数控技术第9章典型数控系统.ppt

,第9章 典型数控系统及应用,制作人：乔鹏,第9章 典型数控系统及应用,9.1 FANUC数控系统 9.2 SIEMENS数控系统 9.3 FAGOR数控系统 9.4 华中HNC-21T/MM数控系统 小结 习题,导读,本章主要介绍了FANUC 0、西门子SINUMERIK 840D、FAGOR 8055和华中“世纪星”等典型数控系统产品。通过本章介绍，了解常见数控系统的组成结构和功能特点，熟悉数控系统的端口连接和应用方法，以便更好地使用和维护数控系统。,9.1 FANUC数控系统,9.1.1 FANUC数控产品特点 FANUC数控系统功能完善，品种齐全，稳定可靠，性能价格比高，在机械制造领域拥有较大的市场份额。归纳起来，FANUC数控系统产品具有以下主要特点。,（1）系统在设计中大量采用了模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75%，安全可靠。（3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。,（5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令，这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。（6）具有很强的DNC功能，系统提供串行RS232C传输接口，使PC和机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速的DNC操作。（7）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。,9.1.2 FANUC 0系列数控系统1.主要功能特点 FANUC 0系列数控系统分为A型、B型、C型和D型产品，目前在国内使用较多的是普及型FANUC 0D和全功能型FANUC 0C两个子系列，其功能特点如下。,（1）采用高速的微处理器芯片 FANUC的0系列产品使用Inte1 80386芯片，1988年以后的产品改用使用Inte1 80486DX2。（2）采用高可靠性的硬件设计及全自动化生产制造 该产品采用了高品质的元器件，并且大量采用了专用VLSI（Very Large Scale Lntegration，超大规模集成电路）芯片，在一定程度上提高了数控系统的可靠性和系统的集成度。使用表面安装元件（SMD），进一步提高了数控系统的集成度，使数控系统的体积大幅度减小。,（3）丰富的系统控制功能 在系统的功能上具有刀具寿命管理、极坐标插补、圆柱插补、多边形加工、简易同步控制、Cf轴控制（主轴回转由进给伺服电动机实现，回转位置可与其它进给轴一起参与插补）和Cs轴控制（主轴电机不是进给伺服电机，而是FANUC主轴电机，由装在主轴上的编码器检测主轴位置，可与其它进给轴一起参与插补）、串行和模拟的主轴控制、主轴刚性攻丝、多主轴控制功能、主轴同步控制功能、PLC梯形图显示和PLC梯形图编辑功能（需要编程卡）、PLC轴控制功能等。,该系统除了通用的宏程序功能以外，还增加了定制型用户宏程序，这样为用户提供了更大的个性化设计的空间。用户可以通过编程对显示屏幕、处理过程控制等进行编辑，以实现个性化机床的设计。,（4）高速高精度的控制 FANUC 0C数控系统采用了多CPU方式进行分散处理，实现了高速连续的切削。为了实现在切削路径中的高速、高精度，在系统功能中增加了自动拐角倍率，伺服前馈控制等，大大地减少了伺服系统的误差。对PLC的接口增加了高速M、S、T接口功能，进一步缩短了执行时间，提高了系统的运行速度。为了提高系统处理外部数据的速度，FANUC 0C系统在硬件上增加了远程缓冲控制，系统可以实现高速的DNC操作。,（5）全数字伺服控制结构 FANUC 0C系统采用全数字伺服控制结构，实现伺服控制的数字化，大大地提高了伺服运行的可靠性和自适应性，改善了伺服的性能。由于实现了全数字的伺服控制，可以实现高速、高精度的伺服控制功能。可以实现伺服波形（位置、偏差、电流）的CRT显示，用于伺服系统的诊断调试。,（6）全数字的主轴控制 FANUC 0C系统除了模拟主轴接口以外，还提供了串行主轴控制（仅限于使用FANUC的主轴放大器）。主轴控制信号通过光缆与主轴放大器连接，连接方便、简洁、可靠。可以实现主轴的刚性攻丝、定位，双主轴的速度、相位同步以及主轴的Cs轮廓控制。,2.基本构成 FANUC 0系统由数控单元本体，主轴和进给伺服单元以及相应的主轴电机和进给电机，CRT显示器、系统操作面板、机床操作面板，附加的输入输出接口板（B2），电池盒，手摇脉冲发生器等部件组成，下面对它的主要部件的基本配置做简要的说明。