数控技术全章课件

1、数控技术多媒体教学讲义9/3/20221课程简介： 本课程是一门专业基础课，向学生传授数字控制机床的控制原理和相关技术方面的知识，通过该课程的学习，了解数字控制机床控制系统的组成、分类及发展趋势。掌握数控机床数字插补计算方法、刀具补偿原理及算法、典型数控装置的软、硬件结构以及功能模块之间的联系、数字控制机床常用的检测装置结构及工作原理、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机的工作原理及使用特性，了解典型的伺服系统的组成及工作原理。 通过本门课程的学习为使用和设计现代制造装备储备必要的知识。9/3/20222第一章 概 述一、.机床数控技术的概念1.概述 机床数控技术是指采用数字信息形式对机床刀具

2、（或工件）运动的参数实现控制的一门技术。 刀具（或工件）的运动参数包括位置、速度、复杂的轨迹甚至辅助动作都可以编制成程序，事先存入到机床的数控系统中，从而实现切削加工过程高度自动化。9/3/202233.数控技术的发展历程3.1数控装置的发展a.电子元器件的发展（电子管、晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路、集成芯片组）b.硬件集成技术（各种功能板卡）c.计算机软件技术（基础平台软件、功能软件）d.互联网技术9/3/202253.2伺服驱动技术的发展 步进电机、电液伺服马达、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机等。3.3机械零部件的发展 滚珠丝杠、贴塑导轨、滚动导轨、电主轴等。 3.4集成技

3、术 单机、柔性制造单元、柔性制造线、无人化车间等。9/3/20226二.数控机床的功能及使用特点1.机床精度数控精度通常用定位精度和重复定位精度来衡量，特别是重复定位精度，它反映了坐标轴的定位稳定性，是衡量该轴是否稳定可靠工作的基本指标。铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的主要指标之一。数控精度对加工质量有举足轻重的影响，同时要注意加工精度与机床精度是两个不同的概念。将生产厂样本上或产品合格证上的位置精度当作机床的加工精度是错误的。样本或合格证上标明的位置精度是机床本身的精度，而加工精度是包括机床本身所允许误差在内的整个工艺系统各种因素所产生的误差总和。9

4、/3/202272.机床的刚度 刚度直接影响到生产率和加工精度。数控机床的加工速度大大高于普通机床，电动机功率也高于同规格的普通机床，因此其结构设计的刚度也远高于普通机床。刚性是机床质量的一个重要特征，但对选型而言，由用户对所选机床进行刚性评价尚无可借鉴的标准。实际上在选型时，综合使用要求，对机床主参数和精度的选择都包含了对机床刚性要求的含义。9/3/202284.工作台功能选择 回转工作台有两种，用于分度的回转工作台和数控回转工作台。用于分度的回转工作台的分度定位间距有一定的限制，而且工作台只起分度与定位作用，在回转过程中不能参与切削。数控转台能够实现任意分度，作为B轴与其它轴联动控制。 9

5、/3/202210 6.冷却方式 冷却装置形式较多，部分带有全防护罩的加工中心 配有大流量的淋浴式冷却装置，有的配有刀具内冷装置(通过主轴的刀具内冷方式或外接刀具内冷方式)，部分加工中心上述多种冷却方式均配置。精度较高、特殊材料或加工余量较大的零件，在加工过程中，必须充分冷却。否则，加工引起的热变形，将影响精度和生产效率。一般应根据工件、刀具及切削参数等实际情况进行选择。 9/3/202212 9.机床的噪声和造型 绿色制造和清洁生产是现代制造重要的内容之一。对于机床噪声，各国都有明确的标准。目前声音品质也被列为评价机床质量的标准之一。不少机床不但控制噪声等级，而且对杂音控制也提出了要求。即机

6、床运转时，除噪声等级不允许超标外，还不应该有不悦耳杂音产生。不悦耳杂音一般指虽不超出噪声标准规定的等级，但是却可以听到的怪异音响。 机床造型也可以统称为机床的观感质量，机床造型技术是人机工程学在机床行业的实际应用。机床造型对工业安全、人体卫生和生产效率产生着潜在的，但又非常重要的影响。选型时要把机床造型作为一项要求内容。9/3/20221410.精度的一致性：刀具磨损参数在线调整，不占用加工时间，零件精度一致性。11.数控机床使用成本高：使用成本维护成本。9/3/202215三.数控机床的组成1.机床本体 是切削加工的执行部件。床身、立柱、主轴箱及主轴部件、进给滑台、刀架及刀库等。9/3/20

7、22162.数控装置 中央控制单元+数据输入、输出外设。完成数据的输入、输出和计算工作。3.伺服驱动装置 接收数控装置发来的控制信号，经放大后驱动执行部件运动。 4.检测装置 完成位置检测，实现闭环控制 9/3/202217四.数控机床的分类1.工艺范围分类车床铣床磨床钻床等N-094型数控双端面车磨复合机床，该产品是采用五轴控制，实施五轴三联动的车磨复合数控机床。其中最大车削直径为400mm,最大磨削直径为400mm。该产品特别适合汽车刹车盘的精加工。加工时先完成双端面的同时车削，紧接着完成双端面的同时磨削。两端面的等厚度可达0.005mm，粗糙度可达Ra0.4以上。9/3/2022183.

