數(shù)控技術(shù)第6章課件

1、第6章 數(shù) 控 系 統(tǒng) 6.1 數(shù) 控 裝 置 6.1.1 概 述1. CNC系統(tǒng)的組成 圖6.1 CNC系統(tǒng)的組成框圖6.1.1 概 述2. CNC裝置的工作過程（1）輸入（2）譯碼（3）刀具補償 （4）進給速度處理（5）插補（6）位置控制（7）I/O接口（8）顯示（9）診斷6.1.1 概 述3、CNC裝置的功能 CNC裝置的功能是指它滿足不同控制對象各種要求的能力，通常包括基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，如控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能、字符顯示功能和自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據(jù)不同機床的特點和用途進行選擇的功能，如補償功能、固

2、定循環(huán)功能、通訊功能和人機對話編程功能等。6.1.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 1. 單微處理機硬件結(jié)構(gòu)（1） 微處理器和總線（2）存儲器 （3） I/O接口 （4）MDICRT接口 （5） 位置控制模塊 （6） 可編程控制器（PLC）6.1.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2. 多微處理機硬件結(jié)構(gòu)6.1.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)多微處理機硬件結(jié)構(gòu)的CNC裝置具有以下特點：1）計算處理速度高 多微處理機硬件結(jié)構(gòu)中每一個微處理器完成系統(tǒng)指定的一部分功能，獨立執(zhí)行程序，并行運行，因而比單微處理機硬件結(jié)構(gòu)提高了計算處理速度。2）可靠性高 多微處理機硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個模塊完成自己的任務(wù)。模塊拆裝方便，將

3、故障對系統(tǒng)的影響減到最小。共享資源不僅節(jié)省了重復(fù)機構(gòu)，降低了成本，而且也提高了系統(tǒng)可靠性。3）有良好的適應(yīng)性和擴展性 多微處理機硬件結(jié)構(gòu)按其功能可由以上各種基本功能的硬件模塊組成，其相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件結(jié)構(gòu)中。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工業(yè)標準，彼此可以進行信息交換。模塊化結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)不僅設(shè)計簡單，而且有良好的適應(yīng)性和擴展性。 6.1.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3. 開放式CNC系統(tǒng)圖6.5 單元PC機結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)圖6.6 分層式多微處理機結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)6.1.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 1. CNC裝置的軟件組成 圖6.7 CNC裝置軟件組成6.1.3 CNC裝置的

4、軟件結(jié)構(gòu)2. CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)特點（1）多任務(wù)并行處理（2）實時中斷處理3. CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) （1）前后臺型軟件結(jié)構(gòu)（2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)6.1.4 CNC裝置的插補原理“插補”實質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計算出刀具的一系列加工點、完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補工作的裝置稱為插補器。 根據(jù)插補所采用的原理和計算方法的不同，目前應(yīng)用的插補方法分為兩類：脈沖增量插補和數(shù)字增量插補。（1）脈沖增量插補（2）數(shù)字增量插補 6.1.5 CNC裝置的刀具補償與加減速控制 1. CNC裝置的刀具補償（1）刀具長度補償 （2）刀具半徑補償 CNC裝置的加減速控制 （1）前

5、加減速控制（2）后加減速控制 6.1.6 數(shù)控系統(tǒng)中的PLC在數(shù)控機床上采用PLC代替繼電器控制，使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度和可靠性大大提高。在數(shù)控機床、加工中心等自動化程度高的加工設(shè)備和生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，PLC是不可缺少的控制裝置。 6.1.6 數(shù)控系統(tǒng)中的PLC2. PLC基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6.28 通用型PLC的硬件基本結(jié)構(gòu)6.1.6 數(shù)控系統(tǒng)中的PLC3. PLC在數(shù)控機床控制中的應(yīng)用CNC給PLC的信息主要是M、S、T等輔助功能代碼。（1）M、S、T功能的實現(xiàn) 1）M功能的實現(xiàn) PLC完成的M功能是多樣的。根據(jù)不同的M代碼，可以控制主軸正反轉(zhuǎn)或停止，主軸齒輪箱的變速，

