第四章数控装置.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,数控装置,第一节,概,述,一、数控装置的作用,数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和,PLC,，,具有内置,PLC,功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。,返回课件首页,二、数控装置软件和硬件的功能界面,硬件 软件,图,4-1,几种典型的软硬件界面的划分,程序,输,入,数据,处理,插,补,位,控,速,控,伺服,电机,测量,软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务。,四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。,第二节,数控装置的硬件结构,一、,由单片机组成的数控装置,图,4-2,用,80,C31,单片机组成的简易数控装置的硬件系统图,二、,单微处理机数控装置,图,4-3,单微处理机数控装置的结构图,CPU,纸带机接口,RS232,接口,CRT/MDI,接口,手摇轮接口,ROM,接口,RAM,接口,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,MST,功能,图,4-4,数控装置的物理结构（,FANUC-6MB,）,三、,基于网络的数控装置,图,4-5,基于网络的数控系统结构图,数控装置各功能模块间的通讯是按照,SERCOS,（,Serial Communication System,）,协议进行的。图,4-7,表示了,SERCOS,协议通讯的原理。由一个控制器和若干个伺服驱动器构成通讯回路。通讯以循环方式进行，每个循环的时间可设定为,62,s,、,125,s,、,250,s,或其整数倍。循环时间的长短以保证控制器和伺服驱动器间的同步通讯为前提。图中的,Master,表示运动控制器，,Slave i,表示连接在控制环路中的第,i,个伺服驱动器，,MST,表示同步信息，,ATi,表示第,i,个伺服驱动器发送的数据，,MDT,为控制器发送到网络上的数据。,驱动器数,/,光纤环,42,21,2 4 6 通讯周期,图4-6 每个光纤环路能控制的驱动器个数,66,图,4-7,SERCOS,通讯原理,控制器和伺服驱动器间的通讯包括三种情况：,1,控制器发出同步信息，各伺服驱动器以此同步信息为保证同步通讯的时间基准；,2,控制器向环路中的所有伺服驱动器发送同步数据（,Cycle Data,）,和伺服数据（,Serve,Data,）；,3,伺服驱动器将要发送的数据送到相应的时间槽（,Time Slots,）。,通讯按照,NRZI,编码的,HDLC,协议进行。,第三节,数控软件,一、,数控软件的数据转换流程,图,4-8,数控装置软件的数据转换流程,加工程序,译,码,刀补处理,速度控制,插补处理,位置控制,伺服驱动,PLC,控制,位置反馈,译码缓冲区 刀补缓冲区 运行缓冲区,（一）译码,译码就是把用,ASC,码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存,放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。,1,不按字符格式的存放方法,M03 G03 X100.Y50.I0 J50.F100.,；,图,4-9,不按字符格式的译码数据存放格式,2,保留字符格式的存放方法,Struct,PROG_BUFFERchar,buf,_state,；,/0,：,空，,1,：有数据,int,block_num,；,/,程序段号,double COORD20,；,/,尺寸字的数值，单位为,m,int,F,，,S,；,/,进给速度和主轴速度,char G_flag,；,/,以标志形式存放的,G,指令,char G1,；,/G,指令表,.,char M_flag,；,/,以标志形式存放的,M,指令,char M1,；,/M,指令表,.,char T,；,/,刀具代号,char D,；,/,刀具半径值,；,（二）刀补,刀补处理程序主要进行以下几项工作：,1,计算本段零件轮廓的终点坐标值；,2,根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；,3,根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。,（三）速度预处理,速度预处理程序主要完成以下几步计算：,1,计算本程序段总位移量,2,计算每个插补周期内的合成进给量,L=Ft/60（m）,式中，,F,进给速度值（,mm/min）；,t,数控系统的插补周期（,ms）。,（四）插补处理,1,根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；,2,计算新的坐标位置；,3,将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。