{数控加工管理}数控技术讲义4

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1、第四章 计算机数控装置(CNC),内容提要 本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构；CNC装置基本功能的原理及实现方法。,*,1,现代数控技术,在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。,第一节 概 述,*,2,现代数控技术,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量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）

2、两大部分组成的。,. CNC装置的组成,第一节 概 述,*,3,现代数控技术,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。,图3-1 CNC系统硬件的层次结构,. CNC装置的组成,第一节 概 述,*,4,现代数控技术,CNC系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图3-2所示。,. CNC装置的组成,第一节 概 述,*,5,现代数控技术,操作系统,管理软件,控制软件,零,件,程,序,管,理,显,示,处,理,人,

3、机,交,互,交,互,位,置,控,制,输,入,输,出,管,理,插,补,运,算,故,障,诊,断,处,理,速,度,处,理,机,床,输,入,输,出,编,译,处,理,主,轴,控,制,刀,具,半,径,补,偿,.,.,. CNC装置的组成,第一节 概 述,*,6,现代数控技术,. CNC硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图3-3所示。,. CNC装置的组成,第一节 概 述,*,7,现代数控技术,.

4、CNC装置的组成,第一节 概 述,*,8,现代数控技术,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,第一节 概 述,*,9,现代数控技术,具有灵活性和通用性 CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,*,10,现代数控技术,数控功能丰富 插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补 补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、

5、非线性误差补偿等 人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口 编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,*,11,现代数控技术,可靠性高 CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。 许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。 丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,*,12,现代数控技术,使用维护方便 操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。 编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿

6、真功能。 维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,*,13,现代数控技术,易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,*,14,现代数控技术,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

7、际要求选择的功能。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,15,现代数控技术,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。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,16,现代数控技术,准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,17,现代数控技术,插补功能和固定循环功能 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。 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、

8、深孔钻 削和切螺纹等）的功能,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,18,现代数控技术,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。 进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,19,现代数控技术,主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。 主轴转速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。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,20,现代数控技术,主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。

9、 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。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,21,现代数控技术,辅助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。,CNC装置的功能,*,22,现代数控技术,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。,CNC装置的功能,*,23,现代数控技术,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

10、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。,CNC装置的功能,*,24,现代数控技术,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。,CNC装置的功能,第一节 概 述,*,25,现代数控技术,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*。,CNC装置的功能,

11、*,26,现代数控技术,通讯功能 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。,CNC装置的功能,*,27,现代数控技术,第二节 CNC装置的硬件体系结构,一、概述 CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为下面几类:,*,28,现代数控技术,单机系统: 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。 主从结构，系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制

12、和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,一、概述,硬件体系结构,*,29,现代数控技术,多机系统: CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为： 多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。模块之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。 分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间采用松耦合，且

13、采用通讯方式交换信息。,一、概述,*,30,现代数控技术,CNC装置是按模块化设计的方法构造的 模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,31,现代数控技术,实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。 采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,32,现代数控技术,二.

14、单机或主从结构模块的功能介绍,*,33,现代数控技术,计算机主板和系统总线(母板) 计算机主板是CNC装置的核心。 功能结构： CPU及其外围芯片； 内存单元、cache及其外围芯片； 通讯接口(串口，并口，键盘接口)。 软、硬驱动器接口,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,34,现代数控技术,计算机主板的主要作用：对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,35,现代数控技术,系统总线(母板)：由一组传送数字信息的物理导线组

15、成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道： 数据总线 地址总线： 控制总线： 工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,36,现代数控技术,显示模块(显示卡) 显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,37,现代数控技术,在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直

16、观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。 显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,38,现代数控技术,输入/出模块(多功能卡) 它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。 该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是 ALL-IN-ONE 主板，则此板可省略。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,硬件体系结构,*,39,现代数控技术,以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲， CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。,二.单机或主从结构模块的功能介绍,*,40,现代数控技术,电子盘(存储模块) 电子盘是CNC装置