第二章计算机数控系统.

第二章计算机数控系统第一节概述一、CNC数控机床CNC是数控机床的核心。数控装置的主要是读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。CNC数控机床的组成框图可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床加工程序输入/输出设备CNC装置CNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备CNC数控机床的组成二、CNC的组成从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）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。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。它们二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。硬件是基础，软件是灵魂。CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......CNC装置的组成CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......该平台有以下两方面的含义：提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。CNC装置的组成1．CNC装置的一般硬件结构硬件由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。它是CNC系统的物质基础。CNC的硬件系统组成框图CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线CNC的硬件系统组成框图2．CNC装置软件的功能性结构从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。3．CNC硬件软件的作用和相互关系CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者要求，有条不紊地进行加工。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。该平台提供CNC系统基本配置的必备功能；在该平台上可以根据用户的要求进行功能控制和开发。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......CNC的软件系统组成框图CNC装置的工作原理首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。1.逼近处理2.插补运算3.指令输出三、CNC的工作过程工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。包括：1．加工程序的输入2．译码3．刀具补偿4．对进给速度进行处理5．插补CNC单元6．位置处理7．Ｉ/Ｏ处理8．显示9．诊断四、CNC的功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。1．对轴数的控制功能控制功能——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的进给轴分类：移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；基本轴和附加轴（U、V、W）。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。2．点位运动与移动功能(G功能)准备功能（G功能）——指令机床动作方式的功能。如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。3．插补功能插补功能——插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。精插补和粗插补；硬件插补和软件插补4．固定循环加工功能固定循环功能——固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。5．进给功能(F功能)进给功能——进给速度的控制功能。进给速度——控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r。快速进给速度——一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速。进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定的进给速度。6．主轴的转速功能主轴功能（S)——数控系统的主轴的控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位为r/min。恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。7．刀具功能及工作台分度功能刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具；CNC系统都具有刀具号（T）管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。8．辅助功能(M功能)辅助功能（M功能）——用于指令机床辅助操作的功能。如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。9．补偿功能补偿功能刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。10．字符和图形显示功能人机对话功能在CNC装置中这类功能有：菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。11．自诊断功能自诊断功能——CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。12．输入、输出和通信功能通讯功能——CNC与外界进行信息和数据交换的功能。RS232C接口，可传送零件加工程序，DNC接口，可实现直接数控，MAP(制造自动化协议)模块，网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。13．程序编制功能手工编程背景（后台）编程自动编程利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。外部设备功能键盘纸带阅读机外部存储设备纸带穿孔机操作面板显示器机床控制部分功能位置控制速度控制机床状态控制五、CNC的特点1．具有比NC更高的柔性2．具有良好的通用性3．数控功能不断增强和扩展4．可靠性越来越高5．方便了系统的维修和使用6．易于实现机电一体化第二节CNC的结构一、CNC的硬件结构CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...CNC的硬件结构CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为单机系统和多机系统：1.单机系统整个CNC装置只有一个CPU，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NC功能。其优点在于投资小，结构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。2.多机系统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，根据部件间的相互关系又可将其分为：主从结构、多主结构、分布式结构。单机或主从结构模块的功能模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路图2-4。实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。1、计算机主板和系统总线(母板)2、显示模块(显示卡)3、输入/输出模块(多功能卡)4、电子盘(存储模块)5、设备辅助控制接口模块6、位置控制模块7、功能接口模块图2-4单机或主从结构模块1、计算机主板和系统总线(母板)计算机主板计算机主板是CNC装置的核心。它的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。系统总线(母板)系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据总线、地址总线、控制总线。2、显示模块(显示卡)显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经过CRT的扫描信号调制后产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。它是人机交流的重要媒介。3、输入/输出模块(多功能卡)它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装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。4、电子盘(存储模块)电子盘是CNC装置特有的存储模块。计算机的存储器件有三类：①磁存储器件，如：软/硬磁盘；②光存储器件，如：光盘；③半导体存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器。•5、设备辅助控制接口模块•设备辅助控制接口模块是CNC装置实现顺序控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。•设备辅助控制接口必须完成两个任务：即电平的转换和功率放大、电气隔离。•设备辅助控制接口的实现方式：简单I/O接口板；PLC控制。(分内装型PLC和独立型PLC)图2-5简单I/O接口板图2-6PLC控制图•6、位置控制模块•位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。•常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含半闭环）位置控制模块。•7、功能接口模块•该模块是实现用户特定功能要求的接口板，所有增加的功能，必须在CNC装置中增加相应的接口板才能实现。图2-7开环位置控制模块图2-8闭环（含半闭环）位置控制模块1.单微处理器的CNC单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包