8、按进给伺服系统分类 步进电机驱动线路指令脉冲机床工作台（1）开环伺服系统功率脉冲9/3/202220(2)闭环伺服系统 位置检测装置 机床工作台速度反馈位移反馈+_信号变换电路位移指令速度指令电压指令信号比较电路9/3/202221 X,Y为坐标地址，其他的坐标地址还有 Z,U,V,W,A,B,C, 进给速度的地址F 主轴转速的地址S 刀具的地址T4.机床坐标系 JB3501-82标准、数控机床采用右手迪卡尔坐标系； 基本坐标：X,Y,Z,A,B,C 辅助坐标：U,V,W 9/3/202223机床的坐标轴定义： 4.1 Z轴的定义： 轴线： 主轴轴线 ；没有主轴的机床，垂直于工件装夹表面的坐标

9、轴为z轴;有几根主轴的机床，选垂直于工件装夹表面的一根主轴作为z轴。 z轴正方向：式刀具远离工件的运动方向 4.2 X轴的定义：（1）工件旋转机床： 轴线：平行于横进给 导轨 正方向：远离工件的运动方向9/3/2022244.3 工件静止，刀具运动的原则数控机床的进给运动，有的是由刀具运动来实现的，有的是由工作台带着工件运动来实现，上述坐标轴的怎方向，是假定工件不动，刀具相对于工件做进给运动的方向。9/3/202226五、机床坐标系与工件坐标系5.1机床坐标系与机床原点机床坐标系是机床上的固有坐标系，并设有固定的原点，机床坐标系通常通过机床的回零操作建立。5.2工件坐标系工件坐标系是编程人员使

10、用的，以图纸上的某一点为原点，建立坐标系。一般工件坐标系与机床坐标系的坐标轴要平行，加工时，通过设置偏置值建立两个坐标系之间的联系。xyoxyo原点偏置9/3/2022275.3绝对坐标与相对坐标绝对坐标始终相对于坐标系原点，即计量的起点始终是坐标系原点。如果坐标值计量的起点总是用几何元素的起点来衡量的话，这样的坐标成为相对坐标或增量坐标AB12181520XYOXYO9/3/202228第二章 数控插补原理与计算一.概述 实际加工中，数控装置控制刀具沿着工件轮廓运动，刀具位置点的计算称为插补计算。 所谓插补就是指数据的密化工作，在对数控装置输入有限坐标点（例如直线的起点和终点，圆弧的起点、终

11、点和圆心）的情况下，数控装置根据线段的特征（直线、圆弧等），运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，从而控制刀具沿着这一系列坐标点运动，完成刀具沿工件轮廓的准确移动。9/3/2022301.插补计算的基本要求插补计算首先要保证插补计算的精度，另外要求算法简单。2.常用的插补计算方法插补的数学模型有多种，大致可分为直线插补和二次曲线插补，二次曲线主要有圆弧，渐开线、椭圆等。从插补计算输出的数值形式来分，有脉冲增量插补和数据采样插补。在脉冲增量插补中，又分为以区域判别为特征的逐点比较法和以数字积分为特征的数字积分法等。本章主要介绍逐点比较法、数字积分法和数据采样插补法（时间分割

12、法）。9/3/202231二.逐点比较法 逐点比较法可实现直线，圆弧和非园二次曲线的插补。 1.直线的插补 设直线OA的起点坐标分别为O(X0,Y0) A (Xe , Ye ) 要控制刀具从起点走向终点，要确定步长大小：步长(刀具最小移动单位）越小，精度越高，计算工作量越大，一般取0.01-0.001mm。实际插补计算时，主要解决4个问题：1）确定刀具当前位置；2）确定刀具运动的方向 ：在任意时刻刀具只能沿x或y方向移动，刀具按什么样的规律运动才能保证刀具轨迹和理论轮廓之间的误差最小。同时还要使计算比较简单。3）确定刀具当前新的位置； 4）终点：要进行判别。 9/3/202232 1.1刀具当

13、前位置 在加工过程中，刀具在任意时刻的坐标值为P(Xi , Yj),根据P(Xi , Yj )相对于直线的位置有三种情况，刀具在理论直线的上方、下方或正好在直线上。A(Xe , Ye )yOP(Xi , Yj )x9/3/202233用一个公式来表达：P在OA上 Yj/Xi=Ye/Xe Xe Yj Ye Xi =0P在OA下面 Yj/XiYe/Xe Xe Yj Ye Xi Ye/Xe Xe Yj Ye Xi 01.2刀具运动的方向 定义Fi j为偏差判别函数 Fi j = Xe Yj Ye Xi 并规定当 Fi j =0 沿X正方向走一步 Fi j 0 P(Xi,Yj)在圆弧外侧 Fij=(X

14、i2-X02)+(Yj2-Y02) =或 0 -x方向，Fi j 0X坐标进给方向判断Y坐标进给方向判断F=F-ye+X方向走一步-X方向走一步E=E-1E=0 结束+Y方向走一步-Y方向走一步F=F+xe直线插补计 算流程图YN9/3/202249直线插补计 算练习起点（-2，3）终点（-8，6）YXO9/3/202250五、刀具的进给速度前面讨论可知，插补器就是向各个坐标分配脉冲，进给脉冲的频率就决定了坐标轴的速度。设脉冲源频率为fg, 以脉冲/秒表示。坐标轴的进给速度vx、vy ，以毫米/分钟表示。则vx= 60 fx Vy= 60 fy式中为脉冲当量，以毫米/脉冲表示。刀具合成运动速度

