第七章数控系统硬软件及相关技术.ppt

第七章 数控系统 硬软件及相关技术,数控系统必须在硬件和软件的密切配合下才能实现各种功能 根据数控系统的需要，存在多种硬件结构和软件结构 随着现代计算机的硬件、软件技术的飞速发展，数控系统的功能也在不断地完善和增加,第一节 数控系统硬件结构,硬件总体,由三大部分构成： 微机部分 外围设备部分 机床控制部分,微机部分,CPU EPROM RAM 定时器 中断控制器等部分构成。,外围设备部分,外围设备主要通过各种接口与数控系统联系。其 中包括： a与键盘连接的键盘接口； b与显示器连接的显示器接口； c与机床操作面板连接的操作面板接口； d与手摇脉冲发生器连接的脉冲发生器接口； e与计算机外设连接或与上位机连接的通讯接口等,机床控制部分,包括对机床进给轴的位置的控制： 进给速度的控制； 插补运算； 位置闭环控制）； 对主轴转速的控制：实现对主轴变速的控制； 对主轴的位置的控制：主轴的准停功能 用于机床主运动是刀具的旋转运动时的换刀； 主轴切削螺纹时防止乱扣； 与进给轴之间的严格速比关系； 辅助功能信息（主要是一些开关量MST）等,接口电路,这些装置与CNC的联系是通过各自的接口 电路来实现的。主要有以下一些接口电路 ： a进给轴控制接口：模拟量输出接口，工 作台位置反馈接口。 b主轴控制接口：模拟量输出接口，主轴 位置反馈接口。 c辅助功能信息接口：开关量输入接口， 开关量输出接口,短接棒和软件参数,为了增加CNC适应不同型号、不同规格机床的要求，适应各种系统的配置，并使系统的某些控制功能最大限度地发挥出来，各种数控系统都有一定的参数设定和确认功能。即 为CNC装置各模板的PCB上短接棒硬件设定和软件参数设定,短接棒和软件参数,短接棒和软件参数可设定和确认的系统参数有： 关于系统配置方面的设定 存储器容量和地址范围指定； I/O接口地址设置； 系统配置的轴数和轴名； 检测元件的种类指定； 是否配置了PLC的确认等,短接棒和软件参数,关于输入、输出信号的设定 输入、输出信号的有效跳变沿指定 串行通讯时的波特率和帧格式 关于主轴和运动轴的设定 主轴低速档指定 最小移动单位、米/英制选择 轴加减速的时间常数 轴运动速度上限和低速限定 各运动轴参考点距机床原点的坐标值 各移动轴正负方向运动坐标极限指定,短接棒和软件参数,关于补偿的设定 各运动轴的螺距误差补偿曲线设定 反向间隙补偿设定 关于检测信号的设定 反馈信号类型 分辨率,随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种,整体式结构,是把 CRT 和 MDI 面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内 优点：结构紧凑，便于安装 缺点：有时可能造成某些信号连线过长。,分体式结构,通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接 许多 CNC 机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同，操作面板相应地要改变，做成分体式的有利于更换和安装,CNC 操作面板,CNC 操作面板在机床上的安装形式： 吊挂式 床头式 控制柜式 控制台式等多种,从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构： 大板式结构 模块化结构,大板式结构,特点：一个系统一般都有一块大板，称为主板； 主板上装有主 CPU 和各轴的位置控制电路等； 其他相关的子板 ( 完成一定功能的电路板 ) ，如 ROM 板、零件程序存储器板和 PLC 板都直接插在主板上面，组成 CNC 系统的核心部分。 优点：结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有 很高的性能 / 价格比，也便于机床的一体化设计 缺点：硬件功能不易变动，不利于组织生产,总线模块化的开放系统结构,特点： 将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 称为硬件模块 ) 甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块 相应软件也是模块结构，固化在硬件模块中 硬软件模块形成特定的功能单元（功能模块） 功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可交换信息,优点,可积木式组成 CNC 系统， 设计简单 有良好适应性和扩展性 试制周期短 调整维护方便 效率高,按CNC装置硬件的制造方式，CNC装置可分为专用型结构和个人计算机式结构,专用型结构,硬件由厂家专门设计制造 布局合理 结构紧凑 专用型强 硬件彼此之间不能交换和替代，无通用性,个人计算机式结构,以工业PC机作为CNC装置的支撑平台 由机床厂根据CNC需要，插入控制卡，装入软件，构成相应CNC装置 特点： 与一般PC机兼容，易于实现升级换代 抗干扰和抗恶劣环境能力强 满足用户对硬件通用性的要求,从 CNC 系统使用的微机及结构来分， CNC 系统的硬件结构一般分为： 单微处理机 多微处理机 结构两大类。