数控原理与系统-第8章-数控系统介绍资料

1、 数控原理(yunl)与系统 第八章 常用(chn yn)数控系统 8.1 概述 8.2 SIEMENS数控系统 8.3 FANUC数控系统 8.4 华中数控系统 共五十一页第八章 常用(chn yn)数控系统 8.2 概述数控系统：数字控制系统（Numerical Control System，NCS）是用数字化信息（指令）对机械运动(jxiyndng)及加工过程实现控制的一种装置。数控系统一般由数控加工程序输入/输出装置、数控装置、伺服驱动控制装置、机床电气逻辑控制装置四部分组成，机床本体为被控对象。 常用数控系统有： 华中数控系统 ，SIEMENS数控系统，FANUC数控系统, 三菱电机

2、株式会社的MELDAS 50系列 ，西班牙FAGOR公司 8050系列等。共五十一页802S 802CeeApr.97Apr.03May 03Oct.03基本系列价格(jig)功能系列810D840D802DV2.1 802S base line 802C base line & SimoDrive Base line802DBase line性能(xngnng)图8-1 SIEMENS数控系统的发展第八章 常用数控系统 8.3 SIEMENS数控系统共五十一页表8-1 SIEMENS数控系统的发展(fzhn)过程 共五十一页一、SIEMENS数控系统的发展及特点1多轴控制 采用通道结构，是控

3、制轴数多达2030个（其中包括多主轴控制），并可实现(shxin)6个工位的联动。2通讯功能强 采用通讯中央处理单元，具有很强的数据管理、传送和处理能力，可与FMS、CIMS实现对话。如840C有MMC功能，形成CNC、PLC、MMC三位一体的CNC系统。3PLC功能强 采用S5与S7型功能较强的PLC，PLC的数量可扩展到24个，以满足机床与CNC间大量的信息交换的要求，同时可显著提高信息的传递速度。共五十一页4编程方便 具有蓝图编程功能。这是西门子公司开发的在CNC装置中通过人机对话，利用菜单进行编程的功能。 根据(gnj)零件蓝图直接编程，可进行多点循环的编程，CNC装置自动完成相应中间

4、点的计算。5插补功能强 有三维插补功能。6自诊断功能强 表现在：可不断对测量电路、过热、限位开关、电源电压、存储器和数据传送等进行安全监测；进行接口诊断；在屏幕上现实数控系统和机床的报警信号；显示PLC的状态；进行加工轨迹的监视；进行主轴监视。 7具有模块化结构 共五十一页二、西门子840D硬件(yn jin)系统的组成 1人机界面 人机交互界面包括：MMC单元(Man Machine Communication),OP(Operation panel)单元， MCP(M achine Control Panel)三部分。MMC单元实际上就是一台计算机，有自己独立的CPU,还可以带硬盘，带软驱

5、；OP单元正是这台计算机的显示器，而西门子MMC的控制软件也在这台计算机中。共五十一页2数控及驱动单元（1）NCU数控单元 SINUMERIK840D的数控单元被称为NCU（Numerical Control unit）单元：中央控制单元,负责NC所有的功能,机床的逻辑(lu j)控制,还有和MMC的通讯 它由一个COM CPU板、一个PLC CPU板和一个DRIVE板组成。共五十一页（2）数字驱动数字伺服：运动控制的执行部分,由611D伺服驱动和1FT6(1FK6)电机组成。 SINUMERIK840D配置的驱动一般都采用SIMODRIVE611D.它包括两部分：电源模块+驱动模块（功率模块

6、）。电源(dinyun)模块：主要为NC和给驱动装置提供控制和动力电源(dinyun)，产生母线电压，同时监测电源(dinyun)和模块状态。根据容量不同，凡小于15KW均不带馈入装置，极为U/E电源(dinyun)模块；凡大于15KW均需带馈入装置，记为I/R电源(dinyun)模块，通过模块上的订货号或标记可识别。共五十一页611系列驱动的组成：611系列的驱动分成模拟611A，数字611D和通用型611U。都是模块化结构，主要有以下几个模块组成：电源模块 电源模块是提供驱动和数控系统的电源，包括维持系 统正常工作的弱电和供给功率模块用的600V直流电压。根据直流电压控制方式，它又分为开环

7、控制的U/E模块和闭环控制的I/R模块，U/E模块没有电源的回馈系统，其直流电压正常时为570V左右，而当制动能量大时，电压可高达640多伏。I/R模块的电压一直维持在600V左右控制模块 控制模块实现对伺服轴的速度环和电流环的闭环控制功率模块 对伺服电机提供频率和电压可变的交流电源监控模块 主要是对电源模块弱电供电能力的补充。滤波模块 对电源进行滤波作用(zuyng)。电抗 对电压起到平稳作用。 共五十一页PLC模块： SINUMERIK810D/840D系统的PLC部分使用(shyng)的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块（Power S

