机床数控技术(第4版) 课件 4

机床数控技术机械工业出版社

目录2数值模拟研究结果3安装工艺性验证试验大纲1项目要求及成果提交形式2数值模拟研究结果1项目要求及成果提交形式第3章

数控系统的加工控制原理第2章

零件加工程序的编制第1章

概述第6章

数控机床的伺服系统第5章

位置检测装置第4章

数控装置第1节概述

数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。

1数控装置的作用

数控装置的主要作用是，读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。第4章数控装置数控机床物理结构与逻辑结构比较进给电机位置检测第4章数控装置程序输入数据处理插补位控速控伺服电机测量2数控装置软件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ硬件软件图几种典型的软硬件界面的划分第4章数控装置软硬件任务的分配界面，随微电子和计算机技术的发展而不断演化。1952－1970，分立元件、电子管、印刷板、晶体管、中规模集成电路在NC系统得到应用，构成“硬连接”数控时代；1970‘s后，LSI(largescaleintegrate)大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的应用，使得可用软件实现机床的逻辑控制、运动控制，进入了“软连接”时代；输入插补准备插补准备插补输入速控位控位控插补电机测量软件硬件软件硬件软件硬件第1种第2种第3种第4章数控装置第2节

数控装置的硬件结构第4章数控装置单片机组成的数控装置单CPU数控装置多CPU数控装置基于PC机的数控装置

在一块半导体芯片上集成了CPU,存储器以及输入/输出接口电路，这样的芯片习惯上程为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer,SCM）单片机的典型结构如图：系统时钟ROMCPU定时计数器串行I/O并行I/ORAMRESETINT电源1由单片机组成的数控装置第4章数控装置单片机EPROMRAMI/O显示器键盘通用外部设备I/OI/O扩展A/D光电隔离光电隔离光电隔离D/A数字量检测模拟量检测开关量检测开关量控制伺服驱动控制数据存储器程序存储器基本系统I/O子系统外部设备单片机组成数控装置I/O子系统基本系统外部设备第4章数控装置图用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图图中74LS02为：双极TTL数字逻辑电路，四2输入或非门，Y=A+B2764为EPROM,可擦写只读存储器GND为信号地RST为复位，左面是复位电路DG1----DG6为LED显示器第4章数控装置图单微处理机数控装置的结构图CPU纸带机接口RS232接口CRT/MDI接口手摇轮接口ROMRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元主轴单元D/AD/AD/AD/A速度单元速度单元速度单元速度单元MMMMMST功能2单CPU数控装置第4章数控装置第4章数控装置第4章数控装置第4章数控装置

图数控装置的物理结构（FANUC-6MB）第4章数控装置3多CPU数控装置

共享总线式多CPU数控装置结构图第4章数控装置第4章数控装置图递阶式PC数控系统结构图第4章数控装置图PC＋I/O软件化数控系统结构图第4章数控装置4典型基于PC的和网络型数控产品上：SIEMENS802D左：数控凸轮磨床第4章数控装置

数控软件的主要任务是将零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的工件。第3节数控软件第4章数控装置1数控软件的任务及数据转换流程

（1）译码

译码就是把用ASCⅡ码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。

1）不按字符格式的存放方法

M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；高4位

低4位

说明

1

3

G03

2

3

M03

100

X值

50

Y值

0

Z值

0

I值

50

J值

0

K值

100

F值

第4章数控装置

2）保留字符格式的存放方法

StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//0：空，1：有数据

intblock_num；//程序段号

doubleCOORD[20]；//尺寸字的数值，单位为μmintF，S；//进给速度和主轴速度

charG_flag；//以标志形式存放的G指令

charG1；//G指令表

...charM_flag；//以标志形式存放的M指令

charM1；//M指令表

...charT；//刀具代号

charD；//刀具半径值

}；第4章数控装置（2）刀补刀补处理程序主要进行以下几项工作：

1）计算本段零件轮廓的终点坐标值；

2）根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；

3）根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。（3）速度预处理速度预处理程序主要完成以下几步计算：

1）计算本程序段总位移量

2）计算每个插补周期内的合成进给量

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F—

进给速度值（mm/min）；

Δt—

数控系统的插补周期（ms）。第4章数控装置

（4）插补处理

1）根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；

2）计算新的坐标位置；

3）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。

第4章数控装置指令位置+插补输出+Δx2，Δy2-

-位控输出Δx3，Δy3

+X2新，Y2新实际位置增量Δx1，Δy1

实际位置X1新，Y1新X2旧，Y2旧

X1旧，Y1旧

++

-（5）位置控制位置控制算法原理第4章数控装置1）

计算新的指令坐标位置

X2新=X2旧+Δx2; Y2新=Y2旧+Δy22）

计算实际坐标位置

X1新=X1旧+Δx1; Y1新=Y1旧+Δy13）

计算位置控制输出值

Δx3=X2新-

X1新; Δy3=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。第4章数控装置2数控软件的特点

（1）多任务与并行处理技术

1）数控装置的多任务性

数控装置管理控制输入I/O处理显示诊断通讯速度处理刀具补偿译码插补位置控制图数控装置的任务第4章数控装置图分时共享多任务处理方案优先级顺序显示其它译码I/O刀补位置控制插补运算背景程序背景程序初始化2）多任务并行处理的实现

i）资源分时共享第4章数控装置图各任务占用CPU时间示意图0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序第4章数控装置ii）

