《精编》计算机数控装置概述

2020 5 24 现代数控技术 1 第四章计算机数控装置 CNC 内容提要本章将详细讨论CNC装置的软件硬件结构 CNC装置基本功能的原理及实现方法 2020 5 24 现代数控技术 2 在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心 并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解 由于它在整个系统中的重要性 故在本章我们将对其进行较详细的讨论 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 3 从自动控制的角度来看 CNC系统是一种位置 轨迹 控制系统 其本质上是以多执行部件 各运动轴 的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统 是一种配有专用操作系统的计算机控制系统 从外部特征来看 CNC系统是由硬件 通用硬件和专用硬件 和软件 专用 两大部分组成的 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 4 CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统 设备支持层 设备层三部分组成 图3 1CNC系统硬件的层次结构 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 5 CNC系统软件的功能结构从本质特征来看 CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统 从功能特征来看 该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成 它是CNC系统活的灵魂 其结构框图如图3 2所示 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 6 操作系统 管理软件 控制软件 零 件 程 序 管 理 显 示 处 理 人 机 交 互 交 互 位 置 控 制 输 入 输 出 管 理 插 补 运 算 故 障 诊 断 处 理 速 度 处 理 机 床 输 入 输 出 编 译 处 理 主 轴 控 制 刀 具 半 径 补 偿 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 7 CNC硬件软件的作用和相互关系硬件是基础 软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下 合理地组织 管理整个系统的各项工作 实现各种数控功能 使数控机床按照操作者的要求 有条不紊地进行加工 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台 如图3 3所示 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 8 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 9 该平台有以下两方面的含义 提供CNC系统基本配置的必备功能 在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发 CNC装置的组成 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 10 具有灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现 且软硬件采用模块化的结构 使系统功能的修改 扩充变得较为灵活 CNC装置其基本配置部分是通用的 不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块 以实现特定的控制功能 二 CNC装置的优点 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 11 数控功能丰富插补功能 二次曲线 样条 空间曲面插补补偿功能 运动精度补偿 随机误差补偿 非线性误差补偿等人机对话功能 加工的动 静态跟踪显示 高级人机对话窗口编程功能 G代码 篮图编程 部分自动编程功能 二 CNC装置的优点 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 12 可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件 芯片 采用VLSI本身就是可靠性的保证 许多功能由软件实现 使硬件的数量减少 丰富的故障诊断及保护功能 大多由软件实现 从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低 二 CNC装置的优点 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 13 使用维护方便操作使用方便 用户只需根据菜单的提示 便可进行正确操作 编程方便 具有多种编程的功能 程序自动校验和模拟仿真功能 维护维修方便 部分日常维护工作自动进行 润滑 关键部件的定期检查等 数控机床的自诊断功能 可迅速实现故障准确定位 二 CNC装置的优点 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 14 易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小 采用计算机 硬件数量减少 电子元件的集成度越来越高 硬件的不断减小 使其与机床在物理上结合在一起成为可能 减少占地面积 方便操作 二 CNC装置的优点 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 15 CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段 数控装置的功能包括基本功能和选择功能 基本功能 数控系统基本配置的功能 即必备功能 选择功能 用户可根据实际要求选择的功能 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 16 控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数 CNC的进给轴分类 移动轴 X Y Z 和回转轴 A B C 基本轴和附加轴 U V W 联动控制轴数越多 CNC系统就越复杂 编程也越困难 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 17 准备功能 G功能 指令机床动作方式的功能 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 18 插补功能和固定循环功能 插补功能是数控系统实现零件轮廓 平面或空间 加工轨迹运算的功能 固定循环功能是数控系统实现典型加工循环 如 钻孔 攻丝 镗孔 深孔钻削和切螺纹等 的功能 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 19 进给功能 进给速度的控制功能 进给速度 控制刀具相对工件的运动速度 单位为mm min 同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步 单位为mm r 进给倍率 进给修调率 人工实时修调预先给定的进给速度 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 