1、1.CNC装置的工作过程 2.插补原理 3.刀补原理,数控机床组成,CNC装置,位置检测装置,伺服驱动系统,数控机床的组成、数控机床加工过程,1.光电脉冲编码器 2.光栅 3.感应同步器和旋转变压器,1.伺服系统的组成和原理 2.伺服驱动的控制方式 3.步进电机伺服驱动系统,本章知识结构,本 章 重 点,1 数控机床加工过程和原理,2 CNC插补原理和刀具补偿原理,3 常用位置检测元件的原理及特点，伺服系统,本章重难点,3,第二讲 机床数字控制系统,数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制
2、器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成的一个系统。CNC系统的核心是CNC装置，CNC装置的性能决定数控系统的性能。CNC装置主要用于控制机床的运动,完成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种曲线加工，CNC装置都执行同一基本流程，即首先读取零件程序，再进行程序段的译码和预处理，然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,4,主要内容,概述 CNC装置的硬件结构 CNC装置的软件结构 计算机数控中的PLC CNC装置的接口电路 思考题,5,第一节 概 述,硬件数控（NC）计算机数控(CNC)数控系统的技术进步状况、功能水平及发展简况见P17
3、2-173,CNC技术的发展,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,6,CNC系统的组成,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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。它们二者是相互支持，不可分割的。CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能。 硬件是基础，软件是灵魂。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,7,该平台有以下两方面的含义： 提供
4、CNC系统基本配置的必备功能； 在平台上可以根据用户要求进行功能设计和开发。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,8,CNC装置的组成和工作原理,CNC装置的组成,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,9,读入数控加工程序，将其转换成控制机床运动和辅助功能要求的格式，分别送给进给电机控制单元、主轴电机控制单元和PLC，具有内置PLC功能的数控装置本身具有逻辑量解算功能，直接将解算结果送给机床强电控制系统。具有闭环控制功能的数控系统还会读入机床位置检测装置发出的实际位置信号，与指令位置比较后，用其差值控制机床的移动，可以获得较高的位置控制精度。,CNC数控装置工作原理,2018
5、年10月15日1时8分,浙江理工大学,10,CNC的工作过程,工作过程就是指在硬件的支持下，软件完成控制功能的过程。 包括： 1加工程序的输入 2译码 3刀具补偿 4对进给速度进行处理 5插补,6位置处理 7/处理 8显示 9诊断,CNC单元,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,11,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装置的主要功能和特点,CNC装置的主要功能,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,12,1.控制功能 C
6、NC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。,2. 准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,13,3.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,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,14,4.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
7、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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,15,5.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切削速度为恒速的控制功能。 主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制功能。 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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,16,7.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，供刀具补偿功能使用
8、； 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。,6.辅助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,17,8.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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学
9、,18,9.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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,19,10.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*。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,20,11.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。,20
10、18年10月15日1时8分,浙江理工大学,21,1.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。,CNC装置的特点,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,22,2.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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,
11、23,3.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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,24,4.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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,25,5.