,发展情况,初期的 CNC 系统和现有一些经济型 CNC 系统采用单微处理机结构。 而多微处理机结构可以满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入 FMS 和 CIMS 运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平。,单微处理机结构,仅一个微处理机，实行集中控制，分时处理数控的各个任务 结构特点如下： CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控制分时处理。 微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置。 结构简单，容易实现。 正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。,多微处理机结构,多微处理机结构的CNC是把机床数字控制这个总任务划分为子任务(也称为子功能模块)。 硬件方面： 以多个微处理机配以相应的接口形成多个子系统 把划分的子任务分配给不同的子系统承担 由各子系统之间的协调动作完成数控,多微处理机结构,两个或两个以上的微处理机构成多个子系统 子系统之间采用紧耦合 有集中的操作系统，共享资源 或者有两个或两个以上的微处理机构成的功能模块 功能模块之间采用松耦合 有多重操作系统有效地实现并行处理,多微处理机结构,注意： 有的CNC装置虽有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源； 而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器； 它们组成主从结构，故应归于单微处理机的结构中,多微处理机结构特点,性能价格比高 每个微处理机各完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序，比单微处理机结构提高了计算处理速度，适应了多轴控制、高精度、高进给速度、高效率要求。由于系统资源共享，而单个微处理机价格又较便宜，使性价比大为提高 采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性 将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板 ( 即硬件模块 ) ，相应软件也是模块结构，使设计简单，试制周期短，结构紧凑，具有良好的适应性和扩展性,多微处理机结构特点,可靠性高 由于每个微处理机分管各自任务，形成若干模块。即使某个模块出故障，其他模块仍照常工作，不像单微处理机那样，一旦出故障，整个系统将瘫痪。而更换插件模块较方便，可使故障对系统的影响减到最小程度；由于资源共享，省去一些重复机构，使造价降低，也提高了可靠性。 硬件易于组织规模生产 由于一般硬件是通用的，易配置；只要开发新的软件就可构成不同的 CNC 系统，便于组织规模生产，形成批量，且保证质量,多微处理机CNC装置的典型结构,多微处理机组成的CNC装置中，可据具体情况合理划分其功能模块： CNC管理模块 CNC插补模块 位置控制模块 PC模块 操作和控制数据输入输出、显示模块 存储器模块 这6种功能模块组成。,多微处理机CNC装置的典型结构,若需要扩充功能，再增加相应的模块。这些模块之间互连与通信是在机柜内耦合，典型的有共享总线和共享存储器两类结构,共享总线结构,所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享严格设计定义的标准系统总线 系统总线的作用 把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完整系统，实现预定功能。