1、第3章 计算机数控(CNC)装置知识目标1.熟悉CNC装置功能2.了解CNC装置的软硬件组成能力目标1.能够说明典型数控系统信号的流向2.会连接典型数控机床中各系统电气控制3.1 CNC系统的组成和功能3.1.1 CNC系统的组成 数控系统主要靠存储程序来实现各种机床的控制。整个数控系统由程序、I/O设备、计算机数控(CNC)装置、可编程控制器单元、主轴控制单元和速度控制单元等部分组成，习惯上简称为CNC系统。3.1.2 CNC装置的工作内容1.输入 2.译码 3.刀具补偿4.进给速度处理 5.插补 6.位置控制7.I/O处理 8.显示 9.诊断3.1.3 CNC装置的功能1.控制功能CNC系
2、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，通过轴的联动完成轮廓的加工。数控车床只需二轴联动。数控铣床需要三轴联动或二轴半联动。加工中心为多轴控制与多轴联动。控制轴数以及联动的轴数越多，CNC系统的功能就越强，系统越复杂，编程越困难。2.准备功能 用来指定机床运动方式，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等。用G字母与数字组合来表示。3.插补功能插补功能 数控装置都有直线和圆弧插补，高档数数控装置都有直线和圆弧插补，高档数控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、正弦插补、样
3、条插补等功能。插补、正弦插补、样条插补等功能。4.进给功能根据加工工艺要求，进给功能用F指令代码指定数控机床加工的进给速度。1)切削进给速度 2)同步进给速度3)进给倍率 5.主轴功能 1)转速的编码方式 2)指定恒定线速度 3)主轴定向准停 6.辅助功能 用来指定主轴的旋转和停止、切削液的开与关等。用M指令代码表示，是开关量信号。7.刀具功能 对加工中所需的刀具进行选择，以地址符T后加两位或四位数字表示刀号或刀补号。8.补偿功能 通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。9.图形显示功能10.自诊断功能11.通信功能12.人机
4、交互图形编程功能3.2 CNC装置的硬件结构3.2.1 单微处理器结构1.单微处理器结构单微处理器结构是指在CNC装置中只有一个微处理器(CPU)，工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务。2.单微处理器CNC的结构特点1)CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。2)微处理器通过总线与存储器、I/O控制等接口电路相连，构成CNC装置。3)结构简单，实现容易。3.2.2 多微处理器结构1.多微处理器结构组成1)组成(1)CNC管理模块(2)CNC插补模块 (3)位置控制模块(4)存储器模块 (5)PLC模块 (6)操作控制数据输入
5、、输出和显示模块。2)功能模块的互连功能模块的互连方式方式(1)共享总线结构共享总线结构 (2)共享存储器结构共享存储器结构2.多微处理器结构多微处理器结构的特点的特点1)性能价格比高。性能价格比高。2)模块化结构模块化结构3)具有很强的通信具有很强的通信功能，便于实现功能，便于实现FMS、CIMS。3.3 CNC装置的软件结构3.3.1 CNC装置的软件组成CNC装置软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，分为管理软件和控制软件两大部分。1)输入数据处理程序2)插补计算程序 3)速度控制程序 4)管理程序 5)诊断程序 3.3.2 CNC系统的软件结构1.CNC装置的多任务并行处理并
6、行处理分为资源重复法、时间重叠法和资源共享法等。2.前后台型软件结构 程序启动后，运行完初始化程序即进入背景程序环，同时开放定时中断，每隔一个固定时间间隔发生一次定时中断，执行一次中断服务程序。这样，中断程序和背景程序有条不紊地协同工作。3.中断型软件结构整个软件就是一个大的中断系统，由中断管理系统(由硬件和软件组成)对各级中断服务程序按照中断的优先级实施调度管理。3.3.3 CNC系统的插补原理1.插补的基本概念 数控系统根据给定速度和给定轮廓的要求，在已知点之间，确定中间点的过程称为插补(Interpolation)，完成插补功能的模块或装置称为插补器。2.插补的基本原理根据数控机床的精度
7、要求，运用微积分的方法，“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹”。3.插补方法的分类1)硬件插补和软件插补2)一次插补、二次插补及高次曲线插补3)脉冲增量插补和数字增量插补 3.4 典型CNC系统及应用3.4.1 FANUC数控系统1.FANUC-16/18/21/0iA组成及特点1)系统主要特点(1)由系统模块和I/O模块组成。(2)可使用编辑卡编写或修改梯形图。(3)用存储卡存储机床参数、PMC顺序程序等。(4)更强大的诊断功能和操作显示功能。(5)系统具有HRV功能。(6)FANUC-16可控八轴，六轴联动；FANUC-18系统最多可控六轴，
8、四轴联动。2)系统的组成 (1)系统主模块 系统主模块包括系统主板和各功能小板(插接在主板上)。(2)系统I/0模块 系统I/O模块内有系统用的电源单元板、图形显示板、用于机床输入/输出控制接口、通信接口接口等 3)FANUC-0iA系统功能的连接(1)系统主模块的连接JD1A JA7A JA8A JS1AJS4A JF21JF24 JF25 CP8 (2)系统I/O模块的连接CP1A CP1B JA1 JA2 JD5A JD5B JA3 CBl04CBl07 。2.FANUC-16i/18i/21i/0iB/0iC组成及特点1)主要特点(1)以纳米为计算单位(2)超高速通信(3)丰富的网络功
