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1一、CNC系统的构成与功能第3章计算机数控(CNC)系统3.1概述1.数字控制系统的任务：1）使刀具与工件的相对运动形成规定的几何轨迹控制，即控制机床的成形运动；2）与机床运动有关的能量流向的开关量控制；3）实现通讯，并具有开放与重构特性。22.CNC系统的组成1）CNC系统：由输入输出设备、CNC装置、PLC、主轴驱动装置、进给驱动装置等组成。2）CNC控制器（系统）：数控专用计算机（计算机硬件＋数控系统软件＋数控专用I/O接口）＋PLC。作用：接受信息→计算处理→发出控制命令3CNC系统组成：输入输出装置主轴电动机MDI操作面板强电输入伺服电动机位检元件机床电器PLC计算机数控装置检测反馈装置CNC控制器速度控制单元主轴控制单元强电控制装置43.CNC控制器的工作过程CNC的工作过程，实际上就是一台工业控制计算机执行数控软件的全过程。包括零件程序的输入、译码、刀具补偿、插补运算、进给速度处理、位置控制、I/O开关量处理、加工信息显示及故障诊断等。CNC控制器51）零件程序的输入CNC系统的输入，包括零件程序和参数两部分输入。参数通过操作面板输入；零件程序的输入，包括纸带输入、键盘输入（MDI－manualdatainput）和计算机通信输入(DNC接口，RS232C,directnumericalcontrol)。CNC输入工作方式，可一次全部输入到CNC内部程序存储器中，加工时把一个个程序段分别调出执行，这称为存储工作方式；另一种称为NC工作方式，数控机床一边输入零件程序一边加工，即机床在进行前一个程序段加工的同时，正在输入后面的程序段。62）译码处理译码处理，是将零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和其它辅助信息(M，S，T代码等)按照一定的语法规则解释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间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。73)刀具补偿刀具补偿包括长度补偿和刀具半径补偿。为使编制的零件程序与刀具尺寸无关，零件程序是以零件轮廓轨迹来编制的。刀具补偿的作用是根据不同刀具的尺寸把零件轮廓轨迹转换成相应刀具中心的轨迹。现代CNC刀具补偿的工作还包括程序段之间的自动转接和过切判别功能。4)进给速度处理给定的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度，为插补做准备。85）插补插补是指在一已知起点和终点坐标的曲线上进行“数据点的密化”工作。插补点在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干次插补周期后，插补完一个程序段的加工，即完成从该程序段起点到终点的“数据点密化”工作。一般CNC能对直线、圆弧和螺旋进行插补计算，在高档的CNC中还能对椭圆、抛物线、正弦线和一些专用曲线进行插补计算。96）位置控制位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，根据差值控制进给伺服电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。7）I／O处理I／O处理主要是处理CNC装置与机床之间的强电信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等)。109）诊断现代CNC都具有联机和脱机诊断的能力。所谓联机诊断，指CNC工作时运行CNC中的自诊断程序，随时检查各个部件，故障时立即报警。所谓脱机诊断，指CNC不工作时的诊断，通过运行专门的诊断程序，检查各个部件，及时消除故障，还可实现远程诊断。8）显示CNC的显示主要有：零件程序的显示，参数显示，刀具位置显示，机床状态显示，报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。11CNC信息流程124.CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。主要功能：1）轴控制功能指CNC能够控制的以及能够同时控制的轴数（联动轴数）。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。一般数控车床只需2根同时控制轴，双刀架时有4根控制轴。数控铣床、镗床以及加工中心等需要有3根或3根以上的控制轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC就越复杂，编制程序也越困难。132）准备功能准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定等指令。它用指令G和它后续的两位数字表示。ISO标准中推备功能从G00至G99共100种，数控系统可从中选用。3）插补功能CNC是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹,出于进给速度和分辨率的要求，CNC插补分为粗插补和精插补。软件每次插补一个小线段称为粗插补；伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。实现插补运算的方法有逐点比较法，数字积分法等。144）进给功能进给功能用“F”直接指令各轴的进给速度。(1)切削进给速度(每分钟进给量)；(2)同步进给速度(每转进给量)，指主轴每转进给量规定的送给速度，如0.01mm/r；(3)快速进给(G00)速度，可设定；(4)进给倍率，倍率在0～200％之间变化，每档间隔10%，车螺纹时无效。5）主轴功能主轴功能就是指定主轴转速的功能，用S字母和它后续的数值表示，有S2位和S4位，多用S4位。S的单位是r／min。面板设有主轴倍率开关。156）辅助功能辅助功能用来规定主轴的起动、停止、转向，冷却泵的接通和断开，刀库的起、停等。用M字母和它后续的2位数值表示，ISO标准中辅助功能有100种。7）刀具功能和第二辅助功能刀具功能用来选择刀具，用T字母和它后续的2位或4位数值表示。第二辅助功能用来指定工作台的分度，用B字母和它后续的3位数值表示。169）字符图形显示功能CNC可配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形的显示。现代数控系统都采用LCD显示器。