15、v= vx2+vy2 =60 fx2+fy2当fx=0(或fy =0) 时，合成速度取得最大值： V=Vmax=60 fg当fx=fy时，合成速度取得最小值： V=Vmin=0.707Vmax对于机床加工来讲，这个速度是比较平稳的9/3/202251三.数字积分法 数字积分法的原理就是将插补元素分割成微小的段（小于坐标轴一次进给的量，也就是小于一个脉冲当量）然后将这些小段进行累加，累加到大于或等于一个脉冲当量时，产生一个进给脉冲，控制坐标轴进给一步。当元素分割的无限小时，这个累加的过程就是积分，所以这种插补方法就叫做数字积分法。 过程：1）将元素（增量坐标）分割 2）进行累加 3）有进位产生,

16、 输出进给脉冲9/3/2022521.直线插补1.1计算原理 设有直线OA， Vx Vy分别为刀具在X,Y方向移动的分速度，要保证刀具从O点到A点的运动过程中沿着直线OA ，速度和坐标行程必须满足下面的关系。YXAOVxVy9/3/202253 Vx / Xe =Vy /Ye=K K为常数，是一个份分割因子，一般情况下， 数字电路中把一个数分割成 1/ 2n份，取 K= 1/ 2n 则 Vx =K Xe Vy =K Ye （1）一次叠加刀具移动的距离： X= Vx =K Xe Y= Vy = KYe （2） 刀具从原点走向终点的过程，可以看作是刀具沿各个坐标运动的合成，每经过一次叠加，X和Y方

17、向的运动增量分别为K Xe 和KYe ，经过M次累加后，X和Y分别都到达终点，即下式成立： K Xe =M K Xe = Xe K Ye =M K Ye = Ye 9/3/202254 比较上式等式的两边，MK=1 M=1/K 一般情况下 K= 1/ 2n M= 2n n是二进制数据寄存器的长度 例1 : 有一个线段长度为3，用二进制数表示为0011，分割因子=? 如何分割？分割后的数如何表达？9/3/202255 1.2数字积分插补的实现 在硬件的插补过程中，被积函数寄存器（存放程序段的原始信息）里的内容不断的与累加寄存器里的内容相加然后在存入到累加寄存器里，把累加寄存器的每一次进位当作进给

18、脉冲控制机床的运动。置初值Xe Ye累加次数M累加器清零累加运算X方向有溢出Y方向有溢出X方向进给Y方向进给累加次数M减1到终点吗结束9/3/202256举例:插补直线O(0,0),A(7,10) Jvx Jrx X Jvx Jrx Y JE 0111 0000 0 1010 0000 0 0000 0111 0 1010 0 0001 1110 0 0100 100100101 1 1110 0 00111100 0 1000 101000011 1 0010 10101 1010 01100 001100001 10110 101111000 0 0000 110001111 01010

19、010011110 10110 1 10100101 1 0000 110119/3/202257Jvx Jrx X Jvx Jrx Y JE0101 00001011 011110101100 01010 011000011 10100 11101 1010 01110 011100001 11000 111111000 00010 1 00009/3/2022582.圆弧插补计算原理 设刀具沿圆弧AB移动,v为刀具的切向速度，p(x,y)为动点坐标，如图则有下述关系。 Y/R=Vx/V V/R=VX/Y 类似的导出 V/R=VY/X V/R=VX/Y=VY/X=K VX= K Y VY =

20、K X V,R,K均为常数ABVyVxVP(X,Y)YXR9/3/202259在单位时间增量T内，X和Y的增量位移方程可表示为： X=VX T=KY T Y=VY T=KX T(任一单位时间T时段内X方向的位移X和当前点的Y坐标位置有关。X在不同时刻是一个变化的量。)9/3/2022603.圆弧插补数字积分器设计A. X,Y方向各需要一个积分器B. X积分器的组成:1个累加器X.1个存放动点坐标的寄存器JVX，该寄存器的内容随着动点的移动要不断的修改，寄存器的初值是圆弧的起点Y坐标值。C. X有进给脉冲产生的时候，同时修改JVY里面的内容。9/3/2022613.圆弧插补数字积分器结构框图XY

21、JVX(Y)JVY(X)XYt-+9/3/202262D. 终点判别:设两个减一计数器，初值存放两个方向的总步长，有进给输出，计数器的值减一，某一计数器的值为零，说明该坐标已到达终点，两个计数器全部为零插补结束。E. 当圆弧位于不同象限或者是不同走向的时候，修改进给脉冲的方向同时修改发向JVX和JVY的符号。9/3/2022633.改进DDA插补质量的措施1）进给速度均匀化措施 问题：寄存器长度为N,每一个程序段不论行程长短，都必须完成2的N次方的累加运算，从而使程序段间的走刀速度产生差别，影响效率和表面质量。 改进的方法：左移规格化，即使JVX和JVY的内容同时左移，并使其中数值大的最高位为

22、1。 Jvx 000011 000110 011000 Jvy 000101 001010 101000 JE 000000 100000 1110009/3/2022642）提高插补精度的措施 提高插补精度的有效措施就是给累加器置一个不是0的初值。比如10000000 不加载 半加载 X 00000000 10000000 Y 00000000 10000000A(15,1)XYO9/3/202265作业：用积分法插补顺园（1象限）,起点A(3,4),终点B（5，0）设置寄存器长度，计算插补过程并绘出插补轨迹。9/3/202266四.时间分割法插补原理时间分割法又称作粗、精插补法，整个插补工

23、作分两步进行先粗插步后精插补，该方法的特点是插补精度高、运算速度快。一般用在直流或交流伺服系统的数控机床上。 粗插补是根据给定的进给速度F(mm/min)计算tms内的合成进给量f,然后在计算各轴的进给量X ， Y。9/3/2022671.直线插补 YXfP(xe,ye)YXO9/3/2022682.圆弧插补原理 ：一段段等长的弦去逼近实际的圆弧，插补计算就是计算一段弦对应的X， Y 。弦的长度等于合成进给量f。 = i+ /2COS =COS(i+ /2)=(Yi- Y i/2)/(R-p)P=R-om，f值小时可忽略。9/3/202269mABXiYiYmYi+1XiXmXi+1iO9/3

