CNC装置的硬软件结构.ppt

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1、本章内容,第四章 计算机数字控制装置,CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构可编程控制器（PLC）典型的CNC系统简介,4.1 概述,一、CNC系统功能：CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，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，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。二、CNC系统组成：程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,面板控制单元,主轴电机,进给伺服电机,电子手轮,I/O模块,机床控制面板,CNC键盘,驱动系统,4.1 概述

2、,1、组成：中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM、RAM）、输入/输出（I/O）接口及相应的外设、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元。,4.1 概述,2、中央处理单元（CPU）和总线（BUS）,1)中央处理单元CPU计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存寄存器组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。2)总线（BUS）总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线1.地址总线：传送地址信息的通道。2.数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数量决定了数据传送、运算和处理的规模。3.控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设备和CPU

3、之间传送地址信息和数据信息的通道。控制总线是完成各种控制功能的通道。,4.1 概述,3、存储器（memory）,1)功用：存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中间结果和处理后的结果存储起来。2)种类：半导体存储器3)分类：随机存取存储器RAM 只读存储器ROM 串行存储器,双极型 MOS型 固定ROM（掩膜ROM）一次性可编程ROM（PROM）光可擦除可编程ROM（EPROM）电可擦除可编程ROM（E2PROM）,存储系统软件,存放工作参数、加工程序,4.1 概述,4、输入/输出（I/O）接口电路及相应的外部设备,1)I/O接口接口电路是CPU与外部设备之间的连接电路。CNC装置通过该

4、接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。分输入接口、输出接口、双向接口。2)I/O接口功能把外设送往CNC的信息转换成CPU能接受的格式；把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式在CNC与外设间起缓冲作用（平衡信号电平和传输速率）,4.1 概述,3、I/O接口人机界面接口通信网络接口进给轴的位置控制接口主轴控制接口MST控制接口,键盘MDI显示器CRT操作面板手摇脉冲发生器,4.1 概述,例：MDI接口框图,4.1 概述,4.2 CNC系统的硬件结构,CNC系统的硬件结构，按其中含有CPU的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：

5、大板结构和模块化结构。,一、单微处理机结构和多微处理机结构,1、单微处理机结构整个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。主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,4.2 CNC系统的硬件结构,2、多微处理机结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，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

6、信息交换。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，通过系统重组仍可断继续工作结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。,4.2 CNC系统的硬件结构,共享存储器结构,4.2 CNC系统的硬件结构,结构特征：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，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。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）。,4.2 CNC系统的硬件结构,FANUC 15系

7、统硬件结构,4.2 CNC系统的硬件结构,结构特征：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)，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。,4.2 CNC系统的硬件结构,二、大板式结构与功能模块式结构,1、大板式结构CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。,4.2 CNC系统的硬件结构,2、功能模块式结构将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（硬件模块），相应的软件也是模块

8、结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成CNC装置。,4.2 CNC系统的硬件结构,4.3 CNC系统的软件,一、CNC系统软件的组成与功能1、组成CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。,4.3 CNC系统的软件,一、CNC系统软件的组成与功能1、组成CNC系统软件和硬件的分工是不固定的。,2、CNC系统的软件功能输入程序任务：把加工程序、控制参数和补偿数据输入到CNC装置中。译码程序将程序段中的工件轮廓信息、加工进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式，并按一定格式存

9、放在指定的内存专用区域。翻译过程中对程序段进行语法检查，发现错误立即报警。数据处理程序任务：刀具半径补偿程序、速度计算程序、辅助功能的处理,4.3 CNC系统的软件,数据处理程序刀具半径补偿刀补处理的主要工作：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坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,4.3 CNC系统的软件,刀具半径补偿方法：B刀补：对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。但无法满足实际应用中的许多要求，现在用得较少。C刀补采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，它的尖角性好，并且它可自动预报(在内轮廓加工时)过切，以避免产生过切,数据

10、处理程序刀具半径补偿,4.3 CNC系统的软件,数据处理程序速度计算任务：加工程序给定的进给速度，在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。,4.3 CNC系统的软件,插补计算程序任务：在所需的路径或轮廓线上的起点和终点之间，根据某一数学函数如直线、圆弧、高阶函数，来确定其多个中间点位置坐标的运算过程。插补程序以系统规定的插补周期t定时运行，在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。,4.3

