现代数控系统的软硬件及技术概述.pptx

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数控系统软硬件及相关技术,3.1,数控系统硬件结构概述,3.2,数控系统软件结构,3.3,数控系统惯用接口,3.4,数控系统通信技术,现代数控系统的软硬件及技术概述,第2页,3.1.1,数控系统硬件组成,计算机部分,电源部分,面板接口和显示接口,开关量,I/O,接口,内装型,PLC,部分,伺服输出接口和位置反馈接口,主轴控制接口,外设接口,3.1,数控系统硬件结构概述,现代数控系统的软硬件及技术概述,第3页,3.1.2,数控系统硬件结构,大板式结构,结构特点：主板、子板,结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低,硬件功效不易改变,模块化结构,结构特点：功效模块（包含硬件与软件）,各功效模块之间含有明确定义接口,用户可依据需要选择各功效模块,常见功效模块有：,CNC,控制板、位置控制,板、,PLC,板、图形板、通讯板,1,、专用计算机组成数控体系结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第4页,单微处理器结构,结构特点：单,CPU,经过总线与存放器和各种接口连接,采取集中控制、分时处理多任务处理方式,结构简单、轻易实现,其功效受单,CPU,字长、数据宽度、寻址功效和运算速度限制,现代数控系统的软硬件及技术概述,第5页,多微处理器结构,结构特点：模块化结构，以多个,CPU,配以对应接口,数控总任务被告划分成多个子任务,各子系统分别负担不一样子任务,各子系统之间协调动作,多微处理器结构三种结构形式：,主从式系统,总线式系统,分布式系统,现代数控系统的软硬件及技术概述,第6页,主从式多微处理系统结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第7页,总线式多微处理系统结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第8页,分布式多微处理系统结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第9页,多微处理器,CNC,与单微处理器,CNC,区分：,通信方式,多微处理器,CNC,通信方式：,共享总线结构,共享存放器结构,共享总线结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第10页,共享存放器结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第11页,2,、开放式数控体系结构,结构特点：,分布式控制，系统、子系统和模块分级式控制结构,可依据需要实现重构、编辑，以实现各种功效用途,含有良好通信和接口协议，以实现各独立功效模块之间信息交换,现代数控系统的软硬件及技术概述,第12页,3,、通用,PC,组成数控体系结构,基本,CNC,系统,串行线,PC,连接型,CNC,，是将现有,CNC,与,PC,用串行线直接相连而组成,现代数控系统的软硬件及技术概述,第13页,PC,内藏型,CNC,，在,CNC,内部加装,PC,，,PC,与,CNC,之间用专用总线连接。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第14页,CNC,内藏型，在通用,PC,机扩展槽中加入专用,CNC,卡，专用,CNC,卡包含加工轨迹生成等几乎全部,CNC,处理功效。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第15页,输入,插补,准备,插补,位置,控制,速度,控制,执行,电机,位置,检测,软件,软件,软件,硬件,硬件,硬件,3,硬件,2,硬件,1,硬件,零件,程序,机床,3.2,数控系统软件结构,3.2.1 CNC,系统软硬件界面,现代数控系统的软硬件及技术概述,第16页,3.2.2 CNC,控制软件特点,1、,多任务,CNC,多任务表现在他软件必须完成管理和控制两大任务。,CNC,系统任务,管理,控制,输入,I/O,处理,显示,诊疗,译码,刀补,速度处理,插补,位置控制,CNC,任务分解,现代数控系统的软硬件及技术概述,第17页,2、,并行处理,所谓,并行处理,，是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上相同或不一样工作。,并行处理方法有,资源重复,、,时间重合,和,资源分时共享,等处理方法。,资源重复,用多套相同或不一样设备同时完成各种相同或不一样任务。