数控机床控制基础

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1、 数控机床控制基础 数控系统发展状况 数控系统的发展史 西门子数控系统简介 CNC装置的组成 硬件 软件 CNC装置的优点 CNC装置的功能数控系统发展史 自从20世纪50代世界上第一台数控机床问世至今已经历 50余年。数控系统经过了2个阶段和6代的发展历程(常识) 。 第1阶段是硬件数控(NC)：第1代 1952年的电子管第2代 1959年晶体管（分离元件）第3代 1965年小规模集成电路 第2阶段是软件数控(CNC)：第4代 1970年的小型计算机，中小规模集成电路 第5代 1974年的微处理器，大规模集成电路。第6代 1990年的基于个人PC机图31 电子管实物图TD5TD92SOT26

2、图32 晶体管实物图DeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡 (PCI)数控系统DeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡 (PC104)西门子数控系统简介 世界主要CNC系统：FANUC , SIEMENS, A-B, FAGOR, HEIDENHAIN（海德汉）、三菱、NUM 等 等。 西门子网址： http:/ s/1）SINUMERIK 802S 、802C base line2）具有免维护性能的SINUMERIK802D，可靠性高、易于安装。以上三个系列均集成所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身；3）专利产品，高度集成的SINUMERIK 810D。在数字化控制的领

3、 域中，SINUMERIK 810D第一次将CNC和驱动控制集成在一块板子上（体 积更小）。可以控制5或6个轴。适用于车铣磨削机床。4）最突出的产品SINUMERIK 840D，它在复杂的系统平台上，通 过系统设定而适于各种控制技术。840D与SINUMERIK_611数字驱动系统 和SIMATICS7可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂 加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。标准的控制 系统具有大量的特殊功能。如钻削、车削、铣削、磨削和手动加工技术。 该系统也适用于其他特种技术，如剪切、冲压和激光加工等。SINUMERIK 802S 外观图SINUMERIK

4、840Di 外观图 由上述介绍可知数控机床的数字控制系统由CNC、PLC、 I/O、HMI及驱动系统组成。 CNC和PLC可以综合设计称为内装型PLC（Built-in Type） 或集成式、内含式，内装型PLC是CNC装置的一部分，一般 不能独立工作，与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行 的，可与CNC装置共用一个CPU，如SINUMERIK802S/810D等 数控系统；也可以是单独CPU，如FANUC的0系统和15系统 、美国AB公司的8400系统和8600系统等。CNC装置和PLC 功能在设计时就统一考虑，因而这种类型的PLC在硬件和 软件的整体结构上合理、实用，可靠性高，性价

5、比高，适 用于类型变化不大的数控机床。 对于开放式数控系统，某些板卡支持PLC软件编程，如 PMAC；另外一类是专业化生产厂家生产的PLC产品来实现 顺序控制，称为独立型（Stand-alone Type）PLC，或称 为“通用型PLC”。具有完备的软硬件功能，能独立完成 规定的控制任务。通过输入/输出接口与CNC装置连接，独 立型PLC有：西门子SIMATIC S5、S7，FANUC公司的PMCJ 系列产品等。CNC装置的硬件组成 CNC装置基本硬件构成： CPU； BUS； 存储器； HMI； I/O接口。l CNC装置硬件结构单微处理机；多微处理机。CPU 是CNC系统的核心与“头脑”，

6、主要具备的功能: 可进行算术、逻辑运算； 可保存少量数据； 能对指令进行译码并执行规定动作； 能和存储器、外设交换数据； 提供整个系统所需的定时和控制； 可响应其他部件发来的脉冲请求； 包括的部件： 算术、逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数 器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件是系统中各种信息的集合，它是组成系统各插件 间的标准信息通道。按信息线的性质分以下三种 ： 数据总线DB(Data Bus)：CPU与外界传送数据的通道 地址总线AB(Address Bus)：确定传输数据的存放地址 控制总线CB(Control Bus)：管理、控制信号的传送总线（BUS）存储器（ROM、RAM

7、） 存放CNC系统控制软件、零件程序、原始 数据、参数、运算中间结果和处理后的 结果的器件和设备。 ROM用于固化数控系统的系统控制软件。 RAM存放可能改写的信息。HMI 纸带阅读机（很少见） ； 纸带穿孔机（很少见）； 键盘； 操作控制面板； 显示器； 外部存储设备。 CNC装置与被控设备之间要交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、脉冲量信号，然而这些信号一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口（ 即设备辅助控制接口）对这些信号进行交换处理，其目的是 ： 1）对上述信号进行相应的转换，输入时必须将被控 设备有关的状态信息转换成数字形式，以满足计算机 对输入输出信号的要求；输出时，应满

8、足各种有关执 行元件的输入要求。信号转换主要包括电平转换、数 字量与模拟量的相互转换、数字量与脉冲量的相互转 换以及功率匹配等。 2）阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将 CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运 行的可靠性。 简言之：电平转换、功率放大、电气隔离。 I/O接口I/O接口包括人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口、辅助功能控制接口等，接口包括： 1）人机界面接口 键盘(MDl，即Manual Data input) 显示器(CRT) 操作面板(OPERATOR PANEL) 手摇脉冲发生器(MPG) 2）通信接口 通常数控系统均具有标准的RS232

