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1、第五章 计算机数控系统,返回课件首页,第一节 概 述 数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作(指令)信号。数控装置由输入接口、控制器、运算器、存储器和输出接口等五大部分组成,一、数控装置的作用 数控装置的主要作用是：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。,数控装置在数控机床中的
2、位置,二、数控装置软件和硬件 的功能界面,硬件,图 几种典型的软硬件界面的划分,软硬件功能界面问题：哪些功能由软件来实现，哪些功能由硬件来实现，或怎样确定软件和硬件在数控装置中所承担的任务。四种功能界面的划分，代表了不同时期的数控装置产品。数控装置发展的趋势是软件承担的任务越来越多。这主要是由于计算机的运算处理能力不断增强，使软件运行的速度大大提高的结果。这种趋势并不是一成不变的，随着电子技术的发展，硬件的成本也在不断降低，如果硬件的制造可以做到象软件一样灵活，能够根据特殊需求，专门制做的时候，硬件所担负的功能还会逐步增加。,CNC装置的功能,轴控制功能准备功能插补功能进给功能主轴功能辅助功能
3、刀具功能和第二辅助功能补偿功能字符、图形显示功能自诊断功能通信功能人机交互图形编程功能,MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其典型系统有（广州数控设备厂产品）：,一、由单片机组成的数控装置,第二节 数控装置的硬件结构,图 用80-31单片机组成的简易数控装置的硬件系统图,图中 74L
4、S02为：双极TTL数字逻辑电路，四个2输入或非门 2764为EPROM,可擦写只读存储器 GND为信号地 RST为复位，左面是复位电路 DG1-DG6为LED 显示器,图5-3 单微处理机数控装置的结构图,二、单微处理机数控装置,图 数控装置的物理结构（FANUC-6MB）,单微处理机数控装置典型产品：,右：FANUC 150i-M系列下：华中世纪星,三、基于PC的网络型数控装置,图5-5 基于网络的数控系统结构图,典型基于PC的网络型数控产品,上：SIEMENS802D左：燕山大学数控凸轮磨床,目前，日本市场对高附加值加工的需求很大，正在大量引进复合加工机、五面加工机及五轴加工机等。这些机
5、床动作相当复杂，因此在加工准备及试加工时极有可能发生预料不到的碰撞、操作时需要十分小心。碰撞防止系统可大大缩短加工准备及试加工所需要的时间。经OKUMA测试，可将加工准备及试加工所需时间缩短3050%。该公司计划在2004年9月8日于美国芝加哥开幕的International Manufacturing Technology Show（IMTS，通称芝加哥展）上展出这种碰撞防止系统。,OKUMA开发成功防止机械碰撞的数控装置（图文）(2004-8-30)日本OKUMA开发成功了一种新型数控机床装置“OSP-P200”，可以选配的方式给数控机床增加可防止任何运转状态下的机械冲撞的功能。该产品将于
6、2005年春季上市。不管是基于加工程序的自动运行，还是加工准备或者试加工时的手动操作，其配备的“碰撞防止系统（Anti Crash System）”均可在机床运转之前进行检查、在碰撞发生之前安全地自动停止运转。碰撞防止系统在NC装置中存储有机床构件、工具、夹具及机件的精密三维模型。手动操作时根据操作员的指令、自动运转时根据加工程序的指令操控机床前，首先使用三维模型进行模拟运行。这样，便可事先检测出是否会发生碰撞，如果检测出碰撞便会在碰撞发生前停止机床运转、通知操作人员。,第三节 数控软件,图 数控装置软件的数据转换流程,（一）译码读取一行零件加工程序 译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译
7、成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。1 不按字符格式的存放方法 M03 G03 X100.Y50.I0 J50.F100.；,高,4,位,低,4,位,说明,1,3,G03,2,3,M03,100,X,值,50,Y,值,0,Z,值,0,I,值,50,J,值,0,K,值,100,F,值,图 不按字符格式的译码数据存放格式,M03 G03 X100.Y50.I0 J50.F100.；,2 保留字符格式的存放方法 Struct PROG_BUFFER char buf_state；/0：空，1：有数据 int block_num；/程序段号