24、/2022703.三坐标联动直线插补原理空间直线的插补是先计算合成进给速度f,然后计算各轴的分量。tg =Ze/Yetg =OPyz/XeOPyz = Ye/ cos X=fcos Y/ X = Ye/ XeY= X* Ye/ XeZ=X* Ze/ XeP(X,Y,Z)PYZXeZeYe9/3/202271练习：2-1.逐点比较法插补计算分几个步骤进行，各步骤内容是什么？2-2.逐点比较法直线插补计算的偏差函数Fi+1 j和Fi j+1如何计算？2-3.已知直线的起点坐标为o(0,0),终点坐标为A(-5,4)，完成插补计算（用逐点比较法），并画出刀具运动轨迹图。2-4.推导逐点比较法圆弧插补

25、计算的偏差函数Fi j , Fi+1 j和Fi j+1 ，已知圆弧位于一象限，圆心在坐标系圆点，逆圆插补，起点X0=3,Y0=2,求F00和F11 。2-5.已知直线的起点坐标为o(0,0),终点坐标为A(6,3)，完成插补计算（用数字积分法），并画出刀具运动轨迹图。2-6.画数字积分法圆弧插补的硬件框图，并解释插补工作过程。2-7.已知一圆弧OA, O(0,5),A(0,5) 用时间分割插补法进行粗插补，插补周期为8ms,刀具移动速度为F6000mm/min.计算每次插补的Xi ,Yi 。并用图示标示每个插补周期的坐标。 2-8设有一段直线，已知起点和终点坐标为A(X0,Y0)和B(Xe,Y

26、e)，试建立插补计算模型，画出插补计算的流程框图。2-9写出-Y坐标方向的脉冲分配逻辑表达式。9/3/202272第三章 刀具半径补偿原理和计算一. 刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的工作就是根据编程轨迹，自动计算刀具中心轨迹。XYO编程轨迹刀具中心轨迹1）刀补矢量、刀补平面2）程序段的转接 直线 直线， 直线 圆弧 ， 圆弧 圆弧刀具中心轨迹工件刀具9/3/2022731、刀补矢量的建立含有G41或G42的程序段是刀补建立程序段9/3/2022742.刀补状态下的加工3刀补状态的取消（含有G40的程序段）G41G40起刀点abcdefgho9/3/202275二.刀具半径补偿计算1.刀补建

27、立:刀具运动过程中逐步建立起刀补矢量。方向：大小：X=X+ X Y=Y+ YX=X+ rDsin Y=Y-rDcos YXOA(X,Y)A(X,Y)XY9/3/202276YXOA(X,Y)A(X,Y)XY2.刀补状态方向：直线：方向保持不变，圆弧：方向不断变化大小：X=X+ X Y=Y+ YX=X+ rDsin Y=Y-rDcos 9/3/202277三. 直线过渡转接分析与计算1.缩短型转接AB,AD是刀具半径矢量，OA,AF是编程轨迹JB,DK是刀具中心 轨迹，相交于C点。刀具沿JCK运动是不出现过切的基本条件。因此刀补计算就是根据A点的坐标和刀补矢量计算C点的坐标值。 CxyoBDAC

28、JKGFYX9/3/202278CBCBYXXYO1EA2CB=rDtg (2-2)/2 AC=AB+BCCC=BB-BE9/3/2022792.伸长型转接OA对应的刀具中心轨迹时JB, AF对应的刀具中心轨迹时DK, 保证刀具不产生过切是沿着JB和DK的延长线运动，转折点是它们的交点C。yxADBFOCEC1B121JK9/3/202280 编程轨迹OA、AF, O,A,F点的坐标是已知的，角度1，2也是已知的。刀补转接计算就是求C点的坐标值。yxADBFOCEC1B121JK9/3/202281具体计算如下：ACX=AC1=AB1+B1C1AB1=rD sin 1B1C1=BCcos1BA

29、D= 2- 1BAC=(2- 1)/2BC= rD tg BAC= rD tg【 (2- 1)/2 】B1C1= rD tg【 (2- 1)/2 】. Cos1ACX=rD sin 1+rD tg【 (2- 1)/2 】. Cos1 yxADBFOCEC1B121JK9/3/2022829/3/2022833.插入型转接按伸长型转接，刀具的中心轨迹应为JSK,直观上我们看到刀具的空行程很长，降低了加工效率，事实上，只要保证刀具不过切就可以。因此刀具的中心轨为JC D K。刀补转接计算就是计算C和D的坐标，C点的计算条件是：BC= rDAC =AB- BCCC=BB+ECxyocDBDAK1YX

30、JCBES9/3/202284四.转接类型的确定转接类型根据两直线之间的夹角（sin,cos )确定，一般可分为八种情况: （左补偿G41）（1，1）（1，0）（0，0）（0，1）9/3/202285（右补偿G42状态）（1，1）（1，0）（0，0）（0，1）9/3/202286进口计算 sin cos 是G42sin 变反sin 0缩短型计算cos 0是G42插入型1计算插入型2计算伸长型计算出口YY9/3/202287五.数控系统内部刀补计算的工作流程读入程序段1做刀补计算 （BS) (CS) (AS) (OS)读入程序段2做刀补计算 (BS)程序段1做转接计算(CS) (AS) (OS)

