第5章数控系统的组成

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1、第5章数控系统的组成 5 1经济型数控系统 5 2标准型数控系统 5 3数控系统中的通信接口 5 4FANUC数控系统 5 5Siemens数控系统 5 6开放式数控系统 思考与练习 5 1经济型数控系统 5 1 1经济型数控系统的组成经济型数控系统根据其应用场合不同 功能有所区别 但其总体结构大致相同 图5 1所示为经济型数控系统的一般结构 主要由以下几个部分构成 图5 1经济型数控系统一般结构 1 微机 主要包括CPU EPROM RAM I O接口等电路 2 驱动 由步进驱动装置与步进电动机构成 在经济型数控系统中步进电动机一般为功率式步进电动机 3 开关量控制电路 负责机床侧I O开关

2、及机床操作面板与微机的连接 涉及到M T S指令的执行 4 主轴控制 由主轴电动机及主轴驱动装置组成 5 通信接口 一般指RS 232C接口 完成数控系统与微机的通信 6 软件系统 由系统软件与应用软件构成 5 1 2微机系统1 微机机型的选取经济型数控系统常采用单片机为主控微机 如Intel公司的8031 8098等 就当前情况来看 经济型数控系统选择8098较为经济合理 因其运算速度是8031的5 6倍 但8031位处理功能很强 很适合于开关量控制 2 存储器的扩充 存储器可分为数据存储器与程序存储器 一般程序存储器主要存放系统的监控程序与控制程序 用户无需修改 常采用EPROM存储器 如

3、2764或27256等芯片 数据存储器用来存放用户程序 中间参数 运算结果等 常采用6264或62256等芯片 3 I O接口电路常用并行接口芯片8255A来扩展系统I O口的点数 用8279来控制键盘 显示 至于定时 计数器与中断系统 一般由单片机本身的资源提供 4 辅助电路辅助电路主要包括驱动电路 译码电路 复位电路等 驱动电路主要采用单向驱动芯片244与双向驱动芯片245 译码电路主要包括三 八译码器138 复位电路主要有上电复位与按钮复位或二者的组合复位电路 5 1 3外围电路 1 I O通道 I O通道要充分考虑电平匹配 缓冲 锁存及信号隔离等因素 以防止信号的丢失及干扰的引入 一般

4、对信号的隔离常采用光电隔离 该隔离方式设计简单 成本较低而且信号隔离也较为可靠 图5 2和图5 3所示为常用的带光电隔离的输入电路与输出电路 图5 2开关量输入电路 a 弱电接点输入电路 b 强电接点输入电路 图5 3开关量输出电路 a 继电器输出 b 大功率晶体管或双向晶闸管输出 2 步进电动机的功率驱动 步进电动机的驱动主要有高低压驱动 恒流斩波驱动等形式 3 主轴驱动主轴驱动有直流驱动和交流驱动 数控系统中的微机根据数控程序中的S指令 求出主轴转速给定值 并将给定值传送给主轴驱动装置 当采用交流变频方式时 频率给定主要有两种方式 一种为模拟量给定 另一种为数字量给定 当用模拟量给定转速时

5、 可将微机输出的数字量经D A转换 隔离及放大滤波后送到变频器 当用数字量给定转速时 可直接经8255A输出 经隔离后送至变频器 5 1 4软件结构1 输入数据处理程序 1 输入 主要是指由用户从操作面板上输入控制参数 补偿数据及加工程序 一般均采用键盘直接输入 故软件的作用主要是字符的读取与存放 2 译码 在输入的加工程序中 含有零件的轮廓信息 要求的加工速度及一些辅助信息 如主轴正 反转 停 换刀 切削液开 关等 这些信息在微机进行插补运算与控制操作之前必须翻译成机器所能识别的代码 即译码 在软件设计时常采用编译方式来完成译码 3 数据处理 主要包括刀具补偿 速度计算及辅助功能的处理等 2

