機(jī)床數(shù)控技術(shù)(第4版)課件：數(shù)控裝置

機(jī)床數(shù)控技術(shù)

第1節(jié)概述

數(shù)控裝置接受來自信息載體的控制信息并轉(zhuǎn)換成數(shù)控設(shè)備的操作(指令)信號。

1數(shù)控裝置的作用

數(shù)控裝置的主要作用是，讀入數(shù)控加工程序，將其轉(zhuǎn)換成控制機(jī)床運(yùn)動和輔助功能要求的格式，分別送給進(jìn)給電機(jī)控制單元、主軸電機(jī)控制單元和PLC，具有內(nèi)置PLC功能的數(shù)控裝置本身具有邏輯量解算功能，直接將解算結(jié)果送給機(jī)床強(qiáng)電控制系統(tǒng)。具有閉環(huán)控制功能的數(shù)控系統(tǒng)還會讀入機(jī)床位置檢測裝置發(fā)出的實際位置信號，與指令位置比較后，用其差值控制機(jī)床的移動，可以獲得較高的位置控制精度。數(shù)控裝置數(shù)控機(jī)床物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)比較進(jìn)給電機(jī)位置檢測數(shù)控裝置程序輸入數(shù)據(jù)處理插補(bǔ)位控速控伺服電機(jī)測量2數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ硬件軟件圖幾種典型的軟硬件界面的劃分?jǐn)?shù)控裝置軟硬件任務(wù)的分配界面，隨微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷演化。1952－1970，分立元件、電子管、印刷板、晶體管、中規(guī)模集成電路在NC系統(tǒng)得到應(yīng)用，構(gòu)成“硬連接”數(shù)控時代；1970‘s后，LSI(largescaleintegrate)大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲器、微處理器的應(yīng)用，使得可用軟件實現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制、運(yùn)動控制，進(jìn)入了“軟連接”時代；輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)輸入速控位控位控插補(bǔ)電機(jī)測量軟件硬件軟件硬件軟件硬件第1種第2種第3種數(shù)控裝置第2節(jié)

數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置單片機(jī)組成的數(shù)控裝置單CPU數(shù)控裝置多CPU數(shù)控裝置基于PC機(jī)的數(shù)控裝置

在一塊半導(dǎo)體芯片上集成了CPU,存儲器以及輸入/輸出接口電路，這樣的芯片習(xí)慣上程為單片微型計算機(jī)（singlechipmicrocomputer,SCM）單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖：系統(tǒng)時鐘ROMCPU定時計數(shù)器串行I/O并行I/ORAMRESETINT電源1由單片機(jī)組成的數(shù)控裝置數(shù)控裝置單片機(jī)EPROMRAMI/O顯示器鍵盤通用外部設(shè)備I/OI/O擴(kuò)展A/D光電隔離光電隔離光電隔離D/A數(shù)字量檢測模擬量檢測開關(guān)量檢測開關(guān)量控制伺服驅(qū)動控制數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器基本系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)外部設(shè)備單片機(jī)組成數(shù)控裝置I/O子系統(tǒng)基本系統(tǒng)外部設(shè)備數(shù)控裝置圖用80C31單片機(jī)組成的簡易數(shù)控裝置的硬件系統(tǒng)圖圖中74LS02為：雙極TTL數(shù)字邏輯電路，四2輸入或非門，Y=A+B2764為EPROM,可擦寫只讀存儲器GND為信號地RST為復(fù)位，左面是復(fù)位電路DG1----DG6為LED顯示器數(shù)控裝置圖單微處理機(jī)數(shù)控裝置的結(jié)構(gòu)圖CPU紙帶機(jī)接口RS232接口CRT/MDI接口手搖輪接口ROMRAMPLC接口位控單元位控單元位控單元主軸單元D/AD/AD/AD/A速度單元速度單元速度單元速度單元MMMMMST功能2單CPU數(shù)控裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置

圖數(shù)控裝置的物理結(jié)構(gòu)（FANUC-6MB）數(shù)控裝置3多CPU數(shù)控裝置

共享總線式多CPU數(shù)控裝置結(jié)構(gòu)圖數(shù)控裝置數(shù)控裝置圖遞階式PC數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)控裝置圖PC＋I(xiàn)/O軟件化數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)控裝置4典型基于PC的和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)控產(chǎn)品上：SIEMENS802D左：數(shù)控凸輪磨床數(shù)控裝置

