機床數(shù)控技術(第4版) 課件 4

機床數(shù)控技術機械工業(yè)出版社

目錄2數(shù)值模擬研究結果3安裝工藝性驗證試驗大綱1項目要求及成果提交形式2數(shù)值模擬研究結果1項目要求及成果提交形式第3章

數(shù)控系統(tǒng)的加工控制原理第2章

零件加工程序的編制第1章

概述第6章

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)第5章

位置檢測裝置第4章

數(shù)控裝置第1節(jié)概述

數(shù)控裝置接受來自信息載體的控制信息并轉(zhuǎn)換成數(shù)控設備的操作(指令)信號。

1數(shù)控裝置的作用

數(shù)控裝置的主要作用是，讀入數(shù)控加工程序，將其轉(zhuǎn)換成控制機床運動和輔助功能要求的格式，分別送給進給電機控制單元、主軸電機控制單元和PLC，具有內(nèi)置PLC功能的數(shù)控裝置本身具有邏輯量解算功能，直接將解算結果送給機床強電控制系統(tǒng)。具有閉環(huán)控制功能的數(shù)控系統(tǒng)還會讀入機床位置檢測裝置發(fā)出的實際位置信號，與指令位置比較后，用其差值控制機床的移動，可以獲得較高的位置控制精度。第4章數(shù)控裝置數(shù)控機床物理結構與邏輯結構比較進給電機位置檢測第4章數(shù)控裝置程序輸入數(shù)據(jù)處理插補位控速控伺服電機測量2數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ硬件軟件圖幾種典型的軟硬件界面的劃分第4章數(shù)控裝置軟硬件任務的分配界面，隨微電子和計算機技術的發(fā)展而不斷演化。1952－1970，分立元件、電子管、印刷板、晶體管、中規(guī)模集成電路在NC系統(tǒng)得到應用，構成“硬連接”數(shù)控時代；1970‘s后，LSI(largescaleintegrate)大規(guī)模集成電路、半導體存儲器、微處理器的應用，使得可用軟件實現(xiàn)機床的邏輯控制、運動控制，進入了“軟連接”時代；輸入插補準備插補準備插補輸入速控位控位控插補電機測量軟件硬件軟件硬件軟件硬件第1種第2種第3種第4章數(shù)控裝置第2節(jié)

數(shù)控裝置的硬件結構第4章數(shù)控裝置單片機組成的數(shù)控裝置單CPU數(shù)控裝置多CPU數(shù)控裝置基于PC機的數(shù)控裝置

在一塊半導體芯片上集成了CPU,存儲器以及輸入/輸出接口電路，這樣的芯片習慣上程為單片微型計算機（singlechipmicrocomputer,SCM）單片機的典型結構如圖：系統(tǒng)時鐘ROMCPU定時計數(shù)器串行I/O并行I/ORAMRESETINT電源1由單片機組成的數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置單片機EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設備I/OI/O擴展A/D光電隔離光電隔離光電隔離D/A數(shù)字量檢測模擬量檢測開關量檢測開關量控制伺服驅(qū)動控制數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設備單片機組成數(shù)控裝置I/O子系統(tǒng)基本系統(tǒng)外部設備第4章數(shù)控裝置圖用80C31單片機組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖圖中74LS02為：雙極TTL數(shù)字邏輯電路，四2輸入或非門，Y=A+B2764為EPROM,可擦寫只讀存儲器GND為信號地RST為復位，左面是復位電路DG1----DG6為LED顯示器第4章數(shù)控裝置圖單微處理機數(shù)控裝置的結構圖CPU紙帶機接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROMRAMPLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能2單CPU數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置

圖數(shù)控裝置的物理結構（FANUC-6MB）第4章數(shù)控裝置3多CPU數(shù)控裝置

共享總線式多CPU數(shù)控裝置結構圖第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置圖遞階式PC數(shù)控系統(tǒng)結構圖第4章數(shù)控裝置圖PC＋I/O軟件化數(shù)控系統(tǒng)結構圖第4章數(shù)控裝置4典型基于PC的和網(wǎng)絡型數(shù)控產(chǎn)品上：SIEMENS802D左：數(shù)控凸輪磨床第4章數(shù)控裝置

數(shù)控軟件的主要任務是將零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的工件。第3節(jié)數(shù)控軟件第4章數(shù)控裝置1數(shù)控軟件的任務及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

（1）譯碼

譯碼就是把用ASCⅡ碼編寫的零件加工程序翻譯成數(shù)控系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式，并存放到譯碼緩沖區(qū)中，準備為后續(xù)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

