计算机数控装置的结构课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,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,4,章,计算机数控,(CNC),装置,第 4 章,4.1,概,述,4.1 概 述,4.1.1 CNC,技术的发展,表,4.1,数控系统的演变,分类,世代,诞生年代,系统元件及电路构成,世界,我国,硬件数控,NC,第一代,第二代,第三代,1952,年,1959,年,1965,年,1958,年,1965,年,1972,年,电子管、继电器，模拟电路,晶体管，数字电路（分立元件）,集成数字电路,计算机数控,CNC,第四代,1970,年,1976,年,内装小型计算机，中规模集成电路,第五代,1974,年,1982,年,内装微处理器的,NC,字符显示，故障自诊断,1979,年,1981,年,1987,年,1991,年,1995,年,超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口,人机对话,动态图形显示,实时软件精度补偿,适应机床无人化运转要求,32,位,CPU,，可控,15,轴，设定,0.0001mm,进给速度,24m/min,，带前馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。,利用,RISC,技术,64,位系统。,微机开放式,CNC,系统。,4.1.1 CNC技术的发展表4.1数控系统的演变分类世代,4.1.1 CNC,技术的发展,年代,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,90,91,CPU,3000C/2901,单片机,16,位微处理器,32,位微处理器,64,位,伺服,驱动,直流模拟伺服,交流模,拟伺服,交流数字伺服,最小设定单位,1,0.1,0.01,进给,速度,高速、高精度型,2.1m/min,8.4m/min,33.7m/min,高速型,15m/min,60m/min,快速,9.6m/min,15m/min,24m/min,60m/min,240m/min,扩充,功能,用软件扩充数控功能、刀具补偿，固定循环，存储器运行,用软件充实人机接口，彩色显示，会话编程，仿真,32,位,CPU,，高速、高精度加工，,数字伺服，高速主轴，智能化开放,系统,表,42,数控系统的技术进步状况,4.1.1 CNC技术的发展年代7677787980818,4.1.1 CNC,技术的发展,表,43,数控系统的功能水平,项目,低档,中档,高档,分辨率,10,1,0.1,进给速度,8-15 m/min,15-24 m/min,15-100 m/min,联动轴数,2-3,轴,2-4,轴或,3-5,轴以上,主,CPU,8,位,16,位、,32,位甚至采用,RISC,的,64,位,伺服系统,步进电机、开环,直流及交流闭环、全数字交流伺服系统,内装,PLC,无,有内装,PC,，功能极强的内装,PC,，甚至有轴控制功能,显示功能,数码管,简单的,CRT,字符显示,有字符图形或三维图形显示,通信功能,无,RC232C,和,DNC,接口,还可能有,MAP,通讯接口和联网功能,4.1.1 CNC技术的发展表43 数控系统的功能水平,4.1.2,CNC,系统的组成,EIA(,美国电子工业协会,),所属的数控标准化委员会的定义,:“CNC,是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口,”,。,ISO(,国际标准化组织,),的定义,:“,数控系统是一种控制系统，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,”,。,CNC,系统与,NC,系统,数控系统分轮廓控制和点位控制系统。,数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即,数字控制装置。,4.1.2 CNC系统的组成 EIA(美国电子,计算机,硬件电路,伺服系统,数控机床,指令输入,CNC,控制器,计算机硬件电路伺服系统数控机床指令输入CNC控制器,系统方框图,位置,控制,单元,盒,式,磁,带,机,接,口,C,R,T,接,口,C,P,U,存,储,器,手动,数据,输入,显示,单元,接口,纸,带,输,入,机,接,口,纸,带,穿,孔,机,接,口,数,据,输,入,接,口,数,据,输,出,接,口,零,件,程,序,存,储,器,旋转式感,应同步器,D/A,转换,速度,控制,单元,放,大,器,旋转变压器,直流电机,模,拟,主,轴,输,出,D/A,转,换,位置盒CC存手动纸纸数数零旋转式感D/A速度放旋转变压器直流,4.1.2,CNC,系统的组成,从自动控制的角度来看，,CNC,系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件,(,各运动轴,),的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。,从外部特征来看，,CNC,系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,4.1.2 CNC系统的组成 从自动控制的角度来看，CN,4.1.3,CNC,装置的组成和工作原理,CNC,系统平台,硬件,操作系统,管理软件,应用软件,控制软件,数控加工程序,接,口,被控设备,机 床,机器人,测量机,.,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 CNC系统平台,4.1.3,CNC,装置的组成和工作原理,硬件结构,:,CPU,，存储器，总线、外设等,。,软件结构,：,是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。