Download ppt - 第三章数控系统的硬件与软件

1

第三章第三章数控系统的硬件与软件3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构

3.2 CNC3.2 CNC 装置的软件结构装置的软件结构

3.3 3.3 插补原理与算法插补原理与算法

3.4 3.4 刀具补偿原理刀具补偿原理

3.5 3.5 速度与加减速控制速度与加减速控制

3.6 3.6 数控机床参数数控机床参数

数控技术数控技术

2

第三章第三章数控系统的硬件与软件

3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构






3

CNC 装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。

根据机床控制、安装要求和经济性要求不同、随着电子技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形式的 CNC 装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不尽相同。

按照数控系统各部分的功能不同， CNC 装置一般可分为人机接口部分、运动控制部分、 I/O 控制（ PLC ）、加工程序的存储、输入输出接口、数据通信接口等部分组成。

3.1 CNC 装置的硬件结构

3.1.1 CNC 装置的硬件组成及连接

4


4

主轴电机

伺服电机

机床控制面板

Windows NT系统

PCU50

NC+PLC 驱动

驱动模块

手轮

I/O 接口

5

CNC 装置的硬件组成及连接

运动控制运动控制伺服驱动伺服驱动

机床机床

PLCPLC

电机电机

程序输入输出接口程序输入输出接口

键盘、显示接口


显示器 /编程键盘显示器 /编程键盘

操作面板操作面板

打孔机 / 纸带阅读机磁带 / 磁盘U 盘 / 网络


光栅光栅

CNCCNC

通信接口通信接口


I/O

6

编程键盘：用于程序编辑、参数设置、界面操作等。不产生机床运动，可用缓冲键盘。

操作面板：用于操作机床所有运动。所有按钮接入 PLC ，部分按钮还有响应指示灯，通过机床厂家的梯形图实现机床的操作。

3.1 CNC 装置的硬件结构 CNC 装置的人机接口（ HMI ）

7



机床机床

PLCPLC

电机电机








光栅光栅

CNCCNC



I/O

8

早期的数控系统，只有简单的 I/O 控制，主要实现主轴、冷却等启停，机床操作、运动限位等功能。随着微机和 PLC 技术的发展， PLC 成为了数控系统必不可少的一个重要组成部分。数控系统的 PLC 有两种形式，一种是嵌入式 PLC ，一种是独立式 PLC 。

有关 PLC 原理及应用，在第四章详细介绍。


I/O 控制（ PLC ）

9



机床机床

PLCPLC

电机电机








光栅光栅

CNCCNC



10

主轴电机的控制通常采样模拟量作为速度的控制信号，部分主轴电机有位置反馈，用以实现主轴的准停或螺纹加工功能等。

3.1 CNC 装置的硬件结构运动控制一 . 主轴电机的控制

DACDAC主轴伺服

驱动器主轴伺服

驱动器主轴电机主轴电机CPUCPU

编码器编码器位置反馈位置反馈

CNC

11

二、进给运动控制


1. 步进电机的控制

脉冲输出接口电路脉冲输出接口电路驱动器驱动器步进

电机步进电机

CPUCPU

总线总线

特点：1 ）结构简单，成本低。2 ）扭矩较小3 ）分辨率低，精度不高。4 ）开环控制，容易产生“丢步”。

进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、数字量总线通信控制方式。

12

3.1 CNC 装置的硬件结构2. 直流伺服电机的控制

位置反馈位置反馈

伺服驱动器

伺服驱动器

直流伺服电机

直流伺服电机

CPUCPU

本地总线

本地总线

DACDAC

测速发电机测速发电机

编码器 / 光栅编码器 / 光栅

13

1 ）功率（扭矩）大、位置分辨率高。2 ）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。3 ）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。 4 ）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。

3.1 CNC 装置的硬件结构直流伺服数控系统的特点：

14


3. 交流伺服电机的控制

位置反馈位置反馈

伺服驱动器

伺服驱动器

交流伺服电机交流

伺服电机

CPUCPU

本地总线

本地总线

DACDAC

编码器编码器

光栅光栅

测速发电机测速发电机

采用数模转换；一个模拟接口只能连接一个驱动器；模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递；模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。

15

位置反馈

位置环PID 控制器

速度控制

电流控制

速度反馈电流反馈

插补译码预处理

加减速控制

位置前馈

位置指令

刀具补偿

误差补偿

速度前馈扭矩前馈伺服系统

运动控制

3.2.1 数控系统软件功能模块

16

3.1 CNC 装置的硬件结构4. 交流伺服电机的脉冲控制特点：1 ）接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。2 ）解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。3 ）由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。

