第五部分计算机数控系统

《第五部分计算机数控系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五部分计算机数控系统（100页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 LOGO Click to add your text 第第 五五 章章 计计 算算 机机 数数 控控 系系 统统 河北理工大学机械工程学院 工程训练中心 张好强 5 1 5 1 概概 述述 5 2 CNC5 2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 5 3 CNC5 3 CNC系统的软件结构系统的软件结构 5 4 CNC5 4 CNC系统的输入输出与通信系统的输入输出与通信 5 5 CNC5 5 CNC装置的插补原理装置的插补原理 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 v 本章教学要求 vv 本章让学生了解计算机数控系统的基本知识

2、本章让学生了解计算机数控系统的基本知识 掌握计算机数控系统的软硬件结构 掌握计算机数掌握计算机数控系统的软硬件结构 掌握计算机数 控系统的插补原理 了解计算机数控系统的输入输控系统的插补原理 了解计算机数控系统的输入输 出与通信要求 出与通信要求 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 1 概 述 5 1 1 CNC系统的组成 CNC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 CNC系统采用了计算机作为控 制部件 通常由

3、常驻在其内部的数控系统软件实现部分 或全部数控功能 从而对机床运动进行实时控制 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 图5 1 CNC系统的结构框图 在图5 1所示的整个计算机数控系统的结构框图中 数控系统主要是指CNC控制 器 CNC控制器是由数控系统硬件 软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成 前者主要处理机床轨迹运动的数字控制 后者主要处理开关量的逻辑控制 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 1 2 CNC系统的功能和一般工作过程 1 CNC系统的功能 数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能 基本功能是数控系 统必备的功能 选择功能是供用户根据机床特点和用途进行

4、选择的功能 CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码 上 下面为其主要功能 1 控制功能 7 刀具功能 2 准备功能 8 补偿功能 3 插补功能 9 字符 图形显示功能 4 进给功能 10 自诊断功能 5 主轴功能 11 通信功能 6 辅助功能 12 人机交互图形编程功能 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 CNC系统的 一般工作过程 图5 2 CNC的工作流程 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 1 从CNC系统的总体安装结构看 有整体式结构和分体 式结构两种 整体式结构是把CRT和MDI面板 操作面板以及功能模块 板组成的电路板等安装在同一机箱内

5、 分体式结构通常把CRT和MDI面板 操作面板等做成一个 部件 而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内 两者 之间用导线或光纤连接 CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式 床头式 控制柜式 控制台式等多种 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 2 CNC系统的硬件结构 2 从组成CNC系统的电路板的结构看 有大板式结构和模 块化结构 1 大板式结构 一个系统一般都有一块大板 称为主板 主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等 其他相关的子板 完成一定功能的电路板 如ROM板 零件程序存储器板和PLC 板都直接插在主板上面 组成CNC系统的核心部分 2 总线模块化的开放系统结构 柔

6、性比较高 将CPU 存储 器 输入输出控制分别做成插件板 称为硬件模块 甚至将 CPU 存储器 输入输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块 相应的软件也是模块结构 固化在硬件模块中 硬 软件模 块形成一个特定的功能单元 称为功能模块 功能模块间有明 确定义的接口 接口是固定的 彼此可以进行信息交换 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 3 从CNC系统使用的CPU及结构来分 CNC系统的硬件结 构一般分为单CPU结构和多CPU结构两大类 初期的CNC系统和现在的一些经济型CNC系统一般采用单 CPU结构 而多CPU结构可以满足数控机床高进给速度 高加 工精度和许多复杂功能的要求 适应于并

7、入FMS和CIMS运行 的需要 发展迅速 反映了当今数控系统的新水平 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 2 1 单CPU系统的硬件结构 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 2 2 多CPU系统的硬件结构 多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的 CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构 这种结构中每个CPU完成系统中规定的一部分功能 独立执 行程序 它比单CPU结构提高了计算机的处理速度 多CPU结构 的CNC系统采用模块化设计 将软件和硬件模块形成一定的功能 模块 模块间有明确的符合工业标准的接口 彼此间可以进行 信息交换 这样可以形成模块

8、化结构 缩短了设计制造周期 并且具有良好的适应性和扩展性 结构紧凑 多CPU的CNC系统 适合于多轴控制 高进给速度 高精度的数控机床 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 1 多CPU CNC系统的典型结构 1 共享总线结构 在这种结构中 只有主模块有权控制系统总线 且在某一时刻只能 有一个主模块占有总线 如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争 总线问题 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 共享存储器结构 在该结构中 采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互 连和通信 每个端口都配有一套数据 地址 控制线 以供 端口访问 由多端口控制逻辑电路解决访问冲突 图5 5 共享存储

9、器的多CPU结构框图 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 多CPU CNC系统基本功能模块 1 管理模块 2 插补模块 3 位置控制模块 4 存储器模块 5 PLC模块 6 指令 数据输入输出及显示模块 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计 和编制的 是数控加工系统的一种专用软件 又称系统软件 系统程序 图5 6 CNC中三种典型的软硬件功能界面 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 3 CNC系统的软件结构 5 3 1 CNC软件结构特点 1 CNC系统的多任务性 图5 7 CNC软件任务分解图 第五章第五章

