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1、第5章 数控原理与系统,5.1 数控系统的基本原理与结构 5.2 插补原理 5.3 刀具补偿原理 5.4 数控系统的接口 5.5 辅助机能控制与PLC 本章要点,下页,5.1数控系统的基本原理与结构,一、数控系统的基本原理 数控技术(Numerical Control-NC)是一种自动控制技术，是利用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。 计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的具体动作。 计算机数控技术的工作过程： （1） 输入 （2） 译码 （3） 数据处理 （4） 插补 （5） 伺服控制 （6） 管理程序,返回,上页,下页,5.1 数
2、控系统的基本原理与结构,二、数控系统的结构 数控系统一般包括输入/输出 (I/O)装置、数控装置、驱动控制装置、机床电逻辑控制装置四部分。（图5-1计算机数控系统的组成） （一）数控系统硬件 1. 单CPU结构(图5-2) CNC装置特点 （1）对存储、插补计算等集中控制分时处理 （2）CPU通总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。 （3）结构简单，容易实现。 （4）进给速度容易受较大影响 2. 多CPU结构（图5-3） 特点 （1）运算速度快，性价比高 （2）适应性强，扩展容易 （3）可靠性高 （4） 硬件易于规模生产。,返回,上页,下页,计算机数控系统由软件和硬件共同完成
3、，它具有数控系统一般组成形式的各个部分，可以通过键盘方式输入和编辑数控加工程序，通过通讯方式输入其它计算机CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序,返回,上页,下页,它采用集中控制，分时处理数控的每一个任务。,返回,上页,下页,在多CPU结构的CNC装置中有两个或两个以上CPU构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，资源共享。,返回,上页,下页,5.1 数控系统的基本原理与结构,（二）数控系统软件 1. 多任务并行处理 目前CNC系统的硬件中，广泛采用资源重复并行处理关系。（如图5-4） 2 . 实时中断处理 CNC装置的多任务和实时性的要求决定了中断处理为必不可少的组成
4、部分。中断管理主要靠硬件完成，中断结构则决定了其软件的结构。,返回,上页,下页,5.2 插补原理,一、数控加工系统的输入与译码 （一）数控加工程序的输入 1. 输入过程-通过相应的输入装置将信息输入数控系统中 2.键盘输入方式 3.计算机通信输入方式 （二）数控加工程序的译码过程（如图5-6） 1 代码的识别一般先把ISO代码或EIA代码组成的排列规律不明显的代码按基本功能转化成具有一定规律的数控内部代码。 2 功能码的处理经过代码识别建立各种功能代码的标志，然后要分别对各功能代码进行处理。,返回,上页,下页,功能码的处理过程： 首先建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的结果缓冲器，对于具体的C
5、NC系统，存储器的格式和规模是不变的。,5.2 插补原理,返回,上页,下页,5.2 插补原理,二、点位/直线切削控制原理 直线控制系统的结构（图5-7） 位置计算与比较的实现方法 （1）减法计算 在位置计数器中预置给定的位移量，坐标移动时进行减法计算。 （2）比较计算 将给定的位移量存入指令寄存器，坐标移动时位置计数器以零开始进行加法计算，两者相比较，在计数值与给定值相符时停止进给。 位置计算与比较的软件控制流程如图5-8所示,返回,上页,下页,点位/直线切削控制系统有较完善的进给，主轴转速、刀具选择及辅助技能的寄存与控制。一般采用液脉冲马达或功率步进电机驱动完成。,5-7 点位/直线切削控制
6、系统的结构框图,返回,上页,下页,第一次判别G90/G91，若为增量方式，则为G91方式的减法计数器预置数。 第二次判断G90/G91标志是为区分绝对值方式和增量方式，每走一步运算一次，每次都要判别是否需要降速，以保证准确定位。,5-8 位置计算与比较的软件控制流程图,返回,上页,下页,5.2 插补原理,三、轮廓控制切削原理 轮廓控制系统能对刀具与工件相对位移的轨迹进行连续控制，能加工出曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件。其核心装置就是插补器。 插补器的功能是按给定的尺寸和加工速度用脉冲信号使机床进给走任意斜线和圆弧。 （一）逐点比较法（如图5-9） 1.逐点比较法直线插补原理 （1）偏差判别
7、（2）坐标进给 （3）偏差计算 （4）终点判别 2. 逐点比较法圆弧插补原理,返回,上页,下页,逐点比较法原理是计算机在控制加工过程中，能逐点的计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要的工件，用步进电机拖动机床，其进给十步进式，查补器控制机床各个坐标，每走一步要完成四个节拍。如图5-9,图5-9 逐点比较法的工作节拍,返回,上页,下页,（二）数字积分插补法 数字积分法又称为数字微分分析器（DAA-Digital Differential Analyzer），它可实现一次、二次曲线的插补，易于实现多坐标联动，适用范围较广。 1.数字积分法直线插补原理 2.圆弧插补原理 （三）数