8、double COORD20；/尺寸字的数值，单位为m int F，S；/进给速度和主轴速度 char G_flag；/以标志形式存放的G指令 char G1；/G指令表.char M_flag；/以标志形式存放的M指令 char M1；/M指令表.char T；/刀具代号 char D；/刀具半径值；,（二）刀补计算刀心轨迹刀补处理程序主要进行以下几项工作：1 计算本段程序零件轮廓的终点坐标值；2 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段程序刀具中心轨迹的坐标；3 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。,（三）速度预处理计算当前插补周期的插补步长 对于数据采样插补算法，主要完成以下几步计
9、算：1计算本程序段总位移量 2计算每个插补周期内的合成进给量 L=Ft/60（mm）式中，F 进给速度值（mm/min）；t 数控系统的插补周期（ms）。,恒速控制：F值恒定加减速控制：F值按照一定规律变化,（四）插补处理将插补步长分解到坐标轴 1 根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量（已经在上一步骤中完成）；2 计算新的坐标位置；3 将合位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。插补程序的实时性插补方法：基准脉冲：逐点比较 DDA数据采样：直线函数 扩展DDA,（五）位置控制 用插补结果去控制执行机构动作,图 位置控制算法原理,二、数控软件的特点实时、多任务 1 数控装
10、置的多任务性 图 数控装置的任务,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。,图 分时共享多任务处理方案,2 多任务并行处理的实现（1）资源分时共享,图 各任务占用CPU时间示意图,（2）时间重叠流水处理 图 时间重叠流水处理示意图,三、数控软件的基本结构（一）前后台型结构模式 图 前后台程序的运行关系,（二）中断型结构模式 中断型结构的数控软件系统见图。图 中断型结构的数控软件系统,第四节 数控装置的输入/输出接口 一、接口及其标准化
11、 接口是数控装置和外部设备间的过渡部分。接口标准化是数控系统开放化的要求 二、接口的任务 1 进行电平和功率放大。2 将数控装置和机床之间的信号在电气上加以隔离。3 数/模（D/A）或模/数（A/D）转换电路。4 消除畸变。,第五节 PLC控制,数控机床上需要控制的数字信号,1PLC CW T1 Stop T1 CCW T2 T2 图 实现主轴正反转及停止控制的继电器逻辑电路,一、PLC的基本概念,现代数控系统中采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller-PLC）来实现开关量及其逻辑关系的控制。PLC是由计算机简化而来的，为了适应顺序控制的要求，PLC省去
12、了计算机的一些数字运算功能，强化了逻辑运算功能，是一种介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。PLC的最大特点是，其输入输出量之间的逻辑关系是由软件决定的，因此改变控制逻辑时，只要修改控制程序即可，是一种柔性的逻辑控制装置。另外PLC能够控制的开关量数量要比RLC多，能实现复杂的控制逻辑。由于减少了硬件线路，控制系统的可靠性大大提高。2数控装置中的PLC 数控装置中的PLC有两种类型：内装型PLC和独立型PLC。内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现，如下图所示。,图 内装型PLC
13、结构图,独立型PLC又称通用型PLC，它的CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。独立型PLC与数控装置的关系如下图。图5-26 独立型PLC结构图,上：内置型PLC右：独立型PLC,二、PLC编程的基本方法 由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，程序的表达方法也不同。可编程序逻辑控制器的常用编程方法有接点梯形图法和语句表法。接点梯形图法 梯形图（LCLadder Diagram）编程是一种图形编程方法，由于用了电路元件符号来表示控制任务，与传统的继电器电路图很相似，因此梯形图很直观，易于理解。前面提到的电机正反转控制的梯形图程序如图所示。,R1 支路1 1.0 A E 梯级1 支路2 120.1 1.2 120.1 支路3 1.1 B E R2 梯级2 1.2 120.2 支路4 120.2 电力轨 电力轨图5-27 电机正反转控制的接点梯形图,
