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1、,计算机数字控制装置教学设计南京航空航天大学 游有鹏Email：Tel:025-848925102010.11,主要内容,计算机数字控制装置,CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构可编程控制器（PLC）典型的CNC系统简介,教学目标,教学内容分析,教学重点、难点分析,教学目标、内容、重点与难点分析,掌握数控系统组成、工作原理、结构特点；了解典型数控系统结构及当代数控系统的结构发展趋势。,硬件结构、软件结构、PLC、系统各部分的工作原理与结构特点,重点：系统组成硬软件的结构形式与特点难点：内容庞杂、空洞抽象，难掌握,教学目标：,教学内容分析：,教学重点、难点：,难点处理对策,关键点：CNC是一
2、个专用的计算机控制系统，借鉴计算机应用系统，兼顾CNC的功能特点，不难分析其硬件与软件的关系、功能划分、结构形式的特点与选择、以及演化过程与发展趋势；CNC的结构伴随着计算机技术而发展；体系结构始终为适应系统的功能与性能需求；体系结构的优劣评价：性价比（开发、生产、维护、使用）；学习体系结构的目的，掌握常用结构与特点，便于设计、选择；注意介绍数控新发展：开放式数控、嵌入式数控,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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的计算机控制系统。,CNC装置的组成,4.1 概
3、述,从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,CNC装置的组成/硬件/图,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,CNC装置的组成,4.1 概 述,CNC装置的组成/图,CNC系统平台,CNC装置的组成,4.1 概 述,CNC装置组成/硬件/软件的关系,CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台；硬件和软件的构筑方式称为CNC系统的体系结构。体系结构的重要性：直接关系到系统的设计、开发、更新、扩展以及使用、维护的效率、成本。学习了解CNC体系结构的目的：指导设计开发；有助于对现有系统的了解、
4、分析、评估、选用、维护、诊断。,4.1 概 述,CNC硬件软件的作用和相互关系:,硬件是基础，软件是灵魂,4.2 CNC的硬件结构,硬件结构的分类：外部形式、内部结构其内部结构可按含有CPU的多少来分:1、单微处理器系统；2、多微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,CNC装置的硬件结构，随着计算机技术的进步而发展，可以基于通用计算机或专用计算机来构筑。互动讨论：基于通用计算机或专用计算机构筑CNC装置的硬件结构的优缺点？,4.2.1 单微处理器系统,特点：单个CPU集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理方式来实现各种NC功能。结构简单，便于开发，尤其基于通用PC；成本低、经济型
5、好；（华中I型）；系统的功能、性能受CPU性能所限，常用于中低档系统。,4.2.1 单微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,单微处理器结构框图,4.2.1 单微处理器系统,4.2 计算机数字控制装置的硬件结构,图4-1 单微处理器结构框图,图/单微处理器CNC系统,经济型数控系统常用结构,4.2.1 单微处理器系统,1)微处理器,多主结构分布式结构主从式结构,4.2.2 多微处理器系统,CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。,多主结构/分布式结构,根据各模块间的相互关系又可将其分为：,多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统
6、资源有控制或使用权。模块之间为紧耦合，通过总线或公共存储器进行交换信息。分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。主从式结构：主控CPU、从控CPU，主控CPU才能控制和访问总线，通过总线对从控CPU控制、监视、协调。,4.2.2 多微处理器系统,多微处理器的特点,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。对高档系统，便于实现容错功能，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作。,多微处理器的特点：,4.2.2 多微处理器系统,多主结构的结构形式,共享总线结构型共享存储器结构型,多主结构
7、的结构形式：,4.2.2 多微处理器系统,1)共享总线结构,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,结构特征,功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU的从模块(RAM/ROM，I/O模块)；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；采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,结构特征:,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,优/缺点,优点：模块化结构、组配灵活、可靠性高。缺点：总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将影响整个系统；使用总线要经仲裁，信息传输率降低。,1）共享总线结构,4.2.2 多微处理器系统,2)共享存
8、储器结构,在共享存储器结构中，各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。常用双端口RAM,2）共享存储器结构,4.2.2 多微处理器系统,美国GE,MTC1-CNC硬件结构,美国GE 公司的MTC1-CNC系统硬件结构,2）共享存储器结构,4.2.2 多微处理器系统,4.2.3 开放式数控系统,可移植性：系统的应用模块无需经过任何改变就可以 用于另一平台，仍然保持原有特性。可扩展性：不同应用模块可在同一平台上运行。可协同性：不同应用模块能够协同工作，并以确定方 式交换数
9、据。规模可变：应用模块的功能和性能以及硬件的规模可 按照需要调整。,开放的含义硬件结构意义上：标准化，开放化,4.2.3 开放式数控系统结构,开放式数控系统概念结构,4.2.3 开放式数控系统,主要内容,开放的现实途径基于PC的开放式数控结构,NC板嵌入PC机嵌入系统（新兴数控产品）PC机作为非实时处理；运动控制卡完成CNC实时控制。能够方便地实现人机界面的开放化和个性化。PC板嵌入NC融合系统（Simens840Di，Fanuc210i）在传统的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人机界面，能够集成应用程序、网络接口等。CNC内核保持了原有的封闭性，只能实现界面开放。软件NC全开放系统
