数控系统全面概述ggkp.docx
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1、数控系统统全面概概述一、CNNC系统统的组成成CNC系系统主要要由硬件件和软件件两大部部分组成成。其核核心是计计算机数数字控制制装置。它它通过系系统控制制软件配配合系统统硬件,合合理地组组织、管管理数控控系统的的输入、数数据处理理、插补补和输出出信息,控控制执行行部件,使使数控机机床按照照操作者者的要求求进行自自动加工工。CNNC系统统采用了了计算机机作为控控制部件件,通常常由常驻驻在其内内部的数数控系统统软件实实现部分分或全部部数控功功能,从从而对机机床运动动进行实实时控制制。只要要改变计计算机数数控系统统的控制制软件就就能实现现一种全全新的控控制方式式。CNNC系统统有很多多种类型型,有车
2、车床、铣铣床、加加工中心心等的CCNC系系统。但但是,各各种数控控机床的的CNCC系统一一般包括括以下几几个部分分:中央央处理单单元CPPU、存存储器(ROM/RAM)、输入输出设备(I/O)、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图4-1所示为CNC系统的一般结构框图。图4-11 CNNC系统统的结构构框图在图4-1中所所示的整整个计算算机数控控系统的的结构框框图,数数控系统统主要是是指图中中的CNNC控制制器。CCNC控控制器由由计算机机硬件、系系统软件件和相应应的I/O接口口构成的的专用计计算机与与可编程程控制器器PLCC组成。前前者处理理机床的的轨迹运运动的数数字控制制,
3、后者者处理开开关量的的逻辑控控制。三、CNNC系统统的功能能和一般般工作过过程(一)CCNC系统统的功能能CNCC系统由由于现在在普遍采采用了微微处理器器,通过过软件可可以实现现很多功功能。数数控系统统有多种种系列,性性能各异异。数控控系统的的功能通通常包括括基本功功能和选选择功能能。基本本功能是是数控系系统必备备的功能能,选择择功能是是供用户户根据机机床特点点和用途途进行选选择的功功能。CCNC系系统的功功能主要要反映在在准备功功能G指令代代码和辅辅助功能能M指令代代码上。根根据数控控机床的的类型、用用途、档档次的不不同,CCNC系系统的功功能有很很大差别别,下面面介绍其其主要功功能。1.控
4、制制功能 CNNC系统统能控制制的轴数数和能同同时控制制(联动动)的轴轴数是其其主要性性能之一一。控制制轴有移移动轴和和回转轴轴,有基基本轴和和附加轴轴。通过过轴的联联动可以以完成轮轮廓轨迹迹的加工工。一般般数控车车床只需需二轴控控制,二二轴联动动;一般般数控铣铣床需要要三轴控控制、三三轴联动动或轴联联动;一一般加工工中心为为多轴控控制,三三轴联动动。控制制轴数越越多,特特别是同同时控制制的轴数数越多,要要求CNNC系统统的功能能就越强强,同时时CNCC系统也也就越复复杂,编编制程序序也越困困难。2.准备备功能 准备备功能也也称G指令代代码,它它用来指指定机床床运动方方式的功功能,包包括基本本
5、移动、平平面选择择、坐标标设定、刀刀具补偿偿、固定定循环等等指令。对对于点位位式的加加工机床床,如钻钻床、冲冲床等,需需要点位位移动控控制系统统。对于于轮廓控控制的加加工机床床,如车车床、铣铣床、加加工中心心等,需需要控制制系统有有两个或或两个以以上的进进给坐标标具有联联动功能能。3.插补补功能 CNNC系统统是通过过软件插插补来实实现刀具具运动轨轨迹控制制的。由由于轮廓廓控制的的实时性性很强,软软件插补补的计算算速度难难以满足足数控机机床对进进给速度度和分辨辨率的要要求,同同时由于于CNCC不断扩扩展其他他方面的的功能也也要求减减少插补补计算所所占用的的CPUU时间。因因此 ,CNC的插补功
6、能实际上被分为粗插补和精插补,插补软件每次插补一个小线段的数据为粗插补,伺服系统根据粗插补的结果,将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。4.进给给功能 根据据加工工工艺要求求,CNNC系统统的进给给功能用用F指令代代码直接接指定数数控机床床加工的的进给速速度。(1)切切削进给给速度 以每每分钟进进给的毫毫米数指指定刀具具的进给给速度,如如1000mm/minn。对于于回转轴轴,表示示每分钟钟进给的的角度。(2)同同步进给给速度 以主主轴每转转进给的的毫米数数规定的的进给速速度,如如0.002mmm/r。只只有主轴轴上装有有位置编编码器的的数控机机床才能能指定同同
