计算机数控系统

第二章计算机数控系统第一节概述第二节CNC的结构第三节CNC的信息处理过程第四节PLC与数控机床的辅助功能思考题第五节FANUC数控系统第六节开放式CNC第一节概述一、CNC数控机床CNC是数控机床的核心。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。CNC数控机床的组成框图加工程序输入/输出设备CNC装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床机床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的软件系统组成框图系统软件管理软件程序输入输出显示诊断控制软件刀具补偿速度控制插补运算位置控制译码三、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6．位置处理7．Ｉ/Ｏ处理8．显示9．诊断CNC单元四、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。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——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。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...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；另外还包括了机床的控制部分。CPU外部存储设备接口RS-232接口人机交互接口选件接口ROMRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元位控单元速度控制单元D/A转换电路MMMMM、S、T微机系统机床的控制部分X轴Y轴Z轴主轴总线典型的单微处理器装置结构框图单微处理器CNC特点⑴CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。⑵微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。⑶结构简单，易于实现。2.多微处理器的CNC⑴多微处理器CNC的优点①较高的性价比；②适应能力强；③可靠性高；④易于组织规模化生产。⑵多微处理器的CNC主要功能模块①CNC管理模块；②CNC插补模块；③位置控制模块；④PLC模块；⑤人机接口模块；⑥存储器模块。⑶多微处理器的CNC结构共享总线结构在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。共享总线结构框图CNC管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线共享存储器结构框图插补（CPU2）来自机床的控制信号输到机床的控制信号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共享存储器3.CNC的接口⑴纸带的光电阅读机接口⑵输入/输出（I/O）接口①进行必要的信号隔离②进行电平转换和功率放大③数/模和模/数转换⑶通信接口软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件、硬件实现功能的分配就是——软件硬件功能界面划分。功能界面划分的准则：系统的性能价格比二、CNC的软件结构输入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件软件和硬件的功能界面几种划分ⅠⅡⅢⅣ1．CNC的软、硬件界面2．CNC的软件结构特点⑴CNC装置的多任务并行处理CNC的任务并行处理示意图输入显示控制I/O诊断译码刀具补偿速度处理位置控制插补⑵前后台型软件结构前台程序故障处理位置控制插补运算……后台程序译码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台程序运行关系图前后台型结构模式的特点任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。⑶中断型软件结构初始化中断管理系统（硬件+软件）0级中断服务程序1级中断服务程序2级中断服务程序级中断服务程序………………中断型软件系统结构图n中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。80～90年代初的CNC系统大多采用这种结构。加工程序译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制第三节CNC的信息处理过程CNC装置数据转换流程示意图1.输入过程零件程序的输入过程流程图2.键盘输入送出译码外存或通信接口零件程序缓冲区MDI键盘MDI缓冲区零件程序存储区一、输入二、存储目录区零件程序区程序号零件程序1程序首址程序终址程序号零件程序2程序首址程序终址……空白目录区零件程序1零件程序2零件程序3…零件程序I…零件程序n空白程序区零件程序存储器的结构示意图三、译码定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的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，若发现语法错误立即报警。方法：解释和编译。内容：整理和存放。1）不按字符格式的整理与存放方法。2）保留字符格式的整理与存放。1.代码的识别2.功能码译码开始读取缓冲器中的字符处理数字代码处理N代码处理G代码处理X代码处理Y代码＜10H?=10H?=11H?=12H?=13H?无法识别、错误处理结束YNNNNYNYYY软件识别代码的流程图四、译码后的数据处理1．刀具补偿定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具