,共享总线结构,只有主模块有权控制使用系统总线 由于某一时刻只能由一个主模块占有总线，必须要有仲裁电路来裁决多个主模块同时请求使用系统总线的竞争 每个主模块按其担负任务的重要程度已预先安排好优先级别的顺序。 总线仲裁的目的，也就是在它们争用总线时，判别出各模块优先权的高低。,共享总线结构,这种结构模块之间的通信，主要依靠存储器来实现 大部分系统采取公共存储器方式。 公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问。 使用公共存储器的通信方式双方都要占用系统总线，可供任意两个主模块交换信息,多微处理机共享总线结构,这种结构中的多微处理机共享总线时会引起“竞争”，使信息传输率降低，总线一旦出现故障，会影响全局。但因其结构简单，系统配置灵活，无源总线造价低等优点而常被采用。,共享存储器结构,这种多微处理机结构，采用多端口存储器来实现各微处理机之间的互联和通信。 由多端口控制逻辑电路来解决访问冲突。 由于同一时刻只能有一个微处理机对多端口存储器读或写，所以功能复杂而要求微处理机数量增多时，会因争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。,共享存储器结构,配有两套数据、地址和控制线，可供两个端口访问，访问优先权预先安排好 两个端口同时访问时，由内部硬件裁决其中一个端口优先访问。,双端口存储器结构框图,共享存储器结构,多微处理机共享存储器结构框图,(三) 单微处理器结构和多微处理器结构 1 分布式多微处理器系统结构,2 主/从式多微处理器系统结构,3 总线式多微处理器系统结构,第二节 数控系统接口电路,数控系统接口电路,开关量输入/输出接口 模拟量输入/输出接口 数字通信接口 标准计算机输入/输出设备接口,开关量输入/输出接口,开关状态的闭合与断开 指示灯的亮和灭 继电器或接触器的吸合和释放 电动机的启动和停止 晶闸管的通和断 阀门的打开和关闭 脉冲信号的计数和定时信号,以二进制逻辑 “0”或“1”出现,开关量的电气接口形式,CMOS电平 TTL电平 非TTL电平 开关或继电器触点信号,TTL电平标准 输出 L： 2.4V。 输入 L： 2.0V TTL器件： 输出低电平要小于0.4V，高电平要大于2.4V 输入，低于0.8V就认为是0，高于2.0就认为是1 CMOS电平： 输出 L： 0.9*Vcc。 输入 L： 0.7*Vcc.,典型开关量I/O模板,有三部分组成： 总线接口逻辑 输入缓冲器和输出缓冲器 I/O电气接口,总线接口逻辑,主要完成对总线信号进行缓冲和驱动 对地址进行译码，产生输入端口的译码信号和输出端口的译码信号,输入缓冲器和输出缓冲器,输入缓冲器接收由外部输入的信号，等待微处理器将这些输入信号取走 输出缓冲器锁存微处理器向外部输出的信号并向外部输出,I/O电气接口,信号调理电路，完成滤波、电平转换、电气隔离、功率驱动 外部信号的输入可能引起瞬时高电压干扰、过电压、接触抖动、接口噪声，电气接口可采用去抖动、滤波、电平转换、电气隔离等措施 驱动电路可选TTL电平三态门输出电路、开路集电极（OC门）输出电路、达林顿阵列驱动电路、晶闸管,模拟量输入接口,被测模拟量输入接口A/D转换接口电路 被测模拟量经信号调理后，输入模拟量输入接口，由A/D转换器转换为数字量后，才能为数控装置的计算机控制电路所接受； 模拟量输出接口D/A转换接口电路 CNC送往执行机构的控制信号经D/A转换和信号调理后送往执行机构,转换接口电路,输入、输出电压信号 05V，0±5V，0±10V 输入、输出电流信号 010mA，420mA,模拟量输入接口组成及原理,多路开关 采样保持器 A/D转换器 数据缓冲器 CNC内部总线接口逻辑,模拟量输入接口组成及原理,采用分时多路工作方式 系统控制多路开关选择一路信号 接通的信号经采样保持器后送至A/D转换器 A/D转换器转换成二进制码后存在数据缓冲器中，供其它模块使用 总线接口逻辑对总线信号进行缓冲和驱动，对地址译码，实现通道选择和数据缓冲器中数据的输入,模拟量输出接口组成及原理,CNC内部总线接口逻辑 通道选择器 D/A转换器 信号调理电路,模拟量输出接口组成及原理,总线接口逻辑对要输出地数据进行缓冲 送到各路D/A转换器的输入端 由通道选择器产生的选通信号选择一个通道 该通道数据由D/A转换器转换为模拟量 送往信号调理电路 调理电路对信号进行变换，送往执行机构,常见的数字通信接口,RS-232,RS-232,电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口 