,系,统,初始化,系统控制软件,程序管理,编辑,存储,录放,管理软件,控制软件,输入程序,输出程序,显示程序,诊断程序,译码程序,补偿计算,速度控制,插补程序,位控程序,图,4.1 CNC,软件的构成,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 硬件结构: CPU,4.1.3,CNC,装置的组成和工作原理,3.,工作原理,通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过,CNC,装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。,简要工作过程：,1,）输入：,输入内容,零件程序、控制参数和补偿数据。,输入方式,穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，,通讯接口输入及连接上级计算机的,DNC,接口输入,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 3. 工作原理,4.1.3,CNC,装置的组成和工作原理,2,）译码：,以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机,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,用区内。,3,）数据处理：,包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。,4,）插补：,插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之,间进行,“,数据点的密化工作,”,。,5,）位置控制：,在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位,置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。,6,）,I/O,处理：,处理,CNC,装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。,7,）显示：,零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。,8,）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,4.1.3 CNC装置的组成和工作原理 2）译码：以一个程,4.1.4 CNC,装置的主要功能和特点,1.,数控装置的主要功能,（,1,）控制轴数和联动轴数,（,2,）准备功能（,G,功能）,（,3,）插补功能,（,4,）主轴速度功能：主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准,（,5,）进给功能（,F,）,1,）切削进给速度,2),同步进给速度,3,）快速进给速度,4,）进给倍率 。,（,6,）补偿功能,1,） 刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿,2,）工艺量的补偿,（,7,）固定循环加工功能,4.1.4 CNC装置的主要功能和特点 1.数控装置的主要,4.1.4 CNC,装置的主要功能和特点,（,8,）辅助功能（,M,代码）,（,9,）字符图形显示功能,（,10,）程序编制功能：手工编程、 在线编程、自动编程,（,11,）输入、输出和通讯功能,（,12,）自诊断功能,2.CNC,数控装置的特点,1,）灵活性大,2,）通用性强,3,）可靠性高,4,）可以实现丰富、复杂的功能,5,）使用维修方便,6,）易于实现机电一体化,4.1.4 CNC装置的主要功能和特点（8）辅助功能（M代,4.2 CNC,装置的硬件结构,4.2 CNC装置的硬件结构,4.2.1 CNC,装置的硬件构成,CPU,ROM,RAM,IN,接口,OUT,接口,阅读机接口,MDI/CRT,接口,位置控制,其它,接口,总线,单微处理器硬件结构图,4.2.1 CNC装置的硬件构成 ROMRAMIN接口OUT,CNC,装置的体系结构,分为：单微处理机和多微处理机系统，中,高档的,CNC,装置,以多微处理机结构为多。,单微处理机结构,:,见上图,多微处理机,CNC,装置的结构：,1,.,主从结构,2.,多主结构,3.,分布式结构,4.,多通道结构,4.2.2 CNC,装置的体系结构,CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，,单微处理机数控装置,:,是以一个,CPU,（中央处理器）为核心，,CPU,通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。,单微处理机结构：,微处理器、存储器、总线、接口等。,接口包括,I/O,接口、串行接口、,CRT/MDI,接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（,PLC,）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。,1.,微处理器和总线,微处理器：运算、控制,总线：,CPU,与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制 、地址和数据三总线。,2.,存储器,只读存储器（,ROM,）和随机存储器（,RAM,）,它们的用途：,4.2.3,单微处理机数控装置的硬件结构,单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CP,只读存储器（,ROM,）,：系统程序,随机存储器（,RAM,）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、,标志信息,CMOS RAM,或,磁泡存储器,：,加工的零件程序、机床参数、刀具参数,3.,位置控制单元,对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。,（对主轴的控制一般只包括速度控制）,C,轴位置控制：包括位置和速度控制,刀库位置控制,（简易位置控制）,进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、,位置控制模板。