常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

數(shù)控機床

故障診斷與維修機械工程與自動化學院機械工程系馬維金2021.9第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

2.1概述2.1.1國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品隨著計算機技術及電子技術的迅速開展，機械加工行業(yè)中數(shù)控機床的應用已相當普及。機床上常用的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC公司的0M、15M、16M、18M，MITSUBISHI公司生產(chǎn)的M50、M300、M520，SIEMENS公司生產(chǎn)的3、8、810、820、850、840等。2第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

3第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理國內(nèi)生產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的主要廠家有：珠峰數(shù)控公司的CME988〔中華Ⅰ型〕系列，北京航天數(shù)控集團的CASNUC911MC〔航天Ⅰ型〕，華中科技大學的HNCI〔華中Ⅰ型〕及中科院沈陽計算所的LT8520/30〔蘭天Ⅰ型〕等。普及型數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品有：北京機床研究所的1060型CNC系統(tǒng)；無錫雷特數(shù)控公司的8MC/8TCCNC系統(tǒng)；北京凱恩帝數(shù)控公司KND-500系列；北京航天數(shù)控集團那么最新推出了CASNUC-901，902系列等。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品有：南京大方股份的JWK系列。南京江南機床數(shù)控工程公司〔大地〕的JN系列，上海開通數(shù)控公司的KT-300系列等。4第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.1.2數(shù)控裝置的功能NC是NumericalControl〔數(shù)字控制〕的縮略語，在JIS中被定義為“在NC機床中，將工具對工件的位置用對應的數(shù)字信息進行指令控制。〞自從世界上第一臺數(shù)控機床在美國麻省理工學院問世以來，控制元件相繼由真空管、晶體管、集成電路，直至現(xiàn)在的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，進一步縮小了數(shù)控裝置的體積，降低了本錢，同時也提高了它的可靠性。此外，驅(qū)動電機也由電氣油壓式步進電機改為直流伺服電機，現(xiàn)在正在進一步向交流電機開展。5第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理數(shù)控裝置的功能是：能將記錄在專用紙帶上的加工程序〔數(shù)字信息〕讀出來，存儲和進行必要的運算，并能將位置信息和速度信息送至伺服放大器，控制伺服電機驅(qū)動機床上的刀具及工作臺協(xié)調(diào)地進行相對運動，加工出所需要的零件。6目前數(shù)控機床的控制可分為兩大局部：一局部是對坐標軸方向的進給進行位置伺服控制。另一局部是對數(shù)控機床加工過程的順序控制〔PLC控制〕。即對機床的主軸、刀具和各種開關信號進行控制〔如主軸的正、反轉、啟動和停止、刀具交換、工件夾緊和、工作臺交換以及切削液的開關和潤滑系統(tǒng)的起動等?！?第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理通常，數(shù)控裝置內(nèi)裝有PLC〔可編程序邏輯控制器〕。PLC具有控制機床與信號交換的能力。早期的PLC主要用于代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。8PLC處于CNC和MT之間，對NC和MT側的輸入、輸出信號進行處理，主要執(zhí)行M、S、T功能。M：輔助功能。如主軸的正、反轉和停止、主軸齒輪箱的換檔變速、切削液的開關、卡盤的夾緊、松開等。S：主軸轉速控制。T：刀具功能。表示要求的刀具號和刀具補償號?？梢怨芾淼稁?、自動更換刀具，包括選刀方式、刀具累計使用的次數(shù)、刀具的剩余壽命和刀具刃磨次數(shù)等。9第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.1.3數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)以微型計算機〔CPU、存儲器等〕為核心，由決定位置的機構〔伺服機構〕，人機對話裝置〔按壓按鈕鍵盤，顯示裝置等〕，可編程序邏輯控制器〔PLC〕以及動力控制裝置等構成。如圖2-1所示說明了數(shù)控系統(tǒng)的組成。10第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理11第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理12在單微處理機結構中，只有一個微處理機，實行集中控制，并分時處理數(shù)控的各個任務。在多微處理機組成的CNC裝置中，可以根據(jù)具體情況合理劃分其功能模塊，一般來說，根本由CNC管理模塊、CNC插補模塊、位置控制模塊、PC模塊、操作和控制數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊、存儲器模塊這6種功能模塊組成，假設需要擴充功能，再增加相應的模塊。這些模塊之間互連與通信是在機柜內(nèi)耦合，典型的有共享總線和共享存儲器兩類結構。第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理13第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理14第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理15第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理16第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1伺服集成模塊的位置決定方式伺服集成模塊由機械系統(tǒng)〔工作臺、滾珠絲杠等〕，驅(qū)動用的電機〔直流電機，交流電機〕，傳感檢測器〔回轉角檢測器〕等構成。伺服系統(tǒng)的典型結構為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。位置調(diào)節(jié)器的輸出是速度調(diào)節(jié)器的輸入；速度調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出直接控制功率驅(qū)動器PWM。17〔1〕開環(huán)控制數(shù)控機床減速器數(shù)控裝置控制電路工作臺輸入開環(huán)控制系統(tǒng)框圖步進電機18數(shù)控裝置控制電路伺服電機工作臺輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖位置檢測元件速度檢測元件速度反饋位置反饋19數(shù)控裝置控制電路伺服電機工作臺輸入半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖速度檢測元件速度反饋位置反饋轉角檢測元件20第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕閉環(huán)控制方式將被控對象的位置反響量與控制量〔指令值〕進行比較，用差值進行控制，直到差值等于零為止。2〕半閉環(huán)控制方式根據(jù)驅(qū)動用電機的回轉角進行位置反響。3〕開環(huán)控制方式使用步進電機驅(qū)開工作臺的移動，并且無位置反響。21第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理數(shù)控機床多采用價格廉價、位置精度較好的半閉環(huán)控制方式。在需要高精度的加工時，通常采用全閉環(huán)控制方式。22第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2定位原點數(shù)控機床是以機床原點為基準來確定動作坐標系的。機床原點是由機床生產(chǎn)廠在機床上設定的一個固定點。因為機床原點在電源切斷的情況下，原點位置的記憶會消失。所以，在電源接通時，必須找出機床原點〔即進行回機床參考點的操作〕。23第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理根據(jù)位置檢測器輸出的Z相脈沖與工作臺近旁位置的限位開關〔原點LS〕并用，找出機床原點。24第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3可編程序控制器為了使數(shù)控裝置具有很好的通用性，將數(shù)控通用的輸入輸出〔I/O〕不直接與機械系統(tǒng)程序控制的強電信號直接進行信號交換，一般采用PLC交換信號，進行用戶聯(lián)鎖等等，以便進行各種機械系統(tǒng)的控制。25第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4自診斷功能自診斷功能是在NC內(nèi)部發(fā)生異常信號和來自限位開關等的信號不正常時發(fā)出警告，或者發(fā)出對應此異常信號的報警信息。報警信息通過指示燈或CRT等裝置進行輸出以通知用戶。其故障顯示的內(nèi)容是多種多樣的，可有如下幾個方面：⑴由于程序操作錯誤方面；⑵由于各軸動作超限方面；⑶由于伺服系統(tǒng)異常〔軸的超負荷、位置異常等〕；⑷有關CPU方面。26第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

