計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)4.1概述一、CNC數(shù)控機(jī)床CNC是數(shù)控機(jī)床的核心。CNC數(shù)控機(jī)床由以下幾部分組成：加工程序、輸入/輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、主軸驅(qū)動裝置、進(jìn)給驅(qū)動裝置和機(jī)床。第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天CNC數(shù)控機(jī)床的組成框圖加工程序輸入/輸出設(shè)備CNC裝置可編程控制器主軸驅(qū)動裝置進(jìn)給驅(qū)動裝置機(jī)床第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

CNC數(shù)控機(jī)床的組成第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天二、CNC的組成從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。它們二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由軟件來實(shí)現(xiàn)部分或大部分?jǐn)?shù)控功能。硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......CNC裝置的組成CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

該平臺有以下兩方面的含義：提供CNC系統(tǒng)基本配置的必備功能；在平臺上可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和開發(fā)。CNC裝置的組成第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天CNC的硬件系統(tǒng)組成框圖CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口總線第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天CNC的軟件系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)軟件管理軟件程序輸入輸出顯示診斷控制軟件刀具補(bǔ)償速度控制插補(bǔ)運(yùn)算位置控制譯碼第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天三、CNC的工作過程工作過程就是指在硬件的支持下，軟件完成控制功能的過程。包括：1．加工程序的輸入2．譯碼3．刀具補(bǔ)償4．對進(jìn)給速度進(jìn)行處理5．插補(bǔ)6．位置處理7．Ｉ/Ｏ處理8．顯示9．診斷CNC單元

第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天四、CNC的功能CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能?；竟δ堋獢?shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1．對軸數(shù)的控制功能控制功能

——

CNC能控制和能聯(lián)動控制的進(jìn)給軸數(shù)。CNC的進(jìn)給軸分類：移動軸（X、Y、Z）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C）；基本軸和附加軸（U、V、W）。聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2．點(diǎn)位運(yùn)動與移動功能(G功能)準(zhǔn)備功能（G功能）

——

指令機(jī)床動作方式的功能。如：基本移動、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、基準(zhǔn)點(diǎn)返回和固定循環(huán)等。第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天3．插補(bǔ)功能插補(bǔ)功能——

插補(bǔ)功能是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運(yùn)算的功能。第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天4．固定循環(huán)加工功能固定循環(huán)功能——

固定循環(huán)功能是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能。第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天5．進(jìn)給功能(F功能)進(jìn)給功能——進(jìn)給速度的控制功能。進(jìn)給速度——

控制刀具相對工件的運(yùn)動速度，單位為mm/min。同步進(jìn)給速度——

實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，單位為mm/r?？焖龠M(jìn)給速度——

一般為進(jìn)給速度的最高速度，它通過參數(shù)設(shè)定，用G00指令執(zhí)行快速。

進(jìn)給倍率（進(jìn)給修調(diào)率）——人工實(shí)時修調(diào)預(yù)先給定的進(jìn)給速度。第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天6．主軸的轉(zhuǎn)速功能主軸功能——

數(shù)控系統(tǒng)的主軸的控制功能。主軸轉(zhuǎn)速——主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位為r/min。恒線速度控制——刀具切削點(diǎn)的切削速度為恒速的控制功能。主軸定向控制——主軸周向定位于特定位置控制的功能。C軸控制——主軸周向任意位置控制的功能。主軸修調(diào)率——人工實(shí)時修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天7．刀具功能及工作臺分度功能刀具管理功能——實(shí)現(xiàn)對刀具幾何尺寸和壽命的管理功能。刀具幾何尺寸（半徑和長度），供刀具補(bǔ)償功能使用；刀具壽命是指時間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r，CNC系統(tǒng)將提示用戶更換刀具；CNC系統(tǒng)都具有刀具號（T）管理功能，用于標(biāo)識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天8．輔助功能(M功能)輔助功能（M功能）——

用于指令機(jī)床輔助操作的功能。如：主軸起停、主軸轉(zhuǎn)向、切削液的開關(guān)或刀庫的起停等。第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天9．補(bǔ)償功能補(bǔ)償功能刀具半徑和長度補(bǔ)償功能：實(shí)現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙誤差補(bǔ)償功能。非線性誤差補(bǔ)償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術(shù)進(jìn)行建模，利用模型實(shí)施在線補(bǔ)償。第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天10．字符和圖形顯示功能人機(jī)對話功能在CNC裝置中這類功能有：菜單結(jié)構(gòu)操作界面；零件加工程序的編輯環(huán)境；系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天11．自診斷功能自診斷功能——

