西门子数控系统性能特点及软硬件结构

以SINUMERK 840D数控系统为例，介绍其性能特点以及软硬件结构。
1）SINUMERIK 840D数控系统性能
SINUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。它采用三CPU结构：人机通信CPU（MMC-CPU）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU和PLC-CPU合为一体，合成在NCU（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互立。
SINUMERIK 840D具有以下几个特点：
（1）数字化驱动
在SINUMERIK 840D中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。
（2）轴控规模大
最多可以配31个轴，其中可配10个主轴。
（3）可以实现五轴联动
SINUMERIK 840D可以实现X、Y、Z、A、B五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。
（4）操作系统视窗化
SINUMERIK 840D采用Windows 95作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。
（5）软件内容丰富功能强大
SINUMERIK 840D可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。
（6）具有远程诊断功能
如现场用PC适配器、MODEM卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D与远程PC机通信，完成修改PLC程序和监控机床状态等远程诊断功能。
（7）保护功能健全
SINUMERIK 840D系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。
（8）硬件高度集成化
SINUMERIK 840D数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。
（9）模块化设计
SINUMERIK 840D的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接更加简单。
（10）内装大容量的PLC系统
SINUMERIK 840D数控系统内装PLC最大可以配2048输入和2048输出，而且采用了Profibus现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。
（11）PC化
SINUMERIK 840D数控系统是一个基于PC的数控系统。
2）SINUMERIK 840D数控系统硬件结构
SINUMERIK 840D系统硬件组成原理如图所示。

图 SINUMERIK 840D数控系统硬件组成框图
下面介绍SINUMERIK 840D数控系统主要的功能部件。
（1）数字控制单元NCU
NCU（Numerical Control Unit）是SINUMERIK 840D数控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、PLC系统的算术运算和逻辑运算都是由NCU完成的。在SINUMERIK 840D中，NC-CPU和PLC-CPU采用硬件一体化结构，合成在NCU中。
（2）人机通信中央处理单元MMC-CPU
MMC-CPU的主要作用是完成机床与外界及与PLC-CPU、NC-CPU之间的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。
（3）操作员面板
操作员面板OP的作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。
在SINUMERIK 840D中有OP031、OP032、OP032S、OP030以及PHG等5种操作员面板。其中，OP031是常使用的操作员面板。
（4）机床操作面板MCP
MCP的主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作。主要有以下列6个硬功能键操作。①操作模式键区，可选择的操作模式有JOG、MD、TEACH IN和AUTO 等4种操作模式。②轴选择键区，实现轴选择，完成轴的点动进给、回参考点和增量进给。③自定义键区，供用户使用，通过PLC的数据块实现与系统的联系，完成机床生产厂所要求的特殊功能。④主轴操作区，主轴倍率开关，实现主轴转速0～150%倍率修调。主轴起停按钮实现主轴驱动系统的起停，一般控制主轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。⑤进给轴操作区， 进给轴倍率开关，实现主轴转速0～200%倍率修调。进给轴起停按钮实现进给轴驱动系统的起停，一般控制进给轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。⑥急停按钮实现机床的紧急停车，切断进给轴和主轴的脉冲使能和驱动使能。
（5）电源和驱动系统
主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。驱动系统则包括主轴驱动系统和进给驱动系统两部分。
3）SINUMERIK 840D数控系统软件结构
SINUMERIK 840D软件系统包括4大类软件：MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件。
（1）MMC软件系统
在MMC102/103以上系统均带有5GB或10GB的硬盘，内装有基本输入、输出系统（BIOS），DR-DOS内核操作系统、Windows95操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支撑SINUMERIK与外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之间的相互通信及任务协调。
（2）NC软件系统
NC软件系统包括四个内容：①固化在EPROM中的NCK数控核初始引导软件。 ②NCK数控核数字控制软件系统，包括机床数据和标准的循环子系统，是西门子公司为提高系统的使用效能而开发的一些常用的车削、铣削、钻削和镗削功能等软件。用户必须理解每个循环程的参数含义才能进行调用。③以及SINUMERIK 611D驱动数据，也就是SINUMERIK 840D数控系统所配套使用的SIMODRIVE 611D数字式驱动系统的相关参数。④PCMCIA卡软件系统，用于安装PCMCIA个人计算机存储卡，卡内预装有NCK驱动软件和驱动通信软件等。
（3）PLC软件系统
PLC软件系统包括PLC系统支持软件和PLC程序。PLC系统支持软件支持SINUMERIK 840D数控系统内装的CPU315-2DP型可编程逻辑控制器的正常工作，该程序固化在NCU内。 PLC程序包含基本PLC程序和用户PLC程序两部分。
（4）通信及驱动接口软件
主要用于协调PLC-CPU、NC-CPU和MMC-CPU三者之间的通信。

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