2023年CNC装置的硬软件结构（教学课件）.ppt

C N C 本章内容本章内容 第四章第四章 计算机数字控制装置计算机数字控制装置 CNCCNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNCCNC装置的软件结构装置的软件结构 可编程控制器可编程控制器PLCPLC 典型的典型的CNCCNC系统简介系统简介 C N C 4.1 4.1 概述概述 一、一、CNC系统功能：系统功能：CNC系统是一种位置系统是一种位置轨迹轨迹控制系统，以多执控制系统，以多执行部件行部件(各运动轴各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调的位移量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。的计算机控制系统。二、二、CNC系统组成：系统组成：程序、输入装置、输出装置、程序、输入装置、输出装置、CNC装置、装置、PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。从外部特征来看，从外部特征来看，CNC系统是由硬件系统是由硬件通用硬件通用硬件和专用硬件和专用硬件和软件和软件专用专用两大局部组成的。两大局部组成的。C N C 面板控制单元 主轴电机 进给伺服电机 电子手轮 I/O模块 机床控制面板 CNC键盘 驱动系统 4.1 4.1 概述概述 C N C 1、组成：、组成：中央处理单元中央处理单元CPU和总线、存储器和总线、存储器ROM、RAM、输入、输入/输出输出I/O接口及相应的外设、接口及相应的外设、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元。主轴控制单元、速度进给控制单元。磁带 软盘 CRT/LED 磁带机 磁盘驱动器 MDI键盘 操作控制面板 上位机/编程机 外部存储器 I/O 接 口 电 路 I/O 缓 冲 与 接 口 通 道 CPU RAM ROM 机 床 位 置 控 制 机床 逻辑 控制 与 检测 开关量/数控量 出 开关量/数控量 入 位置检测 A/D 入 D/A 出 速 度 控 制 电 动 机 AB DB CB 4.1 4.1 概述概述 C N C 2、中央处理单元、中央处理单元CPU和总线和总线BUS 1)中央处理单元中央处理单元CPU 计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存存放器计算机系统的核心，由运算器、控制器和内存存放器组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。组成，用于逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。2)总线总线BUS 总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间总线是微机各部件间进行通信的通道，微机各部件间的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线的数据传输只有通过总线才能实现。分为三种信号线 1.地址总线：传送地址信息的通道。地址总线：传送地址信息的通道。2.数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数数据总线：传送数据信息的通道，数据线的数量决定了数据传送、运算和处理的规模。量决定了数据传送、运算和处理的规模。3.控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设控制总线：地址总线和数据总线分别是外部设备和备和CPU之间传送地址信息和数据信息的通道。控制之间传送地址信息和数据信息的通道。控制总线是完成各种控制功能的通道。总线是完成各种控制功能的通道。4.1 4.1 概述概述 C N C 3、存储器、存储器 memory 1)功用功用：存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中存储系统软件、参数和零件加工程序，并将运算的中间结果和处理后的结果存储起来。间结果和处理后的结果存储起来。2)种类种类：半导体存储器半导体存储器 3)分类分类：随机存取存储器：随机存取存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM 串行存储器串行存储器 双极型 MOS型 固定ROM掩膜ROM 一次性可编程ROMPROM 光可擦除可编程ROMEPROM 电可擦除可编程ROME2PROM 存储系统软件 存放工作参数、加工程序 4.1 4.1 概述概述 C N C 4、输入、输入/输出输出I/O接口电路及相应的外部设备接口电路及相应的外部设备 1)I/O接口接口 接口电路是接口电路是CPU与外部设备之间的连接电路。与外部设备之间的连接电路。CNC装装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。分输入接口、输出装置中的数据送给输出设备。分输入接口、输出接口、双向接口。接口、双向接口。2)I/O接口功能接口功能 把外设送往把外设送往CNC的信息转换成的信息转换成CPU能接受的格式；能接受的格式；把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式把数控系统送往外设的信息转换成外设能接受的格式 在在CNC与外设间起缓冲作用与外设间起缓冲作用平衡信号电平和传输速平衡信号电平和传输速率率 4.1 4.1 概述概述 C N C 3、I/O接口接口 o人机界面接口人机界面接口 o通信网络接口通信网络接口 o进给轴的位置控制接口进给轴的位置控制接口 o主轴控制接口主轴控制接口 oMST控制接口控制接口 键盘键盘MDIMDI 显示器显示器CRTCRT 操作面板操作面板 手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器 4.1 4.1 概述概述 C N C 例：例：MDI接口框图接口框图 译码驱动器 移位寄存器 控制选通 检查报警 选择器 门电路 移位寄存器 RAM RC电路 C1 C2 键盘 定时控制 门电路 沿检测 RC电路 门电路 RC电路 门电路 DIN SRI-N 4.1 4.1 概述概述 C N C 4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 CNC系统的硬件结构，系统的硬件结构，按其中含有按其中含有CPU的多少可分为：的多少可分为：单微处理机结构和多微处理机结构；单微处理机结构和多微处理机结构；按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构。大板结构和模块化结构。