第2章-计算机数控系统

1第二章计算机数控系统认识计算机数控系统的工作过程2.1计算机数控系统的基本组成及其功能2.2CNC系统的硬件结构2.3CNC系统的软件结构2.4数控系统的插补原理2.5辅助功能与PLC2.622.1认识计算机数控系统的工作过程数控车床的计算机数控系统3FANUC0i-B数控系统42.1认识计算机数控系统的工作过程加工中心的计算机数控系统562.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.1计算机数控系统的组成72.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程CNC对零件程序的处理流程图82.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（1）零件程序的输入输入方式：光电阅读机输入、磁盘输入、手动键盘输入（即MDI输入方式）、上级计算机的DNC接口输入。任务1：输入任务2：读出输入设备主要有2个任务92.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（2）译码将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。译码主要包括代码识别和功能解释2大部分。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误系统立即报警。101）编译方式：在加工前一次性将整个程序翻译完，并在译码过程中对程序进行语法检查，若有语法错误则报警；2）解释方式：在加工过程中进行译码，即计算机在进行加工控制时，利用空闲时间来对后面的程序段进行译码2.2计算机数控系统的基本组成及其功能112.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（3）刀具补偿1）刀具半径补偿CNC装置根据零件轮廓信息和刀具半径值自动计算出刀具中心的运动轨迹，使其自动偏离零件轮廓一个刀具半径值，这种自动偏移计算就称为刀具半径补偿。12零件轮廓和刀具中心轨迹准备功能G代码中的G40用于取消刀补，G41和G42用于建立刀补。2.2计算机数控系统的基本组成及其功能13建立刀具补偿沿着刀具前进方向看，G41是刀具位于被加工工件轮廓左侧，称为刀具半径左补偿；G42是刀具位于被加工工件轮廓右侧，称为刀具半径右补偿。2.2计算机数控系统的基本组成及其功能142）刀具长度补偿在数控立式铣床加工中心上，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖不在原初始加工的编程位置时，必须在Z向进给中，通过伸长或缩短1个偏置值f的办法来补偿其尺寸的变化，以保证加工深度仍然能够达到原设计位置。2.2计算机数控系统的基本组成及其功能刀具长度补偿15刀具长度补偿由准备功能G43、G44、G49以及H代码指定，用G43、G44指令指定偏置方向。其中G43为正向偏置，G44为负向偏置，G49为补偿撤消，H代码指令指示偏置存储器中存储偏置量的地址。G43指令都是将H代码指定的已存入偏置存储器中的偏置值加到主轴运动指令终点坐标值上去，而G44则相反，它是从主轴运动指令终点坐标值中减去偏置值。在H后跟两位数指定偏置号，在每个偏置号所对应的偏置存储区中，通过键盘预先设置相应刀具的长度补偿值。对应偏置号00即H00的偏置值通常不设置，取为0，这就相当于刀具长度补偿撤消指令G49。2.2计算机数控系统的基本组成及其功能16在右图中，所画刀具实线为刀具实际位置，虚线为刀具编程位置，则刀具长度补偿控设定H01=-4.0(偏置值)N10G91G00G43Z－32.0H01；实际Z向将进给－32.0+（－4.0）=－36.0N20G01Z－21.0F500；Z向将从－36.0位置进给到－57.0N30G00G49Z53.0；Z向将退回到53.0+4.0位置，即返回初始位置172.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（4）进给速度处理首先根据合成速度计算各坐标方向上的分速度，速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。（5）插补在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和中点之间，按一定的算法分成足够微小的线段，完成程序小线段到终点的“数据点的密化”工作。182.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（6）位置控制在每个采样周期，将计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用差值去控制进给电机。（7）I/O处理强电信号输入输出和计算机一侧弱电信号进行交换与处理，控制如换刀、冷却等应答动作。192.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.2计算机数控系统的工作过程（8）显示显示零件加工程序、参数、机床状态、刀具位置、报警信息等（9）诊断在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。202.2计算机数控系统的基本组成及其功能2.2.3CNC系统的功能控制功能准备功能插补功能主轴功能进给功能辅助功能刀具功能字符显示功能自诊断功能补偿功能固定循环功能图形显示功能通信功能人机对话编程功能基本功能选择功能212.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能指CNC系统能控制以及能同时联动的进给轴数。移动轴和回转轴：X，Y，Z；A，B，C基本轴和附加轴：U，V，W1）二轴联动主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。222.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能2）二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给232.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能3）三轴联动一般分为两类，一类就是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，球头铣刀铣切三维空间曲面242.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能3）三轴联动另一类是除了同时控制X、Y、Z中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）联动。车削中心C轴功能示意图(a)C轴定向时，在圆柱面或端面上铣槽;(b)C轴、Z轴进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽；(c)C轴、X轴进给插补，在端面上铣螺旋槽;(d)C轴、X轴进给插补，铣直线和平面252.