计算机数控系统概述(PPT 82页).ppt

1、第二章 计算机数控系统,第一节 概 述,第二节 CNC的结构,第三节 CNC的信息处理过程,第四节 PLC与数控机床的辅助功能,思考题,第五节 FANUC数控系统,第六节 开放式CNC,第一节 概 述,一、CNC数控机床 CNC是数控机床的核心。 CNC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,C N C 装 置,可编程 控制器,主轴驱 动装置,进给驱 动装置,机 床,CNC数控机床的组成,二、CNC的组成,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速

2、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。 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。 硬件是基础，软件是灵魂,CNC装置的组成,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,CNC装置的组成,CNC的硬件系统组成框图,CNC的软件系统组成框图,系统软件,管理软件,程 序 输 入 输

3、 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,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。 包括： 1加工程序的输入 2译码 3刀具补偿 4对进给速度进行处理 5插补,6位置处理 7/处理 8显示 9诊断,CNC单元,四、CNC的功能,CNC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。 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,1对轴数的控制功能,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：

4、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,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,插补功能 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,4固定循环加工功能,固定循环功能 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,5进给功能 (F功能,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/m

5、in。 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。 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。 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,主轴功能 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。 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,7刀具功能及工作台分度功能,刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。 刀具几何尺寸（半径和长度），供

6、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,8辅助功能(M功能,辅助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。 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,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,10字符

7、和图形显示功能,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,11自诊断功能,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,12输入、输出和通信功能,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(制造自动化协议)模块， 网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求,13程序编制功能,手工编程 背景（后台）编程 自动编程 利用CAM系统，可以在线

8、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,1具有比NC更高的柔性 2具有良好的通用性 3数控功能不断增强和扩展 4可靠性越来越高 5方便了系统的维修和使用 6易于实现机电一体化,第二节 CNC的结构,一、CNC的硬件结构 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,1.单微处理器的CNC,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。 单微处理器CNC的结构是以微

9、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,ROM,RAM,PLC 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,M,M,M,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,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。 微处理器通过总线与存储器、输

10、入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。 结构简单，易于实现,2.多微处理器的CNC,多微处理器CNC的优点 较高的性价比； 适应能力强； 可靠性高； 易于组织规模化生产,多微处理器的CNC主要功能模块,CNC管理模块 ； CNC插补模块 ； 位置控制模块 ； PLC模块 ； 人机接口模块 ； 存储器模块,多微处理器的CNC结构,共享总线结构 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。 共享存储器结构 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

11、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,共享存储器结构框图,3.CNC的接口,纸带的光电阅读机接口 输入/输出（I/O）接口 进行必要的信号隔离 进行电平转换和功率放大 数/模和模/数转换 通信接口,软件与硬件在实现各种功能的特点和关系 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。 特点： 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。 软件、硬件实

12、现功能的分配就是软件硬件功能界面划分。 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,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

13、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,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。 809

14、0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,1.输入过程 零件程序的输入过程流程图 2.键盘输入,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,零件程序存储器的结构示意图,三、译码,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

15、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。 方法：解释和编译。 内容：整理和存放。 1）不按字符格式的整理与存放方法。 2）保留字符格式的整理与存放。 1.代码的识别 2.功能码译码,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,Y,N,N,N,N,Y,N,Y,Y,Y,软件识别代码的流程图,四、译码后的数据处理,1刀具补偿 定义：将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据。 种类：长度补偿和半径补偿,2速

16、度处理,1）进给速度计算 开环系统: 速度通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。 速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统: 采用数据采样方法进行插补加工 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,VS,VS,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,2）进给速度控制,VS,VS,常用的控制方法： 计时法 用于脉冲增量插补。 时钟中断法 用软件控制每个时钟周期内的插补次数，达到速度控制的目的。 积分法,3插补,根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位

17、移量； 计算新的坐标位置； 将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。 插补程序的实时性,1计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + x2 Y2新 = Y2旧 + y2 2计算实际坐标位置 X1新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y1 3计算位置控制输出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一,4 位置控制,第四节 PLC与数控机床的辅助功能,一、PLC 1PLC的基本组成和工作原理 硬件系统 软件系统,接 收 现

18、场 信 号,输 入 部 件,外 设 接 口,扩 展 接 口,输 出 部 件,电源,运算器,控制器,微处理器,RAM 用户程序,EPROM 系统程序,盒式磁带机,驱 动 受 控 元 件,I/O 扩 展 单 元,存储器,打印机,EPROM写入器,PLC或上位计算机,编程器,通用型PLC的硬件结构框图,PLC 程序执行过程图,输 入 端 器 件,输 入 映 象,元 件 映 象 寄 存,输 出 锁 存,输 入 端 器 件,输 入,输 出,输入采样阶段,输出刷新阶段,程序执行阶段,PLC的基本控制原理,2PLC的特点,可靠性高 编程简单，使用方便 灵活性好 直接驱动负载能力强 便于实现机电一体化 网络通

