《现代数控加工设备 教学课件 ppt 作者 周兰 常晓俊编 第二章 机床数控系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代数控加工设备 教学课件 ppt 作者 周兰 常晓俊编 第二章 机床数控系统（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 机床数控系统,概 述 机床数控系统硬件 机床数控系统软件 数控机床与可编程控制器（PLC）,学习导论,本章以机床数控系统为主线，介绍数控系统的硬件和软件。通过本章的学习，可以掌握机床数控系统的基本构成、机床数控系统的工作原理、数控系统常见的硬件结构形式、数控系统常用的软件结构模式以及数控机床用可编程控制器的结构、工作原理、常见类型及与数控系统的连接方式等。本章还对FANUC数控系统、SIEMENSE数控系统进行了较为详细的介绍。,概 述,一 、机床数控系统的组成（1）,机 床 数 控 系 统 一 般 由 输 入 输 出 装 置 、 数 控 装 置（CNC装置） 、 可编程控制器（PLC
2、）、主轴驱动装置 、 进给驱动装置、机 床 电 器 逻 辑 控 制 装 置 等部 分 组 成，如图所示。,数控系统组成图例,一 、机床数控系统的组成（2）,输入装置 输入装置将数控加工程序等各种信息输入数控装置。 通过键盘方式输入和编辑数控加工程序； 通过通信方式输入其他计算机程序编辑器、自动编程器、CADCAM系统或上位机所提供的数控加工程序。 高档的数控装置本身已包含一套自动编程系统或CADCAM系统，只需采用键盘输入相应的信息，数控装置本身就能生成数控加工程序。,一 、机床数控系统的组成（3）,数控装置 CNC装置采用了微型计算机式微处理器，它靠执行存储软件来实现很多功能。CNC装置的功
3、能通常分为两类： 一类是基本功能，如控制功能、插补功能、辅助功能（M代码）、主轴速度功能、进给功能、刀具功能、准备功能（G代码）、自诊断功能、第二辅助功能等； 另一类是选择功能，如固定循环功能、补偿功能、通信功能、其他的准备功能（G代码）、人机对话编程功能、图形显示功能等。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。,一 、机床数控系统的组成（4）,数控系统实现的功能（1）： 控制功能 是指数控系统能够控制的以及能够同时控制的轴(坐标)的数量。一般加工中心都必须对三轴或三轴以上的轴（坐标）进行控制，同时控制轴数不低于两轴（即两轴联动）。 主轴功能 也称主轴转
4、速功能即S功能。它是用来指令机床主轴转速（切削速度）的功能，用地址S及其后的数字来表示，目前有S2位和S4位之分。 准备功能 也称G功能（或G代码），它是用来指令机床动作方式的功能，用地址G及其后的数字来指令机床动作。,一 、机床数控系统的组成（5）,数控系统实现的功能（2）： 辅助功能 也称M功能，它是用来指令机床辅助动作及状态的功能，用地址M其后面的数字宋表示。 刀具功能 是用来选择刀具的功能，用地址T及其后面的数字表示。 进给功能 是用来指令坐标轴的进给速度的功能，用地址F及其后面的数字来表示。在1SO中规定F1F5位。 第二辅助功能 是用来指令工作台进行分度的功能，用地址B及其后面的三
5、位数字来表示。 插补功能 CNC系统通过软件进行插补。一般数控装置都有直线和圆弧插补，高档数控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、正弦插补等。,一 、机床数控系统的组成（6）,数控系统实现的功能（3）： 自诊断功能 CNC装置设置了各种诊断程序，在故障出现后可迅速查明故障类型及位置，减少故障停机时间。 固定循环功能 在CNC装置中，将一些典型的加工工序（如钻孔、镗控等）预先编入程序并存储在存储器中，形成固定循环功能。,一 、机床数控系统的组成（7）,数控系统实现的功能（4）： 补偿功能 一是刀具长度、刀具半径和刀尖圆弧的补偿，这些功能可以补偿刀具磨损以便换刀时对准正确位置；二是工艺量
