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1、1,第4章 计算机数控装置,2,第四章 计算机数控装置,4.1 概述 4.2 CNC装置的硬件结构 4.3 CNC装置的软件结构 4.4可编程控制器(PLC) 4.5国内外典型CNC系统简介,3,1、数控系统(CNC系统)与CNC装置 2、CNC装置的组成 3、CNC装置功能 4 CNC装置的工作原理,4.1 概述,4,主要内容,数控机床,机床本体,数控系统,外围技术,数 控 装 置,伺 服 驱 动 装 置,测量反馈装置,工 具 系 统,编 程 技 术,管 理 技 术,4.1 概述,5,6,4.1 概述,1、数控系统(CNC系统)与CNC装置,由,数控程序,I/O设备,数控装置(CNC装置),
2、可编程控制器(PLC),主轴驱动装置,进给伺服系统,组成的一个完整的系统,是一种轨迹控制系统,本质:,是以多个执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象,并使其协调运动的自动控制系统。,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统,7,CNC装置的作用: 根据输入的零件加工程序进行相应的处理,然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。 CNC装置是CNC系统的核心。,CNC装置实质上是一种专用计算机。,8,2、CNC装置的组成,硬件:,软件:,具有计算机的基本结构,具有数控机床所特有的功能模块和接口单元,又称系统软件,从本质上看:是具有实时性和多任务性的专用操作系统,从功能特征看:,CNC管理软件:,CN
3、C控制软件:,主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度,主要完成各种控制功能,软件、硬件相互关系:密不可分,软件、硬件在一起构成了CNC装置的系统平台,有些控制任务,可由硬件 /或 软件来完成,9,10,3、CNC装置功能,基本功能:,选择功能:,必备的功能,用于满足数控系统基本配置的要求。,用户可根据实际要求选择的功能。,CNC装置主要功能:,(1) 控制功能,能够控制和联动控制的进给轴数,移动轴、回转轴 基本轴、附加轴,11,(2)准备功能,G代码功能,使机床准备好某种加工方式,包括指令:,基本移动 程序暂停 平面选择 坐标设定 刀具补偿 固定循环加工 公英制转换 子程序调用,12,(3
4、)插补功能和固定循环功能,插补功能:实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。,一般的CNC装置:直线插补、圆弧插补,高档的CNC装置:椭圆插补、正弦线插补、抛物线插补 螺旋线插补、 样条曲线插补,固定循环功能: 在加工一些特定表面(如车削台阶,切削螺纹、钻孔、镗孔、攻丝)时,加工动作按照一定的循环模式多次重复进行,实现上述加工轨迹运算的功能。,用G代码定义,直接调用,可大大简化编程,即:把若干有关的典型固定动作顺序用一个指令来表示。,13,(4)进给功能,进给速度的控制功能,1.进给速度: 控制刀具相对工件的进给速度 mm/min,2.同步进给速度: 实现切削速度和进给速度的同步 mm/r,用于加工螺
5、纹,3.进给倍率(进给修调率): 人工实时修调进给速度,10%,20%,50%,100%,120%,程序中: F100 100 mm/min,50%: 50 mm/min 100%: 100 mm/min 200%: 200 mm/min,200%,14,(5)主轴功能,主轴的控制功能,1.切削速度(主轴控制):,刀具切削点切削速度的控制功能 m/min r/min,2.恒线速度:,刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能,用于车端面磨削加工,3.主轴定向控制:,主轴在径向(周向)的某一位置准确停止的功能,换刀,4.C轴控制:,主轴在径向(周向)的任一位置准确停止的功能,5.切削倍率(主轴修调率)
6、:,人工实时修调切削速度,10%,20%,50%,100%,200%,15,(6)辅助功能,指令机床的辅助操作的功能 M指令,主轴正转、反转、停止 冷却泵的打开、关闭 工件夹紧、松开 换刀,(7)刀具管理功能,实现刀具几何尺寸、刀具寿命、刀具号的管理,刀具半径、长度参数,用于刀具半径补偿、长度补偿,时间寿命,用于标识、选择刀具 T指令,16,(8)补偿功能,1).刀具半径补偿和长度补偿:,2). 传动链误差补偿:,螺距误差补偿,反向间隙补偿,3). 智能补偿:,(9)人机对话功能,通过显示器,进行字符、图形的显示,从而方便用户的操作和使用,17,(10)自诊断功能,利用软件诊断程序,在故障出现