,FANUC 0系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主印刷电路板（PCB）、存储器板、图形显示板、可编程机床控制器板（PMCM）、伺服轴控制板、输入输出接口板、子CPU（中央处理器）板、扩展的轴控制板、数控单元电源和DNC控制板。各板插在主印刷电路板上，与CPU的总线相连。FANUC 0系统数控单元的结构如图9.1所示，各部件的功能如下。,图9.1 FANUC 0系统数控单元结构图,（1）主印刷电路板（PCB）。连接各功能板、故障报警等。主CPU在该板上，用于系统主控。（2）数控单元电源。主要提供+5，+15，-15v，+24，-24直流电源，用于各板的供电，24V直流电源，用于单元内继电器控制。（3）图形显示板。提供图形显示功能，第2、3手摇脉冲发生器接口等。（4）PC板（PMCM）9 PMCM型可编程机床控制器，提供扩展的输入输出板的接口。,（5）基本轴控制板（AXE）。提供X、Y、Z和第4轴的进给指令，接收从X、Y、Z和第4轴位置编码器反馈的位置信号。（6）输入输出接口。通过插座M1，M18和M20提供输入点，通过插座M2，M19和M20提供输出点，为PMC提供输入输出信号。（7）存储器板。接收系统操作面板的键盘输入信号，提供串行数据传送接口，第1手摇脉冲发生器接口，主轴模拟量和位置编码器接口，存储系统参数、刀具参数和零件加工程序等。（8）子CPU板。用于管理第5，6，7，8轴的数据分配，提供RS232C和RS422串行数据接口等。,（9）扩展轴控制板（AXS）。提供第5，6轴的进给指令，接收从第5，6轴位置编码器反馈的位置信号。（10）扩展轴控制板（AXA）。提供第7，8轴的进给指令，接收从第7，8轴位置编码器反馈的位置信号。（11）扩展的输入输出接口。通过插座M61，M78和M80提供输入点,通过插座M62，M79和M80提供输出点，为PMC提供输入输出信号。（12）通信板（DNC2）。提供数据通信接口。,3.控制单元的连接 如图9.2所示，为FANUC 0系统基本轴控制板（AXE）与伺服放大器、伺服电机和编码器连接图。M184M199为轴控制板上的插座编号，其中M184、M187、M194、M197为控制器指令输出端；M185、M188、M195、M198是内装型脉冲编码器输入端，在半闭环伺服系统中为速度位置反馈，在全闭环伺服系统中作为速度反馈；M186、M189、M196、M199只作为在全闭环伺服系统中的位置反馈，可以接分离型脉冲编码器或光栅尺。H20表示20针HONDA插头，M表示“针”，F表示“孔”。如果选用绝对编码器，CPA9端接相应电池盒。,图9.2 FANUC 0系统轴控板连接图,存储器板存放着工件程序、偏移量和系统参数，系统断电后由电池单元供电保存。同时连接着显示器、MDI单元、第一手摇脉冲发生器、串行通信接口、主轴控制器和主轴位置编码器、电池等单元，如图9.3所示。,图9.3 FANUC 0系统存储器板、电源单元连接图,在电源单元中，CP15为24V DC输出端，供显示单元使用，BN6.F为6针棕色插头；CP1是单相AC 220V输入端，BK3.F为3针黑色插头；CP3接电源开关电路；CP2为AC 220V输出端，可以接冷却风扇或其他需要AC 220V设备。内置IO接口连接如图9.4所示，其中M1、M18为IO输出插座，共计80个IO输入点；M2、M19为IO输出插座，共计56个IO输出点；M20包括24个IO输入点和16个IO输出点。这些IO点可以用于强电柜中的中间继电器控制，机床控制面板的按钮和指示灯、行程开关等开关量控制。,图9.4 FANUC 0系统IO板连接图,4伺服系统的基本配置（1）进给伺服系统的基本配置 常用的S系列交流伺服放大器分l轴型、2轴型和3轴型3种。其电源电压为200230V，由专用的伺服变压器供给，AC 100V制动电源由NC电源变压器供给。,1轴型和2轴型伺服单元的基本配置和连接方法分别如图9.5、图9.6所示。图中电缆K1为NC到伺服单元的指令电缆，K2S为脉冲编码器的位置反馈电缆，K3为AC 230200V电源输入线K4为伺服电机的动力线电缆，K5为伺服单元的AC 100V制动电源电缆，K6为伺服单元到放电单元的电缆，K7为伺服单元到放电单元和伺服变压器的温度接点电缆。QF和MCC分别为伺服单元的电源输入断路器和主接触器，用于控制伺服单元电源的通和断。