10、 计算机数控系统计算机数控系统 图5 8 CNC的任务并行处理关系需求 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 多任务并行处理 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 并行处理的优点优点是提高了运行速度 并行处理分为并行处理分为 资源重复资源重复 法 法 时间重叠时间重叠 法和法和 资源共享资源共享 法等并行处理方法法等并行处理方法 目前CNC装置的硬件结构中 广泛使用 资源重复 的 并行处理技术 如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 在CNC装置的软件中 主要采用 资源分时共享 和

11、 时 间重叠的流水处理 方法 1 资源分时共享并行处理方法 图5 9 CPU分时共享的并行处理 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 时间重叠流水并行处理方法 当CNC装置在自动加工工作方式时 其数据的转换过程 将由零件程序输入 插补准备 插补 位置控制四个子过程 组成 如果每个子过程的处理时间分别为 t1 t2 t3 t4 那么一个零件程序段的数据转换时间将是 t t1 t2 t3 t4 如果以顺序方式处理每个零件的程 序段 则第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段 依次类推 图5 10 a 表示了这种顺序处理时的时间空间 关系 从图中可以看出 两个程序段的输出之间将有一个时

12、 间为t的间隔 这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的 时停时转 反映在刀具上就是刀具的时走时停 这种情况在 加工工艺上是不允许的 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 a b 图5 10 时间重叠流水处理 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 3 实时中断处理 CNC系统的中断管理主要由硬件完成 而系统的中断结 构决定了软件结构 CNC的中断类型如下 1 外部中断 2 内部定时中断 3 硬件故障中断 4 程序性中断 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 3 2 CNC软件结构模式 CNC系统的软件结构决定于系统采用的中断结构 在常 规的CNC系统中 已有的结构模式有中断

13、型结构和前后台型 结构两种模式 1 中断型结构模式 特点 除了初始化程序之外 整个系统软件的各种功能模块 分别安排在不同级别的中断服务程序中 整个软件就是一个 大的多重中断系统 其管理的功能主要通过各级中断服务程 序之间的相互通讯来解决 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 前后台型结构模式 该结构模式的CNC系统的软件分为前台程序和后台程序 前台程序是指实时中断服务程序 实现插补 伺服 机床 监控等实时功能 这些功能与机床的动作直接相关 后台程序是一个循环运行程序 完成管理功能和输入 译 码 数据处理等非实时性任务 也叫背景程序 管理软件和插 补准备在这里完成 后台程序运行中 实时

14、中断程序不断插入 与后台程序相配合 共同完成零件加工任务 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 图5 11所示为前后台软件结构中 实时中断程序与后台程 序的关系图 这种前后台型的软件结构一般适合单处理器集中 式控制 程序启动后先进行初始化 再进入后台程序环 同时 开放实时中断程序 每隔一定的时间中断发生一次 执行一次 中断服务程序 此时后台程序停止运行 实时中断程序执行后 再返回后台程序 图5 11 前后台软件结构 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 4 CNC系统的输入输出与通信 5 4 1 CNC装置的输入输出和通信要求 1 数据输入输出设备 2 外部机床控制面板 包括键

15、盘和终端显示器 3 通用的手摇脉冲发生器 4 进给驱动线路和主轴驱动线路 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 5 4 2 CNC系统常用外设及接口 1 纸带阅读机输入及工作原理 读入纸带信息的设备称为纸带阅读机或读带机 早期的 数控机床多配有这种装置 它把纸带上有孔和无孔的信息逐 行地转换为数控装置可以识别和处理的逻辑信号 读带机通 常有机械式和光电式两种 不论是哪种形式的纸带阅读机 目前已经基本上被淘汰 取而代之的是计算机用磁盘或光盘驱动器等 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 2 键盘输入及接口 键盘有两种基本类型 全编码键盘和非编码键盘 全编码键盘每按下一键 键的识别由键

16、盘的硬件逻辑自动提 供被按键的ASCII代码或其他编码 并能产生一个选通脉冲向CPU 申请中断 CPU响应后将键的代码输入内存 通过译码执行该键 的功能 此外还有消除抖动 多键和串键的保护电路 这种键盘 的优点是使用方便 不占用CPU的资源 但价格昂贵 非编码键盘 其硬件上仅提供键盘的行和列的矩阵 其他识 别 译码等全部工作都是由软件来完成 所以非编码键盘结构简 单 是较便宜的输入设备 非编码键盘在软件设计过程中必须解 决问题是 识别键盘矩阵中被按下的键 产生与被按键对应的编 码 消除按键时产生的抖动干扰 防止键盘操作中串键的错误 第五章第五章 计算机数控系统计算机数控系统 3 显示 CNC系统接收到操作者输入的信息以后 往往还要把接 收到的信息告知操作者 以便进行下一步的操作 现代CNC 系统采用的CRT显示 它不仅能显示字符 还能显示图形 在CNC系统中 常采用各种显示方式以简化操作和丰富操作 内容 用来显示编制的零件加工程序 显示输入的数据 参 数和加工过程的状态 动态坐标值等 以及加工过程的动态 模拟等 使操作既直观又方便 早期的CNC系统多采用发光 二极管 LED 显示器 现