10、（PA8000等）以PC为平台，采用实时操作系统，由软件模块实现CNC系统的各项功能，通过伺服卡传输数据，完成伺服和PLC控制。通过对CNC软件的适当组织、划分、规范定义和开发，可望实现完全开放。,4.2.3 开放式数控系统,运动控制卡,运动控制 是控制技术与运动系统相结合的产物，它以微处理器、DSP为核心，综合硬件设计、软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、实时伺服驱动等功能，以实现对运动轨迹、位移、速度、加速度、力和力矩的自动控制，广泛应用于机械制造、航空航天、食品、纺织、医疗卫生以及家用电气等众多领域。高性能运动控制卡 是各类专用数控系统快速开发的支撑技术。,4.2.3 开放式数控系统,
11、显示器,CPU,存储器,网卡,传感/执行器,应用层,功能层,设备层,I/O模块,多轴运动控制器,驱动器,驱动器,驱动器,X轴电机,Y轴电机,Z轴电机,机床本体,ISA/PC104/PCI总线,4.2.3 开放式数控系统,嵌入式微处理器：在功能上与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。目前，主要的嵌入式处理器类型有ARM、Am186/88、386EX、PowerPC、68000系列等。,4.2.4 嵌入式数控系统,嵌入式数控系统：采用了嵌入式处理器的数控装置，可显著提高系统的性价
12、比。,ARM（Advanced RISC Machines）公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。,ARM处理器有3大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双指令集；全球众多的合作伙伴。,ARM处理器分ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11等系列。,ARM处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,PowerPC体系结构的特点是可伸缩性好，方便灵活。PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有微控制器和内核。其应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。基于PowerPC架构的处理器有
13、IBM 公司开发的PowerPC 405 GP，它是一个集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。,PowerPC处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,X86系列处理器是最常用的，它起源于Intel架构的8080，发展到现在Pentium 4、Athlon和AMD的64位处理器Hammer。486DX是当时和ARM、68K、MIPS、SuperH齐名的五大嵌入式处理器之一。现有基于X86的STPC高度集成系统。,X86处理器,4.2.4 嵌入式数控系统,典型的嵌入式数控系统结构：ARM+DSP，ARMFPGA,M、S、T等指令,主轴电机,外
14、围网络接口USB接口键盘接口显示接口存储接口.,插补单元补偿单元位控单元,G代码,伺服单元,进给电机,ARM,PLC软核,操作系统DSP接口FPGA,代码解释模块,4.2.4 嵌入式数控系统,思考题？,嵌入式数控系统的优势？集成化、高性价比的CPU；比较开放式数控与嵌入式数控的特点、发展理念？标准化、开放式集成化、高性价比当代及未来数控系统硬件结构发展的基本趋势？模块：集成化、标准化；结构：分布式、网络化；,从实现功能角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。,CNC装置软件和硬件的关系,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,各有特点：硬件：处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件：设计
15、灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。,4.3.1 CNC装置的软件构成,4.3.1 CNC装置的软件构成,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,4.3.2 CNC系统软件的工作过程,4.3.2 CNC系统软件的工作过程,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,1)程序输入,思考？,系统的任务众多，如何组织系统各软件模块，保证其可靠、高效运行？软件的体系结构关系重大（模块的划分、接口定义、调度策略等）,4.3.3 CNC系统的软件结构特点,2）前后台型软件结构,数控软件的特点：多任务性、要求并行处理,并行处理的实现方式：单CPU？资源分时共享多CPU？资源重叠流水处理,4.3.3 CNC系统的软件
16、结构特点,框图,1）多任务性与并行处理技术,资源分时共享并行处理（对单CPU系统）重点解决：各任务的优先级分配问题？各任务时间片的分配问题？,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,位置控制,插补运算,背景程序,中断级别高,中断级别低,资源（CPU）分时共享图,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,并发处理和流水处理（对多CPU系统）,若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,流水处理技术示意图,4.3 计算机数字控制装置的软件结
17、构,前后台程序运行关系图,2）前后台型软件结构,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,3)中断型软件结构,适合于单微处理器CNC装置。,除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,3）中断型软件结构,4.3.3 CNC系统的软件结构特点,4.4 PLC,RTOS（Real Time Operating System）：它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间
18、片轮转调度等）、任务间的通信机制（如邮箱、消息队列、信号灯等）等功能。CNC系统软件基于实时操作系统进行开发，效率更高、运行更可靠为目前大多数嵌入式数控系统所采用。应用RTOS开发时，如何实现任务间的同步？,4.3.3 CNC系统的软件结构特点,1)多任务并行处理技术,4）基于实时操作系统的结构模式,1）名牌厂家 FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控2）系统的系列 FANUC:FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15
19、/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/180/210/160i/180i/210i/F30i；SIEMENS:SIEMENS-802S/802D/810D/840D；3）基本功能、选择功能 4）分辨率（设定单位）、速度、联动轴数；5）高速高精度系统的特殊指令功能6）价格、维修。,4.4 典型CNC系统简介,南京四开（SKY）数控系统软件界面,采用PC为MMI的840D与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATICS7可编程控制器一起，构成全数字控制系统,SINUMERIK 840D数控系统硬件框图,互动、课外拓展,如何评价、选用数控系统的硬件和软件结构？设计开发一个焊接专机数控系统的设计方案？开放式数控合适的软件结构？如何基于RTOS规划一个嵌入式CNC的软件结构？（ARMDSP）,谢 谢！,