通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现,RS-232C,RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，C代表RS232的最新一次修改（1969） 规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 常用物理标准还有EIA RS-422A、EIA RS-423A、EIA RS-485 目前PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口,RS-232C的机械特性,建议使用25针的D型连接器，也可使用9针连接器DB-9,RS-232C引脚定义,2个数据信号：发送TXD；接收RXD 1个信号地线：SG 6个控制信号： DSR 数传发送准备好，Data Set Ready。 DTR 数据终端准备好，Data Terminal Ready。 RTS DTE请求DCE发送（Request To Send）。 CTS DCE允许DTE发送（Clear To Send），该信号是对 RTS信号的回答。 DCD 数据载波检测（Data Carrier Detection），当本地 DCE设备（Modem）收到对方的DCE设备送来的载波信号时， 使DCD有效，通知DTE准备接收， 并且由DCE将接收到的载波 信号解调为数字信号， 经RXD线送给DTE。 RI 振铃信号（Ringing），当DCE收到对方的DCE设备送来 的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知DTE已被呼叫。,RS-232C的电气特性,对于数据（信息码）： 逻辑“1”（传号）的电平低于-3V； 逻辑“0”（空号）的电平高于+3V； 对于控制信号； 接通状态(ON )即信号有效的电平高于+3V； 断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V； 也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义,RS-232C 与TTL转换,EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同 为能同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换 实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片： MC1488、SN75150可完成TTLEIA的转换 MC1489、SN75154可实现EIA TTL的转换 MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换,RS232远程发送数据的工作过程,如图所示为RS232C在异步传输方式下的连接方法，其中DTE为微型计算机，DCE为MODEM，使用25针的D型连接器,电源,发送电路,接收电路,检测和控制电路,DTE,DCE,保护地SHG,信号地SIG,发送数据TXD,请求发送RTS,允许发送CTS,接收信号线检测DCD,接收数据RXD,数据传输设备就绪DSR,数据终端就绪DTR,振铃指示RI,RS232远程发送数据的工作过程,当终端有数据发送时，置DTR线为“ON”，通知本地MODEM，终端已处于通信就绪。 本地MODEM响应，置DSR为“ON”， MODEM 接入线路，准备好通信 终端置RTS线为“ON”，通知本地MODEM准备发送数据,RS232远程发送数据的工作过程,本地MODEM检测到RTS线为“ON”后，即通过电话线发一载波信号给远程MODEM，通知远程MODEM准备接收数据 同时置CTS线为“ON”，告诉终端已准备好接收要发送的数据。 远程MODEM检测到载波后，置DCD线为“ON”，通知远程计算机准备接收数据,RS232远程发送数据的工作过程,若是呼叫过程，远程MODEM检测到载波，则置RI线为“ON” 终端检测到CTS线为“ON”后，由TXD线发送数据，并用RXD线接收远程计算机发来的数据 终端数据发送完后，置RTS线为“OFF”，通知本地MODEM发送结束,RS232远程发送数据的工作过程,本地MODEM检测到RTS为“OFF”后，停止向电话线发送载波，并置CTS线为“OFF”作为回答 远程MODEM检测不到载波后，置DCD和RI线为“OFF”，恢复原始状态 终端置DTR为“OFF”，通知本地MODEM拆线 本地MODEM检测到DTR为“OFF ”，将其DSR线置为“OFF ”，同意拆线,输入输出信号连接与调试,（一）开关量信号连接 