数控系统及工作原理.ppt

第二章,数控系统及工作原理,第一节概述,1.1数控系统概念,数控系统（CNC系统）是借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置的一种专用计算机系统。,1.2数控系统的基本构成,主轴伺服单元,数控装置,输出设备,PLC,进给伺服单元,机床本体,接口电路,操作面板,输入设备,主轴电机,进给电机,位置检测,1.3数控装置的主要工作,CNC装置的控制流程,信息输入,存储,译码,插补,位置控制,驱动控制,机床,预处理,电动机,位置反馈,PLC,I/O,CNC装置,CNC装置的功能简介,系统初始化；输入；加工程序的执行；译码、数据处理、插补、位置控制、开关量控制显示；故障检测与诊断,第二节数控插补原理,在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。,起点,终点,曲线,插补,插补实质上是根据有限的信息完成“数据点的密化”工作。,目前普遍应用的两类插补方法：,1.基准脉冲插补2.数据采样插补,所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向移动,并逐渐趋向终点，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“像”。,逐点比较法,逐点比较法插补过程可按四个步骤进行：偏差判别；坐标进给；偏差计算；终点判别,逐点比较法直线插补逐点比较法圆弧插补,逐点比较法直线插补,1.偏差判别,2.进给,3.偏差计算,4.终点判别,1.偏差判别,X,Y,直线OE的方程：,设加工时刀具的瞬时位置为，,X,Y,取偏差函数为：,X,Y,将F0作为同一中情况考虑,回到直线插补,2.进给（+X）,2.进给（+Y）,回到直线插补,3.偏差计算（F0）,3.偏差计算（F0）,F0,F0,回到直线插补,4.终点判别,通常采用插补循环或进给的总步数来判断是否到达终点：,每进行一次插补，就对E进行一次减一运算，当E=0时，表明到达终点，插补结束,逐点比较法直线插补示例,例：用逐点比较法加工第一象限直线OE，终点坐标为E（5，3）,解：总步数加工开始时刀具对准在直线OE的起点O处因此，此时F=0,直线插补示例（续）,练一练,直线插补示例（续）,X,Y,E（5，3）,O,加工第一象限直线OE，起点为坐标原点，终点坐标为E（4，3）。试用逐点比较法对该段直线进行插补，并画出插补轨迹。,练一练,第一象限直线插补流程图,四个象限的直线插补,用L1、L2、L3、L4分别表示第、象限的直线。,y,x,L1,L2,L3,L4,F0,F0,F0,F0,进给沿着X轴使X绝对值增大,靠近Y轴区域偏差大于零,靠近X轴区域偏差小于零,进给沿着Y轴使Y绝对值增大,四象限直线偏差符号和进给方向,插补运算时用X，Y代替X，Y，偏差符号确定可将其转化到第一象限，动点与直线的位置关系按第一象限判别方式进行判别。,开始,四象限直线插补流程图,逐点比较法圆弧插补,1.偏差判别,Y,X,Y,X,将F0作为同一中情况考虑,2.进给（-X）,2.进给（+Y）,3.偏差计算（-X）,3.偏差计算（+Y）,F0,F0,4.终点判别,通常采用插补循环或进给的总步数来判断是否到达终点：,每进行一次插补，就对E进行一次减一运算，当E=0时，表明到达终点，插补结束,逐点比较法圆弧插补示例,例：用逐点比较法加工第一象限逆圆弧AE，起点A(4，1)，终点E(1，4),解：总步数加工开始时刀具对准在圆弧AE的起点A，因此，此时F=0,练一练,圆弧插补过程图,现欲加工第一象限顺圆弧AB，起点A（0，4），终点B（4，0），试用逐点比较法进行插补。,练一练,第一象限逆圆弧插补流程图,四个象限中圆弧插补,NR逆圆弧SR顺圆弧,四个象限圆弧进给方向,NR1,NR2,NR3,NR4,X,Y,SR1,SR2,SR3,SR4,X,Y,O,O,(a)逆圆弧,(b)顺圆弧,F0,F0,NR1,NR2,NR3,NR4,X,Y,SR1,SR2,SR3,SR4,X,Y,O,O,NR1，NR3，SR2，SR4,NR2，NR4，SR1，SR3,圆弧插补计算过程,C,A,y,跨象限圆弧,B,X,圆弧过象限，即圆弧的起点和终点不在同一象限内,若坐标采用绝对值进行插补运算，应先进行过象限判断，当X0或Y0时过象限,将圆弧AC分成两段圆弧AB和BC，到X0时，进行处理，对应调用SR2和SR1的插补程序,试用逐点比较法对下列直线和圆弧进行插补，并画出实际运动轨迹。