7、步进给给速度,用用于切削削螺纹的的编程。(3)进进给倍率率 操操作面板板上设置置了进给给倍率开开关,倍倍率可以以从02000%之间间变化,每每档间隔隔10%。使用用倍率开开关不用用修改程程序就可可以改变变进给速速度,并并可以在在试切零零件时随随时改变变进给速速度或在在发生意意外时随随时停止止进给。5.主轴轴功能 主轴轴功能就就是指定定主轴转转速的功功能。(1)转转速的编编码方式式 一一般用SS指令代代码指定定。一般般用地址址符S后加两两位数字字或四位位数字表表示,单单位分别别为r/minn和mm/minn。(2)指指定恒定定线速度度 该该功能可可以保证证车床和和磨床加加工工件件端面质质量和不不
8、同直径径的外圆圆的加工工具有相相同的切切削速度度。(3)主主轴定向向准停 该功功能使主主轴在径径向的某某一位置置准确停停止,有有自动换换刀功能能的机床床必须选选取有这这一功能能的CNNC装置置。6. 辅辅助功能能 辅辅助功能能用来指指定主轴轴的启、停停和转向向;切削削液的开开和关;刀库的的启和停停等,一一般是开开关量的的控制,它它用M指令代代码表示示。各种种型号的的数控装装置具有有的辅助助功能差差别很大大,而且且有许多多是自定定义的。7. 刀刀具功能能 刀刀具功能能用来选选择所需需的刀具具,刀具具功能字字以地址址符T为首,后后面跟二二位或四四位数字字,代表表刀具的的编号。8. 补补偿功能能 补
9、补偿功能能是通过过输入到到CNCC系统存存储器的的补偿量量,根据据编程轨轨迹重新新计算刀刀具的运运动轨迹迹和坐标标尺寸,从从而加工工出符合合要求的的工件。补补偿功能能主要有有以下种种类:(1)刀刀具的尺尺寸补偿偿 如如刀具长长度补偿偿、刀具具半径补补偿和刀刀尖圆弧弧补偿。这这些功能能可以补补偿刀具具磨损以以及换刀刀时对准准正确位位置,简简化编程程。 (2)丝丝杠的螺螺距误差差补偿和和反向间间隙补偿偿或者热热变形补补偿 通过事事先检测测出丝杠杠螺距误误差和反反向间隙隙,并输输入到CCNC系系统中,在在实际加加工中进进行补偿偿,从而而提高数数控机床床的加工工精度。9. 字字符、图图形显示示功能 C
10、NNC控制制器可以以配置单单色或彩彩色CRRT或LCDD,通过过软件和和硬件接接口实现现字符和和图形的的显示。通通常可以以显示程程序、参参数、各各种补偿偿量、坐坐标位置置、故障障信息、人人机对话话编程菜菜单、零零件图形形及刀具具实际移移动轨迹迹的坐标标等。10. 自诊断断功能 为了了防止故故障的发发生或在在发生故故障后可可以迅速速查明故故障的类类型和部部位,以以减少停停机时间间,CNNC系统统中设置置了各种种诊断程程序。不不同的CCNC系系统设置置的诊断断程序是是不同的的,诊断断的水平平也不同同。诊断断程序一一般可以以包含在在系统程程序中,在在系统运运行过程程中进行行检查和和诊;也也可以作作为
11、服务务性程序序,在系系统运行行前或故故障停机机后进行行诊断,查查找故障障的部位位。有的的CNCC可以进进行远程程通信诊诊断。11. 通信功功能 为了适适应柔性性制造系系统(FFMS)和和计算机机集成制制造系统统(CIIMS)的的需求,CNC装置通常具有RS232C通信接口,有的还备有DNC接口。也有的CNC还可以通过制造自动化协议(MAP)接入工厂的通信网络。12. 人机交交互图形形编程功功能 为了进进一步提提高数控控机床的的编程效效率,对对于NCC程序的的编制,特特别是较较为复杂杂零件的的NC程序序都要通通过计算算机辅助助编程,尤尤其是利利用图形形进行自自动编程程,以提提高编程程效率。因因此
12、,对对于现代代CNCC系统一一般要求求具有人人机交互互图形编编程功能能。有这这种功能能的CNNC系统统可以根根据零件件图直接接编制程程序,即即编程人人员只需需送入图图样上简简单表示示的几何何尺寸就就能自动动地计算算出全部部交点、切切点和圆圆心坐标标,生成成加工程程序。有有的CNNC系统统可根据据引导图图和显示示说明进进行对话话式编程程,并具具有自动动工序选选择、刀刀具和切切削条件件的自动动选择等等智能功功能。有有的CNNC系统统还备有有用户宏宏程序功功能(如如日本FFANUUC系统统)。这这些功能能有助于于那些未未受过CCNC编编程专门门训练的的机械工工人能够够很快地地进行程程序编制制工作。(
