4数控系统

计算机数控（CNC）系统第二节CNC轨迹控制原理第三节刀具位置补偿和半径补偿第四节进给速度和加减速控制第五节CNC输入输出与通讯功能第一节概述第六节数控机床用可编程控制器第一节概述一、CNC系统的构成与功能1、CNC系统的总体结构主要由硬件和软件两大部分组成第一节概述CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......第一节概述1.硬件结构:CPU，存储器，总线、外设等。2.软件结构：是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。系统初始化系统控制软件程序管理编辑存储录放管理软件控制软件输入程序输出程序显示程序诊断程序译码程序补偿计算速度控制插补程序位控程序CNC软件的构成第一节概述刀库主轴X轴Y轴Z轴操作显示单元机械手第一节概述存储卡插槽显示状态/报警的LED保险I/O设备I/F插座电源指示灯电源插座机床I/F插座显示器插座机床I/F插座机床I/F插座机床I/F插座机床I/F插座显示状态/报警的LED显示状态/报警的LED显示状态/报警的LED显示状态/报警的LED显示状态/报警的LED显示状态/报警的LED显示状态/报警的LEDFanuc-0ib系统第一节概述CNC功能框图第一节概述2.CNC控制一般的工作过程（1）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。（2）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接口输入第一节概述2）译码：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。第一节概述3.CNC控制器功能微机部分的功能轴控制功能CNC系统能控制的轴数以及能同时控制的轴数。第一节概述微机部分的功能准备功能用来指令机床的动作方式。包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、米英制转换等指令。准备功能由G00～G99共100种。固定循环功能将一些典型的加工工序预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。可大大简化编程第一节概述微机部分的功能辅助功能主轴速度功能进给功能插补功能刀具功能刀具补偿功能自动换刀模拟显示功能通讯功能自诊断功能人机对话功能第一节概述外部设备部分的功能操作面板键盘显示器输入设备外部存储器机床控制部分功能位置控制速度控制机床状态控制第一节概述二、CNC的硬件结构总线式模块化结构的CNC1.常规CNC的硬件结构以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC基于通用计算机基础上开发的CNC32位RISC，数学协处理器，flash存储器等。专用芯片，体积小。易于升级，通用性好。（1）常规CNC发展的主要形式第一节概述（2）单处理器结构CPU子系统存储器子系统I/O接口子系统外部存储器I/O接口存储卡第一节概述（2）单处理器结构CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线单微处理器硬件结构图第一节概述（3）多处理器系统结构结构特点性能价格比高采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性可靠性高硬件易于组织规模化生产典型结构共享总线结构共享存储器结构第一节概述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：STDbus（支持8位和16位字长）Multibus（Ⅰ型支持16位字长，Ⅱ型支持32位字长）S-100bus（可支持16位字长）VERSAbus（可支持32位字长）VMEbus（可支持32位字长）第一节概述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第一节概述并行总线仲裁连接方式主模块1总线优总线总线优先权入忙先权出主模块3入忙出译器码主模块2入忙出优先权编器码…第一节概述共享存储器结构VSCNC装置结构框图(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2键盘(中央)CPU1(插补)CPU3串口和收发器CRTCCRT字符发生器并行接口反馈脉冲处理反馈信号适配器机床接口模拟量接口RS232CXYZCW第一节概述共享总线和共享存储器型结构FUNUC的CNC装置结构框图键盘纸带机手摇盘PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM图形显示8087OPCCRT机床I/O坐标轴坐标轴主轴其中OPC–操作控制器；BAC–总线仲裁控制器；IOC–输入输出控制器；CAP–自动编程单元；SSU–系统支持单元；PMC–可编程机床控制器第一节概述双端口存储器结构框图多CPU共享存储器框图端口1存储控制逻辑地址和数据多路转换器RAM共享存储器I/O(CPU)CRT(CPU2)轴控制（COU4）插补(CPU3)端口2中断控制从机床来的控制信号至机床的控制信号多通道结构通道结构（ChannelStructure），即两种以上程序的并行处理。第一节概述CPU子系统的实现通用微处理器单片微计算机位片式逻辑芯片8、16、32、64位CNC系统中计算机的实现通用处理器单片机专用芯片第一节概述存储器子系统的实现存储器的分类随机存储器（RAM）：SRAM、DRAM、FRAM只读存储器（ROM）：PROM、EPROM、EEPROM、FLASH8、16、32、64位DRAMFLASHSD卡第一节概述I/O接口子系统的实现集成在CPU内部专门实现I/O功能的芯片专门的硬件模块第一节概述（1）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(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的；1.开放式CNC的硬件结构第一节概述（2）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；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。第一节概述（3）开放式数控装置的概念结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库第一节概述（4）国内外开放式数控系统的研究进展几大研究计划美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)计划欧共体：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)计划日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)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开放体系结构第一节概述三、CNC的软件结构1.CNC中软、硬件界面与数据转换三种典型的软硬件界面关系纸带输入插补准备插补位控纸带输入插补准备插补位控速控电机测量第一种第二种第三种硬件硬件软件硬件硬件软件软件硬件硬件第一节概述实例（数据转换流程）XA1YA1FA1译码XB0YB0XB1YB1XBAYBALXLYLcosαcosβΔLΔL%L1X3Y3ΔX2ΔY2G01XeYeF刀具补偿速度处理插补控制位置电机X2Y2X1Y1ΔX3ΔY3反馈ΔX1ΔY1第一节概述实例（数据转换示意）xyoLxLyRXe，Ye编程直线实际刀具轨迹第一节概述实例（位置控制数据转换）位控输出ΔX3、ΔY3插补输出ΔX2、ΔY2指令位置X2新、Y2新X2旧、Y2旧实际位置X1新、Y1新反馈位置增量ΔX1、ΔY1X1旧、Y1旧第一节概述2.CNC中软、硬件界面与数据转换（1）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、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元第一节概述（2）多任务并行处理1）CNC装置的多任务性CNC装置软件任务分解软件任务的并行处理CNC装置管理控制输入显示位控诊断I/O插补位控译码刀补速度处理输入I/O处理显示诊断通讯译码刀具补偿速度处理位置控制插补第一节概述VSVS2）并行处理并行处理：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。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类：“资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”。资源共享：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。时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。第一节概述①资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享——在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。第一节概述VSVS诊断I/O处理输入插补准备显示初始化插补位控键盘中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图第一节概述资源分时共享技术的特征在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。第一节概述②并发处理和流水处理（对多资源的系统）在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若