数控装置

淮南联合大学机电系制作：陈其祥数控装置数控装置(CNCunit)根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入/输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），从而加工出需要的零件。目前，数控装置采用的是数字计算机，包括硬件和软件。数控装置的组成及作用*组成数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。数控装置由输入接口、控制器、运算器、存储器和输出接口等五大部分组成*数控装置的作用及功能数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。数控装置各部分介绍:1CPU;（包括BUS）CPU:由运算器、控制器、内部寄存器构成衡量CPU的两个因素:1）位数2）速度作用:对系统内部工件及操作进行统一控制,按照程序中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机整体.BUS:总线,信息公共通路的总称物理导线分为:地址总线(DB)数据总线(AB)控制总线(CB)2数控装置中的存储器:作用:①存放系统软件,零件程序参数等②存储运算的中间结果分类:如下图RAM(随机存储器)既可读入也可写出,用来存放①程序②参数③中间结果①②均应保持。ROM:只读存储器，存放系统软件又分为:EPROM、E2ROM、闪存。数控装置中的存储器数控装置中的I/O接口系统的I/O接口：系统的接口常采用串行接口,其定义:通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传输是在单根线上完成的.每次以一个二进制“0”“1”为最小单位进行传输.优点:价格便宜,简化通讯设备,可通过电话线进行长距离传输缺点:传输速度慢.协议:为保证数据传输正确,通讯双方遵循某种约定的规程(异步通讯规程)以一帧作为一个数据传输单位功能:外设不能直接与存储器进行通讯,需要通过CPU对I/O接口的读写操作来完成外设与存储器之间的信息交换每一帧包含:起始位,数据位,奇偶校验停止位格式如下:信号无传输:表明线路上无数据传输起使传输:发送方任意时刻将线路上的逻辑1状态拉至0,发出一个空号.表明线路上发送方要传输数据,将接受方受到空信号开始准备与发送方同步,并希望收到随后的数据.数据传输:表示一个字符或一个代码等奇偶校验:保证每一帧传输的正确性停止位:可选择1,1.5,2,保证每帧传输时间相等及同步波特率:每秒传输的二进制位数:300,600,1200,2400,4800,9600系统的I/O串行接口主要格式内容数控装置在数控机床中的位置主轴伺服单元数控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备早期的数控系统，它的输入、运算、插补、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路实现。不同的数控机床需要设计专门的逻辑电路，可靠性差，功能和灵活性差。小型机的采用，世界上第一台CNC系统于1970年问世，1974年美日等国便研究出了以微处理器为核心的数控系统，之后相继8位、16位、后16位、32位、64位CNC被应用。CNC具有体积小、结构紧凑、功能丰富、可靠性好等优点。数控装置的硬件结构在一块半导体芯片上集成了CPU,存储器以及输入/输出接口电路，这样的芯片习惯上程为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer,SCM）单片机的典型结构如图：系统时钟ROMCPU定时计数器串行I/O并行I/ORAMRESETINT电源例：由单片机组成的数控装置典型的单片机应用系统如图：单片机EPROMRAMI/O显示器键盘通用外部设备I/OI/O扩展A/D光电隔离光电隔离光电隔离D/A数字量检测模拟量检测开关量检测开关量控制伺服驱动控制数据存储器程序存储器基本系统I/O子系统外部设备单片机程序开发语言及支持软件，常用C,PL/M,Pascal,C语言编辑器有FRANKIN,ARCHIMEDES等，支持软件，8051、52系列intel公司的ASM-51,PL/M-51及连接定位程序。MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其典型系统有（广州数控产品）：图中74LS02为：双极TTL数字逻辑电路，四2输入或非门，Y=A+B2764为EPROM,可擦写只读存储器GND为信号地RST为复位，左面是复位电路DG1----DG6为LED显示器图4-2用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图例：经济型数控系统88+5Ωμ功放电路013－ΔΔ011〔〕〔〕〔〕〔〕110Δ－Δ013功放电路+5+51/×251（8031）￣CPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROM接口RAM接口PLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能单微处理机CPU数控装置结构•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（PC）、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•①只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）•它们的用途：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•②CMOSRAM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。•单微处理机数控装置的硬件结构单CPU系统的硬件结构CPU总线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口EPROM纸带阅读机接口I/O接口纸带阅读机机床操作主轴控制单元CRTPLC接口M~速度控制单元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机单微处理机数控装置典型产品：右：FANUC150i-M系列下：华中世纪星图4-4数控装置的物理结构（FANUC-6MB）多CPU系统的硬件结构多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。现代的CNC系统大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它比单CPU结构提高了计算机的处理速度。多CPU结构的CNC系统采用模块化设计，将软件和硬件模块形成一定的功能模块。模块间有明确的符合工业标准的接口，彼此间可以进行信息交换。这样可以形成模块化结构，缩短了设计制造周期，并且具有良好的适应性和扩展性，结构紧凑。多CPU的CNC系统由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍然照常工作。并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性。性能价格比高，适合于多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。多微处理机数控装置的硬件结构VSVS1.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）操作控制数据输入、输出和显示模块6）PLC模块多CPU结构分类：共存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。共总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。VSVS（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：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）4.2.3多CPU数控装置图：共享总线式多CPU数控装置结构图多CPUCNC系统的典型结构1）共享总线结构在这种结构的CNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。其结构如图3-4所示：会话式编程模块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块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2）共享存储器结构在该结构中，采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。如图3-5所示。当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。共享存储器I/o(CPU1)插补(CPU3)轴控制(CPU4)显示(CPU2)图3-5共享存储器的多CPU结构框图MTC1的CNC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共享存储器结构共享总线和共享存储器型结构FUNUC11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2．多CPUCNC系统基本功能模块（1）管理模块该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2）插补模块该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。（3）位置控制模块对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减