第二章 数控系统(CNC装置)

数控机床与编程宁波大学机械学院二0一0年第二章数控系统及工作原理第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器（PLC）第六节CNC装置CNC系统包括CNC装置、PLC和部分输入／输出设备，其核心是CNC装置。CNC装置由硬件和软件构成，软件在硬件的支持下完成所要求的数控功能。一、数控装置硬件结构硬件结构类型按CNC装置中各印制电路板的插接方式，可以分为大板式结构和模块式结构。按CNC装置中微处理器的个数，可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和通用型结构。按CNC装置的开放程度又可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。（一）大板式结构和模块式结构1．大板式结构由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成，其特征是将主电路做成大块印制电路板，称为主板，其他电路制成小板，可插在大板的插槽内。主板上是控制核心电路，称微机基本系统，由CPU、存储器（ROM和RAM）、定时和中断等控制电路组成。通常还将CNC装置一些特有的功能电路（如位置控制电路）和对外接口也制作在主板上。大板式结构紧凑，可靠性高，但其硬件功能不易变动，柔性低。FANUC6MBCNC系统采用大板式结构。2．模块式结构特点是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块按模块化方法做成尺寸相同的印制电路板（称为功能模板），各板均可插接到符合相应工业标准总线的母板插槽内。对应各功能模块的控制软件也是模块化的。常用的功能模板有CPU板、扩展存储器板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。连接各模板的总线可选用各种工业标准总线，如工业PCI总线、STD总线等。模块化结构的CNC装置设计简单，调试与维修方便，具有良好的适应性和扩展性。FANUC15系列的CNC系统就采用了模块式结构。（二）单微处理器结构和多微处理器结构1．单微处理器结构只有一个CPU，集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。优点：投资小，结构简单，易于实现。缺点：系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。在CNC系统发展的初期使用较多，现在已经被多微处理器的主从结构取代。2．多微处理器结构按各CPU之间的关系又分成主从、多主和分布三种不同的结构。（1）主从式结构图2-44主从式多微处理器硬件结构示意主存储器主CPUI/O接口从CPU从存储器从I/O…I/O接口从存储器从CPU从I/O主I/O并行系统总线（如：STD、PCI等）（2）分布式结构每个CPU都有自己完整和独立的系统，即功能模块。在每个功能模块内，CPU有自己的运行环境（总线、存储器、操作系统等），各功能模块之间采用松耦合，即在空间上可以较分散，通过一条外部通信链路连接在一起，采用通信的方式交换信息和共享资源。图2-45分布式多微处理器硬件结构示意存储器CPU1I/O接口模块1系统总线通信接口…CPU2通信接口模块2系统总线模块1模块1通信链路（串行总线、局部网络）存储器I/O接口（3）多主结构多主结构的多微处理器CNC装置中有两个或两个以上主CPU及其功能模块对系统资源有控制或使用权，这些功能模块之间采用紧耦合，即采用总线互连方式，有集中的操作系统，可共享资源。多个主CPU之间通过总线仲裁器来解决并行总线的争用问题，通过公共存储器来交换信息。典型的有共享总线结构、共享存储器结构。1）功能模块①CNC管理模块：主要完成初始化、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，负责管理和组织整个CNC装置有条不紊地工作。②CNC插补模块：主要完成插补前预处理和实时插补计算。③位置控制模块：负责对插补输出的指令位置（或位移）和检测反馈的实际位置（或位移）进行比较并获得位置偏差，进行速度和位置控制。④PLC（或PMC）模块：负责对零件程序中的开关量顺序控制指令(S、M、T)、来自机床操作面板的控制信号和机床上各行程开关的信号进行逻辑处理，实现机床的启停、换刀、转台分度、工件计数等功能，以及各功能和操作方式之间的联锁等。⑤输入输出和显示模块：用于零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入输出和各种信息的显示。⑥存储器模块：提供程序和数据存储的存储器以及各功能模块间数据传送用的共享存储器。2）共享总线结构图2-46共享总线多主结构硬件示意局部存储器局部总线CPU1总线仲裁…局部I/O系统总线局部I/O总线仲裁CPU2局部总线局部存储器局部存储器局部总线CPU3总线仲裁局部I/O主模块1主模块2主模块3全局存储器全局I/O从模块1从模块2…图2-47FANUC15系统硬件结构自动编程模块（带CPU)位置控制模块（带CPU)通信模块（带CPU)PLC模块（带CPU)操作面板图形显示模块（带CPU)插补模块（带CPU)主轴控制模块主存储器模块I/O单元主轴单元伺服驱动单元CRT/MDIFANUCBUS(系统总线）主模块从模块3）共享存储器结构图2-48MTC1系统硬件结构键盘显示CPU中央CPU串口和收发器RAM(2K)(512)EPROMRAM(512)EPROM插补CPUCRT控制器CRT字符发生器插补CPU模拟量输出机床接口……XYZCW反馈脉冲处理反馈信号收发器…RAMEPROM（三）专用型结构和通用型结构1．专用型结构：由各制造厂专门设计和制造，具有布局合理、结构紧凑、专用性强等优点。封闭式的体系结构。如FANUC系统、SIEMENS系统、美国A-B系统等。目前在生产中使用的数控设备大多数都是采用这类CNC装置。2．通用型结构：以工业PC机作为硬件支撑平台，再根据数控功能的需要插入专用控制卡，与数控软件一起构成相应CNC装置。开放性和可维修性好。目前，世界各国都在致力于这类CNC系统的研发。美国ANILAM公司和AI公司生产的CNC装置均属这种类型。