,插补程序的实时性,（五）位置控制,图4-10 位置控制算法原理,指令位置 +,插补输出+,x,2,，,y,2,-,-,位控输出,x,3,，,y,3,+,X,2,新,，,Y,2,新,实际位置增量,x,1,，,y,1,实际位置,X,1,新,，,Y,1,新,X,2,旧,，,Y,2,旧,X,1,旧,，,Y,1,旧,+,+,-,1,计算新的指令坐标位置,X,2,新,=,X,2,旧,+,x,2,Y,2,新,=,Y,2,旧,+,y,2,2,计算实际坐标位置,X,1,新,=,X,1,旧,+,x,1,Y,1,新,=,Y,1,旧,+,y,1,3,计算位置控制输出值,x,3,=X,2,新,-,X,1,新,y,3,=Y,2,新,Y,1,新,位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。,二、,数控软件的特点,（一）多任务与并行处理技术,1,数控装置的多任务性,图4-11 数控装置的任务,数控装置,管 理,控 制,输,入,I/O,处,理,显,示,诊,断,通,讯,速,度,处,理,刀具补偿,译,码,插,补,位,置,控,制,这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如：,（1）,显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态；,（2）,在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必,须同时进行。,2,多任务并行处理的实现,（1）,资源分时共享,图4-12 分时共享多任务处理方案,优,先,级,顺,序,显示,其它,译码,I/O,刀补,位置控制,插补运算,背景程序,背景程序,初始化,图4-13 各任务占用,CPU,时间示意图,0,ms 4ms 8ms 12ms 16ms,位置控制,插补运算,背景程序,（2）,时间重叠流水处理,图,4-14,时间重叠流水处理示意图,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8,时间,t1 t2 t3 t4 t5 t6,时间,a）,顺序处理,b）,并行处理,空间,N3 N2 N1,空间,N2 N1,输出,输出,三、数控软件的基本结构,（一）前后台型结构模式,图4-15 前后台程序的运行关系,故障处理；,位置控制；,插补运算；,译码；,刀补；,速度处理；,输入/输出；,显示。,循环执行,后台程序,前台程序,中断执行,（二）中断型结构模式,中断型结构的数控软件系统见图4-16。,图4-16 中断型结构的数控软件系统,初 始 化,中 断 管 理 系 统（硬件+软件）,0级中断,服务,程序,1级中断,服务,程序,2级中断,服务,程序,N,级中断,服务,程序,第四节,数控装置的输入,/,输出接口,一、接口标准化,二、接口的任务,1,进行电平和功率放大。,2,将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。,3,数/模（,D/A）,或模/数（,A/D）,转换电路。,抗衰减和畸变。,主轴,驱动电机,数控装置,接,口,分,类,电机速度控制,进给,主轴驱动,机床,坐标轴,进给电机,操作面板,限位开关,机电器件,（电磁铁，离合器等）,辅助功能（齿轮箱，转台，换刀装置等）,辅助电机,机床控制设备,控制装置,电源控制,（变压器，保护,装置等）,速度,Vx,，,Vy,，,Vz,电源,位置测量,传感器激励位置指示,电源,连锁,停止命令,开/关指令,信号,三、,常用的输入输出接口,1.,直流模拟信号接口,a),单极性输出,b),双极性输出,图4-18,AD7520,电压输出电路,+5,V,+5V,22k 2.2k,100,0.1u,47u,100,a),斯密特触发电路,b)RS,触发器整形电路,图4-20 消除触点抖动的电路,斯密特触发器,CNC,接收器 +5,V,电平转换电路,以电压输入的接收电路见图4-21。,MT,电压,输入,接收器 +5,V,图4-21 电压输入的接收电路,+24,V +24V,输出,CNC,a),继电器输出,b),无触点输出,图4-22 输出接口电路,CNC,CNC,3、数控装置的通信接口,输入文件名,初始化8520,输入文件名,输入文件名,字符？,DC1？,DC3？,结束？,结束,第五节,PLC,控制,一、,PLC,的基本概念,1,RLC,与,PLC,CW,T1,Stop,T1,CCW,T2,T2,图4-24 实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路,现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（,Programmable Logic Controller-PLC）,来实现开关量及其逻辑关系的控制。,PLC,是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，,PLC,省去了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。,PLC,的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外,PLC,能够控制的开关量数量要比,RLC,多，能实现复杂的控制逻辑。由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。,2,数控装置中的,PLC,数控装置中的,PLC,有两种类型：内装型,PLC,和独立型,PLC。,内装型,PLC,是指,PLC,包含在数控装置当中，,PLC,与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，,PLC,与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如图4-25所示。