第3章-数控系统硬件与软件1..

第三章数控系统的硬件与软件数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院3.1CNC装置的硬件结构3.2CNC装置的软件结构3.3插补原理与算法3.4刀具补偿原理3.5速度与加减速控制3.6数控机床参数第三章数控系统的硬件与软件数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院3.1CNC装置的硬件结构3.2CNC装置的软件结构3.3插补原理与算法3.4刀具补偿原理3.5速度与加减速控制3.6数控机床参数第三章数控系统的硬件与软件数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院CNC装置是在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的，其控制功能和特点在很大的程度上取决于硬件结构。根据机床控制、安装要求和经济性要求不同，随着电子技术、伺服驱动技术、通信技术的发展，产生了多种结构形式的CNC装置，不同生产厂家的数控系统，其结构形式也不尽相同。按照数控系统各部分的功能不同，CNC装置一般可分为人机接口部分、运动控制部分、I/O控制（PLC）、加工程序的存储、输入输出接口、数据通信接口等部分组成。3.1CNC装置的硬件结构3.1.1CNC装置的硬件组成及连接数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院CNC装置的硬件组成及连接运动控制伺服驱动机床PLC电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘操作面板打孔机/纸带阅读机磁带/磁盘U盘/网络光栅CNC通信接口I/O数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院6主轴电机伺服电机机床控制面板WindowsNT系统PCU50NC+PLC驱动驱动模块手轮I/O接口人机接口数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院编程键盘：用于程序编辑、参数设置、界面操作等。不产生机床运动，可用缓冲键盘。操作面板：操作机床的所有运动。所有按钮接入PLC，部分按钮还有响应指示灯，通过的梯形图实现机床的操作。CNC装置的人机接口（HMI）数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院运动控制伺服驱动机床PLC电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘操作面板打孔机/纸带阅读机磁带/磁盘/软盘U盘/网络光栅CNC通信接口I/OCNC装置的硬件组成及连接数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院早期的数控系统，只有简单的I/O控制，主要实现主轴、冷却等启停，机床操作、运动限位等功能。随着微机和PLC技术的发展，PLC成为了数控系统必不可少的一个重要组成部分。数控系统的PLC有两种形式：一种是嵌入式PLC，一种是独立式PLC。有关PLC原理及应用，在后续详细介绍。I/O控制（PLC）数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院CNC装置的硬件组成及连接运动控制伺服驱动机床PLC电机程序输入输出接口键盘、显示接口显示器/编程键盘操作面板打孔机/纸带阅读机磁带/磁盘U盘/网络光栅CNC通信接口数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院主轴电机的控制通常采用模拟量作为速度的控制信号，部分主轴电机有位置反馈，用以实现主轴的准停或螺纹加工功能等。运动控制一.主轴电机的控制DAC主轴伺服驱动器主轴电机CPU编码器位置反馈CNC数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院项目主轴模拟量控制串行主轴控制主轴转速输出-10V～+10V的模拟量通过串行通信传输的内部数字信号主轴控制参数设定在主轴驱动装置上设定与调整在CNC上设定与调整，并利用串行总线自动传送到驱动装置中主轴位置检测连接直接由编码器连接到CNC从编码器到主轴驱动装置，再由主轴驱动装置到CNC主轴正、反转启动与停止控制利用主轴驱动装置上的外部接点输入信号进行控制利用CNC与PMC之间的内部信号进行控制数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院二、进给运动控制1.步进电机的控制脉冲输出接口电路驱动器步进电机CPU总线特点：1）结构简单，成本低。2）扭矩较小3）分辨率低，精度不高。4）开环控制，容易产生“丢步”。进给运动控制是数控系统的核心，按照伺服系统以及接口不同，运动控制可分为脉冲位置控制、模拟量速度控制方式、数字量总线通信控制方式。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院2.直流伺服电机的控制位置反馈伺服驱动器直流伺服电机CPU本地总线DAC测速发电机编码器/光栅DAC：数字模拟转换器Digitaltoanalogconverter数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院（1）功率（扭矩）大、位置分辨率高。（2）采用闭环控制，有控制理论支持，精度高。（3）电刷易磨损，有“打火”现象，最高速度受到限制。（4）模拟量控制信号抗干扰性不好，且有“漂移”现象。直流伺服数控系统的特点：数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院3.交流伺服电机的控制位置反馈伺服驱动器交流伺服电机CPU本地总线DAC编码器光栅测速发电机采用数模转换；一个模拟接口只能连接一个驱动器；模拟接口只能传送一种信息且只能单向传递；模拟接口的连接距离有限，且连接线很多。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院4.交流伺服电机的脉冲控制特点：接口简单，成本低，抗干扰性能好，不漂移。解决了步进电机的“丢步”问题，定位精度高。由于交流伺服电机的脉冲控制算法中存在“滞留脉冲”，动态运动控制精度较低。速度越高，跟踪误差越大。脉冲输出接口电路交流伺服驱动器电机CPU滞留脉冲=接收的指令脉冲数–电机旋转脉冲数n=（滞留脉冲/电机每转脉冲数）*位置环增益(r/s)整体式数控系统FANUC—OTD数控系统数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院5.总线式控制伺服驱动器伺服电机CPU内部总线外部总线接口编码器光栅伺服驱动器伺服驱动器并行总线式数控系统数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院西门子840D数控系统总线式数控系统DriveBUSEquipmentBUS数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院5.