110 数控系统的基本知识及常见数控系统.ppt

1 数控系统孙海亮 2 主要内容 一 数控技术的发展二 数控系统的组成三 常见数控系统1 FANUC数控系统2 SIEMENS数控系统3 华中数控系统 3 一 数控技术的发展 1 1946年世界上诞生了第一台电子计算机 2 第一台计算机诞生6年后 即在1952年 计算机技术应用到了机床上 1952在美国诞生了第一台数控机床 从此 传统的机床产生了质的变化 4 第一台数控机床诞生至今五十年以来 数控机床的核心 数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展 1 数控 NC 阶段2 计算机数控 CNC 阶段 5 数控 NC 阶段 1952 1970年 早期的计算机运算速度低 这对当时的科学计算和数据处理影响不大 但它不能适应机床实时控制的要求 人们不得不采用数字逻辑电路 搭成机床专用计算机作为数控系统 被称为硬件连接数控 HARD WIREDNC 简称为数控 NC 随着电子元器件的发展 这个阶段又历经三代 1952年的第一代 电子管计算机组成的数控系统 1959年的第二代 晶体管计算机组成的数控系统 1965年的第三代 小规模的集成电路计算机组成的数控系统 6 计算机数控 CNC 阶段 这一阶段从1970年开始至今 1970年研制成功大规模集成电路 并将其用于通用小型计算机 此时的小型计算机 其运算速度比五 六十年代的计算机有了大幅度的提高 比专门搭成的专用计算机成本低 可靠性高 于是 小型计算机被用作数控系统的核心部件 从此进入了计算机数控 CNC 阶段 计算机数控阶段也经历了三代 1970年第四代 小型计算机数控系统 1974年第五代 微处理器组成的数控系统1990年第六代 基于PC的数控系统 7 数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展 只是发展到了第五代以后 才从根本上解决了数控系统可靠性低 价格极为昂贵 应用很不方便等极为关键的问题 因此即使在工业发达国家 数控机床大规模地得到应用和普及也是在上世纪的七十年代末 八十年代初以后的事情 也就是说数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用 8 现代数控技术发展趋势 1高速 高精加工2数控系统具有多轴控制 多轴联动和复合加工的控制功能3数控系统开放化 智能化和网络化 9 二 数控系统的组成 数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 它是数控技术的典型应用 数控系统是实现数字控制的装置 计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统 计算机数控系统的组成如图所示 10 1 输入装置 完成程序 参数等信息的输入MDI信息载体2 输出装置 完成打印 穿孔显示等3 通信线路 实现串行通讯及网络功能4 CNC 完成与外围设备联系 控制系统各部分功能5 PLC 完成机床的顺序控制 换刀 APC等6 主轴单元 接受CNC的指令 控制主轴电机的转速及旋向7 速度单元 接收CNC的指令 控制各伺服轴的动作 各部分的功能 11 组成 中央单元 CPU 总线BUS 存储器 RAM ROM I O接口电路 PLC主轴单元速度控制单元 CNC单元系统的构成 12 总线 信息公共通路的总称物理导线分为 地址总线 DB 数据总线 AB 控制总线 CB 各部分介绍 CPU 构成 由运算器 控制器 内部寄存器两个因素 1 位数2 速度作用 对系统内部工件及操作进行统一控制 按照程序中指令的要求进行各种运算 使系统成为一个有机整体 BUS 13 作用 存放系统软件 零件程序参数等 存储运算的中间结果分类 存储器 14 RAM 随机存储器 既可读入也可写出 用来存放 程序 参数 中间结果 均应保持 ROM 只读存储器 存放系统软件又分为 EPROM E2ROM 闪存 15 单微处理器 只有一个CPU 采用集中控制分时方法处理数控的各个任务 缺点 不易进行功能的扩展和提高 处理速度低 数控功能差 多处理器 两个及两个以上的CPU组成的CNC称为多微处理机系统 单CPU的弥补增加浮点协处理器 硬件分担插补 采用全智能化的CRT PLC部件 块分为带CPU的主模块和不带CPU的从模块 特点 1 性能价格比高2 采用模块化结构 良好的适应性和扩展性3 硬件易于组织规模生产 4 可靠性高 按微处理器分类 分类 16 共存储器以存储器为中心 各模块工作时 通过优先接受使用请求 使用完成要撤消 释放存储器 共总线以总线为中心 各模块工作时 仅有一个模块可占用总线 多个请求时由总线仲裁器来裁决 多CPU结构分类 17 1 大板结构 主电路板是大板 其他电路板是小印刷电路板 它们插在电路板的插槽内一块构成CNC装置 