脉冲输出接口电路脉冲输出接口电路

交流伺服驱动器交流伺服

驱动器电机电机CPUCPU

滞留脉冲 = 接收的指令脉冲数 – 电机旋转脉冲数n = （滞留脉冲 / 电机每转脉冲数） * 位置环增益 (r/s)

17

3.1 CNC 装置的硬件结构5. 总线式控制

伺服驱动器

伺服驱动器伺服

电机伺服电机CPUCPU

本地总线

本地总线

现场总线接口

现场总线接口

编码器编码器

光栅光栅

伺服驱动器

伺服驱动器

PLCPLC

伺服电机伺服电机

18

总线式数控系统的运动控制

插补译码预处理

加减速控制

位置前馈

位置指令

刀具补偿

误差补偿

位置反馈

位置环PID 控制器

速度控制

电流控制

速度反馈电流反馈

速度前馈扭矩前馈伺服系统


19

3.1 CNC 装置的硬件结构4. 总线式控制

特点：1 ）总线式数控系统采用分布式计算和控制，使连接简单及扩展灵活、方便。2 ）通过高可靠性和高实时性网络进行通信与协调，可以最大限度地发挥各子系统的功能，并尽可能地减轻 PC 主机的负担，易于提高数控系统的性能。3 ）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的特点。4 ）现场总线式的数控系统代表着数控系统硬件未来的发展方向。

20

3.1 CNC 装置的硬件结构3.1.2 CNC 系统硬件结构分类

按总体安装结构分

一体式

一体式，分离式

21

3.1 CNC 装置的硬件结构一体式数控系统

FANUC—OTD 数控系统

22


分离式

机床控制面板

NC+PLC

23


按印制电路板结构分类大板式，模块化

大板式结构

24


模块化结构

25


西门子 840D 数控系统

模块化结构数控系统

26

单微处理器结构的 CNC 装置，由一个微处理器 CPU 通过数据地址总线与存储器、 PLC 、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。


单微处理器结构的 CNC 装置多微处理器结构的 CNC装置

按装置中微处理器的数量分

一、单微处理器结构的 CNC 装置

27单微处理器结构的 CNC 装置

FPGA

CPU

RAM

键盘 / 显示接口

串行通信接口

数控面板

LCD

程序输入 / 输出

接口

I/O 接口

运动控制

机床

数据地址总线

数据地址总线网络接口

编程键盘

位置反馈

伺服系统

EEPROM

接口

Nand flash（硬盘）


28单 CPU 运动控制器的硬件实例

滚齿机数控系统的总体方案


29

随着微型计算机技术的发展，微处理器的性能越来越强，价格越来越低，数控系统各部分功能模块都开始采用自己的CUP ，通过数据通信和数据共享技术，实现各功能模块的协调工作。大大提高了数控系统的性能和可靠性。

多 CPU 结构的 CNC 装置，多采样模块化结构，具有良好的灵活性和扩展性，且结构紧凑、安装方便。

总线式数控系统是多 CPU 数控系统的典型代表。

总线式数控系统通过复杂的现场总线协议，实现各模块的数据通信和数据共享以及同步控制。

二、多微处理器结构的 CNC 装置


30

1. 多微处理器数控系统的功能模块

1 ） CNC 管理模块 2 ） CNC 插补模块 3 ） PLC 功能模块 4 ）位置控制模块 5 ）主轴控制模块 6 ）操作面板控制及显示模块 7 ）主存储器模块


31

2. 多微处理器数控系统的结构形式 1 ）共享总线结构 2 ）共享存储器结构


共享总线结构 CNC 装置

32

多微处理器共享存贮器 CNC 装置

33共享存储器多微处理器结构的 CNC 装置 a


主 CPU（ ARM9 ）

键盘 / 显示接口数控面板

LCD

双端口RAM

数据地址总线

数据地址总线

编程键盘

运动控制模块

伺服系统

PLC CPUI/O

双端口RAM

CPU

伺服系统

串口

CPU串口

电气柜电气柜

操作台

34共享存储器多微处理器结构的 CNC 装置 b


主 CPU

HMI 操作面板

双端口RAM

数据地址总线

数据地址总线运动控制

模块

伺服系统

PLC CPU I/O

双端口RAM

CPU伺服系统

串口电气柜电气柜串口

35

1 ）计算处理速度高。

2 ）可靠性高。

3 ）有良好的适应性和扩展性。

4 ）硬件易于组织规模生产。

3. 多微处理器数控系统的特点


36


现场总线式数控系统

4. 多微处理器数控系统的发展

37

现场总线式的数控系统的特点：

1 ）独立式 HMI(Human Machine Interface)

