数控系统的基本结构.docx
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数控系统的基本结构
第二讲数控系统的基本结构
数控系统由基本硬件及控制软件组成。
目前各数控厂家的产品可以归纳为两种风格：
一种是采用专用硬件，其控制软件简单；另一种是采用通用硬件，其控制软件复杂。
一、基本硬件构成
数控系统（CNC）基本硬件通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能控制接口等部分组成，如图2—1所示。
FANUC0i数控装置构成框图如图2—2所示。
FANUC3MA数控装置构成框图如图2—3所示。
、微机基本系统
通常微机基本系统是由CPU、存储器（EPROM、RAM）、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。
1、CPU
CPU是整个数控系统的核心，常见的中低档数控系统基本上采用8位或16位CPU，如8088／8086、8031等。
随着CPU系统向高精度方向发展，要求其最小设定单位越来越小，同时又要求CPU系统能满足大型机床的需要，当最小设定单位是1μm时，16位二进制数所表示的最大坐标为－32.767～＋32.767mm，这显然是不够的，而采用32位二进制数时，最大坐标范围约为－2000～＋2000m，因此数控系统一般采用24位二进制数，其坐标范围为－8388.607～＋8388.607mm。
因此选用8位CPU就需要三个或四个字节运算，这就严重影响了运算速度，当最小设定单位为0.1μm时，这个问题将更加严重。
因此现代数控系统大多采用16位或32位的CPU，以满足其性能指标，如采用8位CPU，则为多CPU结构。
例如FANUC15、SIEMENS840、FAGOR8050等系统均为32位CPU，而FAGOR8025系统则采用8位多CPU结构。
2、EPROM
EPROM用于固化系统控制软件，数控系统的所有功能都是固化在EPROM中的程序的控制下完成的。
在数控系统中，硬软件有密切的关系，由于软件的执行速度较硬件慢，当CPU功能较弱时，则需要专用硬件解决问题或采用多CPU结构。
现代数控系统常采用标准化及通用化总线结构，因此不同的机床数控系统可以采用基本相同的硬件结构，并且系统的改进及扩展十分方便。
在硬件相对不变的情况下，软件仍有相当大的灵活性。
扩充软件就可以扩展CNC的功能，而且软件的这种灵活性有时会对数控系统的功能产生极大的影响。
在国外，软件的成本甚至超过硬件。
例如FANUC3T及3M的差别仅在EPROM中的软件，FANUC3M二轴半联动变为三轴联动也仅需要更换EPROM中的软件。
3、RAM
RAM中存放可能改写的信息，在图2—4中，除中断堆栈存放区和控制软件（系统）数据暂存区外，均有后备电池掉电保护功能，即当电源消失后，由电池来维持RAM芯片电压，以保持其中信息，其原理示意如图2—5所示。
现在大量使用的CMOS半导体RAM芯片如62648（8K），62256（32K），628128（128K），其维持功耗很低。
如日立HM628128芯片，其电源电压大于2V即可维持信息不丢失，并且维持电流小于lμA左右，这就大大延长了电池的使用寿命。
图2—4数控系统RAM区分配示意图
图2—5RMA芯片掉电保护示意图
4、定时器及中断控制器
定时器及中断控制器用于计算机系统的定时控制及多级中断管理。
、接口
1、人机界面接口
数控系统的人机界面包括以下四部分：
键盘（MDI）：
用于加工程序的编制以及参数的输入等。
显示器（CRT）：
用于显示程序、数据以及加工信息等。
操作面板（OPERATORPANEL）：
用于对机床进行操作。
手摇脉冲发生器（MPG）：
用于手动控制机床坐标轴的运动，类似普通机床的摇手柄（图2—6）。
（1）键盘在数控系统中亦称为MDI（ManualDataInput）面板或数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于编制加工程序、修改参数等。
键盘的接口比较简单，及通常的计算机一样大多采用扫描矩阵原理。
FANUC0-TD的数控面板如图2—7所示。
（2）数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容是不同的。
在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，而加工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。
有些数控系统还具有图形模拟功能，这时显示器则显示模拟加工过程的刀具走刀路径，可以检查加工程序的正确及否。
现代数控系统已大量采用高分辨率彩色显示器或液晶显示器，显示的图形也由二维平面图形变为三维动态图形；
（3）操作面板又称机床操作面板，不同的数控机床由于其所需的动作不同，所配操作面板也是不同的。
操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉。
FANUC0-TD的机床操作面板如图2—8所示。