开关量信号类型： 直流、交流 有源、无源 有触点、无触点等,开关量信号连接注意事项,不管CNC装置输入信号是什么种类，需设计相应电路将其转换成标准电平或脉冲信号 开关量输出电路中，当被控对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载，或是工作电压（或电流）输出信号最大允许值的直流负载，应： 第1步：先驱动24V中间继电器； 第2步：直接驱动负载或者用触点控制强电线路中的功率接触器,开关量信号连接注意事项,中间继电器线圈一定要并联保护二极管，并注意二极管的方向 原因：继电器线圈相当于大电感，当线圈断电时，二极管可为电流提供释放回路，否则易烧坏驱动电路 为提高抗干扰能力，弱电信号线与强电信号线在线槽中分别走线 在交流接触器线圈两端要就近并联灭弧装置。交流电动机的每相之间也要用灭弧装置。,模拟量输出信号连接注意事项,模拟量输出信号直接连到进给轴和主轴驱动器时，需用屏蔽电缆传输，且屏蔽层一端接外壳（即接地），传输信号线尽可能端，屏蔽线非屏蔽部分不得50mm 驱动单元输入阻抗10K 控制进给驱动的模拟量输出应与驱动单元配合，使得当模拟量为±99.5V时，电动机以G00转速旋转,模拟量输出信号连接注意事项,许多机床主轴驱动的正反转切换是通过M03/M04完成，故主轴控制电压需选择单极性（0+10V）还是双极性（ 0±10V ）,位置反馈输入信号,位置检测组件 光电脉冲编码器 旋转变压器 直线光栅 直线感应同步器,半闭环,全闭环,位置反馈输入信号,不同检测元件与CNC接口不同 同一种CNC装置只能接一种或两种位置传感器,注意事项一,位置传感器至CNC的连接电缆不应过长，且选择屏蔽电缆，不可与强电信号线同槽 原因：位置传感器检测信号受到干扰，会使CNC系统产生错误修正，这是无法重新修正回来的,位置反馈输入信号,注意事项二,位置反馈输入信号,宜采用较粗的线或两根以上的线连接电源（减小连线电阻），或者将电源电压调高一些（抵消传输压降） 原因：连接电源时，传输线较长，会有衰减,注意事项三,手轮信号,手轮又称脉冲发生器（MPG） 工作原理： MPG每转输出100个方波脉冲信号，分为相位相差900的A、B两相，通过四根线（+5V，GND，A，B）与CNC相连 CNC通过判断A、B信号相位超前或滞后来判断MPG的正反转，通过检测MPG所发脉冲个数来控制坐标轴移动的距离,硬件调试注意事项,所有接线接好后进行调试，注意如下问题： 仔细阅读外部设备和CNC装置的接口说明书，核对每一个信号和连线是否符合要求； 特别注意不同公司的伺服驱动装置，其构成反馈回路的形式不同，其中包括速度环和位置环的构成以及位置信号的获取 位置传感器的选择应与机械传动、位置分辨率以及CNC装置内部倍频数的设定一起考虑,硬件调试注意事项,检查所有接地线是否符合说明书的要求，特别要注意安全地的连接； 检查电路交/直流电源是否有短路现象 调查电路板上的短接棒、电位器等相应位置 先手动操作，检查伺服系统跟随误差是否过大报警，一切正常后转入自动运行状态 根据现场实测值调整零漂补偿值 调整伺服系统最高运行速度值 调整伺服系统位置环增益值（设置为变增益控制）,先检查后上电 先组件后整机 先手动后自动,第三节 数控系统软件结构,一、数控系统中软件所承担的任务,控制 预处理模块 插补计算模块 位置控制模块 PLC模块 管理协调各模块有序工作 管理着NC代码从输入、预处理、插补、位置控制等全过程，以及系统参数设置、刀具参数设置、NC编辑、人机交互、诊断、通信、联网等,CNC系统软件特点,多任务性 实时性 例： CNC装置正在加工中，为保证加工连续性，各NC代码段的预处理、插补、位置控制和辅助控制任务要实时完成； 为使操作人员及时了解和干预CNC工作状态，系统在执行加工任务时还应及时进行人机交互； 为及时检查和预报各种故障，要及时运行故障诊断程序； 及时完成通信等任务。,多任务、并行处理技术,并行处理 计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作,硬件：由多个微处理器分别实现CNC系统的一些实时功能，各个处理器 并行地运行各自的实时任务,软件：分时的并行处理技术 多重中断的并行处理技术,分时的并行处理技术,允许一个处理器同时完成多个任务 各个任务按其需要时间的长短被分割成一个个子任务，系统用时间片轮转的方式处理和完成各项任务，即 按某种轮换次序给每个任务分配一段CPU时间，处理各子任务,分时的并行处理技术,要求 保证每个任务的合理响应时间 例如 一个NC代码段的预处理需在该程序段被加工之前完成,分时的并行处理技术,缺点 