[文学研究]表41数控系统的演变课件.ppt
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- 文学研究 文学 研究 41 数控系统 演变 课件
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1、第第 4 章章 计算机数控计算机数控(CNC)装置装置 本章主要内容本章主要内容4.1 4.1 概概 述述4.2 CNC4.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构4.3 CNC4.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 4.4 4.4 计算机数控中的计算机数控中的PLCPLC4.5 CNC4.5 CNC装置的接口电路装置的接口电路4.1 4.1 概概 述述EIA(美国电子工业协会)所属的数控标准化委员会的定义:“CNC是用一个存储程序的计算机,按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能,在计算机之外的唯一装置是接口”。ISO(国际标准化组织)的定义:“数控系统是一
2、种控制系统,它自动阅读输入载体上事先给定的数字,并将其译码,从而使机床移动和加工零件”。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机,即数字控制装置。一、数控系统的定义一、数控系统的定义二、CNC技术的发展分类分类世代世代诞生年代诞生年代系统元件及电路构成系统元件及电路构成世界世界我国我国硬件数硬件数控控NCNC第一代第一代第二代第二代第三代第三代19521952年年19591959年年19651965年年19581958年年19651965年年19721972年年电子管、继电器,模拟电路电子管、继电器,模拟电路晶体管,数字电路(分立元件)晶体管,数字电路(分立元件)集成数字电路集成数
3、字电路计算机计算机数控数控CNCCNC第四代第四代19701970年年19761976年年内装小型计算机,中规模集成电路内装小型计算机,中规模集成电路第五代第五代19741974年年19821982年年内装微处理器的内装微处理器的NCNC字符显示,故障自诊断字符显示,故障自诊断19791979年年19811981年年19871987年年19911991年年19951995年年超大规模集成电路,大容量存储器,可编程接口,遥控接口超大规模集成电路,大容量存储器,可编程接口,遥控接口人机对话人机对话,动态图形显示动态图形显示,实时软件精度补偿实时软件精度补偿,适应机床无人适应机床无人化运转要求化运转
4、要求3232位位CPUCPU,可控,可控1515轴,设定轴,设定0.0001mm0.0001mm进给速度进给速度24m/min24m/min,带前,带前馈控制的交流数字伺服、智能化馈控制的交流数字伺服、智能化 系统。系统。利用利用RISCRISC技术技术6464位系统。位系统。微机开放式微机开放式CNCCNC系统。系统。年代年代76767777787879798080818182828383848485858686878790909191CPUCPU3000C/29013000C/2901位片机位片机1616位微处理器位微处理器3232位微处理器位微处理器6464位位伺服伺服驱动驱动直流模拟伺
5、服直流模拟伺服交流模交流模拟伺服拟伺服交流数字伺服交流数字伺服最小最小设定设定单位单位1 10.10.10.010.01进给进给速度速度高速、高精度型高速、高精度型2.1m/min2.1m/min8.4m/min8.4m/min33.7m/min33.7m/min 高速型高速型15m/min15m/min 60m/min60m/min快速快速9.6m/min9.6m/min15m/min15m/min24m/min24m/min60m/min60m/min240m/min240m/min扩充扩充功能功能用软件扩充数控功能、用软件扩充数控功能、刀具补偿,固定循环,刀具补偿,固定循环,存储器运行存
6、储器运行用软件充实人机接口,彩色用软件充实人机接口,彩色显示,会话编程,仿真显示,会话编程,仿真3232位位CPUCPU,高速、高精度加工,高速、高精度加工,数字伺服,高速主轴,智能化开放数字伺服,高速主轴,智能化开放 系统系统mm项目项目低档低档中档中档高档高档分辨率分辨率 10101 1 0.10.1进给速度进给速度 8-15 m/min8-15 m/min15-24 m/min15-24 m/min15-100 m/min15-100 m/min联动轴数联动轴数 2-3 2-3轴轴 2-4 2-4轴或轴或3-53-5轴以上轴以上主主CPUCPU8 8位位1616位、位、3232位甚至采用
7、位甚至采用RISCRISC的的6464位位伺服系统伺服系统步进电机、开环步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装内装PLCPLC无无有内装有内装PCPC,功能极强的内装,功能极强的内装PCPC,甚至有轴控制功能,甚至有轴控制功能显示功能显示功能数码管数码管,简单的简单的CRTCRT字符字符显示显示有字符图形或三维图形显示有字符图形或三维图形显示通信功能通信功能无无RC232CRC232C和和DNCDNC接口接口还可能有还可能有MAPMAP通通讯接口和联网讯接口和联网功能功能mCNC系统与传统NC系统的区别在于:CNC系统附加一个计算机作为控制器的一
