第5章数控系统的组成

第5第5章数控系统的组成5.15.25.35.4FANUC5.5Siemens5.6思考与练习第55.1经济型数控系统5.1.1经济型数控系统的组成经济型数控系统根据其应用场合不同，功能有所区别，但其总体结构大致相同。图5-1所示为经济型数控系统的一般结构，主要由以下几个部分构成：第5图5-1经济型数控系统一般结构通信接口微机步进驱动装置步进电动机开关量控制电路主轴驱动装置主轴电动机软件机床数控系统第5（1）微机:主要包括CPU、EPROM、RAM、I／O接口等电路。（2）驱动:由步进驱动装置与步进电动机构成。在经济型数控系统中步进电动机一般为功率式步进电动机。（3）开关量控制电路:负责机床侧I/O开关及机床操作面板与微机的连接，涉及到M、T、S指令的执行。（4）主轴控制：由主轴电动机及主轴驱动装置组成。（5）通信接口:一般指RS－232C接口，完成数控系统与微机的通信。（6）软件系统:由系统软件与应用软件构成。第55.1.2微机系统1.微机机型的选取经济型数控系统常采用单片机为主控微机，如Intel公司的8031、8098等。就当前情况来看，经济型数控系统选择8098较为经济合理，因其运算速度是8031的5～6倍。但8031位处理功能很强，很适合于开关量控制。第52.存储器的扩充存储器可分为数据存储器与程序存储器，一般程序存储器主要存放系统的监控程序与控制程序，用户无需修改，常采用EPROM存储器，如2764或27256等芯片。数据存储器用来存放用户程序、中间参数、运算结果等，常采用6264或62256等芯片。第53.I／O接口电路常用并行接口芯片8255A来扩展系统I／O口的点数，用8279来控制键盘／显示，至于定时/计数器与中断系统，一般由单片机本身的资源提供。4.辅助电路辅助电路主要包括驱动电路、译码电路、复位电路等。驱动电路主要采用单向驱动芯片244与双向驱动芯片245；译码电路主要包括三—八译码器138；复位电路主要有上电复位与按钮复位或二者的组合复位电路。第55.1.31.I／OI／O通道要充分考虑电平匹配、缓冲/锁存及信号隔离等因素，以防止信号的丢失及干扰的引入。一般对信号的隔离常采用光电隔离，该隔离方式设计简单，成本较低而且信号隔离也较为可靠，图5-2和图5-3所示为常用的带光电隔离的输入电路与输出电路。第5图5-2(a)弱电接点输入电路;(b)强电接点输入电路1VCC＋24V输入(a)VCC～220V(b)74LS14S第5图5-3开关量输出电路(a)继电器输出;(b)大功率晶体管或双向晶闸管输出＋24V(a)(b)KAS输出～220V第52.步进电动机的功率驱动步进电动机的驱动主要有高低压驱动、恒流斩波驱动等形式。3.主轴驱动主轴驱动有直流驱动和交流驱动。数控系统中的微机根据数控程序中的S指令，求出主轴转速给定值，并将给定值传送给主轴驱动装置。当采用交流变频方式时，频率给定主要有两种方式，一种为模拟量给定，另一种为数字量给定。当用模拟量给定转速时，可将微机输出的数字量经D／A转换、隔离及放大滤波后送到变频器；当用数字量给定转速时，可直接经8255A输出，经隔离后送至变频器。第55.1.4软件结构1.输入数据处理程序(1)输入:主要是指由用户从操作面板上输入控制参数、补偿数据及加工程序，一般均采用键盘直接输入，故软件的作用主要是字符的读取与存放。第5(2)译码:在输入的加工程序中，含有零件的轮廓信息、要求的加工速度及一些辅助信息(如主轴正、反转、停、换刀、切削液开、关等)，这些信息在微机进行插补运算与控制操作之前必须翻译成机器所能识别的代码，即译码，在软件设计时常采用编译方式来完成译码。(3)数据处理:主要包括刀具补偿、速度计算及辅助功能的处理等。第52.插补运算程序插补运算是实时性很强的程序，而且算法较多，应根据系统的需要选择合适的算法，力争达到最优化地实现各坐标轴脉冲的分配。第53.速度控制程序速度控制是和插补运算紧密相关的，在输入指令中所给的速度一般指各坐标轴的合成速度。