如在,CNC,硬件设计中采取多,CPU,系统体系结构来提升处理速度。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第18页,资源分时共享并行处理,使多个用户按时间次序使用同一套设备。比如在单,CPU,CNC,中，主要采取,CPU,分时共享标准来处理多任务同时运行。此时需处理各任务何时占用,CPU,及占用多少时间。这个问题在,CNC,中通常采取循环轮番和中止优先相结合方法来处理。,输入,插补,准备,诊疗,I/O,处理,显示,初始化,插补,位控,键盘,中止优先级,现代数控系统的软硬件及技术概述,第19页,资源重合流水并行处理,也称时间重合流水处理，依据流水处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮番使用同一套设备几个部分。,比如一个零件程序段数据转换过程可由以下子过程组成：,零件程序输入子过程 处理时间为,D,t,1,插补准备子过程 处理时间为,D,t,2,插补子过程 处理时间为,D,t,3,位置控制子过程 处理时间为,D,t,4,现代数控系统的软硬件及技术概述,第20页,1,2,3,4,1,2,3,4,输出,输出,时间,空间,D,t,1,D,t,4,次序处理,1,2,3,4,1,2,3,4,输出,输出,时间,空间,D,t,1,D,t,4,1,2,3,4,输出,1,2,3,4,输出,流水处理,现代数控系统的软硬件及技术概述,第21页,3、,实时中止处理,CNC,系统中止管理主要靠硬件完成，而系统中止结构决定了系统软件结构。,CNC,系统中止类型有：,：,外部中止：,光电阅读机读孔中止；外部监控中止（优先）；键盘及操作面板输入中止。,内部定时中止：,插补周期定时中止；位置采样周期定时中止（优先）。,硬件故障中止：,各硬件故障检测装置发出中止。,程序性中止：,程序中出现各种异常情况报警中止。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第22页,3.2.3 CNC,系统软件总体结构,1、,前后台型软件结构,前台程序,实时中止程序，负担了几乎全部实时功效，这些功效与机床动作直接相关，如位置控制、插补计算、辅助功效处理、机床监控等。,后台程序,也称为背景程序，主要用来完成准备工作和管理工作，包含输入、译码、插补准备及管理等。这是一个循环运行程序，在运行过程中不停入实时中止服务程序。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第23页,2、,中止型软件结构,中止型软件结构除了初始化程序之外，整个系统软件各种任务模块分别安排在不一样级别中止服务程序中，整个软件就是一个大多重中止系统。其管理功效主要经过各级中止程序之间相互通信安排来实现。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第24页,3.2.4 CNC,控制软件工作过程,输入,输入,CNC,控制器通常有,零件程序,、,机床参数,和,赔偿数据,。,译码,译码处理是将零件程序一个程序段作为单位进行处理。译码处理将零件轮廓信息、进给速度,F,和其它辅助信息（,M,、,S,、,T,）解释后，存放在指定内存专用区域。在译码过程中还要完成对程序段语法检验，发觉错误马上报警。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第25页,预计算,为了减轻插补工作负担，提升实时处理能力，通常在插补运算前先进行数据预处理。,插补计算,要进行轨迹加工，,CNC,必须从一条已知起点和终点曲线上自动进行“数据点密化”工作，此即所谓插补。,软件插补：粗插补,硬件插补：精插补,现代数控系统的软硬件及技术概述,第26页,输出,进行伺服控制,当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙赔偿处理,进行丝杠螺距赔偿,M、S、T,等辅助功效输出,管理与诊疗软件,现代数控系统的软硬件及技术概述,第27页,3.3,数控系统惯用接口,3.3.1,数控系统开关量,I/O,接口,I/O,接口是CNC,装置与机床、操作面板之间信号交换转换接口,接口电路作用与要求是：,进行必要电隔离，预防干扰信号串入和强电对系统破坏,进行电平转换和功率放大,现代数控系统的软硬件及技术概述,第28页,开关量信号输入接口电路,限位开关,手持点动,刀具到位,机械原点,传感器输入,现代数控系统的软硬件及技术概述,第29页,开关量信号输出接口电路,现代数控系统的软硬件及技术概述,第30页,3.3.2,数控系统模拟量输入,/,输出接口,数控机床中被测量（如位移、速度、温度、力矩等）往往是连续改变模拟信号，而执行机构（如电动机）则需要以模拟量来驱动。