6、 插补运算程序插补运算是实时性很强的程序 而且算法较多 应根据系统的需要选择合适的算法 力争达到最优化地实现各坐标轴脉冲的分配 3 速度控制程序速度控制是和插补运算紧密相关的 在输入指令中所给的速度一般指各坐标轴的合成速度 速度处理首先要将合成速度分解成各运动坐标方向的分速度 然后再利用软件延时或定时器实现速度的控制 速度控制程序决定着插补运算的时间间隔 插补运算的输出结果控制着各坐标轴的进给 4 系统管理诊断程序 1 管理程序 其实质就是系统监控程序 它主要负责键盘 显示的监控 中断信号的处理及各功能模块的协调 如能实现程序并行处理 则可在插补运算与速度控制的空闲时刻完成数据的输入处理 从而

7、大大提高了程序的实时性 2 诊断程序 主要包括系统的自诊断 如开机运行前 检查系统上各种部件的功能正常与否 和运行诊断 并能在故障发生后 给出相应的报警信息 帮助维修人员较快地找出故障原因 以利故障诊断和维修 图5 4单片机数控系统组成 目前系统选用最通用的MCS 51系列8031单片机 并扩展一片2764EPROM 一片6264SRAM 一片8255A并行I O口和一片74HC244并行I O口 在系统中 一片2764EPROM用来存放系统软件 一片6264SRAM用来存放加工程序和数据 并具有掉电保护 保证数据不丢失 8031片内的SRAM作数据缓冲和椎栈等用 74HC244用于手动开关输

8、入 8255A用于开关命令 步进电动机控制 状态检测和刀架转位等 P1口具有较强的位选功能 作为声光报警 中断扩展查询等辅助I O功能 在人机接口方面 采用Intel8279芯片作为键盘 显示器接口 8279用硬件自动完成键盘与显示器控制 在系统中断处理方面 外部中断入口INT1用于8279键盘输入中断 INT0用于实现实时处理紧急停车 暂停 限位报警功能 系统采用三输入端与非门74HC10的输出端作为一个共用的中断信号源接至INT0 在步进电动机控制方面 8255A的PA口输出的信号至功放电路后 分别控制X轴 Z轴的步进电动机 步进电动机的环形分配采用软件来实现 其控制方式采用三相六拍制 当

9、三相绕组按A AB B BC C CA 的顺序通电时 就可实现电动机的正转 反之 若按A AC C CB BA的顺序通电 则可实现电动机的反转 利用TO进行频率控制 从而实现对电动机的转速控制 在通信接口方面 系统能与微机 PC 实现通信 它们之间采用RS 232C串行标准通信 单片机串行口上的TTL电平信号经MC1488 1489芯片转变为RS 232C电平后接至PC机 若编制较复杂的零件加工程序 手工编程的工作量大而且易出错 则可采用PC机进行自动编程 然后再通过串行口传送给单片机数控系统 另外 系统采用单稳态电路CC4098实现硬件 看门狗 功能 它的输出通过与上电 按钮复位电路经74H

10、C32和8031的复位端RST相连 在系统软件方面 主要由操作管理程序 步进电动机输出控制程序及诊断程序等部分组成 其程序框图如图5 5所示 图5 5系统程序框图 5 2标准型数控系统 5 2 1标准型数控系统的基本组成1 组成标准型数控系统一般是由程序的I O设备 通信设备 微机系统 可编程控制器 主轴驱动装置 进给驱动装置及位置检测等组成 如图5 6所示 图5 6标准型数控系统基本组成 2 模块功能 1 微机控制系统 微机控制系统是CNC的核心 数控系统的主要信息均由它进行实时控制 随着计算机技术的不断发展 微机控制系统的CPU芯片也逐步由8086发展到80586 P 等 而且由单微处理器

11、系统向多微处理器系统方向发展 2 可编程控制器 PLC 可编程控制器主要作用是用来实现辅助功能 如M S T等 其控制方式主要是开关量控制 按数控系统中PLC的配置方式可分为内装型PLC和外装型PLC 现代CNC系统一般均采用内装型PLC 3 主轴控制模块 主轴控制模块主要任务就是控制主轴转速和主轴定位 现代数控机床主轴电动机大多采用交流电动机 相应的驱动装置为变频器 CNC只需要输出相应的控制信号到变频器 就能实现主轴转速 定位的控制 4 进给伺服控制模块 数控机床对进给轴的控制要求很高 它直接关系到机床位置控制精度 进给伺服系统一般由速度控制与位置控制两个控制环节组成 CNC根据位置控制单