2.2常見數(shù)控系統(tǒng)介紹2.2.1FANUC數(shù)控系統(tǒng)介紹FANUC公司創(chuàng)立于1956年。它的CNC系統(tǒng)產(chǎn)量占世界CNC系統(tǒng)之半，已經(jīng)開發(fā)出40種左右的系列品種。1959年推出電液步進電機。1976年研制成功數(shù)控系統(tǒng)5，后與SIEMENS公司推出數(shù)控系統(tǒng)7。該公司目前生產(chǎn)的CNC裝置有F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18系列。F00/F100/110/120/150系列是在F0/10/11/12/15的根底上加了MMC〔ManMachineController〕功能，即CNC、PMC、MMC三位一體的CNC。27第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品特點如下：〔1〕結構上長期采用大板結構，但在新的產(chǎn)品中已采用模塊化結構?！?〕采用專用大規(guī)模集成電路〔LSI〕，以提高集成度，可靠性，減小體積和降低本錢。〔3〕產(chǎn)品應用范圍廣。每一CNC裝置上可配多種控制軟件，適用于多種機床。〔4〕不斷采用新工藝、新技術。如外表安裝技術〔SMT〕、多層印刷電路板、光導纖維電纜等。(5)CNC裝置體積減小，采用面板裝配式、內(nèi)裝式PMC〔可編程控制機床控制器〕。(6)FANUC公司在插補、加減速、補償、自動編程、圖形顯示、通信、控制和診斷等方面不斷增加新的功能28第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理〔7〕CNC裝置面向用戶開放的功能。以用戶特訂宏程序、MMC等功能來實現(xiàn)?！?〕支持多種語言顯示。如日、英、德、漢、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麥語等。〔9〕備有多種外設?！?0〕已推出MAP〔制造自動化協(xié)議〕接口，使CNC通過MAP接口實現(xiàn)與上一級計算機通信。〔11〕現(xiàn)已形成多種版本。29第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1．FANUC系統(tǒng)0系列F0系列是結構緊湊可組成面板裝配式的CNC裝置，易于組成機電一體化系統(tǒng)。F0Mate是F0系列的派生產(chǎn)品，與F0相比是結構更為緊湊的經(jīng)濟型CNC裝置。0MA為多微處理器CNC系統(tǒng)，主CPU和伺服CPU均為8086、圖形及面板操作也用CPU。結構上采用大板，控制線路采用專用LSI：BAC〔總線仲裁控制器〕、IOC〔I/O控制器〕及MB87103〔位置控制器〕。30第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理31第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理F0系列有多個品種，它適應于各種中、小型機床。F0—MA/MB/MEA/MC用于加工中心、鏜床和銑床F0—MF用于加工中心、鏜床及銑床的對話式CNC裝置F0—TA/TB/TEA/TC用于車床F0—TF用于車床的對話式CNC裝置F0—TTA/TTB/TTC用于一個主軸雙刀架或雙主軸雙刀架的4軸控制車床F0—GA/GB用于磨床F0—PB用于回轉頭壓力機32第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕主要構成由主板、PMC板、I/O板、圖形控制板和電源單元板組成。主板采用大板結構，其它為小板插在主板上面，組成F0系列控制局部。C系列為FANUC0系統(tǒng)中的最高檔產(chǎn)品。采用了SMT和專用LSI，體積減小到0A、0B的40%，CRT顯示厚度尺寸減小了三分之二。33第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴多微處理器結構圖形控制和操作面板控制等也采用CPU。控制線路上采用多種LSI、BAC〔BusArbitrationController總線仲裁控制器〕、IOC〔Input/OutputController控制器〕及MB87103〔位置控制器〕等。其中，BAC用于各CPU之間的總線仲裁。IOC用于輸入輸出信號的控制。MB87103用于位置控制。34第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑵PMC用CPU為8086。PMC的兩種規(guī)格為FANUCL、FANUCM。后者在功能上強于前者。⑶除具有串行接口RS232C外又增加了具有高速串行接口遠程緩沖器，以此實現(xiàn)DNC功能。35第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理36第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理37第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理38第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理39圖3-14FANUC0i系統(tǒng)的系統(tǒng)控制單元接口示意圖40第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2．FANUC系統(tǒng)10/11/12系列具有多種品種，用于各種機床，規(guī)格型號有：M型、T型、TT型及F型等。其中M型用于加工中心、銑床及鏜床；T型用于車床；TT型用于雙刀架車床；F用于具有對話功能的CNC裝置。1〕主要結構F10/F11系列仍是大板結構，其它印刷電路板為小板，一般是插在主板上。F12系列是底板式結構，所有的印刷電路板分別插在兩個底板上。41第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理控制系統(tǒng)中采用了一些LSI：BAC〔總線仲裁控制器〕用于各CPU之間總線裁決。SSU〔SystemSupportingUnit系統(tǒng)支持單元〕用于位置控制LSI的讀/寫控制、RS232C、RS422接口、高速DI/DO及一些定時控制。IOC〔輸入輸出控制器〕用I/O信號控制。OPC(OperatorPanelController操作面板控制)，用于串行接口、CRT接口及其它接口控制。MB87108用于位置控制，與F0系列相同。42第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點：⑴F10/11/12為多CPU系統(tǒng)，主CPU為68000，PMC用CPU為68000。⑵在圖形控制、對話式自動編程控制、軸控制等方面都有各自的CPU。⑶帶有內(nèi)裝PMC—I。用戶可編制各種專用軟件或在PMC側讀寫各種數(shù)據(jù)。⑷除通過根本機床接口BMI〔BasicMachineInterface〕連接PMC—I外，還備有FS3/FS8的兼容接口，給用戶在更換系統(tǒng)方面提供了方便。⑸使用新開發(fā)的專用LSI，4M大容量磁泡存儲器、混合電路I/O模塊、大容量I/O模塊、A/D和D/A模塊以及ATC〔自動刀具交換〕、APC〔自動托盤交換〕控制用定位模塊等，給用戶提供了很大的選擇范圍。⑹通過光電轉換電路〔O/E〕與操作面板和I/O單元之間用光導纖維電纜連接，簡化了連接，提高了抗干擾能力。43第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3．FANUC系統(tǒng)15系列FS15系列是FANUC新的32位CNC裝置，被稱為是人工智能〔AI〕型CNC裝置。1〕主要結構FS15系列是按功能模塊化的CNC裝置。由不同配置選用帶7、9、11、13個槽的控制單元母板?？刂茊卧赴迳喜迦敫鞣N印刷線路板。44第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理45第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴采用了模塊式多主總線結構，多CPU控制系統(tǒng)，還采用了一個子CPU，在PMC、軸控制、圖形控制、通信及自動編程中也都采用了各自的CPU。⑵可構成最小至最大系統(tǒng)?？刂戚S數(shù)從2根軸到15根軸。還有PMC軸控制功能，適用于大型機床、復合機床的多軸控制和多系統(tǒng)控制。⑶由于采用了32位高速多主總線和32位CPU，所以，它使機床具有很高的加工速度。⑷CNC裝置中采用了主CPU和子CPU，因此，能夠并行處理指令和分配脈沖，提高了處理速度。在DNC狀態(tài)下可以到達很大的加工速度，能滿足復雜形狀模具等的高速加工。46第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑸具有通信用CPU和RS422接口，并有遠程緩沖功能。⑹內(nèi)裝式PMC型號為FANUCPMC-N，設有很強的編程功能，并設有BMI接口和FS3/FS8接口。⑺增強了64位精簡指令集〔ReducedInstructionSetComputer，RISC〕CPU作為選件，加工速度提高四倍。47第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4．FANUC系統(tǒng)16系列FS16系列在功能上位于FS15系列和FS0系列之間，是最新的CNC裝置之一。它的主要特點是：⑴在控制用的32位復雜指令集CISC〔ComplexInstructionSetComputer〕CPU上又增加了32位高速CPURISC，用于高速運算。⑵采用外表安裝技術的SMT〔SurfaceMountedtechnology〕模塊，印刷線路板為三維高密度安裝結構，實現(xiàn)CNC裝置的小型化。⑶采用多主控功能的高速32位FANUCBUS。⑷采用薄膜晶體管TFT〔ThinFileTransistor〕彩色液晶顯示等新技術。