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能4）四轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，右图所示为同时控制x、Y、Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。262.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（1）控制功能5）五轴联动除同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，这时刀具可以被定在空间的任意方向。272.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（2）准备功能也称为G功能，指定机床动作方式。282.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（3）插补功能一般有直线和圆弧插补功能，高档数控系统有抛物线插补、螺旋线插补等。一般数控系统加工二次曲线等，零件轮廓节点图。292.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（4）主轴功能指数控系统控制主轴转速的功能，一般由S和数值组成。（5）进给功能F和其后数字指定，包括切削进给速度、同步进给速度、进给倍率。（6）辅助功能指定主轴的起停和转向，冷却液接通与断开等，用M指令指定。302.2.3CNC数控系统的功能1、基本功能（7）刀具功能选择刀具，实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。（8）字符显示功能（9）自诊断功能312.2.3CNC数控系统的功能2、选择功能（1）补偿功能（2）固定循环功能CNC系统为典型的加工工序编写固定循环加工指令的功能，可以简化编程。（3）图形显示功能（4）通信功能（5）人机对话编程功能322.3CNC系统的硬件结构硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能。按电路板的插接方式可分为大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数可分为单微处理器结构和多微处理器结构；按CNC装置的开放程度可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。332.3.1单微处理器与多微处理结构1．单微处理器结构指在CNC装置中只有1个微处理器（CPU），工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等。初期的CNC系统和现有一些经济型CNC系统采用单微处理机结构。多微处理机结构可满足数控机床高进给速度、高加工精度和许多复杂功能的要求，也适应于并入FMS和CIMS运行的需要，从而得到了迅速的发展，它反映了当今数控系统的新水平.342.3.1单微处理器与多微处理结构1．单微处理器结构单微处理器结构框图352.3.1单微处理器与多微处理结构结构特点①结构简单，容易实现。②其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等因素的限制。362.3.1单微处理器与多微处理结构2．多微处理器结构CNC装置中有2个或2个以上微处理器。一般采用2种结构形式:紧耦合结构：由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。松耦合结构：由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实行并行处理。372.3.1单微处理器与多微处理结构2．多微处理器结构特点1）性能价格比高。2）采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性。3）可靠性高。4）硬件易于组织规模生产。382.3.1单微处理器与多微处理结构2．多微处理器结构（1）多微处理器CNC装置的功能模块①CNC管理模块。②CNC插补模块。③PLC模块。④位置控制模块。⑤存储器模块。⑥操作面板监控和显示模块。392.3.1单微处理器与多微处理结构（2）多微处理器CNC装置的2种典型结构①共享总线结构以系统总线为中心，把各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块。系统总线作用是有效地连接各个模块，并按照要求交换各种数据和控制信息，从而构成一个完整的系统。在系统中只有主模块有权控制并使用系统总线。402.3.1单微处理器与多微处理结构①共享总线结构按照CPU之间相互关系的不同，可分为：（a）分布式总线结构各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起。（b）主从式总线结构只有一个主CPU，对整个装置的资源有控制权和使用权；而其他带有CPU的功能部件则只能接受主CPU的控制命令或数据，或发出请求信息以获得所需的数据。412.3.1单微处理器与多微处理结构总线裁决通常有两种：串行方式；按连接顺序决定优先级的高低。并行方式：判别主模块优先级的高低需配置一个专用逻辑电路，一般采用优先权编码方案。①共享总线结构（c）多主结构有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控制权和使用权。通过总线仲裁器解决争用总线的问题，通过公共存储器交换装置内的信息。42FANUC15系统的共享总线结构432.3.1单微处理器与多微处理结构①共享总线结构支持共享总线结构有：STD总线（支持8位和16位字长）、MULTIBUS总线（Ⅰ：8位；Ⅱ：16位）、S-100总线（16位）、VERSA总线（32位）以及VME总线（32位）等。共享总线结构优点：系统配置灵活、结构简单、容易实现、造价低、可靠性高。442.3.1单微处理器与多微处理结构②共享存储器结构采用多端口存储器来实现CPU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。2.3.1单微处理器与多微处理结构FAGOR8025系统共享存储器多CPU系统462.3.2CNC结构1、大板式结构CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成，插在大印刷电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。大板式结构示意图FANUC6MB结构示意图482.3.2CNC结构2、模块式结构将整个CNC装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，用户只需按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的CNC系统