计算机数控系统课件.ppt

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1、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,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

2、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装置的组成,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,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

3、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/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）

4、。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

5、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

6、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

7、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

8、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。,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

9、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,ROM,RAM,PLC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,M,M,M,M,M、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, CNC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。 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。 结构简单，易于实现。,2.多微处理器的CNC, 多微处理器CNC的优点 较高的性价比； 适应能力强；

10、可靠性高； 易于组织规模化生产。, 多微处理器的CNC主要功能模块, CNC管理模块 ； CNC插补模块 ； 位置控制模块 ； PLC模块 ； 人机接口模块 ； 存储器模块 。, 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

11、的阻塞，降低系统效率。,共享总线结构框图,共享存储器结构框图,3.CNC的接口,纸带的光电阅读机接口输入/输出（I/O）接口进行必要的信号隔离进行电平转换和功率放大数/模和模/数转换通信接口,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

12、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, ,1CNC的软、硬件界面,2CNC的软件结构特点, CNC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, 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

13、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。, 中断型软件结构,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。 8090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

14、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,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

15、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,Y,N,N,N,N,Y,N,Y,Y,Y,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中心轨迹数据。种类：长度补偿和半径补偿。,2速度处理,（1）进给速度计算开环系统:速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加

16、工速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。,开环系统进给速度的计算,VS,VS,脉冲的频率决定进给速度。 为脉冲当量，单位：mm ，则两轴联动时，各坐标轴速度为: 合成速度（即进给速度）V为,（2）进给速度控制,VS,VS,常用的控制方法：计时法 用于脉冲增量插补。时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达到速度控制的目的。积分法,3插补,根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；计算新的坐标位置；将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。插补程序的实时性 。,1计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + x2 Y2新 = Y2旧 + y

17、22计算实际坐标位置 X1新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y13计算位置控制输出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。,4 位置控制,第四节 PLC与数控机床的辅助功能,一、PLC1PLC的基本组成和工作原理 硬件系统 软件系统,接收现场信号,输入部件,外设接口,扩展接口,输出部件,电源,运算器,控制器,微处理器,RAM用户程序,EPROM系统程序,盒式磁带机,驱动受控元件,I/O扩展单元,存储器,打印机,EPROM写入器,PLC或

18、上位计算机,编程器,通用型PLC的硬件结构框图,PLC 程序执行过程图,输 入 端 器 件,输 入 映 象,元 件 映 象 寄 存,输 出 锁 存,输 入 端 器 件,输 入,输 出,输入采样阶段,输出刷新阶段,程序执行阶段, PLC的基本控制原理,2PLC的特点：, 可靠性高 编程简单，使用方便 灵活性好 直接驱动负载能力强 便于实现机电一体化 网络通信,3数控机床用PLC, 数控机床PLC的控制对象,数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图,CNC、PLC、机床之间的信号处理过程,CNC装置机床：CNC装置CNC装置的RAM PLC的RAM中。PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理

19、。处理后的数据仍在PLC的RAM中，对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床；对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。,机床CNC装置,对于内装型PLC，信号传送处理如下：从机床输入开关量数据CNC装置的RAM PLC的RAM。PLC的软件进行逻辑运算处理。处理后的数据仍在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中。 CNC装置软件读取RAM中数据。 对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同。,PLC 、CNC 、机床间的信息交换,PLC CNC的信号：主要有机床

20、各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号等。PLC 机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。机床 PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。, 数控机床PLC的形式,按结构形式分类：内装型（Built-in Type）PLC（或称集成式、内含式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。独立型（St

21、and-alone Type）PLC ，或称为“通用型”PLC它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。按规模分类：小型：输入/输出的点数512点,PLC的规模及其应用, 内装型PLC,此类是CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型（Built-in Type）PLC（或称集成式、内含式）。内装型PLC是CNC装置的一部分，它与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的。这种类型的PLC一般不能独立工作，它是CNC装置的一个功能模块，是CNC装置功能的扩展，两者是不能分离的。在硬件上，内装型PLC既可与CNC装置共用一个CPU，如西门