說明

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章數(shù)控裝置

2）保留字符格式的存放方法

StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//0：空，1：有數(shù)據(jù)

intblock_num；//程序段號

doubleCOORD[20]；//尺寸字的數(shù)值，單位為μmintF，S；//進給速度和主軸速度

charG_flag；//以標志形式存放的G指令

charG1；//G指令表

...charM_flag；//以標志形式存放的M指令

charM1；//M指令表

...charT；//刀具代號

charD；//刀具半徑值

}；第4章數(shù)控裝置（2）刀補刀補處理程序主要進行以下幾項工作：

1）計算本段零件輪廓的終點坐標值；

2）根據(jù)刀具的半徑值和刀具補償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置；

3）根據(jù)本段和下一段的轉(zhuǎn)接關系進行段間處理。（3）速度預處理速度預處理程序主要完成以下幾步計算：

1）計算本程序段總位移量

2）計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F(xiàn)—

進給速度值（mm/min）；

Δt—

數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）。第4章數(shù)控裝置

（4）插補處理

1）根據(jù)速度倍率值計算本次插補周期的實際合成位移量；

2）計算新的坐標位置；

3）將合成位移分解到各個坐標方向，得到各個坐標軸的位置控制指令。

第4章數(shù)控裝置指令位置+插補輸出+Δx2，Δy2-

-位控輸出Δx3，Δy3

+X2新，Y2新實際位置增量Δx1，Δy1

實際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊

X1舊，Y1舊

++

-（5）位置控制位置控制算法原理第4章數(shù)控裝置1）

計算新的指令坐標位置

X2新=X2舊+Δx2; Y2新=Y2舊+Δy22）

計算實際坐標位置

X1新=X1舊+Δx1; Y1新=Y1舊+Δy13）

計算位置控制輸出值

Δx3=X2新-

X1新; Δy3=Y2新–Y1新

位置控制是強實時性任務，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內(nèi)完成。伺服周期可以等于插補周期，也可以是插補周期的整數(shù)分之一。第4章數(shù)控裝置2數(shù)控軟件的特點

（1）多任務與并行處理技術

1）數(shù)控裝置的多任務性

數(shù)控裝置管理控制輸入I/O處理顯示診斷通訊速度處理刀具補償譯碼插補位置控制圖數(shù)控裝置的任務第4章數(shù)控裝置圖分時共享多任務處理方案優(yōu)先級順序顯示其它譯碼I/O刀補位置控制插補運算背景程序背景程序初始化2）多任務并行處理的實現(xiàn)

i）資源分時共享第4章數(shù)控裝置圖各任務占用CPU時間示意圖0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算背景程序第4章數(shù)控裝置ii）

時間重疊流水處理

圖時間重疊流水處理示意圖12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時間t1t2t3t4t5t6時間

a）順序處理b）并行處理空間N3N2N1空間N2N1輸出輸出第4章數(shù)控裝置（2）實時性與優(yōu)先搶占調(diào)度機制

實時性任務是指任務的執(zhí)行有嚴格的時間要求，即必須在系統(tǒng)規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的任務，否則將導致執(zhí)行結果錯誤或系統(tǒng)故障。1）實時性任務的分類2）優(yōu)先搶占調(diào)度機制第4章數(shù)控裝置3數(shù)控軟件的基本結構（1）前后臺型結構模式

前后臺程序的運行關系故障處理；位置控制；插補運算；．．．譯碼；刀補；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺程序前臺程序中斷執(zhí)行第4章數(shù)控裝置（2）中斷型結構模式中斷型結構的數(shù)控軟件系統(tǒng)見圖。

中斷型結構的數(shù)控軟件系統(tǒng)

初始化

中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務程序1級中斷服務程序2級中斷服務程序N級中斷服務程序第4章數(shù)控裝置第4節(jié)

數(shù)控裝置的輸入/輸出接口

數(shù)控機床“接口”指的是數(shù)控裝置與機床及機床電氣控制設備(由繼電器、接觸器組成的強電)之間的電氣連接部分。NC和PLC的接口方式遵循國際標準“ISSO4336-1981(E)機床數(shù)字控制－數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，接口分為四種類型：

第4章數(shù)控裝置1接口的分類第Ⅰ類是與驅(qū)動命令有關的連接電路；第Ⅱ類是數(shù)控系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)和測量傳感路間的連接電路；第Ⅲ類是電源及保護電路：第Ⅳ類是通斷信號和代碼信號連接電路。第4章數(shù)控裝置

主軸驅(qū)動電機數(shù)控裝置

Ⅰ接口分Ⅱ類

Ⅲ

Ⅳ電機速度控制進給主軸驅(qū)動機床坐標軸進給電機操作面板

限位開關機電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉(zhuǎn)臺，換刀裝置等）輔助電機

機床控制設備控制裝置電源控制（變壓器，保護裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳感器激勵位置指示電源連鎖停止命令開/關指令信號第4章數(shù)控裝置2接口的任務1）

