第3章CNC系统原理及结构.ppt

1、第三章数控系统的原理和结构，3.1数控系统的组成和特点，3.2数控系统的硬件结构，3.3数控系统的软件结构，3.4数控系统中的可编程逻辑控制器，3.5数控系统的常用外围设备和接口，3.1数控系统的组成和特点，数控系统的定义：一个特殊的计算机系统，它有接口电路和伺服驱动装置，通过在存储器中执行程序来完成数控系统所需的部分或全部功能。数控系统是在数控技术的基础上发展起来的，它的部分或全部控制功能是由软件实现的。只要改变控制程序，就可以在不改变硬件电路的情况下改变控制功能。因此，数控系统在通用性、灵活性、应用范围等方面更具优势。3.1.1数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程逻辑控

2、制器、主轴驱动装置和进给驱动装置组成，传统上称为数控系统。数控设备由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，没有软件和硬件就无法工作，二者缺一不可。3.1.1数控系统1的组成。数控系统硬件的层次结构由三部分组成：基本计算机系统、设备支持层和设备层。3.1.1数控系统硬件的层次结构，数控系统的组成，2。从数控系统软件的功能结构的本质特征来看，数控系统软件是一种具有实时性和多任务性的特殊操作系统，从功能特征来看，操作系统由数控管理软件和数控控制软件组成。它是数控系统的活的灵魂。其结构框图如图所示。3.1.1数控系统的组成、操作系统、管理软件、控制软件、零点、组件、过程、顺序、管理、管理、显示、显示

3、、定位、管理、人、机、通信、相互、相互、位置、排列、控制和控制控制、控制、工具、工具、半、直径、补偿、3.1.1数控系统的组成、3。数控系统硬件和软件的功能和相互关系硬件是基础，软件是系统中数控系统软件的灵魂，数控系统的硬件和软件构成数控系统的系统平台，如图所示。3.1.1数控系统的组成，3.1.2数控系统的工作原理，由其硬件环境支持，数控设备根据系统监控软件的控制逻辑控制输入、解码、刀具补偿、速度规划、插补、位置控制、输入输出端口处理、显示和诊断。(1)输入数据处理程序输入数据处理程序接收输入零件处理程序，编译和排列由标准代码表示的处理指令和数据，并以指定的格式存储它们。一些系统需要进一步计

4、算刀具半径偏移，或者为插补操作和速度控制做一些预处理。3.1.2数控系统的工作原理，输入数据处理程序一般包括以下三项：输入解码数据处理，3.1.2数控系统的工作原理，(2)插补运算和位置控制程序插补运算程序完成数控系统中插补器的功能，即实现轴脉冲分配的功能。脉搏分布包括三个方面：点、线和曲线。插补运算结果的输出由位置控制部分(这部分工作可由软件或硬件完成)控制伺服系统移动，并控制刀具按预设轨迹加工。位置控制的主要任务是在每个采样周期内将插值计算的理论位置与实际反馈位置进行比较，并利用差值来控制进给电机。3.1.2数控系统的工作原理，(3)速度控制程序给出的刀具移动速度是各坐标合成方向上的速度。

5、速度处理首先要做的是根据合成速度计算每个运动坐标方向的分数速度。速度控制程序的目的是控制脉冲分配的速度，即根据给定的速度代码(或其他相应的速度指令)控制插补操作的频率，以确保进给速度在预定速度。速度控制可以通过两种方法实现：一种是软件方法，如程序计数法；另一种是用外部时钟计数，定时计数电路，用中断方式实现。3.1.2数控系统的工作原理，(4)系统管理程序为数据输入、加工和切削过程服务的每个程序都由系统管理程序调度，是实现数控系统协同工作的主要软件。管理程序还应该处理由面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断。更高级别的管理程序可以使多个程序并行工作。一些管理程序还安排系统的自动编程或必要的预防

