数控系统与驱动系统(讲稿)-1

第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术1第四章计算机数控装置(CNC)第一节概述第二节CNC装置的硬件体系结构第三节CNC系统软件结构第四节位置检测装置第五节数控机床的伺服系统第六节XH714立式加工中心电气控制第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术2内容提要本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。第四章计算机数控装置(CNC)第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术3第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术4第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术5第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术6第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术7在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术8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。一.CNC装置的组成第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术9⒈CNC系统的硬件一般性结构结构：由计算机基本系统、设备支持层、设备层组成。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...图4-1CNC的一般性硬件结构第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术10⒉CNC系统软件的功能性结构本质特征:CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，功能特征:其操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统的灵魂。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术11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......图4-2CNC软件系统功能框图第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术12⒊CNC硬件、软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂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。CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。第一节概述4、CNC工作原理通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术131）输入：输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。5）位置控制：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。简要工作过程：第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术141.具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。二.CNC装置的优点第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术152.数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误差补偿等人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：G代码、蓝图编程、部分自动编程功能。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术163.可靠性高采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术174.使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术185.易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术19功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能——用户可根据实际使用要求选择的功能。第一节概述三.CNC装置的功能第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术201.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。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术212.准备功能（G功能）——指令机床动作方式的功能。已在第二章介绍。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术223.插补功能和固定循环功能——插补功能数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。——固定循环功能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）的功能第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术234.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（inch/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（inch/min）。进给倍率（进给修调率）——人工实时修调预先给定的进给速度。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术245.主轴功能——主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴转速——主轴转速的控制功能，单位：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。单位：（m/min）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。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术256.辅助功能（M功能）——用于指令机床辅助操作的功能。已在第二章介绍。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术267.刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具补偿功能使用；刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示更换刀具；刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术278.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。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术289.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。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术2910.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；边采集，边诊断离线自诊断；现场采集，离线诊断远程通讯诊断。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术3011.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。第一节概述第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术31第二节CNC装置的硬件体系结构第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术32一、CNC装置的硬件构成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单微处理器硬件结构图第二节CNC装置的硬件体系结构第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术33CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。■单微处理机结构:见上图■多微处理机CNC装置的结构：1.主从结构2.多主结构：共享总线型、共享存储器型及混合型结构3.分布式结构4.多通道结构二、CNC装置的体系结构第二节CNC装置的硬件体系结构第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术34单微处理机数控装置:是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PC）、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。1.微处理器和总线微处理器：运算、控制总线：CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。2.存储器①只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），它们的用途：三、单微处理机数控装置的硬件结构第二节CNC装置的硬件体系结构第三章计算机数控装置(CNC)下午2时25分数控技术35●只读存储器（ROM）：系统程序●随机存储器（RAM）：运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息②CMOSRAM或磁泡存储器：加工的零件程序、机床参数、刀具参数3.位置控制单元●对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制（包括位置和速度控制）。（对主轴的控制一般只包括速度控制）●C轴位置控制：包括位置和速度控制●刀库位置控制（简易位置控制）进给轴位置控制的硬件：大规模专用集成电路位置控制芯片、位置控制模板。第二节CNC装置的硬件体系结构第三章计算机数控装置(CNC)图2-44主从式多微处理器硬件结构示意主存储器主CPUI/O接口从CPU从存储器从I/O…I/O接口从存储器从CPU从I/O主I/O并行系统总线（如：STD、PCI等）四、多微处理机数控装置的硬件结构（1）主从式结构主从结构指系统中只有一个CPU(通常称为主CPU)对系统的资