FANUC C 0等2 模块化结构 控制单元母版框架 各功能模块 软件硬件的设计成模块化特点 各功能块功能独立 便于开发同一功能的系列产品 维修维护方便 按照电路板结构分 18 fanuc 6M系统的硬件介绍 典型数控系统的硬件结构 19 SIN840C系统的硬件结构 20 组成与功能 CNC系统软件 管理软件程序的输入输出显示通信 控制软件译码刀具补偿速度处理插补运算位置控制等 CNC系统软件 21 各程序简介 1输入程序 把零件程序经缓冲器到存储 把存储的程序读入缓冲器 22 2 译码程序 进行代码的识别 及功能代码的解译 代码识别是指将读入代码按内部码地址的不同进行处理 功能处理是指将代码识别的结果按功能再分类 转入相应的功能程序 23 3数据处理 对功能代码进行预处理任务 刀具半径补偿 速度计算 辅助功能的处理其中 刀具半径补偿 将零件的轮轨迹转化为刀具中心的轨迹 速度代码 确定加工数据数的速度 辅助加工的处理 指顺序程序的处理 设置接口信号 数据的处理为插补程序做准备 称为预计算 24 4插补计算程序 作用是对加工轨迹的细化 早期 全部由硬件来完成 由硬件来实施完成速度及位置的分配 现在 软件插补 硬件插补由软件完成粗插补 将整个轨迹分成几个大段 再由硬件执行各段的细化 5伺服控制软件 作用 将位置指令 周期内4ms 转化为速度指令 25 6输出程序 将数据处理 插补 伺服处理的结果输出至对应的接口电路 7管理程序 管理 数据的输入 处理及切削加工处理主板 时钟信号 故障信号管理为主程序 执行周期较长 实时程序靠中断完成 8诊断程序 对系统内的软件 硬件进行诊断 对故障做出相应的报警提示例如 编程 超程 伺服 PLC等 26 CNC软件的特点 1多任务并行处理 多个任务 多个程序共用运行 2多重实时中断处理 中断是指终止现行程序转去执行另一程序 待另一程序处理完毕后 再继续执行原程序 多重中断 按中断的级别排队 实时 是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应 并完成响应和处理 27 典型数控软件的工作过程 1 开机后 系统首先进入初始化程序 进行硬 软件初始状态的设置 随后进入中断第一级 进行CRT显示及ROM检查 2 PLC控制能够检测出机床选择的操作方式 处理完成后转入机床的方式处理方式 JOGSTOPHANDLE进行工件原点及对刀 MDI可进行机床参数 刀具参数和数控程序的处理 选择 MEM 按循环启动按钮则自动运行零件程序 28 1 FANUC公司创建于1956年 2 1959年首先推出电液步进电机 3 70年代 一方面从Gettes公司引进直流伺服电机制造技术 一方面与西门子合作 学习其先进的硬件技术 4 1976年成功开发出5系统 后与西门子联合开发出7系统 从这时 FANUC成为世界上最大的专业数控生产厂家 三 常用数控系统简介 1 FANUC数控系统简介 29 1 F0 2 F10 F11 F12 F15 F16 F18 3 F00 F100 110 120 150 F00 F100 110 120 150系列是在F0 10 11 12 15的基础上加了MMC功能 即CNC PMC MMC三位一体的CNC FANUC公司目前生产的CNC装置 30 结构上长期采用大板结构 但在新的产品中已采用模块化结构采用专用LSI 以提高集成度 可靠性 减少体积和降低成本产品应用范围广 每一CNC装置上可配多种控制软件 适用于多种机床不断采用新工艺 新技术 如表面安装技术SMT 多层印刷电路板 光导纤维电缆等CNC装置体积减少 采用面板装配式 内装式PMC 可编程机床控制器 产品特点 31 FS6是FANUC早期代表性产品之一 在70年代末与80年代初期的数控机床得到了广泛应用 FS6与西门子6系统结构基本相同 除伺服电动机 PLC采用西门子公司产品外 其余部分完全相同 硬件采用大板结构 上面插有电源模块 存储器板等小板 CPU采用8086 该CNC系列为多微处理器控制系统 其主CPU PMC及图形显示的CPU均为8086 FANUC6系统 1979年 32 伺服驱动系统采用FANUC直流驱动系统 通过脉冲编码器进行位置检测 构成半闭环位置控制系统 系统一般带有独立安装的电气柜 电气柜内安装了系统的主要部件 如CNC装置 伺服驱动 输入单元 电源单元 主轴驱动系统采用FANUC交流主轴驱动装置 该单元为分开安装式 一般安装在强电柜内 33 系统软件为固定式专用软件我国80年代进口的数控机床 均大量配套采用FS6系统 直到目前仍然有较多配套FS6的机床在使用中 这些设备大多进入故障多发期 因此 它是数控机床维修中的常见系统之一 F3简化版 经济型 另注 Fs6 F9强化版 1980年 34 F11系列是FANUC公司20世纪80年代初期开发并得到广泛应用的FANUC代表性产品之一 在80年代进口的高档数控机床上广为采用 