8、部分。目前在计算机数控系统中所用的计算机已不再是小型计算机,而是微型计算机,用微机控制的系统称为MNC系统,亦统称为CNC系统,由于这二者的控制原理基本相同。CNC系统是由软件和硬件组成的,硬件为软件的运行提供了支持环境,软件主要完成数控机床功能的实现。控制软件是为完成特定CNC(或MNC)系统各项功能所编制的专用软件,又称为系统软件(或系统程序)。三、从三、从CNCCNC演变过程看数控系统演变过程看数控系统四、CNC装置的组成和工作原理 数控技术数控技术CPURAMROM接口控制软件顺序程序硬硬件件软软件件伺服系统电机控控制制系系统统驱动系统测量反馈系统机床机床数控系统数控系统外围技术外围技
9、术基础件配套件床身立柱工作台刀架刀库丝杠导轨工具系统编程技术管理技术四、CNC装置的组成和工作原理 CNC系统平台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序接接口口被控设备被控设备机机床床机器人机器人测量机测量机.1.1.硬件结构硬件结构:CPU CPU,存储器,总线、,存储器,总线、外设外设等等。2.2.软件结构软件结构:是一种用于是一种用于零件零件加工的、实时控制的、加工的、实时控制的、特殊的(或称专用的)计算机操作系统。特殊的(或称专用的)计算机操作系统。系系 统统初始化初始化系统控制软件系统控制软件程序管理程序管理编辑编辑存
10、储存储录放录放管理软件管理软件控制软件控制软件输入程序输入程序输出程序输出程序显示程序显示程序诊断程序诊断程序译码程序译码程序补偿计算补偿计算速度控制速度控制插补程序插补程序位控程序位控程序图图4.1 CNC4.1 CNC软件的构成软件的构成 通过各种输入方式,接受机床加工零件的各种数据信息,经过CNC装置译码,再进行计算机的处理、运算,然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路,经过转换、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制,使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程:简要工作过程:1 1)输入)输入:输入内容输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。零件程序、控
11、制参数和补偿数据。输入方式输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入,盘输入,通讯接口输入及连接上级计算机的通讯接口输入及连接上级计算机的DNCDNC接口输入接口输入3.3.工作原理工作原理2 2)译码:)译码:以一个程序段为单位,根据一定的语法规则解释、翻译以一个程序段为单位,根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式,并以一定的数据格式存放在指成计算机能够识别的数据形式,并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。定的内存专用区内。3 3)数据处理)数据处理:包括刀具补偿,速度计算以及辅助功能的处理等。:包括刀具补偿,速度
12、计算以及辅助功能的处理等。4 4)插补:)插补:插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行和终点之间进行“数据点的密化工作数据点的密化工作”。5 5)位置控制:)位置控制:在每个采样周期内,将插补计算出的理论位置与实在每个采样周期内,将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制进给伺服电机。际反馈位置相比较,用其差值去控制进给伺服电机。6 6)I/OI/O处理:处理:处理处理CNCCNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。制。7 7)显示:)显示:零件程序、参数、刀具位
13、置、机床状态等。零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8 8)诊断:)诊断:检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。五、CNC装置的主要功能和特点 1.1.数控装置的主要功能数控装置的主要功能 (1 1)控制轴数和联动轴数)控制轴数和联动轴数 (2 2)准备功能()准备功能(G G功能)功能)(3 3)插补功能)插补功能 (4 4)主轴速度功能:主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准)主轴速度功能:主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准 (5 5)进给功能()进给功能(F F)1 1)切削进给速度)切削进给速度 2)2)同步进给速度同步进给速
14、度 3 3)快速进给速度)快速进给速度 4 4)进给倍率)进给倍率 。(6 6)补偿功能)补偿功能 1 1)刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿刀具长度、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿 2 2)工艺量的补偿)工艺量的补偿 (7 7)固定循环加工功能)固定循环加工功能 4.1.4 CNC装置的主要功能和特点(8 8)辅助功能()辅助功能(M M代码)代码)(9 9)字符图形显示功能)字符图形显示功能(1010)程序编制功能:手工编程、)程序编制功能:手工编程、在线编程、自动编程在线编程、自动编程(1111)输入、输出和通讯功能)输入、输出和通讯功能(1212)自诊断功能)自诊断功能2.CNC2.
