【文章內容簡介】 息 ( 零件加工程序，各種 I/O信息等 ) 進行相應的算術和邏輯運算。并根據其處理結果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數據，使用戶的指令得以執(zhí)行。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? ⑵ 系統(tǒng)總線 (母板 ) ： ? 是由一組傳送數字信息的物理導線組成，它是計算機系統(tǒng)內部進行數據或信息交換的通道。從功能上來說可分三組： ? 數據總線：是各模塊之間數據交換的通道，線的根數與數據寬度相等，是雙向總線； ? 地址總線：是傳送數據存放地址的總線，與數據總線結合，可以確定數據總線上的數據的來源地或目的地，是單向總線； ? 控制總線： 是一組傳送管理和控制信號的總線，是單向總線。 ? 一般工業(yè)用 PC機的總線母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有 6槽、 8槽、 12槽、 14槽等。 P61圖 214為無源母板的外觀。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 2. 顯示模塊 (顯示卡 ) ? 顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。市場有 VGA卡等 ? 在數控系統(tǒng)中， CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。 ? 顯示卡的主要作用： 接收來自 CPU的控制命令和顯示用的數據，經與 CRT的掃描信號調制后，產生 CRT顯示器所需要的視頻信號，在 CRT上產生所需要的畫面。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 3. 輸入 /輸出模塊 ( 多功能卡 ) ? 它是數控系統(tǒng)與外界進行數據和信息交換的接口板，即數控系統(tǒng)通過該接口可以從輸入設備獲取數據，也可以將數控裝置中的數據送給輸出設備。 ? 該模塊也是標準的 PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是標準主板，則此板可省略。 ? 輸入設備有：軟盤驅動器； ? 輸出設備有：打印機； ? 輸入 /輸出設備有：磁盤驅動器、磁帶機。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 若將以上三部分（計算機主板和系統(tǒng)總線、顯示模塊、輸入 /輸出模塊），再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統(tǒng)，它是數控裝置的核心，從某種意義上講，數控裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，數控裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關重要的。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 4. 電子盤 (存儲模塊 ) ? ① 電子盤存儲內容。 電子盤是數控裝置特有的存儲模塊。在數控裝置中它用來存放下列數據和參數：系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數據；系統(tǒng)的配置參數 (系統(tǒng)所能控制的進給軸數，軸的定義，系統(tǒng)增益等 ) ；用戶的零件加工程序。 ? ②存儲器的種類。 目前，計算機領域所用存儲器件有三類： ? 磁存儲器件，如：軟 /硬磁盤（讀 /寫）； ? 光存儲器件，如：光盤（只讀）； ? 電子（半導體）存儲器件，如 RAM 、 ROM 、FLASH 等。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。 電子存儲器件一般用作內存儲器，其價格高于前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類： ? 只讀存儲元件 （ ROM、 PROM、 EPROM、E2PROM）。 特點是只能讀出存放的數據，不能隨時修改數據。用于固化調試通過了的系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)固有的參數。 ? 易失性隨機讀寫存儲元件 （ RAM）。 特點是可以隨時對數據進行讀寫操作，一旦掉電存儲信息將會丟失。有動態(tài)和靜態(tài)之分，動態(tài)：價格低、速度慢，主要用作計算機系統(tǒng)的內存；靜態(tài)：價格高，速度快，用作計算機系統(tǒng)的緩存器 Cache。 ? 非易失性讀寫存儲元件 。特點是可以隨時對其進行讀寫操作，即使掉電，信息不會丟失。主要用作存放系統(tǒng)的配置參數，零件加工程序。 這類器件有：E2PROM ； FLASH ；帶后備電池的 RAM 。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 在數控系統(tǒng)中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到數控系統(tǒng)的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。 ? 因 Flash組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。