22、子的SINUMERIK810、820等数控系统；也可以是单独的CPU，如FANUC的0系统和15系统、美国A-B公司的8400系统和8600系统等。,由于CNC装置的功能和PLC的功能在设计时就统一考虑，因而这种类型的PLC在硬件和软件的整体结构上合理、实用，性能价格比高，适用于类型变化不大的数控机床。由于PLC与CNC之间的连线较少，且PLC内的信息也能通过CNC装置的显示器显示，使PLC的编程更为方便，而且故障诊断的功能也有提高，从而提高了CNC系统的可靠性。, 内装型PLC,NC,PLC,I/O电路,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CR面板,进给电动机,主轴电

23、动机,辅助动作换 刀冷 却排 屑,内装型PLC结构框图,CNC装置, 独立型PLC,此类是由专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制，称为独立型（Stand-alone Type）PLC ，或称为“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC装置的，它具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。在数控机床选用独立型PLC时，主要考虑能满足以下要求：输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等。由于这种类型PLC的生产厂家较多，品种、类型丰富，使用户有较大的选择余地，可以选择自己熟悉地产品，而且其功能的扩展也较方便。独立型PLC与CNC装置之间是通过输

24、入/输出接口连接的。国内已引进应用的独立型PLC有：西门子公司的SIMATIC S5、S7系列产品；A-B公司的PLC系列产品；FANUC公司的PMC-J系列产品等。,独立型PLC结构框图,NC,PLC,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CRT面板,伺服电动机,主轴电动机,辅助动作换刀冷却排屑,I/O电路,I/O电路,I/O电路,PLC装置,二、数控机床的辅助功能,1数控机床的辅助功能是指数控机床的冷却、润滑、转位和夹紧等功能。对于加工中心类的数控机床还有刀库的管理功能。2数控机床的辅助功能的控制就是数控机床的冷却、润滑的启停；控制工件和机床部件的松开、夹紧；控制分度

25、工作台的转位等。对于加工中心类数控机床还有刀库中选择刀具和交换刀具。辅助功能的控制还可以由PLC来完成。,第五节 FANUC数控系统,一、FANUC数控系统介绍二、FANUC数控系统的特点三、FANUC系统典型系列10系列 210/11/12系列 315系列 416系列 518系列,FANUC数控系统（显示器及操作面板）,FANUC 系列 150i B型数控装置,第六节 开放式CNC,一、概述计算机技术的高速发展和普及先进制造技术发展的要求CNC开发周期和开发成本的要求PC文化的渗入二、开放式CNC的定义目前可以认为开放式CNC就是指PC-NC。它是指在机械加工专用的CNC中，引入PC所具有的

26、开放特性和文化，达到CNC系统的设计和制造的开放性、通用性和模块化。,FMS,CIMS,三、开放式CNC的基本结构,1PC的特点 中央处理器的可选性 PC采用标准的总线和模块化结构 通用和标准的操作系统 丰富的软硬件资源和众多开发商的支持 性能价格比高,2PC-NC的基本组成,PC-NC的基本组成框图,PC系统,伺服控制系统,数字输入输出DIO,伺服驱动,伺服电动机,硬件配置单元,软件配置单元,标准计算机硬件,数控系统基本硬件,数控功能应用程序,DOS(WINDOWS),实时多任务操作系统RTM,应用程序接口,NC构件库,开放式数控装置的概念结构,3PC-NC系统的构成方式, 连接PC的CNC

27、 内部加装PC的CNC 装入PC系统的CNC 软件控制型CNC的所有处理功能都由PC完成，PC通过安装在扩展槽中的接口卡来完成对伺服驱动等的控制。上面几种基本结构各有特点。连接PC的CNC实现起来容易，无需对结构进行大的改动，但速度慢，不能实现开放化；内部加装PC的CNC速度较快，但还不能直接利用PC，开放性仍然受到限制；装入PC系统的CNC和软件控制型CNC两种情况虽然具有较好的开放性，但技术不过关。,四、开放式CNC的发展,国内外开放式数控系统的研究进展美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open

28、 Modular Architecture Controller)计划欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划华中I型基于IPC的CNC开放体系结构航天I型CNC系统基于PC的多机CNC开放体系结构,思 考 题,什么是单微处理器结构？多微处理器有哪些功能模块，各功能模块的作用是什么？什么是译码？CNC系统中的PLC有哪些特点？目前PC-NC的构成方式有几种？,本章结束 ！,请各位同学认真复习本章内容！,