進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。2）將數(shù)控裝置和機床之間的信號在電氣上加以隔離。強弱電隔離機床強電部分的干擾信號可能通過連線進入控制部分，引起的控制系統(tǒng)的誤動作，通常使用光電隔離器、脈沖變壓器或繼電器，使數(shù)控裝置和機床之間的信號在電氣上加以隔離。3）數(shù)/模（D/A）或模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路。4）抗衰減和畸變。第4章數(shù)控裝置3常用的輸入輸出接口(1)直流模擬信號接口

a)單極性輸出b)雙極性輸出圖AD7520電壓輸出電路第4章數(shù)控裝置+5V+5V2．2k2.2k1000.1u4．7u

100

a)斯密特觸發(fā)電路b)R—S觸發(fā)器整形電路圖消除觸點抖動的電路斯密特觸發(fā)器第4章數(shù)控裝置(2)以電壓輸入的接收電路:MT

電壓

輸入CNC電平轉(zhuǎn)換電路接收器+5V圖電壓輸入的接收電路第4章數(shù)控裝置+24V+24V

輸出

CNC

a)繼電器輸出b)無觸點輸出圖輸出接口電路CNCCNC第4章數(shù)控裝置

第4章數(shù)控裝置(3)數(shù)控裝置的通信接口通訊接口可用于數(shù)控機床與上級計算機相連接，將CAD/CAM系統(tǒng)生成的數(shù)控代碼直接送到數(shù)控機床中，還可以通過通訊接口將數(shù)控機床中的各種參數(shù)或加工程序送到計算機中保存起來，以便以后使用。RS-232C以位串行方式傳輸數(shù)據(jù)，最大傳輸率20Kbps,用150pF/m容量的多芯電纜，傳輸距離小于15m。兩種連接器DB-25：PC和XT機采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線。DB-9連接器：第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置第4章數(shù)控裝置輸入文件名初始化8520輸入文件名輸入文件名字符？DC1？DC3？結束？

結束第4章數(shù)控裝置第5節(jié)PLC控制

1PLC的基本概念(1)RLC與PLC

第4章數(shù)控裝置

NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元

強電電路機床操作面板MDI/CRT

面板伺服驅(qū)動電機主軸驅(qū)動電機

輔助動作第4章數(shù)控裝置圖內(nèi)裝型PLC結構圖(2)數(shù)控機床上的PLC

獨立型PLC又稱通用型PLC，由CPU、系統(tǒng)程序、用戶程序、輸入/輸出電路、通訊等均設計成獨立的模塊。獨立型PLC與數(shù)控裝置的關系如圖

圖獨立型PLC結構圖

NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元

強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動電機主軸驅(qū)動電機

輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路第4章數(shù)控裝置2PLC編程的基本方法由于PLC的硬件結構不同，功能也不盡相同，程序的表達方法也不同?？删幊绦蜻壿嬁刂破鞯某Ｓ镁幊谭椒ㄓ薪狱c梯形圖法和語句表法。

（1）接點梯形圖梯形圖（LC—LadderDiagram）編程是一種圖形編程方法，由于用了電路元件符號來表示控制任務，與傳統(tǒng)的繼電器電路圖很相似，因此梯形圖很直觀，易于理解。前面提到的電機正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序如圖所示。

第4章數(shù)控裝置

R1支路11.0AE梯級1

支路2120.11.2120.1支路31.1BE R2梯級21.2120.2

支路4120.2

圖電機正反轉(zhuǎn)控制的接點梯形圖第4章數(shù)控裝置（2）語句表語句表也稱指令表（IL—InstructionList），或指令表語言。指令表語言和匯編語言很相似，每條語句包含有一個操作碼部分和一個操作數(shù)部分。操作碼表示功能類型，操作數(shù)表示操作的對象，操作數(shù)由地址碼和參數(shù)組成。若采用指令語句，圖4-27所示的梯形圖程序可表達為：RDA1.0ORR1120.1AND，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，NOTE1.2WRTR2120.2第4章數(shù)控裝置序號

指

令

處

理

內(nèi)

容

1

RD

讀出給定信號的狀態(tài)

2

RD.NOT

讀出給定信號的非狀態(tài)

3

WRT

將運算結果寫入指定的地址單元

4

WRT.NOT

將運算結果的非狀態(tài)寫入指定的地址單元

5

AND

執(zhí)行邏輯與

6

AND.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯與

7

OR

執(zhí)行邏輯或

8

OR.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯或

9

RD.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址信號寫入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址的非信號信號寫入ST0

11

AND.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相與,結果存于ST0

12

OR.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相或,結果存于ST0

第4章數(shù)控裝置3PLC的工作過程（1）PLC的硬件結構圖PLC硬件原理圖CPURAMEPROM用戶程序EPROM系統(tǒng)程序

編程器

電源輸入輸出模塊功能開關和指示器

電池第4章數(shù)控裝置

（2）PLC的工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運行軟件的過程。

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