CNC自動實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能。開機(jī)自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠(yuǎn)程通訊診斷。第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天12．輸入、輸出和通信功能通訊功能——CNC與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。RS232C接口，可傳送零件加工程序，DNC接口，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控，MAP(制造自動化協(xié)議)模塊，網(wǎng)卡：適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求。第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天13．程序編制功能手工編程背景（后臺）編程自動編程利用CAM系統(tǒng)，可以在線完成和修改零件的三維模型圖設(shè)計(jì)，并可以通過網(wǎng)絡(luò)直接傳給機(jī)床進(jìn)行加工。第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天五、CNC的特點(diǎn)1．具有比NC更高的柔性2．具有良好的通用性3．?dāng)?shù)控功能不斷增強(qiáng)和擴(kuò)展4．可靠性越來越高5．方便了系統(tǒng)的維修和使用6．易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的基礎(chǔ)，它決定了數(shù)控裝置的基本功能CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)、設(shè)備支持層、設(shè)備層三部分組成。4.2CNC的硬件結(jié)構(gòu)第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天分類：

1.按電路板的插接方式可分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)；

2.按微處理器的個數(shù)可分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)；

3.按CNC裝置的開放程度可分為封閉式結(jié)構(gòu)、PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)、NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)和軟件型開放式結(jié)構(gòu)。

第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2.3.2CNC結(jié)構(gòu)

1、大板式結(jié)構(gòu)

CNC裝置可由主電路板、位置控制板、PLC板、圖形控制板和電源單元等組成，插在大印刷電路板上的插槽內(nèi)而共同構(gòu)成CNC裝置。大板式結(jié)構(gòu)示意圖

一、大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天FANUC6MB結(jié)構(gòu)示意圖

第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2.3.2CNC結(jié)構(gòu)將整個CNC裝置按功能的不同劃分為若干個模塊，硬件和軟件的設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)方法，用戶只需按需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，并將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi)，就搭成了自己需要的CNC系統(tǒng)控制裝置。特點(diǎn)：可以積木式組成CNC，設(shè)計(jì)簡單、有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，試制周期短、調(diào)整維護(hù)方便、效率較高。

2、模塊式結(jié)構(gòu)第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型數(shù)控車床系統(tǒng)框圖

第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1.單微處理器的CNC單微處理器的CNC是指系統(tǒng)只有一個微處理器作為核心，這個CPU通過總線連接存儲器和各種接口，采用集中控制、分時處理的方法來完成諸如輸入/輸出、插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制等各種任務(wù)。這種系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)都比較簡單。單微處理器CNC的結(jié)構(gòu)是以微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，微處理器和三總線結(jié)構(gòu)、I/O接口、存儲器、串行接口和各種顯示器接口等；另外還包括了機(jī)床的控制部分。二、單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天CPU外部存儲設(shè)備接口RS-232接口人機(jī)交互接口選件接口ROMRAMPLC接口位控單元位控單元位控單元位控單元速度控制單元D/A轉(zhuǎn)換電路MMMMM、S、T微機(jī)系統(tǒng)機(jī)床的控制部分

X軸Y軸Z軸主軸總線典型的單微處理器裝置結(jié)構(gòu)框圖第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天單微處理器CNC特點(diǎn)⑴CNC裝置內(nèi)只有一個微處理器，對存儲、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入/輸出控制、CRT顯示等功能實(shí)現(xiàn)集中控制分時處理。⑵微處理器通過總線與存儲器、輸入/輸出控制等接口電路相連，構(gòu)成CNC裝置。⑶結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2.多微處理器的CNC⑴多微處理器CNC的優(yōu)點(diǎn)

①較高的性價比；②適應(yīng)能力強(qiáng)；③可靠性高；④易于組織規(guī)?；a(chǎn)。第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天⑵多微處理器的CNC主要功能模塊①CNC管理模塊；②CNC插補(bǔ)模塊；③位置控制模塊；④PLC模塊；⑤人機(jī)接口模塊；⑥存儲器模塊。第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天⑶多微處理器的CNC結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)在共享總線結(jié)構(gòu)中，將各功能模塊插在配有總線插座的機(jī)框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。共享存儲器結(jié)構(gòu)在這種多微處理器結(jié)構(gòu)，采用多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的互連和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問。由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突問題。當(dāng)微處理器數(shù)量增多時，往往會由于爭用共享而造成信息傳輸?shù)淖枞档拖到y(tǒng)效率。第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天共享總線結(jié)構(gòu)框圖CNC管理模塊（CPU）主存儲器模塊操作面板顯示模塊CNC插補(bǔ)模塊（CPU）PLC功能模塊（CPU）位置控制模塊（CPU）主軸控制模塊總線第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天共享存儲器結(jié)構(gòu)框圖插補(bǔ)（CPU2）來自機(jī)床的控制信號輸?shù)綑C(jī)床的控制信號軸控制（CPU3）I/OCPU1CRT（CPU4）共享存儲器第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天三、CNC的接口⑴紙帶的光電閱讀機(jī)接口⑵輸入/輸出（I/O）接口①進(jìn)行必要的信號隔離②進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大③數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換⑶通信接口第40頁,共45頁，2024年2月25日，星期天軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能的特點(diǎn)和關(guān)系關(guān)系：從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實(shí)現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價的。特點(diǎn)：硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對較慢。軟件、硬件實(shí)現(xiàn)功能的分配就是——軟件硬件功能界面劃分。功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比4