1、第五章數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成，5.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)5.2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)5.3數(shù)控系統(tǒng)中的通信接口5.4 FANUC數(shù)控系統(tǒng)5.5西門子數(shù)控系統(tǒng)5.6開放式數(shù)控系統(tǒng)的思考與實(shí)踐，5.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，5.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的功能因應(yīng)用場合不同而不同，但總體結(jié)構(gòu)大致相同。圖5-1顯示了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，主要由以下幾個(gè)部分組成：(1)3360微機(jī)主要包括中央處理器、可編程只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等電路。(2)驅(qū)動(dòng)器：由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)通常是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中的動(dòng)力步進(jìn)電機(jī)。(3)開關(guān)控制電路：負(fù)責(zé)將機(jī)床側(cè)的輸入輸出開關(guān)和機(jī)床操作面板與微機(jī)連接，包括執(zhí)

2、行M、T、S指令。(4)主軸控制：由主軸電機(jī)和主軸驅(qū)動(dòng)裝置組成。(5)通信接口：一般指RS232C接口，完成數(shù)控系統(tǒng)與微機(jī)之間的通信。(6)軟件系統(tǒng)：由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。5.1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1。微機(jī)型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的選擇通常采用單片機(jī)作為主控微機(jī)，如英特爾8031、8098等。就目前情況而言，選擇8098作為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)合理，因?yàn)樗倪\(yùn)行速度是8031的56倍。然而，8031位處理功能非常強(qiáng)大，非常適合開關(guān)控制。存儲(chǔ)器的擴(kuò)展存儲(chǔ)器可分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。通常，程序存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)系統(tǒng)的監(jiān)控程序和控制程序，不需要用戶修改。經(jīng)常使用EPROM存儲(chǔ)器，如2764或27256芯

3、片。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶程序、中間參數(shù)、計(jì)算結(jié)果等。以及諸如6264或62256的芯片。3.并行接口芯片8255A常用于輸入輸出接口電路，以擴(kuò)展系統(tǒng)中輸入輸出端口的數(shù)量，8279用于控制鍵盤顯示。至于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)，一般由單片機(jī)本身的資源提供。4.輔助電路輔助電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路、解碼電路、復(fù)位電路等。驅(qū)動(dòng)電路主要采用單向驅(qū)動(dòng)芯片244和雙向驅(qū)動(dòng)芯片245；解碼電路主要包括38解碼器138；復(fù)位電路主要包括上電復(fù)位和按鈕復(fù)位，或者兩者的組合復(fù)位電路。5.1.3外圍電路1。輸入輸出通道輸入輸出通道應(yīng)充分考慮電平匹配、緩沖/鎖存和信號(hào)隔離等因素，以防止信號(hào)丟失和引入干擾。信號(hào)隔離通常采

4、用光電隔離，設(shè)計(jì)簡單，成本低，信號(hào)隔離可靠。圖5-2和圖5-3顯示了常用的光電隔離輸入電路和輸出電路。圖5-2開關(guān)輸入電路(a)弱電接點(diǎn)輸入電路；高壓觸點(diǎn)輸入電路，圖5-3開關(guān)輸出電路(一)繼電器輸出；大功率晶體管或雙向晶閘管輸出；2.步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)主要包括高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)等。3.主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)包括DC驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)中的微機(jī)根據(jù)數(shù)控程序中的S指令獲得主軸轉(zhuǎn)速給定值，并將給定值傳送給主軸驅(qū)動(dòng)裝置。采用交流變頻時(shí)，給出頻率的方式主要有兩種，一種是模擬值，另一種是數(shù)字值。當(dāng)轉(zhuǎn)速由模擬量給出時(shí)，微機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、隔離、放大、濾波后送至變頻器；當(dāng)轉(zhuǎn)速由數(shù)字量給出時(shí)，可通

