数控机床第二章-数控机床电气控制系统的安装课件.ppt
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1、第二章 数控机床电气控制系统的安装 第一节 数控装置一、数控装置的结构与原理1数控装置的硬件结构及工作原理(1)单微处理机结构图2-1-1 单微处理机CNC系统结构框图单微处理器结构的特点1)CNC系统中只有一个微处理器,对各种实现集中控制分时处理;2)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系统;3)结构简单,容易实现。(2)多微处理机结构 多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接,每个微处理机共享系统公用存储器或I/O接口,每个微处理机分担系统的一部分工作,从而将在单微处理机的CNC装置中顺序完成的工
2、作转为多微处理机的并行、同时完成的工作,因而大大提高了整个系统的处理速度。多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构,根据设备要求选用功能模块构成CNC装置,常见的有六种基本功能模块,如果希望扩充功能,则可以再增加相应的模块,见表2-1-1所示为多微处理器结构CNC装置的基本功能模块。如果某个模块出了故障,其他模块仍能工作,可靠性高。由于硬件一般是通用的,容易配置,因此只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置,这样便于组织规模生产,能够形成批量生产并保证质量。 1)多微处理机CNC装置的结构类型共享存储器结构。多微处理机结构的框图如图2-1-2所示。其中包括4个微处理机,分别承担I/O、插
3、补、伺服功能、零件程序编辑和CRT显示功能,适于2坐标轴的车床,3、4、5坐标轴的加工中心。图2-1-2 多微处理机共享存储器的结构I/O(CPU1)共享存储器CRT(CPU2)轴控制(CPU4)插 补(CPU3)DA从机床来的控制信号输出至机床的控制信号伺服驱动数据、控制、寻址共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机结构,称多微处理机共享总线结构。 图2-1-3 多微处理机共享总线结构框图通信功能零件程序存储器自动编程功能操作面板接口CRT/MDICNC功能PLC功能主轴控制功能数字伺服功能伺服放大器及电动机主轴放大器及电动机I/O单元总 线2)多微处理机的结构特点性能价格比高,多微机结构
4、中的每个微机完成系统中指定的一部分功能,独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度,适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。由于系统采用共享资源,而单个微处理机的价格又比较便宜,使CNC装置的性能价格比大为提高。采用模块化结构,具有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构,可将微处理机、存储器、I/O控制组成独立级的硬件模块,相应的软件也采用模块结构,固化在硬件模块中。硬、软件模块形成特定的功能模块,模块间接口是固定的,并由明确的定义,彼此可以进行信息交换。这样可以使CNC装置设计简单、适应性强和扩展性好、调整维修方便、结构紧凑、效率高。硬件通用性强,由于硬件是
5、通用的,容易配置,只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置,因此多微处理机结构便于组织规模生产,且保证质量。可靠性高,多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务,形成若干模块。如果某个模块出了故障,其它模块仍能照常工作;而单微处理机的CNC装置,一旦出故障就造成整个系统瘫痪。另外,多微处理机的CNC装置可进行资源共享,省去了一些重复机构,不但降低了成本,也提高了系统的可靠性。2数控装置的软件结构及工作过程(1)数控装置的软件组成数控装置的软件主要分为管理软件和控制软件。管理软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件,存放在RAM存储器中。控制软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件,存放在
6、EPROM存储器中,一般包括系统管理程序、输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序和诊断程序等。数控装置软件的组成如图2-1-4所示。(2)数控装置的软件结构CNC装置是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作,因此需要对装置软件的各功能模块实现多任务并行处理。1)前、后台型结构模式 将整个CNC软件分为前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序,承担几乎全部实时任务,实现插补、位置控制和数控机床开关逻辑控制等实时功能。后台程序,也称为背景程序,是一个循环运行程序,实现数控加工程序的输入、预处理和管理等任务。前台程序前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序后台程序译 码刀