XOY平面内的直线OA，坐标O（0，0）、A（5，3）XOZ平面内的圆弧AE，坐标A（4，0）、E（0，4），圆心在O（0，0）,P832-8,数控补偿原理,第三节,轨迹控制中有关刀具的补偿刀具位置补偿刀具长度补偿刀具半径补偿进给运动中对机械传动情况的补偿传动间隙补偿传动副传动误差补偿,3.1刀具位置补偿,X,Z,O,A,B,C,I、K即为2号刀X、Z轴的刀补值将I、K输入到对应的刀补寄存器中以1号刀位点B为编程刀位点,3.2刀具长度补偿,X,Z,程序中刀位点的位置,A,B,W1,W2,G43,G44,1,2,W3,W3,W3即为补偿值G43为正补偿W3=（W2W1）G44为负补偿W3=（W2W1）,3.3刀具半径补偿,刀具半径为R,刀位点轨迹为轮廓线的等距线,零件表面轮廓线,根据工件轮廓和刀具半径R，计算出刀位点的轨迹。当零件轮廓线是直线和圆弧时，刀位点的轨迹线形是与零件轮廓线距离为R的等距线这样便可以根据零件轮廓编程，而使刀具中心移动，加工出所需的工件轮廓。,刀具半径补偿计算方法,直线轨迹计算方法圆弧轨迹计算方法,程序段间的过渡情况,在两个程序段相交处出现非光滑轮廓线时，要用一个过渡段进行处理。,常用的处理方法有两种：圆弧过渡直线过渡,采用圆弧过渡转接，称为B功能刀具半径补偿。,该方法简单，不需要额外的计算工作。但由于轮廓尖角处始终与刀具接触，会变成小圆角，在对轮廓尖角有要求时，该方法不能使用。,到C功能,C功能刀具半径补偿,缩短型伸长型插入型,轨迹转接的几种情况：,以左刀补指令方式下各种直线直线轮廓的刀位点轨迹转接形式为例：,1.缩短型,零件轮廓线,刀位点轨迹线,2.伸长型,3.插入型,选择适当的转接方法，绘制刀具轨迹,练一练,1,2,3,4,5,6,1、2为伸长型4为缩短型3、5、6为插入型,（30，50）,（10，100）,（110，80）,（150，60）,（150，30）,（130，0）,0,X,Y,第四节位移与速度检测,位移检测装置是闭环和半闭环控制的数控系统的重要组成部分。其主要作用是检测执行部件的位移，并将其反馈到CNC装置，构成闭环或半闭环控制，从而实现对执行部件位置的准确控制，保证刀具相对工件的运动轨迹。采用闭环和半闭环控制的数控机床，其加工精度主要取决于位移检测装置的精度。,精度：指在一定长度或转角范围内测量积累误差的最大值。目前直线位移检测精度一般为（0.0020.02）mm/m，转角位移检测精度一般为10/360；分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。目前直线位移的分辨率多数为0.0010.01mm，转角位移分辨率为2。,位移检测装置的精度指标主要有精度和分辨率两项：,位移检测装置分辨率的选取通常与脉冲当量的选取方法、数值相同，取机床加工精度的1/31/10。,执行部件的运动速度,通过对位移检测信号进行微分处理得到,使用专门的速度检测装置得到,数控机床位移检测方法,直接测量间接测量,直接测量,将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。,优点：准确性高、可靠性好,缺点：测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。,测量元件为：光栅直线感应同步器,间接测量,将旋转型检测装置安装在电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。,优点：测量方便、无长度限制。,缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,测量元件为：光电编码器旋转变压器,光栅,物理光栅：主要用于光谱分析和光波波长的测量；计量光栅：主要用于高精度位移的检测，是数控进给伺服系统使用较多的一种检测装置。,光栅的种类,透射光栅（数控系统常用）反射光栅,圆光栅（半闭环系统中测量角度位移）长光栅（闭环系统中测量直线位移）,按原理分类,按形状分类,光栅测量系统,直线光栅,标尺光栅,莫尔条纹,亮带,亮带,暗带,暗带,W,W,W,W,莫尔条纹宽度W、栅距P、二光栅尺线纹夹角之间的关系：,脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁感应式三种。