,而计算机中处理则是数字量，这就需要进行模拟量与数字量输入,/,输出转换。,A/D,转换接口电路：,被测模拟量经过信号调理后，输入模拟量输入接口，由,A/D,转换器转换成数字量后，被数控装置计算机控制电路接收。,D/A,转换接口电路：,数控系统送往执行机构控制信号经过模拟量输出接口,D/A,转换和信号调理后被执行机构所接收。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第31页,3.3.3,数控系统,DNC,通信接口,DNC,含义有两种提法，,80,年代颁布,ISO2806,对于,DNC,定义为,“,Direct Numerical Control,（直接数控）,”,，其概念为：,“,此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存贮器发生联络，一旦提出请求，它马上把数据分配给相关机床,”,。,在,90,年代颁布,ISO2806,定义,DNC,为,“,Distributed Numerical Control,（分布式数控）,”,，其意义为,“,在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据分组系统,”,。,DNC,概念从,“,直接数控,”,到,“,分布式数控,”,，其本质也发生了改变，,“,分布式数控,”,表明可用一台计算机控制多台数控机床。这么，机械加工从单机自动化模式可扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第32页,1、DNC,通信接口功效分类,性能,基本,DNC,狭义,DNC,广义,DNC,功效,下传,NC,程序,下传,NC,程序,上传,NC,程序,下传,NC,程序,上传,NC,程序,系统状态采集,远程控制,复杂程度,简单,中等,复杂,价格,低,普通,高,现代数控系统的软硬件及技术概述,第33页,2、,经典数控系统,DNC,通信接口,经济型数控系统,只能实现基本,DNC,功效,需外接,DNC,接口板,现代数控系统的软硬件及技术概述,第34页,无,RS-232C,串行通信接口数控系统,需外接,DNC,接口板,可实现基本,DNC、,狭义,DNC,和广义,DNC,功效,现代数控系统的软硬件及技术概述,第35页,有,RS-232C,串行通信接口数控系统,利用,RS-232C,接口可实现狭义,DNC,功效,外接,DNC接口板可实现广义,DNC,功效,现代数控系统的软硬件及技术概述,第36页,有,DNC,通信接口数控系统,数控系统自带,DNC,通信接口和接口软件,可实现广义,DNC,功效,现代数控系统的软硬件及技术概述,第37页,3.4,数控系统通信技术,CNC,系统要与各种系统和设备进行信息交换，才能完成加工任务。这需要包括到通信方式（并行和串行）、通信时同时、计算机网络通信标准和协议、通信设备、传输媒体通信接口、总线等技术,现代数控系统的软硬件及技术概述,第38页,3.4.1,数据通信技术概述,1、,数据通信系统,现代数控系统的软硬件及技术概述,第39页,2、,通信线路通信方式,单工通信,数据信息只能按照一个固定方向由发送端向接收端传送,比如：显示终端只能接收计算机发送过来数据,现代数控系统的软硬件及技术概述,第40页,半双工通信,能够交替改变数据传送方向,通信双方都有发送端和接收端，但不能同时发送和接收,在某一时刻只允许一个方向数据流动,现代数控系统的软硬件及技术概述,第41页,全双工通信,在任意时刻都能够进行双向传送数据,收发装置都含有独立收发能力,现代数控系统的软硬件及技术概述,第42页,3、,数据传输方式,在数据传输过程中，为了确保数据能够被正确地接收，接收方就必须知道它所接收信息每一位开始时间和连续时间。,也就是说，接收方应按照发送方信息发送频率及起始时间来接收信息。,要做到通信双方步调一致，就要处理数据传输过程中同时问题。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第43页,异步传输,又称起止方式,在发送每一个字符代码前加一位为,“,0,”,起始位,字符代码后面加一位（一位半或两位）停顿位,“,1,”,经过,“,0,”,和,“,1,”,跳变来判断一个新字符开始,控制简单，传输效率低、速度较慢,现代数控系统的软硬件及技术概述,第44页,同时传输,被传输信息格式采取帧格式方式,帧：在一组字符或一个二进制位组成数据块（小于字节）前后加上同时字符,SYN（,代码,01101000）,或同时位模式（代码,01111110）,SYN,起联络作用，通知接收方开始接收数据,传输时收发双方要保持完全同时，必须使用同一个时钟,传输效率高，速度快，控制较复杂,现代数控系统的软硬件及技术概述,第45页,4、,传输媒介,双绞线,同轴电缆,光缆,无线传输介质,现代数控系统的软硬件及技术概述,第46页,3.4.2,网络标准与协议,计算机网络就是利用通信设备和线路将分布在不一样地理位置、功效独立多个计算机系统连接进来，经过完善网络软件（网络通信协议及网络操作系统）实现网络中资源共享和信息传递系统,当用户应用程序、文件传输信息包、数据库管理系统和电子邮件等相互通信时，必须约定一个规则，即协议。