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第三章数控系统_图文

第三章 数控系统
第一节 概述
第二节 数控系统组成及工作过程 第三节 数控伺服系统

第四节 检测元件
第五节 驱动伺服电动机

第一节 概述
一、数控(NC)及计算机数控(CNC)
1. NC—硬件数控。它的输入处理、插补运算和控制功能,都 由专用的固定组合逻辑电路来实现。不同功能的机床,其组合 逻辑电路也不同。改变或增减控制、运算功能时,需要改变数 控装置的硬件电路,所以通用性、灵活性差,现代数控机床不 再采用硬件数控系统。
2. CNC—软件数控。这种数控装置的硬件电路是由小型或微 型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成,数控机床 的主要功能几乎全部由系统软件来实现,所以不同功能的机床 其系统软件不同,但修改或增减系统功能时,不需变动硬件电 路,只需改变系统软件。

二、CNC的内部工作过程
零件程序 输 入

译 码

S 、M 、T 指令处理
可编程控制器 PLC 主轴控制与 辅助操作处理

G指令 处 理

坐标及刀补 处  理

插补预处理

F指令 速度处理

S 、 M、T 执行完信号

插补运算

主轴电动机 和电气控制

位置控制 输 出

坐标轴运动 与位置检测

伺服驱动 进给电动机

第二节 数控系统的组成
数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、可编程 控制器(PLC)、主轴驱动单元、进给驱动单元、位置检 测装置和辅助控制装置组成。

从外部特征来看,CNC系统是由硬件(通用硬 件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。 一、数控系统的硬件结构
CNC装置从它的硬件组成结构来看,若按其中含

有CPU的多少来分,可分为:
(一)单CPU结构: 整个CNC装置只有一个CPU,它

集中控制和管理整个系统资源,通过分时处理的方式
来实现各种NC功能。

纸带阅读机 机床操作 进给电机

EPROM

纸带阅读机 接 口

I/O接口

位置控制

速度控制 单 元

M

位置反馈

速度反馈

CPU



线

RAM

穿孔机和电 MDI/CRT 接 口 传机接口

PLC接口

主轴控制 单 元

~

M

穿孔机

电传机

数控面板

CRT

单CPU结构CNC框图

特点:
1.一个微处理器完成所有的功能:只有一个CPU,系 统对存储器、插补运算、输入/输出控制、程序输入、 CRT显示等控制均由该CPU进行分时处理;

2.采用总线结构:CPU通地地址、数据和控制总线与
各个控制单元相连,完成信息交换; 3.功能受限制

(二)多CPU结构:多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中
有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作 的系统结构。

1. 结构特点
(1) 性能价格比高

(2) 采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性
(3) 可靠性高

(4) 硬件易于组织规模化生产

2. 典型结构 共享总线结构 共享存储器结构

1)共享总线结构
在这种结构的CNC系统中,只有主模块有权控制系统总线,且在某 一时刻只能有一个主模块占有总线,如有多个主模块同时请求使用总 线会产生竞争总线问题。

管理模块 (CPU)

主存储器 模 块

操作面板 显示模块

会话式编 程 模 块 (CPU)

插补模块 (CPU)

PLC功能 模 块 (CPU)

位置控制 模 块 (CPU)

主轴控制 模 块

共享总线的多CPU结构的CNC结构框图

2)共享存储器结构
在该结构中,采用多端口存贮器来实现各 CPU 之间的互连和通信, 每个端口都配有一套数据、地址、控制线,以供端口访问。由多端控 制逻辑电路解决访问冲突。如图所示。 当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时,会因争用共享存储器而 造成信息传输的阻塞,降低系统的效率,其扩展功能较为困难。

I/o(CPU1)

显示(CPU2)

共享存储器

插补(CPU3)

轴控制(CPU4)

共享存储器的多CPU结构框图

二、数控系统的软件结构
(一)软件结构的特点
1. 多任务并行处理 (1) CNC系统的多任务性
输 入 管理 控制

CNC系统的任务

I/O 处 理

显 示

诊 断

译 码

刀 补

速 度 处 理

插 补

位 置 控 制

CNC任务分解

(2)多任务并行处理
并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上 性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。 并行处理分为“资源重复”法、 “时间重叠”法和“资源共享”法等并行处 理方法。 目前CNC装置的硬件结构中,广泛使用“资源重复”的并行处理技术。 如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度。而在CNC装置的软件中,主要 采用“资源分时共享”和“时间重叠的流水处理”方法。 1)资源分时共享并行处理方法 初始
化 显示 诊断 插补

I/O 处理

位控

中 断 优 先 级

插补 准备

输入

键盘

CPU分时共享的并行处理

2)时间重叠流水并行处理方法

当CNC装置在自动加工工作方式时,其数据的转换过程将由零件程序输 入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时 间分别为Δt1、Δt2、Δt3、Δt4,那么一个零件程序段的数据转换时间将是 t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以顺序方式处理每个零件的程序段,则第一 个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段,依次类推。图a)表示了这种 顺序处理时的时间空间关系。从图中可以看出,两个程序段的输出之间将有 一个时间为t的间隔。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的时停时转, 反映在刀具上就是刀具的时走时停,这种情况在加工工艺上是不允许的。 消除这种间隔的方法是用时间重叠流水处理技术。采用流水处理后的时 间空间关系如图b)所示。