数控机床伺服系统中主要使用光电式脉冲编码器。,脉冲编码器,光电式脉冲编码器结构示意图,圆盘周围分成相等的透明与不透明的部分，其数量从几百到上千条不等。,当圆盘与工作轴一起转动时，光电元件接受时断时续的光，产生近似正弦的信号。,放大整形后成脉冲信号送到计数器。,根据脉冲数目和频率可测出工作轴的转角和转速。,第五节伺服驱动与控制,伺服系统的概念：伺服系统也称随动系统，是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统。,主轴伺服系统控制主轴切削运动，以旋转运动为主。进给伺服系统控制各坐标轴的切削运动，以直线运动为主,伺服系统的类型：,伺服驱动装置的组成,电动机；电动机驱动单元,常用的驱动元件（将低能量的电信号转换成机械运动）,步进电动机；直流伺服电动机；交流伺服电动机,工作台,步进电机,驱动控制线路,指令脉冲,齿轮箱,开环进给伺服系统,特点：设备投资低，调试维修方便，精度差，高速扭矩小,适用场合：中、低档数控机床及普通机床改造。,三相反应式步进电机结构,（均布有六个磁极及其绕组）,（均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角为9度）,步进电动机的工作原理,三相三拍控制（单三拍，双三拍）三相三相定子绕组三拍每三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的通电情况单每次只有一相绕组通电单三拍：双三拍：三相六拍控制,ABCA,或ACBA,ABBCCAAB,或ACCBBAAC,AABBBCCCAA,步距角和静态步距误差,步进电动机的转子相邻两齿对应的空间角度,齿距角（齿间角）,步距角,输入一个脉冲信号电动机的转子转过的角度,m定子绕组相数；k控制方式系数；m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2,结论：磁极数越多，转子齿数越多，则步距角越小,数控机床使用的步进电动机步距角常见的有：,静态步距误差,指实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距误差通常在10以内。,按工作原理分类,反应式；永磁式：转子有永久磁场，转子和定子的吸引力大，转矩也大。定子绕组一般为两相，定子和转子没有小齿，因此步距角比较大；永磁感应式：也称混合式步进电动机，其定子铁心与转子有小齿，转子由永久磁钢和铁心组合而成，既可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，又有永磁式步进电动机那样大的转矩,步进电动机的类型,按相数分类,数控机床采用的步进电动机主要有三、四、五、六相几种,按结构分类,径向分相式步进电动机：各相分布在定子圆周的不同区间；轴向分相式步进电动机：转子和定子沿轴线分为多段，一段为一相，每段只有一个绕组。,步进电动机的驱动器,环形分配器,功率放大器,环形分配器,功能：控制步进电动机的通电运行方式,可以由硬件电路实现,可以由软件实现,目前广泛使用的是专用集成电路芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器：CH250环形分配器。专为三相反应式步进电动机设计，集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。,用于三相步进电动机控制的CH250型集成环形脉冲分配器管脚分配及三相单双六拍工作时的接线如图：,1,2,15,16,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,CH250,EN,CL,A,B,C,10,11,12,13,14,15,8,6,16,9,7,1,1,2,EN,CL,C,B,A,+12V,方向控制,CP,CH250,A，B，CA，B，C相输出端,CL，EN进给脉冲输入端,三相六拍工作方式，步进电动机初始励磁相为ABC=110,方向控制端为1时为正转，为0时为反转CH250状态表：,半闭环伺服系统,位置比较,速度控制,工作台,伺服电机,速度反馈,指令,位置反馈,速度环速度检测位置环闭环进给伺服系统结构,指令,伺服驱动装置,第六节数控装置（CNC装置）,CNC系统包括：输入/输出设备CNC装置PLC等,CNC装置由硬件和软件构成,CNC装置的硬件结构,1.