计算机数控装置概述1

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1、第三章 计算机数控装置,第一节 概述,一、CNC系统的组成 数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行零件的加工。,数控系统由：,程序、输入输出设备 计算机数字控制装置 可编程控制器 主轴驱动装置 进给驱动装置等组成,CNC系统组成框图,二、CNC装置的组成,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）两大部分组成的。,1、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,计算机基本系统：,2、CNC装置的软件框图,3、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

2、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系统的系统平台,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。,三、CNC装置的功能,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。,CNC装置的功能通常包括：,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际要求选择的功能,CNC装置的主要功能有：,1、控制功能 指装置能够控制的以及能够同时控制联动的轴数。,控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。联动轴数越多，CNC装置的功能越强，加工的零件越复杂。,2、准

3、备功能（）,用来指令机床动作方式的功能。,3、插补功能,主要用于对零件轮廓加工的控制；一般有直线插补和圆弧插补,还可以有2次曲线和样条曲线的插补等.,4、固定循环加工功能,是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能-可以简化编程.,5、进给功能,（1）切削进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。 （2）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。 （3）快速进给速度:G00-可以通过面板来改变. （4）进给倍率-可以通过面板来改变 人工实时修调预先给定的进给速度,6、主轴功能,（1）指定主轴转速 主轴转速的控制功能，单位为r

4、/min。S*; （2）设置恒定线速度 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 为了提高加工工件的表面质量. （3）主轴准停 主轴周向定位于特定位置控制的功能。-换刀,7、辅助功能(M),主要用于指定主轴的正、反转、停止、冷却液的打开或关闭，换刀等动作。,8、刀具功能 T,用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的地址。,9、补偿功能,刀具长度及半径补偿； 丝杆的螺距误差和反向间隙误差的补偿； 可以在加工前输入到机床的存储单元里,10、字符图形显示功能,用于显示程序、零件图形、人机对话编程菜单和故障信息等。,11、通信功能,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

5、序， 网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。,12、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。,13、人机对话编程功能,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。,第二节 CNC装置的硬件结构,按其中含有CPU的多少来分: 单微处理器结构 多微处理器结构,单微处理器：,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。,系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件

6、，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。,多微处理器结构：,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。,经济型数控装置一般采用单微处理器机构 高级型CNC装置常采用多微处理器结构,一、单微处理器结构的CNC装置,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

7、提供模块间互联的信号通路。,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。,1、计算机主板和系统总线(母板),计算机主板是CNC装置的核心。 包括：,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,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。,系统总线(母板)：,由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机

8、系统内部进行数据或信息交换的通道。,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。,2、显示模块(显示卡),显示卡的主要作用是接收来自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。,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

9、。,3、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。,1）I/O信号的分类及接口电路的任务,2）接口电路的主要任务, 进行电平转换和功率放大； 防止噪音引起误动作。-抗干扰 光电耦合器或继电器将CNC与机床信号在电器上加以隔离。 数字量与其它量之间的转换-A/D,D/A,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，

10、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。,4、存储模块,在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：,系统软件、系统固有数据； 系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数， 轴的定义，系统增益等) 用户的零件加工程序,计算机领域所用存储器件有三类：,磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。 光存储器件，如：光盘（只读）。 电子（半导体）存储器件，如 RAM、ROM、FLASH等。 前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低,在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可

11、靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。,电子存储器件按其读写性能来分：,只读存储元件（ROM、PROM、EPROM） 易失性随机读写存储元件（RAM）。 非易失性读写存储元件。这类器件有E2PROM； FLASH；带后备电池的RAM。,5、PLC(Programmable Logic Controller) 模块,PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。 PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,CNC装置与被控设备交换的信息有三类：,开关信号 模拟信号 脉冲信

12、号,上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。,PMC模块实现方式有以几种：,简单I/O接口板,PLC（Programmable Logic Controller）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。,CNC机床用的PLC一般分为两类：,内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。 独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,6、位置控制模块,位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。,常用的位置控制模块有：,开环位置控制

13、模块：CNC装置与步进电机驱动电源的接口； 闭环（含半闭环）位置控制模块： CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。,7、 功能接口模块,实现用户特定功能要求的接口板， 实例： 仿形控制器接口； 激光加工焦点自动跟踪器接口； 刀具监控系统中的信号采集器接口板。,8、单微处理器结构特点:,（1）集中控制分时处理； （2）CPU通过总线与存储器、I/O相连，构成CNC装置； （3）结构简单，容易实现。,二、 多微处理器结构的CNC装置,多主CPU结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信

14、息交换。,特点：,能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。 容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作,1、多处理机CNC装置的基本功能模块,CNC管理模块 CNC插补模块 位置控制模块 PLC模块 操作与控制数据输入/输出和显示模块 存储器模块,（1）CNC管理模块,系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断等。,（2）CNC插补模块,译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等预处理，插补运算。,（3）位置控制模块,自动加减速，回基准点，伺服系统滞后量的监视和漂移补偿等。,（4）PLC模块,（5）MDI/CRT、I/

15、O模块； （6）存储器模块。,2、多微处理器结构CNC装置的典型结构,共享总线型 共享存储器型,（1）总线共享型结构,多微处理器共享总线结构框图,FANUC 15系统硬件结构,结构特征：,功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块) 以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上 采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题,支持多微处理器系统的总线结构都设计有总线仲裁机构，常用的方式有：,串行总线仲裁连接方法,串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置决定的。 某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可

16、使用总线。同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。,并行总线仲裁框图,并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方案。这种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。大部分系统采用公共存储器方式。,共享总线结构的优点,结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高,共享总线结构的缺点,总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响； 由于使用总线要经仲裁，使信息传输率降低,第三节 CNC装置的软件结构,CNC装置的软件是为了完成CNC数控机床的各项功能而专门设计和编制的，是一种专用软件，其结构取决于软件的分工，也取决于软件本身的工作特点。,一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系,关系： 从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。,特点：,硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难； 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。,软件、硬件实现功能的分配：,功能界面划分的准则,系统的性能价格比,二、 CN