总线式控制伺服驱动器伺服电机CPU本地总线现场总线接口编码器光栅伺服驱动器PLC并行总线式数控系统伺服电机数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院总线式控制特点（1）采用数字量、具有成本低、抗干扰性能好、不漂移的。（2）分布式计算和控制，使连接简单及扩展灵活、方便。（3）所有伺服参数（包括电流环、速度环、位置环参数）由数控系统HMI设置管理，便于各轴伺服匹配。（4）总线协议复杂，没有统一的标准。（5）需要伺服技术的支持。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院总线式数控系统插补译码预处理位置前馈位置指令误差补偿位置反馈位置环PID控制器速度控制电流控制速度反馈电流反馈速度前馈扭矩前馈伺服系统加减速控制刀具补偿数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院单微处理器结构的CNC装置，由一个微处理器CPU通过数据地址总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连，采用集中控制与分时处理的方式，完成数控各项任务。单微处理器结构的CNC装置多微处理器结构的CNC装置按装置中微处理器的数量分一、单微处理器结构的CNC装置3.1.2CNC装置硬件结构的发展数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院单微处理器结构的CNC装置FPGACPURAM键盘/显示接口串行通信接口数控面板LCD程序输入/输出接口I/O接口运动控制机床数据地址总线网络接口编程键盘位置反馈伺服系统EEPROM接口Nandflash（硬盘）数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院随着微型计算机技术的发展，微处理器的性能越来越强，价格越来越低，数控系统各部分功能模块都开始采用自己的CPU，通过数据通信和数据共享技术，实现各功能模块的协调工作。大大提高了数控系统的性能和可靠性。多CPU结构的CNC装置，多采样模块化结构，具有良好的灵活性和扩展性，且结构紧凑、安装方便。总线式数控系统是多CPU数控系统的典型代表。总线式数控系统通过复杂的现场总线协议，实现各模块的数据通信和数据共享以及同步控制。二、多微处理器结构的CNC装置数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院共享存储器多微处理器结构的CNC装置a主CPU（ARM9）键盘/显示接口数控面板LCD双端口RAM数据地址总线编程键盘运动控制模块伺服系统PLCCPUI/O双端口RAMCPU伺服系统串口CPU串口电气柜操作台数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院共享存储器多微处理器结构的CNC装置b主CPUHMI操作面板双端口RAM数据地址总线运动控制模块伺服系统PLCCPUI/O双端口RAMCPU伺服系统串口电气柜串口数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院二、现场总线式的数控系统的特点：（1）独立式HMI(HumanMachineInterface)常用的独立式HMI采用通用（工业）PC，利用通用操作系统（如Windows、WinCE、Linux等）平台，构建数控系统的HMI，通过串行通信、现场总线与NC系统相连。特点：利用通用软件平台，软件开发方便，并具有一定的开放性；便于和其它软件连接（如CAM、网络等）；与NC的连线简单，安装方便。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院（2）操作面板具有CPU机床的操作面板，按钮多，很多按钮需要响应指示灯，对于很多安装在电器箱中的数控系统来说，操作面板到NC（或PLC）的距离较远。为简化连线，操作面板的按钮和指示灯采用单片机控制，通过串行通信和NC相连。大大节约了连线成本，提高了运行的可靠性。（3）PLC采用独立CPU嵌入式PLC采用系统CPU，通过分时软件，实现I/O控制功能。结构简单，成本低，但控制点数不宜过多，控制程序的执行时间不宜过长，否则将影响数控系统的综合性能。因此，对于高性能加工中心，PLC控制点数多，程序量大，PLC采用独立的CPU，设计成独立的PLC(模块)，通过串行通信或双端口RAM和系统CPU实现数据通信和数据共享，进而实现NC和PLC的协调工作。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院（4）采用全数字化控制各伺服驱动器和主轴驱动器采用全数字化控制，其CPU广泛采用高速DSP，以保证位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法的实现；原来返回数控系统的光栅量现在也反馈到伺服驱动器，在伺服驱动器中实现了闭环的控制，所有伺服参数(包括电流环、速度环、位置环参数)由数控系统HMI设置管理，便于各轴伺服匹配。（5）实时网络接口各子系统一般自带实时网络接口，以免去重新加装接口的麻烦。总线协议复杂，没有统一标准。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院按硬件的设计与制造方式传统专用型数控系统开放式数控系统一、传统专用型数控系统硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性；经过长时间的使用和改进，质量和性能稳定可靠，目前占领着大量市场；为了保护各自的权益，CNC具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等；CNC系统的软、硬件对用户都是封闭的。上述缺陷造成了CNC系统使用和维护的不便，也限制了数控系统的集成和进一步发展。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院二、开放式CNC装置1.开放式CNC装置的特点开放式数控系统采用通用计算机及其配套模块组成，使CNC系统标准化、模块化；便于系统的智能化（操作、编程等）、数据共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）和系统扩展(功能扩展、平台扩展、重构)，以及系统的系列化、可兼容和升级换代。可大幅度降低系统的研制和制造费用，提高用户设备和资源的利用率以及数控产品的市场竞争力，满足现代制造业发展的需要。数控技术基础吉林大学机械科学与工程学院PC嵌入NC型即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。如FANUC公司的16i/18i/21i系统、Siemens840D系统、Num1060系统等NC嵌入PC型即运动控制器+PC型即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。如华中数控、基于固高/DELTATAU运动控制卡的数控系统、日本MAZAK公司的MAZATROL640CNC。全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。美国MDSI公司开发的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT。2.开放式