速度处理首先要将合成速度分解成各运动坐标方向的分速度，然后再利用软件延时或定时器实现速度的控制。速度控制程序决定着插补运算的时间间隔，插补运算的输出结果控制着各坐标轴的进给。第54.系统管理诊断程序(1)管理程序:其实质就是系统监控程序，它主要负责键盘／显示的监控，中断信号的处理及各功能模块的协调。如能实现程序并行处理，则可在插补运算与速度控制的空闲时刻完成数据的输入处理，从而大大提高了程序的实时性。(2)诊断程序：主要包括系统的自诊断(如开机运行前，检查系统上各种部件的功能正常与否)和运行诊断，并能在故障发生后，给出相应的报警信息，帮助维修人员较快地找出故障原因，以利故障诊断和维修。第5图5-4单片机数控系统组成ABCXAXBXCX轴电动机选择辅助I/O主轴脉冲8031≥17432手动开关≥17432138掉电保护7407显示器75452译码器键盘4052系统机录音机状态检测刀架转位开关命令14891488录音机输入输出功效驱动功效驱动IBM-PC接P1口XTAL2XTAL112MHzRXDTXD7410&0INT限位报警暂停紧急停车接P1口＋5VDABALEALEIRQSLRLA0Y1AO1INTRDWRWRRDCS8279P2.5～P2.7373P1…0Y7YA0～A12T1P2.0～P2.4ALEPOPSENRDWRWRRDOEACSD2764D6264AWRRD0YCSWEOEEAPC4～7PC0～38255PBZAZBZCZ轴电动机选择ABCPA0～PA3DPA4～PA7A0～1ACSWRRDRDWR3YGAY244RD4YDTR－TR＋4098QRRST＋5V＋5V＋D0～7D0～D7第5目前系统选用最通用的MCS-51系列8031单片机，并扩展一片2764EPROM，一片6264SRAM，一片8255A并行I／O口和一片74HC244并行I／O口。在系统中，一片2764EPROM用来存放系统软件；一片6264SRAM用来存放加工程序和数据，并具有掉电保护，保证数据不丢失；8031片内的SRAM作数据缓冲和椎栈等用；74HC244用于手动开关输入；8255A用于开关命令、步进电动机控制、状态检测和刀架转位等；P1口具有较强的位选功能，作为声光报警，中断扩展查询等辅助I／O功能。在人机接口方面，采用Intel8279芯片作为键盘／显示器接口。8279用硬件自动完成键盘与显示器控制。第5在系统中断处理方面，外部中断入口INT1用于8279键盘输入中断；INT0用于实现实时处理紧急停车、暂停、限位报警功能。系统采用三输入端与非门74HC10的输出端作为一个共用的中断信号源接至INT0。在步进电动机控制方面，8255A的PA口输出的信号至功放电路后，分别控制X轴、Z轴的步进电动机。步进电动机的环形分配采用软件来实现，其控制方式采用三相六拍制，当三相绕组按A-AB-B-BC-C-CA的顺序通电时，就可实现电动机的正转，反之，若按A-AC-C-CB-BA的顺序通电，则可实现电动机的反转。利用TO进行频率控制，从而实现对电动机的转速控制。第5在通信接口方面，系统能与微机(PC)实现通信，它们之间采用RS-232C串行标准通信。单片机串行口上的TTL电平信号经MC1488/1489芯片转变为RS-232C电平后接至PC机。若编制较复杂的零件加工程序，手工编程的工作量大而且易出错，则可采用PC机进行自动编程，然后再通过串行口传送给单片机数控系统。另外，系统采用单稳态电路CC4098实现硬件“看门狗”功能，它的输出通过与上电／按钮复位电路经74HC32和8031的复位端RST相连。在系统软件方面，主要由操作管理程序、步进电动机输出控制程序及诊断程序等部分组成，其程序框图如图5-5所示。第5图5-5系统程序框图通信处理通信?YN编辑处理编辑?YN空运行处理空运行?YN自动处理自动?YN手动处理手动?YN回零处理回零?YN对刀处理对刀?YN出错工作状态选择系统初始化系统复位第55.2标准型数控系统5.2.1标准型数控系统的基本组成1.