数控原理与系统-第3章-数控系统软硬件

数控原理与系统第3章数控系统的软硬件及相关技术●3.1数控系统组成与原理●3.2数控系统硬件结构概述●3.3数控系统软件结构●3.4数控系统I/O接口●3.5数控机床的通信技术3.1数控系统组成与原理3.1.1数控系统组成图3-1计算机数控系统的组成框图3.1数控系统组成与原理1．操作面板2．输入／输出装置3．计算机数控装置(CNC装置)4．伺服单元5．驱动装置6．可编程逻辑控制器(PLC)3.1数控系统组成与原理3.1.2数控系统的基本原理CNC的控制软件主要完成如下基本任务。①系统管理。②操作指令处理。③零件程序的编辑。④零件程序的输入、解释与执行。⑤系统状态显示。⑥手动数据输入MDI。⑦故障报警和诊断3.1数控系统组成与原理图3-3CNC对零件程序的处理过程3.2数控系统硬件结构概述3.2.1数控系统的硬件构成1．计算机部分2．电源部分3．面板接口和显示接口4．开关量I/O接口5．内装型PLC部分6．伺服输出和位置反馈接口7．主轴控制接口8．外设接口3.2数控系统硬件结构概述3.2.2大板式结构和模块化结构1大板式结构特点是：CNC装置内一般都有一块大板，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子板，如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上面。大板式结构的CNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能价格比。但大板式结构硬件功能不易变动，不利于组织生产。3.2数控系统硬件结构概述PLC板主电路板光缆通信板图形控制板附件轴板ROM/RAM板电源单元板图3-4大板式结构示意图3.2数控系统硬件结构概述2．模块化结构模块化结构数控装置是将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板，相应的软件也是模块结构，被固化在硬件模块中。3.2数控系统硬件结构概述图3-5Fanuc15系统的结构框图3.2数控系统硬件结构概述3.2.3单微处理器结构和多处理器结构按CNC装置内的微处理器(CPU)数量可分为单微处理器和多微处理器结构两类1.单微处理器结构。单微处理器结构是指在CNC装置中只有一个微处理器（CPU），工作方式为集中控制、分时处理CNC的各项任务，如存储、插补运算、I/O控制、CRT显示等。3.2数控系统硬件结构概述2．多微处理器结构多微处理器结构的CNC装置将数控系统的总任务划分为多个子任务，也称为子功能模块，每个子任务由一个独立的CPU来控制。在多微处理器结构中，CPU之间有两种耦合形式，即紧耦合和松耦合。目前使用的多微处理系统有三种不同的结构，即主从式系统、总线式多主CPU系统和分布式系统。多微处理器结构的CNC的典型通信方式有共享总线和共享存储器两类结构。3.2数控系统硬件结构概述3.2.4开放式数控装置的体系结构伴随着计算机软件取得的重大成果，开放式数控系统产生了三种结构类型:专用CNC+PC型运动控制器+PC型纯PC型3.3数控系统软件结构3.3.1CNC系统软硬件的界面CNC系统的软件是为实现其各项功能而编写的专用软件，又称系统软件。系统软件进一步可分为管理软件和控制软件。管理软件和控制软件又由不同的功能模块组成，如图3-12所示。3.3数控系统软件结构CNC系统软件管理软件控制软件输入输入输出处理显示诊断译码刀具补偿插补速度控制位置控制图3-12CNC系统软件框图3.3数控系统软件结构随着功能要求的不同，不同产品的软硬件界面是不一样的，如图3-13所示是三种典型CNC系统的软硬件界面。图3-13三种典型CNC系统的软硬件界面3.3数控系统软件结构3.3.2CNC控制软件的特点1．CNC装置的多任务并行处理CNC是一个专用的实时多任务操作系统，它的系统程序包括管理和控制两大任务系统的管理包括通信、显示、诊断、零件程序的输入/输出以及人机界面管理(参数设置、程序编辑、文件管理等)，这类程序实时性要求不高系统的控制包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量I/O控制等，这类程序完成实时性很强的控制任务3.3数控系统软件结构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并行处理分为“资源重复”法、“时间重叠”法和“资源共享”法等并行处理方法目前CNC系统的硬件结构中，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。而在CNC系统的软件中，主要采用“资源分时共享”和“资源重叠的流水处理”方法。补充内容并行性：指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时间完成两种或两种以上工作。并发性：同一段时间内发生的并行性同时性：同一个时刻发生的并行性并行性存在于计算机系统的各个层次指令级并行：多条指令间并行线程级并行：多个线程或进程间并行多处理器系统：多个处理器系统间并行并行处理技术（1）并行性概念并发的实质是一个物理CPU（也可以多个物理CPU）在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行驶多用户共享以提高效率。实现幷发技术的关键之一是如何对系统内的多个活动（进程）进行切换。广义的讲，并行性还可以理解为多个程序同时执行。例如，操作系统中的多道程序处理，用户屏幕操作时的后台处理等。这些都可以是多个程序在并行执行。并行处理技术并行性概念乃是推动计算机系统结构发展的重要因素，为了达到高性能的要求并满足大量计算应用领域的需要，一方面可在单处理内广泛采取多种并行性措施，沿着时间重叠、资源重复和资源共享三条技术途径向现代并行处理领域发展，另一方面把多台计算机连接起来、相互配合、各尽其能，沿着功能专门化、多机群和网络化这三种基本技术途径向现代并行处理领域发展。时间重叠=时间并行将一套硬件设备分解成多个可以独立使用的部分，多个任务在时间上相互错开，重叠使用同一套硬件设备的各个部件。资源重复=空间并行通过重复设置资源，尤其是硬件资源，使得多个任务可以同时被处理。