48第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理5．FANUC系統(tǒng)18系列FS18系列是繼FS16系列推出的最新32位CNC裝置，在功能上位于FS15系列和FS0系列之間，但低于FS16系列，比FS0系列安裝密度提高三倍。主要特點為：〔1〕采用了高密度三維安裝技術?！?〕功能與FS16相同，但為減少本錢取消了RISC等高價功能?！?〕TFT液晶顯示?！?〕可顯示控制電機的波形，易于調(diào)試?！?〕在操作性能、機床接口、編程等方面均與FS16系列之間有互換性。FS16系列與FS18系列今后將會取代FS0系列，成為FANUC數(shù)控產(chǎn)品的主流。49第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.2.2SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)介紹Siemens公司是生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的世界著名廠家，SINUMERIK的CNC數(shù)控裝置主要有：SINUMERIK3/8/810/820/850/880/805/840系列，其主要特點如下：50第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑴采用模塊化結構設計，模塊由多層印刷線路板制成，經(jīng)濟性好。⑵優(yōu)良的機床使用性。⑶編程簡單，操作方便。51第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑷調(diào)整時間短，調(diào)試方便。⑸數(shù)據(jù)傳輸采用RS232C串行接口或20mA電流環(huán)接口。⑹對位移測量系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、主軸、溫度、電壓〔欠壓、過壓〕、微處理器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及用戶程序存儲器實行監(jiān)控，其次PCB數(shù)量少，結構緊湊，運行可靠。52第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理70年代，Siemens公司生產(chǎn)出SINUMERIK-6T、6M、7T、7M系統(tǒng)；80年代初期又推出了SINUMERIK8T、8M、8MC系統(tǒng)；90年代又相繼推出SINUMERIK802、810和840系統(tǒng)。SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)技術構思一致，其區(qū)別那么在于它們的應用對象不同。53第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理54第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1．SINUMERIK810系統(tǒng)SINUMERIK810系統(tǒng)是西門子公司80年代推出的數(shù)控產(chǎn)品，按功能分有：810T，810M，810G，810N。按型號有810〔GA1〕，810〔GA2〕，810〔GA3〕。即810Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型機。810系統(tǒng)為緊湊型連續(xù)軌跡數(shù)控裝置，適用于低、中檔功能的中小型機床，具有良好的性能價格比，可安裝在機床的任何部位。55第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕結構組成系統(tǒng)由CPU模塊、位置控制模塊、系統(tǒng)程序存儲器模塊、文字處理模塊、接口模塊、電源模塊、CRT顯示器及操作面板等組成。56第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴主CPU采用80816通道式結構的CNC裝置，有主、輔兩個通道以同一方式工作，通道由PLC同步。⑵可控制2～4個坐標軸，根本插補有：任二坐標直線插補、圓弧插補，任三坐標螺旋線插補，三坐標直線插補，插補范圍為±99m。⑶可用屏幕對話、圖形功能，5個軟鍵和軟鍵菜單操作編程，并可用圖形模擬來調(diào)試程序，可采用極坐標。圓弧半徑編程及輪廓描述編程〔藍圖編程〕。57第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑷診斷功能完善，有內(nèi)部平安監(jiān)控，主軸監(jiān)控和接口診斷等。在屏幕上可以顯示數(shù)據(jù)和機床〔PLC〕的報警信息及PLC的內(nèi)部狀態(tài)。⑸PLC最大128點輸入/64點輸出，用戶程序容量為12KB，小型擴展機箱EU可安裝SINUMERIKI/O模塊，也可選SIMATICU系列模塊和WF725/WF726定位模塊。⑹在加工同時可以輸入程序以縮短停機時間。數(shù)據(jù)或程序輸入可通過兩個RS232C〔V24〕接口或20mA電流環(huán)〔TTY〕接口。58第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2．SINUMERIK3系統(tǒng)3系統(tǒng)是西門子公司80年代初期開發(fā)出來的中檔全功能數(shù)控系統(tǒng)，是西門子公司銷售量最大的系統(tǒng)?？捎糜诟鞣N機床的控制，有以下型號：3T型用于車床及車削中心加工；3TT型用于雙刀架車床或雙主軸立車控制；3M型用于鉆、鏜、銑或加工中心；3G型用于磨床；3N型用于沖床。59第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕結構組成采用模塊化結構，由CPU模塊、NC存儲器模塊、操作面板接口，NC-PC連接模塊，伺服測量回路I、II，PLC中央組件，編程接口，邏輯模塊，擴展設備接口，PLC存儲器及各種I/O模塊等17個模塊組成。60第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3系統(tǒng)的機柜因配置、類別、型號的不同，可以分為以下三種形式：⑴單框架：帶PLC130W-B中央單元〔PC1〕的單列邏輯組件，最多帶四個PCI/O模塊。⑵單PLC雙框架：帶PLC130W-B中央單元〔PC1〕的雙列邏輯組件，用于最多帶11個PC輸入輸出模塊。⑶雙PLC雙框架：帶PLC130W-B〔PC1〕的雙列邏輯組件，備用于帶PC2的雙PC結構，最多帶7個〔PC1〕和3個〔PC2〕I/O模塊。61第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴采用INTEL8086CPU的輪廓軌跡控制CNC系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)4軸控制，任意三軸聯(lián)動。⑵行程插補范圍±99m，輸入輸出分辯率為0.001mm，具有很強的可組配性，以適應多種加工機床和柔性加工單元的需要。最多可組合4個NC單元和2個PLC〔如用以控制上、下料機構，刀庫和交換工作臺〕。并由一臺通用PLC以生產(chǎn)順序協(xié)調(diào)各個NC單元和物流。這些需要包括換刀控制、數(shù)據(jù)傳遞控制、刀具壽命監(jiān)控、刀具和工件的測量和補償以及計算機通信功能等，通過配置各種軟件，可使3系統(tǒng)進入FMS。62第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑶PLC采用SIMATIC-S5的PLC130W-B，輸入輸出點各512點。用戶程序存儲器最大為16KBEPROM+2.7KBRAM?？蛇B接15個附加插板位置的擴展裝置，可內(nèi)裝或外接第二個PLC，第三個PLC，具有2或3倍用戶程序存儲容量。⑷采用12英吋彩色顯示器或9英吋單色顯示器，可配置藍圖編程功能。有圖形顯示功能，NC系統(tǒng)操作面板與機床操作面板別離。具有圖形和操作提示功能，編程方便，通過對屏幕直接監(jiān)視，可排除機床及刀具的故障。63第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3．SINUMERIK850/880850/880是西門子80年代末期開發(fā)的高自動化水平的機床及柔性制造系統(tǒng)，具有機器人功能。適合高功能復雜機床FMS、CIM的需要。是一種多CPU輪廓控制的CNC系統(tǒng)。850/880為柔性通道結構的CNC系統(tǒng)，最多可有16個通道和4個PLC通道使控制軸數(shù)可擴展到24個NC軸和6個主軸，并可實現(xiàn)16個工位的聯(lián)動控制。存儲容量大〔1MB〕，相當1250m紙帶。64第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕結構組成主要由中央控制器和操作面板組成，850/880采用兩個機架支承1、2兩列中央控制器。中央控制器包括NCCPU〔NC-CPU1〕、伺服CPU〔SV-CPU1〕、通訊CPU〔COM-CPU1〕、可編程控制器CPU〔PLC-CPU1〕及插入式擴展模塊等。插入式擴展模塊有：測量回路模塊、存儲器模塊、NC-CPU2～4、SV-CPU2～4、PLC輸入輸出板及擴展單元和接口模塊。面板帶12英吋彩色顯示器，全功能鍵盤及兩個串口等。65第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴CNC裝置的主CPU采用32位80386CPU，除了用作數(shù)控的主CPU、還有伺服用CPU、通訊用CPU及PLC用CPU。上述CPU除通訊外均可擴展至CPU2～4。850/880功能的主要差異參見表2-4所示。66第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

