1、第第6章章 数数 控控 系系 统统 6.1 数数 控控 装装 置置 6.1.1 概概 述述1.CNC系统的组成系统的组成 图6.1 CNC系统的组成框图6.1.1 概概 述述 2.CNC装置的工作过程装置的工作过程（1）输入）输入（2）译码）译码（3）刀具补偿）刀具补偿（4）进给速度处理）进给速度处理（5）插补）插补（6）位置控制）位置控制（7）I/O接口接口（8）显示）显示（9）诊断）诊断6.1.1 概概 述述 3、CNC装置的功能装置的功能 CNC装置的功能是指它满足不同控制对象各装置的功能是指它满足不同控制对象各种要求的能力，通常包括基本功能和选择功能。种要求的能力，通常包括基本功能和选
2、择功能。基本功能是数控系统必备的功能，如控制功能、基本功能是数控系统必备的功能，如控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能和自诊断功能助功能、刀具功能、字符显示功能和自诊断功能等。选择功能是供用户根据不同机床的特点和用等。选择功能是供用户根据不同机床的特点和用途进行选择的功能，如补偿功能、固定循环功能、途进行选择的功能，如补偿功能、固定循环功能、通讯功能和人机对话编程功能等。通讯功能和人机对话编程功能等。6.1.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 1.单微处理机硬件结构单微处理机硬件结构（1）微处理器和总线
3、微处理器和总线（2）存储器）存储器（3）I/O接口接口（4）MDICRT接口接口（5）位置控制模块位置控制模块（6）可编程控制器（可编程控制器（PLC）6.1.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 2.多微处理机硬件结构多微处理机硬件结构6.1.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 多微处理机硬件结构的CNC装置具有以下特点：1）计算处理速度高 多微处理机硬件结构中每一个微处理器完成系统指定的一部分功能，独立执行程序，并行运行，因而比单微处理机硬件结构提高了计算处理速度。2）可靠性高 多微处理机硬件结构采用模块化结构，每个模块完成自己的任务。模块拆装方便，将故障对系统的影响减到最小。共享资
4、源不仅节省了重复机构，降低了成本，而且也提高了系统可靠性。3）有良好的适应性和扩展性 多微处理机硬件结构按其功能可由以上各种基本功能的硬件模块组成，其相应的软件也是模块结构，固化在硬件结构中。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工业标准，彼此可以进行信息交换。模块化结构使系统不仅设计简单，而且有良好的适应性和扩展性。6.1.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 3.开放式开放式CNC系统系统图6.5 单元PC机结构数控系统图6.6 分层式多微处理机结构数控系统6.1.3 CNC装置的软件结构装置的软件结构 1.CNC装置的软件组成装置的软件组成 图6.7 CNC装置软件组成6.1.
5、3 CNC装置的软件结构装置的软件结构2.CNC装置的软件结构特点装置的软件结构特点（1）多任务并行处理）多任务并行处理（2）实时中断处理）实时中断处理3.CNC装置的软件结构装置的软件结构（1）前后台型软件结构）前后台型软件结构（2）中断型软件结构）中断型软件结构6.1.4 CNC装置的插补原理装置的插补原理“插补”实质是数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、完成所谓的数据“密化”工作。数控系统中完成插补工作的装置称为插补器。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，目前应用的插补方法分为两类：脉冲增量插补和数字增量插补。（1）脉冲增量插补（2）数字增量插补 6.1.5
6、CNC装置的刀具补偿与加减装置的刀具补偿与加减速控制速控制 1.CNC装置的刀具补偿装置的刀具补偿（1）刀具长度补偿（2）刀具半径补偿 2.CNC装置的加减速控制装置的加减速控制（1）前加减速控制（2）后加减速控制 6.1.6 数控系统中的数控系统中的PLC在数控机床上采用PLC代替继电器控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。在数控机床、加工中心等自动化程度高的加工设备和生产制造系统中，PLC是不可缺少的控制装置。6.1.6 数控系统中的数控系统中的PLC2.PLC基本结构和工作过程基本结构和工作过程图6.28 通用型PLC的硬件基本结构6.1.6 数控系统中的数控