因此 它亦是维修中的常见系统之一 同系列的产品有F10 11 12三种基本规格 F11的硬件仍然采用大板结构 主板 主CPU为68000 它也是一种多微处理器控制系统 硬件尽量采用专用大规模集成电路及厚膜电路 22块 元件减少30 F11系列 1984年 35 CNC系统和操作面板 I O单元之间采用光缆连接 减少了信号线 抗干扰能力提高 F11系统既可以带独立安装的电柜 也可进行分离式安装 伺服驱动与主轴驱动一般采用FANUC模拟式交流伺服驱动系统 系统软件可固定式专用软件 最大可以控制5轴 并实现全部控制轴的联动 36 F0系列是20世纪80年代中后期开发的产品 是中国市场上销售量最大的一种系统 F0C系列 F0D系列 产品目标是体积小 价格低 其中F0 MC TC是其代表性产品 F0 MD和F0 TD为F0 MA和F0 TA的简化版 经济型 硬件结构采用了传统的结构方式 即在主板上插有存储器板 I O板 轴控制模块以及电源单元 其主板较其他系列主板要小得多 因此 在结构上显得较紧凑 体积小 F0系统 1985年 37 F0系列为多微处理器CNC系统 F0A系列主CPU为80186 F0B系列的主CPU为80286 F0C系列的主CPU为80386 内置可编程控制器 PLC 的CPU为8086 F0可以配套使用FANUCS系列 系列 C系列 系列等数字式交流伺服驱动系统 无漂移影响 可以实现高速 高精控制 采用了高性能的固定软件与菜单操作的软功能面板 可以进行简单的人机对话式编程 38 具有多种自诊断功能 以便于维修 F0i系统采用总线技术 增加了网络功能 并采用了 闪存 FLASHROM 系统可以通过Remotebuffer接口与PC相连 由PC机控制加工 实现信息传递 系统间也可以通过I OLink总线进行相连 F0Mate是F0系列的派生产品 与F0相比是结构更为紧凑的经济型CNC装置 39 F15 16 18 16i 18i系列系统有 F 15 16 18 F 15i 16i 18i FS 150 160 180 F160i 180i 该系列系统是专门为工厂自动化设计的数控系统 是目前国际上工艺与性能最先进的数控系统之一 在美国 日本 欧洲的制造业中已普遍使用 系统的硬件与微电子技术发展同步 采用了超大规模集成芯片 CPU可以是80486或PENTIUM系列处理器 带64位RISC芯片等 FANUC15 16 18系统 40 系统元器件采用了立体化 高密度的安装方式 FANUC公司的专利技术 除主板外 印刷电路板均按物理功能分成小模块 根据用户的要求和系统的规模 分别插在主板上 系统扩展容易 维修方便 体积小 F15采用了模块式多主总线 FANUCBUS 结构 多CPU控制系统 主CPU采用了68020 还采用了一个子CPU 在PMC 轴控制 图形控制 通信及自动编程中也都有各自的CPU 系统采用8 4in或9 5inTFT ThinFileTransistor薄膜晶体管 彩色液晶显示器 41 系统可配套 i系列数字式交流伺服系统 主轴控制可采用 i系列主轴驱动系统 F15 16 18系列系统既可单机运行 也可通过Remotebuffer接口与个人计算机相连 由计算机控制加工 实现信息传递 通过I Olink 串行口 接口还可以连接多种外围设备 另外经DNC1或DNC2接口 可与CellController或以太网连接 由上位机进行控制 实现车间的自动化 42 F16 18系统的总体结构图 43 日本FANUC最新的高档控制器 是当前配置最高的数控系统 特点 1 最大控制系统为10个系统 通道 2 最多轴数和最大主轴配置为40轴 其中进给轴32轴 主轴为8轴 最大同时控制轴数为24轴 系统 3 最大PMC系统数为3个系统 最大I O点数为4096点 4096点 PMC基本指令速度为25ns 4 最大可预读程序段为1000段 FANUC30i MODELA 44 SINUMERIK3 8 810 820 850 805 840系列等 2 SIEMENS数控系统简介 SINUMERIK的CNC数控装置主要有 45 SIEMENS810 820是西门子公司20世纪80年代中期开发的CNC PLC一体型控制系统 它适合于普通车 铣 磨床的控制 系统结构简单 体积小 可靠性高 在80年代末 90年代初的数控机床厂上使用较广 810与820的区别仅在于显示器 810为9in单色显示 系统电源为24V 820为12in单色或彩色显示 系统电源为交流220V 其余硬件 软件部分完全一致 SIEMENS810 820系统 46 810 820最大可控制6轴 其中允许有2个作为主轴控制 3轴联动 系统由电源 显示器 CPU板 存储器 MEM EPROM RAM 板 I O板 接口板 显示控制板 位控板 机箱等硬件组成 硬件采用了较多LSI 大规模集成电路 和专用集成电路 