11、 CNC系统的软件,伺服（位置）控制软件任务 在每个插补周期内，各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将理论位置与实际反馈位置进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。,4.3 CNC系统的软件,输出程序任务：进行伺服控制反向间隙补偿进行丝杠螺距误差补偿M、S、T辅助功能输出管理程序诊断程序,4.3 CNC系统的软件,二、CNC系统软件的特点和结构,1、CNC装置的软件系统特点多任务性与并行处理技术多任务性：

12、显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、并行处理：系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。并行处理的实现方式：资源分时共享（单CPU）：如图4-21 资源重叠流水处理（多CPU）:如图4-21,4.3 CNC系统的软件,资源分时共享（单CPU）在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。资源分时共享技术的特征 在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。,4.3 CNC系统的软件,资源重叠流水处理（多CPU）流水处理技术是利用重复的资源

13、（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。资源重叠流水处理的特征 流水处理在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。流水处理的关键是时间重叠,4.3 CNC系统的软件,.多任务性与并行处理技术,（1）CNC控制要求的多任务性任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。CNC的功能则可定义为CNC的任务：显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、CNC系统的任务要求并行处理：为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统

14、的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。,4.3 CNC系统的软件,（2）基于并行处理的多任务调度技术并行处理定义：系统在同一时间间隔或同一时刻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：合理使用和调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速度。,4.3 CNC系统的软件,（3）并行处理的实现方式：资源分时共享并发处理（例如：流水处理）这些实现方式与CNC系统的硬件结构密切相关。,4.3 CNC系统的软件,（4）资源分时共享（对单一资源的系统）在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它

15、们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即 时间片的分配问题。,4.3 CNC系统的软件,资源（CPU）分时共享图,4.3 CNC系统的软件,0ms 4ms 8ms 12ms 16ms,位置控制,插补运算,背景程序,各任务占用CPU 时间示意图,4.3 CNC系统的软件,资源分时共享技术的特征:,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。

16、,4.3 CNC系统的软件,（5）并发处理和流水处理（对多资源的系统）,在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,4.3 CNC系统的软件,流水处理技术的涵义:,流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。

17、,4.3 CNC系统的软件,流水处理技术示意图,4.3 CNC系统的软件,并发处理和流水处理的特征,在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。,4.3 CNC系统的软件,多重实时中断处理 实时性和优先抢占调度机制中断：中止现行程序去执行另一个程序，待另一个程序处理完毕后，再返回继续执行原程序。多重中断：将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回接着处理低级中断尚未完成的工作。实时：任务的执行有严格时间要求（任

18、务必须在规定时间内完成或响应）实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。,4.3 CNC系统的软件,（1）实时性任务的定义和分类实时性定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类:强实时性任务 实时突发性任务；实时周期性任务 弱实时性任务,4.3 CNC系统的软件,（2）强实时性任务,实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故

19、障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。,4.3 CNC系统的软件,（3）弱实时性任务,这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级（级别较低），再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务主要包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹

20、的静态模拟仿真及动态显示等。,4.3 CNC系统的软件,（4）抢占式优先调度机制,多任务系统的任务调度方法：循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法,4.3 CNC系统的软件,（5）抢占式优先调度机制功能,抢占方式：在CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务，转而响应优先级高任务的请求优先调度：在CPU空闲时，当同时有多个任务请求执行时，优先级高的任务将优先得到满足。,4.3 CNC系统的软件,（6）CNC系统中采用的任务调度机制,抢占式优先调度；时间片轮换调度；非抢占式优先调度。,4.3 CNC系统的软

21、件,2、CNC装置的软件结构的分类前后台型结构此结构将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。,4.3 CNC系统的软件,4.3 CNC系统的软件,前后台程序运行关系图,中断型结构此结构除了初始化程序之外，整个系