13、二)CCNC系统统的一般般工作过过程1. 输输入 输入CCNC控控制器的的通常有有零件加加工程序序、机床床参数和和刀具补补偿参数数。机床床参数一一般在机机床出厂厂时或在在用户安安装调试试时已经经设定好好,所以以输入CCNC系系统的主主要是零零件加工工程序和和刀具补补偿数据据。输入入方式有有纸带输输入、键键盘输入入、磁盘盘输入,上上级计算算机DNNC通讯讯输入等等。CNNC输入入工作方方式有存存储方式式和NCC方式。存存储方式式是将整整个零件件程序一一次全部部输入到到CNCC内部存存储器中中,加工工时再从从存储器器中把一一个一个个程序调调出。该该方式应应用较多多。NCC方式是是CNCC一边输输入
14、一边边加工的的方式,即即在前一一程序段段加工时时,输入入后一个个程序段段的内容容。2. 译译码 译码是是以零件件程序的的一个程程序段为为单位进进行处理理,把其其中零件件的轮廓廓信息(起起点、终终点、直直线或圆圆弧等),F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释(编译)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定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查,发现错误立即报警。3. 刀刀具补偿偿 刀刀具补偿偿包括刀刀具半径径补偿和和刀具长长度补偿偿。为了了方便编编程人员员编制零零件加工工程序,编编程时零零件程序序是以零零件轮廓廓轨迹来来编程的的,与刀刀具尺寸寸无关。程程序输入入和刀具具参数
15、输输入分别别进行。刀刀具补偿偿的作用用是把零零件轮廓廓轨迹按按系统存存储的刀刀具尺寸寸数据自自动转换换成刀具具中心(刀刀位点)相相对于工工件的移移动轨迹迹。刀具补偿偿包括BB机能和和C机能刀刀具补偿偿功能。在在较高档档次的CCNC中中一般应应用C机能刀刀具补偿偿,C机能刀刀具补偿偿能够进进行程序序段之间间的自动动转接和和过切削削判断等等功能。4. 进进给速度度处理 数控控加工程程序给定定的刀具具相对于于工件的的移动速速度是在在各个坐坐标合成成运动方方向上的的速度,即即F代码的的指令值值。速度度处理首首先要进进行的工工作是将将各坐标标合成运运动方向向上的速速度分解解成各进进给运动动坐标方方向的分
16、分速度,为为插补时时计算各各进给坐坐标的行行程量做做准备;另外对对于机床床允许的的最低和和最高速速度限制制也在这这里处理理。有的的数控机机床的CCNC软软件的自自动加速速和减速速也放在在这里。5. 插插补 零件加加工程序序程序段段中的指指令行程程信息是是有限的的。如对对于加工工直线的的程序段段仅给定定起、终终点坐标标;对于于加工圆圆弧的程程序段除除了给定定其起、终终点坐标标外,还还给定其其圆心坐坐标或圆圆弧半径径。要进进行轨迹迹加工,CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作,这就是插补。插补在每个规定的周期(插补周期)内进行一次,即在每个周期内,按指令进给速度计算出一
17、个微小的直线数据段,通常经过若干个插补周期后,插补完一个程序段的加工,也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。6. 位位置控制制 位位置控制制装置位位于伺服服系统的的位置环环上,如如图4-2所示示。它的的主要工工作是在在每个采采样周期期内,将将插补计计算出的的理论位位置与实实际反馈馈位置进进行比较较,用其其差值控控制进给给电动机机。位置置控制可可由软件件完成,也也可由硬硬件完成成。在位位置控制制中通常常还要完完成位置置回路的的增益调调整、,各各坐标方方向的螺螺距误差差补偿和和反向间间隙补偿偿等,以以提高机机床的定定位精度度。图4-22 位位置控制制的原理理7. II/O处处理 CNCC
18、的I/OO处理是是CNCC与机床床之间的的信息传传递和变变换的通通道。其其作用一一方面是是将机床床运动过过程中的的有关参参数输入入到CNNC中;另一方方面是将将CNCC的输出出命令(如如换刀、主主轴变速速换档、加加冷却液液等)变变为执行行机构的的控制信信号,实实现对机机床的控控制。8. 显显示 CNCC系统的的显示主主要是为为操作者者提供方方便,显显示装置置有CRRT显示示器或LLCD数数码显示示器,一一般位于于机床的的控制面面板上。通通常有零零件程序序的显示示、参数数的显示示、刀具具位置显显示、机机床状态态显示、报报警信息息显示等等。有的的CNCC装置中中还有刀刀具加工工轨迹的的静态和和动态