6、性诊断。3.1.2数控系统的工作原理，(5)诊断诊断可以在运行过程中及时发现系统故障，并指出故障类型。还可以在运行前或故障后检查各部件(接口、开关和伺服系统)的功能是否正常，并指出故障位置。您还可以在维修时发现相关零件的工作状态，判断它们是否正常，并显示异常零件，以便维修人员及时处理。3.1.3数控系统1的特点。具有灵活性和通用性的数控设备的功能大多由软件实现，软硬件采用模块化结构，使得系统功能的修改和扩展更加灵活。数控设备的基本配置部分是通用的，不同的数控机床只配置相应的特定功能模块来实现特定的控制功能。3.1.3数控系统的特点，2。数控功能丰富的插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补补偿功

7、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：加工动态和静态跟踪显示，高级人机对话窗口编程功能：g代码、篮式图编程、部分自动编程功能。3.1.3数控系统的特点3。高可靠性数控设备采用高度集成的电子元器件和芯片，是可靠性的保证。许多功能由软件实现，这减少了硬件的数量。丰富的故障诊断和保护功能(大多由软件实现)可以减少系统故障的发生频率和故障发生后的修复时间。3.1.3数控系统的特点，4。操作维护方便：用户只需根据菜单提示就能正确操作。易于编程：它具有各种编程功能，自动程序验证和模拟功能。维护方便：一些日常维护工作是自动进行的(润滑、关键部件的定期检查等)。)，数控机床的自诊断功能

8、可以快速准确地定位故障。3.1.3数控系统的特点，5。易于实现的小尺寸机电一体化数控系统控制柜(使用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件越来越少，这使得将它们与机床物理结合成为可能，从而减少了占地面积并方便了操作。3.1.3数控系统的特点，6。基于PC机平台的数控系统的特点PC机平台提供了一个开放的基础，可用的软硬件资源极其丰富，数控功能也相应扩展。所有能在PC机上运行的软件，如计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工艺设计、工厂级和车间级生产调度管理软件等。都是基于PC机平台的机床数控系统。可插入电脑和可连接的外部设备的所有硬件模块，如网卡、图形加速卡、声卡、打印机、照相

9、机等。可以插入和连接在基于PC机平台的机床数控系统中。3.2数控系统硬件结构，从数控系统电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板结构和模块化结构。大板结构的特点：一个系统通常有一个大板，这就是所谓的主板。主板上装有主中央处理器和各轴的位置控制电路。其它相关的子板，如只读存储器板、部分程序存储板和可编程逻辑控制器板，直接插在主板上，构成数控系统的核心部分。优点：结构紧凑缺点：其硬件功能不易改变，不利于组织生产。3.2数控系统硬件结构、总线模块化开放式系统结构特点：微处理器、存储器、I/O控制器分别制成插件板(称为硬件模块)，甚至微处理器、存储器、I/O控制器都由独立的微机级硬件模块组成，相

10、应的软件也是模块结构，即固化在硬件模块中。优点：设计简单，适应性和扩展性好，生产周期短，调整维护方便，效率高。3.2.1单处理器计算机数字控制，(1)单处理器结构单处理器结构数控设备一般比较特殊，其硬件由系统制造商专门设计制造，不具有通用性。单微处理器的特点：只有一个微处理器以分时方式集中控制和处理系统的每个任务。虽然有些数控设备有两个以上的微处理器，但只有一个微处理器可以控制系统总线，占用总线资源，而其他微处理器只作为特殊的控制部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们形成主从结构，所以它们也归于单个微处理器结构。3.2.1单处理器计算机数字控制。下图是单个微处理器的结构框图。3.2.1

11、单处理器计算机数字控制，微处理器中央处理器是数控装置的核心，它主要由运算单元和控制器组成。算术单元包括算术和逻辑运算、寄存器和堆栈，并对数据执行算术和逻辑运算。控制器依次从存储器中取出构成程序的指令，并在解码后，向数控设备的每个部分发出控制信号，以便执行指令。同时，接收执行组件发回的反馈信息，控制器根据程序中的指令信息和反馈信息决定下一个命令操作。3.2.1单处理器计算机数字控制，总线由给出一定信号含义的物理导线组成，根据信号的物理含义可分为三组：数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于在组件之间传输数据。数据总线的位数等于传输数据的宽度，采用双向线路。地址总线传输地址信号，该信号与数据总线

