第二章 計算機數(shù)控系統(tǒng).ppt

1、1,第二章 計算機數(shù)控系統(tǒng),2,面板控制單元,主軸電機,進給伺服電機,電子手輪,I/O模塊 I：INPUT，輸入，指輸入設備。O：OUTPUT，輸出，指輸出設備。,機床控制面板,CNC鍵盤,驅(qū)動系統(tǒng),.1 概述,3,第一節(jié) CNC系統(tǒng)的基本組成,一.CNC系統(tǒng)的基本組成與作用 NC:電子管,晶體管,集成電路為特征 CNC:小型計算機,微處理器,工控PC為特征的 軟件數(shù)控系統(tǒng). 1.數(shù)控系統(tǒng)的基本組成： CNC裝置,PLC,輸入輸出裝置,主軸控制單元和主軸伺服電動機,伺服控制單元和進給伺服電動機,位置檢測裝置. 2.數(shù)控系統(tǒng)的作用 接收信息并數(shù)字化,進行運算和處理,然后發(fā)出指令,使刀具實現(xiàn)相對運

2、動,完成加工過程.,4,系統(tǒng)的基本配置,5,CNC裝置與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，具有下述一些特點： 1）靈活性：改變相應程序即可補充和開發(fā)新的功能 2）可靠性：許多功能由軟件來實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)元件大 為減少，系統(tǒng)可靠性大大改善 3）通用性：硬件系統(tǒng)采用模塊結，依靠軟件變化來滿 足大部分數(shù)控機床的要求 4）易于實現(xiàn)許多復雜的功能： 刀具偏移，公英制轉換，固定循環(huán)，插補功能，刀具補嘗等 5）使用維修方便制轉換：具有診斷程序，減少維修時間；具有數(shù)控軟件檢查程序，給編程帶來方便；具有對話編程、藍圖編程功能，使編程簡便；可空運行檢驗程序是否正確,二、CNC系統(tǒng)的特點：,6,第二節(jié)裝置的組成及功能,一、CNC裝

3、置的組成及作用 .CNC裝置的組成： ）CNC系統(tǒng)主要由數(shù)控程序、輸入輸出設備、CNC裝置、PLC、主軸驅(qū)動和伺服驅(qū)動裝置等組成。其核心是CNC裝置。 ）CNC裝置由硬件和軟件組成，CNC裝置硬件除了具有一般計算機的微處器()、可編程只讀存儲器()、隨機存儲器()、總線、輸入輸出(/)接口外，還具有專用接口和部件，即位置控制器、信接口、手動數(shù)據(jù)輸入()接口和視頻顯示()接口因此，裝置是一種專用計算機,7,第二節(jié)裝置的組成及功能,.系統(tǒng)的作用 ）中央處理單元() 是的核心，是實施對整個系統(tǒng)的運算、 控制和管理 ）存儲器：存放數(shù)據(jù)、參數(shù)和程序等 只讀存儲器(、EPROM、EEPROM) 和隨機存儲

4、器() ）總線(): 內(nèi)部總線：-100、 等； 外部總線：串行總線(-)和并行總線 (-)兩種,8,第二節(jié)裝置的組成及功能,按信息線的性質(zhì)分為以下三種： (）數(shù)據(jù)總線:與外界傳送數(shù)據(jù)的通 道，是雙向線; (2)地址總線:確定傳輸數(shù)據(jù)的存放地址，是 單向總線； (）控制總線：管理、控制信號的傳送，是 單向總線 ）輸入輸出接口：主要用來交換數(shù)控裝置與外部之間的往來信息,9,第二節(jié)裝置的組成及功能,交換的信息有三類：開關量信號、模擬量信號、 數(shù)字信號 其目的是：電平轉換，功率放大；電氣隔離； ）位置控制器：主要完成對數(shù)控機床進給運動 坐標軸的位置控制 ）/接口：完成手動數(shù)據(jù)輸入和將信息顯示在上 ）

5、接口：完成與裝置的信 息交換,10,二裝置的工作過程,CNC系統(tǒng)的工作流程,.程序的流程,11,二裝置的工作過程 （1） 程序輸入； （2） 譯碼； （3） 刀具補償； （4） 進給速度處理； （5） 插補運算處理； （6） I/O處理 主要處理CNC系統(tǒng)與機床之間的強電信號的輸入、輸出和控制（如換刀、換檔、冷卻等）； （7） 位置處理； （8） 顯示； （9） 自診斷處理。 CNC系統(tǒng)的工作過程是依靠軟件在硬件的支持下進行的。,12,三裝置的功能,CNC系統(tǒng)的功能包括：基本功能和選擇功能。 基本功能是CNC系統(tǒng)的必備功能； 選擇功能可由供用戶根據(jù)不同機床的工作特點和用途進行選擇。,13,主要