,图9.5 FANUC 0系统1轴型伺服单元,图9.6 FANUC 0系统2轴型伺服单元,伺服单元的接线端T24和T25之间有一个短路片，如果使用外接型放电单元，则应将它取下，并将伺服单元印刷电路板上的短路棒S2设置到H位置，反之则设置到L位置。伺服单元的连接端T41和T42为放电单元和伺服变压器的温度接点串联后的输入点，上述两个接点断开时将产生过热报警。如果使用这对接点，应将伺服单元印刷电路板上的短路棒S1设置到L位置。,在2轴型伺服单元中，插座CN1L、CN1M、CN1N可分别用电缆Kl和数控系统的轴控制板上的指令信号插座相连，而伺服单元中的动力线端子T15L，6L，7L和T15M，6M，7M以及T15N，6N，7N则应分别接到相应的伺服电机，从伺服电机的脉冲编码器返回的电缆也应一一对应地接到数控系统的轴控制板上的反馈信号插座（即L，M，N分别表示同一个轴）。,FANUC的CNC与Alpha系列2轴交流驱动单元组成的伺服系统结构如图9.7所示，伺服电机上的脉冲编码器作为位置检测元件也作为速度检测元件，它将检测信号反馈到CNC中，由CNC完成位置处理和速度处理。CNC将速度控制信号、速度反馈信号以及使能信号输出到伺服放大器的JVBl和JVB2端口。,图9.7 CNC与AIpha系列2轴伺服系统连接,（2）S系列主轴伺服系统的基本配置 S系列主轴伺服系统的连接方法如图9.8所示，其中Kl为从伺服变压器副边输出的AC 220 V三相电源电缆，应接到主轴伺服单元的U，V，W和G端，输出到主轴电机的动力线，应与接线盒盖内面的指示相符。K3为从主轴伺服单元的端子T1上的R0，S0和T0输出到主轴风扇电机的动力线，应使风扇向外排风。K4为主轴电机的编码器反馈电缆，其中PA，PB，RA和RB用做速度反馈信号，0H1和0H2为电机温度接点，SS为屏蔽线。K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CN1。,图9.8 S系列主轴伺服系统的连接方法,5数字伺服有关参数的设定（1）柔性齿轮比的设定 在以往的伺服参数中，丝杠的螺距和传动机构丝杠与电动机轴之间的减速比确定后，才可以确定脉冲编码器的脉冲数。所调整的参数一般比较固定，使用较为不便。使用柔性齿轮比功能，脉冲编码器的脉冲数可以适应各种不同的传动机构。,如图9.9所示，描述了柔性齿轮比参数的实际意义，当反馈的脉冲数不能和指令的脉冲数相同时，就可以通过该nm的值进行调整，具体的设定方法如下。,图9.9 柔性齿轮比参数示意图,当电动机为Alpha系列电动机，伺服为半闭环系统时，不管使用何种串行位置编码器，电动机旋转时位置反馈的脉冲数取1000000Pr。当不需要柔性齿轮比功能时，可以将该轴的nm值设定为0。参数PRM37#3#0用于选择是否使用分离型的反馈系统，当设定为l时，伺服的位置反馈由分离型的接口输入。,（2）伺服电动机代码和自动设定以及伺服的优化 在数字伺服的软件中，包括了所有电动机（非负载情况下）最佳的伺服控制参数，该参数在机床的调试时将被设定。具体方法可以通过伺服设定画面设定，在该画面集中了各个控制轴主要参数，如图9.10所示。,图9.10 伺服设定画面,初始设定位（initial set bits）：#1位为0时进行参数自动设定。设定完成后，该为恢复为1。电动机代码（Motor ID No）：电动机的代码（099）用于每种电动机。AMR：当使用Alpha系列电动机时，该值为0。CMR2指令倍乘比。,柔性齿轮比nm：根椐上述介绍的公式设定。方向设定Direction Set：用于设定正确的电动机方向。速度脉冲数velocity Pulse：使用A1pha系列电动机时为8192819。位置脉冲数Position pulse：当系统为半闭环，Alpha系列电动机为125001250；当系统使用全闭环时，取决于反馈脉冲数转。参考计数器Ref.Counter：用于参考点回零的计数器。,在上述的参数设定完成以后，当初始设定位#1位为0时，该轴的伺服参数会进行自动参数设定，设定如果正常完成后，该位变为1，一般以上参数都是由机床厂家在机床调试时进行设定的。但是由于自动设定的参数是FANUC公司在系统设计时非负载情况下调试出来的最佳参数，实际上该参数不能够满足各种不同负载和机械条件下的最佳参数，所以一般要根据实际的机床情况进行参数的优化。,6系统应用 FANUC的0系列产品自1985年开发成功以来，该系列产品在车床、铣床加工中心、圆柱平面磨床、冲床等机床中得到广泛的应用。目前，国内很多机床生产厂家都可以根据用户要求，选用FANUC 0系列数控系统，部分机床产品如表9.1所示。