第四章 计算机数字控制系统

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4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
数据输入/输出接口与外围设备 数据输入/输出接口与外围设备是CNC装置与
操作者之间交换信息的桥梁。 例如,通过MDI方式或串行通信,可将工件加
工程序送入CNC装置;通过CRT显示器,可以显示 工件的加工程序和其它信息。
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
开放式数控结构目前主要有: PC嵌入NC式结构 NC嵌入PC式结构 软件型开放式结构
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4.2.5 开放式数控装置的体系结构
1. “PC嵌入NC”式结构系统
在CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板, 原来的CNC进行实时控制,而由PC进行非实时性控 制。
尽管“PC嵌入NC”式结构系统也具有一定的 开放性,但由于它的NC部分仍然是传统的数控系 统,其体系结构还是不够开放的。
多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以 上的微处理器。
多微处理器结构的CNC装置多为模块化结构, 通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实 现模块间的互联与通信。
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
多微处理器CNC的组成框图
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构
22
4.2 CNC装置的硬件结构
分布式结构 该装置有两个或两个以上带有CPU的功能模
块,每个功能模块有自己独立的运行环境(总线、 存储器、操作系统等),功能模块间采用松耦合, 即在空间上可以较为分散,各模块之间采用通信方 式交换信息。
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4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
单微处理器结构组成 24
需要总线仲裁
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 1、分布式总线结构
分布式多微处理器结构
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 2、主从式总线结构
主从式总线多微处理器结构 33
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
一、共享总线结构 3、总线式多主结构
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4.3 CNC装置的软件结构
外部中断主要外部监控中断和键盘操作面板输 入中断。 内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置 采样中断。 硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出 的中断,如存储器出错、定时器出错、插补运算 超时等。 程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报 警中断,如各种溢出、清零等。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心 轨迹。
包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
编程所给的刀具移动速度,是在各坐标的合成 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。
总线式多主微处理器结构
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4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
二、共享存储器结构
采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和 通信,每个端口都配有一套数据、地址、控制线, 以供端口访问,由专门的多端口控制逻辑电路解决 访问的冲突。
由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存 储器读/写,所以功能复杂。当要求微处理器数量 增多时,会因争用共享存储器而造成信息传输的阻 塞,降低系统效率,因此扩展功能很困难。
4.2.1数控系统硬件综述
CNC装置的硬件构成
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4.2 CNC装置的硬件结构
4.2.2 CNC装置的体系结构
CNC装置
单微处理器结构 多微处理器结构
主从结构 多主结构 分布式结构
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4.2 CNC装置的硬件结构
单微处理器结构: 早期的CNC装置多为单微处理器结构,由一
个CPU集中控制和管理整个系统资源、处理装置 内的所有信息,通过集中控制、分时处理的方式来 实现各种数控功能。
I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号、机床 电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷 却等)。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
零件程序 参数 刀具位置 机床状态 加工轨迹
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
第四章 计算机数字控制系统
4.1 概述 4.2 数控系统的硬件结构 4.3 数控系统的软件结构 4.4 数控系统的常用接口 4.5 可编程控制器在数控机床中的应用
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4.1.1 数控系统的定义
数控系统(NC): 是一种控制系统,它自动阅 读输入载体上事先给定的数字,并将其译码,从而 使机床移动和加工零件。
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.1 CNC系统软件的组成
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1:多任务性与并行处理 多任务性:显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制……
43
4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点1:多任务性与并行处理 并行处理:同一时间间隔或同一时刻完成两个
6
4.1.2 CNC系统的组成
西门子数控系统
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
输入零件程序、控制参数和补偿量等数据。 输入的形式有键盘输入、磁盘输入、DNC接口输
或两个以上的任务处理
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点
特点1:多任务性与并行处理 多任务性:显示、译码、刀补、速度处理、插
补处理、位置控制…… 并行处理:同一时间间隔或同一时刻完成两个
或两个以上的任务处理 并行处理的实现方式:
• 资源分时共享(单CPU) • 资源重叠流水处理(多CPU)
优点:投资小,结构简单,易于实现。 缺点:系统功能则受CPU的字长、数据宽度、 寻址能力和运算速度等因素限制。 已被多微处理器系统的主从结构所取代。
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4.2 CNC装置的硬件结构
主从结构 主CPU对整个装置的资源(装置内的存储器、
总线)有控制权和使用权, 其它带有CPU的功能部件则无权控制和使用
位置控制部分 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的位移量,控制伺服电动机 工作,并根据接收到的实际位置反馈信号,修正位 置指令,实现机床运动的准确控制。同时产生速度 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,修正速度指令,用其差值 去控制伺服电动机以恒定速度运转。