6、功能如下： 1. CNC系統(tǒng)的基本功能 控制功能 指CNC能夠控制和能夠聯(lián)動控制的進給軸數(shù)目。 控制軸有：移動軸和回轉軸；基本軸和附加軸。 控制軸特別是聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復雜，編程也越困難。,14, 準備功能 即G功能，用來指令機床的動作方式，包括機床基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標設定、刀具補償、基準點返回、固定循環(huán)、公英制轉換等指令。,15, 插補功能 所謂插補功能指數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓加工軌跡運算的功能。即以最小的逼近誤差，沿著指定線段的起點和終點在其之間進行數(shù)據(jù)點的密化工作。 一般CNC系統(tǒng)僅具有直線和園弧插補功能，而較為高檔的CNC系統(tǒng)備有拋物線插補、極坐標插補、正弦

7、線插補、螺旋線及樣條曲線插補等功能。 插補運算方法常采用逐點比較法，數(shù)字積分法等。,16, 進給功能 即F功能，用來指令各軸的進給速度，主要有以下三種： 切削進給速度 每分鐘刀具相對于工件的進給量，單位為mm/min； 同步進給速度 實現(xiàn)切削速度與進給速度的同步，即主軸每轉的進給量，單位為mm/r，主要用于加工螺紋；,17, 進給倍率 用于人工實時修調(diào)進給速度。即通過操作面板上的進給倍率波段開關以每檔10%的間隔在0200%之間對預先設定的進給速度實現(xiàn)實時修調(diào)。 主軸功能 即S功能，用于指定主軸的轉速，單位是r/min。,18, 輔助功能 即M功能，用于指令機床輔助操作的功能，如主軸的啟停、正

8、反轉、冷卻液泵的通、斷，刀庫的起、停等。 刀具功能及工作臺分度功能 刀具功能即T功能，用來選擇刀具； 工作臺分度功能即B功能，用于分度工作臺的分度。,19, 人機對話功能 CNC系統(tǒng)可配置9in單色或14in彩色CRT，通過軟件和接口實現(xiàn)字符和圖形顯示?？娠@示程序、參數(shù)、各種補償量、坐標位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形、動態(tài)刀具軌跡等，以方便用戶的操作和使用。,20,(9) 自診斷功能 CNC系統(tǒng)中設置有故障診斷程序，以防止故障的發(fā)生和擴大，在故障出現(xiàn)后，可以迅速查明故障的類型和部位，便于及時排除故障，減少故障停機時間。有的CNC系統(tǒng)還可以進行遠程通信診斷。,21,2. 選配功能 補

9、償功能 包括刀具長度和半徑補償功能，傳動鏈誤差補償功能，主要用于補償因刀具的磨損或更換，傳動絲杠螺距誤差和反向間隙引起的誤差。,22, 固定循環(huán)功能 在數(shù)控加工過程中，有些加工工序如鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等所需完成的動作循環(huán)十分典型，而且是多次重復進行，因此預先將這些典型的循環(huán)動作編好程序，存儲在存儲器中，用G代碼進行定義形成固定循環(huán)功能，在加工時可直接使用這類G代碼，完成這些典型的動作循環(huán)，大大簡化編程工作。,23, 通訊功能 它是CNC系統(tǒng)與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。 通常CNC系統(tǒng)都配有RS232C接口，設有緩沖存儲器，可與上級計算機進行通信，傳送零件的加工程序，有的還備

10、有DNC接口，以利實現(xiàn)直接數(shù)控，更高檔的系統(tǒng)還可以與MAP（制造自動化協(xié)議）相連，接入工廠的通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)FMS、CIMS等大制造系統(tǒng)集成的要求。,24, 自動在線編程功能 有些CNC系統(tǒng)可按零件藍圖直接自動編程，操作或編程人員只需送入圖樣上簡單幾何數(shù)據(jù)等命令，就能自動生成加工程序。 有的CNC系統(tǒng)可進行在線人機對話式編程，并具有自動工序選擇、自動刀具和切削條件選擇等智能功能。,25,思考題,1 何謂數(shù)控系統(tǒng)? NC系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)有何區(qū)別? NC:電子管,晶體管,集成電路為特征的硬件數(shù)控系統(tǒng) CNC:小型計算機,微處理器,工控PC為特征的軟件數(shù) 控系統(tǒng). 2 CNC系統(tǒng)的基本組成有哪些? C