8、据采样插补 数据采样插补用小段直线来逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，不需要每走一步脉冲当量插补一次，从而达到很高的进给速度。 数据采样插补的具体算法有多种，如时间分割法、拓展DDA法，双DDA法。,5.2 插补原理,返回,上页,下页,5.3 刀具补偿原理,数控的刀补功能，用来修正程序规定的值与刀具实际切削成形值之差。 一、刀具长度补偿 刀具长度补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架中心轨迹之间的转换。 二、刀具半径补偿 1.刀具半径补偿的概念及过程 在实际处理过程中，刀具半径补偿的执行过程分为刀补的建立、刀补的进行和撤销三个步骤。 （1）刀补的建立-刀具接近工件，刀具
9、中心轨迹的终点在法线方向上偏移一个刀具半径的距离。 （2）刀具补偿进行-一旦建立刀补，则刀补状态一直维持到刀补撤销。 （3）刀具补偿撤销-刀具运行到轮廓线的终点，用G40指令撤销刀补命令。,返回,上页,下页,5.4数控系统的接口,一、接口解决的问题 从功能角度去分，接口电路解决的问题有两类。 1. 单台机床内部各部件之间的信息交换问题 2. 机床与机床之间或机床与计算机之间的信息交换问题。 二、接口分类规范 “机床/数控接口”国际标准指出了数控装置，电气控制设备与机床之间的接口范围，他们共分为四类，如图5-17. A、B类接口交换的信息是数控装置与驱动电动机，位置、速度检测之间的控制信号。 C
10、类接口以电源变压器为中心，有各种电气设备将电能按要求转变成机床工作需要的动作。 D类接口信息是数控装置与外部电器元件之间的输入输出信号，对现代数控机床而言，这类信号大多有可编程控制器来控制。,返回,上页,下页,5.4 数控系统的接口,三、接口的实现 1.接口实现的任务 CNC系统和机床之间的来往信号，要通过I/O接口电路连接起来，该接口电路的主要任务是： （1）进行电平转化和放大 （2）为防止干扰信号引起误动作。 2.接口实现的方法 在数控装置的I/O接口中，应用较多的是直流数字信号。 （1） 数控系统的输入接口电路（图5-19） （2） 数控系统的输出接口电路（图5-20） 四、通信接口,返
11、回,上页,下页,A与驱动有关的联动电路 B数控装置与测量系统及其传感器间的连接电路。 C-电源及保护电路 D开关信号和代码信息连接电路,图5-17 机床/数控接口分类,返回,上页,下页,图5-19 触点输入的接收电路,输入接口是接收机床操作面板的各开关，按钮信号及机床的各种限位开关信号。触点输入信号是从机床送入数控系统的信号，要消除其抖动，可通过触发器对输入波形进行整形处理。,返回,上页,下页,图5-20 继电输出电路,输出接口是将各种机床工作状态的信息送到机床操作面板，把控制机床动作信号送到强电柜，因此有继电器输出电路和无触点输出电路。 如图5-20所示，当数控装置有信号输出时，开关三极管导
12、通，输出为低电平，此时在继电器线圈上形成压差，有电流产生，继电器动作，反之，继电器不动作。,返回,上页,下页,5.5 辅助机能控制与PLC,可控编程器是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。 一、可编程控制器的原理与工作过程（图5-21） 中央处理器-可直接使用微处理器来实现，它通过输入模块采入现场信息，并按用户规定逻辑进行处理，然后将结果输出去控制外围设备。 存储
13、器-用于存放系统程序、用户程序和工作数据。 输入/输出模块式-PLC运行过程中与现场之间的桥梁，它一方面将现场信号转换成标准的逻辑电平信号，另一方面将PLC内部逻辑信号电平转换成外部执行元件要求的信号。 编程器用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。 电源单元将外部提供的交流电转变为可变控制器内部所需要的直流电源，有的还提供DC24V输出。,返回,上页,下页,图5-21 小型PLC内部结构示意图,它由中央处理器、存储器、输入/输出单元，编程器、电源和外围设备等组成，并且内部通过总线相连。 PLC在上述硬件环境下，还必须要有相应的执行软件配合工作。 PLC内部一般采用扫描工作方式工作，用户将软件
14、用编程器写入PLC的用户程序存储器中，并将现场信号和被控制的执行元件相应的连接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，通过PLC的控制开关时期处于运行工作状态，接着PLC就以顺序扫描的工作方式进行工作。,返回,上页,下页,5.5 辅助机能控制与PLC,二、可控制编程器的功能与特点 可编程是PLC的基本特点，对于不同的控制对象，应用与传统的继电器控制相似的梯形图编程方式。 三、数控机床中的可编程控制器 PLC在CNC中有内装型和独立型之分。图5-22是内装型PLC的CNC框图。其特点是： PLCCNC统一设计，结构紧凑、性价比高； PLC与CNC共用CPU或有独立的CPU，功能有所区别； PLC
15、与CNC通常装在一个机箱里。 数控机床中独立型PLC本身是一个控制器，是一个完整的系统。其特点是使用灵活；要进行PLC与CNC装置I/O联结，控制功能更强大。,返回,上页,下页,图5-22 内装型PLC的CNC框图,返回,上页,下页,5.5 辅助机能控制与PLC,四、M、S、T功能的实现 1. M功能的实现 M 功能又称辅助功能，其代码用“M”后跟2位数表示。根据M代码的编程，可控制住周的正反转和主轴变速等。 2. S 功能实现 S功能主要完成主轴转速的控制。S4位代码编程是指S代码后4位十进制来指定主轴转速。 3. T功能的实现 T功能即刀具功能，T代码后跟随2-5位数字表示刀具号和刀具补偿号。图5-23所示为采用固定存取换刀控制方式的T功能处理框图。,返回,上页,下页,图5-23 T功能处理框图,数控程序中T代码指令经译码处理后，将信息传送给PLC，在PLC中找到T代码指定刀号对应的刀具编号，然后与目前刀号相比，如相同，返回原处。如不同，首先将主轴上的现行刀具归还到自己的固定的刀座上，然后回转刀库，进行比较计算直至新的刀具位置与要换的刀号相同。,返回,上页,下页,