7、系统中的PLC3.PLC在数控机床控制中的应用在数控机床控制中的应用CNC给PLC的信息主要是M、S、T等辅助功能代码。（1）M、S、T功能的实现 1）M功能的实现 PLC完成的M功能是多样的。根据不同的M代码，可以控制主轴正反转或停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开、关，卡盘的夹紧与松开，以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。2）S功能的实现 S用来指定主轴转速。CNC装置将S代码送入PLC。经电平转换、译码、数据转换、限位控制和DA变换，最后送给主轴电动机伺服系统。3）T功能的实现自动换刀控制方式有固定存取换刀方式和随机存取换刀方式，它们分别采用刀套编码制和刀具编码制。对于刀套编码的T功能
8、处理过程是：CNC装置送出T代码指令给PLC，PLC经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的新刀号所在的数据表的表地址，并与现行刀号进行判别比较，如不符合，则将刀库回转指令发送给刀库控制系统，直到刀库定位到新刀号位置时，刀库停止回转，并准备换刀。6.1.7 CNC系统的接口电路系统的接口电路CNC系统接口电路的主要任务如下：系统接口电路的主要任务如下：（1）电平转换和功率放大）电平转换和功率放大（2）防止干扰引起误动作）防止干扰引起误动作（3）数）数/模和模模和模/数转换数转换（4）防止信号畸变）防止信号畸变 6.1.7 CNC系统的接口电路系统的接口电路 2.CNC系统的系统的I/O接口接
9、口（1）直流输入信号接口电路）直流输入信号接口电路（2）直流输出信号接口电路）直流输出信号接口电路 3.CNC系统的串行通讯接口系统的串行通讯接口6.2数控检测装置数控检测装置6.2.1 概述概述1.对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求（1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；（2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适应机床工作环境；（4）成本低。6.2.1 概述概述 2 检测装置的分类检测装置的分类位置检测装置按检测方式分类直接测量光栅、感应同步器、编码盘间接测量编码盘、旋转变压器按测量装置编码方式分类增量式测量光栅、增量式光
10、电码盘绝对式测量接触式码盘、绝对式光电码盘按检测信号的类型分类数字式测量光栅、光电码盘、接触式码盘模拟式测量旋转变压器、感应同步器、磁栅6.2.2 光栅光栅1.光栅的结构和工作原理光栅的结构和工作原理6.2.2 光栅光栅如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，使两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。6.2.2 光栅光栅2.光栅位移光栅位移数字变换电路数字变换电路6.2.3 光电脉冲编码器光电脉冲编码器1.光电脉冲编码器的结构和工作原理光电脉冲编码器的结构和工作原理 1光源；2圆光栅；3指示光栅；4光敏元件；5轴；
11、6连接法兰；7防护罩；8电路板图6.40 光电脉冲编码器的结构组成示意图6.2.3 光电脉冲编码器光电脉冲编码器2.光电脉冲编码器的应用光电脉冲编码器的应用光电脉冲编码器在数控机床上用于数字比较的伺服光电脉冲编码器在数控机床上用于数字比较的伺服系统中作为位置检测装置，将检测信号反馈给数系统中作为位置检测装置，将检测信号反馈给数控装置。控装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有装置有两种方式：一种是适应带加减计数要求的可逆计两种方式：一种是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。另一种是数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。另一种是适
12、应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。控制信号和计数脉冲。6.3数控伺服系统数控伺服系统 6.3.1 概述概述1.伺服系统的组成伺服系统的组成图6.43 伺服系统结构图6.3.1 概述概述2.对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求（1）精度高）精度高（2）稳定性好（3）快速响应（4）调速范围宽（5）低速大转矩 3.伺服系统的分类伺服系统的分类 可分为开环伺服系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。6.3.2 伺服电动机伺服电动机伺服电动机（简称伺服电机）为数控伺服系统的重伺服电动机（简称伺服电机）为数控伺服系统的重要组成部分，是速度
