【文章內(nèi)容簡介】 PLC模塊 (CPU) 位置控制模塊 (CPU) 主軸控 制模塊 CRT/MDI I/O單元 伺服驅(qū)動單元 主軸單元 FANUC 15系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 四 . 多主結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件簡介 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) * 59 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ? 結(jié)構(gòu)特征： ? 功能模塊分為帶有 CPU或 DMA的主模塊和從模塊(RAM/ROM， I/O模塊 )， ? 以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上， ? 采用總線仲裁機構(gòu) (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 。 四 . 多主結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件簡介 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) * 60 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ? 共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單 、 系統(tǒng)組配靈活 、 成本相對較低 、 可靠性高 ? 共享總線結(jié)構(gòu)的缺點 ? 總線是系統(tǒng)的 “ 瓶頸 ” ， 一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障 ， 將使整個系統(tǒng)受到影響； ? 由于使用總線要經(jīng)仲裁 ， 使信息傳輸率降低 。 四 . 多主結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件簡介 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) * 61 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 4. 共享存儲器結(jié)構(gòu) 顯示 CPU 鍵盤 中央 CPU 插補 CPU 串口和收發(fā)器 CTRC 并 行 接 口 反饋脈沖和處理 EPROM EPROM RAM/EPROM 512 RAM RAM 512 字符 發(fā)生器 CRT 模擬量輸出 機床接口 反饋信號收發(fā)器 … … XYZCW 共享存儲器結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 四 . 多主結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件簡介 * 62 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ? 結(jié)構(gòu)特征： ? 面向共公存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實現(xiàn)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(shè)計較復(fù)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(jié)構(gòu)一般采用雙端口存儲器（雙端口 RAM）。 四 . 多主結(jié)構(gòu)的 CNC系統(tǒng)硬件簡介 第二節(jié) CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) * 63 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而又復(fù)雜的實時系統(tǒng) 。 本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系 ，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來分析 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程 ， 并從多任務(wù)性和實時性的角度來分析 CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點 ， 最后介紹一個典型 CNC裝置系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu) 。 第三章 計算機數(shù)控裝置 * 64 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 1. 軟件與硬件在實現(xiàn)各種功能的特點和關(guān)系 ? 關(guān)系： 從理論上講 ， 硬件能完成的功能也可以用軟件來完成 。 從實現(xiàn)功能的角度看 ， 軟件與硬件在邏輯上是等價的 。 ? 特點 ： ? 硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。 ? 軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度相對較慢。 一、 CNC裝置軟件和硬件的功能界面 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 65 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 3. 軟件 、 硬件實現(xiàn)功能的分配就是 —— 軟件硬件功能界面劃分 。 4. 功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比 一、 CNC裝置軟件和硬件的功能界面 * 66 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 5. 數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分： 輸 入 預(yù)處理 位置檢測 插補運算 位置控制 速度控制 伺服電機 程序 硬件 硬件 硬件 硬件 硬件 軟件 軟件 軟件 軟件 軟件和硬件的功能界面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 一、 CNC裝置軟件和硬件的功能界面 * 67 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) CNC裝置系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：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(zhuǎn)速指令和輔助動作指令 ， 控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作 ， 加工出符合要求的零件 。 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 * 68 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 加工程序 譯 碼 譯碼緩沖區(qū) 刀補處理 刀補緩沖區(qū) 速度預(yù)處理 插補緩沖區(qū) 插補處理 運行緩沖區(qū) 伺服驅(qū)動 位控處理 位置反饋 PLC控制 CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 * 69 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ⒈ 譯碼 (解釋 ) 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(zhuǎn)換成后續(xù)程序 （ 本例是指刀補處理程序 ） 所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （ 格式 ） 。 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 * 70 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例： Struct PROG_BUFFER { char buf_state； //緩沖區(qū)狀態(tài) ， 0 空； 1 準(zhǔn)備好 。 int block_num； //以 BCD碼的形式存放本程序段號 。 double COOR[20]； //存放尺寸指令的數(shù)值 （ μ m） 。 int F,S； //F（ mm/min） S（ r/min） 。 char G0； //以標(biāo)志形式存放 G指令 。 char G1； char M0； //以標(biāo)志形式存放 M指令 。 char M1； char T； //存放本段換刀的刀具號 。 char D； //存放刀具補償?shù)牡毒甙霃街?。 }； 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 71 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 以標(biāo)志形式存放 G指令示例 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0G00 0 ：無該指令； 1 ：有該指令G01 0 ：無該指令； 1 ：有該指令G02 0 ：無該指令； 1 ：有該指令G03 0 ：無該指令； 1 ：有該指令G9 0/G9 1 0 ： G 90 ； 1 ： G91｝G06 0 ：無該指令； 1 ：有該指令00 ： G40 ；11 ： G4001 ： G41 ；10 ； G42 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 72 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 在系統(tǒng)軟件中各程序間的數(shù)據(jù)交換方式一般都是通過緩沖區(qū)進行的 。 該緩沖區(qū)由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成 ， 當(dāng)前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送入緩沖區(qū)組中空閑的一個 。 后續(xù)程序 （ 如刀補程序 ） 從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進行工作 。 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 * 73 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 ； Struct PROG_BUFFER { char buf_state； 0： (開始 )； 1（；） ⑨ int block_num； 06（ N06） ① double COOR[20]； COOR[1]=202300；（ X200） ⑥ COOR[2]=300000；（ Y300） ⑦ int F,S； F=200；（ F200） ⑧ char G0； D5=0；（ G90） ② D6,D7=0,1（ G41） ③ D1=1；（ G01） ⑤ ?? char D； D=11（ D11） ④ }； 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 74 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 刀補處理的主要工作： ? 根據(jù) G90/G91計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值 。 ? 根據(jù) R和 G41/42， 計算本段刀具中心軌跡的終點 （ P’ e/P〃 e）坐標(biāo)值 。 ? 根據(jù)本段與前段連接關(guān)系 ， 進行段間連接處理 。 2. 刀補處理 (計算刀具中心軌跡 ) 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 Pe（ 200， 300） X R P0（ 72， 48） Pe” Pe’ G41 G42 Y 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 75 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ⒊ 速度預(yù)處理 主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度 ， 計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量 ， 供插補程序使用 。 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 76 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 速度處理程序主要完成以下幾步計算： ? 計算本段總位移量： 直線 ：合成位移量 L； 園弧 ：總角位移量 α 。 該數(shù)供插補程序判斷減速起點和終點之用 。 ?計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量： Δ L= F*Δ t/60 （ μ m） 式中： F進給速度值（ mm/min）； △ t數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ ms） L α 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 77 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ⒋ 插補計算 主要功能： ?根據(jù)操作面板上 “ 進給修調(diào) ” 開關(guān)的設(shè)定值 ， 計算本次插補周期的實際合成位移量： △ L1=△ L*修調(diào)值 ?將 △ L1按插補的線形 （ 直線 ， 園弧等 ） 和本插補點所在的位置分解到各個進給軸 ， 作為各軸的位置控制指令 （ △ X △ Y1） 。 經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中 ， 以供位置控制程序之用 。 本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期 △ t定時運行 。 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 78 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) ⒌ 位置控制處理 f（） + + + + + 插補輸出 △ X1△ Y1 指令位置 X1新 Y1新 跟隨誤差 △ X3△ Y3 實際位置 X2新 Y2新 反饋位置增量 △ X △ Y2 X1舊 Y1舊 X2舊 Y2舊 速度指令 VX、 VY 位置控制轉(zhuǎn)換流程 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 79 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 位置控制完成以下幾步計算： ? 計算新的位置指令坐標(biāo)值： X1新 = X1舊 +△ X1； Y1新 = Y1舊 +△ Y1； ? 計算新的位置實際坐標(biāo)值： X2新 = X2舊 +△ X2； Y2新 = Y2舊 +△ Y2 ? 計算跟隨誤差 (指令位置值 — 實際位置值 )： △ X3= X1新 X2新 ； △ Y3= Y1新 Y2新 ； ? 計算速度指令值： VX=f（ △ X3） ； VY=f（ △ Y3） 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 80 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) f( )是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法 ， 具體的算法視具體系統(tǒng)而定 。 這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實現(xiàn)的 。VX、 VY送給伺服驅(qū)動單元 ， 控制電機運行 ， 實現(xiàn) CNC裝置的軌跡控制 二、 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 81 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng) 。 CNC裝置的系統(tǒng)軟件則可看成是一個專用實時操作系統(tǒng) 。 由于其應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制領(lǐng)域 （ 多任務(wù)性 、 實時性 ） ， 因此 ， 分析和了解這些要求是至關(guān)重要的 ， 因為它既是系統(tǒng)設(shè)計和將來軟件測試的重要依據(jù) ， 也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過程 。 同時 ， 這些要求也應(yīng)是 CNC系統(tǒng)軟件的特點 。 三 . CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點 第三節(jié) CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) * 82 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 1. 多任務(wù)性與并行處理技術(shù) ? CNC控制要求的多任務(wù)性 ? 任務(wù)定義： 可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。 ? CNC的功能則可定義為 CNC的任務(wù)： 顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、 … ? CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行