第4章计算机数控装置

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系统组成框图程序输入设备CNC装置PLC主轴控制单元主轴电机机床位置检测器进给电机速度控制单元I/O信号CNC系统的核心二、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设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...计算机基本系统：CPU通信接口主轴控制输入/输出接口RAMEPROM或E2PROM纸带阅读机接口位置控制CRT或液晶显示接口PLC接口MDI接口2、CNC装置的软件框图CNC装置系统软件管理软件零件程序的输入输出程序显示故障诊断译码刀具补偿计算插补计算速度控制位置控制控制软件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系统的系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......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ＣＮＣ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、准备功能（Ｇ）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/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，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I/O设备计算机主板显示卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统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，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道。)()()(CBDBAB控制总线数据总线地址总线工业用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。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行器件。：用于直接控制功率执交流信号的设备。其它接收、发送模拟量和主轴的伺服控制或：主要用于进给坐标轴模拟量数字量OIOIOI///2）接口电路的主要任务①进行电平转换和功率放大；②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。③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，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(ProgrammableLogicController)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接口板系统总线数字接口光电隔离器件A/DD/A转换调理电路功率放大传感元件功率放大光电隔离器件计数器计数脉冲滤波、倍频整形开关量转换脉冲量转换模拟量转换PLC（ProgrammableLogicController）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。电源模块通信功能人机接口编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数据存储信号处理功能操作者应用程序设计人员机器/过程PLC系统的基本结构外部供电外部设备CNC机床用的PLC一般分为两类：内装型（Built-inType）PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-aloneType）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/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FANUC15系统硬件结构FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元结构特征：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