C N C 一、单微处理机结构和多微处理机结构一、单微处理机结构和多微处理机结构 1、单微处理机结构、单微处理机结构 整个整个CNC装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控制和管理整，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功功能。能。主从结构，系统中只有一个主从结构，系统中只有一个CPU(称为主称为主CPU)对系对系统的资源有控制和使用权，其它带统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，的功能部件，只能接受主只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主的控制命令或数据，或向主CPU发发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以附属出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以附属地位的，故称之为主从结构。地位的，故称之为主从结构。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 2、多微处理机结构、多微处理机结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器过总线仲裁器(由硬件和软件组成由硬件和软件组成)来解决总线争来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。用问题，通过公共存储器来进行信息交换。特点：特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作统重组仍可断继续工作 结构形式结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。：共享总线结构型、共享存储器结构型。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 共享存储器结构共享存储器结构 显示CPU 键盘 中央CPU 插补CPU 串口和收发器 CTRC 并 行 接 口 反馈脉冲处理 EPROM EPROM RAM/EPROM 512 RAM RAM 512 字符 发生器 CRT 模拟量输出 机床接口 反馈信号收发器 X Y Z C W 4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 结构特征：结构特征：面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。口存储器冲突的矛盾。由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的由于多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器双双端口端口RAM。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C FANUC BUS 操作面板 图形显示 模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储 器模块 插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控 制模块 CRT/MDI I/O单元 伺服驱动单元 主轴单元 FANUC 15系统硬件结构系统硬件结构 4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 结构特征：结构特征：o 功能模块分为带有功能模块分为带有CPU或或DMA的主模块和的主模块和从模块从模块(RAM/ROM，I/O模块模块)，o 以系统总线为中心，所有的主、从模块都以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上，插在严格定义的标准系统总线上，o 采用总线仲裁机构采用总线仲裁机构(电路电路)来裁定多个模块同来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题时请求使用系统总线的竞争问题。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 二、大板式结构与功能模块式结构二、大板式结构与功能模块式结构 1 1、大板式结构、大板式结构 CNCCNC装置由主电路板、图形控制板、装置由主电路板、图形控制板、PLCPLC板、位置控制板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。板插槽内。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 2 2、功能模块式结构、功能模块式结构 将将CPUCPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板部件等分别做成插件板硬件模块硬件模块，相应的软件，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成构成CNCCNC装置。装置。4.2 CNC4.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 C N C 4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件 一、一、CNCCNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能 1 1、组成、组成 CNCCNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由作系统，该操作系统由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软控制软件两局部组成。件两局部组成。操作系统操作系统 管理软件管理软件 控制软件控制软件 零零件件程程序序管管理理 显显示示处处理理 输输入入输输出出管管理理 机机床床输输入入输输出出 位位置置控控制制 故故障障诊诊断断处处理理 插插补补运运算算 主主轴轴控控制制 编编译译处处理理 刀刀具具补补偿偿.C N C 4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件 一、一、CNCCNC系统软件的组成与功能系统软件的组成与功能 1 1、组成、组成 CNCCNC系统软件和硬件的分工是不固定的。系统软件和硬件的分工是不固定的。输 入 预处理 位置检测 插补运算 位置控制 速度控制 伺服电机 程序 硬件 硬件 硬件 硬件 硬件 软件 软件 软