有些任务不能按轮换次序等待，实时性不好,多重中断的并行处理技术,实时，是指在一个确定的有限的时间里对外部产生的随机事件作出响应，并在确定的时间里完成这种响应或处理 对于数控系统这样的有实时性要求、且各任务互相交错并发的多任务控制系统，可采用多重中断的并行处理技术,多重中断的并行处理技术,各种实时任务被安排成不同优先级别的中断服务程序 在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行,软件总体结构,前后台型软件结构 多重中断型软件结构 功能模块型软件结构,单微处理器,多微处理器,前后台型软件结构,前后台型软件结构适合于集中控制的单微处理器结构数控装置。 前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时功能，如位置控制、插补计算、辅助功能处理和面板扫描等。 后台程序主要完成准备工作，包括输入、译码、插补准备及管理等，通常称为背景程序。背景程序是一个循环程序，在运行过程中不断插入实时中断服务程序，前后台程序相互配合完成加工任务,多重中断型软件结构,根据数控系统功能的相对独立性，按实时性的高低，将它们分别归并入不同级别的中断服务程序中，从而组成一个嵌套的多重中断型软件系统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。 除了开机初始化外，NC代码输入、预处理、插补、辅助功能实现及位置伺服控制，通过键盘、机床操作面板和CRT等交互设备进行的数据输入、输出和显示等各种功能子程序均被安排在级别不同的中断服务程序中，整个软件是一个大的多重中断嵌套系统。,功能模块型软件结构,功能模块型软件结构适合于多微处理器CNC装置 每个微处理器分管各自任务，形成特定的功能模块，相应软件也模块化，形成功能模块软件结构，固化在对应的硬件功能模块中 各功能模块之间具有明确的硬、软件接口，从而构成一个实时性很强的多任务并行处理系统,第四节 数控系统 采用的软件技术,任务的分析说明 软件需求分析 总体设计 详细设计 编程、单元测试与综合测试 运行及维护,一 软件开发方法,任务的分析及说明,确定完成的总目标 分析任务的难度、工作量、现有基础和环境 确定工程的可行性和实施方案 确定技术指标 签订合同,软件需求分析,确定系统软硬件要求 确定软件系统功能 确定用户界面形式,总体设计,系统设计 确定系统的具体实现方案 确定软件开发环境 结构设计 划分系统组成模块 确定各组成模块功能及通信接口,详细设计,按各组成模块的功能，确定各个模块的处理过程 对目标系统精确描述，确定数据结构,编程、单元测试、综合测试,用确定语言编程，从模块到整体依次进行调试、测试和连接,运行及维护,通过各种必要的维护使系统持久地满足用户要求,二 人机交互处理技术,工作模式的选择、调试、运行管理和维护 用户输入命令、数据 CNC系统向用户提供系统运行状态 CNC向用户进行信息反馈 出现操作错误和系统故障时，报警,（一）交互设备,数控面板（由CRT显示和MDI键盘所组成） 机床操作面板和手轮 鼠标,机床操作面板上的按键和开关,操作方式的选择（手动、自动/单段等）、系统启动、系统复位、急停等系统控制按键和开关 刀具夹紧/松开、工件夹紧/松开、切削液供给等由机床厂自由分配的按键和开关 运动轴的选择、运动方向选择等轴运动控制按键和开关 影响进给速度和主轴转速的旋转开关和按键,（二）常见用户界面操作形式,程序控制界面 数据输入界面 交互输出界面,程序控制界面,接收用户命令，完成对数控系统运行的控制 形式： 命令语言 菜单 窗口 直接控制,命令语言形式,形式灵活，占用屏幕少 命令语言难以学习和记忆，易出现操作错误,菜单形式,减轻了用户的学习记忆负担，是目前数控系统使用最广泛的交互形式,窗口形式,能同时显示多进程多任务的运行情况 20世纪80年代计算机人机界面技术的一个重要成果,直接操作界面形式,WIMP W：窗口 I：图标 M：菜单 P：鼠标器 图形用户界面与面向对象编程相结合的一项技术,数据输入界面,问答式输入速度慢 填表输入 菜单选择输入输入数据受限制，编程繁琐 直接操作输入输入数据受限制，编程繁琐,交互输出界面,响应信息 对用户提供的操作请求、命令等信息作出响应 提示信息 提示用户系统现在在做什么，以及下步将做什么 运行信息 将系统运行结果信息以文字、图形、声音等方式提供给用户的出错信息 出错信息 当用户操作或系统运行出错时向用户提供出错或报警信息 帮助信息 数控系统向用户提供的操作使用方法等信息,尽量把交互过程的所有信息 都显示出来， 在显示内容和形式上 