31、读入程序段3做刀补计算(BS)程序段2做转接计算(CS)程序段1进行插补(AS)(OS)读入程序段4做刀补计算(BS)程序段3做转接计算(CS)程序段2进行插补(AS)程序段1插补输出(OS)9/3/202288六、车床刀尖圆角的补偿计算分析1、对刀过程刀尖圆角半径理想刀尖位置对刀的过程可以看作是确定理想刀尖在工件坐标系中的位置的过程9/3/2022892.外圆车刀加工端面、圆柱面和圆锥面的情况刀尖圆角引起的误差9/3/202290练习：3-1.刀补矢量和刀补平面是如何定义的。3-2.如何定义左补偿和右补偿，代码分别是什么？3-3.直线和直线之间有几种转接方式？3-4.刀补矢量建立程序段和刀补

32、状态下加工的程序段有什么不同？3-5.分析缩短型转接条件并导出计算公式。3-6.分析伸长型转接条件并导出计算公式。3-7.分析插入型转接条件并导出计算公式。3-8.转接类型的判断条件是什么？9/3/202291第四章 数控装置软硬件 功能及结构一、 概述 数控装置的硬件组成通常有以下几个部分：1）计算机部分：CPU、总线、存储器、外围逻辑电路等2）电源部分：电源为CNC装置提供一定的逻辑电压、模拟电压和开关量控制电压，电源要能够抵抗较强的浪涌电压(电路在雷击或接通、断开电感负载或切投大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压称为浪涌电压，是1种瞬变干扰，例如直流6V继电器线圈断开时会

33、出现300V600V的浪涌电压)干扰。3）面板接口和显示电路：机床的操作面板，数码显示和CRT显示通过面板接口和计算机部分发生联系4）输入/输出接口：连接计算机和外部设备，5）内装型PLC：现代数控系统多采用内装PLC,利用PLC的逻辑运算功能实现各种开关量的控制。9/3/2022926）伺服输出和位置反馈接口这部分硬件和cpu一起组成cnc系统位置控制的硬件支持，位置控制的某些重要性能取决于这部分硬件，伺服输出接口把CPU运算所产生的控制策略经转换后输出给伺服驱动系统。它一般由输出寄存器和D/A器件组成。位置反馈接口采样位置反馈信号，它一般由鉴相、倍频电路、计数电路等组成。7）主轴控制接口：

34、连接CPU和主轴放大器8）数控系统软件包含：a）输入数据处理程序b）插补运算程序c）速度控制程序d）管理程序e）诊断程序9/3/2022939)CNC系统软硬、件界面软硬件在逻辑上是等价的，其分工由性/价比决定。输入插补准备插补位控速控电机测量软件软件软件硬件硬件硬件硬件硬件硬件程序9/3/202294二、 数控装置的单cpu和多cpu的硬件结构1.单CPU或主从结构 CPUEPROMRAM键盘接口键盘CRT接口CRT显示器数据输入接口数据输出接口机床强电柜位置控制单元接口速度控制单元电机速度检测单元位置检测单元9/3/202295a.CNC装置内仅有一个微处理器CPUb.CPU是通过总线和存

35、储器、各种的接口相连接c.系统的工作方式是分时进行的d.结构简单，实现容易e.系统的工作速度取决于CPU的运算速度 早期的CNC系统和目前市场上的经济型CNC系统多采用单微结构9/3/2022962、多CPU结构 共享总线结构并联数据总线DBCNC管理模块（CPU）I/O设备零件程序存储器辅助功能PLCCNC插补模块（CPU）位置控制模块（CPU）其他功能如测量等PLC过程外围控制如电位匹配、执行机构、放大器、测试元件及接口等9/3/202297a.系统有多个带CPU的主模块和若干个不带CPU的从模块组成。b.每个主模块独立完成一个特定的子任务c.子系统之间有集中的操作系统（紧耦合），各子系统

36、分时占用系统总线或系统有多重操作系统（松耦合），可以有效的实施并行处理。e.多CPU系统计算速度快，适应多轴控制、高精度、高进给速度的数控加工要求。d.系统的扩展性好f.功能模块容易做成通用模块，便于规模化生产。h.目前市场上的系统多采用此种结构9/3/2022983、多CPU结构-共享存储器结构共享存储器插补(CPU2)轴控制（CPU3)CRT(CPU4)I/O控制（CPU1)来自机床的控制信号输出到机床的控制信号9/3/202299a.在同一时刻只能由一个CPU对端口存储器进行读写。b.系统扩展比较困难c.目前采用比较少9/3/2022100三、典型数控装置的硬件结构和工作原理 1.开放式

37、数控装置 1.1概述 开放式数控装置硬件由通用工控机加相应的接口板组成，接口板和伺服单元的形式有关，常用的伺服单元形式有数字式交流伺服系统、模拟式交流伺服系统以及和步进电机相配的伺服系统。9/3/2022101CPU内存外存CRTCRT接口NC键盘COM2COM1网卡伺服单元1伺服单元2伺服单元3伺服单元4 四串口板输入板输出板多功能板主轴手摇脉冲发生器主轴编码器伺服电机1伺服电机2伺服电机3伺服电机4位置检测编码器数字式交流伺服系统9/3/2022102CPU内存外存CRTCRT接口NC键盘COM2COM1网卡伺服单元1伺服单元2伺服单元3 位置环板输入板输出板多功能板主轴手摇脉冲发生器主轴