6、冷卻液的開、關(guān)，卡盤的夾緊與松開，以及自動換刀裝置機械手取刀、歸刀等運動。 2）S功能的實現(xiàn) S用來指定主軸轉(zhuǎn)速。CNC裝置將S代碼送入PLC。經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、譯碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、限位控制和DA變換，最后送給主軸電動機伺服系統(tǒng)。3）T功能的實現(xiàn)自動換刀控制方式有固定存取換刀方式和隨機存取換刀方式，它們分別采用刀套編碼制和刀具編碼制。對于刀套編碼的T功能處理過程是：CNC裝置送出T代碼指令給PLC，PLC經(jīng)過譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的新刀號所在的數(shù)據(jù)表的表地址，并與現(xiàn)行刀號進行判別比較，如不符合，則將刀庫回轉(zhuǎn)指令發(fā)送給刀庫控制系統(tǒng)，直到刀庫定位到新刀號位置時，刀庫停止回轉(zhuǎn)，并準備換刀。 6.

7、1.7 CNC系統(tǒng)的接口電路CNC系統(tǒng)接口電路的主要任務(wù)如下：（1）電平轉(zhuǎn)換和功率放大 （2）防止干擾引起誤動作 （3）數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換 （4）防止信號畸變 6.1.7 CNC系統(tǒng)的接口電路2. CNC系統(tǒng)的I/O接口（1）直流輸入信號接口電路（2）直流輸出信號接口電路3. CNC系統(tǒng)的串行通訊接口6.2數(shù)控檢測裝置6.2.1 概述1. 對位置檢測裝置的要求 （1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強；（2）在機床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求；（3）使用維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；（4）成本低。 6.2.1 概述2 檢測裝置的分類位置檢測裝置按檢測方式分

8、類直接測量光柵、感應(yīng)同步器、編碼盤間接測量編碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器按測量裝置編碼方式分類增量式測量光柵、增量式光電碼盤絕對式測量接觸式碼盤、絕對式光電碼盤按檢測信號的類型分類數(shù)字式測量光柵、光電碼盤、接觸式碼盤模擬式測量旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁柵6.2.2 光柵1. 光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理6.2.2 光柵如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度，使兩塊光柵的刻線相交，當平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為莫爾條紋。 6.2.2 光柵2. 光柵位移數(shù)字變換電路6.2.3 光電脈沖編碼器1. 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理 1光源；2圓光柵；3指示光柵；

9、4光敏元件；5軸；6連接法蘭；7防護罩；8電路板圖6.40 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)組成示意圖6.2.3 光電脈沖編碼器2. 光電脈沖編碼器的應(yīng)用光電脈沖編碼器在數(shù)控機床上用于數(shù)字比較的伺服系統(tǒng)中作為位置檢測裝置，將檢測信號反饋給數(shù)控裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有兩種方式：一種是適應(yīng)帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。另一種是適應(yīng)有計數(shù)控制和計數(shù)要求的計數(shù)器，形成方向控制信號和計數(shù)脈沖。6.3數(shù)控伺服系統(tǒng) 6.3.1 概述伺服系統(tǒng)的組成圖6.43 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.3.1 概述2. 對伺服系統(tǒng)的基本要求（1）精度高 （2）穩(wěn)定性好 （3）快速響應(yīng) （4）調(diào)

10、速范圍寬 （5）低速大轉(zhuǎn)矩 3. 伺服系統(tǒng)的分類 可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 6.3.2 伺服電動機伺服電動機（簡稱伺服電機）為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。 交流伺服電機及工作特性在交流伺服系統(tǒng)中一般采用同步型交流伺服電機和異步型交流感應(yīng)伺服電機。交流異步（感應(yīng)）伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動系統(tǒng)中；交流同步伺服電機可方便地獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機構(gòu)特性和很寬的調(diào)速范圍，在電源電壓和頻度固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的，主要用在進給驅(qū)動系統(tǒng)中。 6.3.2 伺服電動機2. 直線電機直線運動系統(tǒng)傳統(tǒng)的驅(qū)動電