7、补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行2)中断型结构模式 中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外,整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中,整个软件就是一个庞大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决,如图2-1-6所示。 初始化中断管理系统(硬件+ 软件)0级中断服务程序一级中断服务程序二级中断服务程序七级中断服务程序(2)数控装置软件的工作过程CNC装置软件是一系列能够完成各种功能的程序的集合,它在硬件环境支持下,按照系统监控软件的控制逻辑,对系统初始化、程序的输入、译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位置控制、IO接口处理、显
8、示和诊断处理等方面进行控制。1)开机初始化 数控系统接通电源以后,首先运行初始化程序,对整个数控装置正常工作做准备。开机初始化程序主要完成以下任务。 对RAM 作为工作寄存器的单元设置初始状态,一般的单元就是清零;对一些特殊的单元。 对ROM 进行奇偶校验。如果检查发现奇偶有错,则初始化就停止进行,程序直接转入ROM出错处理,报警信号显示主板出错。 为数控系统正常进行而设置一些所需的初始状态。2)程序的输入 CNC装置开始工作时,首先通过输入设备把零件加工程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置,然后将数控代码由外码(ISO、EIA码)转换为数控内码,然后送入存储器存储中或直接去译码。3)译码处
9、理 译码就是把零件程序段的各种工件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度F和其他辅助信息(M、S、T)按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式,并按系统规定的格式存放在译码结果缓冲器中。在译码过程中,还要完成对程序段的语法检查,若发现语法错误立即报警。4)刀具补偿 根据刀具参数,确定刀具长度补偿和刀具半径补偿量。通常情况下,CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程,但是CNC装置实际控制的是刀具中心轨迹,而不是刀尖轨迹。刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹,以保证零件加工的精度。5)进给速度处理 编程所给的刀具移动速度,是在各坐标的合成方向上的速度,根据合成速度计算各运动坐
10、标的分速度,同时按机床允许的最低速度、最高速度、最大加速度和最佳升降速规划,进行速度处理。6)插补运算 插补是指数控机床能够实现的线性加工能力,就是在工件轮廓的某起始点和终止点之间进行“数据密化”,并求取中间点的过程。插补精度直接影响工件的加工精度,而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度,所以,差补功能越强,说明数控系统能够加工更多更复杂的轮廓。大多数数控系统都具有直线和圆弧的插补功能,而一些高档数控系统能够插补椭圆、抛物线、螺旋线等复杂曲线。7)位置控制 数控系统中伺服系统就是把数控装置给的位移指令转换成机床移动部件的位移,然后再经过位置检测元件把实际位移量反馈给数控装置,数控装置再通过
11、软件对位置进行调整,再一次向伺服系统输出实际需要的进给量。同时,还要完成位置回路的增益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿,以提高机床的定位精度。8)显示 CNC装置的显示主要是为操作者提供方便,通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。9)IO处理 主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制,,例如换刀、换挡、冷却等。10)诊断处理 在程序运行中,由诊断程序及时发现系统故障,并指出故障类型。也可在运行前或故障发生后,诊断程序及时检查CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等主要部件的功能
12、是否正常,并指出故障发生的部位。3数控装置的特点及功能(1)CNC装置的特点1)灵活通用 硬件系统采用模块化结构,易于扩展,通过变换软件还可以满足被控设备各种不同要求。用同一种CNC系统就可以满足多种数控设备的要求。2)控制功能的多样化 CNC装置利用计算机强大的运算能力,可实现许多复杂的控制功能。3)使用可靠、维修方便 4)易于实现机电一体化 由于CNC系统具有很强的通讯功能,便于与DNC、FMS和CIMS系统进行通信联络。同时大规模集成电路的采用,使硬件元器件数目大为减少,CNC装置结构紧凑,与机床结合在一起。(2)CNC装置的功能CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控