,表9.1 选用FANUC 0系列数控机床举例,9.1.3 FANUC 0i系列数控系统1主要功能及特点（1）FANUC 0i系统与FANUC161821等系统的结构相似，均为模块化结构。主CPU板上除了主CPU及外围电路之外，还集成了FROMSRAM模块，PMC控制模块，存储器和主轴模块，伺服模块等。其集成度较FANUC 0系统的集成度更高，因0i控制单元的体积更小，便于安装排布。（2）采用全字符键盘，可用B类宏程序编程，使用方便。,（3）用户程序区容量比0MD系统大一倍，有利于较大程序的加工。（4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便，特别是在用户现场扩充功能或实施技术改造时更为便利。（5）使用存储卡存储或输入机床参数、PMC程序以及加工程序，操作简单方便。使复制参数、梯形图和机床调试程序过程十分快捷，缩短了机床调试时间，明显提高数控机床的生产效率。,（6）系统具有HRV（高速矢量响应）功能，伺服增益设定比0MD系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。以切削圆为例，同一型号机床0MD系统的圆度误差通常为0.020.03mm，换用0i系统后圆度误差通常为0.010.02 mm。（7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参数自动补偿。该功能可以使机床在快速定位和切削进给不同工作状态下，反向间隙补偿效果更为理想，这有利于提高零件加工精度。,（8）0i系统可预读12个程序段，比0MD系统多。结合预读控制及前馈控制等功能的应用，可减少轮廓加工误差。小线段高速加工的效率、效果优于0MD系统，对模具三维立体加工有利。（9）与0MD系统相比，0i系统的PMC程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。（10）0i系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。熟悉0i系统后，自然会方便地使用上述其他系统。,（11）0i系统比0M、0T等产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。（12）在软件方面0i系统比0系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进，如RS232串口通信波特率达19200bs，可以通过HSSB（高速串行总线）与PC机相连，使用存储卡实现数据的输入输出。,2.基本构成 FANUC 0i系统由主板和I0两个模块构成。主板模块包括主CPU、内存、PMC控制、IOLink控制、伺服控制、主轴控制、内存卡IF、LED显示等；IO模块包括电源、IO接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。各部分与机床、外部设备的连接插槽或插座如图9.11所示。,图9.11 FANUC 0i系统控制单元,3.部件的连接 如图9.12所示，为FANUC 0i系统的连接图。图中，系统输入电压为DC 24V10，电流约7A。伺服和主轴电动机为AC 200V（不是220V，其他系统如0系统，系统电源和伺服电源均为AC 200V）输入。这两个电源的通电及断电顺序是有要求的，不满足要求会出现报警或损坏驱动放大器。原则是要保证通电和断电都在CNC的控制之下。具体顺序如表9.2所示。,图9.12 FANUC 0i系统接线图,表9.2 FANUC 0i系统接通电源和关断电源顺序,伺服的连接分A型和B型，由侗服放大器上的一个短接捧控制。A型连接是将位置反馈线接到CNC系统；B型连接是将其接到伺服放大器。0i和近期开发的系统用B型。0系统大多数用A型。两种接法不能任意使用，与伺服软件有关。连接时最后的放大器JX1B需插上FANUC提供的短接插头，如果遗忘会出现401报警。另外，若选用一个伺服放大器控制两个电动机，应将大电动机电枢接在M端子上，小电动机接在L端子上，否则电动机运行时会听到不正常的嗡嗡声。,FANUC系统的伺服控制可任意使用半闭环或全闭环，只需设定闭环型式的参数和改变接线，非常简单。主轴电动机的控制有两种接口：模拟（010V DC）和数字（串行传送）输出。模拟口需用其他公司的变频器及电动机。,用FANUC主轴电动机时，主轴上的位置编码器（一般是1024线）信号应接到主轴电动机的驱动器上（JY4口）。驱动器上的JY2是速度反馈接口，两者不能接错。目前使用的IO硬件有两种：内装IO印刷板和外部IO模块。