第四章 计算机数控系统(CNC系统)

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第四章 计算机数控系统(CNC系统)第一节 概述一、CNC系统的组成CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、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4-1 CNC系统的结构框图在图4-1中所示的整个计算机数控系统的结构框图，数控系统主要是指图中的CNC控制器。CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接口构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。三、CNC系统的功能和一般工作过程(一)CNC系统的功能 CNC系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列，性能各异。数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC系统的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。1. 控制功能 CNC系统能控制的轴数和能同时控制(联动)的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制，二轴联动；一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或轴联动；一般加工中心为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求CNC系统的功能就越强，同时CNC系统也就越复杂，编制程序也越困难。2. 准备功能 准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的加工机床，如钻床、冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的加工机床，如车床、铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。3. 插补功能 CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。因此 ，CNC的插补功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. 进给功能 根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。(1)切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。对于回转轴，表示每分钟进给的角度。(2)同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。(3)进给倍率 操作面板上设-省略部分-通道连接设备及I/O)，设备端接口通过DSP芯片转换成标准的电动机控制信号。每个通道的控制节点可达32个，每个节点可控制1根轴(通过通讯协议中的广播同步信号使各轴间实现同步联动)或一组模拟接口(测量接口，系统监控传感器接口等)或一组PLC I/O(最多可达256点)，PLC的总点数可达2048点(可参见图4-33 现场总线网络拓扑结构)。图4－33 设备层现场总线网络拓扑结构图2、系统主要特点：(1)控制器具有动态地自动识别系统接口卡的功能，系统可重配置以满足不同加工工艺的机床和设备的数控要求，驱动电动机可配数字伺服、模拟伺服和步进电动机；(2)网络功能。通过以太网(不用过时的、价格昂贵，缺乏广泛的支持MAP协议)实现数控系统与车间网络或INTRANET/INTERNET的互连，利用TCP/IP协议开放数控系统的内部数据，实现与生产管理系统和外部网络的高速双向数据交流。具有常规DNC功能(采用百兆网其速率比传统速率为112K的232接口 DNC快将近一千倍)、生产数据和机床操作数据的管理功能、远程故障诊断和监视功能；(3)系统除具有标准的并口、串口(RS232)、PS2(键盘、鼠标口)、USB接口、以太网接口外，还配有高速现场总线接口(RS422)、PCMCIA IC Memory Card(Flash ATA)接口、红外无线接口(配刀具检测传感器)； (4)显示屏幕采用12.1寸 TFT-LCD。采用统一用户操作界面风格，通过水平和垂直两排共18个动态软按键满足不同加工工艺机床的操作要求，用户可通过配置工具对动态软按键进行定义。垂直软按键可根据水平软按键的功能选择而改变，垂直菜单可以多页。(5)将多媒体技术应用于机床的操作、使用、培训和故障诊断，提高机床的易用性和可维性，降低使用成本。多媒体技术提供使用操作帮助、在线教程、故障和机床维护向导；(6)具有三维动态加工仿真功能；利用OpenGL技术提供三维加工仿真功能和加工过程刀具轨迹动态显示； (7)具有Nurbs插补和自适应Look ahead功能，实现任意曲线、曲面的高速插补。输出电动机控制脉冲频率最高可达4MHz(采用直接数字合成DDS IC实现)，当分辩率为0.1mm时，快进速度可达24米，如有需要可输出更高的频率)，适合于高速、高精度加工；(8)伺服更新可达500ms(控制6轴，PENTIUM III以上 CPU)，PLC扫描时间小于2ms；(9)PLC编程符合国际电工委员会IEC-61131-3规范，提供梯形图和语句表编程；(10)采用高可靠性的工控单板机(SBC)，加强软硬件可靠性措施，保证数控系统的平均无故障时间(MTBF)达到20000小时；(11)符合欧洲电磁兼容标准(Directive 89/336/EEC)4级要求；(12)数控系统本身的价格(不包括伺服驱动和电动机)可为现有同功能的普及型和高档数控系统的1/2。思考题与习题四4-1 CNC控制系统的主要特点是什么？它的主要控制任务是哪些？4-2 CNC装置的主要功能有哪些？4-3 单微处理机结构和多微处理机结构各有何特点？4-4 常规的CNC软件结构有哪几种结构模式？4-5 全编码键盘和非编码键盘各有何特点？4-6 试述CRT显示字形的工作原理。4-7 数控机床常用的输入方法有几种？各有何特点？4-8 试述采用串行和并行方式进行外部设备与数控机床间的数据通信时的工作原理与特点。4-9 开放式结构数控系统的主要特点是什么？42 关 键 词： 系统 第四 cnc 数控 计算机

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