数控技术第3章 计算机数控系统

CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构数控机床用可编程控制器CNC装置的I/O接口及通信典型的CNC装置概述第3章计算机数控系统第3章计算机数控系统【内容提示】介绍数控系统组成、功能和工作流程、CNC装置的硬件和软件体系结构、数控机床用可编程控制器（PLC）、数控系统的输入/输出及通信接口，以及几种典型的CNC系统。【学习方法】应注意通过多种途径查找典型数控系统的相关资料，理论联系实际，对不同数控系统进行对比分析，并结合课程实验或者实践环节的数控相关内容，加深对数控系统软、硬件的认识和理解。第3章计算机数控系统CNC系统的定义：–CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。–CNC与硬线数控NC的区别：CNC的许多数控功能由软件实现的，很容易通过软件的改变来实现数控功能的更改或扩展，因此具有更大的柔性。3.1概述计算机（软件功能）硬件电路（硬件功能）伺服系统数控机床指令输入数控装置第3章计算机数控系统从自动控制角度看，数控系统是一种轨迹控制系统，本质上是以多执行部件（各运动轴）的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能：–基本功能是数控系统必备的功能–选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。1、数控系统功能第3章计算机数控系统根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别。CNC系统的主要功能如下：–控制功能：通过轴的联动完成轮廓轨迹的加工。–准备功能：指定机床的运动方式–插补功能：完成零件轮廓(平面或曲面)加工轨迹运算–进给、主轴、刀具和辅助功能–补偿功能：常见的有刀具的尺寸补偿和传动链误差补偿–自诊断功能–通信功能：与外界进行信息和数据交换的功能1、数控系统功能第3章计算机数控系统计算机数控系统由硬件和软件共同完成数控任务。数控系统一般具有以下四个部分：（1）计算数控装置(CNC)：CNC的核心，亦称CNC控制器。（2）输入输出(I/O)装置（3）驱动控制装置（4）机床电器逻辑控制装置：现代数控系统采用可编程控制器（PLC）实现数控机床的各种继电器控制逻辑。2、数控系统的组成及工作流程机床电器位置检测进给电机主轴电机主轴控制单元可编程控制器（PLC）速度控制单元电气控制单元计算机数控装置输入装置程序清单信息载体通信系统编程器CAD/CAM系统上位机输出装置打印机显示设备第3章计算机数控系统CNC系统的工作流程2、数控系统的组成及工作流程坐标轴运动与位置检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序第3章计算机数控系统CNC装置的硬件结构类型：（1）大板式结构和功能模板式结构–按CNC装置中各印制电路板的插接方式（2）单微处理器和多微处理器结构–按CNC装置中微处理器的个数（3）专用型结构和个人计算机型结构–按CNC装置硬件的制造方式（4）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–按CNC装置的开放程度3.2CNC装置的硬件结构第3章计算机数控系统（1）大板式结构和功能模板式结构大板式结构早期的数控系统采用大板结构–FANUC公司的3/5/6/7系列及A-B公司的8601等大板式结构CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成，各电路相关子板插在主电路板上，构成CNC装置。工程实例3-1FANUC6MBCNC的大板式数控装置第3章计算机数控系统（1）大板式结构和功能模板式结构功能模块式结构现代CNC采用总线式、模块化结构–日本FANUC的15/16/18系统、德国西门子的840/880系列及美国A-B公司的8600系列等。模块化结构将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。各模块以积木方式组成CNC装置。模块化结构克服了大板结构功能固定的缺点，具有系统扩展性和通用性好，系统设计、维护和升级方便，可靠性高（部分损坏对整机系统影响小）等优点。一种功能模块式结构的全功能型车床数控系统框图第3章计算机数控系统（2）单处理器结构和多处理器结构单处理器结构在单处理器CNC中，CPU采用集中控制和软件实时调度的方式，分时处理数控中的编辑、译码、插补、刀具补偿、位置控制、加工过程监控、显示等各个任务。–FANUC的6/7系列，西门子的810/820系列等单处理器结构CNC装置的功能受到CPU运算速度的限制，为提高处理能力，采取增加硬件插补器、外部PLC和浮点协处理器等来提高系统性能。第3章计算机数控系统（2）单处理器结构和多处理器结构多处理器结构采用模块化结构，把系统控制按功能划分为多个子系统模块，每个子系统分别承担相应的任务，各子系统协调动作，共同完成整个控制任务。子系统之间可采用紧耦合或松耦合方式。–紧耦合有集中的操作系统，实现共享资源；–松耦合采用多重操作系统，实现并行处理。按照控制模式分为三类：–分布式系统–主从式系统–总线式多主CPU系统第3章计算机数控系统（2）单处理器结构和多处理器结构–分布式多处理器数控系统•各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通过网络技术来实现。第3章计算机数控系统（2）单处理器结构和多处理器结构–主从式多处理器数控系统•各微处理器也都是完整独立的系统。主微处理器通过该总线对从其余微处理器进行控制、监视，并协调多个微处理器系统的操作。第3章计算机数控系统（2）单处理器结构和多处理器结构–总线式多处理器数控系统•各微处理器从逻辑上分不出主从。•有一条并行主总线连接多CPU系统。系统利用总线仲裁器解决多个主CPU争用并行总线的问题。第3章计算机数控系统（3）专用型结构和个人计算机型结构专用型结构CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强。但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。–FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国A—B系统等都属于专用型。个人计算机型结构以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成个性化数控系统。第3章计算机数控系统（4）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按CNC装置的开放程度可分为：1）封闭式结构2)PC嵌入NC式结构3）NC嵌入PC式结构4）软件型开放式结构第3章计算机数控系统1）封闭式结构传统CNC系统大多是封闭性结构。对系统的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。随着开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战。–FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、SIEMENS810系统等都是专用的封闭体系结构的数控系统。第3章计算机数控系统2）PC嵌入NC式结构一些传统CNC系统的制造商将把专用结构的CNC部分和PC机结合在一起，将非实时控制部分改由PC机来承担，实时控制部分仍使用多年积累的专用技术。改善了数控系统的人机界面、图形显示、切削仿真、网络通信、生产管理、编程和诊断等功能，并使系统具有较好的开放性。系统具有一定的开放性，但其NC部分仍然是传统的数控系统，体系结构还是不开放的，用户无法介入数控系统的核心。系统特点：结构复杂、功能强大，价格昂贵。工程实例3-2典型的“PC嵌入NC”式数控结构FANUC150/160/180/210系列SIEMENS840DCNC第3章计算机数控系统3）NC嵌入PC式结构一些以PC机为基础的CNC制造商，通过开放式运动控制卡+PC机构CNC。具有很强的运动控制和PLC控制能力，已被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。开放性很好，用户可以自行开发，用来构成自己的数控产品或使用在生产线上。–如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。工程实例3-3DELTATAU公司的PMAC-NCTurboPMACFamilyUMACQMACTurboPMAC2UltraliteWithMACROInterfacePMAC-PC/104PMACNCAdvantage800/810CAMACRECamGeneratorProgramMotionGenerator第3章计算机数控系统3）软件型开放式结构当今开放式数控系统的发展趋势。实现了控制器的PC化和控制方案的软件化，具有最高的性能价格比，因而最有生命力。–典型产品如美国MDSI公司的OpenCNC和SoftServo公司的ServoWorks、德国PowerAutomation公司的PAS000NT以及美国国家标准技术协会的增强型机床控制器(EnhancedMachineController，EMC）——LinuxCNC方案等。知识点：软件型CNC所用的I/O接口和伺服接口卡仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口，可以是数字、模拟或现场总线接口，通常不带CPU。工程实例3-4几种典型的软件型CNCPA8000CNCServoWorksCNCEMCCNC厂家德国POWERAUTOMATION美国SoftServo美国NIST主持的开放式CNC示范项目硬件构成PC机+PA-CNCENGINE伺服接口卡1394适配卡+PC机+1394伺服驱动器PC机并口，实现全软件型运动控制软件平台标准WinNTOS+PANT实时内核Windows实时扩展或RTLinux基于RT-Linux或RTAI二次开发CompileCycles软件开发工具API接口和软件开发工具源码开放开发工具C++编程运动控制VB、C/C++源代码Linux下C编程第3章计算机数控系统3.3CNC装置的软件结构CNC系统的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件（系统程序）。不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。–现代数控机床的功能大都采用软件来实现，所以，系统软件的设计及功能是CNC系统的关键。知识点：数控系统是按照事先编制好的控制程序来实现各种控制的，而控制程序是根据用户对数控系统所提出的各种要求进行设计的。第3章计算机数控系统在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。CNC系统中软、硬件的分配比例是由性能价格比决定的。–随着软、硬件的水平和成本，以及CNC系统所具有的性能不同，现代CNC系统中软、硬件界面也在变化。1、CNC装置的软硬件界面CNC系统的任务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管理控制第3章计算机数控系统多任务处理–CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统2、CNC装置软件结构特点输入显示诊断控制I/O速度处理位置控制译码刀具补偿插补第3章计算机数控系统并行处理–同一时间内完成两种或两种以上相同或不同性质的工作–有“资源重复”法、“时间重叠”法和“资源共享”法等方法。–在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”和“资源重叠的流水处理”方法。2、CNC装置软件结构特点插补准备诊断初始化显示输入I/O处理中断优先级键盘位控插补CPU分时共享的并行处理12341432143214321432N1N2N3N1N2N3Δt1Δt3Δt5Δt7Δt3Δt1Δt5输出输出输出输出输出时间时间空间空间(a)(b)时间重叠流水处理第3章计算机数控系统实时中断处理–数控软件中一些子程序的实时性很强，决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。–CNC系统的中断管理主要由硬件完成，系统的中