数控系统计算机数控系统结构.pdf

计算机数控系统（CNC系统）计算机数控系统（CNC系统）第第第第1 1节节节节CNCCNC系统的分类、组成、功能和工作原理系统的分类、组成、功能和工作原理系统的分类、组成、功能和工作原理系统的分类、组成、功能和工作原理 一、数字控制系统的分类一、数字控制系统的分类1硬联接数控系统（硬线数控系统NC）硬联接数控系统功能按固定逻辑制作在印刷线路板上，需要增加或改进其功能，需要重新制作线路板。2软联接数控系统（软线数控系统CNC或MNC）软联接数控系统采用通用计算机或在微机加上接口电路组成的数控系统。其它角度分类：点位/直线/轮廓控制系统；开环/半闭环/毕环；2/3/4/5轴联动；等 二、二、CNCCNC系统的组成系统的组成CNCCNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打 印 机穿 孔 机电 传 机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单 元机床电器速度控制单 元位置检测进给电机主轴控制 单 元主轴电机也就是说：由计算机硬件和系统软件以及相应的I/O接口构成的通用/专用计算机和可编程控制器PLC组成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。CNC机床硬件结构体系系统系统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输入程序输入程序输出程序输出程序显示程序显示程序诊断程序诊断程序译码程序译码程序补偿计算补偿计算速度控制速度控制插补程序插补程序位控程序位控程序CNC软件的构成CNC软件的构成1.1.硬件结构:硬件结构:CPU，存储器，总线、外设CPU，存储器，总线、外设等等。2.2.软件结构软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序接接口口被控设备被控设备机 床机器人测量机机 床机器人测量机.软件结构体系-三三、CNCCNC系统系统的功能的功能(包括基本功能和选择功能包括基本功能和选择功能)数控装置的主要功能（数控装置的主要功能（1）控制轴数和联动轴数（）控制轴数和联动轴数（2）准备功能（）准备功能（G功能）（功能）（3）插补功能（）插补功能（4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准停（）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准停（5）进给功能（）进给功能（F）1）切削进给速度）切削进给速度 2)同步进给速度同步进给速度 3）快速进给速度）快速进给速度 4）进给倍率。（）进给倍率。（6）补偿功能）补偿功能1）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿）刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿2）工艺量的补偿（）工艺量的补偿（7）固定循环加工功能（）固定循环加工功能（8）辅助功能（）辅助功能（M代码）（代码）（9）字符图形显示功能（）字符图形显示功能（10）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程（）程序编制功能：手工编程、在线编程、自动编程（11）输入、输出和通讯功能（）输入、输出和通讯功能（12）自诊断功能）自诊断功能 四、四、CNCCNC系统的工作原理和一般工作过程系统的工作原理和一般工作过程 工作原理工作原理-通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。一般工作过程一般工作过程1）输入）输入:输入内容（零件程序、控制参数和补偿数据）。输入方式（输入内容（零件程序、控制参数和补偿数据）。输入方式（.2）译码：）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机 能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机 能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理：）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5）位置控制：）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理：处理处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。坐标轴运动与位置检测 F指令速度处理坐标及刀补 处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输 出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器 PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处 理输 入译 码零件程序第第2 2节节 CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构一、CNC系统的硬件构成特点1.按总体安装结构分：整体式：结构紧凑，便于安装，信号连线过长 分体式：CRT、MDI和操作面板与功能模块组成的电路板分开安装，有利于更换和安装2.按组成CNC系统的电路板的结构特点分：大板式结构有主板和子板组成 主板：装有主CPU和各轴的位置控制电路等 子板：完成一定功能的电路板，有：PLC板，附加轴控制板，扩展存储器板，传感器控制板，保存数据加工程序的存储器板，CRT显示控制和I/O接口板等特点：结构紧凑，可靠性高，性/价比高，但硬件不易变动 模块化结构：常见的功能模块-CNC控制板，位置控制板，PLC板，图形板，通信板等。连接各模块的总线可按需选用各种工业标准总线：如：工业PC总线，STD总线，Multibus总线等3.