《现代电气控制与PLC应用技术 教学课件 ppt 作者 袁琦 第9章 计算机数控系统及PLC在数控机床中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代电气控制与PLC应用技术 教学课件 ppt 作者 袁琦 第9章 计算机数控系统及PLC在数控机床中的应用（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 计算机数控系统及PLC在数控机床中的应用,本章主要内容,9.1 数控机床概述,9.2 计算机数控系统,9.3 PLC在数控机床中的应用,9.1 数控机床概述,9.1.1 数控机床的定义,数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的简称，是指用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。 数控机床（NC Machine）是指采用了数字控制技术的机床。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有特定代码或其它符号编码指令规定的程序。具体来说，数控机床是一种采用计算机技术，利用数字进行
2、控制的高效、能自动化加工的机床，它能够按照国际或国家，甚至生产厂家所制造的数字和文字编码方式，把各种机械位移,量、工艺参数（如主轴转速、切削速度）、辅助功能（如刀具变换、切削液自动供停等）用数字、文字符号表示出来，经过程序控制系统，即数控系统的逻辑处理与计算，发出各种控制指令，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。 在被加工零件或加工作业变换时，它只需改变控制的指令程序就可以实现新的控制。所以，数控机床是一种灵活性很强、技术密集度及自动程度很高的机电一体化加工设备，它取代了普通机床的手工操作。,9.1.2 数控机床的工作原理 利用数控机床完成零件数控加工时，首先根据零件的加工图样进行工艺分析，
3、将加工零件的几何形状和工艺信息编制成加工程序，然后通过数控机床的操作面板将程序输入到数控装置，数控装置将指令进行译码、寄存和插补运算后，向各坐标轴的伺服系统发出指令信号，驱动伺服电动机转动，并通过传动机构，使刀具与工件相对位置按加工零件的形状轨迹进行运动，并进行反馈控制，以确保其定位精度。同时通过PLC实现系统其它必要的辅助动作，如自动变速、冷却润滑液的自动开停、工件的自动夹紧、放松以及刀具的自动更换等，配合进给运动完成零件的自动加工。,9.1.3 数控机床的组成 数控机床一般由信息载体、数控系统、伺服系统、检测装置、辅助装置和机床本体六部分组成，如图9-1所示。,图9-1 数控机床的组成,1
4、. 信息载体 信息载体又称控制介质，是人与数控机床之间的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。信息载体可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带或其他可以存储代码的载体 2. 数控系统 数控系统是数控机床实现自动加工控制的核心，是整个数控机床的灵魂所在。数控系统接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、存储、运算、输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。它主要由输入装置、监视器、主控系统、PLC、输入/输出接口等组成。,主控系统由CPU、存储器、控制器等组成。数控系统的主要控制对象是位置、角度、速度等机械量以及温度、压力、流量等物理量，其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中主控制器内
5、的插补模块就是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等处理后，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号的比较，从而控制机床各坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常由PLC来完成，它根据机床加工过程中各个动作要求进行协调，按检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件有条不紊地按顺序工作。,3. 伺服系统 伺服系统以机械位置或角度作为控制对象，是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。它由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率
6、放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。系统的执行元件常用的有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，同时交流伺服电动机正在取代直流伺服电动机。,4. 检测装置 检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测装置的精度决定。通常采用测速发电机或脉冲编码器作为电机转速控制和位置控制的检测元件。根据不同的控制方式，常用的检测元件还有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁性检测元件、霍尔检测元件等。 5. 辅助装置 辅助装置主要包括自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer）、自动
7、交换工作台APC（Automatic Pallet Changer）、工件夹紧放松机构、回转工作台、润滑装置、切削液装置、过载和保护装置等。,6. 机床本体 数控机床的本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如床身、底座、立柱、工作台、导轨等。数控机床与普通机床不同，它的主运动，各个坐标轴的进给运动都由单独的伺服电动机驱动，因此它的传动链短，结构比较简单。普通机床上各个传动链之间有复杂的齿轮联系，在数控机床上则由计算机来协调控制各个坐标轴之间的运动关系。为了保证数控机床的快速响应特性，在数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨副。为了保证数控制机床的高精度、高效率和高自
8、动化加工，机床的机械结构通常具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。数控机床还具有完善的刀具自动交换和管理系统，在加工中心具备刀库和自动交换刀具的机构。数控机床对零件的加工是自动完成的，为了操作安全，一般采用移动门结构的全封闭罩壳，对机床的加工部件进行全封闭。,9.2 计算机数控系统,9.2.1 计算机数控系统的定义 计算机数控系统（Computerized Numerical Control），简称CNC系统，它是在硬件数控的基础上发展起来的，由计算机代替先前的数控装置所完成的功能。因此，CNC系统是一种包含有计算机在内的数字控制系统，根据计算机存储的控制程序执行部分
