第二章 计算机数控系统.ppt

1、1,第二章 计算机数控系统,2,面板控制单元,主轴电机,进给伺服电机,电子手轮,I/O模块 I：INPUT，输入，指输入设备。O：OUTPUT，输出，指输出设备。,机床控制面板,CNC键盘,驱动系统,.1 概述,3,第一节 CNC系统的基本组成,一.CNC系统的基本组成与作用 NC:电子管,晶体管,集成电路为特征 CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的 软件数控系统. 1.数控系统的基本组成： CNC装置,PLC,输入输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置. 2.数控系统的作用 接收信息并数字化,进行运算和处理,然后发出指令,使刀具实现相对运

2、动,完成加工过程.,4,系统的基本配置,5,CNC装置与传统的数控装置相比，具有下述一些特点： 1）灵活性：改变相应程序即可补充和开发新的功能 2）可靠性：许多功能由软件来实现，硬件系统元件大 为减少，系统可靠性大大改善 3）通用性：硬件系统采用模块结，依靠软件变化来满 足大部分数控机床的要求 4）易于实现许多复杂的功能： 刀具偏移，公英制转换，固定循环，插补功能，刀具补尝等 5）使用维修方便制转换：具有诊断程序，减少维修时间；具有数控软件检查程序，给编程带来方便；具有对话编程、蓝图编程功能，使编程简便；可空运行检验程序是否正确,二、CNC系统的特点：,6,第二节装置的组成及功能,一、CNC装

3、置的组成及作用 .CNC装置的组成： ）CNC系统主要由数控程序、输入输出设备、CNC装置、PLC、主轴驱动和伺服驱动装置等组成。其核心是CNC装置。 ）CNC装置由硬件和软件组成，CNC装置硬件除了具有一般计算机的微处器()、可编程只读存储器()、随机存储器()、总线、输入输出(/)接口外，还具有专用接口和部件，即位置控制器、信接口、手动数据输入()接口和视频显示()接口因此，装置是一种专用计算机,7,第二节装置的组成及功能,.系统的作用 ）中央处理单元() 是的核心，是实施对整个系统的运算、 控制和管理 ）存储器：存放数据、参数和程序等 只读存储器(、EPROM、EEPROM) 和随机存储

4、器() ）总线(): 内部总线：-100、 等； 外部总线：串行总线(-)和并行总线 (-)两种,8,第二节装置的组成及功能,按信息线的性质分为以下三种： (）数据总线:与外界传送数据的通 道，是双向线; (2)地址总线:确定传输数据的存放地址，是 单向总线； (）控制总线：管理、控制信号的传送，是 单向总线 ）输入输出接口：主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息,9,第二节装置的组成及功能,交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、 数字信号 其目的是：电平转换，功率放大；电气隔离； ）位置控制器：主要完成对数控机床进给运动 坐标轴的位置控制 ）/接口：完成手动数据输入和将信息显示在上 ）

5、接口：完成与装置的信 息交换,10,二装置的工作过程,CNC系统的工作流程,.程序的流程,11,二装置的工作过程 （1） 程序输入； （2） 译码； （3） 刀具补偿； （4） 进给速度处理； （5） 插补运算处理； （6） I/O处理 主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）； （7） 位置处理； （8） 显示； （9） 自诊断处理。 CNC系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。,12,三装置的功能,CNC系统的功能包括：基本功能和选择功能。 基本功能是CNC系统的必备功能； 选择功能可由供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择。,13,主要

6、功能如下： 1. CNC系统的基本功能 控制功能 指CNC能够控制和能够联动控制的进给轴数目。 控制轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。 控制轴特别是联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。,14, 准备功能 即G功能，用来指令机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。,15, 插补功能 所谓插补功能指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。即以最小的逼近误差，沿着指定线段的起点和终点在其之间进行数据点的密化工作。 一般CNC系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为高档的CNC系统备有抛物线插补、极坐标插补、正弦