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 资源分时共享(单CPU)
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 资源重叠流水处理(多CPU)
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点 特点2:实时中断处理
CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断 成为整个系统必不可少的重要组成部分。CNC系统 的中断管理主要靠硬件完成,而系统的中断结构 决定了系统软件的结构。其中断类型有外部中断、 内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。
速度处理
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
在每个采样周期内,将理论位置与实际反馈位 置相比较,用其差值去控制伺服电机。
通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方 向的螺距误差补偿和反向间隙补偿,以提高机床的 定位精度。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
入、网络输入。 有MDI(Manual Direct Input,手工直接输
入)和存储工作方式输入工作方式。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
位置控制
以一个程序段为单位,把零件轮廓信息(如起点、 终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和 其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法 规则解释成计算机能够识别的数据形式,并以一定 的数据格式存放在指定的内存专用单元。
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4.3 CNC装置的软件结构
4.3.2 CNC系统软件的特点
资源分时共享(单CPU) 采用“资源分时共享”并行处理技术。即:
在规定的时间长度(时间片)内,根据任务的实 时性要求,规定各任务占用CPU的时间,使其分时 共享系统的资源 关键技术:
各任务的优先级确定 各任务占用CPU时间的长度(时间片的分配)
序,首先读取工件加工程序,对加工程序段进行译 码和数据处理,然后根据处理后得到的指令,进行 对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制; 它还将辅助动作指令通过可编程控制器(PLC)送 到机床,同时接收由PLC返回的机床各部分信息并 予以处理,以决定下一步的操作。
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4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
在有些CNC装置中,对于机床允许的最低速度和 最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处 理。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入 诊断
译码 显示
刀补
速度处理
插补
I/O处理
Байду номын сангаас位置控制
插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上 进行“数据点的密化”。
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4.1.3 CNC装置的工作过程
输入
译码
刀补
装置资源,它只能接受主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。
只有一个CPU处于主导地位,其它CPU处于 从属地位。
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4.2 CNC装置的硬件结构
多主结构 在该装置中有两个或两个以上带CPU的功能
部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间 采用紧耦合(即均挂靠在装置总线上,集中在一个 机箱内),有集中的操纵系统,通过总线仲裁器 (软件和硬件)来解决争用总线的问题.通过公共 存储器来交换装置内的信息。
插补
诊断
显示
I/O处理
位置控制
包括联机诊断和脱机诊断。 联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。 脱机诊断是指系统运转条件下的诊断,一般CNC 装置配备有各种脱机诊断程序以检查存储器、外围 设备(CRT)、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远 程通信方式进行,即所谓的远程诊断,
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4.2 CNC装置的硬件结构
35
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
二、共享存储器结构
多微处理器共享存储器结构 36
4.2.4 多微处理器数控装置的硬件结构
二、共享存储器结构
共享存储器多CPU典型系统框图
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4.2.5 开放式数控装置的体系结构
什么是开放式数控系统?目前尚未形成统一的 定义,但一般认为开放式数控系统应是一个模块化、 可重构、可扩充的软硬件控制系统。
计算机数控系统(CNC): 是一种以计算机为 硬件,在计算机中存储控制程序(根据不同机床的 工作需要编制的),通过计算机运行控制程序,来 执行对机床运动的数字控制功能。
2
4.1.2 CNC系统的组成
数控系统一般由输入/输出(I/O)装置, 数字控制装置、驱动控制装置、机床电器逻辑控制 装置四部分组成,机床本体为被控对象。
3
4.1.2 CNC系统的组成
计算机数控系统的核心是数字控制装置,由 硬件和软件共同完成数控任务。
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4.1.2 CNC系统的组成
计算机数控系统的核心是数字控制装置,由 硬件和软件共同完成数控任务。
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4.1.2 CNC系统的组成
计算机数控系统的核心是数字控制装置,由 硬件和软件共同完成数控任务。
4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
单微处理器的结构特点是在CNC装置中只有一只 微处理器(CPU),其工作方式是集中控制、分时处 理数控系统的各项任务。
可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输 入/输出接口及外围设备。
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4.2.3 单微处理器数控装置的硬件结构
计算机部分 微处理器CPU是CNC装置的核心,CPU执行系统程
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4.2.5 开放式数控装置的体系结构
2. “NC嵌入PC”式结构
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4.2.5 开放式数控装置的体系结构
3. 软件型开放式结构
是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计 算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台 上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构 成各种类型的高性能数控系统。具有最高的性能价格 比,因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的 OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。
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