IO板经由系统总线与CPU交换信息；IO模块用I0 Link电缆与系统连接，数据传送方式采用串行格式，,所以可远程连接。编制梯形图时这两者的地址区是不同的。而且，IO模块使用前需首先设定地址范围。为了使机床运行可靠，应注意强电和弱电信号线的走线、屏蔽及系统和机床的接地。电平4.5以下的信号线必须屏蔽，屏蔽线要接地。连接说明书中把地线分成信号地、机壳地和大地。另外，FANUC系统、伺服和主轴控制单元及电动机的外壳都要求接大地。为了防止电网干扰，交流的输入端必须接浪涌吸收器。如果不处理这些问题，机床工作时会出现#910、#930报警或是不明原因的误动作。,4.机床参数 数控机床的参数是数控系统所用软件应用的外部条件。他决定了数控机床的功能、控制精度，是否会正确执行用户编写的指令以及解释连接在其上的不同部件等，CNC必须知道机床的特定数据。例如，连接轴的数量和名称、进给率、加速度、反馈、跟随误差、比例增益、自动换刀装置等。,只有正确、合理地设置这些参数，数控机床才能正常工作。数控机床在出厂前，已将所采用的CNC系统设量了许多初始参数来配合，适应相配套的每台数控机床的具体情况，部分参数还要经过调试来确定。在数控维修中，有时要利用机床某些参数调整机床，有些参数要根据机床的运行状态进行必要的修正。,FANUC 0i系列（0iTA、0iMA）包括坐标系、加减速度控制、伺服驱动、主轴控制、固定循环、自动刀具补偿、基本功能等43个大类的机床参数。这些参数的数据形式如表9.3所示。对于位型和位轴型参数，每个数据号由9位组成，每一位有不同的意义。轴型参数允许分别设定给每个控制轴。由于篇幅所限，下面仅对主要参数加以介绍。,表9.3 机床参数的数据形式,（1）0000号参数如图9.13所示。有效位含义如表8.4所示，无效位在参数输入时应填补0。,图9.13 000号参数数的有效位,表9.4 000号参数的有效位含义,（2）0020号参数如图9.14所示，为字节型参数。为了和外部输入输出设备或计算机进行数据的输入输出，CNC提供两个IO设备接口（RS232C串行口1，2），该参数用来设定选用哪个接口进行数据的输入输出，数据为字节型，如表9.5和图9.15所示。,图9.14 0020号参数,表9.5 0020号参数说明,图9.15 输入输出连接,通过设定0020号参数，选择IO设备是使用RS232C串行口1还是RS232C串行口2。而且，还要确认与各通道相连的IO设备的规格（例如波特率和停止位及其他参数），必须预先设定对应接口的相应参数，如图9.16所示。其中对于通道1，由两组参数设定输入输出设备的规格。参数0101、0102、0103以及各通道共用参数0010的设置如图9.17和表9.6所示。,图9.16 参数说明,图9.17 各参数的有效位,表9.6 各参数含义,表9.6 各参数含义,（3）1020号参数如图9.18所示，为字节轴型参数，用来定义各轴的程序名称，名称定义如表9.7所示。,图9.18 1020号参数,表9.7 1020号参数说明,（4）1023号参数如图9.19所示，为字节轴型参数，用来定义各轴的伺服轴号，设定各轴为对用的第几号伺服轴。通常，控制轴号与伺服轴号的设定值相同。,图9.19 1023号参数,（5）1010号参数为字节型参数，如图9.20所示。用来设定CNC可控的最大轴数。假定控制轴为：x轴、Y轴、z轴、A轴，其中F轴、y轴、z轴为CNC控制轴，A轴是PMC控制轴，则设定值为3。,图9.20 1010号参数,5.系统应用 目前在国内，FANUC 0i系列已成为主流产品，各机床生产厂家已大量采用，部分机床产品如表9.8所示。,表9.8 选用FANUC 0i系列数控机床,9.1.4 FANUC 16i/18i/21i系列数控系统1.功能及特点（1）超小型、超薄型。FANUC 16i18i21i系列产品比0i系统体积进一步缩小，将液晶显示器与CNC控制部分溶为一体，实现了超小型化和超薄型化（无扩展槽时厚度只有60 mm）。（2）纳米插补。以毫微米为单位计算发送到数字伺服控制器的位置指令，极为稳定，在与高速、高精度的伺服控制部分配合下能够实现高精度加工。通过使用高速RISC处理器，可以在进行纳米插补的同时，以适合于机床性能的最佳进给速度进行加工。,（3）超高速串行通信。利用光导纤维将CNC控制单元和多个伺服放大器连接起来的高速串行总线，可以实现高速度的数据通信并减少连接电缆。（4）伺服HRV（High Response Vector高响应向量）控制。借助于纳米CNC的稳定指令和高响应伺服HRV控制的高增益伺服系统，以及高分辨率的脉冲编码器（16 000 000Pr）实现高速、高精度加工。