,4.2.3,单微处理机数控装置的硬件结构,4.2.3 单微处理机数控装置的硬件结构,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,V,S,V,S,1.,多微处理机,CNC,装置的典型结构,总线互联方式，典型的结构,:,共享总线型、共享存储器型及混合型结构。,（,1,）功能模块,1,）,CNC,管理模块,2,）存储器模块,3,）,CNC,插补模块,4,）位置控制模块,5,）操作控制数据输入、输出和显示模块,6,）,PLC,模块,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS1.多,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,V,S,V,S,（,2,）共享总线结构,结构与仲裁,主模块与从模块,总线仲裁及其方式：串行方式和并行方式,串行总线仲裁方式：优先权的排列是按链接位置确定。,并行总线仲裁方式：专用逻辑电路，优先权编码方案,模块之间的通讯：,公共存储器,总线：,STD bus,（支持,8,位和,16,位字长）,Multi bus,（,型支持,16,位字长，,型支持,32,位字长）,S-100 bus,（可支持,16,位字长）,VERSA bus,（可支持,32,位字长）,VME bus,（可支持,32,位字长）,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS（2）,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,图,4 .9,串行总线仲裁连接方式,主模块,1,主模块,2,主模块,3,总线优,先权入,总线优,先权出,总线,忙,入,忙,出,入,忙,出,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图4 .9 串,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,图,4 .10,并行总线仲裁连接方式,主模块,1,总线优 总线 总线优,先权入 忙 先权出,主模块,3,入 忙 出,译 器 码,主模块,2,入 忙 出,优先权编器码,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图4 .10,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,（,3,）共享存储器结构,V,S,图,4 .11 MTC1,的,CNC,装置结构框图,(16K),EPROM,(16K),EPROM,(56K),EPROM,(2K),EAM,(26K),RAM,(2K),EAM,512,K,512,K,(CRT),CPU2,键盘,(,中央,),CPU1,(,插补,),CPU3,串口和,收发器,CRTC,CRT,字符,发生器,并行,接口,反馈脉冲,处理,反馈信号,适配器,机床,接口,模拟量,接口,RS232C,X Y Z C W,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 （3）共享存储,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,（,4,）共享总线和共享存储器型结构,图,4 .12 FUNUC11,的,CNC,装置结构框图,键盘,纸带机,手摇盘,PMC,68000,CAP,8086+8087,ROM,RAM,主,CPU,68000,SSU,RS232,RS232,位控,位控,位控,IOC,BAC,ROM,RAM,ROM,RAM,RAM,ROM,图形显示,8087,OPC,CRT,机床,I/O,坐标轴,坐标轴,主轴,其中,OPC,操作控制器；,BAC,总线仲裁控制器；,IOC,输入输出控制器；,CAP,自动编程单元；,SSU,系统支持单元；,PMC,可编程机床控制器,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 （4）共享总线,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,图,4 .13,双端口存储器结构框图 图,4 .13,多,CPU,共享存储器框图,端口,1,存储,控制逻辑,地址和数据,多路转换器,RAM,共享存,储器,I/O,(CPU),CRT,(CPU2),轴控制,（,COU4,）,插补,(CPU3),端口,2,中断,控制,从机床来的,控制信号,至机床的,控制信号,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 图4 .13,4.2.4,多微处理机数控装置的硬件结构,V,S,V,S,（,5,）多通道结构,通道结构（,Channel Structure,），即两种以上程序的并行处理。,2.,多微处理机,CNC,装置结构的特点,（,1,）计算处理速度高,（,2,）可靠性高,（,3,）有良好的适应性和扩展性,（,4,）硬件易于组织规模生产,4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS（5）,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,一、开放式数控系统的产生,随着科技的发展和生产的需求，需要一种灵活（功能可组、可扩展、可添加）的开放式数控系统，打破当前的“封闭式的”数控系统。,体系开放化,定义（,IEEE,）：,具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统,。