5、過8255A直接輸出，隔離后送至變頻器。5.1.4軟件結(jié)構(gòu)1。輸入數(shù)據(jù)處理程序(1) Input :主要是指用戶在操作面板上輸入控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)和處理程序，一般通過鍵盤直接輸入，所以軟件的功能主要是讀取和存儲(chǔ)字符。(2)解碼：在輸入的加工程序中，有零件的輪廓信息、所需的加工速度和一些輔助信息(如主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、換刀、切削液開和關(guān)等)。)。這些信息必須在微計(jì)算機(jī)執(zhí)行內(nèi)插操作和控制操作(即解碼)之前轉(zhuǎn)換成機(jī)器能夠識(shí)別的代碼。在軟件設(shè)計(jì)中，編譯經(jīng)常被用來完成解碼。(3)數(shù)據(jù)處理：主要包括刀具補(bǔ)償、速度計(jì)算和輔助功能處理。插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算是一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的程序，算法很多，所以我們應(yīng)該根據(jù)系

6、統(tǒng)的需要選擇合適的算法，努力實(shí)現(xiàn)脈沖在各個(gè)坐標(biāo)軸上的最優(yōu)分布。3.速度控制程序速度控制與插補(bǔ)運(yùn)算密切相關(guān)，輸入指令中給出的速度一般是指各坐標(biāo)軸的合成速度。在速度處理中，將合成速度分解為每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方向的子速度，然后通過軟件延時(shí)或定時(shí)器實(shí)現(xiàn)速度控制。速度控制程序決定插補(bǔ)運(yùn)算的時(shí)間間隔，插補(bǔ)運(yùn)算的輸出結(jié)果控制各坐標(biāo)軸的進(jìn)給。4.系統(tǒng)管理診斷程序(1)管理程序：的本質(zhì)是系統(tǒng)監(jiān)控程序，主要負(fù)責(zé)鍵盤顯示的監(jiān)控、中斷信號(hào)的處理以及各功能模塊的協(xié)調(diào)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)程序的并行處理，數(shù)據(jù)輸入處理可以在插補(bǔ)運(yùn)算和速度控制的空閑時(shí)間完成，從而大大提高了程序的實(shí)時(shí)性。(2)診斷程序：主要包括系統(tǒng)的自診斷(如啟動(dòng)運(yùn)行前檢

7、查系統(tǒng)各部件的功能是否正常)和運(yùn)行診斷，并能在故障發(fā)生后給出相應(yīng)的報(bào)警信息，以幫助維修人員快速找到故障原因，便于故障診斷和維修。圖5-4是單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成。目前，系統(tǒng)選用最常見的MCS-51系列8031單片機(jī)，擴(kuò)展了2764EPROM、6264SRAM、8255A并行io端口和74HC244并行IO端口。在系統(tǒng)中，2764EPROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件。6264內(nèi)存用于存儲(chǔ)處理程序和數(shù)據(jù)，并具有掉電保護(hù)，確保數(shù)據(jù)不丟失；8031芯片中的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)緩沖和堆棧；74HC244用于手動(dòng)開關(guān)輸入；8255A用于切換命令、步進(jìn)電機(jī)控制、狀態(tài)檢測(cè)和刀架分度等。P1端口具有強(qiáng)大的位選擇功能，

8、作為聲光報(bào)警、中斷擴(kuò)展查詢等輔助輸入輸出功能。在人機(jī)界面中，采用英特爾8279芯片作為鍵盤顯示界面。8279使用硬件自動(dòng)控制鍵盤和顯示器。在系統(tǒng)中斷處理方面，外部中斷入口INT1用于8279鍵盤輸入中斷；INT0用于實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)、暫停和極限報(bào)警功能的實(shí)時(shí)處理。在該系統(tǒng)中，具有三個(gè)輸入的與非門74HC10的輸出被用作連接到INT0的公共中斷信號(hào)源。在步進(jìn)電機(jī)控制方面，8255A功放端口輸出的信號(hào)送到功率放大電路后，分別控制X軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分布由軟件實(shí)現(xiàn)，其控制方式采用三相六拍系統(tǒng)。當(dāng)三相繞組以A-AB-B-BC-C-CA的順序通電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)，反之，如果以A-A

9、C-C-CB-BA的順序通電，則可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)。TO用于頻率控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。在通信接口方面，系統(tǒng)采用RS-232C串行標(biāo)準(zhǔn)與微機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)串行端口上的TTL電平信號(hào)由MC1488/1489芯片轉(zhuǎn)換成RS-232C電平，然后連接到PC機(jī)。如果編制了復(fù)雜的零件加工程序，而手工編程又重又容易出錯(cuò)，可以用PC機(jī)進(jìn)行自動(dòng)編程，然后通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)數(shù)控系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)采用單穩(wěn)態(tài)電路CC4098實(shí)現(xiàn)硬件看門狗功能，其輸出與復(fù)位電路相連圖5-5系統(tǒng)程序框圖，5.2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)，5.2.1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)1的基本組成部分。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)一般由程序輸入輸出設(shè)備、通信設(shè)備、微機(jī)系統(tǒng)、可編程