空间

空间

N3 N2 N1 1 2 Δ t1 1 3 4 Δ t3 2 3 输出
Δ t5

N3 4
Δ t7 输出 时间

N2 N1 1

1 2
Δ t1

1 2 3

2 3 4
Δ t3

3 4

输出 输出 输出 Δ t5 时间

4

a)
时间重叠流水处理

b)

2. 实时中断处理 CNC系统软件结构的另一个特点时实时中断处理。 CNC系统程序以零件加工为对象,每个程序段中有许多子

程序,它们按照预定的顺序反复执行,各个步骤间关系十
分密切,有许多子程序的实时性很强,这就决定了中断成 为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC系统的中断管

理主要由硬件完成,而系统的中断结构决定了软件结构。

CNC的中断源:
(1)外部中断 主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断(如:紧
急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性 要求很高,将它们放在较高的优先级上,而键盘和操作面板的输入中

断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中,甚至用查询的方式来
处理它。

(2)内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。
在有些系统中将两种定时中断合二为一。但是在处理时,总是先处理 位置控制,然后处理插补运算。

(3)硬件故障中断 它是各种硬件故障检测装置发出的中断。如存储
器出错,定时器出错,插补运算超时等。

(4)程序性中断 它是程序中出现的异常情况的报警中断。如:各种
溢出,除零等。

CNC系统中断结构模式
前后台型结构: 前台程序是一个实时中断服务程序,
几乎承担了全部的实时任务(插补位控等);后台程 序是个循环程序,实现输入、译码、数据处理、管理 等任务

中断型结构: 除初始化外,系统软件各种任务模块分
别安排在不同级别的中断程序中,其管理功能通过各 级中断程序之间的相互通信来解决。

(二)CNC系统软件的工作过程
输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断 1. 输入

输入设备:阅读机、磁带机、磁盘、键盘
输入方式:中断,有相应的中断服务程序 功能:奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、
字地址格式、信息完整性、输入设备控制、将零件 程序存入零件程序存储器

2. 译码

将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能
识别的语言,有硬件译码(并行,快)和软件译 码(串行、相对慢一些)。 功能是把程序段中的各数据根据前后文字地 址送到相应的缓冲寄存器中。每个字符译码过程:


② ③

建立格式标志
确定存放地址 确定调用“数码转换次数”

3. 预计算 减轻插补程序的负担,提高系统实时性。包括: 刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算、象限、进给 方向判断、进给速度换算、机床辅助功能判断等。

进给速度的控制方法:
程序延时法:占用CPU资源 中断法:定时器中断 时间分割法:闭环、半闭环 加减速过程需要考虑

4. 插补计算

插补(Interpolation):根据给定进给速度和给
定轮廓线形的要求,在轮廓的已知点之间,确定

一些中间点的方法,这种方法称为插补方法或插
补原理。

插补算法:对应于每种插补方法(原理)的各种实
现算法。 插补功能是轮廓控制系统的本质特征。

插补方法分类
1. 脉冲增量插补(行程标量插补) 逐点比较法 2. 数字增量插补(时间标量插补)

5. 输出 进行伺服控制

? 当进给方向变化时,要进行反向间隙补偿处理
? 进行丝杠螺距补偿

? 机床辅助功能输出

6. 管理与诊断软件

管理:只涉及CPU管理和外设管理 诊断: 1)运行中诊断
? 用代码和检查内存 ? 格式检查 ? 双向传输数据检查 ? 清单校验

2)停机诊断 3)通信诊断

第三节 数控伺服系统
一、定义:
进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的
位置和速度作为控制量的自动控制系统,又称位置随动系统、
驱动系统、伺服机构或伺服单元。 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节,接收CNC装 置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息,经过变换和放大 由伺服电机带动传动机构,最后转化为机床的直线或转动位移。

伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪 精度、定位精度等一系列重要指标,是数控

机床的关键技术。

二、进给伺服系统的组成
进给伺服系统主要由伺服驱动系统和进给机械传动机
构组成。 机械传动机构由滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等 组成。 伺服驱动系统,按有无反馈,可分为开环和闭环两种。 开环伺服系统只能由步进电动机驱动。闭环控制系统则分 为直流电动机驱动和交流电动机两种驱动方式。

三、对伺服系统的基本要求
1. 精度高:指输出量能复现输入量的精度。 2. 稳定性好:指在给定输入作用下和干扰作用下,在调整结

束后,回到原来平衡状态或达到新的平衡状态。
3. 响应快:即有高的灵敏度,达到最大稳态速度的时间要短,

一般要求在200~100ms,甚至小于几十毫秒。动态响应
的快慢,反映了系统跟踪精度的高低,直接影响轮廓加工 精度的高低和加工表面质量的好坏。

4. 调速范围宽 5. 低速转矩大 6. 对伺服电动机的要求: 1)从低速到高速范围内能平滑运转,转矩波动要小; 2)应有大的,较长时间的过载能力,以满足低速大转矩的 要求; 3)应能在较短时间内达到规定的速度。