常用的独立式 HMI 采用通用（工业） PC ，利用通用操作系统（如Windows 、 WinCE 、 Linux 等）平台，构建数控系统的 HMI ，通过串行通信、现场总线与 NC 系统相连。利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放性。便于和其它软件连接（如 CAM 、网络等）。与 NC 的连线简单，安装方便。


38

2 ）操作面板具有 CPU 机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于很

多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到 NC （或 PLC ）的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机控制，通过串行通信和 NC 相连。大大节约了连线成本，提高了运行的可靠性。


3 ） PLC 采用独立 CPU 嵌入式 PLC 采用系统 CPU ，通过分时软件，实现 I/O 控制功能。结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。因此，对于高性能加工中心， PLC 控制点数多，程序量大， PLC 采用独立的 CPU ，设计成独立的 PLC( 模块 ) ，通过串行通信或双端口 RAM 和系统 CPU 实现数据通信和数据共享，进而实现 NC 和 PLC 的协调工作。

39

4 ）采用全数字化控制各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其 CPU

广泛采用高速 DSP ，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法的实现；

原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数 (包括电流环、速度环、位置环参数 )由数控系统 HMI 设置管理，便于各轴伺服匹配。

5 ）实时网络接口各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。


40

3.1 CNC 装置的硬件结构按硬件的设计与制造方式

传统专用型数控系统开放式数控系统

一、传统专用型数控系统硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性；经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着大量市场；为了保护各自的权益， CNC 具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等；CNC 系统的软、硬件对用户都是封闭的。上述缺陷造成了 CNC 系统使用和维护的不便，也限制了数控系统的集成和进一步发展。

41

二、开放式 CNC 装置


1. 开放式 CNC 装置的特点

开放式数控系统采用通用计算机及其配套模块组成，使CNC 系统标准化、模块化；便于系统的智能化（操作、编程等）、数据共享（ CAD/

CAE/CAPP/CAM ）和系统扩展 ( 功能扩展、平台扩展、重构 ) ，以及系统的系列化、可兼容和升级换代。可大幅度降低系统的研制和制造费用，提高用户设备和资源的利用率以及数控产品的市场竞争力，满足现代制造业发展的需要。

42


PC 嵌入 NC型即在传统的专用数控机床中嵌入 PC 技术， PC 与 CNC之间用专用总线连接。如 FANUC公司的16i/18i/21i 系统、 Siemens840D 系统、 Num1060系统等

NC 嵌入 PC型即运动控制器 +PC型即在通用 PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以 PC为硬件平台的数控系统。如华中数控、基于固高 /DELTA TAU运动控制卡的数控系统、日本MAZAK 公司的MAZATROL640CNC。

全软件型NC 即完全采用 PC 的全软件形式的数控系统。 NC 的全部功能处理全由 PC 进行，并通过装在 PC扩展槽中的接口卡等进行控制。美国MDSI 公司开发的Open CNC 、德国 Power Automation 公司的PA8000 NT。

2. 开放式 CNC 装置的结构形式

43

第三章第三章数控系统的硬件与软件

3.1 CNC3.1 CNC 装置的硬件结构装置的硬件结构






44

3.1 CNC 装置的软件结构

基本功能控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、

主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能等

工作过程


45


数控装置

控制软件模块管理软件模块

运动控制

工作循环控制

G功能处理

监控诊断

中断控制

PLC处理

系统初始化

加工程序编辑

键盘及显示

系统程序调度

机床参数

梯形图编辑

通信功能

文件管理

软件功能模块

46


工作循环控制

手动

按钮手动

返回参考点

手轮手动

译码

预处理

运动控制

MDI 自动

段执行控制

PLC

运动控制插补

刀补

1. 控制软件模块

47


运动控制

位置控制

位置反馈

加减速控制

监控诊断

伺服优化

伺服特性测试

I/O监控测试

系统自检诊断

机床状态诊断

PLC处理

I/O状态刷新

NC通信模块

梯形图执行

48

中断控制

中断允许控制

中断级别控制

中断向量

中断嵌套

中断程序有固定的程序入口地址（中断向量），通过特定的硬件触发，自动跳转到相应的中断入口，每个中断程序相当与一个独立运行的程序线程。主控程序可通过中断允许标志来控制中断的响应与否。