按CNC装置硬件的制造方式分为：专用型结构：各制造厂家专门设计制造，布局合理，结构紧凑，没有通用性如：FANUC系统，SINMENS系统等 个人计算机式结构：以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件。特点：成本低，兼容性好，易于实现升级换代，抗干扰和抗恶劣环境的能力强4.按CNC系统使用的CPU结构来分：单CPU结构：通常采用总线结构 多微处理机CNC装置的结构：1.1.主从结构；2.多主结构；3.分布式结构；4.多通道结构单CPU结构CNC框图CPU总 线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接 口EPROM纸带阅读机 接 口I/O接口纸带阅读机 机床操作主轴控制单 元CRTPLC接口M速度控制单 元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口以及其它选件接口等。）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口以及其它选件接口等。单单CPU数控装置数控装置:是以一个是以一个CPU（中央处理器）为核心，（中央处理器）为核心，CPU通过总线通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。数控加工各个任务。1.微处理器和总线微处理器和总线微处理器：运算微处理器：运算;控制总线：控制总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。2.存储器存储器 只读存储器（只读存储器（ROM）和随机存储器（）和随机存储器（RAM）它们的用途：）它们的用途：只读存储器（只读存储器（ROM）：系统程序）：系统程序 随机存储器（随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息 CMOS RAM或掉电保护或掉电保护RAM：加工的零件程序、机床参数、刀具参数：加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.位置控制单元位置控制单元对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）C轴位置控制：包括位置和速度控制轴位置控制：包括位置和速度控制刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。-多CPU的CNC的结构:总线互联方式，典型的结构总线互联方式，典型的结构:共共享总线型、共享存储器型及混合型结构。享总线型、共享存储器型及混合型结构。(1)CPU的典型结构-共享总线结构会话式编程 模 块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模 块（CPU）位置控制模 块（CPU）主轴控制模 块共享总线的多CPU结构的CNC结构框图 支持多微处理机系统的总线都设计有总线仲裁机构，通常有两种裁决方式：串行方式和并行方式结构与仲裁结构与仲裁:主模块与从模块主模块与从模块总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案总线：总线：STD bus（支持（支持8位和位和16位字长）位字长）Multi bus（型支持（型支持16位字长，型支持位字长，型支持32位字长）位字长）S-100 bus（可支持（可支持16位字长）位字长）VERSA bus（可支持（可支持32位字长）位字长）VME bus （可支持（可支持32位字长）位字长）并行总线仲裁连接方式并行总线仲裁连接方式主模块主模块主模块主模块1 1总线优 总线总线优先权入忙先权出总线优 总线总线优先权入忙先权出主模块主模块主模块主模块3 3入忙出入忙出译器码译器码主模块主模块主模块主模块2 2入忙出入忙出优先权编器码优先权编器码串行总线仲裁连接总线仲裁连接方式主模块主模块1主模块主模块2主模块主模块3总线优总线优总线优总线优先权入先权入先权入先权入总线优总线优总线优总线优先权出先权出先权出先权出总线总线总线总线忙忙忙入忙出入忙出忙入忙出入忙出(2)共享存储器结构双端口存储器结构框图多双端口存储器结构框图多CPU共享存储器框图共享存储器框图端口端口1存储控制逻辑存储控制逻辑地址和数据多路转换器地址和数据多路转换器RAM共享存储器共享存储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制（轴控制（COU4）插补插补(CPU3)端口端口2中断控制中断控制从机床来的控制信号至机床的控制信号从机床来的控制信号至机床的控制信号第第第第3 3节节节节 开开开开放式数控装置的体系结构放式数控装置的体系结构放式数控装置的体系结构放式数控装置的体系结构一、开放式数控系统的产生一、开放式数控系统的产生随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的封闭式的”数控系统。体系开放化定义（数控系统。体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化与多样化(Diversification)和互换性和互换性(Interchangeability)的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；的集成构造，应该是可移植的和透明的；二、开放体系结构二、开放体系结构CNC的优点的优点向未来技术开放：向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；标准化的人机界面标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使标准化的编程语言，方便用户使用用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；向用户特殊要求开放：向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。