9、串行通讯接口 高档数控系统还具有RS485、MAP以及其它网络接口 3）进给轴的位置控制接口 进给速度的控制 插补运算（基准脉冲法、采样数据法） 位置闭环控制 4）主轴控制接口无级变速有级变速分段无级变速主轴S功能螺纹切削功能 主轴准停功能 主轴转速监控主轴的位置反馈主要用于 5）辅助功能控制接口CNC装置对设备的控制分为两类： 一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”； 一类是对设备动作的“顺序控制”。 “顺序控制”是指在数控机床运行过程中，以CNC内 部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开 关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对 诸如主轴的起停、换向、刀具的更换、工件的夹紧

10、、松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制 。 辅助控制接口模块主要接收来自操作面板、机床上 的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器 以及主轴控制、刀库控制的有关信号、经处理后输 出去控制相应器件的运行。（一）单微处理机结构P38 单微处理机结构特点： （1）CNC系统中只有一个微处理机，对数据存储、插补运算、 输入输出处理、CRT显示等功能都由它集中控制、分时处理。 （2）微处理机通过总线与存储器、输入输出控制、伺服控制急 显示控制等构成CNC装置。 （3）单微处理机系统结构简单，各种标准电路模板可很方便组 成所需系统。 （4）单微处理机系统是由一个微处理机集中控制，其功能受字 符宽

11、度、寻址能力和运算速度等指标限制，特别是用软件实现 插补功能，其处理速度较慢，实时性很差，为解决这一不足， 可以采用增加浮点处理器或增加硬件插补器等方法来解决。也 可以采用多微处理器。1、多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来 构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和 数据总线进行连接，每个微处理机共享系统公用存储 器或I/O接口，每个微处理机分担系统的一部分工作 ，从而将在单微处理机的CNC装置中顺序完成的工作 转为多微处理机的并行、同时完成的工作，因而大大 提高了整个系统的处理速度。 分为共享存储器、共享总线型两种。 P40（二）多微处理机结构 这种分布式处理机系统的子系统（C

12、PU）之间不能直接进行通信，都要 同公共数据存储器通信。在公共数据存储器板上有优先级编码器，规定伺 服功能微机级别最高，其次是插补微机、再次是I/O微机等。当2个以上的 微机同时请求时，优先编码器决定先接受的请求，对该请求发出承认信号 ；相应的微机接到信号后，便把数据存到公共数据存储器的规定地址中， 其它子系统则从该地址读取数据。 （1）共享存储器结构（2）共享总线结构图（2）共享总线结构 以系统总线为中心的多微处理机结构，称多微处理机共享总线 结构。 CNC装置中的各功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的各种 （RAM/ROM，I/O）从模块两大类。所有主、从模块都插在配有 总线插座的

13、机柜内，共享标准系统总线。 系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起，按要求交换 数据和控制信息，构成一个完整的系统，实现各种预定的功能 。 只有主模块有权控制使用总线。由于某一时刻只能由1个主模块 占有主线，因此必须有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使 用系统总线的竞争。仲裁的目的是判别出各模块优先权的高低 ，而每个主模块的优先级别已按其担负任务的重要性被预先安 排好。支持多微机系统的总线都有总线仲裁机构，通常有两种 裁决的方式，即串行方式和并行方式。 2多微处理机的结构特点 （1）性能价格比高。 （2）采用模块化结构，具有良好的适应 性和扩展性。 （3）硬件易于组织规模生产。 （4）有很

14、高的可靠性。CNC的软件组成操作系统控制软件管理软件人 机 交 互显 示 处 理零件程序管理输入输出管理故障诊断处理插补运算速度处 理译 码 处 理位 置 控 制机床输入输出主 轴 控 制图3-1 CNC装置软件功能图CNC装置软件的结构模式 目前，CNC装置软件的结构模式有如下几种： （一）前后台型或超循环系统(Super-Loops)。 （二）中断型结构模式 （三）基于实时操作系统的结构模式 并行的工作模式指在高度集成的操作系统下，如C/OS- II系统。前后台型指无操作系统支持，采用C语言编程，前台主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性 强的任务；后台（也称背景程序）运行显示、零件

15、加工程序的编辑 管理、系统的输入输出、插补预处理（译码、刀补处理、速 度预处理）等弱实时性任务。应用程序是一个无限的循环程序，在前台和后台程序内 无优先级等级，也无抢占机制，因而，实时性差。例如，当 系统出现故障时，有时可能要延迟整整一个循环周期（最坏 的情况）才能作出反应。早期的CNC装置都采用这种结构， 仅适用于控制功能较简单的系统。CNC装置的优点 具有灵活性和通用性 数控功能丰富 可靠性高 使用维护方便 易于实现机电一体化 CNC装置的功能 基本功能和辅助功能 基本功能：数控系统基本配置的功能，即必备的功 能。插补功能、控制功能、准备功能、进给功能、刀具 功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能。 辅助功能：用户可以根据实际要求选择的功能。补 偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、人 机对话编程功能。 (1)控制功能 (2)准备功能 (3)插补功能和固定循环功能 (4)进给功能 (5)主轴功能 (6)辅助功能 (7)刀具管理功能 (8)补偿功能 (9)人机对话功能 (10)自诊断功能 (11)通