10、控制器、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測(cè)組成，如圖5-6所示。圖5-6標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)的基本組成，2。模塊功能(1)微機(jī)控制系統(tǒng)。微機(jī)控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它實(shí)時(shí)控制數(shù)控系統(tǒng)的主要信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，微機(jī)控制系統(tǒng)的中央處理器芯片已經(jīng)從8086逐漸發(fā)展到80586、P等。并從單微處理器系統(tǒng)發(fā)展到多微處理器系統(tǒng)。(2)可編程邏輯控制器?？删幊炭刂破鞯闹饕δ苁菍?shí)現(xiàn)輔助功能，如M、S、T等。其控制方式主要是開關(guān)控制。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中可編程控制器的配置方式，可分為內(nèi)置可編程控制器和外置可編程控制器?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般采用內(nèi)置的可編程控制器。(3)主軸控制模塊。主軸控制模塊的主要任務(wù)是控制主

11、軸速度和主軸定位?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)大多采用交流電機(jī)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置是變頻器。數(shù)控系統(tǒng)只需向變頻器輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速和定位的控制。(4)進(jìn)給伺服控制模塊。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給軸的控制要求很高，這直接關(guān)系到機(jī)床的位置控制精度。進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般由兩個(gè)控制環(huán)節(jié)組成：速度控制和位置控制。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)位置控制單元的信息，處理并輸出控制信號(hào)，通過速度控制單元完成速度控制。(5)檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊完成主軸和進(jìn)給軸的位置檢測(cè)。檢測(cè)裝置主要包括光電編碼器和光柵尺等。其功能是用主軸控制模塊和進(jìn)給軸控制模塊完成位置控制。(6)輸入、輸出和通信模塊。輸入輸出模塊完成程序的輸入輸出，通信模塊傳輸人機(jī)界面

12、所需的各種信息。5.2.2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)1的硬件結(jié)構(gòu)。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在單微處理器結(jié)構(gòu)中，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)中央處理器，由集中控制和分時(shí)處理控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5-7所示。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)如下：(1)數(shù)控設(shè)備只有一個(gè)中央處理器，控制存儲(chǔ)器、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出控制、程序輸入、陰極射線管顯示等。由這個(gè)中央處理器完成。(2)中央處理器通過地址、數(shù)據(jù)和控制三條總線與各控制單元相連，完成信息交換。(3)由于系統(tǒng)是單一的中央處理器結(jié)構(gòu)，其功能和速度受微處理器本身性能的影響，具有一定的局限性。圖5-7單微處理器結(jié)構(gòu)框圖，2。多微處理器結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)控機(jī)床的總?cè)蝿?wù)分成子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)由一

13、個(gè)獨(dú)立的微處理器控制。系統(tǒng)通過子任務(wù)間的協(xié)調(diào)完成對(duì)機(jī)床的控制。1)多微處理器體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與單微處理器體系結(jié)構(gòu)相比，多微處理器體系結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)高性能價(jià)格比。(2)模塊化結(jié)構(gòu)。2)多微處理器數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多微處理器數(shù)控裝置主要由數(shù)控管理模塊、數(shù)控插補(bǔ)模塊、位置控制模塊、可編程控制器模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊組成。有兩種主要類型的結(jié)構(gòu)：共享總線結(jié)構(gòu)和共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)。(1)共享總線結(jié)構(gòu)。在以系統(tǒng)總線為中心的多微處理器結(jié)構(gòu)中，所有的主模塊和從模塊都被插入到總線插槽中，共享嚴(yán)格定義的總線標(biāo)準(zhǔn)，并且系統(tǒng)總線有效地將模塊連接在一起，以根據(jù)需要交換數(shù)據(jù)和控制信息。在系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只有一個(gè)

