数控技术幻灯片3

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1、,计算机数字控制装置 教学设计 南京航空航天大学 游有鹏 Email： Tel:025-84892510 2010.11,主要内容,计算机数字控制装置,CNC装置的硬件结构 CNC装置的软件结构 可编程控制器（PLC） 典型的CNC系统简介,教学目标,教学内容分析,教学重点、难点分析,教学目标、内容、重点与难点分析,掌握数控系统组成、工作原理、结构特点； 了解典型数控系统结构及当代数控系统的结构发展趋势。,硬件结构、软件结构、PLC、 系统各部分的工作原理与结构特点,重点：系统组成硬软件的结构形式与特点 难点：内容庞杂、空洞抽象，难掌握,教学目标：,教学内容分析：,教学重点、难点：,难点处理对

2、策,关键点：CNC是一个专用的计算机控制系统，借鉴计算机应用系统，兼顾CNC的功能特点，不难分析其硬件与软件的关系、功能划分、结构形式的特点与选择、以及演化过程与发展趋势； CNC的结构伴随着计算机技术而发展； 体系结构始终为适应系统的功能与性能需求； 体系结构的优劣评价：性价比（开发、生产、维护、使用）； 学习体系结构的目的，掌握常用结构与特点，便于设计、选择； 注意介绍数控新发展：开放式数控、嵌入式数控,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。

3、,CNC装置的组成,4.1 概 述,从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,CNC装置的组成/硬件/图,控制单元,主轴电机,进给伺服电机,电子手轮,I/O模块,机床控制面板,CNC键盘,驱动系统,CNC装置的组成,4.1 概 述,CNC装置的组成/图,CNC系统平台,CNC装置的组成,4.1 概 述,CNC装置组成/硬件/软件的关系,CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台； 硬件和软件的构筑方式称为CNC系统的体系结构。 体系结构的重要性：直接关系到系统的设计、开发、更新、扩展以及使用、维护的效率、成本。 学习了解CNC体系结构的目的：

4、指导设计开发；有助于对现有系统的了解、分析、评估、选用、维护、诊断。,4.1 概 述,CNC硬件软件的作用和相互关系:,硬件是基础，软件是灵魂,4.2 CNC的硬件结构,硬件结构的分类：外部形式、内部结构 其内部结构可按含有CPU的多少来分: 1、单微处理器系统；2、多微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,CNC装置的硬件结构，随着计算机技术的进步而发展，可以基于通用计算机或专用计算机来构筑。 互动讨论：基于通用计算机或专用计算机构筑CNC装置的硬件结构的优缺点？,4.2.1 单微处理器系统,特点： 单个CPU集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理方式来实现各种NC功能。 结构

5、简单，便于开发，尤其基于通用PC； 成本低、经济型好； （华中I型）； 系统的功能、性能受CPU性能所限，常用于中低档系统。,4.2.1 单微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,单微处理器结构框图,4.2.1 单微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,图4-1 单微处理器结构框图,图/单微处理器CNC系统,经济型数控系统 常用结构,4.2.1 单微处理器系统,1)微处理器,多主结构 分布式结构 主从式结构,4.2.2 多微处理器系统,CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。,多主结构/分布式结构,根据各模块间的相互关系又可将其分为

6、：,多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间为紧耦合，通过总线或公共存储器进行交换信息。 分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。 主从式结构：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。,4.2.2 多微处理器系统,多微处理器的特点,能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。 对高档系统，便于实现容错功能，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。,多微处理器的特点：,4.2.2 多微处理器

7、系统,多主结构的结构形式,共享总线结构型 共享存储器结构型,多主结构的结构形式：,4.2.2 多微处理器系统,1)共享总线结构,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,结构特征,功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的从模块(RAM/ROM，I/O模块)； 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上； 采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,结构特征:,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,优/缺点,优点： 模块化结构、组配灵活、可靠性高。 缺点： 总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将影响整个系统； 使用总线要经

8、仲裁，信息传输率降低。,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,2)共享存储器结构,在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。常用双端口RAM,2）共享存储器结构,4.2.2 多微处理器系统,美国GE,MTC1-CNC硬件结构,美国GE 公司的MTC1-CNC系统硬件结构,2）共享存储器结构,4.2.2 多微处理器系统,4.2.3 开放式数控系统,可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以 用于另一平台，仍然保持原有特性。 可扩展性：不同应