主程序低级中断高级中断


49


系统初始化

硬件初始化

机床参数读入

系统变量初始化

参数传递

硬件检测

系统程序调度

系统节拍控制

中断管理

界面切换

任务管理

共享数据传递

2. 管理软件模块

50


机床参数

轴参数

伺服参数

通道参数

控制参数

系统参数

补偿参数

网络通信

软件模块间数据通

信

多CP

U 模块通

信

通信功能

串行通信

51


输入输出

文件管理

打开关闭

删除备份

梯形图编辑

梯形图编辑

译码检查

传送备份

文本编辑器

加工程序编辑

CAM软件接口

程序检查

运动轨迹模拟

52资源分时共享 CPU时间分配图

资源分时共享：假定 CNC 软件功能仅分为三个任务：插补控制、加减速运算和位置显示。任务的优先级为：插补控制的最高，加减速运算的其次，位置显示的最低。系统规定：插补控制每 4ms 执行一次，加减速运算每 8ms 执行—次，两个任务都由定时中断激活，当插补控制和加减速运算都不执行时便执行位置显示。

3.2 CNC 装置的软件结构多任务的并行处理

1 ）在任一个时刻只有—个任务占用 CPU；2 ）从一个时间片 ( 如 8ms 或 16ms) 来看， CPU并行执行了三个任务。

并发处理和流水处理：


当各任务间关联程度不高时 ,将这些任务分别安排一个CPU ，让其同时执行。当各任务间关联程度较高时，即一个任务的输出是另一任务的输入时，采用资源重叠的流水线的工作方式处理。

53

1译码处理、 2 刀补处理、 3 速度处理

54

3.2 CNC 装置的软件结构3.2.2 CNC 装置的软件结构

根据 CNC 装置的硬件结构形式的不同， CNC 装置的软件结构也有多种形式。对与多 CPU 结构的 CNC 装置，不同模块其软件结构有很大差别。

对于独立 HMI 部分，由于其承担了大量、繁琐的信息显示、参数管理、文件管理、文本输入等实时性要求不高的工作，通常采用多任务操作系统平台（可以是非实时操作系统），用高级语言编程，应用面向对象的模块化程序结构。具有一定的开放性。

如： NUM1050 的 HMI ，采用 Windows XP 操作系统，可同时运行 HMI 程序和其它应用程序（如 CAM 软件，机床厂家开发的在线测量、网络传输等），具有较好的开放性。

西门子 840D ，采用 Windows PE/NT 操作系统，工作中不能运行其它Windows 程序，用户可使用 VB 实现二次开发，设计特殊的控制程序。

55

对于实时性要求较高的 NC 部分或集中控制的单微处理器 CNC 装置，通常采用前后台式软件结构。

程序的主循环为前台程序，用于实现各软件模块的控制和调度、以及低实时软件模块的分时按节拍运行。实时性要求高的软件部分（如插补、运动控制等）作为后台中断程序，根据前台控制程序的控制标志，通过定时中断或硬件中断来启动，进而实现高实时性控制。

前台程序循环运行，根据操作指令和加工程序的执行情况，通过设定控制标志来实现对前台程序的调度和控制。

3.2 CNC 装置的软件结构前后台式软件结构

56 前后台型结构程序运行关系图


后台前台

57

定时中断为前台程序提供系统节拍（每次中断其值 +1 ），主循环前台程序可根据系统节拍变量的值，来控制不同实时性要求的软件模块的调度，使系统达到优化控制。


定时中断

Step=Step+1

返回

OldStep=Step

Step=OldStep ？Y

N

高速处理程序

软件模块 1

Step=2 ？软件模块 2

N

Y

Step=N ？软件模块 N

OldStep=1

58

3.2 CNC 装置的软件结构同级多任务的分时处理

对于实时性要求相近的 N 个软件模块，每个软件模块间隔 N 个系统（定时）周期执行一次。每个时间节拍（ Step改变一次），执行 1 个软件模块，使整个系统周期程序的执行时间较短，保证了高实时性程序的可靠运行。

Step=N ？

模块0

模块1

模块N-1

0 1 N-1

59

中断型结构的 CNC 系统软件，各功能模块安排成不同优先级别的中断，整个控制软件是一个大的多重中断系统。 20世纪80-90年代初的 CNC 系统软件大多采用这种结构。

中断型结构模式


Download ppt - 第三章 数控系统的硬件与软件

Download ppt - 第三章数控系统的硬件与软件