,开放式数控系统特点：,系统构件（软件和硬件）具有标准化,(Standardization),与多样化,( Diversification),和互换性,(Interchangeability),的特征,允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成构造，应该是可移植的和透明的；,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS一、开放式数控,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,二、开放体系结构,CNC,的优点,向未来技术开放：,由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；,标准化的人机界面,：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS二、开放体系结,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,向用户特殊要求开放：,更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；,可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力,。,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS向用户特殊要求,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,三、开放式数控装置的概念结构,硬件配置,单元,软件配置,单元,标准计算机硬件,数控系统,基本硬件,数控功能,应用程序,DOS(WINDOWS,),实时多任务操作系统,RTM,应用程序接口,NC,构件库,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS三、开放式数控,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,四、国内外开放式数控系统的研究进展,1.,几大研究计划,美国：,NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller),和,OMAC(Open Modular Architecture Controller),计划,欧共体：,OSACA,（,Open System Architecture for Control within Automation Systems),计划,日本：,OSEC(Open System Environment for Controller),计划,华中,I,型,基于,IPC,的,CNC,开放体系结构,航天,I,型,CNC,系统,基于,PC,的多机,CNC,开放体系结构,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS 四、,4.2.5,开放式数控装置的体系结构,V,S,V,S,2.,开放程度：,1,）,CNC,可以直接地或通过网络运行各种应用软件,2,）用户操作界面的开放。,3,）,NC,内核的深层次开放,( PC+,实时硬插件；,PC+,实时软中断,),。,3.,开放式数控系统的发展趋势：,1,）在控制系统技术，接口技术、检测传感技术、执行器技术、软件,技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济、合理的开放式数,控系统。,2,）主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）高自动化加工的,需求。,3,）网络化,4.2.5 开放式数控装置的体系结构 VSVS2.开放程度：,4.2.6,点位,/,直线控制的数控装置的结构,V,S,V,S,1.,点位,/,直线控制的一般概念（单轴数控）,用于钻床、镗床、机能简单的车床,点位控制,只控制刀具相对应于工件定位，由某一定位点向下一定点运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。,直线控制,刀具沿坐标轴方向运动，并对工件进行切削加工。在加工过程中不但要控制切削进给的速度，还要控制运动的终点。,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构VSVS1.点位/,4.2.6,点位,/,直线控制的数控装置的结构,2.,点位,/,直线数控系统数控装置的结构,显示,进给脉冲,发生器,M,、,S,、,T,寄存控制,加减速及,停止判断,伺服,驱动,机床,测量,输入,译码,位置计数,与比较,F,图,4.16,点位,/,直线控制系统,4.2.6 点位/直线控制的数控装置的结构2.点位/直线数控,4.3 CNC,装置的软件结构,4.3 CNC装置的软件结构,4.3.1,软件结构特点,1. CNC,装置软件硬件的界面,图,4 .17,三种典型的软硬件界面关系,纸,带,输,入,插补,准备,插,补,位,控,纸,带,输,入,插补,准备,插,补,位,控,速,控,电,机,测量,第一种,第二种,第三种,硬件,硬件,软件,硬件,硬件,软件,软件,硬件,硬件,4.3.1 软件结构特点 1. CNC装置软件硬件的界,1,、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系, 关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。, 特点：,硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。,2,、软件、硬件实现功能的分配就是,软件硬件功能界面划分。,3,、功能界面划分的准则：系统的性能价格比。,1、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,2.,系统软件的内容及结构类型,CNC,装置系统软件的主要任务：,如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移 指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻 辑动作，加工出符合要求的零件。,系统软件的组成：,（管理和控制）,管理部分：输入、,I/O,处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理,等程序。,控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。,管理方式：,单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。