11、NC裝置,PLC,輸入輸出裝置,主軸控制單元和主軸伺服電動機,伺服控制單元和進給伺服電動機,位置檢測裝置 ,26,思考題,3 CNC系統(tǒng)的功能有哪些? 1）CNC系統(tǒng)的基本功能 控制功能 準備功能 插補功能 進給功能 主軸功能 輔助功能 刀具功能及工作臺分度功能 人機對話功能 (9) 自診斷功能 2）CNC系統(tǒng)的選配功能 補償功能 固定循環(huán)功能 通訊功能 自動在線編程功能,27,思考題,4 簡述CNC系統(tǒng)的工作過程。 1） 程序輸入； （2） 譯碼； （3） 刀具補償； （4） 進給速度處理； （5） 插補運算處理； （6） I/O處理 主要處理CNC系統(tǒng)與機床之間的強電信號的 輸入、輸出和控

12、制（如換刀、換檔、冷卻等）； （7） 位置處理； （8） 顯示； （9） 自診斷處理。,28,第三節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結構 CNC系統(tǒng)的基本硬件結構通常由微機基本系統(tǒng)、人機界面接口、通信接口、進給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功能(MST)控制接口等部分組成,29,一、單微處理機結構和多微處理機結構,1、單微處理機結構 整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC功能。 主從結構，系統(tǒng)中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統(tǒng)的資源有控制和使用權，其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。

13、即它是處于以從屬地位的，故稱之為主從結構。,第三節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結構,30,2、多微處理機結構 在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理機，CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。 特點： 能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能。 容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作 結構形式：共享總線結構型、共享存儲器結構型。,第三節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結構,31,從機床來的控制信號,輸出到機床的控制信號,/ (),共享儲存器,插補 (),軸控制 (), (),32,FANUC

14、15系統(tǒng)硬件結構,第三節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結構,共享總線型結構,33,第四節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結構,一、裝置軟件與硬件的功能界面 .裝置由軟件與硬件組成 .硬件能完成的功能用軟件也可以完成 .硬件處理速度快，但造價較高，實現(xiàn)復雜控制功 能比較困難 .軟件設計靈活，適應性強，但處理速度較慢 .較少且標準化程度較高的軟件，配以功能豐富的 軟件構成裝置，硬件設計好后基本不變， 而；軟件功能不斷升級,34,第四節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結構,二、CNC系統(tǒng)軟件的組成 CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。,35,第四節(jié) CNC系統(tǒng)的軟件結構,三裝

15、置軟件的特點和結構分類 .裝置軟件的特點： ）多任務并行處理 ）多重實時中斷處理,36,、CNC裝置軟件的結構分類 目前CNC系統(tǒng)軟件的結構有以下幾種： 前后臺型結構 這種模式將系統(tǒng)軟件劃分為前臺程序和后臺程序. 前臺程序主要完成插補運算、位置控制、故障診斷、PLC控制等實時性很強的任務，它是個實時中斷服務程序，以一定周期定時發(fā)生，中斷周期一般小于10ms。,37,后臺程序也稱背景程序，用來完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入輸出、插補預處理(譯碼、刀補處理、速度預處理)等弱實時性任務，它是一個循環(huán)運行的程序，在其運行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷。 前后臺程序的運行關系見圖-

16、3所示 :,38,圖-3前后臺程序運行關系圖,39,前后臺型結構的特點: 這種結構的任務調(diào)度機制在前后臺程序之間，前臺程序是優(yōu)先搶占式的。 在前、后臺程序內(nèi)部，各子任務則采用順序調(diào)度，無搶占機制，因而該結構實時性差，早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結構。,40, 中斷型結構 這種結構除初始化程序外，整個系統(tǒng)的各個任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，由中斷管理系統(tǒng)對各級中斷服務程序?qū)嵤┱{(diào)度管理，如圖-所示。,41,圖- 中斷型軟件系統(tǒng)結構圖,42,中斷型結構的特點: 該結構中任務的調(diào)度機制均采用優(yōu)先搶占調(diào)度，因此系統(tǒng)的實時性好，但中斷級別較多(最多可達8級)，模塊關系復雜，耦合度大，不利于對

17、系統(tǒng)的維護和擴充。20世紀 80至90年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結構。 ）功能模塊軟件結構 每一模塊都是一個微處理器系統(tǒng)，可以互相通信,43,作業(yè)：,.系統(tǒng)的核心是() .程序.輸入輸出設備 .裝置.可編程控制器 ()是的核心 .存儲器 .總線.接口 .()屬于裝置的基本功能 .插補功能.補嘗功能 .固定循環(huán)功能通信功能 .()屬于裝置的輔助功能 .控制功能.準備功能 .進給功能.補嘗功能,44,作業(yè)：二班,.對加工中心自動換刀的管理是用()來控制 . PLC B . ATC C . APC D. CAM 6.數(shù)據(jù)總線是()，地址總線是() 雙向總線單向總線 雙向總線或單向總線以上都不是

