第二章计算机数控系统

1第二章计算机数控系统CNC系统的基本组成2.1CNC系统的组成及功能2.2CNC系统的硬件结构2.3CNC系统的软件结构2.4PLC在CNC中的应用2.5开放式数控系统2.6典型CNC系统简介2.72面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块I：INPUT，输入，指输入设备。O：OUTPUT，输出，指输出设备。机床控制面板CNC键盘驱动系统２.1概述3第一节CNC系统的基本组成一.CNC系统的基本组成与作用NC:电子管,晶体管,集成电路为特征CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的软件数控系统.1.数控系统的基本组成：CNC装置,PLC,输入\输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置.2.数控系统的作用接收信息并数字化,进行运算和处理,然后发出指令,使刀具实现相对运动,完成加工过程.4ＣＮＣ系统的基本配置5CNC装置与传统的数控装置ＮＣ相比，具有下述一些特点：1）灵活性：改变相应程序即可补充和开发新的功能．2）可靠性：许多功能由软件来实现，硬件系统元件大为减少，系统可靠性大大改善．3）通用性：硬件系统采用模块结，依靠软件变化来满足大部分数控机床的要求．4）易于实现许多复杂的功能：刀具偏移，公英制转换，固定循环，插补功能，刀具补尝等．5）使用维修方便制转换：具有诊断程序，减少维修时间；具有数控软件检查程序，给编程带来方便；具有对话编程、蓝图编程功能，使编程简便；可空运行检验程序是否正确．二、CNC系统的特点：6第二节ＣＮＣ装置的组成及功能一、CNC装置的组成及作用１.CNC装置的组成：１）CNC系统主要由数控程序、输入输出设备、CNC装置、PLC、主轴驱动和伺服驱动装置等组成。其核心是CNC装置。２）CNC装置由硬件和软件组成，CNC装置硬件除了具有一般计算机的微处器(ＣＰＵ)、可编程只读存储器(ＥＰＲＯＭ)、随机存储器(ＲＡＭ)、总线、输入输出(Ｉ/Ｏ)接口外，还具有专用接口和部件，即位置控制器、信接口、手动数据输入(ＭＤＩ)接口和视频显示(ＣＲＴ)接口．因此，ＣＮＣ装置是一种专用计算机．7第二节ＣＮＣ装置的组成及功能２.ＣＮＣ系统的作用１）中央处理单元(ＣＰＵ)是ＣＮＣ的核心，是实施对整个系统的运算、控制和管理．２）存储器：存放数据、参数和程序等．只读存储器(ＲＯＭ、EPROM、EEPROM)和随机存储器(ＲＡＭ)．３）总线(ＢＵＳ):内部总线：Ｓ-100、ＭＵＬＴＩＢＵＳ、ＶＭＥ等；外部总线：串行总线(ＥＩＡＲＳ-２３２Ｃ)和并行总线(ＩＥＥＥ-４８８)两种．8第二节ＣＮＣ装置的组成及功能按信息线的性质分为以下三种：(１）数据总线ＤＡ:ＣＰＵ与外界传送数据的通道，是双向线;(2)地址总线ＡＢ:确定传输数据的存放地址，是单向总线；(３）控制总线ＣＢ：管理、控制信号的传送，是单向总线．４）输入／输出接口：主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息．9第二节ＣＮＣ装置的组成及功能交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、数字信号．其目的是：电平转换，功率放大；电气隔离；５）位置控制器：主要完成对数控机床进给运动坐标轴的位置控制．６）ＭＤＩ/ＣＲＴ接口：完成手动数据输入和将信息显示在ＣＲＴ上．７）ＰＬＣ接口：完成ＰＬＣ与ＣＮＣ装置的信息交换．10二．ＣＮＣ装置的工作过程CNC系统的工作流程坐标轴运动与位置检测F指令速度处理坐标及刀补处理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序１.程序的流程11二．ＣＮＣ装置的工作过程（1）程序输入；（2）译码；（3）刀具补偿；（4）进给速度处理；（5）插补运算处理；（6）I/O处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；（7）位置处理；（8）显示；（9）自诊断处理。CNC系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。12三．ＣＮＣ装置的功能CNC系统的功能包括：基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统的必备功能；选择功能可由供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择。13主要功能如下：1.CNC系统的基本功能⑴控制功能指CNC能够控制和能够联动控制的进给轴数目。控制轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。控制轴特别是联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。14⑵准备功能即G功能，用来指令机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。15⑶插补功能所谓插补功能指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。即以最小的逼近误差，沿着指定线段的起点和终点在其之间进行数据点的密化工作。一般CNC系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为高档的CNC系统备有抛物线插补、极坐标插补、正弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。16⑷进给功能即F功能，用来指令各轴的进给速度，主要有以下三种：①切削进给速度每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为mm/min；②同步进给速度实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转的进给量，单位为mm/r，主要用于加工螺纹；17③进给倍率用于人工实时修调进给速度。即通过操作面板上的进给倍率波段开关以每档10%的间隔在0～200%之间对预先设定的进给速度实现实时修调。⑸主轴功能即S功能，用于指定主轴的转速，单位是r/min。18⑹辅助功能即M功能，用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的启停、正反转、冷却液泵的通、断，刀库的起、停等。