換。近年來(lái)，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)，即工業(yè)pc機(jī)，已經(jīng)被采用作為數(shù)控系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。不同的數(shù)控制造商只需要插入他們自己的控制卡和數(shù)控軟件來(lái)形成數(shù)控系統(tǒng)，而不需要設(shè)計(jì)特殊的硬件。由于生產(chǎn)了數(shù)百萬(wàn)臺(tái)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)，生產(chǎn)成本非常低，這反過(guò)來(lái)又降低了數(shù)控系統(tǒng)的成本。如果工業(yè)電腦出現(xiàn)故障，很容易修理和更換。ANILAM公司和AI公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)屬于這種類(lèi)型。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.2.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單個(gè)微處理器和多個(gè)微處理器。早期的數(shù)控系統(tǒng)和一些現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)都采用單微處理器結(jié)構(gòu)。隨著機(jī)械

15、制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了功能復(fù)雜、加工速度快、加工精度高的要求，也對(duì)更高層次的自動(dòng)制造系統(tǒng)和CIMS提出了要求。因此，多微處理器結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，1單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)微處理器用于數(shù)控任務(wù)的集中控制和分時(shí)處理。有些數(shù)控系統(tǒng)有兩個(gè)以上的微處理器，但只有一個(gè)微處理器能控制系統(tǒng)總線并占用總線資源；其他微處理器成為特殊的智能組件，不能控制系統(tǒng)總線和訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。它們形成一個(gè)主從結(jié)構(gòu)，所以它們被歸類(lèi)為一個(gè)單一的微處理器結(jié)構(gòu)。單微處理器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

16、的硬件結(jié)構(gòu)，單微處理器結(jié)構(gòu)的基本組成如下：微處理器和總線；記憶。紙帶閱讀器接口；紙帶穿孔機(jī)和電傳打字機(jī)之間的接口；輸入輸出接口；位置控制器；PLC .下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)數(shù)控系統(tǒng)只有一個(gè)微處理器，集中控制和處理存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出控制和陰極射線管顯示等功能。(2)微處理器與存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制器等各種接口相連。通過(guò)總線形成數(shù)控系統(tǒng)。(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。(4)由于只有一個(gè)微處理器進(jìn)行集中控制，單個(gè)微處理器的功能將受到諸如字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和微處理器的操作速度等因素的限制。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

17、的硬件結(jié)構(gòu)，由于插補(bǔ)等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)和加工速度成為一對(duì)突出的矛盾。為了解決這一矛盾，可以增加浮點(diǎn)協(xié)處理器，硬件共享精插補(bǔ)，采用帶微處理器的智能元件如可編程控制器和陰極射線管，或者采用多微處理器結(jié)構(gòu)。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，2多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)(1)多微處理器的特點(diǎn)是高性?xún)r(jià)比，多微處理器用來(lái)完成其特定功能，滿足多軸控制、高精度、高速高效的控制要求。同時(shí)，由于單個(gè)低規(guī)格CPU的價(jià)格相對(duì)便宜，其性能價(jià)格也相對(duì)較高。模塊化結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試和維護(hù)方便。通訊功能強(qiáng)大，方便實(shí)現(xiàn)FMS、FA和CIMS。下一頁(yè)，上一頁(yè)，返回，4.2數(shù)控系