计算机数控装置的结构

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1、第 4 章 计算机数控(CNC)装置,4.1 概 述,4.1.1 CNC技术的发展,表4.1数控系统的演变,4.1.1 CNC技术的发展,表42 数控系统的技术进步状况,4.1.1 CNC技术的发展,表43 数控系统的功能水平,4.1.2 CNC系统的组成,EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。 ISO(国际标准化组织)的定义:“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。 CNC系

2、统与NC系统 数控系统分轮廓控制和点位控制系统。 数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即 数字控制装置。,系统方框图,4.1.2 CNC系统的组成,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）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。 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。,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,硬件结构: CPU，存储器，总线、外设等。 软件结构：是

3、一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,3. 工作原理 通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。 简要工作过程： 1）输入： 输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入， 通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理,2）译码

4、：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机 能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专 用区内。 3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。 4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之 间进行“数据点的密化工作”。 5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位 置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,4.1.4 CNC装置的主要功能

5、和特点,1.数控装置的主要功能 （1）控制轴数和联动轴数 （2）准备功能（G功能） （3）插补功能 （4）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准 （5）进给功能（ F ） 1）切削进给速度 2) 同步进给速度 3）快速进给速度 4）进给倍率 。 （6）补偿功能 1） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2）工艺量的补偿 （7）固定循环加工功能,4.1.4 CNC装置的主要功能和特点,（8）辅助功能（M代码） （9）字符图形显示功能 （10）程序编制功能：手工编程、 在线编程、自动编程 （11）输入、输出和通讯功能 （12）自诊断功能 2.CNC数控装置的特点 1）灵活性大

6、 2）通用性强 3）可靠性高 4）可以实现丰富、复杂的功能 5）使用维修方便 6）易于实现机电一体化,4.2 CNC装置的硬件结构,4.2.1 CNC装置的硬件构成,单微处理器硬件结构图,CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中 高档的CNC装置以多微处理机结构为多。 单微处理机结构:见上图 多微处理机CNC装置的结构： 1. 主从结构 2. 多主结构 3. 分布式结构 4. 多通道结构,4.2.2 CNC装置的体系结构,单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。 单微

7、处理机结构： 微处理器、存储器、总线、接口等。 接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。 1.微处理器和总线 微处理器：运算、控制 总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制 、地址和数据三总线。 2.存储器 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM） 它们的用途：,4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构, 只读存储器（ROM）：系统程序 随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、 标志信息 CMOS RA

8、M或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数 3.位置控制单元 对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。 （对主轴的控制一般只包括速度控制） C轴位置控制：包括位置和速度控制 刀库位置控制（简易位置控制） 进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、 位置控制模板。,4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,1.多微处理机CNC装置的典型结构 总线互联方式，典型的结构:共享总线型、共享存储器型及混合型结构。 （1）功能模块 1）CNC管理模块 2）存储器模块 3）CNC插补模块 4）位置控制模块 5）

9、操作控制数据输入、输出和显示模块 6）PLC模块,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,（2）共享总线结构 结构与仲裁 主模块与从模块 总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式 串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。 并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案 模块之间的通讯：公共存储器 总线：STD bus （支持8位和16位字长） Multi bus （型支持16位字长，型支持32位字长） S-100 bus （可支持16位字长） VERSA bus （可支持32位字长） VME bus （可支持32位字长）,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,图4 .9

10、串行总线仲裁连接方式,主模块1,主模块2,主模块3,总线优 先权入,总线优 先权出,总线 忙,入,忙,出,入,忙,出,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,（3）共享存储器结构,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,（4）共享总线和共享存储器型结构,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构,VS,VS,（5）多通道结构 通道结构（Channel Structure），即两种以上程序的并行处理。 2.多微处理机CNC装置结构的特点 （1）计算处理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的适应性和扩展性 （4）

11、硬件易于组织规模生产,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,一、开放式数控系统的产生 随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。 体系开放化定义（IEEE）： 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。 开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征,允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明

12、的；,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,二、开放体系结构CNC的优点 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； 标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的

13、性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,三、开放式数控装置的概念结构,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,四、国内外开放式数控系统的研究进展 1.几大研究计划 美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划 欧共体：OSACA（Open System Archi

14、tecture for Control within Automation Systems)计划 日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划 华中I型基于IPC的CNC开放体系结构 航天I型CNC系统基于PC的多机CNC开放体系结构,4.2.5 开放式数控装置的体系结构,VS,VS,2.开放程度： 1）CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件 2）用户操作界面的开放。 3）NC内核的深层次开放( PC+实时硬插件； PC+实时软中断)。 3.开放式数控系统的发展趋势： 1）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件 技术五

15、大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数 控系统。 2）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的 需求。 3）网络化,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构,VS,VS,1.点位/直线控制的一般概念（单轴数控） 用于钻床、镗床、机能简单的车床 点位控制 只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。 直线控制 刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构,2.点位/直线数控系统数控装置的结构,图4.16 点位/直线控制

16、系统,4.3 CNC装置的软件结构,4.3.1 软件结构特点,1. CNC装置软件硬件的界面,1、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系 关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。 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。 2 、软件、硬件实现功能的分配就是 软件硬件功能界面划分。 3 、功能界面划分的准则：系统的性能价格比。,4.3.1 软件结构特点,VS,VS,2. 系统软件的内容及结构类型 CNC 装置系统软件的主要任务： 如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移 指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻 辑动作，加工出符合要求的零件。 系统软件的组成：（管理和控制） 管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理 等程序。 控制部分：译码