9、能 (4)进给伺服高响应 (5)主轴高速 (6)专用PMC (7)远程诊断 2)FANUC-0iB系统组成及功能连接(1)系统主模块 主模块由主板、CPU卡(CPU模块)、显示卡、伺服轴控制卡、FROM/SRAM存储卡(在伺服控制卡下面)、模拟量主轴控制卡(在显示卡下面)和电源单元等组成。(2)系统I/0模块 I/O模块包括内置I/0模块接口、手摇脉冲发生器及I/O Link控制。2)FANUC-0iB系统的接口功能(1)系统存储电池(2)系统状态指示发光二极管(3)系统存储卡接口 (4)系统串行通信接口(5)JA40 (6)JA7A (7)JA1 (8)JA2 (9)系统状态显示LED(10
10、)高速串行总线接口(11)CA69A 伺服检测板接口。(12)DC24V(13)FUSE (14)COPl0A(15)MTSW、PSW (16)CB104、CB105、CB106、CB107 (17)JA3 (18)JD1A (19)CD38T 3)FANUC-0iB系统的应用3.FANUC-0i Mate B/0i Mate C组成及特点1)系统的主要特点(1)基于基本规格，在配置上重视价格性能比。(2)进给伺服单元采用可靠性强、价格性能比高的伺服放大器和伺服电动机。(3)主轴驱动单元可以采用模拟量主轴控制(变频器)，也可以采用高性能价格比的系列串行数字控制伺服驱动。(4)系统采用高性能、高
11、速度、高可靠性PMC(SA1/SB7系列)，具有与PANUC-0iB/0iC系统同样的功能。(5)显示装置一般采用7.2in黑白液晶LCD显示装置或9in的单色CRT。2)FANUC-0i Mate C系统的接口功能CP1 FUSE JA7A JA40 JD44A JD36A JD36B RS-232-C CA69 CA55 CN2 CPl0A Battery Fan Unit 3)FANUC-0i Mate C系统的应用4.FANUC Oi Mate TD组成及特点1)数控装置接口2)总体连线图3.4.2 SIEMENS数控系统1.SINUMERIK 810系统1)810系统具有如下特点(1
12、)主CPU采用80186通道式结构的CNC装置。(2)可控制25个坐标轴，实现3轴插补联动。(3)可通过屏幕对话、图形功能(4)诊断功能完善。(5)采用系统集成式PLC(6)在自动加工的同时，缩短停机时间。2)810系统的硬件结构 1)840D功能及特点(1)控制类型(2)机床配置(3)操作方式 (4)轮廓和补偿 (5)安全保护功能(6)NC编程 (7)PLC编程 (8)操作部分硬件 (9)显示部分(10)数据通信 2)840D系统基本构成(1)数控单元电源 (2)主电路板 (3)基本轴控制板 (4)存储器板 (5)伺服系统 (6)位置检测系统(7)操作面板 操作面板使用全数控键盘布局。(8)
13、机床控制面板(9)显示器(10)I/O接口3.SINUMERIK 802系统1)802系列系统简介(1)802S/C系统他们具有相同硬件结构，相同的相同软件，相同的PLC编程语言(2)802Se/Ce系统操作面板、机床控制面板、5.7英寸单色液晶显示器、ECU、I/O模块有机地整合在一起。(3)802S Baseline/C Baseline系统(4)802D系统(1)基本结构与部件说明面板控制单元PCU 输入输出模块PP72/48 机床控制面板MCP(2)系统的连接PROFIBUS现场总线的连接 2)SINUMERIK 802D sl数控系统802D sl为802D改进型，802D sl将系
14、统元件（数字控制器，可编程控制器，人机操作界面）集成于一体，通过PROFIBUS DP总线与外部设备连接，通过Drive-CliQ总线与SINAMICS S120驱动连接，实现简便、可靠、高速通讯。实现简便、可靠、高速的连接通讯。(1)数控装置接口含义X40 X5 X8 X10 X9 X6 X1、X2 X20 X30 (2)SINUMERIK 802D sl组件操作面板机床控制面板MCPA模块PP72/48模块外设SINAMICS S120闪存卡(CF卡)接口，用于开机调试数据、NC程序、用户数据、参数设定等。(3)总体连线图3.4.3 华中“世纪星”系列数控系统1)系统主要特点(1)可配四个
15、进给轴(2)准车、铣床控制的PLC程序(3)配置40位输入和32位输出开关量接口、手摇脉冲发生器接口、模拟主轴接口。还可扩展RS485远程输入/输出接口(4)反向间隙和双向螺距误差补偿功能(5)采用国际标准G代码编程(6)2MB Flash ROM(可扩至72MB)程序断电存储(7)具有数控加工轨迹仿真功能。2)部件连接 实训项目 数控系统的原理及组成1.实训目的1)了解数控系统的特点、基本组成和应用。2)了解数控系统常用部件的原理及作用。3)熟悉数控系统的连接。2.实训内容HED-21S数控系统综合实验台集成了数控装置3.实训步骤1)数控装置 2)变频调速主轴单元3)交流伺服驱动单元连接4)步进驱动5)I/O装置6)工作台7)实训考核4.撰写实训报告l)画出HED-21S数控系统综合实验台控制原理图。2)列举出数控系统主要部件，并简述其作用。3)实训体会，实训过程中遇到的问题，解决办法。简答题1)CNC装置的主要功能有哪些？简述CNC装置的工作过程？2)单微处理结构和多微处理结构各有何特点？3)CNC软件结构有哪几种结构模式？各有何特点？4)简述FANUC数控系统的功能与特点。说明FANUC-0iA与FANUC-0iB/C的不同点。