數(shù)控軟件的主要任務(wù)是將零件加工程序表達(dá)的加工信息，變換成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運(yùn)動和邏輯動作，加工出符合要求的工件。第3節(jié)數(shù)控軟件數(shù)控裝置1數(shù)控軟件的任務(wù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

（1）譯碼

譯碼就是把用ASCⅡ碼編寫的零件加工程序翻譯成數(shù)控系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式，并存放到譯碼緩沖區(qū)中，準(zhǔn)備為后續(xù)程序使用。

1）不按字符格式的存放方法

M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；高4位

低4位

說明

1

3

G03

2

3

M03

100

X值

50

Y值

0

Z值

0

I值

50

J值

0

K值

100

F值

數(shù)控裝置

2）保留字符格式的存放方法

StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//0：空，1：有數(shù)據(jù)

intblock_num；//程序段號

doubleCOORD[20]；//尺寸字的數(shù)值，單位為μmintF，S；//進(jìn)給速度和主軸速度

charG_flag；//以標(biāo)志形式存放的G指令

charG1；//G指令表

...charM_flag；//以標(biāo)志形式存放的M指令

charM1；//M指令表

...charT；//刀具代號

charD；//刀具半徑值

}；數(shù)控裝置（2）刀補(bǔ)刀補(bǔ)處理程序主要進(jìn)行以下幾項工作：

1）計算本段零件輪廓的終點坐標(biāo)值；

2）根據(jù)刀具的半徑值和刀具補(bǔ)償方向，計算出本段刀具中心軌跡的終點位置；

3）根據(jù)本段和下一段的轉(zhuǎn)接關(guān)系進(jìn)行段間處理。（3）速度預(yù)處理速度預(yù)處理程序主要完成以下幾步計算：

1）計算本程序段總位移量

2）計算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量

ΔL=FΔt/60（μm）

式中，F(xiàn)—

進(jìn)給速度值（mm/min）；

Δt—

數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期（ms）。數(shù)控裝置

（4）插補(bǔ)處理

1）根據(jù)速度倍率值計算本次插補(bǔ)周期的實際合成位移量；

2）計算新的坐標(biāo)位置；

3）將合成位移分解到各個坐標(biāo)方向，得到各個坐標(biāo)軸的位置控制指令。

數(shù)控裝置指令位置+插補(bǔ)輸出+Δx2，Δy2-

-位控輸出Δx3，Δy3

+X2新，Y2新實際位置增量Δx1，Δy1

實際位置X1新，Y1新X2舊，Y2舊

X1舊，Y1舊

++

-（5）位置控制位置控制算法原理數(shù)控裝置1）

計算新的指令坐標(biāo)位置

X2新=X2舊+Δx2; Y2新=Y2舊+Δy22）

計算實際坐標(biāo)位置

X1新=X1舊+Δx1; Y1新=Y1舊+Δy13）

計算位置控制輸出值

Δx3=X2新-

X1新; Δy3=Y2新–Y1新

位置控制是強(qiáng)實時性任務(wù)，所有計算必須在位置控制周期（伺服周期）內(nèi)完成。伺服周期可以等于插補(bǔ)周期，也可以是插補(bǔ)周期的整數(shù)分之一。數(shù)控裝置2數(shù)控軟件的特點

（1）多任務(wù)與并行處理技術(shù)

1）數(shù)控裝置的多任務(wù)性

數(shù)控裝置管理控制輸入I/O處理顯示診斷通訊速度處理刀具補(bǔ)償譯碼插補(bǔ)位置控制圖數(shù)控裝置的任務(wù)數(shù)控裝置圖分時共享多任務(wù)處理方案優(yōu)先級順序顯示其它譯碼I/O刀補(bǔ)位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序背景程序初始化2）多任務(wù)并行處理的實現(xiàn)

i）資源分時共享數(shù)控裝置圖各任務(wù)占用CPU時間示意圖0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序數(shù)控裝置ii）時間重疊流水處理

