SJGZ_A09数控系统_B08数控原理与数控系统_3

东南大学机械工程学院黄卫数控原理与数控系统第3章数控系统的软硬件及相关技术3.1数控系统硬件结构概述3.2数控系统软件结构3.3数控系统常用接口3.4数控系统的通信技术3.1.1数控系统的硬件构成计算机部分电源部分面板接口和显示接口开关量I/O接口内装型PLC部分伺服输出接口和位置反馈接口主轴控制接口外设接口3.1数控系统硬件结构概述3.1.2数控系统的硬件结构大板式结构结构特点：主板、子板结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低硬件功能不易改变模块化结构结构特点：功能模块（包含硬件与软件）各功能模块之间具有明确定义的接口用户可根据需要选择各功能模块常见的功能模块有：CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板、通讯板1、专用计算机组成的数控体系结构单微处理器结构结构特点：单CPU通过总线与存储器和各种接口连接采用集中控制、分时处理的多任务处理方式结构简单、容易实现其功能受单CPU的字长、数据宽度、寻址功能和运算速度的限制EPROMRAMPLC通信接口总线MDI/CRT接口I/O接口位置控制CRT操作面板机床速度控制单元M多微处理器结构结构特点：模块化结构，以多个CPU配以相应的接口数控总任务被告划分成多个子任务各子系统分别承担不同的子任务各子系统之间协调动作多微处理器结构的三种结构形式：主从式系统总线式系统分布式系统主存储器主CPU主I/OI/O接口从存储器从CPU从I/OI/O接口从存储器从CPU从I/O并行总线主从式多微处理系统结构局部存储器局部I/OCPU1总线仲裁局部总线局部存储器局部I/OCPU2总线仲裁局部总线局部存储器局部I/OCPU3总线仲裁局部总线全局存储器全局I/O系统总线总线式多微处理系统结构存储器CPU1I/O接口通信接口系统总线存储器CPU2I/O接口通信接口系统总线通信链路（串行总线、局部总线等）分布式多微处理系统结构系统总线CNC管理模块（CPU）主存储器模块对话式自动编程模块（CPU）控制面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块多微处理器CNC与单微处理器CNC的区别：通信方式多微处理器CNC的通信方式：共享总线结构共享存储器结构共享总线结构I/O（CPU1）共享存储器CRT（CPU2）插补（CPU3）轴控制（CPU4）输出至机床的控制信号从机床来的控制信号共享存储器结构2、开放式数控体系结构结构特点：分布式控制，系统、子系统和模块分级式控制结构可根据需要实现重构、编辑，以实现多种功能用途具有良好的通信和接口协议，以实现各独立功能模块之间的信息交换3、通用PC组成的数控体系结构基本CNC系统串行线PC连接型CNC，是将现有CNC与PC用串行线直接相连而构成ISA总线接口软盘驱动器32位CPU总线转换器VGAPCMCIA卡硬盘驱动器PC机键盘显示器键盘CNCPMCFANUC总线其它可选件MMC-IVPC内藏型CNC，在CNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。CNC卡CNC系统软件CNC内藏型，在通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡，专用CNC卡包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。输入插补准备插补位置控制速度控制执行电机位置检测软件软件软件硬件硬件硬件3硬件2硬件1硬件零件程序机床3.2数控系统软件结构3.2.1CNC系统软硬件界面3.2.2CNC控制软件的特点1、多任务CNC的多任务表现在他的软件必须完成管理和控制两大任务。CNC系统任务管理控制输入I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补位置控制CNC的任务分解2、并行处理所谓并行处理，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相同或不同的工作。并行处理方法有资源重复、时间重叠和资源分时共享等处理方法。资源重复用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务。如在CNC硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。资源分时共享并行处理使多个用户按时间顺序使用同一套设备。例如在单CPU的CNC中，主要采用CPU分时共享原则来解决多任务的同时运行。此时需解决各任务何时占用CPU及占用多少时间。这个问题在CNC中通常采用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。输入插补准备诊断I/O处理显示初始化插补位控键盘中断优先级资源重叠流水并行处理也称时间重叠流水处理，根据流水处理技术，使多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用同一套设备的几个部分。例如一个零件程序段的数据转换过程可由下列子过程组成：零件程序输入子过程处理时间为Dt1插补准备子过程处理时间为Dt2插补子过程处理时间为Dt3位置控制子过程处理时间为Dt412341234输出输出时间空间Dt1Dt4顺序处理12341234输出输出时间空间Dt1Dt41234输出1234输出流水处理3、实时中断处理CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。CNC系统的中断类型有：：外部中断：光电阅读机读孔中断；外部监控中断（优先）；键盘及操作面板输入中断。内部定时中断：插补周期定时中断；位置采样周期定时中断（优先）。硬件故障中断：各硬件故障检测装置发出的中断。程序性中断：程序中出现的各种异常情况报警中断。3.2.3CNC系统软件总体结构1、前后台型软件结构前台程序实时中断程序，承担了几乎全部实时功能，这些功能与机床动作直接有关，如位置控制、插补计算、辅助功能处理、机床监控等。后台程序也称为背景程序，主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理等。这是一个循环运行程序，在运行过程中不断入实时中断服务程序。2、中断型软件结构中断型软件结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的多重中断系统。