第2章数控机床的数控系统

第2章数控机床的数控系统2.1典型数控系统介绍2.2数控系统的组成与基本原理2.3数控系统的硬件结构2.4数控系统的软件结构2.5数据处理2.6数控系统的插补原理2.7逐点比较法2.1典型数控系统介绍2.1.1FANUC数控系统介绍日本FANUC公司生产的CNC产品主要有FSO,FS3,FS6,FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我国用户使用的系列主要有FSO、FS15、FS16、FS18、FS21/210等，如图2一1所示2.1.2SIEMENS数控系统介绍1.SINUMERIK3系列SINUMERIK3系列数控系统适用于各种机床控制，有M型、T型、TT型、O型和N型等。另外，3T系统借助于转换(Transmit)功能，可使一般的数控车床变成一个柔性车削中心，在一台机床上一次完成车削、锁削、铣削和钻削加工下一页返回2.1典型数控系统介绍2.SINUMERIK8系列SINUMERIK8系列数控系统主要由主控制模块、电源模块、存储模板、各种位置控制模板、测量接口模板、操作目板、电源模板和译码电路模板、PLC与CNC接口模板、PLC和CNC信号传递模板及系统软件模板等组成。3.SINUMERIK810/820系列SINUMERIK810/820系列数控系统由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储器模块、文字图形处理模块、接口模块、I/O模块、CRT显示器及操作目板组成，如图2-2所示为SINUMERIK810数控系统结构。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍4.SINUMERIK850/880系列20世纪80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK850/880系列数控系统。该系列产品适用于高度自动化水平的机床及柔性制造系统，有850M,850T,880M和880T等规格。SINUMERIK850/880最多可控制30个主、辅坐标轴和6个主轴，可实现16个工位联动控制。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍5.SINUMERIK802系列20世纪90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK802系列数控系统。其中802S和802C是经济型数控系统，可带3个进给轴。802S采用带有脉冲及方向信号的步进驱动接口，可配接STEPDRIVEC/C+步动驱动器和五相步进电动机或FMSTEPDRIVE步进驱动器和1FL3系列三相步进电动机，如图2一3所示为SINUMERIK802S数控系统结构;802C则包含有传统的一10V~+10V接口，可配接SIMODRIVE611驱动装置。802S/C除了3个进给轴外，都有一个一10V~+10V接口，用于连接主轴驱动。SINUMERIK802S/C包括操作目板、机床控制目板、CNC单元及PLC模块可安装在通用的安装导轨上。上一页下一页返回2.1典型数控系统介绍2.1.3HNC一21华中数控系统介绍国产华中“世纪星”数控系统采用基于工业计算机作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。如图2一5所示为华中“世纪星”系列产品上一页返回2.2数控系统的组成与基本原理2.2.1数控系统的组成数控系统是由各种逻辑元件、记忆元件组成的逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由元件实现全部数控功能。从外部特征来看，数控系统是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成，如图2一6所示。如图2一7所示，数控系统由操作目板、输入/输出装置、计算机数控装置、伺服单元、驱动装置、可编程逻辑控制器(PLC)等组成。下一页返回2.2数控系统的组成与基本原理2.2.2数控系统的特点1.灵活性2.通用性3.可靠性4.易于实现许多复杂的功能5.使用维修方便上一页下一页返回2.2数控系统的组成与基本原理2.2.3数控系统的基本原理数控系统的生产厂家编制好数控系统控制软件(也称为系统程序)后，都要把它固化在ROM(EPROM)中，系统接上电源后即自动由CPU按照此固化的程序运行。数控系统的主要任务是控制零件程序的执行，其他任务是为了更好地完成这一任务而进行的辅助和配合。一个零件程序的执行首先要输入数控系统，经过译码、数据处理、插补和位置控制，由伺服系统执行数控系统输出的指令驱动机床完成加工。如图2一11所示为数控系统的工作过程。上一页返回2.3数控系统的硬件结构2.3.1数控系统的硬件类型1.单机系统单机系统是指整个数控系统只有一个CPU，它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。其特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。2.多机系统多机系统是指整个数控系统中有两个或两个以上的CPU，也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU。根据这些CPU间的相互管理的不同又可将其分为:下一页返回2.3数控系统的硬件结构(1)主从结树杀统。(2)多主结构系统。(3)分布式结构系统。2.3.2单机或主从结构模块的硬件介绍单机系统按组成数控装置的电路板的结构特点可分为大板式结构和模块化结构两类。大板式结构的特点是:数控装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等，其他相关子板，如ROM板、RAM板和PLC板都插在主板上目。大板式结构的CNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能价格比。A-B公司的8601就是大板式结构的CNC。上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构模块化结构的特点是:将CPU、存储器、输入/输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬件模块形成一个特定的功能单元，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，成为工厂标准或工业标准，彼此间可进行信息交换。模块化结构的典型应用有FANUC公司的15系统、A一B公司的8600CNC,FAGOR的8050等。