,（5）丰富的网络功能。FANUC 16i18i21i系统具有内嵌式以太网控制板（21i为选购件），可以与多台电脑同时进行高速数据传输，适合于构建在加工线和工厂主机之间进行交换的生产系统。并配以集中管理软件包，以一台电脑控制多台机床，便于进行监控、运转作业和NC程序传送的管理。（6）远程诊断。通过因特网对数控系统进行远程诊断，将维护信息发送到服务中心。,（7）操作与维护。可以通过接触摸画面上所显示的按键进行操作；可以利用存储卡进行各类数据的输入输出；可以以对话方式诊断发生报警的原因，显示出报警的详细内容和处置办法；显示出随附在机床上的易损件的剩余寿命；存储机床维护时所需的信息；通过波形方式显示伺服的各类数据，便于进行伺服的调节；可以存储报警履历和操作人员的操作履历，便于发生故障时查找原因。,（8）控制个性化。通过C语言编程，实现画面显示和操作的个性化；用宏语言编程，实现CNC功能的高度定制；通过C语言编程，可以构建与由梯形图控制的机器处理密切相关的应用功能。（9）高性能的开放式CNC。FANUC Series 160i180i210i是与Windows 2000对应的高功能开放式CNC。这些型号的CNC与Windows2000对应，可以使用市面上出售的多种软件，不仅支持机床制造商的机床个性化和智能化，而且还可以与终端用户自身的个性化相对应。,（10）软件环境。为了与CNCPMC进行数据交换，提供可以用C语言或BASIC语言调用的FOCAS1驱动器和库函数；提供CNC基本操作软件包，它是在电脑上进行CNCPMC显示、输入、维护的应用软件，通过用户界面向操作人员提供“状态显示、位置显示、程序编辑、数据设定”等操作画面；CNC画面显示功能软件，是在电脑上显示出与标准的i系列CNC相同画面的应用软件；DNC运转管理软件包，可以完成从电脑上的硬盘高速地向CNC传输NC程序并加以运行。,2.基本构成及连接 FANUC 16i18i21i系统由液晶显示器一体型CNC、机床操作面板、伺服放大器、强电盘用IO模块、IO Link 放大器、便携式机床操作面板及适配器、i系列AC伺服电机、i系列AC主轴电机、应用软件包等部分组成。连接如图9.21所示。,图9.21 FANUC Series 16i18i21i连接示意图,3.进给与主轴控制（1）进给控制 进给控制框图如图9.22所示，为实现高速度、高精度、高效率加工，控制系统采用以毫微米为插补计算单位，因此，发送到数字伺服控制器的指令极为稳定，由此来提高表面加工精度。,由于采用高响应向量（High Response Vector）控制的高增益伺服系统，可以实现高速加工，为避免机械谐振，系统增加了HRV滤波器，实现稳定的高增益伺服控制。为实现高速、稳定的进给，系统采用高性能i系列AC伺服电机、高精度的电流检测和高分辨率的脉冲编码器（标准件为1 000 000rev，选购件为16 000 000rev）以及高性能的伺服控制,图9.22 FANUC Series 16i18i21i进给控制框图,（2）主轴控制 如图9.23所示,为主轴控制框图，主轴控制通过采用高速DSP（Digital signal processing），改善控制软件算法（主轴HRV控制），设法提高电路的响应性和稳定性。通过控制回路运算周期的缩短和高分辨率检测回路的有机结合，实现高响应型和高精度的主轴控制。,图9.23 FANUC Series 16i18i21i主轴控制框图,9.2 SIEMENS数控系统,西门子（SIEMENS）公司的SINUMERIK系列数控系统，功能完善，稳定可靠，具有较高的性能价格比，在我国数控机床行业被广泛应用。如图9.24所示，为目前市场常见的SIEMENS数控系统的产品类型，主要包括802、810、840等系列。下面以SINUMERK 840数控系统为例，介绍其硬件组成及各模块间的联系。,图9.24 SINMENS数控系统产品类型,9.2.1 功能特点 SINUMERK 840D是20世纪90年代中期开发设计的全数字化数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在一平方厘米的空间中，便于操作、编程和监控。,SINUMERK 840D保持了西门子前两代系统SINUMERIK 880和SINUMERIK 840C的三CPU结构，由人机通信CPU（MMC-CPU）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）三个CPU分工协调工作，快速高效。