常用 USB接入，外存儲器又稱為 U盤。電子盤的規(guī)格有： 、 6MB、 12MB， 128MB， 256MB等。目前 U盤容量可達幾個 GB。 P63 圖 218所示為電子盤的邏輯框圖。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 5. 設備輔助控制接口模塊PLC(Programmable Logic Controller)模塊 ? 數控系統(tǒng)的控制有兩類：一類是對各坐標軸的速度和位置的 “ 軌跡控制 ” ；一類是對設備動作的 “ 順序控制 ” 。 ? 數控機床的 “ 順序控制 ” 是指數控機床運行中，以數控系統(tǒng)內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等開關量信號狀態(tài)為條件，并按預先規(guī)定的邏輯順序對諸如主軸的啟停、換向，刀具的加緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行控制。 ? PLC模塊：數控系統(tǒng)實現順序控制的模塊。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 從 P63圖 219可以看出 PLC 模塊的作用： ? 接收來自操作面板、機床上的各行程開關、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經處理后輸出去控制相應器件的運行。 ? 數控系統(tǒng)與被控設備交換的信息有三類： 開關量信號、模擬量信號、脈沖量信號。 上述信號由于其類型、電平、功率以及抗干擾的原因，一般不能直接與數控系統(tǒng)相連，需要一個接口（設備輔助控制接口）對這些信號進行變換處理。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 信號變換處理的目的是： ? 進行信號轉換，以滿足數控系統(tǒng)的輸入輸出要求。 ? 阻斷外部的干擾信號進入計算機，在電氣上將數控系統(tǒng)與外部信號進行隔離，以提高數控系統(tǒng)運行的可靠性。 ? 因此，設備輔助控制接口模塊必須能完成兩個任務： ? 電平轉換和功率放大； ? 電氣隔離； 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 目前，設備輔助控制接口的實現方式有： ? ①簡單 I /O接口板。如 P63圖 219所示。在改接口電路中，光電隔離器件起電氣隔離和電平轉換作用；調理電路對輸入信號進行整形濾波等處理。 ? ② PLC控制。這是目前數控系統(tǒng)采用最為廣泛的一種方式。它的基本結構如 P64圖 220所示。數控機床用的 PLC 一般分為兩類： ? 內裝型（ Builtin Type ） PLC（或集成式、內含式） ? 獨立型（ Standalone Type ） PLC（或通用型） 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 6. 位置控制模塊 ? 位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現軌跡控制時， CNC 裝置與伺服驅動系統(tǒng)連接的接口模塊。如 P65圖 223所示。 ? 常用的位置控制模塊有： ? 開環(huán)位置控制模塊： CNC 裝置與步進電機驅動電源的接口； ? 閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊： CNC 裝置與直流、交流伺服驅動裝置的接口。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 7. 功能接口模塊 ? 該模塊實現用戶特定功能要求的接口板，要求用戶向生產廠家定制，無需自己開發(fā)。如： 仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 多主結構數控系統(tǒng)的硬件簡介 ? 多主 CPU 結構中，有兩個或兩個以上的 CPU 部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線 仲裁器 ( 由硬件和軟件組成 ) 來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。 ? 多主結構的特點： ? 能實現真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現較復雜的系統(tǒng)功能。 ? 容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? 多主結構的結構形式： ? 共享總線結構型 ? 共享存儲器結構型。 ? ? 以系統(tǒng)總線為中心，把數控系統(tǒng)內各功能模塊分為帶有CPU 的主模塊和從模塊 (RAM/ROM ， I/O 模塊 ) ，所有的主、從模塊都插在嚴格定義的標準系統(tǒng)總線上。采用總線仲裁機構 ( 電路 ) 來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。 如 圖 226所示。 ? 共享總線結構的優(yōu)點： 結構簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高； ? 共享總線結構的缺點： 總線是系統(tǒng)的 “ 瓶頸 ” ，一旦系統(tǒng)總線出現故障，將使整個系統(tǒng)受到影響；由于使用總線要經仲裁，使信息傳輸率降低。 