19、模模拟加工工图形显显示。上述的CCNC的的工作流流程如图图4-33所示。图4-33 CCNC的的工作流流程第二节 CNCC系统的的硬件结结构 一、CCNC系系统的硬硬件构成成特点随着大规规模集成成电路技技术和表表面安装装技术的的发展,CCNC系系统硬件件模块及及安装方方式不断断改进。从从CNCC系统的的总体安安装结构构看,有有整体式式结构和和分体式式结构两两种。所谓整体体式结构构是把CCRT和和MDII面板、操操作面板板以及功功能模块块板组成成的电路路板等安安装在同同一机箱箱内。这这种方式式的优点点是结构构紧凑,便便于安装装,但有有时可能能造成某某些信号号连线过过长。分分体式结结构通常常把CR
20、RT和MMDI面面板、操操作面板板等做成成一个部部件,而而把功能能模块组组成的电电路板安安装在一一个机箱箱内,两两者之间间用导线线或光纤纤连接。许许多CNNC机床床把操作作面板也也单独作作为一个个部件,这这是由于于所控制制机床的的要求不不同, 操作面面板相应应地要改改变,做做成分体体式有利利于更换换和安装装。CNC操操作面板板在机床床上的安安装形式式有吊挂挂式、床床头式、控控制柜式式、控制制台式等等多种。从组成CCNC系系统的电电路板的的结构特特点来看看,有两两种常见见的结构构,即大大板式结结构和模模块化结结构。大大板式结结构的特特点是, 一个个系统一一般都有有一块大大板,称称为主板板。主板板
21、上装有有主CPPU和各各轴的位位置控制制电路等等。其他他相关的的子板(完完成一定定功能的的电路板板),如如ROMM板、零零件程序序存储器器板和PPLC板板都直接接插在主主板上面面,组成成CNCC系统的的核心部部分。由由此可见见,大板板式结构构紧凑,体体积小,可可靠性高高,价格格低,有有很高的的性能价格比比,也便便于机床床的一体体化设计计,大板板结构虽虽有上述述优点,但但它的硬硬件功能能不易变变动,不不利于组组织生产产。 另外一一种柔性性比较高高的结构构就是总总线模块块化的开开放系统统结构,其其特点是是将CPPU、存存储器、输输入输出出控制分分别做成成插件板板(称为为硬件模模块),甚甚至将CCP
22、U、存存储器、输输入输出出控制组组成独立立微型计计算机级级的硬件件模块,相相应的软软件也是是模块结结构,固固化在硬硬件模块块中。硬硬软件模模块形成成一个特特定的功功能单元元,称为为功能模模块。功功能模块块间有明明确定义义的接口口,接口口是固定定的,成成为工厂厂标准或或工业标标准,彼彼此可以以进行信信息交换换。于是是可以积积木式组组成CNNC系统统,使设设计简单单,有良良好的适适应性和和扩展性性,试制制周期短短,调整整维护方方便,效效率高。 从CNNC系统统使用的的CPUU及结构构来分,CCNC系系统的硬硬件结构构一般分分为单CCPU和和多CPPU结构构两大类类。初期期的CNNC系统统和现在在的
23、一些些经济型型CNCC系统采采用单CCPU结结构,而而多CPPU结构构可以满满足数控控机床高高进给速速度、高高加工精精度和许许多复杂杂功能的的要求,也也适应于于并入FFMS和和CIMMS运行行的需要要,从而而得到了了迅速的的发展,它它反映了了当今数数控系统统的新水水平。 二、单单CPUU结构CCNC系系统单CPUU结构CNNC系统统的基本本结构包包括:CCPU、总总线、II/O接接口、存存储器、串串行接口口和CRRT/MMDI接接口等,还还包括数数控系统统控制单单元部件件和接口口电路,如如位置控控制单元元、PLLC接口口、主轴轴控制单单元、速速度控制制单元、穿穿孔机和和纸带阅阅读机接接口以及及
24、其他接接口等。图图4-44所示的的为一种种单CPPU结构构的CNNC系统统框图。图4-44 单单CPUU结构CNNC框图图CPU主主要完成成控制和和运算两两方面的的任务。控控制功能能包括:内部控控制,对对零件加加工程序序的输入入、输出出控制,对对机床加加工现场场状态信信息的记记忆控制制等。运运算任务务是完成成一系列列的数据据处理工工作:译译码、刀刀补计算算、运动动轨迹计计算、插插补运算算和位置置控制的的给定值值与反馈馈值的比比较运算算等。在在经济型型CNCC系统中中,常采采用8位位微处理理器芯片片或8位位、166位的单单片机芯芯片。中中高档的的CNCC通常采采用166位、332位甚甚至644位
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