11、機為旋轉(zhuǎn)電機，經(jīng)過機械轉(zhuǎn)換裝置將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。 隨著電機技術(shù)、材料科學(xué)和自動控制學(xué)科的發(fā)展，直線電機的優(yōu)越性越來越充分地體現(xiàn)出來。直線電機用于數(shù)控伺服系統(tǒng)中，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高定位精度、實現(xiàn)高速直線運動，乃至平面運動。 6.3.3 速度控制速度控制系統(tǒng)是數(shù)控伺服系統(tǒng)中的重要組成部分，它由速度控制單元、伺服電機、速度檢測裝置（由速度傳感器、信號處理電路和軟件組成）等構(gòu)成。速度控制主要是完成對伺服電機的調(diào)速和穩(wěn)速。（1）主軸與進給驅(qū)動的同步控制 該功能使數(shù)控機床具有螺紋（或螺旋槽）加工能力。（2）準?？刂?在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進行高精度的準確位置停止。（3）角度分度控制

12、角度分度有兩種情況：一是固定的等分角位置控制，二是連續(xù)的任意角度控制。 （4）恒線速度控制 為了保證端面加工的表面質(zhì)量，要求主軸具有恒線速度切削功能。 6.3.3 速度控制交流進給運動的速度控制（1）交流伺服電機的調(diào)速方法 （2）正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal PWM）變壓變頻器 2. 交流進給驅(qū)動的速度控制交流進給驅(qū)動系統(tǒng)采用永磁交流同步伺服電機。 3. 交流主軸驅(qū)動的速度控制4. 交流伺服電機的矢量控制6.3.4 位置控制位量控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證位置精度的環(huán)節(jié)。作為一個完整概念，位置控制包括：位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)，具有位置控制環(huán)的系統(tǒng)才是真正完整意義的伺

13、服系統(tǒng)。數(shù)控機床進給系統(tǒng)就是包括了三環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。位置控制按結(jié)構(gòu)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類；按工作原理分為相位控制、幅值控制和數(shù)字控制等類。 6.3.4 位置控制位置控制的基本原理位置控制環(huán)是伺服系統(tǒng)的外環(huán)，它接收數(shù)控裝置插補器每個插補采樣周期發(fā)出的指令，作為位置環(huán)的給定。同時還接收每個位置采樣周期測量反饋裝置測出的實際位置值，然后與位置給定值進行比較（給定值減去反饋值）得出位置誤差，該誤差作為速度環(huán)的給定。 6.3.4 位置控制2. 數(shù)字脈沖比較位置控制伺服系統(tǒng)（1）數(shù)字脈沖比較位置控制系統(tǒng)的組成 圖6.66 數(shù)字脈沖比較位置控制的半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 6.3.4 位置控制3. 全數(shù)字控制伺服系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，數(shù)控伺服系統(tǒng)向著交流全數(shù)字化方向發(fā)展。 復(fù) 習 題6.1 簡述CNC裝置的工作過程及主要功能。6.2 CNC裝置的單微處理機硬件結(jié)構(gòu)由幾部分組成？這種結(jié)構(gòu)有什么特點？6.3 CNC裝置的多微處理機硬件結(jié)構(gòu)由幾種功能模塊組成？該結(jié)構(gòu)有什么特點？6.4 開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征是什么？6.5 CNC裝置的軟件由幾部分組成？CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)有何特點？6.6 加工第一象限直線OE，起點，終點，采用逐點比較法插補，試寫出插補計算過程并繪制插補軌跡。6.7 何謂刀具長度補償？何謂刀具半徑補償？ 6.8 CNC