时间重叠流水处理

图时间重叠流水处理示意图12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8时间t1t2t3t4t5t6时间

a）顺序处理b）并行处理空间N3N2N1空间N2N1输出输出第4章数控装置（2）实时性与优先抢占调度机制

实时性任务是指任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统规定的时间内完成指定的任务，否则将导致执行结果错误或系统故障。1）实时性任务的分类2）优先抢占调度机制第4章数控装置3数控软件的基本结构（1）前后台型结构模式

前后台程序的运行关系故障处理；位置控制；插补运算；．．．译码；刀补；速度处理；输入/输出；显示。循环执行后台程序前台程序中断执行第4章数控装置（2）中断型结构模式中断型结构的数控软件系统见图。

中断型结构的数控软件系统

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N级中断服务程序第4章数控装置第4节

数控装置的输入/输出接口

数控机床“接口”指的是数控装置与机床及机床电气控制设备(由继电器、接触器组成的强电)之间的电气连接部分。NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO4336-1981(E)机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：

第4章数控装置1接口的分类第Ⅰ类是与驱动命令有关的连接电路；第Ⅱ类是数控系统与检测系统和测量传感路间的连接电路；第Ⅲ类是电源及保护电路：第Ⅳ类是通断信号和代码信号连接电路。第4章数控装置

主轴驱动电机数控装置

Ⅰ接口分Ⅱ类

Ⅲ

Ⅳ电机速度控制进给主轴驱动机床坐标轴进给电机操作面板

限位开关机电器件（电磁铁，离合器等）辅助功能（齿轮箱，转台，换刀装置等）辅助电机

机床控制设备控制装置电源控制（变压器，保护装置等）速度Vx，Vy，Vz电源位置测量传感器激励位置指示电源连锁停止命令开/关指令信号第4章数控装置2接口的任务1）

进行电平转换和功率放大。2）将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。强弱电隔离机床强电部分的干扰信号可能通过连线进入控制部分，引起的控制系统的误动作，通常使用光电隔离器、脉冲变压器或继电器，使数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。3）数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。4）抗衰减和畸变。第4章数控装置3常用的输入输出接口(1)直流模拟信号接口

a)单极性输出b)双极性输出图AD7520电压输出电路第4章数控装置+5V+5V2．2k2.2k1000.1u4．7u

100

a)斯密特触发电路b)R—S触发器整形电路图消除触点抖动的电路斯密特触发器第4章数控装置(2)以电压输入的接收电路:MT

电压

输入CNC电平转换电路接收器+5V图电压输入的接收电路第4章数控装置+24V+24V

输出

CNC

a)继电器输出b)无触点输出图输出接口电路CNCCNC第4章数控装置

第4章数控装置(3)数控装置的通信接口通讯接口可用于数控机床与上级计算机相连接，将CAD/CAM系统生成的数控代码直接送到数控机床中，还可以通过通讯接口将数控机床中的各种参数或加工程序送到计算机中保存起来，以便以后使用。RS-232C以位串行方式传输数据，最大传输率20Kbps,用150pF/m容量的多芯电缆，传输距离小于15m。两种连接器DB-25：PC和XT机采用DB-25型连接器。DB-25连接器定义了25根信号线。DB-9连接器：第4章数控装置第4章数控装置第4章数控装置输入文件名初始化8520输入文件名输入文件名字符？DC1？DC3？结束？

结束第4章数控装置第5节PLC控制

1PLC的基本概念(1)RLC与PLC

第4章数控装置

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/CRT

面板伺服驱动电机主轴驱动电机

辅助动作第4章数控装置图内装型PLC结构图(2)数控机床上的PLC

独立型PLC又称通用型PLC，由CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型PLC与数控装置的关系如图

图独立型PLC结构图

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面板伺服驱动电机主轴驱动电机

辅助动作DI/DO电路DI/DO电路DI/DO电路第4章数控装置2PLC编程的基本方法由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。

（1）接点梯形图梯形图（LC—LadderDiagram）编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图所示。

第4章数控装置

R1支路11.0AE梯级1

支路2120.11.2120.1支路31.1BE R2梯级21.2120.2

支路4120.2

图电机正反转控制的接点梯形图第4章数控装置（2）语句表语句表也称指令表（IL—InstructionList），或指令表语言。指令表语言和汇编语言很相似，每条语句包含有一个操作码部分和一个操作数部分。操作码表示功能类型，操作数表示操作的对象，操作数由地址码和参数组成。若采用指令语句，图4-27所示的梯形图程序可表达为：RDA1.0ORR1120.1AND，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，NOTE1.2WRTR2120.2第4章数控装置序号

指

令

处

理

内

容

1

RD

读出给定信号的状态

2

RD.NOT

读出给定信号的非状态

3

WRT

将运算结果写入指定的地址单元

4

WRT.NOT

将运算结果的非状态写入指定的地址单元

5

AND

执行逻辑与

6

AND.NOT

以指定的地址信号的非状态执行逻辑与

7

OR

执行逻辑或

8

OR.NOT

以指定的地址信号的非状态执行逻辑或

9

RD.STK

ST0内容左移,并将指定地址信号写入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0内容左移,并将指定地址的非信号信号写入ST0

11

AND.STK

将ST0和ST1的内容相与,结果存于ST0

12

OR.STK

将ST0和ST1的内容相或,结果存于ST0

第4章数控装置3PLC的工作过程（1）PLC的硬件结构图PLC硬件原理图CPURAMEPROM用户程序EPROM系统程序

编程器

电源输入输出模块功能开关和指示器

电池第4章数控装置

（2）PLC的工作过程PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程。

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