9、或全部数控功能。依照美国电子协会（EIA）所属的数控标准化委员会的定义，CNC系统是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。在CNC系统中计算机主要用来进行数值和逻辑运算，对机床进行实时控制，只要改变计算机中的控制软件就能实现一种新的控制方式。,9.2.2 CNC系统的组成 数控机床在数字控制系统的控制下，自动按给定的程序进行产品零件加工。CNC系统由程序、输入/输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程序控制器（PLC）、主轴和进给伺服单元、位置检测装置等几部分组成，如图9-2所示。
10、CNC系统的核心是CNC装置。,图9-2 计算机数控系统框图,CNC系统不同于以前的数控NC装置。NC装置由各种逻辑元件、记忆元件等组成数字逻辑电路，由硬件来实现数控功能，是固定接线的硬件结构。现代CNC装置都采用微型计算机，由软件来实现部分或全部功能，具有良好的柔性，容易通过改变软件来更改或扩展系统的控制功能。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件硬件便无法工作，两者缺一不可。,9.2.3 CNC装置的工作过程 CNC装置以存储程序方式工作，它的工作是在硬件支持下，执行软件的全过程，一般情况下CNC装置的工作过程如图9-3所示。它的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的
11、控制。,图9-3 CNC装置的工作过程,1. 信息输入 通过机床面板上的键盘或磁盘、光盘、纸带阅读机等将零件程序、控制参数和补偿数据等信息，输入和存入在CNC装置的内部存储器中。 2. 译码处理 译码处理是在输入的零件加工程序中，CNC装置以一个程序段为单位，将零件的轮廓信息（线型、半径、起终点坐标）、加工速度（F代码）和其他的辅助信息（M、S、T代码等），根据一定的语言规则，解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间。,3. 数据处理 数据处理包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。通常，CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程。刀具补偿的作用是把零件轮
12、廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 速度计算是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。此外，对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。辅助功能如换刀、主轴起停、冷却液开停等大部分都是开关量信号。辅助功能处理主要工作是识别、存储设置标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部件执行相应的动作。,4. 插补运算 数控机床上所加工的大部分工件的轮廓是由直线和圆弧构成的，若轮廓是由其它二次或高次曲线构成时，可采用小段直线或圆弧来逐段拟合，这种拟合的方法就称为插补。因此，所谓的插补就是在一个线段的起点和终点之间进行数据密化。 插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速
13、度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补加工完一个程序段，即完成从程序段起点到终点的“数据密化”工作。 插补可以由硬件实现，也可以用软件完成。早期的NC系统采用数字电路来完成插补，即硬件插补。而CNC系统主要采用软件插补。插补的精度和速度将直接决定数控系统的加工精度和加工速度。因此插补算法的优劣，将直接影响数控系统的性能。,5. 位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环上，位置控制可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，进而控制机床工作台（或刀具）的位移。这样，机床就自动地按照零件加工
14、程序的要求进行切削加工。,9.2.4 CNC装置的功能 CNC装置采用了微型计算机，通过软件可以实现很多功能。CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是可供用户根据机床特点和工作用途进行选择的功能。CNC装置的主要功能包括： 1. 控制轴功能 CNC装置能控制的轴数及能同时控制（即联动）的轴数是主要性能之一。控制轴有移动轴、回转轴、基本轴和附加轴。联动轴可以完成轮廓轨迹加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；铣床需要三轴控制，两轴半联动；加工中心为三轴联动，多轴控制。,2. 准备功能（G功能） 用来指定机床的运动方式。 3. 插补功能 指CNC装置可
15、以实现各种曲线轨迹插补加工的能力，一般数控装置有直线和圆弧插补功能，高档数控装置还有高次曲线插补功能。现代CNC装置一般通过软件进行插补，特别是数据采样插补是当前的主要方法。 4. 进给功能 进给功能反映刀具进给速度。它用F指令直接指定各轴的进给速度或进给率。,5. 刀具功能 它包括能选取的刀具数量和种类、刀具的编码方式、自动换刀的方式，即固定刀位换刀还是随机换刀。 6. 主轴功能 它是用来指定主轴转速。 7. 辅助功能 用来规定主轴的起、停、转向，冷却泵的接通和断开等。 8. 字符显示功能 CNC装置可配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。它可以显示程序、参数、各种补偿量、
16、人机对话编程菜单、零件图形、动态模拟刀具轨迹等。,9. 用于补偿刀具磨损或更换、丝杠螺距误差及反向间隙引起的误差。 10. 固定循环加工功能 将一些典型的循环加工过程，如钻孔、攻螺纹、镗孔、切螺纹等，预先编制好程序并存放在存储器中，用G代码进行指定，从而简化零件的加工编程。 11. 联网及通信功能 CNC装置一般装有RS-232C和分布式计算机数控（DNC）接口，可以进行高速传输，有的CNC装置还能与制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，MAP）相连，进入工厂通信网络，以适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的要求。 12. 人机对话编程功能 包括数据及加工程序的输入、编辑及修改。 总之，CNC数控装置的功能多种多样，而且随着技术的发展，功能越来越丰富。,9.2.5 CNC装置的硬件组成 CNC装置是在硬件的支持下执行软件来进行工作的，其控制功能在很大程度上取决于硬件结构。CNC装置的硬件结构根据控制功能的复杂程度可分为单处理器结构和多处理器结构。经济型数控机床采用单微处理器结构，高档型数控机床通常采用多微处理器结构，以