數控系統(tǒng)的硬件結構 ? ? 面向共公存儲器來設計的，即采用多端口來實現各主模塊之間的互連和通訊，采用多端口控制邏輯來解決多個模塊同時訪問多端口存儲器沖突的矛盾。 ? 由于多端口存儲器設計較復雜，而且對兩個以上的主模塊，會因爭用存儲器可能造成存儲器傳輸信息的阻塞，所以這種結構一般采用雙端口存儲器（雙端口 RAM）。 ? 如 圖 227所示。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 數控系統(tǒng)軟硬件的功能界面 ? 數控系統(tǒng)軟件是一個典型而又復雜的實時系統(tǒng)，它的許多控制任務，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑的補償、插補運算、位置控制以及精度補償等都是由軟件實現的。 ? 從邏輯上講，這些任務可以看作一個個功能模塊，其間存在著耦合關系；從時間上講，各功能模塊之間存在一個時序和配合問題。 上一頁 下一頁 返回 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 軟件結構取決于 CNC系統(tǒng)中的軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質。在信息處理方面，軟件和硬件在邏輯上是等價的，有些由硬件能完成的工作原則上也能由軟件完成。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 但是，硬件和軟件在實現這些功能時各有不同的特點： ? ，但靈活性差，實現復雜控制的功能困難。 ? ，適應性強，但處理速度相對較慢。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 所以，到底哪些功能由軟件來實現，哪些功能由硬件來實現，即如何合理確定 CNC裝置軟件硬件的功能分擔是數控系統(tǒng)結構設計的重要任務，這就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。 ? 功能界面劃分的準則：系統(tǒng)的性能價格比。 ? 隨著功能要求的不同，不同產品的軟硬件界面是不一樣的，如 圖 228所示就是數控系統(tǒng)功能界面劃分的幾種方法。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 數控系統(tǒng)的數據轉換流程 ? 數控系統(tǒng)軟件的主要任務之一就是： ?如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉速指令和輔助動作指令，控制加工設備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。 ? 如 圖 229所示為 數控系統(tǒng)的數據轉換流程 。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 1. 譯碼 ( 解釋 ) ? 譯碼程序的主要功能 是將用文本格式（通常用 ASCII 碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成后續(xù)程序所要求的數據結構（格式）。 ? 該數據結構用來描述一個程序段解釋后的數據信息。它主要包括： X、 Y、 Z等坐標值；進給速度；主軸轉速； G代碼； M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調用處理等數據或標志的存放順序和格式。 ? 譯碼后的數據存放在譯碼緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? (計算刀具中心軌跡 ) ? 用戶零件加工程序通常是按 零件輪廓 編制的，而數控機床在加工過程中控制的是 刀具中心軌跡 ，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉換的程序。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 刀補處理主要進行以下幾項工作： ? ⑴ 根據絕對坐標 /增量坐標（ G90/G91）計算零件輪廓的終點坐標值。 ? ⑵根據刀具半徑 R和刀具半徑補償的方向（ G41/G42），計算刀具中心軌跡的終點坐標值； ? ⑶根據本段和前段連接關系，進行段間連接處理。 ? 轉換后的數據存放在刀補緩沖區(qū)，以供后續(xù)程序使用。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ? 3. 速度預處理 （ 插補預處理） ? 速度預處理 主要功能是： 根據加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內的合成移動量，供插補程序使用。 數控系統(tǒng)的軟件結構 ?速度處理程序主要完成以下幾步計算 ： ? ⑴計算本段總位移量： ?直線 ：合成位移量 L； ?圓弧 ：總角位移量 α。 ?該數據供插補程序判斷減速起點和終點之用。 ? ⑵計算每個插補周期內的合成進給量： ? ΔL= FΔt/60 （ μm） 式中： F進給速度值（ mm/min）； △ t數控系統(tǒng)的插補周期（ ms） ? 經速度預處理程序轉換后的數據存放在插補緩沖區(qū)，以供插補程序使用。 ? 以上兩步有時統(tǒng)稱為 插補預處理。 L α 數控系統(tǒng)的軟件結構 ?4. 插補處理 ? 插補的概念