12、结合使用，以确定在数据总线上传输的数据的源或目的地，并且采用单向线路。控制总线传输管理总线的一些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位和各种确认信号，并采用单向线路。3.2.1单处理器计算机数字控制，用于存储数据、参数和程序等的存储器。系统控制程序存储在可擦除只读存储器中，即使系统断电也不会丢失。程序只能由中央处理器读取，但不能随机写入。如有必要，可通过紫外线擦除电子顺磁共振，然后可重写监控程序。常用的EPROM有2732、2764、27128、27256、27512、27010等。操作的中间结果存储在随机存取存储器中。常用的内存是6264、62256等。存储在内存中的数据可以随机读写，但如

13、果不采取适当的措施，存储的信息将在断电后丢失。3.2.1单处理器计算机数字控制，数控装置和机床之间的输入输出接口信号一般不直接相连，而是通过输入输出接口电路连接。接口电路的主要任务如下：1)进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起的误操作。2)电平转换和功率放大。3.2.1单处理器计算机数字控制，MDICRT接口MDI手动数据输入由数字控制面板上的键盘操作。当按键时，数据被发送到移位寄存器，通过数据处理判断按键的属性和有效性，并进行相关的监控处理。在数控软件的控制下，阴极射线管接口可以在单色或彩色阴极射线管(或液晶显示器)上显示字符和图形，并显示数控代码程序、参数、各种补偿数据、坐标位置、故障信息

14、、人机对话编程菜单、零件图形和动态刀具轨迹3.2.1单处理器计算机数字控制、位置控制模块速度控制、位置反馈等单元构成位置回路控制模块。机床数控系统中定位环的控制要求是无超调、无滞后、硬特性和抗干扰能力强。速度环的要求是大惯性、大速比(一般大于1: 2000)和硬特性。下图是位置环和速度环的示意图。3.2.1单处理器计算机数字控制，简称可编程逻辑控制器，取代了传统的机床高压继电器逻辑控制，并利用逻辑运算来控制各种开关量。数控设备与可编程序控制器之间的数据交换和处理过程如下：1)数控设备将可编程序控制器要处理的数据写入内存；2)可编程控制器从内存中读取数据，并进行相关的逻辑检测、逻辑运算和处理；3

15、)一方面，可编程控制器通过输出接口控制机床用电，并输出加工结果，另一方面，可编程控制器通过数据存储模块将加工状态反馈给数控设备；4)数控设备根据反馈结果进行相关处理和显示。3.2.1单处理器计算机数字控制、通信接口当数控设备作为设备层和工作层的控制器，形成分布式数控系统DNC或柔性制造系统FMS时，还需要与上级计算机或直接数字控制器DNC进行数字通信。多微处理器结构的数控设备：有两个或两个以上的微处理器紧密耦合，共享资源，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上的微处理器组成的功能模块松散耦合，多个操作系统有效地实现并行处理。3.2.2、3.2.2、3.2.2、3 . 2 . 2，(1)多微处理

16、器数控装置的基本功能模块，一般由六个功能模块组成，通过增加相应的功能数控管理模块，该模块组织和管理整个数控系统各种功能的协调。数控插补模块该模块根据以前的编译指令和数据进行插补计算，并根据指定的插补类型通过插补计算为每个坐标提供位置给定值。3.2.2在多微处理器结构的计算机数字控制装置中，位置控制模块插补的坐标作为位置控制模块的给定值，实际位置通过相应的传感器反馈给模块。经过一定的控制算法，实现了无超调、无滞后、高性能的位置闭环。在可编程控制器模块的零件程序中的开关功能和来自机床的信号在该模块中进行逻辑处理，以实现各种功能和操作模式之间的联动、机床电气设备的启动和停止、换刀、转台分度、工件数量和运行时间的计数等。3.2.2计算机数字控制装置采用多微处理器结构，操作面板监控和显示输入(如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量输入、上位机输入等)。)、输出(如软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机)和显示(如发光二极管、阴极射线管