组成标准型数控系统一般是由程序的I/O设备、通信设备、微机系统、可编程控制器、主轴驱动装置、进给驱动装置及位置检测等组成，如图5-6所示。第5图5-6标准型数控系统基本组成通信设备微机系统机床电气控制输入设备数控系统输出设备可编程控制器主轴驱动装置进给轴驱动装置主轴电动机进给伺服电动机位置检测第52.模块功能(1)微机控制系统。微机控制系统是CNC的核心，数控系统的主要信息均由它进行实时控制。随着计算机技术的不断发展，微机控制系统的CPU芯片也逐步由8086发展到80586、PⅡ等，而且由单微处理器系统向多微处理器系统方向发展。(2)可编程控制器(PLC)。可编程控制器主要作用是用来实现辅助功能，如M、S、T等，其控制方式主要是开关量控制。按数控系统中PLC的配置方式可分为内装型PLC和外装型PLC，现代CNC系统一般均采用内装型PLC。第5(3)主轴控制模块。主轴控制模块主要任务就是控制主轴转速和主轴定位。现代数控机床主轴电动机大多采用交流电动机，相应的驱动装置为变频器。CNC只需要输出相应的控制信号到变频器，就能实现主轴转速、定位的控制。(4)进给伺服控制模块。数控机床对进给轴的控制要求很高，它直接关系到机床位置控制精度。进给伺服系统一般由速度控制与位置控制两个控制环节组成，CNC根据位置控制单元的信息，处理并输出控制信号通过速度控制单元完成速度控制。第5(5)检测模块。检测模块完成主轴和进给轴的位置检测。检测装置主要有光电编码器及光栅尺等，其作用就是配合主轴控制模块、进给轴控制模块完成位置的控制。(6)输入、输出及通信模块。输入、输出模块完成程序的输入与输出，通信模块传递人机界面所需的各种信息。第55.2.2标准型数控系统的硬件结构1.单微处理器数控系统的结构在单微处理器结构中，整个系统只有一个CPU，它采用集中控制、分时处理方式进行控制，其结构框图如图5-7所示。该结构的主要特点为：(1)CNC装置内只有一个CPU，系统对存储器、插补运算、I/O控制、程序输入、CRT显示等控制均由该CPU进行分时处理来完成。(2)CPU通过地址、数据和控制(AB、DB、CB)三大总线与各个控制单元相连，完成信息交换。(3)由于系统为单CPU结构，因此其功能、速度等受微处理器本身性能的影响而有一定的局限性。第5图5-7单微处理器结构框图机床开关控制I/O接口CPU存储器数据输入输出设备接口光电阅读机纸带穿孔机MDI/CRT接口CRT系统操作面板位置控制速度控制单元SM伺服电动机速度反馈位置反馈总线((ABDBCB第52.多微处理器结构多微处理器结构的CNC是将数控机床的总任务划分为各个子任务，每一子任务均由一个独立的微处理器来控制。系统通过各子任务之间相互协调来完成对机床的控制。1)多微处理器结构与单微处理器结构相比，主要有以下优点：（1）性能价格比高。（2）模块化结构。第52)多微处理器CNC装置主要由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、PLC模块、存储器模块、数据I/O及显示模块等部分组成。结构类型主要有共享总线结构与共享存储器结构两大类。（1）共享总线结构。在以系统总线为中心的多微处理器结构中，所有主、从模块均插在总线槽内，共享严格定义的总线标准，系统总线将各模块有效地连接在一起，按照要求交换数据及控制信息。在系统中，某一时刻只能有一个主模块占据总线，从而会造成各主模块发生总线竞争，通常利用仲裁电路来解决这一问题。多微处理器共享总线结构通用结构框图如图5-8所示。第5图5-8多微处理器共享总线结构框图主轴控制模块CNC插补模块(CPU)CNC管理模块(CPU)主存储器模块对话式自动编程模块(CPU)操作面板显示模块系统总线PC功能模块(CPU)位置控制模块(CPU)第5（2）共享存储器结构。在这种结构中，通常采用多端口存储器来实现各微处理器之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