15、CNC数控装置的特点数控装置的特点 1 1)灵活性大)灵活性大 2 2)通用性强)通用性强 3 3)可靠性高)可靠性高 4 4)可以实现丰富、复杂的功能)可以实现丰富、复杂的功能 5 5)使用维修方便)使用维修方便 6 6)易于实现机电一体化)易于实现机电一体化4.2 CNC装置的硬件结构 4.2.1 CNC装置的硬件构成 CNC的组成框图结构图的组成框图结构图控制软件控制软件(软件功能)硬件电路硬件电路(硬件功能)输入输入装置装置主轴主轴伺服单元伺服单元主轴驱动装置可编程序控可编程序控制器制器进给进给伺服单元伺服单元进给驱动装置机机床床本本体体CNC装置装置进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统M
16、.S.T辅助指令信辅助指令信号号测量装置(位置、速度)主轴伺服驱动系统主轴伺服驱动系统MDI信息载体信息载体通信线通信线路装置路装置编程器编程器信息载体信息载体CAD/CAM系统系统输出输出装置装置显示器显示器打印机打印机 CNCCNC装置的体系结构分为:装置的体系结构分为:1 1、整体式结构和分体式结构整体式结构和分体式结构 2 2、大板式结构和模块化结构、大板式结构和模块化结构3 3、单微处理机和多微处理机结构、单微处理机和多微处理机结构 4.2.2 CNC装置的体系结构 CNCCNC装置的体系结构分为:装置的体系结构分为:1 1、整体式结构和分体式结构整体式结构和分体式结构 2 2、大板
17、式结构和模块化结构、大板式结构和模块化结构3 3、单微处理机和多微处理机结构、单微处理机和多微处理机结构 4.2.2 CNC装置的体系结构 所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、机床操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑,便于安装,但有时可能造成某些信号连线过长;分体式结构通常把 CRT 和 MDI 面板、操作面板等做成一个部件,而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内,两者之间用导线或光纤连接。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件,这是由于所控制机床的要求不同,操作面板相应地要改变,做成分体式的有利于更换和安装。CNC操作面板在机床上的安装形式有
18、吊挂式、床头式、控制柜式和控制台式等多种。1 1、整体式结构和分体式结构整体式结构和分体式结构大板式结构的特点是,一个系统一般都有一块大板,称为主板。主大板式结构的特点是,一个系统一般都有一块大板,称为主板。主板上装有主板上装有主CPUCPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板(完和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板(完成一定功能的电路板),如成一定功能的电路板),如ROMROM板、零件程序存储器板和板、零件程序存储器板和PLCPLC板都板都直接插在主板上面,组成直接插在主板上面,组成CNCCNC系统的核心部分。大板结构的优点系统的核心部分。大板结构的优点是:结构紧凑,体积小,可靠性高,价
19、格低,有很高的性能是:结构紧凑,体积小,可靠性高,价格低,有很高的性能/价价格比,也便于机床的一体化设计。其缺点是:硬件功能不易变动,格比,也便于机床的一体化设计。其缺点是:硬件功能不易变动,不利于组织生产;不利于组织生产;总线模块化的特点是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成总线模块化的特点是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板插件板 (称为硬件模块),甚至将微处理机、存储器、输入输(称为硬件模块),甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块,相应的软件也是模块结出控制组成独立微计算机级的硬件模块,相应的软件也是模块结构,固化在硬件模块中。硬软件模块形成一