13、系统必备的功能;选择功能是可供用户根据机床特点和工作用途进行选择的功能。二、典型数控装置介绍1.FANUC(日本发那科)数控装置 (1)高性能价格比的0i系列,如图2-1-7所示。该系统具有整体软件功能包,高速、高精度加工,并有网络功能。其0i系列分为两大类,一是M 类用于加工中心与铣床;二是T类用于车床。图2-1-7 FANUC 0i/oi mate系列数控装置(2)具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i21i系列,如图2-1-8所示。该系统其控制单元与LCD集成于一体,具有网络功能,超高速串行数据通讯。图2-1-8 FANUC 16i/18i21i系列数控装置(3)开放式CNC
14、 160i / 180i / 210i 系列,如图2-1-9所示。这种开放式CNC具有CNC与PC功能融合为一体,CNC和电脑之间通过高速网络连接,高速传送大批量数据,并实现机床的智能化。 图2-1-9 FANUC 160i / 180i / 210i 系列数控装置2. 德国SIEMENS数控装置。(1)SINUMERIK 802S/C系统,如图2-1-10所示。该系统专门为低端数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。 图2-1-10 SIEMENS 802S/C数控装置(2)SINUMERIK 802D系统 该系统属于中低档系统,其特点是:全数字驱动,中文系统,结构简单(通过PROFIBU
15、S连接系统面板、I/O模块和伺服驱动系统),调试方便。具有免维护性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板单元(PCU)具有CNC、PLC、人机界面和通讯等功能,集成的PC硬件可使用户非常容易地将控制系统安装在机床上。(3)SINUMERIK 802D SL系统 如图2-1-11所示。该系统是一种将数控系统(NC, PLC, HMI)与驱动控制系统集成在一起的控制系统,可连接全数控键盘(垂直型或水平型)、支持最多个PP72/48 I/O模块、两个ADI4模块 、支持MCPA 模块 、支持通过PP72/48 I/O模块连接的机床控制面板MCP,或通过MCPA 模块连接的机床控制面板MC
16、P 802D SL 、通过PROFIBUS总线与PLC I/O连接通讯和通过Drive-CliQ总线连接驱动控制系统SINAMICS S120 。图2-1-11 SINUMERIK 802D SL数控装置(3) SINUMERIK 840C系统 SINUMERIK 840C系统一直雄居世界数控系统水平之首,内装功能强大的PLC 135WB2,可以控制SIMODRIVE 611A/D模拟式或数字式交流驱动系统,适合于高复杂度的数控机床。(4)SINUMERIK 840D/810D/840Di系统,如图2-1-12所示。840D/810D是90年代中期新设计的全数字化数控系统,具有高度模块化及规范
17、化的结构,它将CNC和驱动控制集成在一块板上,将闭环控制的全部硬件的软件集成,便于操作、编程的监控。具有非常高的系统一致性,显示/操作面板、机床操作面板、S7-300PLC、输入/输出模块、PLC编程语言、数控系统操作、工件程序编程、参数设定、诊断、伺服驱动等许多部件均相同。 图2-1-12 SINUMERIK 840D/810D/840Di数控装置3.华中数控华中数控系统的产品类型主要有:世纪星系列、小博士系列、华中I型系列等产品。华中I型系列为高档高性能数控装置,为满足市场要求,开发了世纪星系列、小博士系列高性能经济型数控装置。(1)华中“世纪星“系列数控系统 ,如图2-1-13所示。世纪
18、星系列数控系统主要有HNC2lT、HNC2122M、HNC-18i/18xp/19xp、 HNC-210A/B/C数控装置等型号。该系统采用先进的开放式体系结构,内置嵌入式工业PC,配置7.5或9.4彩色液晶显示屏和通用工程面板,集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体,支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能,具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用于车、铣、加工中心等各种机床控制。 图2-1-13 华中HNC-22M数控装置(2)华中I型(HNC-1)高性能数控系统 ,该系统是基于通用32位工业控制机和DO
19、S平台的开放式体系结构,配置灵活。具有先进的曲面直接插补算法和数控软件技术,可实现高速、高效和高精度的复杂曲面加工。采用汉字用户界面,提供完善的在线帮助功能,具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能,图形显示形象直观。常用HNC-1T是车床数控系统、HNC-1M是铣床、加工中心数控系统。(3)华中-2000型高性能数控系统,是面向21世纪的新一代数控系统 华中-2000型数控系统是在华中I型(HNC-1)高性能数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC机、TFT真彩色液晶显示器,具有多轴多通道控制能力和内装式PLC,可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度