6、的补偿，包括坐标轴的反向间隙补偿、进给传动件的传动误差补偿、进给齿条齿距误差补偿、机件的温度变形补偿等。 通信功能 CNC装置通常具有RS232接口，有的还具备DNC接口，可用数据格式输入，也可用二进制格式输入，进行高速传输。有的CNC系统还可以与MAP（制造自动化协议）)相连，接入通信网络，适应FMS和CIMS的要求。,二、机床数控系统的基本原理（1）,数控系统的工作流程 编程人员在编制好零件程序后，由操作人员输入至数控装置，存储在数控装置的零件程序存储区内。加工时，操作者用菜单命令调入需要的零件程序到加工缓冲区。数控装置采样到来自控制面板的“循环启动”指令后，即对加工缓冲区内的零件程序进行
7、自动处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），加工出符合图样要求的零件。数控机床的工作流程可用图表示 。,数控机床的工作流程图,二、机床数控系统的基本原理（2）,程序的存储 CNC系统一般在计算机的存储器中开辟一个零件程序区，输入时将零件整个加工程序一次送入存储区。零件加工程序在零件程序存储区中连续存放，段与段之间、程序与程序之间不留任何空间。零件程序存储区中设有一个零件程序目录表和取程序指针单元，该指针单元的内容永远指向下一步存入或取出单元的地址。,程序输入和读出示意图例,二、机床数控系统的基本原理（3）,译码 译码程序的主
8、要功能是将零件加工程序翻译成便于数控系统计算机处理的格式，其中包括数据信息和控制信息。,二、机床数控系统的基本原理（4）,刀具半径补偿 刀具半径补偿分为两种类型：刀具半径左补偿和刀具半径右补偿。 沿着加工方向，当刀具位于工件左侧时称为刀具半径左补偿。如用某数控系统加工工件时，用G41指令调用时表示刀具半径左补偿； 沿着加工方向，当刀具位于工件右侧时，称为刀具半径右补偿。如用某数控系统加工工件时用G42指令调用时表示刀具半径右补偿。刀具半径补偿的类型如图所示,刀具半径补偿示意图例,二、机床数控系统的基本原理（5）,刀具半径的补偿，一般分三步进行： 建立刀具半径补偿 如图所示，刀具由起刀点以进给速
9、度接近工件，刀具中心在法线方向与待加工工件偏离一刀具半径。偏置方向由数控系统的左补偿、右补偿指令确定。 执行刀具半径补偿 一旦建立刀补，刀具中心轨迹始终偏离程序描述轨迹一个刀具半径值，直到取消刀补为止。 取消刀具半径补偿 刀具撤离工件，回到退刀点，由数控系统的取消刀具半径补偿指令确定。退刀点应位于零件轮廓之外，可以与起刀点相同，也可以不相同。,刀具半径补偿建立示意图例,二、机床数控系统的基本原理（6）,直线B刀补计算 如图所示，在直角坐标系中，OA是加工工件的直线轮廓，O，A，是刀具中心轨迹，直线刀补的计算，就是要建立 O，A，的直线方程。,二、机床数控系统的基本原理（7）,圆弧B刀补计算 如
10、图所示，在所建立的直角坐标系中，圆弧AB为工件轮廓，A，B，为刀具中心轨迹，二者之间是相差刀具半径R的同心圆弧。,二、机床数控系统的基本原理（8）,C刀具补偿 能自动地处理两段程序之间的刀具中心轨迹的转接，编程人员仍然完全按工件轮廓编程。 如图所示为直线与直线各种转接进行左刀补的情况，编程轨迹为OAAF。,C刀补示意图例,机床数控系统硬件,一、单微处理器结构（1）,单微处理器数控系统 以微处理器（CPU）为核心，CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接，采用集中控制，分式处理的工作方式，完成数控加工中各个任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能控制总线，其它的CP
11、U只是附属的专用智能部件，不能控制总线，不能访问主存储器。它们之间构成主从结构，也属于单微处理器结构。如图所示为单微处理器数控装置典型框图。,单微处理器数控装置典型框图例,一、单微处理器结构（2）,单CPU结构的CNC装置具有如下特点： CNC系统内只有一个CPU，对所有的数控功能和管理功能，诸如数控加工程序的输入、数据预处理、插补计算、数据输入输出、位置控制、人机交互处理和诊断等功能都只有依靠它集中控制，分时处理。 CPU通过总线与存储器、各种接口（包括纸带阅读机等输入设备接口、开关量接口、MDI/CRT接口）、位置控制器等相连，构成CNC系统。 结构简单，容易实现。 因为只有单CPU集中控