8、upply），接口模块（Interface Module）信号模块（Signal Module）。PLC的CPU与NC的CPU是集成在CCU或NCU中的。 最多8个SM模块，最多四级。共五十一页三、西门子840D系统的软件结构 SINUMERIK 840D软件系统包括4大类软件：MMC软件系统、NC驱动接口软件、PLC软件系统、通信及驱动接口软件。1MMC软件系统 在MMC102/103以上系统均带有5GB或10GB的硬盘，内装有基本OS内核操作系统、Windows95操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支撑(zh chng)SINUMERIK与外界MMC-CPU、PLC-CP

9、U、NC-CPU之间的相互通信及任务协调。 共五十一页2NC软件系统（1）NCK数控初始引导软件 该软件固化在EPROM中，一般是数控系统厂家设置的程序，是具有(jyu)和西门子NC系统数字控制程序相匹配的引导程序。（2）NCK数字控制软件系统 它包括机床数据和标准的循环子系统，是西门子公司为提高系统车削、铣削、钻削和镗削功能等软件。用户必须理解每个循环过程的参数含义才能进行调用。共五十一页（3）SIMODRIVE 611D驱动数据(shj) 它是指SINUMERIK 840D数控系统所配套使用SIMODRIVE 611D数字式驱动系统的相关参数。（4）PCMCIA卡软件系统 在NCU上设置有

10、一个PCMCIA插槽，用于安装PCMCIA个人计算机存储卡，卡内预装有NCK驱动软件和驱动通信软件等。共五十一页3PLC软件系统 PLC软件系统包括PLC系统支持软件和PLC程序 （1）PLC系统支持软件 它支持SINUMERIK 840D数控系统内装的CPU315-2DP型可编程逻辑控制器的正常工作，该程序固化在NCU内。 （2）PLC程序 它包括基本PLC程序和用户PLC程序两部分。 西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准(biozhn)软件，可使用梯形图逻辑LAD、功能块图FBD和语句表STL进行编程操作。4通信及驱动接口软件它主要用于协

11、调PLC-CPU、NC-CPU、MMC-CPU三者之间的通信。共五十一页主轴电机 I/OI/R机床(jchung)控制面板OP.键盘(jinpn)Windows NT伺服电机 NC+PLC 驱动可以提供多种HMI 版本PCU50+电源部分SINUMERIK 840D图8-2 SINUMERIK 840D系统 共五十一页操作站电气柜伺服电机380 VAC24V直流电源 SITOP/ PS307滤波器电抗器机床电器(dinq)部件手轮(shu ln)变压器220 VAC24 VDCRS232隔离器24 VDC24VDC键盘机床控制面板主开关220 VAC个人计算机24 VDCX111X222X33

12、3PP 72/48电源模块功率模块X111X222X333PP 72/4824 VDC840DPCU电缆通道功率模块功率模块控制模块总线模块控制模块控制模块伺服电机伺服电机220VAC图8-3 西门子部件连接 - 总连接图 共五十一页武汉华中数控股份有限公司（以下简称“华中数控”）是从事数控系统及其装备研究、开发和生产的高科技企业。华中数控具备较强的系统配套能力，可生产HNC-18i/19i与HNC-21/22等高档、中档、普及型数控系统，全数字交流伺服主轴系统、全数字交流伺服驱动系统等产品，可以为用户提供(tgng)数控系统全套解决方案。第八章 常用(chn yn)数控系统 8.2 华中数控

13、系统 共五十一页 一、FANUC数控系统的发展概况 日本FANUC公司自50年代末期生产数控系统以来，已开发出40多种系列(xli)的数控系统，特别是70年代中期开发出FS5、FS7系统以后，所生产的系统都是CNC系统。从此，FANUC公司的CNC系统大量进入中国市场，在中国CNC市场上处于举足轻重的地位。 80年代，FANUC公司较有代表性的系统是F6和F11系列。 80年代，其主要产品有F0和F15系列。 目前，以F0i与F16i、18i最为常见。 第八章 常用(chn yn)数控系统 8.3 FANUC数控系统 共五十一页表8-2 FANUC数控系统的发展(fzhn)过程共五十一页二、F

14、ANUC 0i数控系统1FANUC 0i数控系统的特点（1）FANUC 0i数控系统是FANUC 0数控系统的改进型。FANUC 0i系统与FANUC 16/18/21等系统的结构相似，均为模块化结构。其集成度较FANUC 0系统的集成度更高，因此0i控制单元的体积更小，便于(biny)安装排布。（2）采用全字符键盘，可用B类宏程序编程，使用方便。（3）用户程序区容量比0MD系统大一倍，有利于较大程序的加工。（4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便。（5）使用存储卡存储或输入机床参数、PMC程序以及加工程序，操作简单方便。共五十一页（6）系统具有HRV(高速矢量响应)功能，伺服增益