硬件配置单元硬件配置单元软件配置单元软件配置单元标准计算机硬件标准计算机硬件数控系统基本硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统实时多任务操作系统RTM应用程序接口应用程序接口NC构件库构件库三、开放式数控装置的概念结构三、开放式数控装置的概念结构#:STEP-NC共享内存或FIFO实时操作系统RTLinux应用程序接口应用程序接口调度器主轴控制运动控制轴控制过程控制逻辑控制配置系统参数管理NC程序解释器数据库PLC编程环境人机界面操作系统Linux可插拔协议层通讯管理系统通讯管理系统现场总线可插拔协议层计算机硬件环境网络硬件层（高速以太网等）现场总线硬件层（高速RS422总线等）车间层网络或Intranet/Internet设备层现场总线连接电机驱动和现场I/O开放式软硬件结构体系第第5节节CNC装置的软件结构装置的软件结构1.1.系统软件的内容及系统平台系统软件的内容及系统平台系统软件的内容及系统平台系统软件的内容及系统平台系统软件的组成：（管理和控制）系统软件的组成：（管理和控制）管理部分管理部分：输入、：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。控制部分控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序接接口口被控设备被控设备机 床机器人测量机机 床机器人测量机.CNC装置装置管 理管 理控 制控 制输入输入显示显示位控位控诊断诊断I/O插补插补位控位控译码刀补速度处理译码刀补速度处理输入输入I/O处理处理显示显示诊断诊断通讯通讯译码译码刀具补偿刀具补偿速度处理速度处理位置控制位置控制插补插补CNC装置软件任务分解软件任务的并行处理装置软件任务分解软件任务的并行处理2.2.任务分解及多任务并行处理任务分解及多任务并行处理任务分解及多任务并行处理任务分解及多任务并行处理并行处理：并行处理：并行处理：并行处理：是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类：并行处理的分类：并行处理的分类：并行处理的分类：“资源重复资源重复”，“时间重叠时间重叠”和和“资源共享资源共享”。资源共享：资源共享：根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。1）资源分时共享并行处理）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）（对单一资源的系统）2)并发处理和流水处理并发处理和流水处理（对多资源的系统）略！（对多资源的系统）略！VSVS诊断诊断I/O处理处理输入输入插补准备插补准备显示显示初始化初始化插补插补位控位控键盘键盘中断级别高中断级别高中断级别低中断级别低资源（资源（资源（资源（CPUCPUCPUCPU）分时共享分时共享分时共享分时共享资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征资源分时共享技术的特征:1.1.在任何一个时刻只有一个任务占用在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；2.在一个时间段（如在一个时间段（如8ms或或16ms）内，）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看观上来看各个任务还是逐执行的各个任务还是逐执行的第第6节节CNC装置的接口电路装置的接口电路CNC装置与下列设备进行数据传送和信息通讯：装置与下列设备进行数据传送和信息通讯：1.数据输入输出设备数据输入输出设备2.外部机床控制面板外部机床控制面板3.通用的手摇脉冲发生器通用的手摇脉冲发生器4.进给驱动线路和主轴驱动线路进给驱动线路和主轴驱动线路RS-232C接口工业局部网络通讯接口通讯协议：接口工业局部网络通讯接口通讯协议：MAP、现场总线、现场总线现场总线现场总线现场总线现场总线:计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统（计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统（DCS）的基础上发展起来的。）的基础上发展起来的。DNC/FMC/FMS/CIMSTotal System ConfigurationFANUC Series 0i-ATotal System ConfigurationFANUC Series 0i-A9“mono.CRT/MDI8.4“color LCD/MDICNC controller Servo Amp.Servo motor Spindle motorMany useful CNC functions are included as a standard packageMachine Operators Panel(option)(option)Servo Amp.with I/O Link(option)Max.7High speed DI(1 point)Servo motor Servo Amp.Graphic module(option)Built-in I/ODI/DO:96/64HSSBPCHSSB Card(option)(option)Operators panel I/O module (option)(option)I/O Link1024/1024各硬件装置及其接口各硬件装置及其接口数控机床（系统）面板及基本操作数控机床（系统）面板及基本操作空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转 主轴停 主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开关 刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电 源关开自动方式选择回零手摇点动步进单段驱 动 器NC机床电源XYZA主轴超程报警手摇脉冲发生器2010 090增量倍率1000101001坐标轴选择Z YX