圖時間重疊流水處理示意圖12341234123412341234t1t2t3t4t5t6t7t8時間t1t2t3t4t5t6時間

a）順序處理b）并行處理空間N3N2N1空間N2N1輸出輸出數(shù)控裝置（2）實時性與優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制

實時性任務(wù)是指任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格的時間要求，即必須在系統(tǒng)規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的任務(wù)，否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤或系統(tǒng)故障。1）實時性任務(wù)的分類2）優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制數(shù)控裝置3數(shù)控軟件的基本結(jié)構(gòu)（1）前后臺型結(jié)構(gòu)模式

前后臺程序的運(yùn)行關(guān)系故障處理；位置控制；插補(bǔ)運(yùn)算；．．．譯碼；刀補(bǔ)；速度處理；輸入/輸出；顯示。循環(huán)執(zhí)行后臺程序前臺程序中斷執(zhí)行數(shù)控裝置（2）中斷型結(jié)構(gòu)模式中斷型結(jié)構(gòu)的數(shù)控軟件系統(tǒng)見圖。

中斷型結(jié)構(gòu)的數(shù)控軟件系統(tǒng)

初始化

中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務(wù)程序1級中斷服務(wù)程序2級中斷服務(wù)程序N級中斷服務(wù)程序數(shù)控裝置第4節(jié)

數(shù)控裝置的輸入/輸出接口

數(shù)控機(jī)床“接口”指的是數(shù)控裝置與機(jī)床及機(jī)床電氣控制設(shè)備(由繼電器、接觸器組成的強(qiáng)電)之間的電氣連接部分。NC和PLC的接口方式遵循國際標(biāo)準(zhǔn)“ISSO4336-1981(E)機(jī)床數(shù)字控制－數(shù)控裝置和數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，接口分為四種類型：

數(shù)控裝置1接口的分類第Ⅰ類是與驅(qū)動命令有關(guān)的連接電路；第Ⅱ類是數(shù)控系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)和測量傳感路間的連接電路；第Ⅲ類是電源及保護(hù)電路：第Ⅳ類是通斷信號和代碼信號連接電路。數(shù)控裝置

主軸驅(qū)動電機(jī)數(shù)控裝置

Ⅰ接口分Ⅱ類

Ⅲ

Ⅳ電機(jī)速度控制進(jìn)給主軸驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸進(jìn)給電機(jī)操作面板

限位開關(guān)機(jī)電器件（電磁鐵，離合器等）輔助功能（齒輪箱，轉(zhuǎn)臺，換刀裝置等）輔助電機(jī)

機(jī)床控制設(shè)備控制裝置電源控制（變壓器，保護(hù)裝置等）速度Vx，Vy，Vz電源位置測量傳感器激勵位置指示電源連鎖停止命令開/關(guān)指令信號數(shù)控裝置2接口的任務(wù)1）進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。2）將數(shù)控裝置和機(jī)床之間的信號在電氣上加以隔離。強(qiáng)弱電隔離機(jī)床強(qiáng)電部分的干擾信號可能通過連線進(jìn)入控制部分，引起的控制系統(tǒng)的誤動作，通常使用光電隔離器、脈沖變壓器或繼電器，使數(shù)控裝置和機(jī)床之間的信號在電氣上加以隔離。3）數(shù)/模（D/A）或模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路。4）抗衰減和畸變。數(shù)控裝置3常用的輸入輸出接口(1)直流模擬信號接口

