计算机数控系统

第3章计算机数控系统3．1计算机数控（CNC）系统的基本概念计算机数控（computerizednumericalcontro，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能．由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给（伺眼）驱动装置组成。由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。3．2微处理器数控（MNC）系统的组成大多数CNC装置现在都采用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统（MNC）。MNC一般由中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。图3.2.1为MNC的组成原理图。3.2.1中央处理单元（CPU）和总线(BUS）CPU是微型计算机的核心，由运算器、控制器和内寄存器组组成。它对系统内的部件及操作进行统一的控制，按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。总线（BUS）是信息和电能公共通路的总称，由物理导线构成。CPU与存储器、I/O接口及外设间通过总线联系。总线按功能分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。３．２．２存储器(memory)(１)概述存储器用于存储系统软件（管理软件和控制软件）和零件加工程序等，并将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。数控系统所用的存储器为半导体存储器。（２）半导体存储器的分类①随机存取存储器（读写存储器）ＲＡＭ（randomaccessmemory）用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及堆栈用等。其存储单元的内容既可以读出又可写入或改写。②只读存储器ＲOＭ(resd-onlymemory)专门存放系统软件（控制程序、管理程序、表格和常数）的存储器，使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。3．2．3输入/输出（I／O）接口电路及相应的外部设备（1）I／O接口指外设与CPU间的联接电路。微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信，需靠CPU传递信息，通过CPU对I／O接口的读或写操作，完成外设与CPU间输入或输出信息的操作。CPU向外设送出信息的接口称为输出接口，外设向CPU传递信息的接口称输入接口，此外还有双向接口。微机中I／O接口包括硬件电路和软件两部分。由于选用的I／O设备或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而应用程序也不同。I／O接口硬件电路主要由地址译码、I／O读写译码和I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。在CNC系统中I／O的扩展是为控制对象或外部设备提供输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。I／O接口电路同与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、、电子匹配、干扰抑制等。（2）外部I／O设备及I／O接口①MDI/CRT接口手动数据输入（MDI）是通过数控面板上的键盘（常为软触键）进行操作的。当CPU扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中；若报警则数据不送入RAM。②数据输入/输出串行接口CNC装置控制对立的单台机床时，通常需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。（a）数据输入输出设备如光电纸带阅读机（PTR）、纸带穿孔机（PP）、打印和穿复校设备（TTY）、零件的编程机和可编程控制器的编程机等。（b）外部机床控制面板尤其是大型机床，为操作方便常在机床上设外部的机床控制面板，可分为固定式或悬挂式两种。（c）通用的手摇脉冲发生器。（d）进给驱动和主轴驱动线路一般情况下它们与CNC装置装在同一机柜或相邻机柜内，与CNC装置通过内部连线相连，它们之间不设置通用输出输入接口。此外，ＣＮＣ装置还要与上级主计算机或ＤＮＣ计算机直接通信，或通过工厂局部网络相连，从而具有网络通信功能。（3）机床的I／O控制通道机床的I／O控制通道是指微机与机床之间的联接电路。计算机数控系统对机床的控制，通常由数控系统中的I／O控制器和I／O控制软件共同完成。①I／O控制器的功能特点（a）能够可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，并能够输入控制机床所需的有关状态信息。（b）能够进行相应的信息转换，以满足CNC系统的输入与输出要求。（c）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。３．３ＣＮＣ系统的硬件结构３．３．1单微处理机与多微处理机结构１．单微处理机结构这种结构只有１个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的ＣＮＣ装置虽有２个以上的微处理机，但其中只有１个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构（如ＦＮＵＣ－６系统）。这类结构也属于单微机结构。在这种单微机结构中，所有的数控功能和管理功能都由１个微机来完成，因此ＣＮＣ装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。２．多微处理机结构有些多微处理机结构中，有２个或２个以上的微处理机构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，并共享资源。有些多微处理结构则有２个或２个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统，能有效地实现并行处理。这种结构中的各处理机分别承担一定的任务，通过公共存储器或公用总线进行协调，实现各微机间的互联和通信。（1）多微处理机的结构特点①性能价格比高。多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能。独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度，适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC装置的性能价格比大为提高。②采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构，可将微处理器、存储器、I/O控制组成独立微机级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构．固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口．接口是固定的，符合工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成CNC装置，使CNC装置设计简单、适应性和扩展性好、试制周期短、调整维护方便、结构紧凑、效率高。③硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。④有很高的可靠性。多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，而不像单微机那样．一旦出故障就造成整个系统瘫痪。而且插件模块更换方便，可使故障对系统的影响减到最小。另外，由于多微机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了造价，也提高了系统的可靠性。（2）多微处理机CNC装置的结构分类①共享存储器结构结构特征：a、面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯b、采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。注意：由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。③共享总线结构结构特征：a、功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)b、以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上c、采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题3．3．2大板式结构与功能模块式结构1．大板式结构大板式结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板，其他电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内，共同构成CNC装置。下图为大板式结构示意图。2．功能模块式结构在采用功能模块式结构的CNC装置中，整个CNC装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模块），而相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成一个“交钥匙”CNC系统产品系列，用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，再将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的ＣＮＣ系统控制装置。常见的功能模块有ＣＮＣ控制板、位置控制板ＰＬＣ板、图形板、通信板及主存储器模板等６种。另外，机床操作面板的按钮箱（台）也是标准化的，上面有由用户定义的按键。用户只要按产品的型号、功能把各功能模块、外设、相应的电缆（带插头）及按钮箱（机床操作面板及ＭＤＩ，ＣＲＴ）购买回来，经组装连接便可，从而大大方便了用户。３．４ＣＮＣ系统的软件３．４．1CNC系统软件的组成与功能下图所示为ＣＮＣ系统软件的组成。ＣＮＣ系统软件可分为管理软件与控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出，显示，诊断和通信功能软件；控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能软件。１．输入程序输入程序的功能有两个：一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器；二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。２．译码程序在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息（线型，起点、终点坐标值）、工艺要求的加工速度及其他辅助信息（换刀、冷却液开/关等）。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前，需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式，并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间，即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或ＭＤＩ缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。３数据处理程序数据处理程序有三个任务，即刀具半径补偿，速度计算（即根据合成速度算出各轴的分速度）以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹；速度计算确定加工数据段的运动速度，开环系统根据给定进给速度Ｆ计算出频率f，而闭环、半闭环系统则根据Ｆ算出位移量（ΔＬ）；辅助功能处理是指换刀，主轴启动、停止，冷却液开、停等辅助功能的处理（即Ｍ，Ｓ，T功能的传送及其先后顺序的处理）。数据处理是为了减轻插补工作及速度控制程序的负担，提高系统的实时处理能力，故也称为预计算。下面将着重介绍刀具半径补偿，速度处理将在插补计算程序中的预计算部分介绍，辅助功能的处理将在后面的相关内容中介绍。（1）刀具半径补偿的概念在连续进行轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径[例如铣刀的半径或线切割机的钼丝（或铜丝）半径等］，所以刀具中心运动轨迹并不等于加工零件的轮廓。如下图所示，在进行内轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值，而在进行外轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移即称为刀具半径补偿。为了分析问题方便ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左边时，称为左刀补，用G41指令代码表示，图中所示零件轮廓内部的虚线轨迹。反之，当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时，称右刀补，用G42表示，如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。当不需要进行刀补时，用G40表示。G41，G42和G40均属于模态代码，一旦执行便一直有效，直到同组其他代码出现后才被取消。在早期的硬件数控系统中，由于其内存容量和数据处理能力的限制，不可能完成很