尽量做到美观、生动和可靠,（三）人机交互对输入信息的处理,简单情形 人机交互处理模块仅与一个交互输入设备通信 输入设备已知 交互处理模块给提示等待用户输入信息,（三）人机交互对输入信息的处理,定时询问方式 交互输入设备有多个 人机交互模块无法预知用户何时使用输入设备 定时询问 周期性地检查各个输入设备的状态，在有输入的情况下，接收相关数据或转到相应的操作处理,（三）人机交互对输入信息的处理,中断方式 为各种交互输入设备分配不同的优先级，当用户操作某一输入设备时，相应设备主动向CNC系统请求中断 优点： CNC系统程序可一直处于工作状态； 一些随机的需要及时处理的事件能通过中断机制得到处理 缺点： 对多个输入设备，需增加许多中断源，使中断处理复杂化,（三）人机交互对输入信息的处理,事件队列方式 每个来自于交互输入设备的操作构成一个事件 每个事件记录了产生事件的设备名和输入信息 按事件发生前后顺序排队，构成事件队列，等侯逐个处理 事件队列在内存中可看做是一个环行缓冲区，数据结构类似于循环队列,（四）用户界面设计工具,Borland C+ Visual Basic Visual C+ Power Builder,三 监测和诊断技术,监测过程包括状态获取和状态比较两方面 状态获取： 对被控设备和过程的参数及特征值的采集和再现； 状态比较： 实际状态与给定状态的比较。通过比较，可对系统运行边 界值和运行趋势进行检查,监测策略,由监测目标确定有关监测时间因素 由经济性因素选择自动化程度、监测位置和监测分辨率 选择测量对象、测量量以及表现特征、测量原理 选择传感器 确定监测结果的描述形式,监测与诊断的关系,监测是诊断的依据 诊断充分利用监测中获取的状态和状态比较的结果，判断可能出现的和已出现的故障，分析故障原因，对故障定位,诊断对象,机床有关部件 数控系统硬件 数控系统软件 加工过程,对机床的诊断,各种液压、气压及温度阀 刀具专用夹具 导轨 承受大负载的部件 各种开关逻辑关系和闭锁情况 进给电动机和主轴电动机,数控系统软硬件诊断,对数控系统中各硬件模块和软件模块功能检查和诊断,加工过程的诊断,加工过程中的一些过程变量进行检查 如切削力、刀具磨损等情况,诊断的实现,借助系统自诊断功能实现 形式 可分布在各数控功能程序中 可为独立的诊断功能模块 常驻在CNC程序中 作为备用软件，在需要时装入CNC,注意事项,对加工过程常采用过程调节的方法,原因： 这类故障会导致停机、甚至人身伤害 加工受随机的各种干扰影响，难以预料机床 和刀具是否过载、加工如何进行 为了安全，采用了保守的加工用量，使设备 效率未充分发挥 为充分利用机床，对加工过程的诊断以预防 为主，采用按自适应控制原理开发的过程调节的方法， 监测故障趋势，及时调节系统，避免故障发生,故障诊断过程,机床操作者 根据经验，按系统提供的监测和诊断信息，及操作说明和故障消除说明，测试并找到故障源 维修人员 利用厂家提供的技术资料、测试和诊断程序包、仪器和经验 通信诊断 由厂家服务中心通信诊断程序进行诊断 厂家维修服务人员 厂家派遣具有专业知识和经验的维修人员，通过专用测试仪器和丰富的诊断程序包，查出故障,自诊断方法和技术,传统的自诊断方法和技术 启动诊断 在线诊断 离线诊断 新型诊断方法和技术 自修复技术 通信诊断 诊断指导专家系统,启动诊断,指CNC从上电开始到正常运行阶段进行的诊断 诊断内容 核心单元（主模块） 存储器（工作存储器和数控加工程序存储器） 位置伺服接口和伺服装置 I/O接口 DNC接口 CRT/MDI数控面板单元 标准外部输入/输出设备,启动诊断,诊断内容 各模块、设备以及芯片是否插装到位 规格型号是否正确 电源温度 通风装置 电网电压 带电保护存储器的电池,启动诊断,核心单元诊断 对CPU采用硬件的方法进行CPU时钟监测，时钟超时，LED报警； 对系统程序存储器，采用检验和检查，即顺序累加所有单元的二进制数据，舍弃向高位的进位，将余数（即实际检验和）与标准检验和进行比较，若不一致，说明有故障,启动诊断,存储器诊断 对工作存储器，装入特定测试程序并运行之，若不能正常运行，说明有故障 对数控加工程序存储器，通过比较写入和再读出的数据进行检查，若比较结果不一致，说明有故障,启动诊断,开关量I/O接口诊断 对开关量I/O接口，采用自闭路方法检查： 将I/O接口与外部电路和设备脱开 接一测试电阻板 将每个输入电路与一个输出电路通过一个电阻连接成闭环 运行专用测试程序 使信息从输出电路输出 检查与之相连的输入电路返回信息的响应时间和准确性； 若响应时间太长、无响应或响应不正确，即存在故障,启动诊断,位置伺服接口和伺服装置诊断 