22、统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。,4.3 CNC系统的软件,、中断优先级安排,4.3 CNC系统的软件,中断源：由时钟或其它外部设备产生的中断请求信号，即硬件中断。由程序产生的中断信号，即软件中断。,4.3 CNC系统的软件,多重中断结构数控系统软件的工作过程 各级中断程序间的通信方式,设置软件中断设置标志,4.3 CNC系统的软件,CNC系统的工作过程:,1、CNC系统的数据段历程,4.3 CNC系统的软件,2、CNC系统自动工作时的总体流程,输入,纸带或MDI将零

23、件程序按ASCBCD形式输入至存储区或调出至缓冲区,译码,预计算,插补,伺服位置控制,置标志位“1”，BCDB等,刀补，算刀心坐标速度处理算段长，M、S、T处理,算段值X，Y，Z,算跟随误差，乘上放大系数即为速度指令,4.3 CNC系统的软件,一、定义：可编程控制器（简称PLC）是以微处理器技术为基础，综合了计算机、自动化和通信技术的一种新型工业控制装置。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出方式控制各种类型的机器或生产过程。可编程控制器具有很强的逻辑运算能力，

24、而且PLC的输入/输出接口适应了工业过程的需要，具有功率放大的功能，可直接带负载运行，这就是PLC在工业控制上优于普通微型计算机的地方。,4.4可编程控制器PLC,二、CNC系统中的PLC,1、作用：完成各种辅助功能机床主轴的起停、正反转控制及主轴转速的控制、倍率的选择。机床冷却、润滑系统的接通和断开。机床刀库的起停和刀具的选择、更换。机床卡盘的夹紧、松开。机床自动门的打开、闭合。机床尾座和套筒的起停、前进、后退控制。机床排屑等辅助装置的控制。,4.4可编程控制器PLC,2、类型：内装型、独立型3、内装型 内装型PLC 内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部实现

25、。,4.4可编程控制器PLC,3、内装型PLC特点：1）实际上是CNC装置带有PLC功能；2）一般单独制成一块附加板，插装到CNC主板插座上，不单独配备I/O接口。3）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。,4.4可编程控制器PLC,4、独立型PLC 独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。,4.4可编程控制器PLC,4、独立型PLC特点：独立型PLC具有基本功能：CPU及其控制电路、系统程序存储器、用户程序存储器、输入输出接口电路和编程器等外部设备通信的接口及电源等。独立型PLC一般采用搭积木式模块

26、化结构或笼式插板结构，各功能电路都做成独立的模块或印刷电路板，具有安装方便、易于扩展功能和变更等优点。独立型PLC的输入输出点数可以通过I/O模块或插板的增减灵活配置。,4.4可编程控制器PLC,三、M、S、T功能的实现,1、辅助M功能 PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码，可控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关、卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。,4.4可编程控制器PLC,2、主轴S功能 S用来指定主轴转速。CNC装置将S代码送入PLC，经过电平转换(独立型PLC)、译码、数据转换、限位控制和D/A变换，最后输给主轴电机伺服系统。其中限位

27、控制是当S代码对应的转速大于规定的最高转速时，限定最高转速，当S代码对应的转速小于规定的最低转速时，限定最低转速，为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、调整转速范围，还可增加12级机械变速档。通过PLC的M代码功能实现。,4.4可编程控制器PLC,3、刀具T功能 数控系统通过PLC可管理刀库，进行刀具自动交换。处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。,4.4可编程控制器PLC,四、PLC、CNC、机床间的信息交换,1、PLC给CNC的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号2、PLC给机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器

28、、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。3、机床给PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。,4.4 可编程控制器PLC,4.4 FANUC-0系统介绍,一、简介：FANUC0系列产品使用Intel 80486DX2微处理器芯片，是一个多微处理器共总线系统。采用内装式PLC。具有刀具寿命管理、极坐标插补、圆柱插补、多边形加工、简易同步控制、Cf轴控制（主轴回转由进给伺服电机实现，回转位置可和与其它进给轴一起参与插补）、Cs轴控制（主轴电机不是进给伺服电机，而是主轴电机）串行和模拟主轴控制、主轴刚性攻丝、多主轴控制功能、主轴同步控制功能、PLC梯形图显示和编辑功能、PLC轴控制功能等。二、硬件结构 大板式结构三、软件结构：多重中断系统，插补采用时间分割粗插补和硬件DDA精插补。,