67第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑵用戶程序存儲器RAM容量為128K字節(jié)，EPROM容量為128K字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)存儲器RAM48K字節(jié)，I/O點最大為1024。延時器256個，計時器128個?？蓾M足復雜機床的控制要求。⑶采用SINECHI總線連接方式的計算機聯(lián)網(wǎng)，在加工的同時與柔性制造系統(tǒng)進行信息交換。SINEC以以太網(wǎng)為根底開發(fā)的具有很強的通訊功能，可與CIMS通訊，能適應機床復合化和多功能化的開展需要。68第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑷COM局部負責零件程序、子程序共用數(shù)據(jù)的存儲和管理。它有兩個通道，一個用于零件程序的圖形仿真。一個用于輸入輸出接口〔4個V24接口〕。中央程序存儲器RAM容量可達1280K字節(jié)。⑸輸入分辯率為0.0001mm，0.001mm，0.01mm，回轉坐標為0.001°；位置控制分辯率與輸入分辯率無關，可選用0.00005mm，0.0005mm，0.005mm；回轉坐標為0.0005°。進給和快速移動與輸入分辯率為：0.01mm時，0.1～980m/min；0.001mm時，0.01～98m/min；0.0001mm時，0.001～9.8m/min69第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4．SINUMERIK840C系統(tǒng)840C系統(tǒng)是西門子公司1991～1993年才開發(fā)出的最新數(shù)控系統(tǒng)，是西門子公司的超級全功能數(shù)控系統(tǒng)，最多可以控制30個軸〔其中最多6個主軸〕，具有5軸聯(lián)動，藍圖編程，三維圖形模擬，6個CNC通道，多CPU，網(wǎng)絡接口等功能，PLC為功能強大的PLC135W-B2?？煽刂颇M驅(qū)動、數(shù)字驅(qū)動或兩者混合控制，特別適合于高級復雜數(shù)控系統(tǒng)的改造，是適用于全功能數(shù)控車床、銑床和加工中心及FMS、CIM的軌跡控制的模塊微處理CNC系統(tǒng)。70第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕主要構成由CPU、中央控制組件，外圍組件、輸入輸出組件、接口組件、手持操作器和14英吋彩色顯示器等組成。CPU配有PLC135W-B2及電源、接口等；中央控制組件由NC-CPU386SX，MMC-CPU386SX附帶387SX。采用分散的機床外設〔DMP〕，主要分三個區(qū)域，交互式圖形車間編程〔IGW〕區(qū)、NC區(qū)和PLC區(qū)。其結構框圖如圖2-11所示。71第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴4個軸同時獨立運行，5軸聯(lián)動，2個手輪同時獨立運行，雙溜板和雙主軸結構。輸入分辯率10μm到0.001μm，坐標軸0.01°到0.00001°。⑵采用32位CPU，配有計算機輔助功能，使用標準的多任務操作系統(tǒng)。⑶PLC用戶程序存儲器32K字節(jié)〔RAM〕可擴展至256M字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)存儲器8K字節(jié)，可擴至48K字節(jié)。CNC用戶存儲器512K字節(jié)，硬盤可擴至40M字節(jié)⑷采用RS232C〔V24〕串行接口，具有功能全面的文件管理模式。加工時可同時I/O程序及PLC報警。72第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理5．SINUMERIK840D840D系統(tǒng)是面向世界的新一代CNC系統(tǒng)。它能在NC上直接進行PLC編程，并與FANUC程序格式兼容，用戶界面友好。系統(tǒng)能提供兩種語言選擇。采用模塊化設計，效勞界面友好。整個CNC縮小為單個模塊。840D系統(tǒng)包括操作面板〔OP〕、機床控制面板〔MCP〕、NCU模塊、驅(qū)動模塊〔611D〕和可編程控制器S7-300。73第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑴操作面板〔OP〕操作面板分為OP030、OP031、OP032，它包括一個單顯或彩顯、字母鍵、數(shù)字鍵、功能鍵和人機通訊模塊MMC，MMC又分為MMC100、MMC101、MMC102。MMC模塊運行在Windows環(huán)境下，包含一個標準用戶接口。MMC100模塊包括串行接口RS485、CNC控制的多點接口〔MPI〕、VGA接口、為CNC提供的鍵盤接口。MMC101和MMC102模塊包括有第二個串行通訊口、連接打印機的并行接口、鼠標和鍵盤接口、軟驅(qū)接口等。⑵機床控制面板〔MCP〕機床控制面板包括與操作面板的接口、電源接口、急停按鈕、開關S3、各種操作控制按鍵等。其中開關S3用于設定波特率、循環(huán)時間參考值設定、總線地址設定〔包括OP、PLC總線〕。74第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑶NCU模塊NCU模塊包含CNC的CPU、PLC的CPU以及完成通訊任務的微處理器。還有至OP和MCP的多點接口〔MPI〕、至可編程控制器的I/O接口、編程器接口、至驅(qū)動模塊611D和電源供給器I/R模塊的數(shù)字驅(qū)動總線、連接手輪及串行通訊的I/O接口。⑷驅(qū)動模塊〔611D〕611D包括電源供給器I/R模塊、伺服軸模塊及伺服電機、主軸伺服模塊及主軸電機。⑸可編程控制器可編程控制器S7-300采用模塊化設計，其總線集成在每塊模板上，節(jié)省了專門的總線底板，I/O配置靈活。S7-300編程接口可兼作MPI接口，可方便地構成網(wǎng)絡。PLC的存儲量為24K，最小的循環(huán)時間為0.3ms/K，最大的輸入輸出點可擴展至496點。它包括：電源模塊〔PS〕、中央處理單元〔CPU〕、信號模塊〔SM〕、功能模塊〔FM〕、通訊處理器〔CP〕。75第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理840D是先進的全功能數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)，整個CNC〔包括集成式PLC〕縮小為單個模塊并集成于驅(qū)動系統(tǒng)中，中英文操作顯示，最多控制31個軸，PLC為S7-300，強大的插補功能使它能輕易完成多軸非線性插補，適合于臥式加工中心、龍門鏜銑床、磨床、數(shù)字化機床及其它專用機床改造的要求。76圖3-17840D數(shù)控系統(tǒng)根本配置7778798081圖3-21