15、设定比0MD系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。（7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参数自动补偿。（8）0i系统可预读12个程序段，比0MD系统多。（9）与0MD系统相比，0i系统的PMC程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。（10）0i系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。（11）0i系统比0M、0T等产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。（12）在软件方面0i系统比0系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进。如RS232串口通信波特率达19200bit/s，可

16、以通过HSSB（高速串行总线）与PC机相连(xin lin)，使用存储卡实现数据的输入/输出。共五十一页2FANUC 0i数控系统的分类（1）按FANUC Series 0i-A, FANUC Series 0i-B, FANUC Series 0i-C分类 0i-A和0i-B/0i-C的区别就是放大器和电机不同，前者是/系列，而后者是i和i系列，且不能互换。（2）按FANUC Series 0i，FANUC Series 0i Mate分类 其中FANUC Series 0i最大控制轴数4轴, 提供卓越功能(gngnng)的配置，在配置上重视与实现功能(gngnng)更全、效率更高的机床性能

17、。 而FANUC Series 0i Mate 最大控制轴数 3轴，提供卓越的价格/性能比的配置，基于基本规格，在配置上重视价格/性能比，在加工精度上亦会有所降低。共五十一页3FANUC 0i-C数控装置的硬件部分 主板部分包括CPU、内存(ni cn)（系统软件、宏程序、梯形图、参数等）、PMC控制、I/O Link控制伺服、主轴控制、控制内存(ni cn)卡、LED显示。I/O板部分主要包括电源PCB（内置）、DI/DO、阅读机/穿孔机、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制。I/O板部分主要包括电源PCB（内置）、DI/DO、阅读机/穿孔机、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制。

18、共五十一页图8-4 FANUC 0i-C 系统(xtng)结构图共五十一页图8-5 控制单元(dnyun)各部位 共五十一页4FANUC 0i-C数控系统的软件部分 FANUC 0i采用多重中断系统，此结构除初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同(b tn)级别中断服务程序中，也就是说，所有功能子程序均安排成级别不同(b tn)的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，管理功能主要通过各中段程序之间的相互通信来解决。共五十一页5FANUC 0i数控系统的电源模块 （1）电源模块主要是将三相交流电转换成直流电，为主轴模块和伺服轴模块提供直流电源。而主轴模块和伺服轴模块在运动控制

19、指令下，经由IGBT模块组成(z chn)的三相逆变回路输出三相变频交流电，控制主轴电动机和伺服电动机进行精确的定位运动。 （2） FANUC的系列电源模块主要为PSM、PSMR、PSM-HV、PSMV-HV四种，输入电压分别为交流200V和交流400V两种。共五十一页6FANUC 0i数控系统的伺服模块 FANUC 0i系统采用智能伺服系统，使用高速数字处理器，并应用现代控制理论为基础的控制算法，实现了位置、速度、电流的全部数字化。这是FANUC 0系列的专利。FANUC 0i系统采用i系列电动机，主体是永磁同步式交流伺服电动机（也称无刷交流伺服电动机）。采用高可靠性的脉冲编码器（绝对值/增

20、量值）。驱动放大器使用FANUC i 系列。除了使用is 伺服电机和i 主轴电机外，还可使用is 伺服电动机和i 主轴电动机，以降低系统的价格(jig)。但是加工精度高的模具时，应使用is 伺服电机和i 主轴电机。共五十一页7. FANUC 0i系统的连接（图8-6） 系统输入电压为DC24V10%,电流约7A。原则是要保证通电和断电都在CNC的控制下。为了使机床运行可靠，应注意强电和弱电信号的走线、屏蔽及系统的和机床的接地。电平4.5V以下(yxi)的信号线必须屏蔽，屏蔽线要接地。连接说明书中把地先分成信号线地、地壳地和大地。另外，FANUC系统、伺服和主轴控制单元及电动机的外壳都要求接地。

21、为了防止电网干扰，交流的输入端必须接浪涌吸收器。如果不处理这些问题，机床工作时会出现#910、#930报警或是不明原因的误动作。 共五十一页图8-6 FANUC 0i系统(xtng)连接图 共五十一页一、华中数控系统的分类及特点1“世纪星”HNC-18i/19i系列数控系统（HNC-18iT/19iT、HNC-18iM/19iM）（见图8-1）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置5.7（18i 系列）/彩色（19i 系列）液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴(zhzhu)接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及CF卡、DNC、以太网等程序交

