计算机数控系统课件

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CNC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

2、)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

3、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 . 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

4、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： 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

5、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/min。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

6、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

7、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

8、 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.

9、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MMMMM、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

10、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

11、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/OCPU1C

12、RT（CPU4）共 享存储器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

13、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

14、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

15、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

16、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YNNNNYNYYY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

17、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 （2）进给速度控制VSVS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 + y22计算实

18、际坐标位置 X1新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y13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 位置控制位置控制计算VSVS+-插补输出X2Y2指令位置X2新Y2新位控输出X3Y3实际位置X1新Y1新反馈位置增量X1、Y1X2旧Y2旧X1旧Y1旧+ 第四节 PLC与数控机床的辅助功能一、PLC1PLC的基本组成和工作原理 硬件系统 软件系统接收现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

19、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 网络通信 3数控机床用PLC 数控机床PLC的控制对象CNC系统数 控 装 置可编程控制器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑.数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图CNC、PLC、

20、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

21、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/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

22、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 128点；中型：128点 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、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

23、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PLC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

24、高了CNC系统的可靠性。 内装型PLC NCPLCI/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

25、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 NCPLC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/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

26、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