9、用模块可在同一平台上运行。 可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方 式交换数据。 规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可 按照需要调整。,开放的含义硬件结构意义上：标准化，开放化,4.2.3 开放式数控系统结构,开放式数控系统概念结构,4.2.3 开放式数控系统,主要内容,开放的现实途径基于PC的开放式数控结构,NC板嵌入PC机嵌入系统 （新兴数控产品） PC机作为非实时处理 ；运动控制卡完成CNC实时控制。 能够方便地实现人机界面的开放化和个性化。 PC板嵌入NC融合系统（Simens840Di，Fanuc210i） 在传统的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人机界面

10、，能够集成应用程序、网络接口等。 CNC内核保持了原有的封闭性，只能实现界面开放。 软件NC全开放系统 （PA8000等） 以PC为平台，采用实时操作系统，由软件模块实现CNC系统的各项功能，通过伺服卡传输数据，完成伺服和PLC控制。 通过对CNC软件的适当组织、划分、规范定义和开发，可望实现完全开放。,4.2.3 开放式数控系统,运动控制卡,运动控制 是控制技术与运动系统相结合的产物，它以微处理器、DSP为核心，综合硬件设计、软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺服驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以

11、及家用电气等众多领域。 高性能运动控制卡 是各类专用数控系统快速开发的支撑技术。,4.2.3 开放式数控系统,显示器,CPU,存储器,网卡,传感/执行器,应用层,功能层,设备层,I/O模块,多轴运动控制器,驱动器,驱动器,驱动器,X轴电机,Y轴电机,Z轴电机,机床本体,ISA/PC104/PCI总线,4.2.3 开放式数控系统,嵌入式微处理器：在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。 与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。 目前，主要的嵌入式处理器类型有ARM、Am186/88、 386EX、PowerPC

12、、68000系列等。,4.2.4 嵌入式数控系统,嵌入式数控系统：采用了嵌入式处理器的数控装置， 可显著提高系统的性价比。,ARM（Advanced RISC Machines）公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。,ARM处理器有3大特点： 小体积、低功耗、低成本而高性能； 16/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。,ARM处理器分ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11等系列。,ARM处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,PowerPC体系结构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其应用范围

13、非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。 基于PowerPC架构的处理器有IBM 公司开发的PowerPC 405 GP，它是一个集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。,PowerPC处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,X86系列处理器是最常用的，它起源于Intel架构的8080，发展到现在Pentium 4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。486DX是当时和ARM、68K、MIPS、SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于X86的STPC高度集成系统。,X8

14、6处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,典型的嵌入式数控系统结构：ARM+DSP，ARMFPGA,M、S、T等指令,主轴电机,外围 网络接口 USB接口 键盘接口 显示接口 存储接口 ,插补单元 补偿单元 位控单元,G代码,伺服单元,进给电机,ARM,PLC软核,操作系统 DSP接口 FPGA,代码解释模块,4.2.4 嵌入式数控系统,思考题？,嵌入式数控系统的优势？ 集成化、高性价比的CPU； 比较开放式数控与嵌入式数控的特点、发展理念？ 标准化、开放式 集成化、高性价比 当代及未来数控系统硬件结构发展的基本趋势？ 模块：集成化、标准化； 结构：分布式、网络化；,从实现功能角度看，软件与硬件在

15、逻辑上是等价的。,CNC装置软件和硬件的关系,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,各有特点： 硬件：处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 软件：设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。,4.3.1 CNC装置的软件构成,4.3.1 CNC装置的软件构成,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,4.3.2 CNC系统软件的工作过程,4.3.2 CNC系统软件的工作过程,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,1)程序输入,思考？,系统的任务众多，如何组织系统各软件模块，保证其可靠、高效运行？ 软件的体系结构关系重大（模块的划分、接口定义、调度策略等）,4.3.3 CNC系统的软件结构特

16、点,2）前后台型软件结构,数控软件的特点：多任务性、要求并行处理,并行处理的实现方式： 单CPU？ 资源分时共享 多CPU？ 资源重叠流水处理,4.3.3 CNC系统的软件结构特点,框图,1）多任务性与并行处理技术,资源分时共享并行处理（对单CPU系统） 重点解决： 各任务的优先级分配问题？ 各任务时间片的分配问题？,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,位置控制,插补运算,背景程序,中断级别高,中断级别低,资源（CPU）分时共享图,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,并发处理和流水处理（对多CPU系统）,若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理； 若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,流水处理技术示意图,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,