12、元的信息 处理并输出控制信号通过速度控制单元完成速度控制 5 检测模块 检测模块完成主轴和进给轴的位置检测 检测装置主要有光电编码器及光栅尺等 其作用就是配合主轴控制模块 进给轴控制模块完成位置的控制 6 输入 输出及通信模块 输入 输出模块完成程序的输入与输出 通信模块传递人机界面所需的各种信息 5 2 2标准型数控系统的硬件结构 1 单微处理器数控系统的结构在单微处理器结构中 整个系统只有一个CPU 它采用集中控制 分时处理方式进行控制 其结构框图如图5 7所示 该结构的主要特点为 1 CNC装置内只有一个CPU 系统对存储器 插补运算 I O控制 程序输入 CRT显示等控制均由该CPU进

13、行分时处理来完成 2 CPU通过地址 数据和控制 AB DB CB 三大总线与各个控制单元相连 完成信息交换 3 由于系统为单CPU结构 因此其功能 速度等受微处理器本身性能的影响而有一定的局限性 图5 7单微处理器结构框图 2 多微处理器结构多微处理器结构的CNC是将数控机床的总任务划分为各个子任务 每一子任务均由一个独立的微处理器来控制 系统通过各子任务之间相互协调来完成对机床的控制 1 多微处理器结构的特点 多微处理器结构与单微处理器结构相比 主要有以下优点 1 性能价格比高 2 模块化结构 2 多微处理器数控系统的结构 多微处理器CNC装置主要由CNC管理模块 CNC插补模块 位置控制

14、模块 PLC模块 存储器模块 数据I O及显示模块等部分组成 结构类型主要有共享总线结构与共享存储器结构两大类 1 共享总线结构 在以系统总线为中心的多微处理器结构中 所有主 从模块均插在总线槽内 共享严格定义的总线标准 系统总线将各模块有效地连接在一起 按照要求交换数据及控制信息 在系统中 某一时刻只能有一个主模块占据总线 从而会造成各主模块发生总线竞争 通常利用仲裁电路来解决这一问题 多微处理器共享总线结构通用结构框图如图5 8所示 图5 8多微处理器共享总线结构框图 2 共享存储器结构 在这种结构中 通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换 由多端口控制逻辑电路解决访问冲

15、突 其结构框图如图5 9所示 图5 10是一个双端口存储器结构 它配有两套数据 地址与控制线 可供两个端口访问 访问优先权预先安排好 当两个端口同时访问时 由内部硬件电路裁决其中一个端口优先访问 图5 9多微处理器共享存储器结构框图 图5 10双端口存储器结构框图 5 2 3标准型数控系统的软件结构 1 多任务并行处理 1 CNC系统的多任务性 CNC系统作为一个独立控制单元 它的系统软件必须完成管理和控制两大任务 系统的管理软件主要包括输入 I O处理 通信 显示和诊断等程序 这类程序的实时性要求不高 通常作为后台程序 系统的控制部分包括译码 刀具补偿 速度处理 插补和位置控制 开关量控制等

16、软件 这类程序的实时性要求非常高 通常作为前台程序 图5 11为CNC系统的软件功能分解图 它反映了数控系统软件的多任务性 图5 11CNC系统的任务分解 在许多情况下 管理和控制的某些工作必须同时进行 例如 为了使操作人员能及时地了解CNC系统的工作状态 管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行 当插补加工运行时 软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行 而当控制软件运行时 其本身的一些处理模块也必须同时运行 例如 为了保证加工过程的连续性 刀具在各程序段之间不停顿 译码 刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行 而插补程序又必须与位置控制程序同时进行 这均说明了CNC系统的多任务在执行过程中有着并行处理的关系 2 CNC系统的多任务并行处理 1 资源分时共享 资源共享是根据 分时共享 的原则 使多个用户按时间顺序使用同一套设备 通常在此种方式中 各任务何时占用CPU及各任务占用CPU时间的长短是首先要解决的两个问题 在CNC系统中 各任务使用CPU是用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决的 图5 12所示为某CNC系统各任务共享CPU的时间分配图 图5 12CPU分时共