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第47页,1、,开放系统互联参考模型,OSI/RM,1981,年，,ISO公布了,OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection,）,OSI/RM,只给出了一些标准性说明，并不是一个详细网络,OSI/RM,采取结构化描述方法，将整个网络通信功效划分成,7,个层次，目标是将一个复杂通信问题分成若干个独立且比较轻易处理子问题,现代数控系统的软硬件及技术概述,第48页,第一层：物理层（,Physical Layer,）,要求通信设备机械、电气、功效和过程特征，用以建立、维护和拆除物理链路连接,第二层：数据链路层（,Data Link Layer,）,在物理层提供比特流服务基础上，建立相邻结点之间数据链路，经过差错控制提供数据帧在信道上无差错传输，并进行数据流量控制,第三层：网络层（,Network Layer,）,为传输层数据传送提供建立、维护和终止网络连接伎俩,现代数控系统的软硬件及技术概述,第49页,第四层：传输层（,Transport Layer,）,为会话层提供端到端透明、可靠数据传输服务,第五层：会话层（,Session Layer,）,为表示层提供建立、维护和结束会话连接功效，并提供会话管理服务,第六层：表示层（,Presentation Layer,）,为应用层提供信息表示方式服务、如数据格式交换、文本压缩、加密技术等,第七层：应用层（,Application Layer,）,为网络用户应用程序提供各种网络服务，如文件传输、电子邮件、分布式数据库和网络管理等,现代数控系统的软硬件及技术概述,第50页,2、TCP/IP,协议,20,世纪,80,年代，,TCP/IP,作为异种机互联工业标准得到应用,TCP/IP,是实际上国际标准和工业标准，为,Internet,和,Intranet,协议标准,TCP/IP,是一组协议代名词，包含许多别协议,IP（Internet Protocol,）网际协议：,负责主机间数据路由和网络上数据存放，同时为,ICMP、TCP,和,UDP,提供分组发送服务,ARP（Address Resolution Protocol,）地址分析协议：,将网络地址映射到硬件地址,RARP（Reverse Address Resolution Protocol）,反射地址分析协议：,将硬件地址映射到网络地址,现代数控系统的软硬件及技术概述,第51页,TCP/IP,是一组协议代名词，包含许多别协议,ICMP（Internet Control Message Protocol,）网间报文控制协议,TCP（Transmission Control Protocol,）传送控制协议：,一个提供给用户可靠全双工数据流服务协议,UDP（User Datagram Protocol）,用户数据报协议,FTP（File Trasfer Protocol）,文件传输协议：,允许用户以文件操作方式（文件增删、修改、查询、传送）与另一个主机相互通信,SMTP（Simple Mail Trasfer Protocol）,简单邮件传送协议,TELNET（Telnet Terminal Protocol）,标准终端仿真协议,TFTP（Trivial File Trasfer Protocol）,简单文件传输协议,现代数控系统的软硬件及技术概述,第52页,3、IEEE802,标准,IEEE802,标准是美国电气和电子工程师协会（,IEEE）,局域网络标准委员会（,IEEE802,委员会）提出局域网络标准,主要针对,OSI/RM,数据链路层制订了若干局域网络协议，将该层划分为两个子层,逻辑链路控制,LLC,（,Logical Link Control,）子层：,提供寻址、帧收发、帧次序控制和流量控制等功效,媒体访问控制,MAC,（,Medium Access Control,）子层：,定义了几个媒体访问控制方法,现代数控系统的软硬件及技术概述,第53页,IEEE802.3,定义了总线型局域网（,LAN）,媒体访问控制方法,CSMA/CD,CSMA/CD,经典应用：以太网,CSMA/CD,关键思想：在每个站点发送信息之前，首先侦听总线，若总线空闲，则发送信息，不然等候；在信息发送期间，同时检测是否有冲突，若有则停顿发送，并向总线发送出一串阻塞信号，加剧冲突，各站点在侦听到冲突时作稍等处理，再重新发送信息。