840D系統(tǒng)連接圖第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理6．SINUMERIK8系統(tǒng)8系統(tǒng)是西門子公司70年代末推出的第一種模塊化設計的CNC控制系統(tǒng)，適用于車、鏜、銑和加工中心等。是一種用于柔性制造系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)。適用于大型NC機床、加工中心和柔性制造單元〔FMC〕。82第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕主要構成由主控制模塊、電源模塊、存儲模塊、各種位置模塊、測量接口模塊、操作面板電源和譯碼電路模塊、PLC與CNC信號傳遞模塊、PLC與CNC接口模塊〔適用于外部PLC和集成PLC〕及系統(tǒng)軟件模塊等組成。83第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕主要特點⑴采用多微處理器控制系統(tǒng)，主CPU為8086，各種位置控制模塊上用的CPU是8086。另有一個子CPU是8086。⑵最多可擴展到控制12個坐標軸，具有輪廓編程及快速處理功能，操作方便。⑶位置控制單元附屬于主控制模板的控制和管理?？蛇M行坐標的插補運算，位置檢測，比較及控制等。位置控制模塊有MS230、MS250、MS300等。MS230用于模擬量反響測量的位置控制，如感應同步器或旋轉變壓器。MS250用于數(shù)字量反響測量的位置控制，如脈沖編碼器和直線光柵。MS300用于8MC、8MC-Z2大型機床的數(shù)字反響的位置控制。84第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑷有專門用于FMS中的LSV-2處理器，可保證數(shù)據(jù)迅速傳到上級計算機去。⑸19英吋操作面板可配14英吋彩顯、10英吋等離子單顯、10英吋彩色液晶顯示器。⑹PLC中256個定時器和計數(shù)器，輸入輸出點為1024個。可用C語言進行PLC編程。⑺8MC/8ME/8ME-C.Sprint8M/Sprint8M-C用于鉆鏜及加工中心；8MC/8MCE/8MCE-C用于大型鏜、銑床；8T/Sprint8T用于車床；其中Sprint系列具有藍圖編程功能。85第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理7．SINUMERIK802SSINUMERIK802S是步進電動機控制系統(tǒng)，專門為經(jīng)濟型的數(shù)控車床、銑床、磨床及特殊用途的其他機床而設計的。SINUMERIK802S采用32位微處理器〔AM486DE2〕、集成式PLC、別離式小尺寸操作面板〔OP020〕和機床控制面板，它是一種先進的經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)。它啟動數(shù)據(jù)少，安裝調(diào)試方便、快捷具有中英文菜單顯示，操作編程簡單方便，使生產(chǎn)過程靈活快速。SINUMERIK802S可控制2~3個進給軸和一個開環(huán)主軸〔如變頻器〕，可通過脈沖和方向信號與步進電機驅(qū)動器相連，以控制進給軸。86第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理SINUMERIK802S可包括以下部件：⑴操作面板〔OP020〕；⑵機床控制面板〔MCP〕；⑶CNC模塊〔ECU〕；⑷PLC模塊〔DI/DO〕，帶16點數(shù)字輸入和16點數(shù)字輸出，額定電平為直流24V，輸出最大負載電流0.5A。DI/DO模塊可通過總線插頭直接連接到ECU模塊上，輸入輸出點數(shù)可根據(jù)需要通過增加模塊來逐級增加，最多可擴展至4個DI/DO模塊〔即64點輸入和64點輸出〕。PLC編程工具的運行環(huán)境是個人計算機Windows3.11或Win95。編程工具以梯形圖技術為根底并支持符號編程，加之直觀的在線調(diào)試功能，使得PLC用戶程序的設計非常容易。編程工具中包含了用于車床的標準PLC用戶程序作為實例，以及在線求助功能，使得入門快。用戶可以在標準PLC用戶程序的根底上進行編輯修改，很快建立起自己的應用程序。87第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理并可連接以下部件：⑴通過RS232C接口連接編程器〔PG〕或計算機〔PC〕；⑵步進電機驅(qū)動器是單軸型控制器，可以控制五相步進電機，輸出扭矩可達12N·m。幾個步進驅(qū)動器可以并排安裝，電源直接接到步進驅(qū)動器帶螺柱的接線端子上。⑶PLC模塊，可以到達64點輸入64點輸出；⑷最多兩個電子手輪。CNC局部〔ECU〕和PLC模塊的安裝方式與SIMATICS7-300系列相兼容，可以安裝在普通導軌上。系統(tǒng)軟件都存儲在ECU的FlashEPROM中，ECU無后備電池，更新和升級都很方便。88第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.2.3BEIJING-FANUC0系統(tǒng)介紹1．BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的CNC單元硬件結構北京發(fā)那科機電從FANUC公司購置印刷板組裝生產(chǎn)CNC單元。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的CNC單元為大板結構。根本配置有主印刷電路板〔PCB〕、存儲器板、I/O板、伺服軸控制板和數(shù)控電源板。各板插在主板上，與CPU的總線相連。89第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑴主板主CPU在該板上。主CPU用于系統(tǒng)主控，原來用80386，后來改用80486/DX2。此外，顯示的CRT控制也在該板上。⑵存儲器板該板上有：系統(tǒng)的控制軟件ROM〔共5片〕。系統(tǒng)可控制車床〔0-T系統(tǒng)〕、銑床〔鏜床、鉆床〕及加工中心〔0-M系統(tǒng)〕、磨床〔0-G系統(tǒng)〕、沖床〔0-P系統(tǒng)〕。不同類型的機床控制軟件不同；90第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理伺服控制軟件ROM1片；PMC-L的ROM芯片2片，用于存儲機床的強電控制邏輯程序；RAM芯片，用于存放CPU的中間運算數(shù)據(jù)，根據(jù)需要安裝；CMOSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機床參數(shù)，零件加工程序。根據(jù)用戶要求配置，最大可為128K字節(jié)。CMOSRAM采用4.5V電池作為供電，關機時保存信息。91第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑶I/O板該板是CNC單元與機床強電柜的接口。接收或輸出24V直流信號，由PMC實施輸入輸出控制。I/O點數(shù)可根據(jù)機床的復雜程度選擇。標準配置為1024個輸入點，72個輸出點。⑷進給伺服控制板全部用數(shù)字式交流伺服控制。其控制板裝在CNC單元內(nèi)，插在主板上，即CNC單元與進給伺服為一體化設計。伺服板上有2個CPU，每個CPU控制2個軸，一塊板可控制4個軸。92第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑸電源主要有5V直流電源，用于各板的供電，24V直流電，用于單元內(nèi)繼電器控制，除上述這些板外，還有圖形控制板、PMC-M板、遠程緩沖器〔REMOTEBUFFER〕板。這些板用戶可根據(jù)要求選訂。93第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2．顯示功能BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的顯示器可用CRT，也可用液晶顯示器〔LCD〕，標準為9英吋黑白CRT，高密度字符顯示，也可配彩色顯示器。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)有圖形顯示功能：⑴對編制的加工程序進行加工前的圖形模擬，模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實體形狀；⑵在加工過程中顯示刀尖的軌跡，使操作員能夠監(jiān)視切削過程，圖形可局部放大，以便觀察細節(jié)。顯示圖形必須用圖形控制板，該板為專用微機，CPU用80186。94第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3．PMC控制PMC就是可編程序機床控制器，是專門用于控制機床的PLC。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的PMC只有47條指令〔根本指令有12條，功能指令有35條〕。95第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理BEIJING-FANUC0系統(tǒng)用梯形圖編制PMC順序邏輯程序。由于有功能指令，使得PMC程序編制非常容易、簡捷。梯形圖可用下述兩種方法①用專用的編輯卡利用CRT顯示畫面在系統(tǒng)上現(xiàn)場編制。②在計算機上裝入專用軟件用計算機編制，然后經(jīng)RS-232C口將梯形圖程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)。調(diào)試好的程序要用寫入器寫入EPROM。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)控制有PMC-L和PMC-M兩種。PMC-L的處理機與主機共用。PMC-M為專用處理機，專用一塊板，插在主板上。96第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4．進給伺服驅(qū)動BEIJING-FANUC0系統(tǒng)進給軸的驅(qū)動使用交流同步電動機，目前為α系列。根據(jù)其負載特性和快速性分為：α〔標準型〕、αM〔高加速特性〕、αC〔經(jīng)濟型〕和αL〔低慣量型〕。αM加速特性好，從0至最高轉速的啟動過程為24ms，故用于高速加工。97第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理電機軸上裝有脈沖編碼器，用做位置反響和速度反響。這種位置反響，是間接測量工作臺的直線位移，所以稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，只要設定相應的參數(shù)，BEIJING-FANUC0系統(tǒng)可以使用直線光柵尺，使系統(tǒng)接成全閉環(huán)。除此之外，還可接成雙位置反響，即同時具有上述兩個閉環(huán)，這樣，既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以提高系統(tǒng)的快速性和加工精度。