图2—7FANUC0-TD的数控面板
图2—8FANUC0-TD的机床操作面板
2、通信接口
通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，因此及外设以及上级计算机的连接很方便。
高档数控系统还具有RS485、MAP以及其它各种网络接口，从而能够实现柔性生产线FMS以及计算机集成制造系统CIMS。
3、进给轴的位置控制接口
实现进给轴的位置控制包括三个方面的内容：
一是进给速度的控制，二是插补运算，三是位置闭环控制。
插补方法有基准脉冲法及采样数据法。
基准脉冲法就是CNC系统每次插补以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法的进给速度及控制精度较低，主要用于开环数控系统。
而采样数据法计算出给定时间间隔内各坐标轴的位置增量，同时接收机床的实际位置反馈，根据插补所得到的命令位置及反馈位置的差来控制机床运动，因此采样数据法可以根据进给速度的大小来计算一个时间间隔内的位置增量。
只要CPU的运算速度较快，给定时间间隔选择得较小，就可以实现高速、高精度的位置控制。
进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。
模拟量输出接口采用数模转换器DAC（一般为十二位至十六位），输出模拟电压的范围为－10～＋10V，用以控制速度伺服单元。
模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。
位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件（如光电编码器）所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。
此接口还具有失线检测功能，任意一根反馈信号的线断了都会引起失线报警。
在进行位置控制的同时，数控系统还进行自动升降速处理，即当机床启动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。
对于一般机床可采用较为简单的直线线性升降速处理，对于重型机床则需使用指数升降速处理，以便使速度变化平滑。
4、主轴控制接口
主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。
当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需要S、M、T接口实现有级变速。
为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速，这可以利用辅助功能M41～M44和主轴模拟量控制配合完成。
主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。
图2—9FANUC0i系列各组成单元的构成
5、MST控制接口
数控系统的MST功能是通过开关量输入／输出接口完成（除S模拟量输出外）。
数控系统所要执行的MST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床及强电箱的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。
MST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中一般采用可编程控制器（PLC）来实现MST功能。
FANUC0i系列各组成单元的构成如图2—9所示。
二、数控系统控制软件的功能及结构
、控制软件的结构
数控系统控制软件常采用两种结构，一种是前后台型结构，另一种是中断型结构。
对于前后台型软件结构，其软件可划分为两类，一类是及机床控制直接相关的实时控制部分，其构成了前台程序。
前台程序又称实时中断服务程序，它是以一定周期定时发生的，中断周期一般小于10ms。
另一类是循环执行的主程序，称为后台程序，后台程序又称背景程序。
前后台程序的结合构成了数控系统的控制软件。
在前后台型软件结构中，后台程序完成协调管理、数据译码、预计算数据以及显示坐标等无实时性要求的任务。
而前台程序完成机床监控、操作面板状态扫描、插补计算、位置控制以及PLC可编程控制器功能等实时控制。
前后台软件的同步及协调以及前后台软件中各功能模块之间的同步，通过设置各种标志位来进行。
由于每次中断发生，前台程序响应的途径不同，因此执行时间也不同，但最大执行时间必须小于中断周期，而两次中断之间的时间正是用来执行背景主程序的。
除初始化程序之外，各功能模块安排在不同级别的中断服务程序中无前后台之分，只有级别的差别。
根据数控系统常用的操作功能，其软件一般分为各功能模块。
、数控系统的功能
1、系统管理功能
用于系统各功能模块的管理及调度。
2、加工程序的管理及编辑
数控系统RAM区中存有所有加工程序的目录，每个目录项包括程序名、起址、终址、字节数等信息。
通过目录区可以对加工程序进行管理。
可以对零件加工程序进行删除、更名、复制、编辑等操作。
在编辑时如果对某些数控指令的含义不清楚，还可以利用系统的提示及帮助功能。