19、信,3数控机床用PLC,数控机床PLC的控制对象,数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图,CNC、PLC、机床之间的信号处理过程,CNC装置机床： CNC装置CNC装置的RAM PLC的RAM中。 PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM中， 对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床； 对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床,机床CNC装置,对于内装型PLC，信号传送处理如下： 从机床输入开关量数据CNC装置的RAM PLC的RAM。 PLC的软件进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM

20、中，同时传送到CNC装置的RAM中。 CNC装置软件读取RAM中数据。 对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同,PLC 、CNC 、机床间的信息交换,PLC CNC的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号等。 PLC 机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。 机床 PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/

21、夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号,数控机床PLC的形式,按结构形式分类： 内装型（Built-in Type）PLC（或称集成式、内含式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。 独立型（Stand-alone Type）PLC ，或称为“通用型”PLC它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。 按规模分类： 小型：输入/输出的点数512点,PLC的规模及其应用,内装型PLC,此类是CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型（Built-in Type）PLC（或称集成式、

22、内含式）。内装型PLC是CNC装置的一部分，它与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的。这种类型的PLC一般不能独立工作，它是CNC装置的一个功能模块，是CNC装置功能的扩展，两者是不能分离的。在硬件上，内装型PLC既可与CNC装置共用一个CPU，如西门子的SINUMERIK810、820等数控系统；也可以是单独的CPU，如FANUC的0系统和15系统、美国A-B公司的8400系统和8600系统等,由于CNC装置的功能和PLC的功能在设计时就统一考虑，因而这种类型的PLC在硬件和软件的整体结构上合理、实用，性能价格比高，适用于类型变化不大的数控机床。由于PLC与CNC之间的连线较少，且P

23、LC内的信息也能通过CNC装置的显示器显示，使PLC的编程更为方便，而且故障诊断的功能也有提高，从而提高了CNC系统的可靠性,内装型PLC,NC,PLC,I/O 电路,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CR面板,进给电动机,主轴电动机,辅助动作 换 刀 冷 却 排 屑,内装型PLC结构框图,CNC装置,独立型PLC,此类是由专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制，称为独立型（Stand-alone Type）PLC ，或称为“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC装置的，它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。在数控机床选用独立型PLC时，主

24、要考虑能满足以下要求：输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等。由于这种类型PLC的生产厂家较多，品种、类型丰富，使用户有较大的选择余地，可以选择自己熟悉地产品，而且其功能的扩展也较方便。独立型PLC与CNC装置之间是通过输入/输出接口连接的。国内已引进应用的独立型PLC有：西门子公司的SIMATIC S5、S7系列产品；A-B公司的PLC系列产品；FANUC公司的PMC-J系列产品等,独立型PLC结构框图,NC,PLC,伺服驱动单元,主轴驱动单元,强电电路,机床操作面板,MDI/CRT面板,伺服电动机,主轴电动机,辅助动作 换刀 冷却 排屑,I/O电路,I

25、/O电路,I/O电路,PLC装置,二、数控机床的辅助功能,1数控机床的辅助功能 是指数控机床的冷却、润滑、转位和夹紧等功能。对于加工中心类的数控机床还有刀库的管理功能。 2数控机床的辅助功能的控制 就是数控机床的冷却、润滑的启停；控制工件和机床部件的松开、夹紧；控制分度工作台的转位等。对于加工中心类数控机床还有刀库中选择刀具和交换刀具。 辅助功能的控制还可以由PLC来完成,第五节 FANUC数控系统,一、FANUC数控系统介绍 二、FANUC数控系统的特点 三、FANUC系统典型系列 10系列 210/11/12系列 315系列 416系列 518系列,FANUC数控系统（显示器及操作面板,FANUC 系列 150i B型数控装置,第六节 开放式CNC,一、概述 计算机技术的高速发展和普及 先进制造技术发展的要求 CNC开发周期和开发成本的要求 PC文化的渗入 二、开放式CNC的定义 目前可以认为开放式CNC就是指PC-NC。它是指在机械加工专用的CNC中，引入PC所具有的开放特性和文化，达到CNC系统的设计和制造的开放性、通用性和模块化,FMS,CIMS,三、开放式CNC的基本结构,1PC的