98第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理5．主軸驅(qū)動BEIJING-FANUC0系統(tǒng)可以同時控制2個主軸電動機，可以是2個數(shù)字式控制的電機，也可以一個為數(shù)字式，另一個為模擬式控制電機。模擬控制指令是0~10V的直流電壓。該系統(tǒng)的主軸電機為異步電機，目前為α系列，有以下品種：α標準型，；αP恒功率寬調(diào)速范圍型；αC經(jīng)濟型；αT與主軸直聯(lián)型。99第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理主軸驅(qū)動有速度控制和位置控制兩種方式，普通加工為速度控制。主軸電機軸上裝有圓型的磁性傳感器，用做速度反響，位置控制用于主軸同步、主軸定向、剛性攻絲、C軸輪廓控制。因此需要控制主軸的轉角或轉位。此時需在機床的主軸上裝位置編碼器，位置編碼器有光電式和磁性傳感器。主軸控制用單獨的CPU控制。從CPU單元輸出的控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元，數(shù)據(jù)為串行傳送，因此可靠性比較高。100第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理6．RS-232C串行口及數(shù)據(jù)通訊BEIJING-FANUC0系統(tǒng)有兩個串行口〔RS-232C〕，分4個通道，用于系統(tǒng)與外部設備的數(shù)據(jù)交換。交換的數(shù)據(jù)包括：系統(tǒng)及機床的設定參數(shù)、PMC參數(shù)、零件加工程序、刀具補償值、設定的工件坐標系、絲杠的螺距補償值等。與計算機相連時，計算機內(nèi)必須裝有數(shù)據(jù)傳送軟件。最快的傳送速率為9600bps。101第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理除上述的信息交換外，利用串行口通訊還可以實現(xiàn)以下方式的在線加工與機床的DNC管理：⑴紙帶方式的加工加工復雜零件時，加工程序非常長，CNC的內(nèi)存容量不夠用，可將程序存于外設，如計算機的軟盤中。用電纜將PC機與CNC經(jīng)串行口連接后，啟動自動加工，CNC預讀15個程序段，開始加工。此后加工一段讀入一段，直至結束。⑵遠程緩沖〔REMOTEBUFFER〕上述方式雖然解決了長程序的存儲問題，但由于數(shù)據(jù)的邊讀入、邊處理、邊加工，所以加工速度慢。對于小程序段，快速加工，走刀有停頓現(xiàn)象，為此，開發(fā)了REMOTEBUFFER功能。⑶DNC它可使8臺CNC與主計算機遠程相連，實現(xiàn)多臺機床的加工監(jiān)控與管理。連接方式為點-點式，傳送速率大大提高。102第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.2.4華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)介紹武漢華中數(shù)控系統(tǒng)提出了基于PC開展我國具有自主版權的數(shù)控系統(tǒng)的思路，即采用通用的工業(yè)微機為硬件主體，在軟件技術上進行突破。通過軟件的技術革新，不僅實現(xiàn)了高檔數(shù)控系統(tǒng)的功能，而且系統(tǒng)的體系結構保證了系統(tǒng)的可靠性和開展的延續(xù)性。103第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理華中I型數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機配上控制卡〔I/O板、位置板〕組成的開放式系統(tǒng)結構。這種系統(tǒng)結構模塊化、層次化好，具有良好的可擴展性和伸縮性。即可根據(jù)需要對系統(tǒng)進行升級或簡化。同時，因為以PC機為硬件平臺，系統(tǒng)可靠性大大提高，生產(chǎn)本錢那么可顯著降低，便于批量生產(chǎn)和廣泛應用，有利于產(chǎn)業(yè)化開展。104第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理華中I型數(shù)控系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)上實現(xiàn)了開放化和模塊化，形成了開放式的軟件平臺。華中I型開放式軟件平臺將CNC中的共性局部進行了模塊化和系統(tǒng)化集成，作為NC開發(fā)環(huán)境中的標準函數(shù)可以公用。用戶可根據(jù)系統(tǒng)生成標準所提供的生成方法，方便地生成各類專用數(shù)控系統(tǒng)。105第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理由于體系結構和軟件技術的創(chuàng)新，華中數(shù)控系統(tǒng)在短短的幾年便開發(fā)出了車〔含立車〕、銑〔含鏜銑床〕、磨、鍛、激光加工、齒輪加工、加工中心、柔性組合機床和雕刻機數(shù)控系統(tǒng)等十多個系列，三十多種數(shù)控產(chǎn)品，滿足了機械工業(yè)不同應用的需求，有效地拓寬了市場，使華中I型數(shù)控系統(tǒng)成為國內(nèi)具有影響的數(shù)控系統(tǒng)之一。106第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理華中I型數(shù)控系統(tǒng)的主要特色：⑴基于PC的CNC數(shù)控系統(tǒng)；⑵以其獨特的軟件技術在單CPU下實現(xiàn)了多通道16軸控制和9軸聯(lián)動控制；⑶在計算機內(nèi)不需增加硬件，用打印機接口即可實現(xiàn)機床數(shù)字控制；⑷加工軌跡三維圖形顯示的動態(tài)仿真；⑸支持G代碼，可一次性直接運行2GB以下的大型模具加工程序；⑹雙向螺距誤差補償功能；⑺內(nèi)部二級電子齒輪；⑻具有加工斷點保護和恢復功能；⑼具有參考點返回和多個工件坐標系設置與選擇功能〔G54～G59〕；107第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑽具有刀具長度和刀具半徑補償功能；⑾漢字操作界面和在線功能；⑿支持NT，NOVELL，INTERNET網(wǎng)絡和軟、硬盤數(shù)據(jù)交換；⒀具有CAD/CAM/CNC一體化和集成化功能；⒁接觸式或非接觸式數(shù)字化仿形擴展功能；⒂運動控制開發(fā)工具包〔C++運動控制函數(shù)庫〕；⒃提供INTELCAM自動編程軟件；⒄可根據(jù)用戶要求，配接步進電機和交流伺服電機〔選項〕；提供全套數(shù)控技術教育的教材和實驗指導書。108第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