20、高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的优点,是适合中国国情的新一代高性能、高档数控系统。4广州数控(GSK)系统广州数控系统的产品类型主要有:GSK928系列数控系统、GSK980系列数控系统、GSK 218数控系统、GSK983系列数控系统等。(1)GSK928系列数控系统,如图2-1-14所示。该系统为经济型数控系统,采用大规模门阵列(CPLD)进行硬件插补,实现高速控制。采用液晶显示器(LCD),中文菜单及刀具轨迹图形显示,界面友好。加减速时间可调,可适配反应式步进系统、混合式步进系统或交流伺服系统构成不同档次的数控系统。图2-1-14 GSK928TEII数控装置(2)GSK980
21、系列数控系统,如图2-1-15所示。 该数控系统采用了32位嵌入式CPU和超大规模可编程器件FPGA,运用实时多任务控制技术和硬件插补技术,实现了m级精度的运动控制,确保高速、高效率加工。在保持GSK980系列外形尺寸及接口一致的前提下,采用了7吋彩色宽屏LCD及更友好的显示界面,加工轨迹能实时跟踪显示,增加了系统时钟及报警日志。在操作编程方面,采用ISO国际标准数控G代码,同时兼容日本发那科(FANUC)数控系统。图2-1-15 GSK980TB2数控装置(4) GSK 983系列数控系统,如图2-1-16所示。该系统采用最新的高集成 FPGA , CPLD 芯片和表面贴装技术,使控制单元的
22、尺寸大大减小。采用了 LCD 显示器,实现了显示单元的薄型化。具有高速、高精度加工;最大 5 个进给轴 +1 个主轴控制、内置强大的 PLC、高速缓冲串行DNC接口,以高达38400的波特率连接电脑或U盘,从而实现了高速度的DNC加工,适用于铣床、加工中心的控制。 图2-1-16 GSK 983系列数控装置三、FANUC 0i Mate-TD数控装置组成及接口定义1.FANUC Oi mate-TD 数控装置组成FANUC Oi mate-TD 数控装置是把主控单元和I/O单元合二为一。主控单元主要包过CPU、内存、PMC、I/OLINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡1/F、LED显示等。I
23、/O单元主要包过电源、I/O接口、通讯接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。2. FANUC 0i Mate-TD数控装置主要接口定义 图2-1-17是FANUC 0i Mate TD 系统后视接口图。 第二节 交流进给伺服系统 一、进给伺服系统概述1进给伺服系统的组成进给伺服系统是数控机床的重要组成部分,以移动部件(如工作台)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。其功能是接受数控装置发来的指令信号经变换和放大由执行元件(伺服电机)将其变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移,通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动,从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。进给伺服系统
24、的组成般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成,如图2-2-1所示。2数控机床对进给伺服驱动系统的要求。(1)位置精度要高 (2)响应要快 (3)调速范围要宽 (4)工作稳定性要好 (5) 低速转矩要大 3.进给伺服驱动系统的分类数控机床的进给伺服系统按有无位置检测反馈装置分为开环、半闭环和闭环控制系统;按驱动电机的类型分为步进伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。二、步进驱动系统及工作原理1步进电动机进给驱动系统图2-2-2 步进伺服驱动系统组成框图(1)步进电动机步进电机又称为脉冲电动机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置,如图2-2-3
25、所示。常用的步进电机有反应式、永磁式和混合式三种。图2-2-3 步进电动机(2)步进电机驱动器 步进电机驱动器完成由弱电到强电的转换和放大,也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。如图2-2-4所示为广州数控DY3B型三相混合式步进电机驱动器的外形图。该驱动器内部采用SPWM(正弦脉宽调制)正弦波驱动,数字技术实现矢量细分,电机旋转定位精度高、运行平稳噪音低;选用三菱公司智能功率模块(IPM),耐电压冲击力强,稳定性好,具有过载、短路、过压、过热等完善的保护功能此电路可以使电机运行平稳,几乎没有震动和噪音,电机在高速时,力矩大大高于二相和五相混合式步进电机。1)技术
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