数控技术第4章计算机数字控制系统.docVIP

第4章 计算机数字控制系统 4.1 概述 前章已经述及，CNC系统是在传统硬结构数控（NC）的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件和硬件的合理配合完成数据系统的输入、数据处理、插补运算和信息输出，控制数控机床的执行部件运动，实现所需零件的加工。 此外，现代数控系统采用PLC取代了传统的机床电气逻辑控制装置（即继电器控制电路），利用PLC的逻辑运算功能实现诸如主轴的正、反转及停止，换刀，工件的夹紧、松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等各种开关量的控制。 4.2 计算机数字控制装置的硬件结构 20世纪70年代中期，采用中小规模集成电路为基础的硬结构数控开始被采用小型计算机作为硬件基础的CNC所替代，这标志着数控技术由硬结构数控进入了CNC时代。由于CNC的出现，机床数控装置发生了巨大的变化，体积缩小了，功能扩大了，可靠性也大幅提高了。由于在70年代后期出现了微处理器，80年代初随之出现了以微处理器为基础的CNC系统，如日本的FANUC和德国的SIEMENS 7系列，之后又出现了采用Intel 8086 CPU的FANUC 3/6系列和SIEMENS 3/8系列的CNC。到80年代后期，CNC已达到了相当高的水平。随着计算机技术的发展以及用户对CNC功能要求的不断提高，CNC的硬件结构从单CPU结构发展到多CPU结构，并出现了以个人计算机为基础的开放式CNC结构。在下面的章节里将介绍CNC装置的单微处理器结构、多微处理器结构和开放式CNC结构。 4.2.1 单微处理器结构 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，对存储、插补运算、输人输出控制、CRT显示等功能进行集中控制和分时处理。一个微处理器通过总线与存储器、输入输出（Ｉ／O）接口及其它接口相连，构成整个CNC系统，其结构框图如图4-1所示。早期的CNC系统和当前的一些经济型CNC系统都采用单微处理器结构。 1．微处理器 微处理器是CNC装置的中央处理单元，它能实现数控系统的数字运算和管理控制，由运算器和控制器两部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算。在运算过程中，运算器不断地从存储器中读取数据，并将运算结果送回存储器保存起来。通过对运算结果的判断，设置寄存器的相应状态（进位、奇偶和溢出等）。控制器则从存储器中依次取出程序指令，经过译码后向数控系统的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，以执行指令。控制器是数控系统的中央机构，它一方面向各个部件发出执行任务的指令；另一方面接收执行部件发回的反馈信息。控制器根据程序中的指令信息和反馈信息，决定下一步的指令操作。 图4-1 单微处理器结构框图 目前CNC装置中常用的有8位、16位、32位和64位的微处理器，可以根据机床实时控制和处理速度的要求，按字长、数据宽度、寻址能力、运算速度及计算机技术发展的必威体育精装版成果选用适当的微处理器。如日本的FANUC-15／16 CNC系统选用Motorola公司的32位微处理器68020作为其控制CPU。 2．总线 在单微处理器的CNC系统中常采用总线结构。总线一般可分为数据总线、地址总线、和控制总线三组。数据总线为各部分之间传送数据，数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双方向线。地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单方向线。控制总线传输的是一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单方向线。 3．存储器 CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。ROM一般采用可擦除的只读存储器（EPROM），存储器的内容由CNC装置的生产厂家固化写入，即使断电，EPROM中信息也不会丢失。若要改变EPROM中的内容，必须用紫外线抹除之后重新写入。RAM中的信息可以随时被CPU读或写，但断电后，信息也随之消失。如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。 4．输入/输出（I／O）接口 CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入（Input）和输出（Output）接口电路来完成。信号经接口电路送至系统寄存器的某一位，CPU定时读取寄存器状态，经数据滤波后作相应处理。同时CPU定时向输出接口送出相应的控制信号。I/O接口电路可以起到电气隔离的作用，防止干扰信号引起误动作。一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。 5．位置控制器 CNC装置中的位置控制器主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制。坐标轴控制是数控机床上要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动和位置的精度有严格要求，在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。对于主轴的控制，要求在很宽的范围内速度连续可调，并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。在某些高性能