第二章数控系统

1、数控系统,数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出,识别和解释数控程序，完成数据计算和逻辑判断处理,主轴和进给轴驱动控制,接受数控装置的开关命令，完成主轴选速、起停和方向控制功能，换刀功能，冷却、液压、气动、润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能,数控装置是机床数控系统的核心，我们已经对其在系统中的主要作用有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，在本章我们将对其进行较详细的讨论。,定义：借助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者全部功能，并配有接口电路、伺服驱动装置的一种专用计算机系统。 也可解释为：一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而

2、控制机床的运动和加工过程。 主要任务：存储程序、完成插补、将计算结果输出伺服系统，控制电机驱动机床执行机构。,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量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。,CNC的一般性硬件结构,1.CNC系统的硬件一般性结构,二、数控系统的硬件组成,微型机,微型机是CNC装置的核心, 主要由微处理器、存储器、输入输出通道及联系这三者的总线（数据总线、控制总线、地址总线）等组成。,微处理

3、器是微型算机中的运算器及控制部件，它是微型机的核心，称为中央处理单元（CPU）。,内存储器（内存）是微型机存放程序和数据的部件，它与CPU直接交换信息，内存储器分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。,CNC的软件结构,1）中断型结构模式 除初始化程序外，将CNC的各功能模块分别安排在不同级别的中断程序中，无前后台之分。通过中断程序的优先级由CPU响应中断。 2）前、后台型结构模式 将整个CNC软件分为前台程序和后台程序。 前台程序为实时中断程序，承担几乎全部实时任务，实现插补、位置控制和数控机床开关逻辑控制等实时功能。 后台程序，也称为背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的

4、输入、预处理和管理等任务。 在后台程序的循化运行过程中，前台实时中断程序不断的定时插入，两者密切配合，共同完成零件的加工任务。,包括应用软件和系统软件。 应用软件：包括零件数控加工程序或其他辅助软件。 系统软件：为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件。也称为控制软件。 系统软件通常包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。,CNC系统软件的组成,1. 输入数据处理程序,功能：接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按照规定格式存放。主要包括输入程序、译码程序和数据处理程序等组成，有些CNC系统还具有补偿计算、为插补运算和速度控制

5、等进行的预计算。 （1）输入程序 将加工程序读入存放在程序存储器中，或将加工程序从程序存储器中读出，送入缓冲区，以便译码用。 （2）译码程序 数控加工程序按零件加工顺序记载着机床加工所需的各种信息，其中包括零件加工的轨迹信息（如几何形状和几何尺寸等）（几何数据）、工艺信息（如进给速度和主轴转速等）（工艺数据）和开关命令（如换刀、冷却液开/关等）（开关功能）。,译码定义：将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成为数控装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。 译码功能：代码的识别和功能代码的解释。 （3）数据处理程序 包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理等。

6、刀具半径补偿：将工件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。 速度计算：解决该加工数据段以什么样的速度运动。,2. 插补计算程序 CNC系统是一种实时控制系统，一边插补运算，一边进行加工。插补运算的速度直接影响着机床的进给速度。 3. 速度控制程序 根据给定的速度值控制插补运算的频率，确保预定的进给速度。 4. 管理程序 负责对数据输入、处理、插补运算等服务程序进行调度管理。 5. 诊断程序 在程序中发现故障，并指出故障问题。,在MDI 坐标系F3下的G54页面，输入加工原点的机床坐标值后回车。,1、工作原理： 当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和

7、A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。,二、步进电动机及其控制,若通电脉冲的次序为A、C、B、A，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。,三、步进电动机及其控制,1. 具有灵活性和通用性 CNC装置

8、的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。,CNC装置的优点,插补功能：二次曲线插补、样条插补、空间曲面插补 补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等 人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口 编程功能：G代码、部分自动编程功能。,2. 数控功能丰富,CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。 许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。 丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障

9、发生的频率和发生故障后的修复时间降低。,3. 可靠性高,操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。 编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。 维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。,4. 使用维护方便,5. 易于实现机电一体化,数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。,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

10、功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能； 选择功能用户可根据实际要求选择的功能。,5.3 CNC装置的功能,淮海工学院,1.控制功能2. 准备功能（G功能）3.插补功能和固定循环功能4.进给功能5.主轴功能6. 辅助功能（M功能）,5.3 CNC装置的功能,淮海工学院,7.刀具管理功能8. 补偿功能9. 人机对话功能10. 自诊断功能11. 通讯功能,5.3 CNC装置的功能,淮海工学院,5.4 CNC装置的硬件结构,1、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若从系统中含有中央处理器（CPU）的多少来看，可分为:,多机系统,共享总线结构,共享存储器结构,淮海工学院,单机系统: 整个CNC装

11、置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。 多机系统: CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。,5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,根据部件间的相互关系又可将其分为,主从结构 多主结构,分布式结构,5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,2、单机或主从结构模块的功能介绍 CNC装置是按模块化设计的方法构造的。 实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。 采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。,5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,图54CNC 系统硬件框图,5

12、.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,计算机主板是CNC装置的核心。其功能结构： CPU及其外围芯片； 内存单元、cache及其外围芯片； 通讯接口(串口，并口，键盘接口)。 软、硬驱动器以及光驱的接口,（1）计算机主板和系统总线(母板),5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。,5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号

13、调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。 它是人机交流的重要媒介，给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。,（2）显示模块(显示卡),5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板。 该模块也是标准的PC机模块。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主板，此板可省略。,（3）输入/输出模块(多功能卡),5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数： 系统软件、系统固有数据； 系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的

14、定义，系统增益等)； 用户的零件加工程序。,（4） 电子盘(存储模块),5.4 CNC装置的硬件结构,淮海工学院,5.5 CNC装置的软件结构,1、CNC装置软件和硬件的功能界面,淮海工学院,2、CNC装置的数据转换流程,5.5 CNC装置的软件结构,淮海工学院,PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。 PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,数控系统的 PLC模块 (Programmable Machine Controller),5.5 CNC装置的软件结构,淮海工学院,光电隔离开关量 输入输出板,内置式PLC板卡,淮海工学院,开关信号； 模拟信号； 脉冲信号。 上述信号一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。,CNC装置与被控设备交换的信息有三类：,5.5 CNC装置的软件结构,淮海工学院,满足CNC系统的输入输出要求。信号转换主要包括以下几个方面： 电平转换； A/D、D/A转换； 数字量与脉冲量相互转换； 功率匹配；,PLC模块变换处理其目的：,5.6 PLC模块简介,淮海工学院,阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