数控系统的组成及工作过程.doc

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CNC系统的组成及其特点. . .7二 ，CNC系统的硬件. .7 1.大板的结构和功能模板结构. . .71.1大板结构. . .81.2功能模板结构 . . .8 2.单微处理器结构和多微处理器结构. . .8 2.1单微处理器的结构. .8 2.2多微处理器的结构.9 2.3单微处理器和多微处理器的区别.10三，CNC系统的软件结构. .111CNC软件的组成.112CNC软件的结构.12四，数控系统的工作过程.121.输入. .122.插补.123.伺服控制. .13五、功能水平分类.14六、数控系统的新动向.14 1、机床的智能化.14 2、新的工艺过程. .14 3、直接驱动技术. .154、可重组制造系统.15结束语16参考文献17致谢18诚信声明19 摘要 数字控制（Numerical Control）技术，简称为数控（NC），是一种自动控制技术，它用数字指令来控制机床的运行。 采用数控技术的自动控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。随着生产的发展，数控技术已不仅用于金属切削机床，同时还用于其他的机械装备，如三坐标测量机、工业机器人、激光切割机、数控雕刻机、电火花切割机等机器上。 数控技术在硬件和软件方面，发展速度都很快。目前市场上已不到普通的数控（NC）机床，取而代之的是计算机数控机床。计算机数控系统是采用储备程序的专用计算机来实现部分基本数控功能的数控系统。目前所说的数控，一般是指计算机数控（NCN）。 关键词 ：数控系统 程序 Abstract Digital control technology, the abbreviation for CNC, is a kind of automatic control technology, it with digital instructions controlled machine tool operation.Adopt CNC technology of automatic control system is called CNC system. Equipped with numerical control system of machine tool called numerical control machine. With the development of production, numerical control technology has not only used for metal cutting tools, also used for other mechanical equipment, such as tri-ordinate measuring machine, industrial robots,Laser cutting machine, CNC engraving machines, electric spark machine etc on the machine.Numerical control technology in hardware and software, development speed quickly. On the market at present already less than ordinary nc machine tools, instead of computer numerical control machine. Computer numerical control system is to use computers to the special reserve program realization of the basic functions of the nc system numerical control. Now say numerical control, usually refers to computer numerical control. Principle ：Numerical control system program 引言数控系统是数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC）1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。数控（NC）阶段（19521970年）人们采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管；1965年的第三代小规模集成电路。 计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）1971年，美国英特尔公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。 1974年微处理器被应用于数控系统，称为计算机数控。计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PC-BASED）。 计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。 CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。 一、数控系统的概述1. 数控系统的概念数控系统是数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。2. 开放式数控系统的概念及特征 IEEE标准定义开放式数控系统：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式数控系统具有以下基本特征： 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行；可伸缩性，CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小（硬件或软件模块），可根据具体应用增减；可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上；可扩展性，CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到NC系统中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸；可互换性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。3. 数控系统的组成与特点 计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控（NC）系统的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功能。CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图1所示图1 图1根据上述组成框图，CNC系统有如下特点：（1） 灵活性 （2）通用性（3）可靠性（4）数控功能多样化（5）使用维护方便2、 CNC硬件的硬件结构数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。1、 大板结构和功能模板结构1.1大板结构大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。1.2功能模板结构模块化结构的CNC装置，是将整个CNC装置按功能划分为若干个功能模块，每个功能模块的硬件按模块化方法设计成尺寸相同的印刷电路板（称为功能模板）各板均可插到符合相应工业标准总线的母板的插槽内。功能模块的控制软件也是模块化的。于是可按积木形式构成CNC装置，使设计简单，调试与维修方便，具有良好的适合性和扩展性。2单微处理器和多微处理器的结构2.1单微处理器的结构 单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，微处理器通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连。CNC装置的接口包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。单微处理器CNC装置只有一个微处理器。有的CNC装置虽然有两个或两个以上微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只作为智能部件工作，这种CNC装置也属于单微处理器结构。由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制、分时处理的方式完成数控的各项功能。由于所有数控功能由一个微处理器完成，因此CNC装置的功能将受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。CNC装置的档次主要由微处理器的品质决定。其结构如图所示 2.2多微处理器的结构 多微处理器结构多微处理器的cNc系统一般采用两种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。紧耦合结构，各微处理器构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源；松耦合结构，由各微处理器构成功能模块，它们之间采用松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。多微处理器cNc系统大多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元。由于采用模块化结构，可以采取积木方式组成cNc系统，因此具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑，特别是各功能单元更换方便，因而可使故障局限在单独的功能单元，对整个系统的影响降到最低限度。与单微处理器相比，多微处理器结构的系统的运算速度有了很大的提高，它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。多微处理器结构如图39所示。