第3節(jié)2.3典型數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.3.1數(shù)控系統(tǒng)的根本工作原理如圖描述了一臺具有一個伺服電機驅(qū)動的主軸和三個由伺服電機驅(qū)動的進給軸組成的半閉環(huán)控制的數(shù)控機床的根本工作原理。它由數(shù)控單元、伺服系統(tǒng)和機床控制電器三大局部組成。下面對各局部的功能進行簡要的說明。109第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

110第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理以下圖中的(a)和(b)描述了上述刀具軌跡形成的過程，雖然它們都是以折線形式來逼近要求的運動軌跡。但是它們每一點的誤差都小于一個進給當量〔系統(tǒng)分辨率〕，從宏觀上來看，它們是一段光滑的直線和圓弧。111第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

112第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理上述按加工指令分配到各進給軸的指令脈沖，經(jīng)相應的伺服單元放大后驅(qū)動它的進給電機，并通過絲杠帶動進給運動部件〔例如工作臺、滑枕等〕，使安放在工作臺上的工件按要求的軌跡相對于主軸上的刀具移動，進而加工出圖樣要求的零件。加工過程中，與進給電機同軸旋轉的脈沖編碼器發(fā)出與工作臺移動量相對應的脈沖數(shù)并反響到數(shù)控系統(tǒng)的進給位置控制器中，當反響脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，進給電機停止轉動，該程序段的加工過程結束。這里要指出的是：脈沖編碼器發(fā)出的反響脈沖數(shù)僅反映了進給絲杠的轉動量，所以傳動機構的精度誤差和反向間隙會使運動部件的軌跡產(chǎn)生一定的誤差。但是，這種誤差可以通過數(shù)控系統(tǒng)的“絲杠螺距誤差補償〞和“反向間隙補償〞功能給予補償。當然，與位置反響元件〔例如光柵尺、感應同步尺等〕直接裝在運動部件上的全閉環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度要略差一些。113第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理零件加工程序段中的輔助功能〔例如工件冷卻，主軸正、反轉，主軸停轉，換擋，定向，刀具選擇和交換等〕指令那么進入數(shù)控系統(tǒng)的輔助功能處理模塊按照機床上的狀態(tài)檢測器件〔例如行程開關，位置開關，壓力開關等〕返回的信息處理后，向機床上的輔助功能執(zhí)行機構〔例如電動機，電磁閥，制動器等〕發(fā)出相應的命令，實時地完成加工過程中的輔助操作。數(shù)控機床操作面板上的各種按鍵、開關產(chǎn)生的信號直接輸入到可編程機床控制器〔PMC〕，經(jīng)控制程序中的相應模塊處理后送到CNC輸入點，由CNC控制軟件完成相應的操作要求，并通過CNC輸出點使鍵盤上的指示燈做出指示。114第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理數(shù)控系統(tǒng)在體系結構上有兩種模式：一種是大板結構，它是將CPU、存儲器和位置檢測器等主要部件都安裝在一塊主板上，其它附加功能作為輔助部件插裝在主板上，主板與輔助部件是主從關系；另一種是開放式、模塊化、多微處理器結構，它采用標準總線作為母板，所有的功能板，包括CPU、存儲器、位置檢測、接口電路和顯示部件等都插裝在母板上，各插板在總線母板上是平等的關系，安裝、使用、維修、擴展和二次開發(fā)都很方便，硬件結構配置靈活。115第一節(jié)數(shù)控機床及其機械結構知識1.1常見的數(shù)控機床類型數(shù)控車床〔車削中心〕加工中心電加工設備〔線切割、電火花等〕數(shù)控沖床數(shù)控磨床1161.2數(shù)控機床各組成局部的作用主軸局部進給局部回轉局部刀庫機械手位置檢測局部床身導軌117TIANJIN中德培訓中心刀庫主軸X軸Y軸Z軸操作顯示單元機械手118主軸的作用提供切削功率、在高檔數(shù)控機床中還具有C軸功能及定向功能

119進給部件：其作用是在伺服電機的驅(qū)動下完成直線運動的定位、進給。以下圖是滾珠絲杠、聯(lián)軸節(jié)的實物照片。120自動換刀裝置：數(shù)控車床的轉塔刀架、加工中心的刀庫及換刀機構，能夠使工件一次裝夾后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。

121位置檢測裝置：完成位置信號的反響，反響精度決定了機床的加工精度。以下是：直線光柵尺、圓光柵等位置檢測元件122床身導軌該圖是一個加工中心的光機由X、Y、Z及主軸頭組成。其中導軌的作用是：支承和引導運動部件沿一定軌道運動。123數(shù)控車床124數(shù)控磨床125電加工126數(shù)控沖床127第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.3.2FANUC0系統(tǒng)的根本配置1．FANUC0的根本配置FANUC0系統(tǒng)由數(shù)控單元本體，主軸和進給伺服單元以及相應的主軸電機和進給電機，CRT顯示器、系統(tǒng)操作面板、機床操作面板，附加的輸入/輸出接口板，電池盒，手搖脈沖發(fā)生器等部件組成。128第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕數(shù)控單元的根本配置FANUC0系統(tǒng)的CNC單元為大板結構。根本配置有主印刷電路板〔PCB〕、存儲器板、圖形顯示板、可編程機床控制器板〔PMC-M〕、伺服軸控制板、輸入/輸出接口板、子CPU〔中央處理器〕板、擴展的軸控制板、數(shù)控單元電源和DNC控制板。各板插在主印刷電路板上，與CPU的總線相連。129第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

130第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理上述各部件的功能如下：⑴主印刷電路板〔PCB〕連接各功能板，故障報警等。主CPU在該板上，用于系統(tǒng)主控。⑵數(shù)控單元電源主要提供+5V，+15V，-15V，+24V，-24V直流電源，用于各板的供電，24V直流電源，用于單元內(nèi)繼電器控制。⑶圖形顯示板提供圖形顯示功能，第二、三手搖脈沖發(fā)生器接口等。⑷PC板〔PMC-M〕PMC-M型可編程機床控制器，提供擴展的輸入輸出板〔B2〕的接口。⑸根本軸控制板〔AXE〕提供X、Y、Z和第4軸的進給指令，接收從X、Y、Z和第四軸位置編碼器反響的位置信號。⑹輸入/輸出接口通過插座M1、M18和M20提供輸入點，通過插座M2、M19和M20提供輸出點，為PMC提供輸入/輸出信號。131第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑺存儲器板接收系統(tǒng)操作面板的鍵盤輸入信號，提供串行數(shù)據(jù)傳送接口和紙帶讀入接口，第1手搖脈沖發(fā)生器接口，主軸模擬量和位置編碼器接口，存儲系統(tǒng)參數(shù)，刀具參數(shù)和零件加工程序等。⑻子CPU板管理第5，6，7，8軸的數(shù)據(jù)分配，提供RS232C和RS422串行數(shù)據(jù)接口等。⑼擴展軸控制板〔AXS〕提供第5，6軸的進給指令，接收從第5，6軸位置編碼器反響的位置信號。⑽擴展軸控制板〔AXA〕提供第7，8軸的進給指令，接收從第7，8軸位置編碼器反響的位置信號。⑾擴展的輸入輸出接口通過插座M61、M78和M80提供輸入點，通過插座M62、M79和M80提供輸出點，為PMC提供輸入輸出信號。⑿通訊板〔DNC2〕提供數(shù)據(jù)通訊接口。132第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理以下圖分別為數(shù)控單元內(nèi)部電纜連接圖和伺服系統(tǒng)電纜連接圖。133第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

134第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

135第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理正確的連接是機床正常工作的根本保證，如果在維修過程中插拔過上述電纜插頭，應注意必須按圖恢復原狀。136第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2〕S系列進給伺服系統(tǒng)的根本配置在α系列交流伺服電機出臺之前，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)配用S系列交流伺服電機。S系列分一軸型、二軸型和三軸型三種。137第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3〕S系列主軸伺服系統(tǒng)的根本配置138第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4〕α系列主軸和進給伺服單元的根本配置FANUCα系列交流伺服電機出臺以后，主軸和進給伺服系統(tǒng)的結構發(fā)生了很大的變化，其主要特點是：139第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