38、编码器伺服电机1伺服电机2伺服电机3位置检测编码器模拟式交流伺服系统9/3/2022103 CPU内存外存CRTCRT接口NC键盘COM2COM1网卡输入板输出板手摇脉冲发生器主轴编码器 打印机接口 多 功 能 N C 接 口 板 步进电机驱动单元1步进电机1步进电机伺服单元9/3/20221041.2硬件板卡介绍1.2.1 串口板MOXA CP-134 Universal PCI，串行通讯接口板，实现CPU到外部设备的串行通讯，CP-134U 提供4个独立的RS-422/485口，可提供长距离的可靠传输，适合工业环境。每个通道可以设定不同通讯格式。9/3/2022105 1.2.2HC410

39、2开关量输入板 1) 作用：CPU通过此板采集外部的开关量状态。 2) 信号连接： 3) 主要技术指标： a.48路信号输入 b.采用PC总线标准设计， c.占用两个连续的I/O地址，一个对应通道号发生器，另一个对 应数据驱动缓冲器， d.采用光电隔离技术，免除因公共地线带来的各种干扰。 e. 电压输入方式，输入电压低于10伏，对应逻辑0，输入电压10 24伏，对应逻辑1 f.板卡自带双级滤波器，可直接和开关、按钮相连9/3/2022106PCBUS数据驱动器通道号发生器板和通道选择器二级滤波电路光电隔离电路一级滤波电路+24VCOM1+24VCOM20通道寄存器1通道2通道3通道4通道5通道

40、MOV DX 100H 指定地址（通道号发生器）MOV AL 05H 指定通道号OUT DX AL 输出通道号INC DX 指定地址（数据）IN AL DX 读回输入状态信息1.2.2HC4102开关量输入板9/3/2022107+5V+24V输入点124VGND5VGND74LS2459/3/2022108 1.2.3HC4203开关量输出板1) 作用：CPU输出开关量信号以控制外部设备节通或断开。2) 信号连接：3) 主要技术指标：a.开关量输出电路与主控系统光电隔离，最高隔离电压 AC2500V(1分钟）。b.具有6个字节的输出通道，可控制48路开关量。c.电流输出，最大输出电流DC30

41、0MA,最高负载电压DC30V.d.外部可通过一个或两个DC24V电源供电。9/3/2022109PCBUS数据驱动器通道号发生器板和通道选择器光电隔离电路功率放大电路+24VCOM1+24VCOM20通道寄存器1通道2通道3通道4通道5通道1.2.3HC4203开关量输出板复位MOV DX 108H 指定地址（通道号发生器）MOV AL 05H 指定通道号OUT DX AL 输出通道号INC DX 指定地址（数据MOV AI 00H 赋值状态信息OUT DX AL 输出状态信息9/3/202211024V5VD Q锁存光隔放大输出点D9/3/20221111.2.4 HC4303多功能板1)

42、 功能：实现两路脉冲信号的计数和一路模拟电压信号的输出。2) 信号连接3) 主要技术指标a.PC总线设计b.一路12位模拟量输出（D/A转换器）可用于主轴单元速度指令，输出电压范围09Vc.一个16位脉冲可逆计数器，可用于连接主轴编码盘d.一个8位脉冲可逆计数器，可用于连接手摇脉冲发生器9/3/2022112PCBUS数据驱动缓冲器地址总线驱动缓冲器控制信号驱动缓冲器译码控制逻辑时钟基准8位可逆计数器16位可逆计数器12位D/A电压基准源鉴相倍频电路光电隔离电路主轴单元的速度指令手摇脉冲发生器主轴编码盘1.2.4 HC4303多功能板9/3/2022113作业：手摇脉冲发生器的数字式鉴相、单倍

43、频电路原理框图和手摇脉冲发生器正转时的波形图如下所示：简述原理并画出手摇脉冲发生器反转时的波形图。DDDDQQQQQ-Q-Q-Q-CLKCLKCLKCLKABCPQPQNABB-CPA1A2QPQNA1A29/3/20221141.2.5 HC4403位置环板1) 作用：可实现3路数字量的采集和3路模拟量的输出。2) 信号连接：3) 技术指标：a.3个16位脉冲可逆计数器b.3路12位模拟量输出，并各扩充一位符号位，电压输出范围-10V+10V.c.3轴掉相判断电路d.上电计数清零9/3/2022115PCBUS数据驱动缓冲器地址总线驱动缓冲器控制信号驱动缓冲器译码控制逻辑时钟基准#1轴计数器

44、#2轴计数器D/A符号寄存器电压基准源掉相判断电路光电隔离电路#3轴计数器DAC1210 #1DAC1210 #2DAC1210 #3电流/电压转换追加电压极性编码器1.2.5 HC4403位置环板9/3/2022116A+A-码盘断线检测原理图读取各轴码盘掉相状态信号MOV DX, 306HIN AL, DXAL中的数据D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D00 0 0 0 0 X Y Z9/3/2022117读各轴计数值MOV DX, 300H(或302H或304H)IN AL, DX 读低8位计数值INC DXIN AH, DX 读高8位计数值电压极性选择控制信号（电压极性寄存器）

45、MOV DX, 308H(或309H或30AH)MOV AL,01HOUT DX, AL极性选择参数定义如下D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0X X X X X X X SX为无关数据，S为极性选择位，S=1 表示输出为正极性电压9/3/2022118输出电压控制信号#1轴D/A输出口地址：D11D4-300H, D3D0-301H#2轴D/A输出口地址：D11D4-302H, D3D0-303H#3轴D/A输出口地址：D11D4-304H, D3D0-305H例如：对#2轴输出电压+5V 5/10*FFFH=7FFHMOV DX, 302HMOV AL,FFHOUT DX, AL