上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构如图2一12所示是单机或主从结构的数控系统硬件结构框图。这类数控系统的硬件由于有若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，即所谓的模块化结构。采用这种结构对数控系统的设计和生产以及维修都有极大好处。实现这种结构的方法称为模块化设计方法。实现数控系统模块化设计的条件是总线(Bus)标准化。而采用模块化结构时，数控系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构所谓模块化设计方法就是:将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块，每个模块配上相应的驱动软件，按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，组成一个完整的控制系统，其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构2.3.3多主结构数控系统的硬件介绍多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧藕合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。多主结构的最大特点是:(1)能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较为复杂的系统功能(2)容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继续工作多主数控系统的信息交换方式决定了它的结构形式，主要有共享总线结构型和共享存储器结构型两种。上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构1.共享总线结构这种结构以系统总线为中心，把数控系统内各功能模块划分成带有CPU或DMA(直接数据存取控制器)的各种主模板和从模板(RAM/ROM,I/O模块)，所有的主、从模板都插在严格定义的标准系统总线上，由于在系统中所有主模板都使用系统总线，而在任一时刻只能允许一个主模块占用总线，因此必须要有一个总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题，这是多主CPU系统的一个重要特征。如图2一26所示上一页下一页返回2.3数控系统的硬件结构2.共享存储器结构这种结构是目向公共存储器设计，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通信与共享总线结构一样。该系统在同一时刻也只能允许有一个主模块对多端口存储器访问(读/写)，所以也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但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)，如图2-27所示。上一页返回2.4数控系统的软件结构2.4.1数控系统软硬件的功能界面数控系统软件是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径的补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可看成是一个个功能模块，模块之间存在着藕合关系;从时间上讲，各功能模块之间存在一个时序及配合问题。硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点:(1)硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难(2)软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢下一页返回2.4数控系统的软件结构因此，哪些功能应由硬件实现，哪些功能应由软件实现，即如何合理确定软件和硬件的功能分担是数控系统结构设计的重要任务，这就是所谓的软件和硬件的功能界目划分的概念。通常功能界目划分的准则是系统的性能价格比。如图2-28所示是数控系统功能界目的几种划分方法。2.4.2数控系统的数据转换流程数控系统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。如图2一29所示为数控系统的数控转换流程。上一页下一页返回2.4数控系统的软件结构2.4.3数控系统控制软件的特点1.多任务性与并行处理技术(1)数控系统的多任务性。所谓任务就是可并行执行的程序在一个数据集合上的运行过程。因此，数控系统的功能则可定义为数控系统的任务。数控系统的任务通常可分为两大类:管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等子任务;控制任务主要完成数控系统的基本功能，如译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。如图2一31所示是数控系统的任务并行处理关系图上一页下一页返回2.4数控系统的软件结构(2)基于并行处理的多任务调度技术。并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的是为了提高数控系统资源的利用率和系统的处理速度。并行处理的实现方式是与数控系统的硬件结构密切相关的，在数控系统中常采用以下方法:①资源分时共享。②并发处理和流水处理。上一页下一页返回2.4数控系统的软件结构2.实时性和优先抢占调度机制实时性是指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。①实时性任务的分类。数控系统是一个专用的实时计算机系统，该系统的各任务或强或弱都具有实时性要求。从各任务实时性要求的角度来看，它们基本上可分为强实时性任务和弱实时性任务，强实时性任务又可分为实时突发性任务和实时周期性任务。上一页下一页返回2.4数控系统的软件结构②优先抢占调度机制。为了满足数控系统实时任务的要求，系统调度机制必须具有能根据外界的实时信息以足够的速度(在系统规定的时间内)进行任务的调度等能力。优先抢占机制就是能满足上述要求的调度技术，它是一种基于实时中断技术的任务调度机制。中断技术是计算机系统响应外部事件的一种处理技术，其特点是它能按任务的重要程度、轻重缓急对其及时响应，而CPU也不必为其开销过多的时间。上一页下一页返回2.4数控系统的软件结构2.4.4数控系统的软件结构模式1.前后台型结构模式这种模式将数控系统软件划分成两部分:前台程序和后台程序。前者主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程