数控机床第5章数控原理与系统课件

第5章数控原理与系统5.1数控系统的基本原理与结构5.2插补原理5.3刀具补偿原理5.4数控系统的接口5.5辅助机能控制与PLC本章要点下页5.1数控系统的基本原理与结构一、数控系统的基本原理

数控技术(NumericalControl-NC)—是一种自动控制技术，是利用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的具体动作。计算机数控技术的工作过程：（1）输入（2）译码（3）数据处理（4）插补（5）伺服控制（6）管理程序返回上页下页5.1数控系统的基本原理与结构二、数控系统的结构

数控系统一般包括输入/输出(I/O)装置、数控装置、驱动控制装置、机床电逻辑控制装置四部分。（图5-1计算机数控系统的组成）（一）数控系统硬件1.单CPU结构(图5-2)CNC装置特点

（1）对存储、插补计算等集中控制分时处理（2）CPU通总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。（3）结构简单，容易实现。（4）进给速度容易受较大影响2.多CPU结构（图5-3）特点（1）运算速度快，性价比高（2）适应性强，扩展容易（3）可靠性高（4）硬件易于规模生产。返回上页下页它采用集中控制，分时处理数控的每一个任务。返回上页下页在多CPU结构的CNC装置中有两个或两个以上CPU构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，资源共享。返回上页下页5.1数控系统的基本原理与结构（二）数控系统软件1.多任务并行处理目前CNC系统的硬件中，广泛采用资源重复并行处理关系。（如图5-4）2.实时中断处理CNC装置的多任务和实时性的要求决定了中断处理为必不可少的组成部分。中断管理主要靠硬件完成，中断结构则决定了其软件的结构。返回上页下页功能码的处理过程：首先建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的结果缓冲器，对于具体的CNC系统，存储器的格式和规模是不变的。5.2插补原理返回上页下页5.2插补原理二、点位/直线切削控制原理直线控制系统的结构（图5-7）位置计算与比较的实现方法（1）减法计算在位置计数器中预置给定的位移量，坐标移动时进行减法计算。（2）比较计算将给定的位移量存入指令寄存器，坐标移动时位置计数器以零开始进行加法计算，两者相比较，在计数值与给定值相符时停止进给。位置计算与比较的软件控制流程如图5-8所示返回上页下页点位/直线切削控制系统有较完善的进给，主轴转速、刀具选择及辅助技能的寄存与控制。一般采用液脉冲马达或功率步进电机驱动完成。5-7点位/直线切削控制系统的结构框图返回上页下页5.2插补原理三、轮廓控制切削原理轮廓控制系统能对刀具与工件相对位移的轨迹进行连续控制，能加工出曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件。其核心装置就是插补器。插补器的功能是按给定的尺寸和加工速度用脉冲信号使机床进给走任意斜线和圆弧。（一）逐点比较法（如图5-9）1.逐点比较法直线插补原理（1）偏差判别（2）坐标进给（3）偏差计算（4）终点判别2.逐点比较法圆弧插补原理返回上页下页逐点比较法原理是计算机在控制加工过程中，能逐点的计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要的工件，用步进电机拖动机床，其进给十步进式，查补器控制机床各个坐标，每走一步要完成四个节拍。如图5-9图5-9逐点比较法的工作节拍返回上页下页（二）数字积分插补法数字积分法又称为数字微分分析器（DAA-DigitalDifferentialAnalyzer），它可实现一次、二次曲线的插补，易于实现多坐标联动，适用范围较广。1.数字积分法直线插补原理2.圆弧插补原理（三）数据采样插补数据采样插补用小段直线来逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，不需要每走一步脉冲当量插补一次，从而达到很高的进给速度。数据采样插补的具体算法有多种，如时间分割法、拓展DDA法，双DDA法。5.2插补原理返回上页下页5.4数控系统的接口一、接口解决的问题从功能角度去分，接口电路解决的问题有两类。1.单台机床内部各部件之间的信息交换问题2.机床与机床之间或机床与计算机之间的信息交换问题。二、接口分类规范“机床/数控接口”国际标准指出了数控装置，电气控制设备与机床之间的接口范围，他们共分为四类，如图5-17.A、B类接口交换的信息是数控装置与驱动电动机，位置、速度检测之间的控制信号。C类接口以电源变压器为中心，有各种电气设备将电能按要求转变成机床工作需要的动作。D类接口信息是数控装置与外部电器元件之间的输入输出信号，对现代数控机床而言，这类信号大多有可编程控制器来控制。返回上页下页5.4数控系统的接口三、接口的实现1.接口实现的任务CNC系统和机床之间的来往信号，要通过I/O接口电路连接起来，该接口电路的主要任务是：（1）进行电平转化和放大（2）为防止干扰信号引起误动作。2.接口实现的方法在数控装置的I/O接口中，应用较多的是直流数字信号。（1）数控系统的输入接口电路（图5-19）（2）数控系统的输出接口电路（图5-20）四、通信接口

返回上页下页A—与驱动有关的联动电路B—数控装置与测量系统及其传感器间的连接电路。C---电源及保护电路D—开关信号和代码信息连接电路图5-17机床/数控接口分类返回上页下页图5-20继电输出电路输出接口是将各种机床工作状态的信息送到机床操作面板，把控制机床动作信号送到强电柜，因此有继电器输出电路和无触点输出电路。如图5-20所示，当数控装置有信号输出时，开关三极管导通，输出为低电平，此时在继电器线圈上形成压差，有电流产生，继电器动作，反之，继电器不动作。返回上页下页5.5辅助机能控制与PLC可控编程器是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。一、可编程控制器的原理与工作过程（图5-21）中央处理器--可直接使用微处理器来实现，它通过输入模块采入现场信息，并按用户规定逻辑进行处理，然后将结果输出去控制外围设备。存储器--用于存放系统程序、用户程序和工作数据。输入/输出模块式---PLC运行过程中与现场之间的桥梁，它一方面将现场信号转换成标准的逻辑电平信号，另一方面将PLC内部逻辑信号电平转换成外部执行元件要求的信号。编程器用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。电源单元—将外部提供的交流电转变为可变控制器内部所需要的直流电源，有的还提供DC24V输出。返回上页下页图5-21小型PLC内部结构示意图它由中央处理器、存储器、输入/输出单元，编程器、电源和外围设备等组成，并且内部通过总线相连。PLC在上述硬件环境下，还必须要有相应的执行软件配合工作。PLC内部一般采用扫描工作方式工作，用户将软件用编程器写入PLC的用户程序存储器中，并将现场信号和被控制的执行元件相应的连接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，通过PLC的控制开关时期处于运行工作状态，接着PLC就以顺序扫描的工作方式进行工作。返回上页下页图5-22内装型PLC的CNC框图返回上页下页5.5辅助机能控制与PLC四、M、S、T功能的实现1.M功能的实现M功能又称辅助功