7、线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。 插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。,16, 进给功能 即F功能，用来指令各轴的进给速度，主要有以下三种： 切削进给速度 每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为mm/min； 同步进给速度 实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转的进给量，单位为mm/r，主要用于加工螺纹；,17, 进给倍率 用于人工实时修调进给速度。即通过操作面板上的进给倍率波段开关以每档10%的间隔在0200%之间对预先设定的进给速度实现实时修调。 主轴功能 即S功能，用于指定主轴的转速，单位是r/min。,18, 辅助功能 即M功能，用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的启停、正

8、反转、冷却液泵的通、断，刀库的起、停等。 刀具功能及工作台分度功能 刀具功能即T功能，用来选择刀具； 工作台分度功能即B功能，用于分度工作台的分度。,19, 人机对话功能 CNC系统可配置9in单色或14in彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。,20,(9) 自诊断功能 CNC系统中设置有故障诊断程序，以防止故障的发生和扩大，在故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。,21,2. 选配功能 补

9、偿功能 包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。,22, 固定循环功能 在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先将这些典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，用G代码进行定义形成固定循环功能，在加工时可直接使用这类G代码，完成这些典型的动作循环，大大简化编程工作。,23, 通讯功能 它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的功能。 通常CNC系统都配有RS232C接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序，有的还备

10、有DNC接口，以利实现直接数控，更高档的系统还可以与MAP（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。,24, 自动在线编程功能 有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。 有的CNC系统可进行在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。,25,思考题,1 何谓数控系统? NC系统与CNC系统有何区别? NC:电子管,晶体管,集成电路为特征的硬件数控系统 CNC:小型计算机,微处理器,工控PC为特征的软件数 控系统. 2 CNC系统的基本组成有哪些? C

11、NC装置,PLC,输入输出装置,主轴控制单元和主轴伺服电动机,伺服控制单元和进给伺服电动机,位置检测装置 ,26,思考题,3 CNC系统的功能有哪些? 1）CNC系统的基本功能 控制功能 准备功能 插补功能 进给功能 主轴功能 辅助功能 刀具功能及工作台分度功能 人机对话功能 (9) 自诊断功能 2）CNC系统的选配功能 补偿功能 固定循环功能 通讯功能 自动在线编程功能,27,思考题,4 简述CNC系统的工作过程。 1） 程序输入； （2） 译码； （3） 刀具补偿； （4） 进给速度处理； （5） 插补运算处理； （6） I/O处理 主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的 输入、输出和控

12、制（如换刀、换档、冷却等）； （7） 位置处理； （8） 显示； （9） 自诊断处理。,28,第三节CNC系统的硬件结构 CNC系统的基本硬件结构通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能(MST)控制接口等部分组成,29,一、单微处理机结构和多微处理机结构,1、单微处理机结构 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。 主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权，其它带CPU的功能部件，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。

13、即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,第三节CNC系统的硬件结构,30,2、多微处理机结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机，CPU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。 特点： 能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。 容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作 结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型。,第三节CNC系统的硬件结构,31,从机床来的控制信号,输出到机床的控制信号,/ (),共享储存器,插补 (),轴控制 (), (),32,FANUC

14、15系统硬件结构,第三节CNC系统的硬件结构,共享总线型结构,33,第四节CNC系统的软件结构,一、装置软件与硬件的功能界面 .装置由软件与硬件组成 .硬件能完成的功能用软件也可以完成 .硬件处理速度快，但造价较高，实现复杂控制功 能比较困难 .软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢 .较少且标准化程度较高的软件，配以功能丰富的 软件构成装置，硬件设计好后基本不变， 而；软件功能不断升级,34,第四节CNC系统的软件结构,二、CNC系统软件的组成 CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。,35,第四节 CNC系统的软件结构,三装

15、置软件的特点和结构分类 .装置软件的特点： ）多任务并行处理 ）多重实时中断处理,36,、CNC装置软件的结构分类 目前CNC系统软件的结构有以下几种： 前后台型结构 这种模式将系统软件划分为前台程序和后台程序. 前台程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断、PLC控制等实时性很强的任务，它是个实时中断服务程序，以一定周期定时发生，中断周期一般小于10ms。,37,后台程序也称背景程序，用来完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、插补预处理(译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性任务，它是一个循环运行的程序，在其运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断。 前后台程序的运行关系见图-