20 主轴功能 数控系统的主轴的控制功能 主轴转速 主轴转速的控制功能 单位为r min 恒线速度控制 刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 21 主轴定向控制 主轴周向定位于特定位置控制的功能 C轴控制 主轴周向任意位置控制的功能 主轴修调率 人工实时修调预先设定的主轴转速 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 22 辅助功能 M功能 用于指令机床辅助操作的功能 CNC装置的功能 2020 5 24 现代数控技术 23 刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能 刀具几何尺寸 半径和长度 供刀具补偿功能使用 刀具寿命是指时间寿命 当刀具寿命到期时 CNC系统将提示用户更换刀具 CNC系统都具有刀具号 T 管理功能 用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具 CNC装置的功能 2020 5 24 现代数控技术 24 补偿功能刀具半径和长度补偿功能 实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能 传动链误差 包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能 非线性误差补偿功能 对诸如热变形 静态弹性变形 空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等 采用AI 专家系统等新技术进行建模 利用模型实施在线补偿 CNC装置的功能 2020 5 24 现代数控技术 25 人机对话功能在CNC装置中这类功能有 菜单结构操作界面 零件加工程序的编辑环境 系统和机床参数 状态 故障信息的显示 查询或修改画面等 CNC装置的功能 第一节概述 2020 5 24 现代数控技术 26 自诊断功能 CNC自动实现故障预报和故障定位的功能 开机自诊断 在线自诊断 离线自诊断 远程通讯诊断 CNC装置的功能 2020 5 24 现代数控技术 27 通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口 可传送零件加工程序 DNC接口 可实现直接数控 MAP 制造自动化协议 模块 网卡 适应FMS CIMS IMS等制造系统集成的要求 CNC装置的功能 2020 5 24 现代数控技术 28 第二节CNC装置的硬件体系结构 一 概述CNC装置从它的硬件组成结构来看 若按其中含有CPU的多少来分 可分为下面几类 2020 5 24 现代数控技术 29 单机系统 整个CNC装置只有一个CPU 它集中控制和管理整个系统资源 通过分时处理的方式来实现各种NC功能 主从结构 系统中只有一个CPU 称为主CPU 对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件 只能接受主CPU的控制命令或数据 或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据 即它是处于以从属地位的 故称之为主从结构 一 概述 硬件体系结构 2020 5 24 现代数控技术 30 多机系统 CNC装置中有两个或两个以上的CPU 即系统中的某些功能模块自身也带有CPU 根据部件间的相互关系又可将其分为 多主结构 系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权 模块之间采用紧耦合 有集中的操作系统 通过仲裁器来解决总线争用问题 通过共公存储器进行交换信息 分布式结构 系统有两个或两个以上带CPU的功能模块 各模块有自己独立的运行环境 模块间采用松耦合 且采用通讯方式交换信息 一 概述 2020 5 24 现代数控技术 31 CNC装置是按模块化设计的方法构造的模块化设计方法 将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块 并配上相应的驱动软件 系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块 并将其插入控制单元母板上 即可组成一个完整的控制系统的方法 其中单元母板一般为总线结构的无源母板 它提供模块间互联的信号通路 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 32 实现CNC系统模块化设计的条件是总线 BUS 标准化 采用模块化结构时 CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 33 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 34 计算机主板和系统总线 母板 计算机主板是CNC装置的核心 功能结构 CPU及其外围芯片 内存单元 cache及其外围芯片 通讯接口 串口 并口 键盘接口 软 硬驱动器接口 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 35 计算机主板的主要作用 对输入到CNC装置中的种种数据 信息 零件加工程序 各种I O信息等 进行相应的算术和逻辑运算 并根据其处理结果 向各功能模块发出控制命令 传送数据 使用户的指令得以执行 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 36 系统总线 母板 由一组传送数字信息的物理导线组成 它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道 数据总线地址总线 控制总线 工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板 走线面 元件面 电源层和地线层 它的可靠性高于两层板 其规格有6槽 8槽 12槽 14槽等 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 37 显示模块 显示卡 显示卡的主要作用 接收来自CPU的控制命令和显示用的数据 经与CRT的扫描信号调制后 产生CRT显示器所需要的视频信号 在CRT上产生所需要的画面 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 38 在CNC装置中 CRT显示是一个非常重要的功能 它是人机交流的重要媒介 它给用户提供了一个直观的操作环境 可使用户能快速地熟悉适应其操作过程 显示卡是一个通用性很强的模块 它不仅随时可以在市场上买到 而且它还有非常丰富的支持软件 因此无需用户自己开发 二 单机或主从结构模块的功能介绍 2020 5 24 现代数控技术 39 输入 出模块 多功能卡 它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板 即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据 也可以将CNC装置中的数据送给输出设备 该模块也是标准的PC机模块 一般不需要用户自己开发 如果计算机主板选用的是ALL IN ONE主板 则此板可省略 二 单机或主从结构模块的功能介绍 硬件体系结构 2020 5 24 现代数控技术 40 以上三部分 再配上键盘 电源 机箱 实际上是一部通用的微型计算机系统 它是CNC装置的核心 从某种意义上讲 CNC装置的档次和性能是由它决定的 因此