在物理结构上，NC-CPU和PLC-CPU合为一体，合成在NCU（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。,SINUMERK 840D与西门子611D数字化伺服驱动模块及西门子S7300PLC模块构成的全数字化数控系统，能实现钻削、车削、铣削、磨削等数控功能，也能应用于剪切、冲压、激光加工等数控加工领域。840D数控系统具有如下主要功能及特点。,（1）控制类型 采用32位微处理器，实现CNC控制，可用于完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制。（2）机床配置 可实现钻、车、铣、磨、切割、冲、激光加工和搬运设备的控制，备有全数字化的SIMODRIVE 611D数字驱动模块。最多可控制31个进给轴和主轴，进给和快速进给的速度范围为103mm/min999 mmin。其插补功能有样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补，这些功能为加工各类曲线曲面零件提供了便利条件。此外还具备进给轴和主轴同步操作的功能。,（3）操作方式 其操作方式主要有AUTOMATIC（自动）、JOG（手动）、TEACH IN（示教编程）、MDA（手动数据自动化）。（4）轮廓和补偿 840D可根据用户程序进行轮廓的冲突检测、刀具半径补偿的进入和退出策略及交点计算、刀具长度补偿、螺距误差补偿和测量系统误差补偿、反向间隙补偿、过象限误差补偿等。,（5）安全保护功能 数控系统可通过预先设置软极限开关的方法，进行工作区域的限制及程序执行中的进给减速，同时还可以对主轴的运行进行监控。（6）NC编程 840D系统的NC编程符合DIN 66025标准（德国工业标准），具有高级语言编程特色的程序编辑器，可进行公制、英制尺寸或混合尺寸的编程，程序编制与加工可同时进行，系统具备1.5兆字节的用户内存，用于零件程序、刀具偏置、补偿的存储。,（7）PLC 编程 840D的集成式PLC完全以标准SIMATICS7模块为基础，PLC程序和数据内存可扩展到288KB，IO模块可扩展到2048个输入输出点，PLC程序能以极高的采样速率监视数据输入，向数控机床发送运动停止起动等指令。,（8）操作部分硬件 840D系统提供有标准的PC软件、硬盘、奔腾处理器，用户可在MSWindows982000下开发自定义的界面。此外，2个通用接口RS232可使主机与外设进行通信，用户还可通过磁盘驱动器接口和打印机并行接口完成程序存储、读入及打印工作。,（9）显示部分 840D提供了多语种的显示功能，用户只需按一下按钮，即可将用户界面从一种语言转换为一种语言，系统提供的语言有中文、英语、德语、西班牙语、法语、意大利语。显示屏上可显示程序块、电动机轴位置、操作状态等信息。,（10）数据通信 840D系统配有RS232CTTY通用操作员接口，加工过程中可同时通过通用接口进行数据输入输出。此外，用PCIN软件可以进行串行数据通讯，通过RS232接口可方便地使840D与西门子编程器或普通的个人电脑连接起来，进行加工程序、PLC程序、加工参数等各种信息的双向通讯。用SINDNC软件可以通过标准网络进行数据传送，还可以用CNC高级编程语言进行程序的协调。,9.2.2 系统基本构成SINUMBRK 840D数控系统的基本构成如图9.25所示，主要包括以下几部分。（1）数控单元电源 主要提供+5，+15V，15V，+24，24V直流电源，用于各板的供电，24直流电源，用于单元内继电器控制。（2）主电路板 主电路板应用模块式组合，连接各功能板、故障报警等。主CPU在该板上，CPU选用Pentium处理器，用于系统主控。,图9.25 SINUMBRK 840D数控系统的构成,（3）基本轴控制板 提供X、Y、Z和其他轴的进给指令，接收从X、Y、Z 和其他轴位置编码器反馈的位置信号。（4）存储器板 接收系统操作面板的键盘输入信号，提供串行数据传送接口，手摇脉冲发生器接口，主轴模拟量和位置编码器接口，存储系统参数，刀具参数和零件加工程序等。,（5）伺服系统 由FM354和SPWM、SIMODRIVE611、IFK6IFK6IFT5D等组成，实现对机床的运动控制。（6）位置检测系统 采用增量直线位移测量元件，实现机床的闭环检测。（7）操作面板 操作面板使用全数控键盘布局。,（8）机床控制面板 机床控制面板按钮使用图形符号，使操作更加容易。（9）显示器 显示器选用10.4彩色显示器，便于观察机床运行状态。（10）输入输出接口 通过2个RS232C和RS444485实现与外部设备的连接。