13、和轨迹控制的执行元件。要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。1.交流伺服电机及工作特性交流伺服电机及工作特性在交流伺服系统中一般采用同步型交流伺服电机和在交流伺服系统中一般采用同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。交流异步（感应）异步型交流感应伺服电机。交流异步（感应）伺服电机结构简单，制造容量大，主要用在主伺服电机结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中；交流同步伺服电机可方便地获轴驱动系统中；交流同步伺服电机可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机构特性和很宽的调速范围，在电源电压和的机构特性和很宽的调速范围，在电源电压和频
14、度固定不变时，它的转速是稳定不变的，主频度固定不变时，它的转速是稳定不变的，主要用在进给驱动系统中。要用在进给驱动系统中。6.3.2 伺服电动机伺服电动机2.直线电机直线电机直线运动系统传统的驱动电机为旋转电机，直线运动系统传统的驱动电机为旋转电机，经过机械转换装置将旋转运动变为直线运经过机械转换装置将旋转运动变为直线运动。动。随着电机技术、材料科学和自动控制学科的发展，直线电机的优越性越来越充分地体现出来。直线电机用于数控伺服系统中，可以简化系统结构、提高定位精度、实现高速直线运动，乃至平面运动。6.3.3 速度控制速度控制速度控制系统是数控伺服系统中的重要组成部分，它由速度控制单元、伺服电
15、机、速度检测装置（由速度传感器、信号处理电路和软件组成）等构成。速度控制主要是完成对伺服电机的调速和稳速。（1）主轴与进给驱动的同步控制 该功能使数控机床具有螺纹（或螺旋槽）加工能力。（2）准停控制 在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。（3）角度分度控制角度分度有两种情况：一是固定的等分角位置控制，二是连续的任意角度控制。（4）恒线速度控制 为了保证端面加工的表面质量，要求主轴具有恒线速度切削功能。6.3.3 速度控制速度控制1.交流进给运动的速度控制交流进给运动的速度控制（1）交流伺服电机的调速方法）交流伺服电机的调速方法（2）正弦脉宽调制（）正弦脉宽调制（Sinu
16、soidal PWM）变压变频）变压变频器器 2.交流进给驱动的速度控制交流进给驱动的速度控制交流进给驱动系统采用永磁交流同步伺服电机。交流进给驱动系统采用永磁交流同步伺服电机。3.交流主轴驱动的速度控制交流主轴驱动的速度控制4.交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制6.3.4 位置控制位置控制位量控制是伺服系统的重要组成部分，它是保证位置精度的环节。作为一个完整概念，位置控制包括：位置控制环、速度控制环和电流控制环，具有位置控制环的系统才是真正完整意义的伺服系统。数控机床进给系统就是包括了三环控制的伺服系统。位置控制按结构分为开环控制和闭环控制两类；按工作原理分为相位控制、幅值控制和数
17、字控制等类。6.3.4 位置控制位置控制1.位置控制的基本原理位置控制的基本原理位置控制环是伺服系统的外环，它接收数控位置控制环是伺服系统的外环，它接收数控装置插补器每个插补采样周期发出的指令，装置插补器每个插补采样周期发出的指令，作为位置环的给定。同时还接收每个位置作为位置环的给定。同时还接收每个位置采样周期测量反馈装置测出的实际位置值，采样周期测量反馈装置测出的实际位置值，然后与位置给定值进行比较（给定值减去然后与位置给定值进行比较（给定值减去反馈值）得出位置误差，该误差作为速度反馈值）得出位置误差，该误差作为速度环的给定。环的给定。6.3.4 位置控制位置控制2.数字脉冲比较位置控制伺服
18、系统数字脉冲比较位置控制伺服系统（1）数字脉冲比较位置控制系统的组成）数字脉冲比较位置控制系统的组成 图6.66 数字脉冲比较位置控制的半闭环伺服系统 6.3.4 位置控制位置控制3.全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统随着计算机技术、电子技术和现代控制理论随着计算机技术、电子技术和现代控制理论的发展，数控伺服系统向着交流全数字化的发展，数控伺服系统向着交流全数字化方向发展。方向发展。复复 习习 题题6.1 简述CNC装置的工作过程及主要功能。6.2 CNC装置的单微处理机硬件结构由几部分组成？这种结构有什么特点？6.3 CNC装置的多微处理机硬件结构由几种功能模块组成？该结构有什么特点？6.
19、4 开放式数控系统的基本特征是什么？6.5 CNC装置的软件由几部分组成？CNC装置的软件结构有何特点？6.6 加工第一象限直线OE，起点，终点，采用逐点比较法插补，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。6.7 何谓刀具长度补偿？何谓刀具半径补偿？6.8 CNC系统的接口分为哪几类？接口电路的主要任务是什么？6.9 数控机床中的PLC的功能是什么?6.10 数控机床对位置检测装置有何要求？怎样对位置检测装置进行分类？6.11 简述光栅的构成和工作原理。6.12 简述光电脉冲编码器的构成和工作原理。6.13 伺服系统的组成包括哪些部分？对伺服系统的基本要求是什么？6.14 伺服系统的分类有哪些？6.15 说明交流进给、主轴伺服电机的工作原理及特性曲线。6.16 交流驱动的速度控制方法有哪些？
