计算机数控系统概述(共82页).ppt

第二章 计算机数控系统n第一节 概 述n第二节 CNC的结构n第三节 CNC的信息处理过程n第四节 PLC与数控机床的辅助功能n思考题n第五节 FANUC数控系统n第六节 开放式CNC第一节 概 述n一、CNC数控机床nCNC是数控机床的核心nCNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床CNC数控机床的组成框图加工程序输入/输出设备CNC装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床CNCCNC数控机床的组成数控机床的组成二、CNC的组成n从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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n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）两大部分组成的它们二者是相互支持，不可分割的CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能n硬件是基础，软件是灵魂 CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNC装置的组成CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .n 该平台有以下两方面的含义：q提供CNC系统基本配置的必备功能；q在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。

CNC装置的组成CNC的硬件系统组成框图CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线CNC的软件系统组成框图系统软件管理软件程序输入输出显示诊断控制软件刀具补偿速度控制插补运算位置控制译码三、CNC的工作过程n工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程n包括：n1加工程序的输入n2译码n3刀具补偿 n4对进给速度进行处理 n5插补 n6位置处理 n7/处理 n8显示 n9诊断CNC单元 四、CNC的功能nCNC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n基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能；n选择功能用户可根据实际要求选择的功能1对轴数的控制功能n控制功能n CNC能控制和能联动控制的进给轴数 nCNC的进给轴分类：n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；n 基本轴和附加轴（U、V、W）n联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难2点位运动与移动功能(G功能 ) 准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。

3插补功能n插补功能n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4固定循环加工功能n固定循环功能n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5进给功能 (F功能 )n进给功能n进给速度的控制功能n进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/minn同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/rn快速进给速度 一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速 n进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度6主轴的转速功能n主轴功能n 数控系统的主轴的控制功能n主轴转速主轴转速的控制功能，单位为r/minn恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能n主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能nC轴控制主轴周向任意位置控制的功能n主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速7刀具功能及工作台分度功能n刀具管理功能n实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能n刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；n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；nCNC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。

8辅助功能(M功能 )n辅助功能（M功能）n 用于指令机床辅助操作的功能n如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等9补偿功能n补偿功能q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q传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能q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，利用模型实施补偿10字符和图形显示功能n人机对话功能n在CNC装置中这类功能有：n菜单结构操作界面；n零件加工程序的编辑环境；n系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等11自诊断功能n自诊断功能nCNC自动实现故障预报和故障定位的功能n开机自诊断；n自诊断；n离线自诊断；n远程通讯诊断12输入、输出和通信功能n通讯功能n CNC与外界进行信息和数据交换的功能nRS232C接口，可传送零件加工程序，nDNC接口，可实现直接数控，nMAP(制造自动化协议)模块，n网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求13程序编制功能n手工编程n背景（后台）编程 n自动编程n利用CAM系统，可以完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。

五、CNC的特点n1具有比NC更高的柔性n2具有良好的通用性 n3数控功能不断增强和扩展 n4可靠性越来越高 n5方便了系统的维修和使用 n6易于实现机电一体化 第二节 CNC的结构n一、CNC的硬件结构nCNC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n单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务这种系统硬件和软件结构都比较简单n单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床的控制部分CPU外部存储设备接口RS-232接口人机交互接口选件接口ROMRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元位控单元速度控制单元D/A转换电路M、S、T微机系统机床的控制部分 X轴 Y轴 Z轴 主轴总线典型的单微处理器装置结构框图单微处理器CNC特点n CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理n 微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。

n 结构简单，易于实现n 多微处理器CNC的优点 n 较高的性价比；n 适应能力强；n 可靠性高；n 易于组织规模化生产 多微处理器的CNC主要功能模块n CNC管理模块 ；n CNC插补模块 ；n 位置控制模块 ；n PLC模块 ；n 人机接口模块 ；n 存储器模块 多微处理器的CNC结构 n共享总线结构n在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能n共享存储器结构n在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率共享总线结构框图CNC管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线共享存储器结构框图插补（CPU2）来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共 享存储器n纸带的光电阅读机接口n输入/输出（I/O）接口n进行必要的信号隔离n进行电平转换和功率放大n数/模和模/数转换n通信接口n软件与硬件在实现各种功能的特点和关系q关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。

从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的q特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢n软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功能界面划分n功能界面划分的准则：系统的性能价格比二、CNC的软件结构输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面几种划分 1CNC的软、硬件界面2CNC的软件结构特点n CNC装置的多任务并行处理 CNC的任务并行处理示意图输入显示控制I/O诊断译 码刀具补偿速度处理位置控制插 补 前后台型软件结构前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台程序运行关系图前后台型结构模式的特点任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度信息交换:缓冲区前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的实时性差在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制 该结构仅适用于控制功能较简单的系统早期的CNC系统大都采用这种结构 中断型软件结构初始化中断管理系统（硬件 + 软件）0级中断服务程序 1 级中断服务程序 2 级中断服务程序级中断服务程序中断型软件系统结构图n中断型结构模式的特点任务调度机制：抢占式优先调度。

信息交换：缓冲区实时性好由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制第三节 CNC的信息处理过程 CNC装置数据转换流程示意图 零件程序的输入过程流程图送出译码外存或通信接口零件程序缓冲区MDI键盘MDI缓冲区零件程序存储区一、输入二、存储 目录区 零件程序区程序号零件程序1程序首址程序终址程序号零件程序2程序首址程序终址空白目录区零件程序1零件程序2零件程序3零件程序I零件程序n空白程序区零件程序存储器的结构示意图三、译码n定义：译码程序是以程序段为单位对信息进行处理，把其中的各种工件轮廓信息（如起点、终点，直线和圆弧）、加工速度F和其它辅助信息（M.S.T）依照计算机能识别的数据形式，并以一定的格式存放在指定的内存专用区间在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警n方法：解释和编译 n内容：整理和存放n1）不按字符格式的整理与存放方法。

n2）保留字符格式的整理与存放开始读取缓冲器中的字符处理数字代码处理N代码处理G代码处理X代码处理Y代码10H?=10H?=11H?=12H?=13H?无法识别、错误处理结束YNNNNYNYYY软件识别代码的流程图四、译码后的数据处理n1刀具补偿n定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据n种类：长度补偿和半径补偿2速度处理n（1）进给速度计算n开环系统:n速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现n速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值n半闭环和闭环系统:n采用数据采样方法进行插补加工n速度计算是根据程编的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长开环系统进给速度的计算VSVS 脉冲的频率决定进给速度 为脉冲当量，单位：mm ，则两轴联动时，各坐标轴速度为: 合成速度（即进给速度）V为。