三-计算机数控装置PPT课件

1、2020/7/11,1,第三章 计算机数控装置,专题一：数控装置概念及其硬件结构体系,2020/7/11,2,第三章 计算机数控装置(CNC),内容提要 本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；,2020/7/11,3,第一节 CNC装置的基本概念,内容提要,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,4,在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,5,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

2、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。,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,6,图-1 CNC系统硬件的层次结构,.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。,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,7,.CNC系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理

3、软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图-2所示。,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,8,.,图-2 CNC软件系统功能框图,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,9,.CNC硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图-3所示。,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/1

4、1,10,图- CNC系统平台,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,11,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。,一、CNC装置的组成,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,12,.具有灵活性和通用性 CNC装置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。,二、CNC装置的优点,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,13,.数控功能

5、丰富 插补功能：二次曲线、样条、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、篮图编程、部分自动编程功能。,二、CNC装置的优点,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,14,. 可靠性高 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发生的频率和发生故障后的修复时间降低。,二、CNC装置的优点,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,15,.使用维护

6、方便 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。,二、CNC装置的优点,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,16,.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。,二、CNC装置的优点,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,17,CNC装置的功能是指满足用

7、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。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,18,.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）。 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,19,.准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC

8、装置基本概念,2020/7/11,20,.插补功能和固定循环功能 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。 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,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,21,.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。 进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,22,.主轴功

9、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,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,23,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,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,24,.辅助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,25,.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

10、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。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,26,.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。,三、CNC装置的功能,第一节 CN

11、C装置基本概念,2020/7/11,27,.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。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,28,10.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*。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,29,11.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

12、自动化协议)模块， 网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。,三、CNC装置的功能,第一节 CNC装置基本概念,2020/7/11,30,第二节 CNC装置的硬件体系结构,一、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类:,1.单机系统: 整个CNC装置只有一个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。,采用主从结构，即系统中只有一个CPU(称为主CPU) ,只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,2020/7/11,31,一

13、、概述,2.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，根据部件间的相互关系又可将其分为：,1)多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,32,2)分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且采用通讯方式交换信息。,一、概述,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,33,0.CNC装置是按模块化设

14、计的方法构造的 模块化设计方法： 将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,34,实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,35,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。,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/

15、7/11,36,1.计算机主板和系统总线(母板) 计算机主板是CNC装置的核心。 功能结构： CPU及其外围芯片； 内存单元、及其外围芯片； 通讯接口(串口，并口，键盘接口)。 软、硬驱动器接口,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,37,二.单机或主从结构模块的功能介绍,系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道： 数据总线 地址总线： 控制总线：,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,38,工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠

16、性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,39,2.显示模块(显示卡) 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。,在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它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。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,40,3.输入/出模块(多功能卡) 它是CNC

17、装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。 该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,41,以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲， CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体

18、系结构,2020/7/11,42,4.电子盘(存储模块) 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，轴的定义，系统增益等)； 用户的零件加工程序。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,43,计算机领域所用存储器件有三类： 磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。 光存储器件，如：光盘（只读）。 电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。 前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 C

19、NC装置的硬件体系结构,2020/7/11,44,电子存储器件一般用作内存储器，其价格高于前两类。若按其读写性能来看，它又可分为三类 只读存储元件（ROM、PROM、EPROM） 易失性随机读写存储元件（RAM）。 非易失性读写存储元件。这类器件有： E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,45,在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。,因电子器件组成的存储单元是按磁盘的管

20、理方式进行的，故称其为电子盘。 电子盘的规格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,46,5.PLC(Programmable Logic Controller) 模块 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。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,47,上述信号由于其类型、电平、功率以及

21、抗干扰的原因，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： 开关信号、模拟信号、脉冲信号。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,48,PLC模块变换处理其目的： 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； 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离，以提高CNC装置运行的可靠性。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,4

22、9,PMC模块实现方式有以几种. 1)简单I/O接口板：,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,50,2)PLC控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,51,3)CNC机床用的PLC一般分为两类： 内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。 独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,52,6.位置控制模块 位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接

23、的接口模块。 常用的位置控制模块有： 开环位置控制模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口； 闭环（含半闭环）位置控制模块： CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,53,7.功能接口模块 实现用户特定功能要求的接口板， 实例： 仿形控制器接口； 激光加工焦点自动跟踪器接口； 刀具监控系统中的信号采集器接口板。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,54,华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，

24、采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。,三. 华中型数控系统(硬件)简介,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,55,采用模拟式交流/直流伺服单元,三. 华中型数控系统(硬件)简介,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,56,采用数字式交流伺服单元,三. 华中型数控系统(硬件)简介,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,57,教学型(经济型)数控系统,三. 华中型数控系统(硬件)简介,第二节 CNC装置的硬件体系结构,2020/7/11,58,多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。,四. 多主结构的CNC系统硬件简介,第二节 C