22、换功能、具有低价格、高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用于各类车、铣数控机床的控制。HNC-18iT/19iT最大联动轴数为2 轴。HNC-18iM/19iM最大联动轴数为3轴。第八章 常用(chn yn)数控系统 8.4 华中数控系统 共五十一页 图8-7 HNC-18i/19i 数控系统的外部(wib)接口示意图共五十一页2“世纪星”系列数控系统（HNC-21/22T、HNC-21/22M）（见图8-2）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4或10.4彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC 接口于一体，采用电子盘

23、程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用(yngyng)于车、铣、加工中心等各类数控机床的控制。HNC-21/22T最大联动轴数为3 轴。HNC-21/22M最大联动轴数为6 轴。 共五十一页图8-8 HNC-21/22 数控系统的外部(wib)接口示意图共五十一页二、华中数控系统的硬件系统 华中数控由数控装置、变频调速主轴及三相异步电动机、交流伺服单元及交流伺服电动机、步进电动机驱动器及步进电动机、测量(cling)装置、十字工作台组成。见图8-9。共五十一页1数控装置 HNC-21TF数控装置内置嵌入式工

24、业PC机，配置7.7”彩色液晶屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口，内嵌式PLC于一体，可选配(xun pi)各种类型的脉冲接口、模拟接口的交流伺服单元或步进电动机驱动器。共五十一页（1）图8-9中为一台IPC的基本配置，其中ALL-IN-ONE CPU卡的配置是CPU 80386以上、内存2MB以上、软硬驱接口、键盘接口、二串行一并行通讯接口、DMA控制器、中断控制器和定时器；外存是包括软驱(run q)、硬盘在内的存储器件。（2）系统总线是一块有四层印刷电路板制成的无源母板。（3）图8-10中单点画线部分是数控系统的操作面板，其中数据键盘通过COM2口直接写标准键盘的缓

25、冲区。（4）图8-10中双点画线的模块表示是根据用户特殊要求而定制的功能模块。共五十一页（5）位置单元接口根据伺服单元的不同而有不同的具体实施方案；当伺服单元为数字交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准RS232串口；当伺服单元为位模拟式交/直流伺服单元时，位置单元接口采用位置环板；当用步进电机为驱动元件(yunjin)，位置单元接口采用多功能数控接口板。（6）光电隔离I/O板主要处理控制面板上以及机床测量的开关量信号。（7）多功能板主要处理主轴单元的模拟或数字控制信号，并回收来自主轴编码器、手摇脉冲发生器的脉冲信号。共五十一页2变频调速主轴单元 变频主轴采用(ciyng)西门子MICROMA

26、STER 440系列的SE6440-2UD21-5AA0变频器配三相异步电机。3交流伺服驱动单元 交流伺服和交流伺服电机采用松下MINAS A系列的MSDA023A1 A伺服单元和MSMA022A1C伺服电动机。4步进驱动单元 步进驱动器和步进电机采用深圳雷塞M535和57HS13。四相混合式步进电机，步进角为1.8度,静转矩1.3Nm,额定相电流2.8A 。共五十一页5输入与输出装置 输入接线端子板提供NPN和PNP两种类型开关量信号输入，输出继电器板集成八个单刀单掷继电器和两个双刀双掷继电器。 6工作台 机械部分采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹(guj)和动作。X轴执行

27、装置采用四相混合式步进电机，步进电机没有传感器，不需要反馈，用于实现开环控制。Y轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服和交流伺服电机组成一个速度闭环控制系统。 安装在交流伺服电机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，构成一个位置半闭环控制系统；也可用安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动位移，构成一个位置闭环控制系统。 共五十一页图8-9 华中(Huzhng)数控系统的组成 共五十一页图8-10 华中数控系统CNC装置硬件(yn jin)结构共五十一页三、华中数控系统的软件系统1软件结构说明 华中数控系统的软件结构如图8-11所示。图中虚线以下的部分称为底层软件

28、，它是华中数控系统的软件平台，其中RTM模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理调度。NCBIOS模块为基本输入输出系统，管理CNC系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。RTM和NCBIOS两模块合起来统称NCBASE，如图中双点化线框所示。图中虚线以上的部分称为过程控制软件（或上层软件），它包括编辑程序、参数设置、译码设置、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。对不同的数控系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减均在这一层进行(jnxng)，各功能模块通过NCBASE的NCBIOS与底层进行(jnxng)信息交换。共五十一页2NCBASE的功能（1）实时多任务的调度 该功能由RTM模块实现。调度核心由时钟中断(zhngdun)服务程序和任务调度程序组成。如图8-12所示。根据任务要求的调度机制（采用优先抢占加时间片轮转调度）和任务的状态，调度核心对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得CPU的控制权，并监控任务的状态。系统中各个任务只能通过调度核心才能运行和终止。图中描述了各个任务与调度核心的关系，图中