其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信安排来实现。3.2.4CNC的控制软件工作过程输入输入CNC控制器通常有零件程序、机床参数和补偿数据。译码译码处理是将零件程序的一个程序段作为单位进行处理。译码处理将零件轮廓信息、进给速度F和其他辅助信息（M、S、T）解释后，存放在指定的内存专用区域。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查，发现错误立即报警。预计算为了减轻插补工作的负担，提高实时处理能力，通常在插补运算前先进行数据的预处理。插补计算要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”工作，此即所谓插补。软件插补：粗插补硬件插补：精插补输出进行伺服控制当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙补偿处理进行丝杠螺距补偿M、S、T等辅助功能的输出管理与诊断软件3.3数控系统常用接口3.3.1数控系统的开关量I/O接口I/O接口是CNC装置与机床、操作面板之间信号交换的转换接口接口电路的作用与要求是：进行必要的电隔离，防止干扰信号的串入和强电对系统的破坏进行电平转换和功率放大开关量信号输入接口电路限位开关手持点动刀具到位机械原点传感器输入开关量信号输出接口电路3.3.2数控系统的模拟量输入/输出接口数控机床中的被测量（如位移、速度、温度、力矩等）往往是连续变化的模拟信号，而执行机构（如电动机）则需要以模拟量来驱动。而计算机中处理的则是数字量，这就需要进行模拟量与数字量的输入/输出的转换。A/D转换接口电路：被测模拟量经过信号调理后，输入模拟量输入接口，由A/D转换器转换成数字量后，被数控装置的计算机控制电路接收。D/A转换接口电路：数控系统送往执行机构的控制信号经过模拟量输出接口的D/A转换和信号调理后被执行机构所接收。3.3.3数控系统的DNC通信接口DNC的含义有两种提法，80年代颁布的ISO2806对于DNC定义为“DirectNumericalControl（直接数控）”，其概念为：“此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存贮器发生联系，一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床”。在90年代颁布的ISO2806定义DNC为“DistributedNumericalControl（分布式数控）”，其意义为“在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据的分组系统”。DNC概念从“直接数控”到“分布式数控”，其本质也发生了变化，“分布式数控”表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模式可扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。1、DNC通信接口功能分类性能基本DNC狭义DNC广义DNC功能下传NC程序下传NC程序上传NC程序下传NC程序上传NC程序系统状态采集远程控制复杂程度简单中等复杂价格低一般高2、典型数控系统的DNC通信接口经济型数控系统只能实现基本DNC功能需外接DNC接口板无RS-232C串行通信接口的数控系统需外接DNC接口板可实现基本DNC、狭义DNC和广义DNC功能有RS-232C串行通信接口的数控系统利用RS-232C接口可实现狭义DNC功能外接DNC接口板可实现广义DNC功能有DNC通信接口的数控系统数控系统自带DNC通信接口和接口软件可实现广义DNC功能3.4数控系统的通信技术CNC系统要与各种系统和设备进行信息交换，才能完成加工任务。这需要涉及到通信方式（并行和串行）、通信时的同步、计算机网络通信的标准和协议、通信设备、传输媒体的通信接口、总线等技术3.4.1数据通信技术概述1、数据通信系统2、通信线路的通信方式单工通信数据信息只能按照一个固定的方向由发送端向接收端传送例如：显示终端只能接收计算机发送过来的数据半双工通信可以交替改变数据传送方向通信双方都有发送端和接收端，但不能同时发送和接收在某一时刻只允许一个方向的数据流动全双工通信在任意时刻都可以进行双向传送数据收发装置都具有独立的收发能力3、数据传输方式在数据传输的过程中，为了保证数据能够被正确地接收，接收方就必须知道它所接收信息的每一位的开始时间和持续时间。也就是说，接收方应按照发送方信息发送的频率及起始时间来接收信息。要做到通信双方的步调一致，就要解决数据传输过程中的同步问题。异步传输又称起止方式在发送的每一个字符代码前加一位为“0”的起始位字符代码的后面加一位（一位半或两位）停止位“1”通过“0”和“1”的跳变来判断一个新字符的开始控制简单，传输效率低、速度较慢同步传输被传输的信息格式采用帧格式方式帧：在一组字符或一个二进制位组成的数据块（小于字节）的前后加上同步字符SYN（代码01101000）或同步位模式（代码01111110）SYN起联络作用，通知接收方开始接收数据传输时收发双方要保持完全同步，必须使用同一个时钟传输效率高，速度快，控制较复杂4、传输媒介双绞线同轴电缆光缆无线传输介质3.4.2网络标准与协议计算机网络就是利用通信设备和线路将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接进来，通过完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统）实现网络中资源共享和信息传递的系统当用户应用程序、文件传输信息包、数据库管理系统和电子邮件等互相通信时，必须约定一种规则，即协议。1、开放系统互联参考模型OSI/RM1981年，ISO公布了OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection）OSI/RM只给出了一些原则性的说明，并不是一个具体的网络OSI/RM采用结构化描述方法，将整个网络的通信功能划分成7个层次，目的是将一个复杂的通信问题分成若干个独立且比较容易解决的子问题第一层：物理层（PhysicalLayer）规定通信设备的机械、电气、功能和过程特性，用以建立、维护和拆除物理链路连接第二层：数据链路层（DataLinkLayer）在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上的无差错传输，并进行数据流量控制第三层：网络层（NetworkLayer）为传输层的数据传送提供建立、维护和终止