,多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元,4.3.1 软件结构特点 VSVS 2. 系统软件的内容,4.3.1,软件结构特点,3.,多任务并行处理,（,1,）,CNC,装置的多任务性,图,4 .18 CNC,装置软件任务分解 图,4 .19,软件任务的并行处理,CNC,装置,管 理,控 制,输入,显示,位控,诊断,I/O,插补,位控,译 码,刀 补,速度处理,输,入,I/,O,处,理,显,示,诊,断,通,讯,译,码,刀,具,补,偿,速,度,处,理,位,置,控,制,插,补,4.3.1 软件结构特点 3. 多任务并行处理 图4,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,（,2,）并行处理,为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，,CNC,系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。,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性质相同或不相同的 工作。并行处理的优点是合理使用和调配,CNC,系统的资源,提高了运行速度。,并行处理的分类：,“,资源重复,”,，,“,时间重叠,”,和,“,资源共享,”,。,资源共享：,根据,“,分时共享,”,的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。,时间重叠：,根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用,同一套设备的几个部分。,4.3.1 软件结构特点 VSVS（2）并行处理,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,1,）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）,在单,CPU,结构的,CNC,系统中，可采用,“资源分时共享”,并行处理技术。,资源分时共享,在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用,CPU,的时间，使它们分时共享系统的资源。,“,资源分时共享”的技术关键：,其一：各任务的优先级分配问题。,其二：各任务占用,CPU,的时间长度，,即,时间片的分配问题。,4.3.1 软件结构特点 VSVS1）资源分时共享并行处,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,诊断,I/O,处理,输入,插补准备,显示,初始化,插补,位控,键盘,中断级别高,中断级别低,资源（,CPU,）分时共享图,4.3.1 软件结构特点 VSVS诊断I/O输入插补准备,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,资源分时共享技术的特征,在任何一个时刻只有一个任务占用,CPU,；,在一个时间片（如,8ms,或,16ms,）内，,CPU,并行地执行了两个或两个以上的任务。,因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微,观上来看，各个任务还是逐一执行的,。,4.3.1 软件结构特点 VSVS 资源分时共享技术的特,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,2),并发处理和流水处理（对多资源的系统）,在多,CPU,结构的,CNC,系统中，根据各任务之间的关联程度，可采,用以下两种并行处理技术：,若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的,CPU,上同时执行,并发处理；,若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,4.3.1 软件结构特点 VSVS 2)并发处理和,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,流水处理技术的涵义,流水处理技术是利用重复的资源（,CPU,），将一个大的任务分成若干个子任务,(,任务的分法与资源重复的多少有关,),，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。,4.3.1 软件结构特点 VSVS 流水处理技术的涵义,4.3.1,软件结构特点,流水处理技术示意图,V,S,V,S,并行处理,1,2,3,1,2,3,2t,t,空间,时间,顺序处理,输出,输出,CPU1,时间,t+,t,t,空间,1,1,1,3,3,3,2,2,2,输出,输出,输出,CPU1,CPU2,CPU3,4.3.1 软件结构特点 流水处理技术示意图 VSVS并,4.3.1,软件结构特点,并发处理和流水处理的特征,在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。,并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。,4.3.1 软件结构特点 并发处理和流水处理的特征在任,4.3.1,软件结构特点,3,）并行处理中的信息交换和同步,在,CNC,装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。,各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的,。