,CSMA/CD,采取总线争,用方式，含有结构简单，,轻负载下延迟小等优点，,但负载增加则冲突加剧，性能下降,现代数控系统的软硬件及技术概述,第54页,IEEE802.5,定义了令牌环（,Token Ring,）媒体访问控制方法,令牌环传输媒体是环，环上节点只有取得令牌后才能发送信息帧,当一个节点占有令牌（令牌状态,为,“,忙,”,）,发送信息时，其它节点只能处于接收状态,令牌环工作原理：令牌,依次沿环上每个节点传送,令牌环访问控制含有在重,负载时利用率高，传送距离,不会影响其性能以及公平访,问优点，但环形网结构复杂，并存在检验和可靠性问题。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第55页,IEEE802.4,定义了令牌总线媒体访问控制方法,综合了,CSMA/CD,和令牌环优点，是在总线结构局域网上采取令牌控制方式来实现信息传递。,实现方法：将挂在总线上站点组成一个逻辑上环路，并给每一个站点赋予一个次序逻辑地址，按令牌环控制方法进行运行。,现代数控系统的软硬件及技术概述,第56页,3.4.3,现场总线接口,国际电工委员会（,IEC）,提出了一个连接工业底层设备局域网,现场总线网,现场总线网络体系结构通常采取,3,层模型，分别对应于,ISO/OSI,中物理层、数据链路层和应用层,现场总线网物理层接口标准：,RS-232C、RS-485、RS-449,点到点通信链路：采取,20mA,电流环传输数字信号,多点通信链路：使用屏蔽双绞线、同轴电缆或者光纤传输数字信号,数据链路层采取高级数据链路控制规程,HDLC,和同时数据链路控制规程,SDLC,帧格式,应用层使用,MAP,网络应用层支持制造报文规范,MMS,现代数控系统的软硬件及技术概述,第57页,1、SERCOS,数字驱动接口,SERCOS,是一个用于数字伺服和传动系统现场总线接口和数据交换协议,SSERCOS,可实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器,I/O,口之间实时数据通信,SERCOS,是由德国机床厂协会（,VDW）,和关键电子技术与电子工业协会（,ZVEI）,共同制订现场总线标准,特点：,全数字化网络,开放式架构,含有良好扩充性,含有即插即用特征,含有跨厂商相容特征,现代数控系统的软硬件及技术概述,第58页,SERCOS,技术国内外现实状况,1995,年，,SERCOS,接口成为国际标准,1997,年，我国从德国引进,SERCOS,技术,SERCOS,接口拓扑结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第59页,SERCOS,系统拓扑结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第60页,SERCOS,系统主站与从站结构,现代数控系统的软硬件及技术概述,第61页,2、,系统现场总线,PROFIBUS,ROFIBUS,是,1987,年德国联邦科技部按,ISO/OSI,参考模型制订现场总线德国国家标准,ROFIBUS,三个组成部分：,PROFIBUS-FMS：,主要用来处理车间级通常性通信任务，可用于大范围和复杂通信,PROFIBUS-DP：,一个经过优化高速和廉价通信总线，专门为自动控制系统和分散,I/O,设备级之间进行通信而设计,PROFIBUS-PA：,专门为过程自动化而设计，采取标准本质安全传输技术,现代数控系统的软硬件及技术概述,第62页,PROFIBUS,结构与原理,各主动设备组成令牌网，发送权以令牌形式在主动设备之间循环,采取数据报文进行各种信息交换,现代数控系统的软硬件及技术概述,第63页,PROFIBUS,三种传输技术,RS-485（,用于,DP,和,FMS）,PROFIBUS,最惯用一个传输技术，通常称为,H2,采取屏蔽双绞铜线,线性总线结构，允许站点增加或降低,后增加站点对已投入运行站点没有任务影响,传输速率为,9.6 Kb/s 12 Mb/s,站点数为每分段,32,个，带中继器可多达,127,个,IEC-1158-2（,用于,PA）,一个同时协议，可进行无电流连续传输，通常称为,H1,电压式，传输速率为,31.25 Kb/s,站点数为每段最多,32,个，总数最多为,126,个,采取双绞电缆，传输距离可达,1900m,光纤,现代数控系统的软硬件及技术概述,第64页,