⑺刀具功能及工作台分度功能刀具功能即T功能，用来选择刀具；工作台分度功能即B功能，用于分度工作台的分度。19⑻人机对话功能CNC系统可配置9in单色或14in彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。20(9)自诊断功能CNC系统中设置有故障诊断程序，以防止故障的发生和扩大，在故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。212.选配功能⑴补偿功能包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。22⑵固定循环功能在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先将这些典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，用G代码进行定义形成固定循环功能，在加工时可直接使用这类G代码，完成这些典型的动作循环，大大简化编程工作。23⑶通讯功能它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。通常CNC系统都配有RS232C接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序，有的还备有DNC接口，以利实现直接数控，更高档的系统还可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。24⑷自动在线编程功能有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。有的CNC系统可进行在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。25思考题1．何谓数控系统?NC系统与CNC系统有何区别?NC:电子管,晶体管,集成电路为特征的硬件数控系统．CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的软件数控系统.2CNC系统的基本组成有哪些?CNC装置,PLC,输入\输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置．26思考题3CNC系统的功能有哪些?1）CNC系统的基本功能⑴控制功能⑵准备功能⑶插补功能⑷进给功能⑸主轴功能⑹辅助功能⑺刀具功能及工作台分度功能⑻人机对话功能(9)自诊断功能2）CNC系统的选配功能⑴补偿功能⑵固定循环功能⑶通讯功能⑷自动在线编程功能27思考题4简述CNC系统的工作过程。1）程序输入；（2）译码；（3）刀具补偿；（4）进给速度处理；（5）插补运算处理；（6）I/O处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；（7）位置处理；（8）显示；（9）自诊断处理。28第三节CNC系统的硬件结构CNC系统的基本硬件结构通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能(MST)控制接口等部分组成．29一、单微处理机结构和多微处理机结构1、单微处理机结构o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。o主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。第三节CNC系统的硬件结构302、多微处理机结构⑴在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。⑵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。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作⑶结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。第三节CNC系统的硬件结构31从机床来的控制信号输出到机床的控制信号Ｉ/Ｏ(ＣＰＵ１)共享储存器插补(ＣＰＵ３)轴控制(ＣＰＵ４)ＣＲＴ(ＣＰＵ２)32FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元FANUC15系统硬件结构第三节CNC系统的硬件结构②共享总线型结构33第四节CNC系统的软件结构一、ＣＮＣ装置软件与硬件的功能界面１.ＣＮＣ装置由软件与硬件组成．２.硬件能完成的功能用软件也可以完成．３.硬件处理速度快，但造价较高，实现复杂控制功能比较困难．４.软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢．５.较少且标准化程度较高的软件，配以功能丰富的软件构成ＣＮＣ装置，硬件设计好后基本不变，而；软件功能不断升级．34第四节CNC系统的软件结构二、CNC系统软件的组成CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理输入输出管理机床输入输出位置控制故障诊断处理插补运算主轴控制编译处理刀具补偿......35第四节CNC系统的软件结构三．ＣＮＣ装置软件的特点和结构分类１.ＣＮＣ装置软件的特点：１）多任务并行处理２）多重实时中断处理36２、CNC装置软件的结构分类目前CNC系统软件的结构有以下几种：⑴前后台型结构这种模式将系统软件划分为前台程序和后台程序.前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断、PLC控制等实时性很强的任务，它是个实时中断服务程序，以一定周期定时发生，中断周期一般小于10ms。37后台程序也称背景程序，用来完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、插补预处理(译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性任务，它是一个循环运行的程序，在其运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断。前后台程序的运行关系见图２-3所示:38图２-3前后台程序运行关系图39前后台型结构的特点:这种结构的任务调度机制在前后台程序之间，前台程序是优先抢