数控装置的硬件结构与软件37654.pptx

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1、第四章第四章数控装置数控装置 第一节第一节概概述述一、数控装置的作用数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。返回课件首页二、数控装置软件和硬件的功能界面硬件软件图4-1几种典型的软硬件界面的划分程序输入数据处理插补位控速控伺服电机测量软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现，

2、哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务。四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。第二节第二节 数控装置的硬件结构数控装置的硬件结构一、由单片机组成的数控装置图4-2用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图二、单微处理机数控装置 图4-3单微处理机数控装置的结构图C

3、PU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROM接口RAM接口PLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能 图4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）三、基于网络的数控装置图4-5基于网络的数控系统结构图数控装置各功能模块间的通讯是按照SERCOS（SerialCommunicationSystem）协议进行的。图4-7表示了SERCOS协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循环的时间可设定为62s、125s、250s或其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和

4、伺服驱动器间的同步通讯为前提。图中的Master表示运动控制器，Slavei表示连接在控制环路中的第i个伺服驱动器，MST表示同步信息，ATi表示第i个伺服驱动器发送的数据，MDT为控制器发送到网络上的数据。驱动器数/光纤环4221246通讯周期图4-6每个光纤环路能控制的驱动器个数66图4-7SERCOS通讯原理控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：1控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此同步信息为保证同步通讯的时间基准；2控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同步数据（CycleData）和伺服数据（ServeData）；3伺服驱动器将要发送的数据送到相应的时间槽（TimeSlots）。通讯按

5、照NRZI编码的HDLC协议进行。第三节第三节 数控软件数控软件一、数控软件的数据转换流程 图4-8数控装置软件的数据转换流程 加工程序译码刀补处理速 度 控制插 补 处理位置控制伺 服 驱动PLC控制位 置 反馈译码缓冲区刀补缓冲区运行缓冲区 （一）译码译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。1不按字符格式的存放方法M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；图4-9不按字符格式的译码数据存放格式 2保留字符格式的存放方法StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/

6、0：空，1：有数据intblock_num；/程序段号doubleCOORD20；/尺寸字的数值，单位为mintF，S；/进给速度和主轴速度charG_flag；/以标志形式存放的G指令charG1；/G指令表.charM_flag；/以标志形式存放的M指令charM1；/M指令表.charT；/刀具代号charD；/刀具半径值；（二）刀补刀补处理程序主要进行以下几项工作：1计算本段零件轮廓的终点坐标值；2根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；3根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。（三）速度预处理速度预处理程序主要完成以下几步计算：1计算本程序段总位移量2计算每

7、个插补周期内的合成进给量L=Ft/60（m）式中，F进给速度值（mm/min）；t数控系统的插补周期（ms）。（四）插补处理1根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；2计算新的坐标位置；3将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。插补程序的实时性（五）位置控制图4-10位置控制算法原理指令位置+插补输出+x2，y2-位控输出x3，y3+X2新，Y2新实际位置增量x1，y1实际位置X1新，Y1新X2旧，Y2旧X1旧，Y1旧+-1计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+x2Y2新=Y2旧+y22计算实际坐标位置X1新=X1旧+x1Y1新=Y1旧+y13计算位置控制输出值x3=

8、X2新-X1新y3=Y2新Y1新位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。二、数控软件的特点（一）多任务与并行处理技术1数控装置的多任务性图4-11数控装置的任务数控装置管理控制输入I/O处理显示诊断通讯速度处理刀具补偿译码插补位置控制这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如：（1）显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态；（2）在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必须同时进行。2多任务并行处理的实现（1）资源分时共享图4-12分时共享多任务处理方案优先级

9、顺序显示其它译码I/O刀补位置控制插补运算背景程序背 景 程序初始化图4-13各任务占用CPU时间示意图0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序（2）时间重叠流水处理图4-14时间重叠流水处理示意图12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间a）顺序处理b）并行处理空间N3N2N1空间N2N1输出输出 三、数控软件的基本结构（一）前后台型结构模式图4-15前后台程序的运行关系故障处理；位置控制；插补运算；译码；刀补；速度处理；输入/输出；显示。循环执行后台程序前台程序中断执行（二）中断型结构模式中断型结构的数控软件系

10、统见图4-16。图4-16中断型结构的数控软件系统初始化中断管理系统（硬件+软件）0级 中断服务程序1级 中断服务程序2级 中断服务程序N级中断服务程序 第四节数控装置的输入/输出接口一、接口标准化二、接口的任务1进行电平和功率放大。2将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。3数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。抗衰减和畸变。主轴驱动电机数控装置接口分类 电机速度控制进给主轴驱动机床坐标轴进给电机操作面板限位开关机电器件（电磁铁，离合器等）辅助功能（齿轮箱，转台，换刀装置等）辅助电机机床控制设备控制装置电源控制（变压器，保护装置等）速度Vx，Vy，Vz电源位置测量传感器激励位置指示