20、个特定的功能单元,构,固化在硬件模块中。硬软件模块形成一个特定的功能单元,称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口,接口是固定的,称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口,接口是固定的,成为工厂标准或工业标准,彼此可以进行信息交换。于是可以积成为工厂标准或工业标准,彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成木式组成 CNC CNC 系统,使设计简单,有良好的适应性和扩展性,系统,使设计简单,有良好的适应性和扩展性,试制周期短,调整维护方便,效率高。试制周期短,调整维护方便,效率高。2 2、大板式结构和模块化结构、大板式结构和模块化结构 所谓单微处理器结构是指只有一个所谓单微处理器结构是指只有一个
21、CPUCPU、采用集中控制、采用集中控制分时方法处理数控的各个任务。中高档的分时方法处理数控的各个任务。中高档的CNCCNC装置以装置以多多微处理机结构为多。微处理机结构为多。3 3、单微处理机和多微处理机结构、单微处理机和多微处理机结构CPUROMRAMIN接口接口OUT接口接口阅读机阅读机接口接口MDI/CRT接口接口位置位置控制控制其它其它接口接口总线总线单微处理器硬件结构图单微处理器硬件结构图 微处理器和总线微处理器和总线微处理器负责运算、控制任务;总线为微处理器负责运算、控制任务;总线为CPUCPU与各组成部件、接口等与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线,包括控制总线、地址总线和
22、数据总线。之间的信息公共传输线,包括控制总线、地址总线和数据总线。存储器存储器存储器包括只读存储器(存储器包括只读存储器(ROMROM)和随机存储器()和随机存储器(RAMRAM)以及)以及CMOS RAMCMOS RAM或磁泡存储器等。其中只读存储器(或磁泡存储器等。其中只读存储器(ROMROM)负责存放数控机床的)负责存放数控机床的系统程序;随机存储器(系统程序;随机存储器(RAMRAM)负责存放运算的中间结果、需显)负责存放运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等;示的数据、运行中的状态、标志信息等;CMOS RAMCMOS RAM或磁泡存储器或磁泡存储器负责存放加工的零件
23、程序、机床参数、刀具参数等。负责存放加工的零件程序、机床参数、刀具参数等。位置控制单元位置控制单元位置控制单元负责对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制位置控制单元负责对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制(包括位置和速度控制)。对主轴的控制一般只包括速度控制;(包括位置和速度控制)。对主轴的控制一般只包括速度控制;对对C C轴位置控制包括位置和速度控制;对刀库位置控制属于简易轴位置控制包括位置和速度控制;对刀库位置控制属于简易位置控制。位置控制。进给轴位置控制的硬件一般由大规模专用集成电进给轴位置控制的硬件一般由大规模专用集成电路位置控制芯片或位置控制模板完成。路位置控制芯片或位置控制模
24、板完成。3 3、单微处理机和多微处理机结构、单微处理机和多微处理机结构 多微处理机CNC装置的结构:1.1.主从结构 2.多主结构 3.分布式结构 4.多通道结构 4.2.2 CNC装置的体系结构 4.2.4 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS1.1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 性能价格比高(单性能价格比高(单CPUCPU限制性能;而多限制性能;而多CPUCPU提高速提高速度,扩展性能。);度,扩展性能。);采用模块化结构,良好的适应性和扩展性;采用模块化结构,良好的适应性和扩展性;硬件易于组织规模生产;硬件易于组织
25、规模生产;可靠性高。可靠性高。4.2.4 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS1.1.多微处理机多微处理机CNCCNC装置结构的特点装置结构的特点 性能价格比高(单性能价格比高(单CPUCPU限制性能;而多限制性能;而多CPUCPU提高速提高速度,扩展性能。);度,扩展性能。);采用模块化结构,良好的适应性和扩展性;采用模块化结构,良好的适应性和扩展性;硬件易于组织规模生产;硬件易于组织规模生产;可靠性高。可靠性高。4.2.4 4.2.4 多微处理机数控装置的硬件结构多微处理机数控装置的硬件结构 VSVS2.多微处理机数控装置的硬件结构分类多微处理机数
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