,图4-25 内装型,PLC,结构图,NC,PLC,I/O,电路,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CRT,面板,伺服驱动单元,主轴驱动单元,辅 助,动 作,独立型,PLC,又称通用型,PLC，,的,CPU、,系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型,PLC,与数控装置的关系如图4-26,图4-26 独立型,PLC,结构图,NC,PLC,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CRT,面板,伺服驱动单元,主轴驱动单元,辅 助,动 作,DI/DO,电路,DI/DO,电路,DI/DO,电路,二、,PLC,编程的基本方法,由于,PLC,的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。,1,接点梯形图,梯形图（,LCLadder Diagram）,编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图4-27所示。,R1,支路1 1.0,A E,梯级1,支路2 120.1 1.2 120.1,支路3 1.1,B E R2,梯级2,1.2 120.2,支路4 120.2,电力轨 电力轨,图4-27 电机正反转控制的接点梯形图,2,语句表,语句表也称指令表（,ILInstruction List），,或指令表语言。指令表语言和汇编语言很相似，每条语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。操作码表示功能类型，操作数表示操作的对象，操作数由地址码和参数组成。若采用指令语句，图4-27所示的梯形图程序可表达为：,RD A 1.0,OR R1 120.1,AND，NOT E 1.2,WRT R1 120.1,RD B 1.1,OR R2 120.2,AND，NOT E 1.2,WRT R2 120.2,其中的,RD、OR、AND、NOT,等称为指令语句的操作码，而1.0、120.1、1.2等为操作数。这种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用梯形图表达，然后写成相应的指令语句再用编程器上的指令和功能键输入到,PLC,中。表4-1是常用的操作码及其涵义。,三、,PLC,的工作过程,1,PLC,的硬件结构,图4-28,PLC,硬件原理图,CPU,RAM,EPROM,用户程序,EPROM,用户程序,编程器,电 源,输入输出模块,功能开关和指示器,电 池,2,PLC,的工作过程,PLC,的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程。,0000,H,图4-29,PLC,的扫描过程,输入/输出状态采集,解算梯形图,扫描,I/O,口，更新输出状态,扫描编程器,更新显示,强行,I/O,操作,用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器内，,CPU,对用户程序循环扫描并顺序执行。这是,PLC,的基本工作方式。图4-29给出了,GE,系列,PLC,的,CPU,扫描过程。只要,PLC,接通电源，,CPU,就对用户存储器的程序进行扫描。扫描从0000,H,地址所存储的第一条用户程序开始，顺序进行，直到存储器结尾或用户程序的最后一个地址为止，形成一个扫描循环，周而复始。每扫描一次，,CPU,进行输入点的状态采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和,I/O,执行。接入编程器时，也对编程器的输入响应，并更新显示。然后,CPU,对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定时器进行复位。完成自检后，,CPU,又从存储器的0000,H,地址重新开始扫描运行。图4-30用一个控制实例进一步说明行程开关,PB1,被压下时,PLC,的控制过程。,（1）,当按钮开关,PB1,压下，输入继电器,X401,的线圈接通；,（2）,X401,常开触点闭合，由此输出继电器,Y430,通电；,（3）,外部输出点,Y430,闭合，指示灯,PL,亮；,（4）,当,PB1,被放开时，输入继电器,X401,的线圈不再工作，其对应的触点,X401,断,开，这时输出继电器,Y430,仍保持接通，这是因为,Y430,的触点接通后，其中的一个触点起到了自锁作用；,（5）,当行程开关,LS1,被压下时，继电器,X403,的线圈接通，,X403,的常闭触点断开，,使得继电器,Y430,的线圈断电，指示灯灭，输出继电器,Y430,的自锁功能复位。,（6）,PB1,被按下的同时，,X401,的另一个常开触点接通另一个梯级，这时若触点,M100,也处于闭合状态，定时器通电，到达定时器设定的时间后，定时器断开。,梯形图,输出继电器,X401 X403,Y430,定时器,X401 M100,X405 X407,辅助继电器,输入继电器,K10,外部,输出触点,电源,指示灯,继电器,负荷,430,430,431,431,432,432,433,D,Y430,T450,M100,按钮,PB1,行程开关,LS1,PB2,COM,400,401,402,403,404,405,407,407,X401,X4033,X405,返回课件首页,返回本章首页,