主CPU采用80186 PLC最大128点输入 64点输出 用户程序容量12KB PLC采用STEP5语言编程 47 SIEMENS3系统是西门子公司80年代初期发出来的中档全功能数控系统 是西门子公司销售量最大的系统 是20世纪80年代欧洲的典型系统 采用模块化结构 由CPU模块 NC存储器模块 操作面板接口 NC PC连接模块 伺服测量回路 PLC编程接口 逻辑模块 扩展设备接口 PLC存储器及各种I O等17个模块组成 3系统的机柜因配置 类别 型号的不同 可以分为单框架 单PLC双框架 双PLC双框架结构 SIEMENS3系统 48 采用INTEL8086CPU的轮廓轨迹控制CNC系统 系统可控制4轴 任意3轴联动 PLC采用SIMATICS5的PLC130 B 输入输出点各512点 采用12in彩色显示器或9in单色显示器 49 850 880是西门子80年代末期开发的机床及柔性制造系统 具有机器人功能 适合高功能复杂机床FMS CIM的需要 是一种多CPU轮廓控制的CNC系统 1986年西门子公司采用数控3系统电路板标准 230mm高 NC PLC双口RAM耦合方式 INTEL80186CPU芯片 生产出850系统 它的PLC还是沿用130WB或150U 1988年针对850系统的缺陷 又推出全80186的数控880GA1型系统 后推出主CPU采用80386的880GA2型系统 SIEMENS850 880 50 850 880系统的基本结构 由操作面板 主机箱 机床控制面板3大部分组成 采用两个机架支撑两列中央控制器 中央控制器包括 NC CPU SV CPU 伺服CPU COM CPU 通信CPU PLC CPU及插入式扩展模块 插入式扩展模块有 测量回路模块 存储器模块 NC CPU2 4 SV CPU2 4 PLC输入 输出板及扩展单元和接口单元 51 面板带有12英寸彩色显示器 全功能键盘及两个串口 用户程序存储器RAM容量为128KB EPROM容量为128KB 用户数据存储器RANM容量为48KB I O点最大为1024 计时器256 计数器128个 采用SINNECHI总成连接方式的计算机联网 52 SIEMENS802系列系统包括 802S Se Sbaseline 802C Ce Cbaseline 802D等型号 它是西门子公司20世纪90年代末开发的集CNC PLC于一体的经济型控制系统 近年来在国产经济型 普及型数控机床上有较大量的使用 802系列数控系统的共同特点是结构简单 体积小 可靠性较高 SIEMENS802系列系统 53 802S 802C系列是西门子公司为简易数控机床开发的经济型系统 两种系统的区别是 802S系列采用步进电动机驱动 802C 802D系列通常采用SIEMENS611数字式交流伺服驱动系统 802S 802C系列系统的CNC结构完全相同 可以进行3轴控制 3轴联动 系统带有 10V的主轴模拟量输出接口 可以配具有模拟量输入功能的主轴驱动系统 如变频器 54 802S 802C系列系统可以配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板 显示器为7in或5 7in单色液晶显示器 802S 802C 802D采用了10 4in彩色液晶显示器 集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出 PLC的I O模块与ECU间通过总线连接 55 802D与802S 80C有较大的不同 在功能上比802S C系统有了改进与提高 1 系统采用SIEMENSPCU210模块 2 控制轴数为4轴 4轴联动 3 可以通过611U伺服驱动器携带10V主轴模拟量输出 以驱动带模拟量输入的主轴驱动系统 802D除保留了SIEMENS传统的编程功能外 增加了 1 PLC程序 梯形图 显示功能 方便维修 2 可以使用非SIEMENS代码指令进行编程 系统的开放性更强 56 图 840D硬件结构图 SIEMENS810D 840D系统 57 SIEMENS810D 840D的系统结构相似 但在性能上有较大的差别 810D采用SIEMENSCCU CompactControlUnit 模块 最大控制轴数为6轴 840D采用SIEMENSNCU NumericalControlUnit 模块 处理器为PENTIUM NCU573 或AMDK6 NCU572 或486 NCU571 系列 当采用NCU572或573时 CNC的存储容量为1GB 最大控制轴数可达31轴 10通道同时工作 采用NCU571时 控制轴数为6轴 2通道同时工作 840D的NCK与PLC都集成在这个模块上 它是840D的核心 58 数控与驱动的接口信号是数字量的 系统由操作面板 机床控制面板 NCU CCU MMC 611伺服驱动 I O模块等单元构成 59 人机界面M