8）补偿功能CNC采用补偿功能，可把刀具长度或直径(铣刀直径)的相应补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量预先输入CNC的存储器，CNC就能按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件，消除加工误差。17CNC装置的控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等是CNC的基本功能。10）自诊断功能CNC装置中设置各种诊断程序，故障时报警。11）通信功能CNC通常具有RS232C接口，有的还备有DNC接口，它设有缓冲存储器，以NC格式输入，还可以二进制格式输入，进行高速传输。12）人机交互编程功能复杂零件的NC程序是要通过通用计算机或自动编程机编制；有的CNC具有根据蓝图直接编程的功能。18二、CNC的硬件结构CNC硬件结构按印制电路板的插接方式可以分为大板结构和总线式模块化结构；按CNC中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构；按CNC硬件的制造方式，可以分为专用计算机型结构和工控计算机型结构。1.大板结构和模块化结构1）大板结构大板结构CNC由电路主板和相关子板构成，主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等系统主要部件。主板是大印制电路板，其它小电路板插在主板插槽内，结构类似于个人电脑的结构。19大板结构的FANUC0-TD数控系统202）总线式模块化结构整个CNC按功能分为若干个模块。硬件和软件的设计都采用模块化结构，每一个功能模块做成尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软件固化在其中。功能模块通过有明确定义的标准固定接口通讯、交换信息。常用的功能模板有CPU控制板、位置控制板、I/O板、PLC板、存储器板、图形板和通信板等。FANUC系统15系列就采用了模块化结构。用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就组成了自己需要的CNC系统的控制装置。21模块化结构的FANUC15数控系统222.单微处理器结构和多微处理器结构1)单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。2)多微处理器结构结构上CNC中有两个或两个以上的CPU，每个CPU通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个CPU分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。目前使用的多CPU系统有主从式结构、总线式结构和分布式结构三种结构。23单微处理器结构CNC24带有4个CPU的数控系统(共享总线)253.计算机型CNC结构专机数控的计算机是数控系统生产厂为其CNC系统专门设计的，结构较合理，性能价格比高，一般有较大批量的规模生产。PC数控，考虑到可靠性，所用的计算机一般采用工控机(IPC)，其构成与个人计算机相似，开发成本相对较低，常见于经济型数控系统中。PC型CNC的硬件结构有：专用计算机数控装置（简称专机数控）；通用计算机数控装置（简称PC数控）。264.基于PC的开放式CNC体系结构简介2)基于PC(IPC和PC)的开放式CNC体系硬件在计算机基本配置基础上，增加一块运动控制卡，和各种I/O卡，实现机床的运动控制和辅助功能控制，所用的处理器通常是DSP(数字信号处理)类型，常见类型：PC直接数控：运动控制卡不带CPU嵌入式数控：运动控制卡带一个或多个CPU1)开放式CNC体系特征：可互操作性，可移植性，可缩放性，可替代性。27三、CNC的软件结构1）软件和硬件在逻辑上的等价性：一个事件：由硬件完成时，处理速度较快，专业性强，但造价较高；由软件完成时，设计灵活，适应性强，但处理通度较慢。1.CNC的软硬件界面CNC装置是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供了支持环境。软、硬件的分配比例是由性价比决定的。现代CNC中软件和硬件的界面关系是不固定的。282）三种典型CNC软硬件界面：292.CNC软件系统的多任务并行处理与实时中断零件程序输入输出人机界面诊断通信管理软件CNC系统软件译码刀具补偿控制软件速度控制插补运算位置控制1）CNC系统软件的多任务性：302）并行处理与实时中断处理(1)CNC多任务并行处理需求31(2)并行处理并行处理是指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的工作。常用有资源重复、时间重叠、资源分时共享等方法。时间重叠32单CPU分时资源共享33(3)实时中断处理CNC系统软件的另一个重要特征是实时中断处理。CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分，中断结构决定了系统软件的结构。中断类型：外部中断－外部设备中断；内部中断－位置采样定时、插补周期中断；硬件故障中断－硬件故障中断；程序性中断－执行程序时的各种溢出，除零等。343.CNC的软件结构CNC的软件结构取决于系统的中断结构模式，常见有两种：1）中断型结构模式特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务分别安排在不同级别的中断服务程序中。整个软件就是一个大的中断系统，其管理的功能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。2）前后台型结构模式特点是前台程序是一个中断服务程序，它几乎承担了全部实时功能(如插补和位置控制)。而管理软件和插补准备则在背景程序中完成。35背景程序循环运行，前台程序实时中断执行，如图所示，共同完成零件加工任务。背景程序(后台)前台程序36华中HNCFANUCSIEMENS四、常见数控系统373.2CNC的轨迹控制原理数控机床最突出的优点是：可以根据编程，加工出较为复杂的曲线，比如圆、抛物线等。为什么数控机床能加工出这些曲线？怎样把单个的坐标运动组合成理想曲线呢？这就是插补所解决的问题！插补是一种运算程序，经过运算，判断出每一步应进哪一个坐标，进多少，以此来完成数据点的密化工作。381.插补要解决的问题：让单独的坐标分别运动合成理想的轨迹；几个坐标同时进，还是每次进一个；判断进给哪一个坐标使下一步误差更小；进给多少；如果同时进给