14、主模塊可以占用總線，這將導(dǎo)致主模塊之間的總線競爭。仲裁電路通常用來解決這個(gè)問題。多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖5-8所示。圖5-8多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖，(2)共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，多端口存儲(chǔ)器通常用來實(shí)現(xiàn)微處理器之間的連接和信息交換，多端口控制邏輯電路用來解決訪問沖突。結(jié)構(gòu)框圖如圖5-9所示。圖5-10為雙端口存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，配備兩組數(shù)據(jù)、地址和控制線，可由兩個(gè)端口訪問，訪問優(yōu)先級(jí)已預(yù)先安排。當(dāng)同時(shí)訪問兩個(gè)端口時(shí)，內(nèi)部硬件電路決定其中一個(gè)端口具有優(yōu)先訪問權(quán)。圖5-9多微處理器共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖，圖5-10雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖，5.2.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，1。多任務(wù)并行處理

15、1)作為一個(gè)獨(dú)立的控制單元，數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)數(shù)控系統(tǒng)必須完成管理和控制兩大任務(wù)，系統(tǒng)的管理軟件主要包括輸入、輸入輸出處理、通信、顯示和診斷等程序。系統(tǒng)的控制部分包括解碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制、開關(guān)量控制等軟件。這些程序具有很高的實(shí)時(shí)性要求，通常用作前臺(tái)程序。圖5-11是數(shù)控系統(tǒng)的軟件功能分解圖，反映了數(shù)控系統(tǒng)軟件的多任務(wù)處理。圖5-11數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)分解，在許多情況下，一些管理和控制工作必須同時(shí)進(jìn)行。例如，為了使操作人員及時(shí)了解數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)插補(bǔ)處理運(yùn)行時(shí)，軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí)，它自己的

16、一些處理模塊也必須同時(shí)運(yùn)行。例如，為了確保加工過程的連續(xù)性，刀具不會(huì)在程序段之間停止，解碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必須與插補(bǔ)模塊同時(shí)運(yùn)行，而插補(bǔ)程序必須與位置控制程序同時(shí)運(yùn)行。這些都表明數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)在執(zhí)行過程中存在并行處理關(guān)系。2)數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)并行處理(1)資源的分時(shí)共享。根據(jù)“分時(shí)”原則，資源共享使多個(gè)用戶能夠按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。通常，通過這種方式，每個(gè)任務(wù)何時(shí)占用CPU以及每個(gè)任務(wù)占用CPU時(shí)間多長是要解決的前兩個(gè)問題。在數(shù)控系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)使用的中央處理器是通過循環(huán)旋轉(zhuǎn)和中斷優(yōu)先級(jí)的組合來解決的。圖512顯示了數(shù)控系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)共享的中央處理器的時(shí)間分配圖。圖5-12中央處

17、理器分時(shí)和中斷優(yōu)先級(jí)(一)中央處理器分時(shí)；(b)中斷優(yōu)先級(jí)：完成初始化任務(wù)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入時(shí)間分配周期，并在循環(huán)中依次處理每個(gè)任務(wù)。對(duì)于具有高實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)排隊(duì)是根據(jù)實(shí)時(shí)性要求執(zhí)行的，它們被放置在不同的中斷優(yōu)先級(jí)上進(jìn)行服務(wù)。在這種結(jié)構(gòu)中，環(huán)中的任務(wù)作為后臺(tái)程序，總是不間斷地執(zhí)行，而環(huán)外的任務(wù)，即中斷服務(wù)程序，可以隨時(shí)中斷環(huán)中的任務(wù)并被執(zhí)行。每個(gè)任務(wù)占用CPU的時(shí)間在一定程度上是有限的。通常，對(duì)于一些占用更多CPU時(shí)間的任務(wù)，如插值準(zhǔn)備，可以在程序的某些地方設(shè)置斷點(diǎn)。當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)時(shí)，中央處理器會(huì)自動(dòng)釋放出來讓其他任務(wù)占用，然后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到斷點(diǎn)，在下一次運(yùn)行時(shí)繼續(xù)執(zhí)行。(2)資源重疊流水線。資源重疊是基于流水線處理技術(shù)的，流水線處理技術(shù)使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，并依次使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)處于自動(dòng)工作模式時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程將由四個(gè)子過程組成：零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備(包括解碼、刀具補(bǔ)償和速度處理)、插補(bǔ)和位置控制。如果每個(gè)子過程的處理時(shí)間是t1、t2、t3和t4，那么部分程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間T將是：T=