12、制，其功能将受到微处理器字长、数据寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此进给速度受到较大的影响,二、多微处理器结构（1）,多微处理器 由两个或两个以上的CPU构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个CPU都可享用系统公用存储器或IO接口，并分担一部分数控功能，从而将单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作，转变为多微处理器并行、同时完成的工作，因而大大增强了整个系统的性能。,二、多微处理器结构（2）,多微处理器结构CNC装置的基本功能模块（1） CNC管理模块 具有管理和组织整个CNC系统工作过程的职能。例如系统初始化、中断管理、总线裁决、系统
13、出错识别和处理、系统软硬件诊断等。 CNC插补模块 对工件加工程序进行译码、刀具补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理工作。然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，向各个坐标轴发出位置指令值。 位置控制模块 将插补后的坐标位置指令值与位置检测单元反馈回来的实际位置值进行比较，并进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，得到速度控制的模拟电压，驱动进给电动机。,二、多微处理器结构（3）,多微处理器结构CNC装置的基本功能模块（2） PLC模块 对加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，如机床电气设备的起动与停止、刀具交换、
14、回转台分度、工件数量和运行时间的计算等。 数据输入输出和显示模块 包括加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入（如通过纸带阅读机、键盘或上级计算机等）和输出（如通过打印机、纸带穿孔机等）以及显示（如通过CRT、液晶显示器等）所需要的各种接口电路。 存储器模块 既可以是存放程序和数据的主存储器，也可以是各功能模块间传送数据用的共享存储器。,二、多微处理器结构（4）,多微处理器结构的特点（1） 计算处理速度高 多微处理机结构中的每一个微处理器完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序，并行运行，比单微处理机提高了计算处理速度。它适应多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统共享资源，性
15、能价格比也较高。 可靠性高 由于系统中每个微处理器分管各自的任务，形成若干模块插件，模块更换方便，可使故障对系统影响减到最小。共享资源省去了重复机构，不但降低造价，也提高了可靠性。,二、多微处理器结构（5）,多微处理器结构的特点（2） 有良好的适应性和扩展性 多微处理机的CNC装置大都采用模块化结构。可将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC装置，使设计简单，有良好的适应性
16、和扩展性。 硬件易于组织规模生产 一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新软件就可构成不同的CNC装置，便于组织硬件规模生产，保证质量，形成批量。,二、多微处理器结构（6）,多微处理器结构CNC装置的典型结构（1） 共享总线结构 以系统总线为中心，把组成CNC装置的各种功能模块划分为带有CPU的各种主模块和不带CPU的各种从模块，如RAMROM模块或IO模块是从模块，管理模块、控制模块、插补模块是主模块。所有主、从模块共享是严格定义的标准系统总线。,共享总线示意图例,二、多微处理器结构（7）,多微处理器结构CNC装置的典型结构（2） 共享存储器结构 是面向公共存储器来没计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互联和通讯，同共享总线结构一样，该系统在同一时刻也只能允许有一主模块对多端口存储器进行访问（读写），所以，也必须有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。但由于多端口存储器设计较复杂，而目对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，降低系统效率，给扩展功能造成困难，所以一般采用双端口存储器（双端口RAM）。,共享存储器结构示意