由图3- 9可知，cNc管理模块，管理和组织整个cNc系统各功能协调工作，如系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理以及系统软硬件诊断等，该模块还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插补前的预处理；cNc插补模块，根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值；位置控制模块，插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环；PLC功能模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各个功能和操作方式之间的连锁、机床电器设备的起停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等；操作面板、图形显示模块包括零件程序、参数、各种操作命令和数据的输入(如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等)、输出(通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机)、显示(通过IED、CRT、ICD等)所需要的各种接口电路；主存储器模块指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。3.3单微处理器和多微处理器的区别 单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的区别归纳如下：(1)单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，而多微处理器结构CNC装置有多个微处理器.(2)单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，而多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。(3)单微处理器结构CNC装置有大板和模块两种结构形式，而多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构形式。(4)单微处理器结构CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，用于控制功能不十分复杂的数控机床中。多微处理器结构CNC装置适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控机床。(5)与单微处理器结构CNC装置相比，多微处理器结构CNC装置具有更好的适合性和扩展性。使故障对系统的影响更低三、CNC系统的软件结构1.CNC软件的组成CNC软件分为应用软件和系统软件。CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都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。下面分别叙述它们的作用。1输入数据处理程序它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，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。 （1）输入程序（2）译码程序（3） 数据处理程序2插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。3速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。4管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。5诊断程序诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。3.CNC系统软件的结构CNC系统是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，因此需要对系统软件的各功能模块实现多任务并行处理。为此，在CNC软件设计中，常采用资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行处理技术。资源分时共享并行处理适用于单微处理器系统，主要采用对CPU的分时共享来解决多任务的并行处理。资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，资源重叠流水并行处理是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。由于两种技术处理方式不同，相应的CNC软件也可设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。较常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。4、 数控系统的工作过程1、输入在数控系统工作之前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，2、 插补运动轨迹是多轴协调运动的结果，为了实现期望的轨迹，必须控制相关轴的运动。直接的方法是把各轴的每一步运动情况事先确定好，存入计算机的存储器，再现轨迹时，根据存储的数据来控制各轴。但是这意味着要存储大量数据，在实际应用中不现实。实际上，轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些非圆曲线轮廓则用直线或圆弧去逼近。可以根据一些少量的基本数据（起点和终点即可唯一确定一条直线，圆弧只需要给定起点、终点、半径及方向即可确定），通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。这就是插补的基本思想，即插补计算就是数控系统根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。当然，单轴运动就不存在插补问题。 数控系统的插补功能主要由软件来实现，主要有两类插补算法。一种是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲;另一种是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。MCX314A 芯片内部含有高速高精度的直线和圆弧插补功能。3、 伺服控制按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类： （1） 开环控制数控系统 这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件，CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱，丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。（2） 半闭环控制数控系统 位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，其控制框图如图4所示。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。 （3） 全闭环控制数控系统 位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态很难达到。五、功能水平分类（1）经济型数控系统 又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：经济型数控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等。 （2） 普及型数控系统 通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。 （3） 高档型数控系统 指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。 六、数控系统的新动向1、机床的智能化机床智能化包括在线测量、监控和补偿。数控机床的位置检测及其闭环控制就是简单的应用案例。为了进一步提高加工精度，机床的圆周运动精度和刀头点的空间位置，可以通过球杆仪和激光测量后，输入数控系统加以补偿。未来的数控机床将会配备各种微型传感器，以监控切削力、振动、热变形等所产生的误差，并自动加以补偿或调整机床工作状态，以提高机床的工作精度和稳定性2、新的工艺过程除了金属切削和锻压成形外，新的加工工艺方法和过程层出不穷，机床的概念正在变化。激光加工领域日益扩大，除激光切割、激光焊接外，激光孔加工、激光三维加工、激光热处理、激光直接金属制造等应用日益广泛。电加工、超声波加工、叠层铣削、快速成型技术、三维打印技术各显神通。3、直接驱动技术在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件，如皮带、齿轮和联轴节等加以连接，实现部件所需的移动或旋转，机和电是分家的。直接驱动技术是将电动机与机械部件集成为一体，成为机电一体化的功能部件，如直线电动机、电主轴、电滚珠丝杆和力矩电动机等。直接驱动技术简化了机床结构，提高了机床的刚度和动态性能，运动速度和加工精度。4、可重组制造系统随着产品更新换代速度的加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液和气、以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。结束语数控系统是数控机床的核心,它的性能绝对了机床的效率，新的工艺增加了数控系统的加工能力，提高了数控系统的性能，数控系统将进一步完善。本论文是在贾磊来时的悉心指导和严格的要求下已完成，从课题的选择，都有很多的感受每一次的修改都改进了我的学习的收获，这也预示着我在大学生涯也告一段落。参考文献1 毕承恩等编著现代数控机床北京：机械工业出版社，19912 曹琰主编数控机床应用与维修北京：电子工业出版社，19943 蔡复之主编实用数控加工技术北京：兵器工业出版社，19954 焦振学主编微机数控技术北京：北京理工大学出版社，20005 毕毓杰等编著机床数控技术北京：机械工业出版社，19996 严爱珍主编机床数控原理与系统北京：机械工业出版社，20007 吴祖育等编著数控机床上海：上海科学技术出版社，19898 李诚人等编著机床计算机数控西安：西北工业大学出版社，19889 数控车床编程与操作 陈华、滕冠、张映故、吴坤 编写 2003年 8月10 数控技术与CAM应用孟富森、蒋忠理主编 重庆大学出版社2003年1月第一版致谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的指导老师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