11、电源连锁停止命令开/关指令信号三、常用的输入输出接口1.直流模拟信号接口a)单极性输出b)双极性输出图4-18AD7520电压输出电路+5V+5V22k2.2k1000.1u47u100a)斯密特触发电路b)RS触发器整形电路图4-20消除触点抖动的电路斯密特触发器CNC接收器+5V电平转换电路以电压输入的接收电路见图4-21。MT电压输入接收器+5V图4-21电压输入的接收电路+24V+24V输出CNCa)继电器输出b)无触点输出图4-22输出接口电路CNCCNC3、数控装置的通信接口输入文件名初始化8520输入文件名输入文件名字符？DC1？DC3？结束？结束第五节第五节 PLC控制控制一、

12、PLC的基本概念1RLC与PLCCWT1StopT1CCWT2T2图4-24实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外PLC能够控制的开关量数量要比RLC多，能实现复杂的控制

13、逻辑。由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。2数控装置中的PLC数控装置中的PLC有两种类型：内装型PLC和独立型PLC。内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。图4-25内装型PLC结构图NCPLCI/O电路伺服驱动单元主轴驱动单元强电电路机床操作面板MDI/CRT面板伺服驱动单元主轴驱动单元辅助动作独立型PLC又称通用型PLC，的CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型PLC与数控装置的关系如图4-26图4-26独立型PL

14、C结构图NCPLC伺服驱动单元主轴驱动单元强电电路机床操作面板MDI/CRT面板伺服驱动单元主轴驱动单元辅助动作DI/DO电路DI/DO电路DI/DO电路二、PLC编程的基本方法由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。1接点梯形图梯形图（LCLadderDiagram）编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图4-27所示。R1支路11.0AE梯级1支路2120.11.2120.1支路31.1BER2

15、梯级21.2120.2支路4120.2电力轨电力轨图4-27电机正反转控制的接点梯形图2语句表语句表也称指令表（ILInstructionList），或指令表语言。指令表语言和汇编语言很相似，每条语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。操作码表示功能类型，操作数表示操作的对象，操作数由地址码和参数组成。若采用指令语句，图4-27所示的梯形图程序可表达为：RDA1.0ORR1120.1AND，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，NOTE1.2WRTR2120.2其中的RD、OR、AND、NOT等称为指令语句的操作码，而1.0、120.1、1.2等为操作数。这

16、种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用梯形图表达，然后写成相应的指令语句再用编程器上的指令和功能键输入到PLC中。表4-1是常用的操作码及其涵义。三、PLC的工作过程1PLC的硬件结构图4-28PLC硬件原理图CPURAMEPROM用户程序EPROM用户程序编程器电源输入输出模块功能开关和指示器电池2PLC的工作过程PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程。0000H图4-29PLC的扫描过程输入/输出状态采集解算梯形图扫描I/O口，更新输出状态扫描编程器更新显示强行I/O操作用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行。这是PLC的基本工作方式。图

17、4-29给出了GE系列PLC的CPU扫描过程。只要PLC接通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描。扫描从0000H地址所存储的第一条用户程序开始，顺序进行，直到存储器结尾或用户程序的最后一个地址为止，形成一个扫描循环，周而复始。每扫描一次，CPU进行输入点的状态采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行。接入编程器时，也对编程器的输入响应，并更新显示。然后CPU对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定时器进行复位。完成自检后，CPU又从存储器的0000H地址重新开始扫描运行。图4-30用一个控制实例进一步说明行程开关PB1被压下时PLC的控制过程。（1）当按钮开关PB1压下

18、，输入继电器X401的线圈接通；（2）X401常开触点闭合，由此输出继电器Y430通电；（3）外部输出点Y430闭合，指示灯PL亮；（4）当PB1被放开时，输入继电器X401的线圈不再工作，其对应的触点X401断开，这时输出继电器Y430仍保持接通，这是因为Y430的触点接通后，其中的一个触点起到了自锁作用；（5）当行程开关LS1被压下时，继电器X403的线圈接通，X403的常闭触点断开，使得继电器Y430的线圈断电，指示灯灭，输出继电器Y430的自锁功能复位。（6）PB1被按下的同时，X401的另一个常开触点接通另一个梯级，这时若触点M100也处于闭合状态，定时器通电，到达定时器设定的时间后

19、，定时器断开。梯形图输出继电器X401X403Y430定时器X401M100X405X407辅助继电器输入继电器K10外部输出触点电源指示灯继电器负荷430430431431432432433DY430T450M100按钮PB1行程开关LS1PB2COM400401402403404405407407X401X4033X405返回课件首页返回本章首页谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH