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第三章 数控系统的硬件与软件

数 控 技 术. 第三章 数控系统的硬件与软件. 3.1 CNC 装置的硬件结构 3.2 CNC 装置的软件结构 3.3 插补原理与算法 3.4 刀具补偿原理 3.5 速度与加减速控制 3.6 数控机床参数. 第三章 数控系统的硬件与软件. 3.1 CNC 装置的硬件结构 3.2 CNC 装置的软件结构 3.3 插补原理与算法 3.4 刀具补偿原理 3.5 速度与加减速控制 3.6 数控机床参数. 3.1 CNC 装置的硬件结构. 3.1.1 CNC 装置的硬件组成及连接.

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第三章 数控系统的硬件与软件

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  1. 数 控 技 术 第三章 数控系统的硬件与软件 3.1 CNC装置的硬件结构 3.2 CNC装置的软件结构 • 3.3 插补原理与算法 • 3.4 刀具补偿原理 • 3.5 速度与加减速控制 • 3.6 数控机床参数

  2. 第三章 数控系统的硬件与软件 3.1 CNC装置的硬件结构 3.2 CNC装置的软件结构 • 3.3 插补原理与算法 • 3.4 刀具补偿原理 • 3.5 速度与加减速控制 • 3.6 数控机床参数

  3. 3.1 CNC装置的硬件结构 3.1.1 CNC装置的硬件组成及连接 CNC装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。 根据机床控制、安装要求和经济性要求不同、随着电子技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形式的CNC装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不尽相同。 按照数控系统各部分的功能不同，CNC装置一般可分为人机接口部分、运动控制部分、I/O控制（PLC）、加工程序的存储、输入输出接口、数据通信接口等部分组成。

  4. 3.1 CNC装置的硬件结构 主轴电机 机床控制面板 伺服电机 PCU50 Windows NT 系统 手轮 驱动模块 I/O接口 驱动 NC+PLC 4

  5. 机床 显示器/ 编程键盘 键盘、显示 接口 PLC 光栅 操作面板 运动控制 CNC 伺服 驱动 电机 打孔机/纸带阅读机 磁带/磁盘 U盘/网络 程序输入 输出接口 通信接口 3.1 CNC装置的硬件结构 CNC装置的硬件组成及连接 I/O

  6. 3.1 CNC装置的硬件结构 • CNC装置的人机接口（HMI） 编程键盘： 用于程序编辑、参数设置、界面操作等。 不产生机床运动，可用缓冲键盘。 操作面板： 用于操作机床所有运动。所有按钮接入PLC，部分按钮还有响应指示灯，通过机床厂家的梯形图实现机床的操作。

  7. 机床 显示器/ 编程键盘 键盘、显示 接口 PLC 光栅 操作面板 运动控制 CNC 伺服 驱动 电机 打孔机/纸带阅读机 磁带/磁盘 U盘/网络 程序输入 输出接口 通信接口 3.1 CNC装置的硬件结构 CNC装置的硬件组成及连接 I/O

  8. 3.1 CNC装置的硬件结构 • I/O控制（PLC） 早期的数控系统，只有简单的I/O控制，主要实现主轴、冷却等启停，机床操作、运动限位等功能。 随着微机和PLC技术的发展，PLC成为了数控系统必不可少的一个重要组成部分。 数控系统的PLC有两种形式，一种是嵌入式PLC，一种是独立式PLC。 有关PLC原理及应用，在第四章详细介绍。

  9. 机床 显示器/ 编程键盘 键盘、显示 接口 PLC 光栅 操作面板 运动控制 CNC 伺服 驱动 电机 打孔机/纸带阅读机 磁带/磁盘 U盘/网络 程序输入 输出接口 通信接口 3.1 CNC装置的硬件结构 CNC装置的硬件组成及连接

  10. 主轴伺服 驱动器 主轴 电机 CPU DAC 位置 反馈 编码器 CNC 3.1 CNC装置的硬件结构 • 运动控制 一. 主轴电机的控制 主轴电机的控制通常采样模拟量作为速度的控制信号，部分主轴电机有位置反馈，用以实现主轴的准停或螺纹加工功能等。

  11. CPU 总 线 脉冲输出 接口电路 驱动器 步进 电机 3.1 CNC装置的硬件结构 二、进给运动控制 进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、数字量总线通信控制方式。 1. 步进电机的控制 特点： 1）结构简单，成本低。 2）扭矩较小 3）分辨率低，精度不高。 4）开环控制，容易产生“丢步”。

  12. CPU 本 地 总 线 DAC 伺服 驱动器 直流 伺服电机 测速发电机 位置 反馈 编码器/光栅 3.1 CNC装置的硬件结构 2. 直流伺服电机的控制

  13. 3.1 CNC装置的硬件结构 直流伺服数控系统的特点： 1）功率（扭矩）大、位置分辨率高。 2）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。 3）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。 4）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。

  14. CPU 本 地 总 线 DAC 伺服 驱动器 交流 伺服电机 测速发电机 位置 反馈 编码器 光栅 3.1 CNC装置的硬件结构 3. 交流伺服电机的控制 采用数模转换； 一个模拟接口只能连接一个驱动器； 模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递； 模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。

  15. 刀具补偿 加减速控制 译码 预处理 插 补 位置 指令 位置前馈 误差补偿 扭矩前馈 速度前馈 伺服系统 位置环 PID控制器 电流 控制 速度 控制 位置反馈 速度反馈 电流反馈 3.2.1 数控系统软件功能模块 运动控制

  16. 脉冲输出 接口电路 交流伺服 驱动器 电机 CPU 3.1 CNC装置的硬件结构 4. 交流伺服电机的脉冲控制 特点： 1）接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。 2）解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。 3）由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。 滞留脉冲 = 接收的指令脉冲数 –电机旋转脉冲数 n = （滞留脉冲/电机每转脉冲数）* 位置环增益 (r/s)

  17. 伺服 驱动器 伺服 电机 CPU 本 地 总 线 编码器 现场 总线 接口 光栅 伺服 驱动器 伺服 电机 PLC 3.1 CNC装置的硬件结构 5. 总线式控制

  18. 刀具补偿 加减速控制 译码 预处理 插 补 位置 指令 位置前馈 误差补偿 扭矩前馈 速度前馈 伺服系统 位置环 PID控制器 电流 控制 速度 控制 位置反馈 速度反馈 电流反馈 3.2.1 数控系统软件功能模块 总线式数控系统 的运动控制

  19. 3.1 CNC装置的硬件结构 4. 总线式控制 特点： • 1）总线式数控系统采用分布式计算和控制，使连接简单及扩展灵活、方便。 • 2）通过高可靠性和高实时性网络进行通信与协调，可以最大限度地发挥各子系统的功能，并尽可能地减轻PC 主机的负担，易于提高数控系统的性能。 • 3）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的特点。 • 4）现场总线式的数控系统代表着数控系统硬件未来的发展方向。

  20. 3.1 CNC装置的硬件结构 3.1.2 CNC 系统硬件结构分类 • 按总体安装结构分 一体式 ，分离式 一体式

  21. 3.1 CNC装置的硬件结构 一体式数控系统 FANUC—OTD数控系统

  22. 3.1 CNC装置的硬件结构 机床控制面板 NC+PLC 分离式

  23. 3.1 CNC装置的硬件结构 • 按印制电路板结构分类 大板式 ，模块化 大板式结构

  24. 3.1 CNC装置的硬件结构 模块化结构

  25. 3.1 CNC装置的硬件结构 模块化结构数控系统 西门子840D数控系统

  26. 3.1 CNC装置的硬件结构 • 按装置中微处理器的数量分 单微处理器结构的CNC装置 多微处理器结构的CNC装置 一、单微处理器结构的CNC装置 单微处理器结构的CNC装置，由一个微处理器CPU通过数据地址总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。

  27. Nand flash （硬盘） CPU LCD • 数 • 据 • 地 • 址 • 总 • 线 键盘/显示 接口 接口 编程键盘 EEPROM I/O 接口 数控面板 RAM FPGA 串行通信接口 机床 位置反馈 网络接口 程序 输入/输出 接口 伺服系统 运动控制 3.1 CNC装置的硬件结构 单微处理器结构的CNC装置

  28. 3.1 CNC装置的硬件结构 单CPU运动控制器的硬件实例 滚齿机数控系统的总体方案

  29. 3.1 CNC装置的硬件结构 二、多微处理器结构的CNC装置 随着微型计算机技术的发展，微处理器的性能越来越强，价格越来越低，数控系统各部分功能模块都开始采用自己的CUP，通过数据通信和数据共享技术，实现各功能模块的协调工作。大大提高了数控系统的性能和可靠性。 多CPU结构的CNC装置，多采样模块化结构，具有良好的灵活性和扩展性，且结构紧凑、安装方便。 总线式数控系统是多CPU数控系统的典型代表。 总线式数控系统通过复杂的现场总线协议，实现各模块的数据通信和数据共享以及同步控制。

  30. 3.1 CNC装置的硬件结构 多微处理器数控系统的功能模块 1）CNC 管理模块 2）CNC 插补模块 3）PLC 功能模块 4）位置控制模块 5）主轴控制模块 6）操作面板控制及显示模块 7）主存储器模块

  31. 3.1 CNC装置的硬件结构 2. 多微处理器数控系统的结构形式 1）共享总线结构 2）共享存储器结构 共享总线结构CNC装置

  32. 多微处理器共享存贮器CNC装置

  33. 3.1 CNC装置的硬件结构 操作台 主CPU （ARM9） 串口 LCD 数控面板 CPU串口 键盘/显示 接口 编程键盘 • 电气柜 • 数 • 据 • 地 • 址 • 总 • 线 PLC I/O 双端口 RAM CPU 伺服系统 运动控制 模块 双端口 RAM CPU 伺服系统 共享存储器多微处理器结构的CNC装置 a

  34. 3.1 CNC装置的硬件结构 HMI 操作面板 • 电气柜 主CPU 串口 串口 • 数 • 据 • 地 • 址 • 总 • 线 PLC 双端口 RAM I/O CPU 伺服系统 运动控制 模块 双端口 RAM CPU 伺服系统 共享存储器多微处理器结构的CNC装置 b

  35. 3.1 CNC装置的硬件结构 3. 多微处理器数控系统的特点 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。

  36. 3.1 CNC装置的硬件结构 4. 多微处理器数控系统的发展 现场总线式数控系统

  37. 3.1 CNC装置的硬件结构 现场总线式的数控系统的特点： 1）独立式HMI(Human Machine Interface) 常用的独立式HMI采用通用（工业）PC，利用通用操作系统（如Windows、WinCE、Linux等）平台，构建数控系统的HMI，通过串行通信、现场总线与NC系统相连。 利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放性。 便于和其它软件连接（如CAM、网络等）。 与NC的连线简单，安装方便。

  38. 3.1 CNC装置的硬件结构 2）操作面板具有CPU 机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于很多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到NC（或PLC）的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机控制，通过串行通信和NC相连。大大节约了连线成本，提高了运行的可靠性。 3）PLC采用独立CPU 嵌入式PLC采用系统CPU，通过分时软件，实现I/O控制功能。结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。 因此，对于高性能加工中心，PLC控制点数多，程序量大，PLC采用独立的CPU，设计成独立的PLC(模块)，通过串行通信或双端口RAM和系统CPU实现数据通信和数据共享，进而实现NC和PLC的协调工作。

  39. 3.1 CNC装置的硬件结构 4）采用全数字化控制 各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其CPU 广泛采用高速DSP，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法的实现； 原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数(包括电流环、速度环、位置环参数)由数控系统HMI 设置管理，便于各轴伺服匹配。 5）实时网络接口 各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。

  40. 3.1 CNC装置的硬件结构 • 按硬件的设计与制造方式 传统专用型数控系统 开放式数控系统 • 一、传统专用型数控系统 • 硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性； • 经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着大量市场； • 为了保护各自的权益，CNC 具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等； • CNC 系统的软、硬件对用户都是封闭的。 • 上述缺陷造成了CNC 系统使用和维护的不便，也限制了数控系统的集成和进一步发展。

  41. 3.1 CNC装置的硬件结构 二、开放式CNC装置 1. 开放式CNC装置的特点 • 开放式数控系统采用通用计算机及其配套模块组成，使CNC 系统标准化、模块化； • 便于系统的智能化（操作、编程等）、数据共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）和系统扩展(功能扩展、平台扩展、重构)，以及系统的系列化、可兼容和升级换代。 • 可大幅度降低系统的研制和制造费用，提高用户设备和资源的利用率以及数控产品的市场竞争力，满足现代制造业发展的需要。

  42. 3.1 CNC装置的硬件结构 2. 开放式CNC装置的结构形式 • PC嵌入NC型 即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。如FANUC公司的16i/18i/21i系统、Siemens840D系统、Num1060系统等 • NC嵌入PC型 即运动控制器+PC型 即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。如华中数控、 基于固高/DELTA TAU运动控制卡的数控系统、日本MAZAK 公司的MAZATROL640CNC。 • 全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。美国MDSI 公司开发的Open CNC 、德国Power Automation 公司的PA8000 NT。

  43. 第三章 数控系统的硬件与软件 3.1 CNC装置的硬件结构 3.2 CNC装置的软件结构 • 3.3 插补原理与算法 • 3.4 刀具补偿原理 • 3.5 速度与加减速控制 • 3.6 数控机床参数

  44. 3.1 CNC装置的软件结构 3.2.1 数控系统软件功能模块 基本功能 控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能等 工作过程

  45. 数控装置 控制软件模块 键盘及显示 管理软件模块 G功能处理 工作循环控制 运动控制 监控诊断 中断控制 PLC处理 系统初始化 系统程序调度 加工程序编辑 梯形图编辑 机床参数 通信功能 文件管理 3.2 CNC装置的软件结构 • 软件功能模块

  46. 工作循环控制 手动 MDI 自动 返回参考点 译码 预处理 按钮手动 手轮手动 运动控制 段执行控制 PLC 运动控制 插补 刀补 3.2 CNC装置的软件结构 1. 控制软件模块

  47. 3.2 CNC装置的软件结构 运动控制 监控诊断 PLC处理 位置反馈 位置控制 加减速控制 伺服特性测试 伺服优化 I/O监控测试 系统自检诊断 机床状态诊断 I/O状态刷新 梯形图执行 NC通信模块

  48. 主程序 低级中断 高级中断 中断控制 中断级别控制 中断向量 中断嵌套 中断允许控制 3.2 CNC装置的软件结构 中断程序有固定的程序入口地址（中断向量），通过特定的硬件触发，自动跳转到相应的中断入口，每个中断程序相当与一个独立运行的程序线程。 主控程序可通过中断允许标志来控制中断的响应与否。

  49. 系统程序调度 系统初始化 硬件检测 硬件初始化 机床参数读入 系统变量初始化 参数传递 系统节拍控制 任务管理 中断管理 界面切换 共享数据传递 3.2 CNC装置的软件结构 2. 管理软件模块

  50. 机床参数 通信功能 轴参数 通道参数 伺服参数 控制参数 补偿参数 系统参数 串行通信 网络通信 软件模块间数据通信 多CPU模块通信 3.2 CNC装置的软件结构

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