第四章 计算机数字控制装置.ppt

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1、主要内容:概述计算机数字控制装置的硬件结构计算机数字控制装置的软件结构数控机床的可编程控制器,第四章 计算机数字控制装置,4.1 概述,一、CNC系统简介 CNC（Computer Numerical Control)系统,是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。控制过程：根据输入的信息进行数控处理、插补运算，获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。核心：CNC装置,4.1 概述,二、CNC装置的组成,主要内容,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,CNC装置系统硬件组成,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,

2、4.2.1 单微处理器结构 整个CNC装置只有一个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NC功能。组成：计算机部分-CPU、总线、存储器 位置控制部分-位置控制、速度控制 I/O接口与外围设备 PLC,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,单微处理机数控装置的结构图,CPU,RS232接口,CRT/MDI接口,ROM,RAM,PLC接口,位控单元,位控单元,位控单元,主轴单元,D/A,D/A,D/A,D/A,速度单元,速度单元,速度单元,速度单元,M,M,M,M,M、S、T功能,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,4.2.2 多微处理器结构 CNC装置中有两个或两

3、个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：主从结构：主CPU对系统资源有控制或使用权多主结构：有两个或两个以上带CPU的功能部件对系统资源有控制或使用权。分布式结构：有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,1）特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可以继续工作。2）结构形式：共享总线结构型共享存储器结构型3）共享总线结构：,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,共

4、享总线结构,FANUC BUS,操作面板图形显示模块(CPU),CNC管理模块(CPU),自动编程模块(CPU),主存储器模块,插补模块(CPU),PLC模块(CPU),位置控制模块(CPU),主轴控制模块,CRT/MDI,I/O单元,伺服驱动单元,主轴单元,FANUC 15系统硬件结构,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,结构特征：功能模块分为带有CPU的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块等)；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；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。优点：结构简单、系统组配灵活、成本较低、可靠性高。缺点

5、：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障将使整个系统受到影响由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低。,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,4）共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器间的连接与信息交换,CNC管理模块（CPU）,存储器（RAM）,I/O控制模块（CPU）,输出至机床的控制信号,操作面板显示模块,位置控制模块（CPU）,主轴控制模块（CPU）,来自机床的控制信号,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,显示CPU,键盘,中央CPU,插补CPU,串口和收发器,CTRC,并 行 接 口,反馈脉冲处理,EPROM,EPROM,RAM/EPROM,512 RAM,RAM 512

6、,字符发生器,CRT,模拟量输出,机床接口,反馈信号收发器,X Y Z C W,美国GE 公司的MTC1-CNC共享存储器结构CNC系统硬件结构,RS232C,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,4.2.3 开放式数控系统 开放式数控系统是一种模块化的、可重构的、可扩充的通用数控系统，它以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各专业数控厂商根据需要装入自己的控制卡和数控软件构成相应的CNC装置。三个层次的开放：CNC系统的开放用户操作界面的开放CNC内核的深层次开放,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,4.3.1 CNC装置系统软件组成,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,输入,译码,

7、数据处理,刀补,速度处理,辅助功能,插补,位置控制,显示、诊断、I/O处理,数控程序补偿数据,管理软件,控制软件,4.3.2 CNC系统软件的工作过程,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,加工程序,译 码,译码缓冲区（内存）,刀补处理,刀补缓冲区,速度预处理,运行缓冲区,插补处理,插补缓冲区,伺服驱动,位控处理,位置反馈,PLC控制,数据处理,将文本格式转变为数据格式,缓冲区,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,译码 读入程序,识别功能码和数字码,再将具体的地址符号译出,然后根据地址码所代表的功能,将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元。简单的说就是将编码从一种格式转换到另一种格式的过程。

8、,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,1、刀具补偿根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。,Pe（200，300）,X,R,P0（72，48）,Pe”,Pe,G41,G42,Y,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,2、速度处理：根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的插补进给量，供插补程序使用。L=FT/60（mm）式中，F 进给速度值（mm/min）；T 数控系统的插补周期（ms）,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,3、插补：根据线段的特征(直线、圆弧、椭圆等)及有限坐标点等，运用一定的算法，自动地在

9、有限坐标点之间生成一系列的坐标数据（数据密化），即为刀具或工件进给运动轨迹。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,4、位置控制,插补,位置控制,电动机,速度控制,位置检测,增益,螺距误差,反向间隙,位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单元。位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内位移量，并产生伺服电动机速度指令送往速度控制单元。速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，用差值去控制伺服电动机以确定速度运转；位置控制单元根据接收到的实际位置反馈信号，来修正速度指令，实现机床运动的正确控制。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,位置控制,指令位置+,插补输出+x2，y2

10、,位控输出x3，y3,+X2新，Y2新,实际位置增量 x1，y1,实际位置X1新，Y1新,X2旧，Y2旧,+,-,X1旧，Y1旧,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,4.3.3 CNC系统的软件结构特点1）子程序结构,经济型数控,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,2）中断型软件结构,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,3）前后台型软件结构前台程序：实时中断程序如：插补运算、伺服控制、机床逻辑控制和监控。和机床的运动直接相关，实时性高。后台程序：实现输入译码、数据处理及管理功能的程序。为前台程序的实施提供条件和进行管理。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,前台程序,后台程序,4.4 数控机床的可控制编程器,PLCPLC是CNC装置实现顺序控制的模块。功能：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。分类：内装型（Built-in Type）PLC独立型（Stand-alone Type）PLC,4.4 数控机床的可控制编程器,1）内装型PLC,4.4 数控机床的可控制编程器,2）独立型PLC,位置检测,练习题,1、什么是CNC系统及其控制过程？2、计算机数字控制装置系统硬件由那些组成？3、什么是开放式数控系统，特征有那些？4、什么是PLC 及其工作原理？,