方法：每隔一定时间通过位置伺服接口对伺服装置进行一次静 态和动态检查、轨迹监测 静态检查伺服装置无驱动信号时漂移情况的检查 动态检查在无负载时，使进给电动机和主轴电动机高速运行，计算在一定时间和一定电流作用下，电动机的拖动距离和转速值，检查其与实际的相符情况 轨迹监测使机床工作台运行各种给定位置，用测量探头代替刀具，或采用激光干涉仪，测出各种位置偏差,启动诊断,数控面板诊断 通过各种操作输入，观察系统响应情况来检查 通信接口诊断 检验通信过程是否超时，通信数据域的检验和是否正确，传输的G、M功能是否为系统所允许,在线诊断,指CNC在正常工作情况下，通过系统内部的诊断程序和相应的硬件环境，对系统运行的正确性检查,在线诊断,可编程控制器的在线诊断 数控机床的开关过程和开关状态 扫描周期检查 限位开关、液压、气压、温度阀的工作状态检查 换刀过程检查 各种开关量的逻辑关系和闭锁情况检查,在线诊断,CNC装置的在线诊断 各数控功能和伺服系统的监测，包括： 对所运行的数控加工程序的正确性检查 对伺服状态的检查 对工作台运行范围的检查 对各种过程变量（刀具磨损、切削力等）的自适应调节等,离线诊断,由经过专门训练的人员完成 在CNC系统停止运行系统程序时，把专用诊断程序输入到CNC内部，以诊断程序取代系统程序运行，诊断出故障 场所：设备现场，CNC维修中心，CNC制造厂,离线诊断,PLC逻辑分析器 在数控面板的显示器上显示出可编程序控制器内部和输入/输出接口信号时序图 轨迹记录器 机床运行时存储某一时间段机床状态数据 所有信息显示在窗口中。当有干扰时，窗口定住,自修复技术,CNC系统在数控装置内设置了备用模块，并具有自修复程序 备用模块在正常情况下不参与运行 自修复程序在CNC系统每次开机时执行；有故障模块时，自动找出备用模块，取代故障模块,通信诊断,CNC维修中心通过网络、通信等手段，向用户发送诊断程序，同时指导用户进行测试，将收集到的测试诊断数据发送回维修中心，由维修中心判断故障所在和解决问题,诊断指导专家系统,也称人工智能诊断技术和方法 有两部分组成：知识库 推理机 知识库存储着专家分析、判断故障的原因、消除故障的经验和知识 推理机对知识库中的规则进行解释，并运行向后推理程序，寻找故障原因和消除故障的方法 具有两个用户层：专家层 使用者层,第五节 数控系统通信与网络技术,概述,CNC要与各种系统和设备进行信息交换，完成加工任务。信息的交换涉及到许多通信方面的知识。例如： 通信的方式（并行和串行） 通信时的同步问题 计算机网络通信时的有关标准和协议问题 通信设备与传输媒体的通信接口问题 总线,现场总线网,现场总线是一种串行通信链路，它在现代制造系统中适用于设备控制层和执行层之间及设备控制层和单元层之间的数据通信 特点 通信协议比较简单 可靠性高 抗干扰能力强 对于通信服务要求不太高的工业现场来说，具有很好的性能价格比,现场总线网,三层模型：对应于ISO/OSI中的物理层、数据链路层、应用层 执行装置/传感器现场总线SERCOS 系统现场总线PROFIBUS,SERCOS,英文全称（SERial Communication System） 是被实际现场应用证明了的、采用光纤传输数据的现场总线标准之一 对分布式多轴运动的数字控制提供较好的应用 此标准已通过IEC认证（IEC-1491）,SERCOS,德国机床厂协会VDW和核心电子技术与电子工业协会ZVEI共同制订的现场总线标准 用于数控机床的数控装置与伺服系统之间的串行数字通信,利用数字调节技术实现伺服系统中位置和速度的控制 电流仍采用模拟电路控制 数字式接口传输使各调节器位置可灵活安排,位置调节器和速度调节器均放在伺服装置中 CNC将位置命令由SERCOS输出 通过现场总线串行传输到伺服装置 伺服装置由SERCOS接口接收位置命令，完成调节,位置调节器放在CNC装置中 CNC把位置调节器的速度命令由SERCOS输出 通过现场总线串行传输到伺服装置 伺服装置由SERCOS接口接收速度命令 速度和电流调节器安排在伺服装置中 将实际位置值通过现场总线反馈给CNC装置中的位置调节器，完成调节,SERCOS环 采用SERCOS接口的现场总线使各通信站构成一个环（Ring），称为SERCOS环 用光纤连接，SERCOS环一般采用主/从形式的媒体访问控制方法 由一个主站和多个从站组成： 数控装置为主站 各轴伺服装置为从站,(二) 系统现场总线PROFIBUS,在系统现场总线中，由SIEMENS公司开发的PROFIBUS现场总线通信协议在欧洲广泛流行 PROFIBUS用于各种智能控制器和设备之间的连接时，要区分主动的智能设备（如：控制器，计算机）和