按CNC装置中各印刷电路板的插接方式分类：,大板式结构,模块式结构,大板结构举例（FANUC6M）CPUEPROMRAM定时中断控制电路位置控制电路三个轴反馈输入接口速度控制量输出接口纸带阅读机接口手摇脉冲发生器接口I/O扩展板接口,模块化结构举例,CPU,扩展存储器,显示控制,键盘，录音机接口,键盘,录音机,输入接口,PLC,强电控制电路,输出接口,手摇脉冲发生器,手摇脉冲发生器接口,Y轴伺服单元,伺服检测接口,系统电,Z轴反馈极,Y轴反馈极,X轴反馈极,Z轴伺服单元,X轴伺服单元,2.按CNC装置中微处理器的个数分类,单微处理器结构的CNC装置,多微处理器结构的CNC装置,优点：投资小，结构简单，易于实现缺点：系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制,单微处理器结构的CNC装置,优点：良好的适应性，扩展性，且结构紧凑；更换模块方便；最大限度提高运行速度，适于多轴控制，高进给速度，高精度，高效率的数控要求,多微处理器结构的CNC装置,分布,主从式结构,主存储器,从存储器,从存储器,从I/O,从CPU,主CPU,主I/O,从CPU,从I/O,I/O接口,I/O接口,系统总线,只有主CPU能控制系统总线,并访问系统总线上的资源,从CPU只能被动地执行主CPU发来的命令,一般不能访问系统总线上的资源,存储器,存储器,I/O接口,CPU1,CPU2,I/O接口,通信接口,通信接口,分布式结构,模块1,模块2,模块1系统总线,模块2系统总线,串行总线,在每个功能模块内,CPU有自己的运行环境和不同的操作系统,各功能模块之间采用松耦合,可以有效地实行并行处理,多主式结构,共享总线结构,共享存储器结构,共享总线结构,CNC插补模块（CPU）,CNC管理模块（CPU）,PLC功能模块（CPU）,位置控制模块,主轴控制模块,主存储器模块,对话式自动编程模块（CPU）,操作面板显示模块,总线,共享存贮器结构,I/O(CPU1),插补(CPU2),CRT(CPU4),轴控制(CPU3),共享存储器,来自机床的控制信号,输到机床的控制信号,3.按CNC装置硬件的制造方式分类,专用型,通用型,由制造厂专门设计和制造，不具有通用性,采用工业标准计算机构成,CNC装置的软件结构,数控软件的特点：多任务与并行处理技术,1数控装置的多任务性,数控装置,管理,控制,输入,I/O处理,显示,诊断,通讯,速度处理,刀具补偿,译码,插补,位置控制,CNC装置各任务之间的并行处理关系,显示,输入,控制,I/O,诊断,各任务占用CPU时间示意图,0ms4ms8ms12ms16ms,位置控制插补运算背景程序,（1）资源分时共享并行处理,（2）时间重叠流水处理,数控软件的基本结构,前后台型结构模式,中断型结构模式,（一）前后台型结构模式,前台程序,后台程序,中断执行,循环执行,（二）中断型结构模式,系统初始化,中断管理系统（硬件+软件）,0级中断服务程序,1级中断服务程序,2级中断服务程序,n级中断服务程序,第七节可编程序控制器（PLC）,可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）早期用来替代传统继电器的顺序逻辑控制装置，现已发展成为一种功能强大的工业控制计算机，被正式命名为“ProgrammableController”，简称PC。,PLC的基本结构,结构如下图：,编程器,电源模块,输出模块,输入模块,CPUROMRAM,PLC的硬件,CPU系统的核心，完成全部运算和控制任务。PLC常用的CPU为通用微处理器或单片机。存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。系统程序由生产厂家固化到ROM中，用户程序存放在特定的RAM中。I/O单元是CPU与被控对象或其他外部设备的连接部件。提供各种操作电平、驱动能力和多个I/O点。扩展接口用于PLC主机与扩展单元模块之间的连接电源提供