并行处理技术（3）并行性的发展资源共享多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备多道程序分时系统虚拟存储器多终端远程终端分布处理系统多存储体多操作部件先行控制高速缓存相联存储器并行处理机同构型多处理机异构型多处理机单处理机指令操作宏流水线资源重复资源共享时间重叠单处理机系统朝并行处理领域发展并行处理技术通信处理机计算机网络局部计算机网络分布处理系统紧密耦合系统松散耦合系统专用外围机同构型多处理机异构型多处理机多计算机高级语言数据库处理机多机互连网络化功能专用化可重构容错多处理机多计算机系统朝并行处理领域发展并行处理技术3.3数控系统软件结构2．实时中断处理由于数控机床在加工零件的过程中，有些控制任务具有较强的实时性要求，反映在CNC系统的控制软件上就是利用实时中断来满足这一要求。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，系统的中断结构取决于系统软件的结构，中断类型主要有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断和程序性中断。3.3数控系统软件结构3.3.3软件总体结构1．前后台型软件结构2．中断型软件结构3.3数控系统软件结构3.3.4CNC系统的控制软件工作过程1．输入2．译码3．预计算4．插补计算5．输出6．管理与诊断软件CNC系统的控制软件及其工作过程XA1YA1FA1译码XB0YB0XB1YB1XBAYBALXLYLcosαcosβΔLΔL%L1X3Y3ΔX2ΔY2G01XeYeF刀具补偿速度处理插补控制位置电机X2Y2X1Y1ΔX3ΔY3反馈ΔX1ΔY13.4数控系统I/O接口3.4.1数控系统的I/O接口电路的作用和要求接口电路的作用和要求是：进行必要的电隔离，进行电平转换和功率放大常用的器件有光电耦合器和继电器(如簧式继电器、固态继电器等)3.4数控系统I/O接口3.4.2数控系统的开关量I/O接口开关量信号输入接口电路开关量信号输出接口电路3.4.3数控系统的模拟量输入输出接口通常工业用A/D和D/A转换接口电路的输入、输出为0~5V、0~5V、0~10V电压信号或0~10mA、4~20mA电流信号3.4数控系统I/O接口3.4.4机床控制I/O接口电路1.光电隔离电路2.信息转换电路（1）数字脉冲转换（2）D/A、A/D转换（3）弱电强电转换3.5数控机床的通信技术3.5.1CNC系统的串行通信1．串行通信的通信方式串行通信中，通信线路的通信方式有三种基本的形式，即单工通信、半双工通信和全双工通信2．数据传输方式常见的数据传输方式有异步传输和同步传输两种3.5数控机床的通信技术3.RS-232C标准在串行通信中，广泛使用的标准是RS-232C，该接口是由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家在1970年共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。3.5.2CNC系统的网络数据通信为满足构成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等先进制造系统的需要，为适应制造企业信息化的不断发展，现代数控系统必须具有强大的网路通信功能。3.5数控机床的通信技术1.网络标准与协议（1）．开放系统互联参考模型OSI/RM要在计算机网络中实现通信就必须依靠网络通信协议。在20世纪70年代，各计算机生产厂家(如IBM、DEC等)的产品都有自己的网络通信协议，这样，不同厂家生产的计算机系统就难以联网。为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对当时的各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互联参考模型，即OSI/RM(ReferenceModelofOpenSystemInterconnection)，也称为ISO/OSI。这里的“开放”表示任何两个遵守OSI/RM的系统都能与另一个系统进行通信，就称该系统为开放系统。目前，OSI/RM仍在不断完善之中，一些新的网络通信协议也多按照OSI/RM进行设计。3.5数控机床的通信技术OSI/RM各层的主要功能如下。第一层：物理层(PhysicalLayer)，规定通信设备的机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立、维护和拆除物理链路连接。第二层：数据链路层(DataLinkLayer)，在物理层提供bit流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧(Frame)在信道上无差错的传输，并进行数据流量控制。3.5数控机床的通信技术第三层：网络层(NetworkLayer)，为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成报文分组(Packet)，在结点之间进行交换，并且负责路由控制(即传输中的路径选择控制)和拥挤控制。第四层：传输层(TransportLayer)，为上层提供端到端(最终用户到最终用户)的透明的、可靠的数据传输服务。所谓透明的传输是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。第五层：会话层(SessionLayer)，为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务。第六层：表示层(PresentationLayer)，为应用层提供信息表示方式的服务，如数据格式的交换、文本压缩、加密技术等。第七层：应用层(ApplicationLayer)，为网络用户应用程序提供各种网络服务、如文件传输、电子邮件(E-mail)、分布式数据库、网络管理等。3.5数控机床的通信技术2．TCP/IP协议在计算机网络技术中，如何实现不同网络及计算机间的互操作是计算机联网的关键问题。传输控制协议/网际协议—TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)就是解决这些问题的众多比较完善的网络协议之一。3.5数控机床的通信技术3．IEEE802标准I