18、.低速輔助信息由()處理和輸出 、CNC B、 PLC C 、 NC D、以上都不是 8.刀具補償包括刀具() 長度補償半徑補償 長度補償和半徑補償以上都不是 .刀具功能用來選擇刀具，用字母及其后續(xù)的()數(shù)字來表示兩位兩位或四位 四位六位,45,第五節(jié)在中的應用,一可編程控制器：是一種用于工業(yè)環(huán)境，可儲存和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等特定功能的用戶指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程的可編程數(shù)字控制系統(tǒng) :可編程邏輯控制器 :可編程接口控制器三班 :可編程機器控制器 :可編程順序控制器 在數(shù)控領域內(nèi)人們習慣稱其為可編程邏輯控制器 （）或可編程

19、機器控制器（）。,46,第五節(jié)在中的應用,在數(shù)控領域內(nèi)的分類： ）內(nèi)裝型:是為數(shù)控設備順序控，制而設計制造的專用，一般不能獨立工作,主軸驅(qū)動單元,強電電路,機床操作面板,/面板,輔助動作,主軸驅(qū)動單元,伺服驅(qū)動單元,伺服驅(qū)動單元,/ 電路, ,47,一班,）獨立型:又稱通用型，是獨立于裝置的，其具有完備的硬件和軟件功能， 能夠獨立完成規(guī)定的控制任務,48,二在數(shù)控系統(tǒng)中的應用,.、機床間的信息交換 ）的信號; 2） 的信號; 3）機床的信號； ）機床的信號; .數(shù)控機床中的功能 ）主軸功能; 2)刀具功能； ）輔助功能,49,第六、七節(jié)開放式數(shù)控系統(tǒng)和典型系統(tǒng)簡介,從1952年世界上第一臺數(shù)控

20、機床誕生以來，數(shù)控技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展日趨完善，已由最初的硬件數(shù)控（NC）經(jīng)過計算機數(shù)控（CNC），發(fā)展到以微型計算機為基礎的數(shù)控（MNC)、直接數(shù)控（DNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS)等，并朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場全球化的發(fā)展，市場競爭空前激烈，對制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價格低,質(zhì)量好，而且要求交貨時間短，售后服務好，好要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來越不能滿足市場發(fā)展的需要。新的環(huán)境要求CNC進一步向開放式控制系統(tǒng)轉化。,50,開放式數(shù)控系統(tǒng)和典型系統(tǒng)簡介,一什么是開放式數(shù)控系統(tǒng)？目前尚未形成統(tǒng)一的定義，但一般認為認為開放式數(shù)控

21、系統(tǒng)應具有下列特征： 模塊化：具有高度模塊化的特征。采用分布式控制原則。采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級式的控制結構，其構造是可移植和透明的。 標準化：“開放”是在一定規(guī)范下的開放，并非毫無約束的開放。需要制定一個標準來約束各類機床控制器的研發(fā)。 可再次開發(fā)：應當允許用戶進行第二次開發(fā)。根據(jù)需要可方便地實現(xiàn)重構、編輯，以便實現(xiàn)一個系統(tǒng)多種用途。 臺無關性：開放時體系結構中各模塊相互獨立，系統(tǒng)廠、機床廠及最終用戶都能夠很容易地獨立開發(fā)一系列專用功能和其他有個性的模塊。為此要有方便的支持工具，控制程序設計按系統(tǒng)子系統(tǒng)模塊三級進行，各模塊接口協(xié)議要明確。,51,開放式數(shù)控系統(tǒng)和典型系統(tǒng)簡介,適應網(wǎng)絡操作方

22、式： 作為開放式控制器應當考慮到迅速發(fā)展的網(wǎng)絡技術及其在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用。要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，一邊各相對獨立的功能模塊通過通信實現(xiàn)信息交換，滿足實時控制需要。 總之所謂開方式數(shù)控系統(tǒng)應是一個模塊化、可重構、可擴充的軟硬件控制系統(tǒng),52,開放式數(shù)控系統(tǒng)和典型系統(tǒng)簡介,二開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點： .可互操作性： .可移植性： .檔次皆誼性： .可互補性： 三典型系統(tǒng)簡介 數(shù)控系統(tǒng) SIEMENS數(shù)控系統(tǒng) 3華中數(shù)控系統(tǒng) 廣州數(shù)控系統(tǒng),53,數(shù)控系統(tǒng),日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)具有高質(zhì)量、高性能、全功能，適用于各種機床和生產(chǎn)機械的特點，在市場的占有率遠遠超過其他的數(shù)控系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 （1）系統(tǒng)在設計中大量采用模塊化結構。這種結構易于拆裝，各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。 字串5 （2）具有很強的抵抗惡劣環(huán)境影響的能力。其工作環(huán)境溫度為045，相對濕度為75。 （3）有較完善的保護措施。FANUC對自身的系統(tǒng)采用比較好的保護電路。 （4）FANUC系統(tǒng)所配置的系統(tǒng)軟件具有比較齊全的基本功能和選