16、3所示 :,38,图-3前后台程序运行关系图,39,前后台型结构的特点: 这种结构的任务调度机制在前后台程序之间，前台程序是优先抢占式的。 在前、后台程序内部，各子任务则采用顺序调度，无抢占机制，因而该结构实时性差，早期的CNC系统大都采用这种结构。,40, 中断型结构 这种结构除初始化程序外，整个系统的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理，如图-所示。,41,图- 中断型软件系统结构图,42,中断型结构的特点: 该结构中任务的调度机制均采用优先抢占调度，因此系统的实时性好，但中断级别较多(最多可达8级)，模块关系复杂，耦合度大，不利于对

17、系统的维护和扩充。20世纪 80至90年代初的CNC系统大多采用这种结构。 ）功能模块软件结构 每一模块都是一个微处理器系统，可以互相通信,43,作业：,.系统的核心是() .程序.输入输出设备 .装置.可编程控制器 ()是的核心 .存储器 .总线.接口 .()属于装置的基本功能 .插补功能.补尝功能 .固定循环功能通信功能 .()属于装置的辅助功能 .控制功能.准备功能 .进给功能.补尝功能,44,作业：二班,.对加工中心自动换刀的管理是用()来控制 . PLC B . ATC C . APC D. CAM 6.数据总线是()，地址总线是() 双向总线单向总线 双向总线或单向总线以上都不是

18、.低速辅助信息由()处理和输出 、CNC B、 PLC C 、 NC D、以上都不是 8.刀具补偿包括刀具() 长度补偿半径补偿 长度补偿和半径补偿以上都不是 .刀具功能用来选择刀具，用字母及其后续的()数字来表示两位两位或四位 四位六位,45,第五节在中的应用,一可编程控制器：是一种用于工业环境，可储存和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程的可编程数字控制系统 :可编程逻辑控制器 :可编程接口控制器三班 :可编程机器控制器 :可编程顺序控制器 在数控领域内人们习惯称其为可编程逻辑控制器 （）或可编程

19、机器控制器（）。,46,第五节在中的应用,在数控领域内的分类： ）内装型:是为数控设备顺序控，制而设计制造的专用，一般不能独立工作,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,/面板,辅助动作,主轴驱动单元,伺服驱动单元,伺服驱动单元,/ 电路, ,47,一班,）独立型:又称通用型，是独立于装置的，其具有完备的硬件和软件功能， 能够独立完成规定的控制任务,48,二在数控系统中的应用,.、机床间的信息交换 ）的信号; 2） 的信号; 3）机床的信号； ）机床的信号; .数控机床中的功能 ）主轴功能; 2)刀具功能； ）辅助功能,49,第六、七节开放式数控系统和典型系统简介,从1952年世界上第一台数控

20、机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展日趋完善，已由最初的硬件数控（NC）经过计算机数控（CNC），发展到以微型计算机为基础的数控（MNC)、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS)等，并朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，对制造商所生产的产品不但要求价格低,质量好，而且要求交货时间短，售后服务好，好要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。新的环境要求CNC进一步向开放式控制系统转化。,50,开放式数控系统和典型系统简介,一什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为认为开放式数控

21、系统应具有下列特征： 模块化：具有高度模块化的特征。采用分布式控制原则。采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的。 标准化：“开放”是在一定规范下的开放，并非毫无约束的开放。需要制定一个标准来约束各类机床控制器的研发。 可再次开发：应当允许用户进行第二次开发。根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途。 台无关性：开放时体系结构中各模块相互独立，系统厂、机床厂及最终用户都能够很容易地独立开发一系列专用功能和其他有个性的模块。为此要有方便的支持工具，控制程序设计按系统子系统模块三级进行，各模块接口协议要明确。,51,开放式数控系统和典型系统简介,适应网络操作方

22、式： 作为开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用。要具有一种较好的通信和接口协议，一边各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制需要。 总之所谓开方式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统,52,开放式数控系统和典型系统简介,二开放式数控系统的特点： .可互操作性： .可移植性： .档次皆谊性： .可互补性： 三典型系统简介 数控系统 SIEMENS数控系统 3华中数控系统 广州数控系统,53,数控系统,日本FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。 （1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。 字串5 （2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75。 （3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。 （4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选