（四）封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构1．封闭式结构封闭式结构CNC装置的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商，对用户来说这些方面是不开放的。FANUC0、MITSUBISHIM50、SIEMENS810等系统都属于封闭体系结构的CNC系统。2．PC嵌入NC式结构采用在CNC装置内部加装PC的方法来进一步扩展功能，使CNC系统具有一定的开放性。但由于其基础部分仍然是传统的CNC系统，其体系结构还是不开放的，用户无法介入系统的核心。FANUC18i和16i、SIEMENS840D、Numl060、AB9／360等CNC系统均是这种结构，其结构复杂、功能强大，但价格昂贵。3．NC嵌入PC式结构这类CNC系统由开放式体系结构的运动控制卡加PC机构成。运动控制卡本身就是一个CNC系统，可以单独使用，通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和顺序逻辑控制能力。美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACCNC系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC数控系统等。4．软件型开放式结构数控软件全部装在计算机中，用户只需选配计算机及其与伺服系统和外设之间的标准化接口。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能CNC系统。典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。5．开放式体系结构的定义参照IEEE对开放式系统的规定，一个真正意义上的开放式CNC系统必须具备使不同应用程序协调地运行于系统平台上的能力，提供面向功能的动态重构工具以及标准化的用户界面，并应具有以下特征：1）按分布式控制原则，采用系统、子系统和模块等分级式控制结构，其构造应是可移植的和透明的。2）根据需要可实现重构和编辑，以便实现一个系统多种用途。3）各模块相互独立，系统厂、机床厂和最终用户都可很容易地把一些专用功能和有个性的模块加入平台中。通过系统的初始化设置实现功能分配，允许机床厂、用户对系统实施补充、扩展、裁减或修改。4）具有一种较好的通信和接口协议，以使各相对独立的功能模块互相交换信息，并满足实时控制的要求。二、CNC装置的软件结构1．多任务2．并行处理：3．实时性（一）CNC装置的任务特点控制任务：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等管理任务：输入、I/O处理、显示、诊断等加工、显示、I/O处理、故障诊断等同时进行强实时性任务弱实时性任务（编辑、显示等）实时突发性任务（急停、故障等）实时周期性任务（插补、位控等）图2-49CNC装置的任务分解管理输入I/O处理显示通信诊断插补位置控制速度处理刀具补偿译码控制CNC装置任务显示控制诊断输入I/O译码刀具补偿速度处理位控插补图2-50CNC装置各任务之间的并行处理关系（二）CNC装置的软件特点1．资源分时共享并行处理在一定的时间长度（通常称为时间片）内，根据系统各任务的实时性要求程度，规定它们占用CPU的时间，使它们按规定顺序分时共享系统的资源，进行各任务的处理。2．时间重叠流水处理其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。这样一来，每个程序段的输出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。3．实时中断处理CNC装置软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNC装置的多任务性和实时性决定了中断处理成为其软件必不可少的重要组成部分。1）外部中断（外部监控终端、操作面板输入中断等）2）内部定时中断（插补周期定时、位置采样周期定时中断等）3）硬件故障中断（存储器出错、插补运算器超时等中断）4）程序性中断（程序中运算溢出报警等）a)顺序处理图2-51时间重叠流水处理空间时间输出输出b)流水处理Δt1Δt1Δt1Δt11243134224313421Δt1Δt1Δt1Δt1Δt1Δt1Δt1Δt1输出输出时间空间N1N2N2N12431输出N3（三）CNC装置的软件结构所谓CNC装置的软件结构是指系统软件的任务（程序）组织管理方式。不同的软件结构，对各项任务的安排方式不同，管理方式也不同。在单CPU的CNC装置中，常采用前后台型或多重中断型软件结构。在多CPU的CNC装置中，各CPU分别承担一定的任务，具有很高的并行处理能力，其中某个CPU承担多任务时，仍然采用前后台型或多重中断型软件结构。如果某个CPU承担的任务比较单一，该CPU的软件可以是循环往复式的结构，即顺序执行程序结构。1．前后台型软件结构图2-52前后台型软件结构示意输入插补准备高中断优先级低诊断显示I/O处理背景程序前台程序（中断服务程序）故障处理位置控制插补运算辅助功能处理···中断返回中断返回中断返回返回中断中断返回图2-537360CNC系统软件结构框图保存现场位置控制面板扫描面板输出插补PLC程序返回返回保存现场存入字符恢复现场保存现场返回开始系统初始化等待紧停复位MCU总清方式选择等待循环起动状态检查恢复现场存入字符恢复现场键盘自动/单段手动数据段执行程序；读程序段到缓冲区；译码，处理，传送；等待段完成循环停处理M30M02自动10.24ms定时中断阅读机中断键盘中断背景程序增量点动；连续点动；回参考点；设置零点；阅读机复位；测试方式；CRT显示操作命令；MDI段执行；数据输入；CRT显示前台程序2．多重中断型软件结构图2-54多重中断型软件结构示意开始系统初始化0级中断服务程序0级中断1级中断1级中断服务程序2级中断服务程序2级中断n级中断n级中断服务程序中断管理系统（硬件+软件）……三、典型CNC系统简介1．FANUCCNC系统简介目前FANUC公司的主流CNC系统为FANUC0系列，它的主要特点是体积小，价格低。FANUC0系列是多微处理器CNC系统。FANUC0A、0B和0C系列的主CPU分别为80186、80286和80386。三轴控制系统的主控制电