计算机数控系统

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上海中华职业技学院机电学科组 《数控加工技术》第五讲 计算机数控系统课程名称数控加工技术课时2序 号1授课班级日期教学方式讲 授课题第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原理第一节 计算机数控系统任课教师黄 晖教学主要内容、目的、要求、重点与难点、复习、提问、备注、布置作业等教 学 主 要 内 容CNC系统的组成与特点，CNC系统的硬件结构，CNC系统的软件结构，CNC系统的控制原理：(一)零件程序的输入，(二)译码，(三)刀具补偿，(四)速度控制，(五)插补计算[1]目 的要 求1、了解CNC系统的组成与特点2、熟悉CNC系统的硬件和软件结构3、理解CNC系统的基本工作过程重 点CNC系统的硬件和软件结构，CNC系统的控制原理。难 点CNC系统的控制原理：刀具补偿、插补计算。作 业备注对CNC系统的控制原理内容要注意启发学生，避免枯燥。教学过程及内容：一、CNC系统的组成与特点CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-1所示。计算机(软件功能) 硬件电路(硬件功能)伺服系统数控机床指令输入图2-1 CNC系统的组成框图根据上述组成框图，CNC系统有如下特点：(1)灵活性(2)通用性(3)可靠性(4)数控功能多样化(5)使用维护方便二、CNC系统的硬件结构(一)CNC系统的硬件结构1、数控装置：数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块(小板)结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。(1)大板结构和功能模板结构①大板结构大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。②功能模块结构(2)单微处理器结构和多微处理器结构①单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。图2-2是单微处理器结构图。②多微处理器结构随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。如图2-3所示的数控系统带有4个CPU。目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPU结构和分布式结构。2、输入/输出装置3、驱动装置4机床电器逻辑控制装置上述四部分之间通过I/O接口互连。(二)CNC系统硬件各基本组成部分的功能1、微处理器(CPU)和总线：(1)微处理器：有运算器和控制器组成。运算器主要对数据进行算术和逻辑运算。控制器将存储器中的指令进行译码，向CNC装置各部分按顺序发出操作的控制信号，并接受执行部件的反馈消息，从而决定下一步操作指令。(2)总线：是CPU和各组成部件、接口之间信息的公共传输线。2、存储器：用于存放程序、数据和参数。3、位置控制器：将经过插补运算得到的控制信号送往位置控制单元。4、可编程控制器(PLC)：利用逻辑运算实现机床的顺序控制，在数控机床上替代传统机床强电的继电器逻辑控制。三、CNC系统的软件结构(一)CNC系统软件的组成CNC软件分为应用软件和系统软件。1、CNC系统软件：是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。一般包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。(1)输入数据处理程序它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。 ①输入程序②译码程序③数据处理程序(2)插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。(3)速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。(4)管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。(5)诊断程序诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件(CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等)的功能是否正常，并指出发生故障的部位。(二)CNC系统软件的结构较常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。1、前后台型软件结构前后台型软件结构将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程序。2、中断型软件结构四、数控系统的基本工作过程(一)零件程序的输入1、输入内容：零件程序、控制参数和补偿数据等。2、输入方式：存储方式、NC方式(二)译码所谓译码，指的是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成数控装置中的计算机能够识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。(三)刀具补偿经过译码后得到的数据，还不能直接用于插补控制，要通过刀具补偿计算，将编程轮廓数据转换成刀具中心轨迹的数据才能用于插补。刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。(四)进给速度在零件数控程序中，F指令设定了进给速度。速度控制的任务是为插补提供必要的速度信息。由于各种CNC系统采用的插补法不同，所以速度控制计算方法也不相同。(五)插补零件程序经过译码、刀补计算和速度计算后，紧接着就是插补和位控，其中插补是数控系统的主要任务之一。数控加工程序中，一般都已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程。另外，还要根据机床参数和工艺要求给出刀具长度、刀具半径和主轴转速、进给速度等。插补的任务就是根据进给速度的要求，计算出每一段零件轮廓起点与终点之间所插入中间点的坐标值，机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。(六)位置控制位置控制的作用是在每个采样周期内，把插补计算得到的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。5 关 键 词： 计算机 数控系统

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