计算机数控系统.ppt

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1、计算机数控系统现在学习的是第1页，共45页4.1 概概 述述n一、一、CNC数控机床数控机床nCNC是数控机床的核心。nCNC数控机床由以下几部分组成：加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。现在学习的是第2页，共45页CNC数控机床的组成框图加工程序输入/输出设备CNC装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置机床现在学习的是第3页，共45页CNC数控机床的组成数控机床的组成现在学习的是第4页，共45页二、二、CNC的组成的组成n从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动

2、轴)的位移量、速度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。n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。它们二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。n硬件是基础，软件是灵魂。现在学习的是第5页，共45页 CNC系统平台系统平台硬硬件件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNCCNC装置的组成装置的组成CNC系统平台系统平台硬硬件件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件

3、应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNC系统平台系统平台硬硬件件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .现在学习的是第6页，共45页n 该平台有以下两方面的含义：该平台有以下两方面的含义：q提供CNC系统基本配置的必备功能；q在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。CNCCNC装置的组成

4、装置的组成现在学习的是第7页，共45页CNC的硬件系统组成框图的硬件系统组成框图CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线现在学习的是第8页，共45页CNC的软件系统组成框图系统软件管理软件程序输入输出显示诊断控制软件刀具补偿速度控制插补运算位置控制译码现在学习的是第9页，共45页三、三、CNC的工作过程的工作过程n工作过程工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。n包括：n1加工程序的输入n2译码n3刀具补偿 n4对进给速度进行处理 n5插补 n6位置处理 n7/处理 n8显示 n9诊断CNC单元

5、 现在学习的是第10页，共45页四、四、CNC的功能的功能nCNC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。n基基本本功功能能数控系统基本配置的功能，即必备功能；n选选择择功功能能用户可根据实际要求选择的功能。现在学习的是第11页，共45页1对轴数的控制功能n控制功能控制功能n CNC能控制和能联动控制的进给轴数。nCNC的进给轴分类：n 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）；n 基本轴和附加轴（U、V、W）。n联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。现在学习的是第12页，共45页2点位运动与移动功能(G功能)准备功能（准备功

6、能（G G功能）功能）指令机床动作方式的功能。如：基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。现在学习的是第13页，共45页3插补功能n插补功能插补功能n插补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。现在学习的是第14页，共45页4固定循环加工功能n固定循环功能固定循环功能n固定循环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、深孔钻削和切螺纹等）的功能。现在学习的是第15页，共45页5进给功能(F功能)n进给功能进给功能n进给速度的控制功能。n进进给给速速度度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。n同同步

7、步进进给给速速度度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r。n快快速速进进给给速速度度 一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速。n进进给给倍倍率率（进进给给修修调调率率）人工实时修调预先给定的进给速度。现在学习的是第16页，共45页6主轴的转速功能n主轴功能主轴功能n 数控系统的主轴的控制功能。n主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能，单位为r/min。n恒线速度控制恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。n主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。nC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。n主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的

8、主轴转速。现在学习的是第17页，共45页7刀具功能及工作台分度功能n刀具管理功能刀具管理功能n实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。n刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使用；n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；nCNC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。现在学习的是第18页，共45页8辅助功能(M功能)n辅助功能（辅助功能（M M功能）功能）n 用于指令机床辅助操作的功能。n如：主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。现在学习的是第19页，共45页9补偿功能n补偿功能补偿功能q刀刀具具半半径径和和长长度度补补

9、偿偿功功能能：实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。q传动链误差：传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。q非非线线性性误误差差补补偿偿功功能能：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。现在学习的是第20页，共45页10字符和图形显示功能n人机对话功能人机对话功能n在CNC装置中这类功能有：n菜单结构操作界面；n零件加工程序的编辑环境；n系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。现在学习的是第21页，共45页11自诊断功能n自诊断功能自诊断功能nCNC自动实现故障预报和故

10、障定位的功能。n开机自诊断；n在线自诊断；n离线自诊断；n远程通讯诊断。现在学习的是第22页，共45页12输入、输出和通信功能n通讯功能通讯功能n CNC与外界进行信息和数据交换的功能。nRS232C接口，可传送零件加工程序，nDNC接口，可实现直接数控，nMAP(制造自动化协议)模块，n网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。现在学习的是第23页，共45页13程序编制功能n手工编程n背景（后台）编程 n自动编程n利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工。现在学习的是第24页，共45页五、五、CNC的特点的特点n1具有比NC更高

11、的柔性n2具有良好的通用性 n3数控功能不断增强和扩展 n4可靠性越来越高 n5方便了系统的维修和使用 n6易于实现机电一体化 现在学习的是第25页，共45页n硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的硬件是构成计算机数控装置的基础，它决定了数控装置的基本功能基本功能nCNCCNC系统硬件的层次结构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。由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。4.2 CNC的硬件结构的硬件结构现在学习的是第26页，共45页n分类：分类：1.按电路板的插接方式可分为按电路板的插接方式可分为大板式结构大板式结构和和功能模块功能模块式结构式