12、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。,返回,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,26,1.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。,第二节 CNC装置的硬件结构,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,27,2.CNC装置的硬件构成,CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。各组成部分的作用如下：中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管
13、理。存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。位置控制 主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,28,CNC的硬件系统组成框图,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,29,3.CNC装置的体系结构,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:,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
14、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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,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。
15、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。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,31,4.单微处理器CNC的硬件结构,单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。 单微处理器CNC的结构是以微型计算机系统的基本结构为基础，微处理器和三总线结构、I/O接口、存储器、串行接口和各种显示器接口等；另外还包括了机床的控制部分。单微处理器CNC装置组成框图
16、如下图所示。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,32,单微处理器CNC装置组成框图,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,33,A.微处理器微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施：采用协处理器；由硬件完成一部分插补工作；采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。经济型CNC装置常采用8位的微处理器芯片或采用单片机芯片(8位或16位)作为微处理器，一般CNC装置通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的CNC装置都采用64
17、位微处理器芯片。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,34,B. 总线,总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。(1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，采用单向线。(2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。(3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,35,C. 存储器,存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) C
18、NC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的EPROM有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,36,D. 位置控制,CNC装置中的位置控制模块和速度控制单元、位置检测及反馈控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐标位置控制，包括工作台的前后左右移动、主轴箱的移动及绕
19、某一直线坐标轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,37,E. I/O接口,对CNC装置来说,由机床向CNC传送的信号称为输入信号，由CNC向机床传送的信号称为输出信号。输入输出信号的主要类型有：直流数字输入信号，直流数字输出信号，直流模拟输出信号，直流模拟输入信号，交流输入信号，交流输出信号。 直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它接收、发送模拟量信号的设备。交流信号用于直接 控制功率执行器件。接口电路的主要任务： 进行电平转换和功率放大。 为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的信号进行
20、电气隔离。 采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之间要接入D/A和A/D转换电路。 信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响，会发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施并限制信号的传输距离。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,38, CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置； 结构简单，容易实现； 单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。,F.单微处理器CNC装
21、置的结构特点,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,39,5.多微处理器CNC的硬件结构,多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。紧耦合结构中，各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在松耦合结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。 多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。,
22、2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,40,（一）多微处理器CNC装置的基本功能模块,模块化结构多微处理器CNC装置中基本功能模块有六种。 CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。 CNC插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。 位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。,2018年
23、10月15日1时8分,浙江理工大学,41,存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。 PLC模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。 指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,42,（二）多微处理器 CNC装置的典型结构,多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。 共享总线结构在共享总线结构中，将各功
24、能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。下图共享总线结构框图。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,43, 共享存储器结构,在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。下图为共享存储器结构框图。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,44,（三）多微处理器结构的特点,为了满足高速化、复合化、智能化
25、、系统化的要求，现代CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。 多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。 能够进行多种语言显示。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,45,6.其他CNC的硬件结构,用80C31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,46,FANUC-6MB数控装置的物理结构,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,47,基于网
26、络的数控系统结构图,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,48,华中型数控系统是我国为数不多具有自主版权的高性能数控系统之一。它以通用的工业PC机（IPC）为基础，采用开放式的体系结构，从而使华中型数控系统的可靠性和质量得到了保证。它适合多坐标(2-5)数控镗铣床和加工中心，在增加相应的软件模块后，也可适应于其它类型的数控机床(数控磨床、车床、齿轮加工机床等)以及特种加工机床（激光加工机、线切割机等）。,华中型数控系统(硬件)简介,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,49,采用模拟式交流/直流伺服单元,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,50,采用数字式交流伺服单元
27、,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,51,教学型(经济型)数控系统,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,52,第三节 CNC装置的软件结构,CNC系统的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计和编制的专用软件，是系统软件。由管理软件和控制软件组成。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,53,软件与硬件在实现各种功能的特点和关系 关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。 特点：硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。软件、硬件实现功能的分配就是软件
28、硬件功能界面划分。功能界面划分的准则：系统的性能价格比,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,54,多任务与并行处理技术,这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如：（1） 显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解机床运行状态；（2） 在加工过程中，为使加工过程连续，译码、刀补、插补和位置控制模快也必须同时进行。,1 数控装置的多任务性,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,55,2 多任务并行处理的实现,资源分时共享多任务处理方案,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,56,前后台型软件结构,前台程序故障处理位置控制插补运算,后台程序译 码刀补处理速度预
29、处理输入/输出显示,中断执行,循环执行,前后台程序运行关系图,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,57,前后台型结构模式的特点,任务调度机制: 优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。 信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。 实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、 也无抢占机制。 该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,58,中断型软件结构,中断型软件系统结构图,n,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,59,中断型
30、结构模式的特点,任务调度机制：抢占式优先调度。 信息交换：缓冲区。 实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。 模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,2018年10月15日1时8分,浙江理工大学,60,思考题, CNC系统由哪几部分组成？各有什么作用？ CNC装置的功能有哪些？ CNC装置硬件结构由哪几种形式，其特点分别是什么？ 多微处理器的CNC装置包括哪些基本功能模块，各功能模块的主要作用什么？ CNC装置的系统软件必须完成哪两项任务，其内容是什么？ 常见的CNC装置的软件结构形式有哪两种？它们适合的对象是什么？ 7.CNC系统中的PLC的作用是什么？ 8.CNC装置中的接口电路有哪些？,