46、INC DXMOV AL F0HOUT DX, ALMOV AL, 01HOUT DX AL 9/3/20221199/3/2022120练习：4-1简述HC4203版的工作原理，并举一个小例子进行说明.4-2简述计数器、D/A转换电路的工作原理。4-3手摇脉冲发生器的数字式鉴相、单倍频电路原理框图和手摇脉冲发生器正转时的波形图如下所示：简述原理并画出手摇脉冲发生器反转时的波形图。9/3/20221211.3.1 GE系列经济型连续轨迹运动控制卡1.3其它常用板卡9/3/2022122技术特点:可控制23个伺服/步进轴，实现两三轴联动的连续轨迹插补运动 伺服采样周期为200微秒，用于管理速度规

47、划，不影响插补精度 运动方式：直线插补、圆弧插补、手脉输入跟随（可指定任意轴跟随手脉速度和位置变化） 插补速度可稳定工作在256KHz 圆弧插补的径向误差在0.5pulse之内 可编程禁止或使能对轴驱动报警信号和限位信号的监测 底层循环程序缓冲区（8K）存储用户运动信息，提高通讯效率 用户可编程坐标偏移，便于缓冲区运动方式下坐标的重新建立 可设置跟随误差极限、控制输出极限等，保证运动安全可靠 PID（比例-积分-微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器（GE-X00-SV） 多段预处理功能，合理协调轨迹运动的速度和精度，实现良好的连续轨迹插补运动 可设置起跳速度和

48、最大速度，保证运动安全高效地进行 运动过程中可根据需要修改速度倍率调整目标速度 硬件捕获原点开关和编码器Index信号，实现高精度高速位置锁存，具有良好的重复定位精度 9/3/2022123控制输入输出:2-3路16位分辨率模拟电压输出信号（GE-X00-SV） 2-3路脉冲输出信号，频率：256KHz 可自由组合模拟电压输出或脉冲输出（GE-X00-SV） 光电隔离2-3路驱动器使能信号和2-3路驱动器复位信号输出 3-4路编码器输入（2-3路轴编码器、1路辅助编码器），采样频率：4MHz通用输入输出:8路通用模拟输入，12位AD转换，输入范围10V（可选件） 光电隔离的16路通用数字输入和

49、16路通用数字输出专用数字量输入/输出:光电隔离专用输入：每轴2路限位开关信号、1路原点信号及1路驱动器报警信号输入 光电隔离专用输出：每轴1路驱动器使能信号、1路驱动器复位信号 1路探针输入，可同时锁存2-3轴编码器位置和辅助编码器位置（占用1路通用数字输入信号）9/3/2022124其他:接口形式 适合标准ISA，PC104和PCI总线 GE连续轨迹运动控制器PC机 GE连续轨迹运动控制器嵌入式平台 通过标准网络接口实现stand-alone (可选) 系统软件 雕刻机演示软件 Windows 环境下DEMO软件 Windows 98/2000/NT/XP设备驱动程序以及扩展动态链接库 D

50、OS环境下C/C+函数库以及示例程序 电源要求 +5V，Icc=2A; 内部电源，由PC机提供 12V，Icc=60mA; 内部电源，由PC机提供 +24V或+12V，Icc=2A, 外部电源，由用户提供 9/3/2022125环境要求 工作温度：060C 相对湿度：590%无凝结 尺寸 122mm185mm 基本配件 GT-400-ACC1 转接板 GT-400-ACC2 接口端子板 GT-400-ACC3 62-pin屏蔽电缆（2） GT-400-ACC4 60-pin扁平电缆 9/3/2022126 1.3.2 GE-800-PV点位运动控制卡9/3/2022127点位运动控制器，它主要

51、应用在高速高精度点位运动场合，具有良好的位置速度规划曲线，可实现高速运行和快速准确定位，在PCB钻铣床、表贴机、邦定机等点位控制设备上有良好的应用。技术特点:每块卡可控制8个伺服/步进轴，同时进行18轴点位运动控制 模拟量输出模式下，可编程伺服采样周期，最小可调整为200微秒，最大可调整为2毫秒（默认伺服周期为400微秒）；若任何一个轴为脉冲输出模式，伺服周期固定为400微秒 9/3/2022128运动方式：单轴点位运动、速度控制 可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数 所有计算参数和轨迹规划参数均为32位 可编程禁止或使能驱动报警信号和限位信号监测 限位触发时自动急停触发轴的运

52、动，驱动报警触发时关闭轴伺服使能 可设置跟随误差极限、控制输出极限等，保证控制安全可靠 PID（比例-积分-微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器 可编程设置Home信号的触发沿，硬件捕获Home信号和编码器Index信号，实现高精度机器原点位置锁存,具有良好的重复定位精度 网络接口（以太网、Profibus-DP、RS232、RS422/485）(选件)9/3/2022129控制输入输出:8路16位分辨率模拟电压输出信号或脉冲输出信号，可自由组合 8路四倍频增量编码器输入，作为各轴反馈信号输入 编码器采样频率可达8MHz 脉冲发生频率可达1MHz通用模拟输入（

53、可选件）:8路模拟输入，12位A/D转换，输入范围10V，采样周期为250微秒通用数字量输入/输出:光电隔离的16路通用数字输入和16路通用数字输出9/3/2022130 1.3.3 GM-400运动控制卡9/3/2022131GM400是一块高性能、使用简单的通用型4轴运动控制器，是以IBMPC/XT/AT或兼容机作为主机的ISA总线应用插板，可以同时控制四台伺服马达。 GM400的核心是两片专用运动控制芯片，该芯片负责处理4个轴的运动控制所需的大量计算任务。 GM400运动控制器设计紧凑，功能强大，特别是用于普通机床、包装机械和工厂自动化的PC化控制。9/3/2022132控制功能:提供四