,图,4.22 CNC,装置通过缓冲区交换信息框图,纸带,缓冲,存储区,译码,缓冲,存储区,插补,缓冲,存储区,插补,工作,存储区,插补,输出,存储区,纸,带,译码,插补,准备,交换,插补,4.3.1 软件结构特点 3）并行处理中的信息交换和同步,4.3.1,软件结构特点,图,4.23,纸带读写同步说明,-,读指针,R,-,写指针,W,M,V,S,V,S,进口,W=(W+1)Mod(M),写第一个字符到,纸带缓冲寄存器,(R-W)Mod(M)=2?,出口,停光电机,进口,出口,启动光电机,R=(R+1)Mod(M),从纸带缓冲存储,区读出一个字符,(R-W)Mod(M)=1?,4.3.1 软件结构特点 图4.23 纸带读写同步说明-,4.3.1,软件结构特点,V,S,V,S,4.,实时中断处理,（,1,）,CNC,系统的中断类型,1,）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入,中断。,2,）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。,3,）硬件故障中断 种硬件故障检测装置发出的中断。,4,）程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断。,（,2,）,CNC,系统中断结构模式,1,）前后台软件结构中的中断模式,前台程序,:,主要完成插补运算、位置控制 、故障,诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。,后台程序,(,背景程序,):,完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入,/,输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理,),等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,2,）中断型软件结构中的中断模式,背景程序,初始化,实施中断,程序,4.3.1 软件结构特点 VSVS 4. 实时中断处理背,4.3.2,输入和数据处理,V,S,V,S,CNC,系统的控制软件及其工作过程,输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断,1.,零件程序的输入,零件程序的输入包括两方面的内容,:,1,）从阅读机、键盘输入到零件程序存储器。,2,）从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器（缓冲存储区）。,图,4.25,输入过程,阅读机,零件程序存储器,MDI,键盘,零件程序缓冲区,MDI,缓冲区,译码,4.3.2 输入和数据处理 VSVSCNC系统的控制软件及,4.3.2,输入和数据处理,V,S,V,S,2.,数据处理程序,数据处理程序又叫插补准备程序，包括译码、刀补（运动轨迹计算）、辅助功能处理和进给速度计算等部分 。另外，还包括诸如换刀、主轴启停、冷却液开、闭等辅助功能。,（,1,）译码,定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度,F,和其它辅助信息（,M.S.T,）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。,方法：解释和编译。,内容：整理和存放。,1,）不按字符格式的整理与存放方法。,2,）保留字符格式的整理与存放。,4.3.2 输入和数据处理 VSVS2. 数据处理程序,4.3.2,输入和数据处理,（,2,）刀具补偿,定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。,种类：长度补偿和半径补偿。,1,）,B,功能刀具半径补偿计算,直线加工时刀具补偿,图,4.28,直线刀具补偿,V,S,V,S,Y,X,A(x,y),A,(x,y,),y,x,O,O,r,4.3.2 输入和数据处理 （2）刀具补偿图4.28 直线,4.3.2,输入和数据处理,圆弧加工时刀具半径补偿,Y,O,图,4.29,圆弧刀具半径补偿,r,X,A,(,x,0,Y,0,),B,(,x,e,Y,e,),B,(,X,e,y,e,),A,(,X,0,Y,0,),K,R,X,Y,4.3.2 输入和数据处理 圆弧加工时刀具半径补偿YO,4.3.2,输入和数据处理,* B,功能刀具半径不能处理尖角过渡问题,V,S,V,S,图,4.30 B,刀补的交叉点和间断点,A,B,C”,C,B,A,G41,刀具,G42,刀具,编程轨迹,刀具中心轨迹,C,4.3.2 输入和数据处理 * B功能刀具半径不能处,4.3.2,输入和数据处理,2,）,C,功能刀具半径补偿,处理两个程序段间转接（即尖角过渡）的各种情况,。,图,4.31,由,NC,到,CNC,刀补的改进措施,工作寄存器,AS,输出寄存器,OS,缓冲寄存器,BS,工作寄存器,AS,输出寄存器,OS,缓冲寄存器,BS,刀具补偿缓冲,区,CS,工作寄存器,AS,输出寄存器,OS,a)NC,方式,b),改进的,NC,方式,c)CNC,方式,4.3.2 输入和数据处理 2）C功能刀具半径补偿图,4.3.2,输入和数据处理,图,4.32 G41,直线与直线转接情况,V,S,V,S,缩短型,缩短型,插入型,插入型,伸长型,4.3.2 输入和数据处理 图4.32 G4,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,1.,进给速度计算,开环系统,:,速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。,速度计算的方法是根据程编的,F,值来确定该频率值。,半闭环和闭环系统,:,采用数据采样方法进行插补加工,速度计算是根据程编的,F,值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS 1.进给速度计,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,（,1,）开环系统进给速度的计算,脉冲的频率决定进给速度。,（,4.7,）,为脉冲当量，单位：,mm,，,则 （,4.8,）,两轴联动时，各坐标轴速度为,:,合成速度（即进给速度）,V,为 （,4.9,）,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS,4.3.3,速度处理和加减速控制,（,2,）半闭环和闭环系统的速度计算,:,确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。,直线插补,速度计算,：,a),程序段投影,L,x,=x,e,-x,0, L,y,=y,e,-y,0,b),直线方向余弦,cos,=L,x,/L cos,=L,y,/L,c),一个插补周期的步长（,L,）,L=,（,1/60,）,F,t,，速度,F,单位：,mm/min,，插补周期,t,单位：,ms,，,L,单位,:,m,d),各坐标轴在一个采样插补周期的运动步长,x =,L,cos,=Fcos,t/60 (,m),y =,L,sin,=Fsin,t/60 =,L,cos,= Fcos,t/60 (,m),V,S,V,S,Y,Y,O,O,X,X,X,X,Y,Y,A,(,X,0,Y,0,),A,B,B,(,X,e,Y,e,),A,(,X,0,Y,0,),B,(,X,e,Y,e,),A,B,L,L,X,L,Y,4.3.3 速度处理和加减速控制 （2）半闭环和闭环系统的,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,圆弧插补时速度计算（插补原理不同，计算方法也不同）,步长分配系数,（速度系数）,J,I,X,Y,O,A,O,E,A,i-1,A,i,C,(,I,O,J,O,),X,i,Y,i,i,I,i-1,J,i-1,R,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS圆弧插补时速度计,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,2.,进给速度控制,常用的控制方法：,计时法 用于脉冲增量插补。,时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达,到速度控制的目的。,积分法,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS2.进给速度控制,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,3.,数据采样原理,CNC,装置的加、减速控制,加减速控制目的：,保证机床在启动或停止时不产生冲击、,失步、超程或振荡,方法：,插补前加减速控制,插补后加减速控制,瞬时速度与稳定速度,V,=,THK/,(60,1000),加减速曲线,指数加减速,线性加减速,钟形加减速,S,曲线加减速,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS3.数据采样原理,4.3.3,速度处理和加减速控制,V,S,V,S,插补前加减速控制,插补后加减速控制,原理,对合成速度（程编指令速度,F,）进行控制,对各运动坐标轴分别进行加减速控制,优点,不影响实际插补输出的位置精度,不需预测减速点，在插补输出为,0,时，开始减速，并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序段终点。,缺点,需预测减速点，这要根据实际刀具位置与程序段之间距离来确定，计算工作量大。,合成位置可能不准确，但这种影响只在加减速过程，进入匀速状态后，这种影响就不存在了。,4.3.3 速度处理和加减速控制 VSVS插补前加减速控制,4.3.4,插补计算,V,S,主要算一个插补周期的,X,，,Y,，,以直线为例：,1,）,L%=,L*,倍率,（,L%,倍率后的每周期公式进给量）,2,）,L,1,新,= L,1,旧,+,L%,（,L,1,新,上次插补点与程序段起点之间距离；,L,1,旧,本次插补点与程序段起点之间距离）,3,）,X,3,新,= L,1,新,cos,（,X,轴投影）,y,3,新,= L,1,新,cos,4,）,x2= X,3,新,- X,3,旧,（,本次插补周期的输出位置增量值）,。,y2= y,3,新,- y,3,旧,本次插补点,（,x,3,旧,，,y,3,旧,）,x2,y2,上次插补点,4.3.4 插补计算 VS主要算一个插补周期的X，Y，,4.3.5,位置控制,V,S,V,S,任务：,1,）每个位置反馈采样周期，将插补给定与反馈值进行比较，用,差值去控制电机,2,）增量调整,3,）螺距补偿，间隙补偿,插补,速度单元,位控,电机,速检,位检,4.3.5 位置控制 VSVS任务：插补速度单元位控电机速,4.3.6,故障诊断,V,S,V,S,方法,1,运行中诊断,:,1,）代码和检查内存,2,）格式检查（奇、偶、补偿指令、数据超限）,3,）双向传递检查,4,）清单检验，用打印机、,CRT,5,）电压温度、速度检测监控,2,停机诊断,有自诊断程序,3,通讯诊断,由诊断中心进行，发出诊断程序。,4.3.6 故障诊断 VSVS 方法,4.3.6,故障诊断,远程诊断技术,V,S,V,S,状态检测服务器,机床,机床,机床,Internet,异地专家,诊断中心,Web,服务器,4.3.6 故障诊断 远程诊断技术VSVS状态检测服务器机,CNC,系统的控制软件及其工作过程,实例（数据转换流程）,X,A1,Y,A1,F,A1,译码,XB0,YB0,XB1,YB1,XBA,YBA,LX,LY,L,cos,cos,L,L%,L1,X3,Y3,X2,Y2,G01,Xe,Ye,F,刀具,补偿,速度,处理,插补,控制,位置,电机,X2,Y2,X1,Y1,X3,Y3,反馈,X1,Y1,CNC系统的控制软件及其工作过程 XA1译码XB0LXL%,4.5 CNC,装置的接口电路,4.5 CNC装置的接口电路,4.5.1,概述,V,S,V,S,CNC,装置与下列设备进行数据传送和信息通讯：,1.,数据输入输出设备,2.,外部机床控制面板,3.,通用的手摇脉冲发生器,4.,进给驱动线路和主轴驱动线路,RS-232C,接口,工业局部网络通讯接口,通讯协议,4.5.1 概述 VSVS CNC装置与下列设备进行数,4.5.2,键盘输入及接口,V,S,V,S,4.5.2 键盘输入及接口VSVS,操作面板,它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。,组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。,它是数控机床特有部件。