12、结构；2.按微处理器的个数可分为按微处理器的个数可分为单微处理器结构单微处理器结构和和多微处多微处理器结构理器结构；3.按按CNC装置的开放程度可分为装置的开放程度可分为封闭式结构封闭式结构、PC嵌入嵌入NC式结构式结构、NC嵌入嵌入PC式结构式结构和和软件型开放式结构软件型开放式结构。现在学习的是第27页，共45页2.3.2 CNC结构 1、大板式结构、大板式结构 CNC装置可由装置可由主主电路板、位置控制电路板、位置控制板、板、PLC板、图形板、图形控制板和电源单元控制板和电源单元等组成，插在大印等组成，插在大印刷电路板上的插槽刷电路板上的插槽内而共同构成内而共同构成CNC装置。装置。大板

13、式结构示意图大板式结构示意图 n一、大板式结构一、大板式结构和和功能模块式结构功能模块式结构现在学习的是第28页，共45页FANUC 6MB结构示意图结构示意图 现在学习的是第29页，共45页2.3.2 CNC结构 将整个CNC装置按功能的不同划分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，用户只需按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，并将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的CNC系统控制装置。特点：可以积木式组成CNC，设计简单、有良好的适应性和扩展性，试制周期短、调整维护方便、效率较高。2、模块式结构现在学习的是第30页，共45页功能模块式结构的全功能型数控车床

14、系统框图功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图 现在学习的是第31页，共45页1.单微处理器的CNCn单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。n单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床的控制部分。n二、二、单微处理器结构和多微处理器结构现在学习的是第32页，共45页CPU外部存储设备接口RS-232接口人机交互接口选件接口RO

15、MRAMPLC接口位控单元位控单元位控单元位控单元速度控制单元D/A转换电路MMMMM、S、T微机系统机床的控制部分 X轴 Y轴 Z轴 主轴总线典型的单微处理器典型的单微处理器装置结构框图装置结构框图现在学习的是第33页，共45页单微处理器CNC特点n CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。n 微处理器通过总线与存储器、输入/输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。n 结构简单，易于实现。现在学习的是第34页，共45页2.多微处理器的多微处理器的CNCn 多微处理器多微处理器CNC的优点的优点 n 较高的性价比；较高的性价比；n

16、适应能力强；适应能力强；n 可靠性高；可靠性高；n 易于组织规模化生产。易于组织规模化生产。现在学习的是第35页，共45页 多微处理器的多微处理器的CNC主要功能模块主要功能模块n CNC管理模块管理模块；n CNC插补模块插补模块；n 位置控制模块位置控制模块；n PLC模块模块；n 人机接口模块人机接口模块；n 存储器模块存储器模块。现在学习的是第36页，共45页 多微处理器的CNC结构 n共享总线结构共享总线结构n在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。n共享存储器结构共享存储器结构

17、n在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。现在学习的是第37页，共45页共享总线结构框图CNC管理模块（CPU）主存储器模 块操作面板显示模块CNC插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块总线现在学习的是第38页，共45页共享存储器结构框图插补（CPU2）来自机床的控 制 信 号输到机床的控 制 信 号轴控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共

18、享存储器现在学习的是第39页，共45页三、CNC的接口n纸带的光电阅读机接口n输入/输出（I/O）接口n进行必要的信号隔离n进行电平转换和功率放大n数/模和模/数转换n通信接口现在学习的是第40页，共45页n软件与硬件在实现各种功能的特点和关系软件与硬件在实现各种功能的特点和关系关系关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实：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。现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。特点：特点：n硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难

19、。n软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。n软件、硬件实现功能的分配就是软件、硬件实现功能的分配就是软件硬件功能界面划分。软件硬件功能界面划分。n功能界面划分的准则：系统的性能价格比功能界面划分的准则：系统的性能价格比4.3 CNC的软件结构的软件结构现在学习的是第41页，共45页输 入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件 软件和硬件的功能界面几种划分软件和硬件的功能界面几种划分 1CNC的软、硬件界面现在学习的是第42页，共45页2CNC的软件结构特点n CNC装置的多任务并行处理 CNC的任

20、务并行处理示意图的任务并行处理示意图输入显示控制I/O诊断译 码刀具补偿速度处理位置控制插 补现在学习的是第43页，共45页 前后台型软件结构前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序译 码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台程序运行关系图现在学习的是第44页，共45页前后台型结构模式的特点任务调度机制:优优先先抢抢占占调调度度和和循循环环调调度度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓缓冲冲区区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实实时时性性差差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。现在学习的是第45页，共45页