54、路模拟电压（+/-10V）控制信号 提供四路PWM控制信号（适用于有PWM控制信号接口的伺服电机驱动器） 提供四路增量式光电编码器反馈信号接口 增量码盘计数器频率可达1HMz 四轴位置、速度、加速度控制 可编程数字PI+VFF滤波 可编程数字PID滤波 单轴最小伺服采样周期为100微秒 32位长度的位置寄存器 硬件检测INDEX信号、HOME信号 可编程S-曲线、梯形曲线、速度跟踪和电子齿轮运动控制方式 点到点位置控制9/3/2022133输入/输出接口:8路光电隔离限位开关信号输入接口 4路光电隔离原点信号输入接口 16路光电隔离输入可作为伺服驱动器故障输入接口，也可作为由用户定义的其他输入

55、信号接口 16路光电隔离输出信号可用于伺服驱动器的使能和故障复位控制，也可作为由用户定义的其他输出信号接口总线接口:标准的ISA/PC104总线接口系统软件:Windows 3.1/95/98/NT设备驱动器 DOS环境下C/C+函数库 示教和调试软件9/3/20221342.FANUC 0i系统的硬件组成存储器卡槽存储器备用电池显示状态/报警的LED主板I/OLINK插座串行主轴或位置编码器插座串行主轴或模拟主轴插座 伺服放大器插座分离式检测器I/F插座分离式ABS脉冲编码器电池插槽I/O板I/O设备I/F插座保险电源指示灯机床I/F插座电源插座显示器插座MDI插座手摇脉冲发生器插座机床I/

56、F插座高速串行总线微型插槽2.1硬件概要9/3/20221352.2综合连接图主板IOLINK(JD1AA-OUT(JA8A)SPDL-(JA7A)SERVO1(JS1A)SERVO2(JS2A)SERVO3(JS3A)SERVO4(JS4A)SCALE1(JF21)SCALE2(JF22)SCALE31(JF23)SCALE4(JF24)SC-ABS(JF25)用I/OLINK可连接的单元9/3/2022136练习：4-1简述数控装置的主要组成部分。4-2简述HC4203开关量输入板和开关量输出板的工作原理。4-3将一个按钮开关连接到开关量输入板，将一个信号灯连接到开关量输出板，按下开关信号

57、灯亮，再按下开关信号灯灭，画图并编写控制程序。4-4简述多功能板的功能。4-5简述位置环板的功能。4-6简述数字式鉴相、单倍频手摇脉冲发生器的电路原理，并画出手摇脉冲发生器反转时的波形图。4-74-89/3/2022137四、CNC系统软件结构及控制本节知识要点1.什么是CNC系统的多任务性2.并行处理的概念、并行处理的模型3.什么叫实时中断处理，CNC常用中断类型4.译码的作用是什么，工作流程。5.预计算处理哪些内容6.输出模块完成的主要功能7.FANUC 7M系统的程序结构特点8.中断源有哪些类型9.初始化程序完成的工作有哪些10.设置口状态字的作用是什么11.简述4号口和7号口状态字的设

58、置12.NC键盘的监控处理方法是什么9/3/20221381.概述早期的数控装置完全是由硬件组成的，称作NC系统，CNC系统的控制功能是由软、硬件共同完成的，理论上硬件和软件在逻辑上是等价的，软件具有成本低，功能更丰富，扩展性更强，但是硬件具有处理速度快的最大优势，实际中使用的系统大都采用软硬件结合的方式，大至有三种类型：1.插补计算完全由硬件线路完成2.软件插补器完成粗插补，硬件插补器完成精插补3.插补工作完全由软件完成9/3/20221392. CNC系统的工作特点2.1多任务并行处理（1）CNC系统的多任务性CNC系统管理控制输入I/O处理显示诊断译码刀具补偿速度处理插补计算位置控制目前

59、的数控系统中有两种方法实现并行处理，一时采用多CPU，二是采用CPU资源分时共享。9/3/20221402.2实时中断处理 实时中断处理是CNC系统工作的另一个重要特征，因为数控加工有非常高的实时性要求。例如加工过程中刀具不能停顿，遇到异常情况要及时处理。数控系统中常用的中断类型如下：（1）外部中断 能够产生外部中断的有键盘、急停按钮、超程限位开关、复位按钮等。系统内部按着重要程度对中断源进行优先级排队。急停按钮优先级别最高。（2）内部定时中断 主要由插补周期定时中断和位置采样定时中断。（3）硬件故障中断 它是各种硬件故障监测装置发出的中断，例如存储器出错、伺服系统故障、检测元件故障等。（4）

60、程序性中断 它是程序出现的各种异常情况报警中断，如程序格式错误，坐标点书写错误等。9/3/2022141初始化显示I/O处理输入插补准备诊断插补位控键盘中断优先级从高到低2.3CNC系统软件模型结构特点1）循环和中断处理相结合9/3/20221422）资源重叠流水处理：把一个程序段的处理过程可以分为四个子过程，程序段输入、插补准备、插补计算和位置控制，记作： T1 、T2 、T3、 T4T1 T2 T3 T4T1 T2 T3 T49/3/2022143三.CNC系统的控制软件结构1.概述9/3/20221442.各功能模块的工作过程2.1输入模块 输入模块的工作就是将通过键盘、磁盘或其他方式输