,9.2.3 内部硬件组成 SINUMERIK 840D系统硬件组成原理如图9.26所示。包括如下主要功能单元。,图9.26 SINUMERIK 840D数控系统硬件组成框图,（1）数字控制单元NCU NCU（Numerical Control Unit）是SINUMERIK 840D数控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、PLC系统的算术运算和逻辑运算都是由NCU完成的。在SINUMERIK 840D中，NC-CPU和PLC-CPU采用硬件一体化结构，合成在NCU中。（2）人机通信中央处理单元MMC-CPU MMC-CPU的主要作用是完成机床与外界及与PLC-CPU、NC-CPU之间的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。,（3）操作员面板OP031 操作员面板OP的作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。在SINUMERIK 840D中有OP031、OP032、OP032S、OP030以及PHG等5种操作员面板。其中，OP031是常使用的操作员面板。,（4）机床控制面板MCP MCP的主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作。主要有以下列6个硬功能键操作。1.操作模式键区。可选择的操作模式有JOG、MD、TEACH IN和AUTO 等4种操作模式。2.轴选择键区。实现轴选择，完成轴的点动进给、回参考点和增量进给。3.自定义键区。供用户使用，通过PLC的数据块实现与系统的联系，完成机床生产厂所要求的特殊功能。,4.主轴操作区。主轴倍率开关，实现主轴转速0150%倍率修调。主轴起停按钮实现主轴驱动系统的起停，一般控制主轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。5.进给轴操作区。进给轴倍率开关，实现进给轴转速0200%倍率修调。进给轴起停按钮实现进给轴驱动系统的起停，一般控制进给轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。6.急停按钮。实现机床的紧急停车，切断进给轴和主轴的脉冲使能和驱动使能。,（5）I/RF主电源模块 主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。(6)驱动系统 它包括主轴驱动系统和进给驱动系统两部分。,9.2.4 系统软件结构 SINUMERIK 840D系统软件结构如图9.27所示。包括MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件4大部分。,图9.27 SINUMERIK 840D数控系统软件结构图,1.MMC软件系统 在MMC102/103以上系统均带有5GB或10GB的硬盘，内装有基本输入、输出系统（BIOS），DR-DOS内核操作系统、Windows95操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支撑SINUMERIK与外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之间的相互通信及任务协调。,2.NC软件系统 NC软件系统包括下列内容：（1）NCK数控核初始引导软件。该软件固化在EPROM中。（2）NCK数控核数字控制软件系统。它包括机床数据和标准的循环子系统，是西门子公司为提高系统的使用效能，而开发的一些常用的车削、铣削、钻削和镗削功能等软件。用户必须理解每个循环程的参数含义才能进行调用。,（3）SINUMERIK 611D驱动数据。它是指SINUMERIK 840D数控系统所配套使用的SIMODRIVE 611D数字式驱动系统的相关参数。（4）PCMCIA卡软件系统。在NCU上设置有一个PCMCIA插槽，用于安装PCMCIA个人计算机存储卡，卡内预装有NCK驱动软件和驱动通信软件等。,3.PLC软件系统 PLC软件系统包括PLC系统支持软件和PLC程序。（1）PLC系统支持软件。它支持SINUMERIK 840D数控系统内装的CPU315-2DP型可编程逻辑控制器的正常工作，该程序固化在NCU内。（2）PLC程序。它包含基本PLC程序和用户PLC程序两部分。4.通信及驱动接口软件 它主要用于协调PLC-CPU、NC-CPU和MMC-CPU三者