3、参数设置
在参数设置模块中，可以对各种参数进行设置。
数控系统中大致有四类参数。
（1）刀具参数
数控系统具有刀具长度补偿及半径补偿功能。
以数控车床系统为例，其刀具参数表如图2—10所示。
其中：
X值为刀具沿X轴的长度偏置；Z值为刀具沿Z轴的长度偏置；T值为刀尖的补偿方向，代码（0～9）；R值为刀具的刀尖圆弧半径。
（2）G53～G59参数G53～G59在数控编程中用于坐标系的零点偏置，其偏置值相对于机床坐标系的零点。
其参数表如图2—11所示。
图2—10刀具参数表
图2—11G53～G59坐标参数表
（3）丝杠的间隙及螺距误差表
在半闭环及开环数控系统中，传动链的间隙直接影响加工精度，因此须测量出各轴的传动间隙，并置入数控系统，由系统对间隙进行自动补偿。
此外，数控系统可对丝杠全行程上的螺距误差进行补偿，螺距误差补偿表如图2—12所示，X为相对机床零点的坐标值，ΔX为相应点的误差。
该表中的误差值可由激光干涉仪测出，该坐标轴在运动时数控系统会按表中的误差值自动进行补偿。
由于机床参考点是系统开机后寻找的坐标系中的基准点，因此在机床参考点上误差为零。
图2—13为X轴螺距误差曲线。
（4）系统控制参数
系统控制参数涉及的范围很广，当配接不同的机床时，系统控制参数要做相应的改变。
如图2—14所示，其数据为8位二进制数。
图2—148位二进制系统控制参数
4、手动操作及调整
（1）坐标轴的移动控制
坐标轴的移动控制有三种方式：
连续移动
例如，按下操作面板上的+X，X坐标则朝正方向连续移动，直至松开+X。
移动的速度由F指令和速度倍率开关控制，如F＝1000mm／min，倍率为50％，则移动速度为500mm／rain。
点动
按一下操作面板上的轴移动按钮，相应轴则移动一个固定的点动量，一般选择为1、10、100或1000／μm。
手摇脉冲发生器移动
首先选择要移动的轴，然后系统即可根据手摇脉冲发生器的移动方向和发出的脉冲个数控制相应轴的移动。
可选择手摇脉冲发生器一个脉冲所对应的机床移动量为l、10、100或1000μm。
（2）手动MST功能的控制
在手动调整中，可以单独指定执行某一M、S、T功能，M、S、T功能在数控机床中是由继电器网络或PLC可编程控制器实现的。
（3）机床坐标系的建立及返回参考点
数控系统的许多功能，如软极限行程保护（或称存储行程极限）、螺距误差补偿、G53～G59零点偏置、换刀点等，都是定义在机床坐标系下的，因此对机床零点（机床参考点）的精度要求很高。
机床坐标系是通过系统执行返回参考点来建立的，在参数区中可以设置每个轴机床零点及参考点的位置。
因此，采用增量式位置编码器的数控机床，开机后应首先执行返回参考点的动作，从而建立机床坐标系。
而采用绝对式位置编码器的机床，机床参考点一次性调整好后，每次开机不需要进行回参考点的操作。
5、零件的自动加工
通过键盘和通信接口将准备好的零件加工程序送入数控系统，然后就可启动零件的自动加工功能，该功能是数控系统的核心。
零件自动加工的控制流程如图2-15所示。
用户输入的数控加工程序存在内存RAM中，其格式是自由的，字符也是按ASC'码或者EIA码存放的，因此必须将它们进行整理和分类，并转换成系统内部约定的格式，对数据则要进行分析及解释。
在此过程中，信息量无任何增加或减少，这是系统控制程序内部格式的需要。
分析及解释后，加工程序中的M、S、T功能由系统传至PLC可编程控制器，由PLC完成其控制，其实现方法及手动调整中相同。
对运动功能，则需对加工轨迹进行刀具长度及半径补偿，补偿后的刀具中心轨迹经过插补运算和传动间隙补偿，即可得到每个控制周期各轴的进给量，位置控制软件根据此进给量来控制电动机的进给，从而完成加工任务。
零件的自动加工可分为连续运行和单段运行，其差别在于：
单段运行方式中数控系统每次仅执行一个程序段，必须再次按循环启动键后，才能执行下一个程序段，而在连续运行方式中程序是连续执行的。
6、空运行及加工图形模拟
该功能用于验证加工程序的正确性。
空运行时数控系统可以有几种执行方式：
（1）只执行加工程序的G功能；
（2）系统完整地执行程序，但以最大进给率快速移动坐标轴；
（3）系统完整地执行程序，但不移动坐标轴，也不考虑刀具补偿。
数控系统的图形模拟功能可将刀具的运行轨迹在显示器上显示出来，直观地检查程序。
7、数控系统的自诊断及开关I／O诊断功能
数控系统在执行所有功能时，都不断地对其自身是否正常工作进行诊断，一旦发现异常，立即产生报警，并停止系统的运行。
报警可分为如下几类：
（1）计算机系统报警
奇偶校验错，除法溢出、超时等。
（2）伺服单元报警
过流、超速、过压、过热等。
（3）位置控制报警
反馈失线、跟随误差过大等。
（4）机床报警
软硬极限超程、急停、螺纹切削超程等。
（5）由于编程或操作错误而引起的错误指示，此项不属于系统故障。
数控系统都有一张错误及报警代码表，应区别哪些代码是由于编程或操作错误而引起的提示，哪些是由于系统故障而引起的报警。
为便于检查及调试，数控系统还提供对其开关I／O的检查功能。
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