140第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑴主軸伺服單元和進給伺服單元由一個電源模塊統(tǒng)一供電。⑵緊急停機控制開關接到電源模塊的+24V和ESP端子后，再由其相應的輸出端接到主軸和進給伺服放大器模塊，同時控制緊急停機狀態(tài)。⑶從NC發(fā)出的主軸控制信號和返回信號經(jīng)光纜傳送到主軸伺服放大器模塊。⑷控制電源模塊的輸入電源的主接觸器MCC安裝在模塊外部。141第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.3.3FANUC0系統(tǒng)中與維修有關的故障分類及其根本內(nèi)容數(shù)控機床的故障分為:數(shù)控系統(tǒng)故障:CNC系統(tǒng)故障，伺服系統(tǒng)故障，編碼器故障，超程故障和PMC故障等機床本體故障:機床故障和操作信息等142第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕數(shù)控系統(tǒng)故障⑴數(shù)控單元故障NC單元出現(xiàn)故障時，CRT屏幕右下角出現(xiàn)閃爍的“ALARM〞報警信息，同時在故障顯示頁面上出現(xiàn)相應的報警號和說明。143第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理NC單元出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)單元主印刷電路板的左側LED指示燈顯示的狀態(tài)如表2-6所示：144第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理NC單元出現(xiàn)故障時，在故障顯示頁面上出現(xiàn)的報警號和說明如表2-7所示：145第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

146第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑵絕對編碼器故障絕對編碼器出現(xiàn)故障時，CRT屏幕右下角出現(xiàn)閃爍的“ALARM〞報警信息，同時在故障顯示頁面上出現(xiàn)如表2-8所示的報警號和說明。147第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

148第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑶伺服系統(tǒng)故障伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，CRT屏幕右下角出現(xiàn)閃爍的“ALARM〞報警信息，同時在故障顯示頁面上出現(xiàn)如表2-9所示的報警號和說明。149第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑷超程故障機床出現(xiàn)超程故障時，CRT屏幕右下角出現(xiàn)閃爍的“ALARM〞報警信息，同時在故障顯示頁面上出現(xiàn)如表2-10所列的報警號和說明。150第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理⑸可編程機床控制器〔PMC〕故障可編程機床控制器出現(xiàn)故障時，CRT屏幕右下角出現(xiàn)閃爍的“ALARM〞報警信息，同時在故障顯示頁面上出現(xiàn)如表2-11所列的報警號和說明。151第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2數(shù)控機床故障數(shù)控機床故障包括機床故障和操作信息兩大局部，它們由機床制造廠根據(jù)機床的實際情況編寫的，由PMC控制器進行自診斷。FANUCPMC控制程序規(guī)定：機床故障編號從1000到1999，出現(xiàn)這類故障時，數(shù)控系統(tǒng)立即進入進給暫定狀態(tài)；而操作信息的編號從2000到2999，出現(xiàn)這類操作信息時，數(shù)控機床照常進行，僅對當前的操作給予說明。152第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理3編程故障與零件加工程序編制錯誤有關的故障報警號前面帶有“P/S〞，報警號從000到250，由于這類故障主要與編程人員有關，這里就不作詳述。但特別要指出的是“P/S100〞和“P/S000〞二個報警是與維修人員有關的。⑴P/S100號報警維修人員在修改NC參數(shù)前必須將參數(shù)設定頁面2〔SETTING2〕上的“PWE〞項設定為“1〞，以使能參數(shù)的修改，此時必然出現(xiàn)P/S100號報警，在參數(shù)修改完畢后應將“PWE〞改設為“0〞，以禁止參數(shù)的修改，再按系統(tǒng)面板上的復位〔RESET〕鍵，使P/S100號報警取消。⑵P/S000號報警在某些關鍵的NC參數(shù)被修改后，使用上述方法雖然可以取消P/S100號報警，但又出現(xiàn)P/S000號報警，此時必須斷開NC電源才能取消該報警。153第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理4維修實例隨著人們對機床功能要求的提高，各數(shù)控系統(tǒng)廠家也相繼開發(fā)出不同功能的數(shù)控系統(tǒng)來滿足人們的需要。各廠家的系統(tǒng)一般都采用人機對話形式，大都具有自診斷功能，這對維修人員提供了很大幫助，但這些自診斷信息有時帶有很大的片面性。人們假設按此思維去解決問題，有時會陷入錯誤的死胡同，不利于解決問題。以下給出幾個實例供參考。154第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理例2-1一臺日本產(chǎn)FANUC-0系統(tǒng)的加工中心機床，出現(xiàn)400號過負載報警和414X軸伺服系統(tǒng)異常報警。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)X軸伺服系統(tǒng)顯示“5〞，根據(jù)診斷信息，可能為X軸伺服單元出現(xiàn)故障或伺服電機出現(xiàn)故障。這時利用更換法進行修理，故障依舊，于是重新檢查。最后發(fā)現(xiàn)是電動機的電纜接頭受潮，造成電動機一加速就產(chǎn)生報警。將此接頭重新進行防潮處理，故障排除。155第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理例2-2一臺日本產(chǎn)FANUC-16系統(tǒng)的加工中心機床，加工時出現(xiàn)414號報警，且X、Y、Z三軸同時出現(xiàn)報警。另外出現(xiàn)750主軸伺服報警。根據(jù)診斷信息，X、Y、Z三軸同時出現(xiàn)報警，極有可能為共用電源模塊出現(xiàn)故障，引起系統(tǒng)突然斷電，或主軸伺服有故障引起X、Y、Z三軸同時失電，或者伺服系統(tǒng)與NC之間連接的光纜有故障。但是此故障經(jīng)重新啟動系統(tǒng)后，在MDI方式下，讓各軸及主軸以最大速度直接啟動，也能啟動成功。說明故障仍在外圍電路。后經(jīng)認真檢查發(fā)現(xiàn)，供電模塊的空氣開關有一相的膠木板有燒焦現(xiàn)象。進行更換后故障排除。156第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理例2-3一臺配有SINUMERIK840C系統(tǒng)的數(shù)控機床，在自動加工時，突然出現(xiàn)動作混亂。在加工完工件后主軸仍不停轉，并出現(xiàn)機械手直接去抓取工件等動作。報警信息為：EMPLYINGSELECTEDMODESELECTOR。用手動方式測試各軸動作均正常。檢查系統(tǒng)參數(shù)、PLC程序沒有發(fā)現(xiàn)異常。初步認為系統(tǒng)感染病毒〔840C系統(tǒng)配有計算機硬盤〕，對機床數(shù)據(jù)重新進行裝載，仍解決不了問題，后經(jīng)仔細檢查發(fā)現(xiàn)誤將一模式開關撥到了錯誤位置。重新按說明書的要求正確設定開關位置后，再開機一切恢復正常。157第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理總之，在維修過程中，不要拘泥于診斷信息提供的固定信息，有時一個小故障卻包含數(shù)控機床的各方面知識，在數(shù)控系統(tǒng)功能增強，故障率越來越低的開展趨勢下，首先應確保機床外圍電路無毛病的情況下，再疑心機床的數(shù)控系統(tǒng)，以免擴大故障范圍，少走彎路。158第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理2.3.4SIEMENS的根本配置及工作原理SINUMERIK810是德國SIEMENS公司于80年代中期推出的全功能數(shù)控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)性能/價格比相當高，我國配備該數(shù)控系統(tǒng)的廠家比較多。159第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理1〕810硬件結構SINUMERIK810系統(tǒng)的硬件結構緊湊，整機體積僅與一臺14英吋電視機相當，它主要是由以下幾局部構成：⑴CPU模塊〔6FX1125-8AB〕是數(shù)控系統(tǒng)的核心，主要包括NC與PC的CPU、實際值存放器、工件程序存儲器、引導指令輸入器〔啟動芯片〕及兩個串行通用接口。系統(tǒng)只有一個中央處理器〔Intel80186〕，為NC與PC的CPU所共用，從而降低了本錢，簡化了整機結構。160第2章常用數(shù)控系統(tǒng)的結構及工作原理

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