四、伺服系统的分类
1. 按控制理论分类
? 开环伺服系统 ? 闭环伺服系统 ? 半闭环伺服系统

2. 按使用的执行元件分类
? 电液伺服系统
? 电气伺服系统

3. 按被控对象分类
? 进给伺服系统 ? 主轴伺服系统

4. 按反馈比较控制方式分类
? 脉冲、数字比较伺服系统

? 相位比较伺服系统
? 幅值比较伺服系统

? 全数字伺服系统

第四节 检测元件
一、概述
检测元件是数控机床进给伺服系统中的重要

组成部分,主要功能是检测执行机构或伺服电动
机转子位置和速度,将信号发送给伺服系统,构

成闭环反馈控制。

基本要求:
(1)高可靠性与高抗干扰能力:
受温度、湿度的影响小,工作可靠,精度保持性好,抗干扰能力强。

(2)满足精度和速度的要求:
? 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率(一个数量级); ? 位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度。

(3)使用维护方便,适应机床的安装环境;

(4)成本低。

检测精度:±0.001~ 0.02mm/m 分辨率:0.001~ 0.01mm/m 速度响应:1~ 10m/min , 30~ 90m/min

二、主要检测元件
(一)旋转编码器
1. 增量式旋转编码器 2. 绝对式旋转编码器

在数控机床中的应用:
1.位置测量 2.主轴控制 3.主轴定向准停装置 4.测速

(二)光栅尺 (三)感应同步器

(四)磁栅尺

第五节 驱动伺服电动机
在数控机床中使用的伺服电动机有步进电动机、

直流伺服电动机、交流伺电动机和直线电动机等。对
伺服电动机的基本要求: 1. 功率密度大; 2. 功率比大; 3. 优良的调速性能;

4. 优良的控制特性;
5. 免于或便于维护; 6. 散热性好。

一、步进电动机

步进电动机一般用于开环伺服系统中,没有 位置反馈环节,位置控制精度由步进电动机和进

给链来决定。

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的 机电执行元件。 步进电动机由转子和定子绕组组成。当某相定子绕组由 脉冲电流励磁后,便能吸引转子,使转子转一个角度,即步

距角,每一个步距角对应一个位移量,指令脉冲的频率就对
应工作台的移动速度。

1.工作台位移量的控制
进给脉冲的数量 定子绕组通电状态变化次数 步

进电动机转子角位移

机床工作台位移量,由此得出:

脉冲当量:δ=αt/(360i) 其中:α 为步进电动机步距角;t 为滚珠丝杠螺距; i 为减速齿轮的减速比。

步距角的计算
360 ? ?? mzk
m——绕组相数;

z ——转子齿数,
k ——单拍通电k=1,双拍通电k=2。

由此可见,步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍
数)愈多,则步距角愈小,控制越精确。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时,步进 电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ),步距 角用弧度表示,则步进电动机的转速为:

2. 工作台进给速度控制
进给脉冲频率f 率f 定子绕组通/断电状态的变化频 工作台的进给速度F。 步进电动机转速n

步进驱动系统的进给速度:

F=60δf (mm/min)
其中:f为输入到步进电动机的脉冲频率。

3. 工作台运动方向控制
输入脉冲信号的循环顺序方向 的通断循环顺序 向。 电动机的转动方向 定子绕组中电流 工作台进给方

步进电机的使用特性
1. 步距误差

★单步运行时转子转角的误差——步距误差直接影响执 行部件的定位精度。
★步距误差在一转后回复为零。 2. 最高启动频率和最高工作频率 ★空载时,步进电机由静止突然启动,并不失步地进入 稳速运行,所允许的启动频率的最高值称为最高启 动频率。 3. 输出的转矩—频率特性

步进电动机的选择
步进电机选择原则: ? 步矩角?与机械系统相匹配,以得到系统所需的? ? 保证电机输出转矩,大于负载所需转矩

? 能与机械系统的负载惯量相匹配
? 电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工

和快移要求。

二、交流伺服电动机
大多数采用三相交流永磁同步电动机。主要

由:定子1、转子5和检测元件8等几部分组成。
1 1 2 3 4 5 6 7

8

9

主要特性参数
? 额定功率

? 额定转矩
? 额定转速 ? 瞬时最大转矩 ? 最高转速 ? 电动机转子惯量

三、直线电动机
采用直线电动机直接驱动,与原旋转电动 机驱动方式的最大区别是取消了从电动机到工 作台之间的一切机械中间环节,为“零传动”

方式。

优点:
1.高速响应性

2.高精度性
3.行程长度不受限制

存在问题:
1.负载扰动问题

2.发热问题
3.隔磁问题

4.垂直进给时的自重问题


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