,4.5.3,显示器及接口,V,S,V,S,操作面板4.5.3 显示器及接口VSVS,4.5.4,机床开关量及接口,数控机床上的接口规范,数控机床,“,接口,”,：,是指数控系统与机床电气控制设备（由继电器、接触器组成的强电）之间的电气连接部分。,第,类,与驱动命令有关的连接电路,传送的信息是数控系统与伺服驱动单元（即速度控制环）、伺服电机、位置检测和速度检测之间的,控制信息,及,反馈信息,，属于数字控制及伺服控制,第,类,数控系统与检测系统和测量传感器间的连接电路,第,类,电源及保护电路,由数控机床,强电线路,中的电源控制电路构成。,第,类,通断信号和代码信号连接电路,是数控系统与外部传送的输入输出控制信号,大多通过,PLC,传送,4.5.4 机床开关量及接口数控机床上的接口规范 第类与,4.5.4,机床开关量及接口,2.,数控机床上的输入、输出接口电器,输入,/,输出信号的种类：,1.,直流数字输入,/,输出信号,2.,直流模拟输入,/,输出信号,:,用于进给坐标轴和主轴的伺服控制（或其它接收、发送模拟信号的设备）,3.,交流输入,/,输出信号直流模拟信号：用于直接控制功率执行器件。,4.5.4 机床开关量及接口2.数控机床上的输入、输出接口电,4.5.5,串行通讯及接口,通讯,现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现,CAD/CAM,的集成、,FMS,和,CIMS,的基本技术。采用的方式有：,串行方式,或,并行方式,。,通讯规则（,procedure,）或通讯协议（,protocol,）,异步协议和同步协议,异步串行接口标准：,RS-232C/20mA,电流环和,RS-422/RS-449,4.5.5 串行通讯及接口通讯 现代的数控系统除采用输入,4.5.6,网络通讯及接口,MAP,（,Manufacturing Automation Protocol,）：,制造自动化协议,。,是美国,GM,公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通讯标准。,特点：,1,）网络为总线结构，采用适于工业环境的令牌通行网络访问方式。,2,）采用了适应工业环境的技术措施，提高了可靠性,3,）具有较完善的明确而针对性强的高层协议，以支持工业应用。,4,）具有较完善的体系和互连技术，使网络易于配置和扩展。低层,可配最小,MAP,（只配数据链路层、物理层和应用层），高层次,应用可配备完整的,MAP,（包括,7,层协议）。,5,）针对,CIM,需要开发的。,现场总线,:,计算机网络与控制系统结合的产物，在集散式控制系统,（,DCS,）,的基础上发展起来的。,4.5.6 网络通讯及接口MAP（Manufacturin,课外作业,P.250 2,、,3,、,4,、,9,课外作业 P.250 2、3、4、9,1,、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你努力的不够多。,2,、孤单一人的时间使自己变得优秀，给来的人一个惊喜，也给自己一个好的交代。,3,、命运给你一个比别人低的起点是想告诉你，让你用你的一生去奋斗出一个绝地反击的故事，所以有什么理由不努力,!,4,、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟无言。缘来尽量要惜，缘尽就放。人生本来就空，对人家笑笑，对自己笑笑，笑着看天下，看日出日落，花谢花开，岂不自在，哪里来的尘埃,!,5,、心情就像衣服，脏了就拿去洗洗，晒晒，阳光自然就会蔓延开来。阳光那么好，何必自寻烦恼，过好每一个当下，一万个美丽的未来抵不过一个温暖的现在。,6,、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。,7,、生命的美丽，永远展现在她的进取之中,;,就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中,;,像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中,;,像江河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。,8,、有些事，不可避免地发生，阴晴圆缺皆有规律，我们只能坦然地接受,;,有些事，只要你愿意努力，矢志不渝地付出，就能慢慢改变它的轨迹。,9,、与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有,;,不要经常艳羡他人，人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。,10,、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。,11,、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。,12,、有些压力总是得自己扛过去，说出来就成了充满负能量的抱怨。寻求安慰也无济于事，还徒增了别人的烦恼。,13,、认识到我们的所见所闻都是假象，认识到此生都是虚幻，我们才能真正认识到佛法的真相。钱多了会压死你，你承受得了吗,?,带，带不走，放，放不下。时时刻刻发悲心，饶益众生为他人。,14,、梦想总是跑在我的前面。努力追寻它们，为了那一瞬间的同步，这就是动人的生命奇迹。,15,、懒惰不会让你一下子跌倒，但会在不知不觉中减少你的收获,;,勤奋也不会让你一夜成功，但会在不知不觉中积累你的成果。人生需要挑战，更需要坚持和勤奋,!,16,、人生在世：可以缺钱，但不能缺德,;,可以失言，但不能失信,;,可以倒下，但不能跪下,;,可以求名，但不能盗名,;,可以低落，但不能堕落,;,可以放松，但不能放纵,;,可以虚荣，但不能虚伪,;,可以平凡，但不能平庸,;,可以浪漫，但不能浪荡,;,可以生气，但不能生事。,17,、人生没有笔直路，当你感到迷茫、失落时，找几部这种充满正能量的电影，坐下来静静欣赏，去发现生命中真正重要的东西。,18,、在人生的舞台上，当有人愿意在台下陪你度过无数个没有未来的夜时，你就更想展现精彩绝伦的自己。但愿每个被努力支撑的灵魂能吸引更多的人同行。,1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你,