a)單極性輸出b)雙極性輸出圖AD7520電壓輸出電路數(shù)控裝置+5V+5V2．2k2.2k1000.1u4．7u

100

a)斯密特觸發(fā)電路b)R—S觸發(fā)器整形電路圖消除觸點抖動的電路斯密特觸發(fā)器數(shù)控裝置(2)以電壓輸入的接收電路:MT

電壓

輸入CNC電平轉(zhuǎn)換電路接收器+5V圖電壓輸入的接收電路數(shù)控裝置+24V+24V

輸出

CNC

a)繼電器輸出b)無觸點輸出圖輸出接口電路CNCCNC數(shù)控裝置

數(shù)控裝置(3)數(shù)控裝置的通信接口通訊接口可用于數(shù)控機(jī)床與上級計算機(jī)相連接，將CAD/CAM系統(tǒng)生成的數(shù)控代碼直接送到數(shù)控機(jī)床中，還可以通過通訊接口將數(shù)控機(jī)床中的各種參數(shù)或加工程序送到計算機(jī)中保存起來，以便以后使用。RS-232C以位串行方式傳輸數(shù)據(jù)，最大傳輸率20Kbps,用150pF/m容量的多芯電纜，傳輸距離小于15m。兩種連接器DB-25：PC和XT機(jī)采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線。DB-9連接器：數(shù)控裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置輸入文件名初始化8520輸入文件名輸入文件名字符？DC1？DC3？結(jié)束？

結(jié)束數(shù)控裝置第5節(jié)PLC控制

1PLC的基本概念(1)RLC與PLC

數(shù)控裝置

NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元

強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT

面板伺服驅(qū)動電機(jī)主軸驅(qū)動電機(jī)

輔助動作數(shù)控裝置圖內(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)圖(2)數(shù)控機(jī)床上的PLC

獨立型PLC又稱通用型PLC，由CPU、系統(tǒng)程序、用戶程序、輸入/輸出電路、通訊等均設(shè)計成獨立的模塊。獨立型PLC與數(shù)控裝置的關(guān)系如圖

圖獨立型PLC結(jié)構(gòu)圖

NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元

強(qiáng)電電路機(jī)床操作面板MDI/CRT面板伺服驅(qū)動電機(jī)主軸驅(qū)動電機(jī)

輔助動作DI/DO電路DI/DO電路DI/DO電路數(shù)控裝置2PLC編程的基本方法由于PLC的硬件結(jié)構(gòu)不同，功能也不盡相同，程序的表達(dá)方法也不同?？删幊绦蜻壿嬁刂破鞯某Ｓ镁幊谭椒ㄓ薪狱c梯形圖法和語句表法。

（1）接點梯形圖梯形圖（LC—LadderDiagram）編程是一種圖形編程方法，由于用了電路元件符號來表示控制任務(wù)，與傳統(tǒng)的繼電器電路圖很相似，因此梯形圖很直觀，易于理解。前面提到的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序如圖所示。

數(shù)控裝置

R1支路11.0AE梯級1

支路2120.11.2120.1支路31.1BE R2梯級21.2120.2

支路4120.2

圖電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的接點梯形圖數(shù)控裝置（2）語句表語句表也稱指令表（IL—InstructionList），或指令表語言。指令表語言和匯編語言很相似，每條語句包含有一個操作碼部分和一個操作數(shù)部分。操作碼表示功能類型，操作數(shù)表示操作的對象，操作數(shù)由地址碼和參數(shù)組成。若采用指令語句，圖4-27所示的梯形圖程序可表達(dá)為：RDA1.0ORR1120.1AND，NOTE1.2WRTR1120.1RDB1.1ORR2120.2AND，NOTE1.2WRTR2120.2數(shù)控裝置序號

指

令

處

理

內(nèi)

容

1

RD

讀出給定信號的狀態(tài)

2

RD.NOT

讀出給定信號的非狀態(tài)

3

WRT

將運(yùn)算結(jié)果寫入指定的地址單元

4

WRT.NOT

將運(yùn)算結(jié)果的非狀態(tài)寫入指定的地址單元

5

AND

執(zhí)行邏輯與

6

AND.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯與

7

OR

執(zhí)行邏輯或

8

OR.NOT

以指定的地址信號的非狀態(tài)執(zhí)行邏輯或

9

RD.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址信號寫入ST0

10

RD.NOT.STK

ST0內(nèi)容左移,并將指定地址的非信號信號寫入ST0

11

AND.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相與,結(jié)果存于ST0

12

OR.STK

將ST0和ST1的內(nèi)容相或,結(jié)果存于ST0

數(shù)控裝置3PLC的工作過程（1）PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖PLC硬件原理圖CPURAMEPROM用戶程序EPROM系統(tǒng)程序

編程器

電源輸入輸出模塊功能開關(guān)和指示器

電池數(shù)控裝置

（2）PLC的工作過程PLC的工作過程是在硬件的支持下運(yùn)行軟件的過程。