7、后,可迅速查明故障的类型和部位,以便及时排除。,(11)通讯功能,CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能,RS232C接口: 上级计算机,DNC接口: 直接数控,FMS接口: MAP(制造自动化协议),除以上功能外,CNC装置还可配置选择功能: 如数字化仿型加工功能,INTERNET接口: 实现网络化制造,18,4 CNC装置的工作原理,19,4 CNC装置的 工作原理,工作原理 通过各种输入方式,接受机床加工零件的各种数据信息,经过CNC装置译码,再进行计算机的处理、运算,然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路,经过转换、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制,使
8、各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。 简要工作过程: 输入译码数据处理插补位置控制I/O处理 显示诊断。,20,1)输入: 输入内容零件程序、控制参数和补偿数据。 输入方式穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入,通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入 2)译码: 以一个程序段为单位,根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式,并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。,21,2)译码,Y,Y,Y,Y,N,N,N,22,3)数据处理: 包括刀具补偿,速度计算以及辅助功能的处理等。 4)插补: 通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。
9、5)位置控制: 在每个采样周期内,将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制进给伺服电机。,23,6)I/O处理: 处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。 7)显示: 零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。 8)诊断: 检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,24,4.2 CNC装置的硬件结构,CNC装置的硬件结构 按其中含有CPU的多少可分为: 单微处理机结构和多微处理机结构; 单微处理机结构:用在经济型、一般型的数控装置中 多微处理机结构:用在高级型的数控装置中 按电路板的结构特点可分为: 大板结构和模块化结构。,25,4.2.1 单微处理器结构 在单微处
10、理器结构中,只有一个微处理器,对存储、插补运算、输人输出控制、CRT显示等功能进行集中控制和分时处理。 一个微处理器通过总线与存储器、输入输出(IO)接口及其它接口相连,构成整个CNC系统. 单微处理器结构组成:微处理器、存储器、总线、接口; 接口包括:I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路,如位置控制单元、可编程控制器(PC)、主轴控制单元以及其它选件接口等。,4.2 CNC装置的硬件结构,26,图4-1 单微处理器结构框图,27,28,功能模块式结构的全功能型数控车床系统框图,29,1微处理器,微处理器构成,控制器:,运算器:,完成控制任务,完成算术运
11、算、逻辑运算,微处理器选择:,根据CNC装置进行实时控制和处理速度的要求,考虑CPU在字长、寻址能力、运算速度方面的性能,2、总线:,是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线,由一组传送数字信息的物理导线组成。,按功能分为,数据总线 地址总线 控制总线,30,3、存储器,只读存储器(ROM),随机存储器(RAM),存放系统程序,由CNC装置生产厂家通过专用的写入器写入(固化),即使断电程序也不丢失。程序只能CPU读出,不能随机写入,必要时经过紫外线/电抹除后再写。,存放运算的中间结果,需要显示的数据、运行中的状态、标志信息等。它能随机读写,断电后信息就消失。,带后备电池的CMOS RA
12、M或磁泡存储器,存放加工零件程序、机床参数、刀具参数,它能随机读出,也能根据操作需要写入或修改,断电后信息仍能保留。,31,4输入/输出(IO)接口 CNC装置和机床之间的信号传输是通过输入(Input)和输出(Output)接口电路来完成。 从机床(MT)向CNC装置传送的信号称为输入信号。 从CNC装置向机床(MT)传送的信号称为输出信号。,32,I/O接口电路的任务,1)进行电平转换和功率放大,CNC系统内部:TTL电平,机床设备:非TTL电平,2)防止噪声引起的误动作,用光电隔离器、继电器将CNC系统和机床之间的信号在电气上加以隔离,3)进行模拟量和数字量的转换,CNC装置的微处理器只
13、能处理数字量,D/A(数/模)转换电路,A / D (模/数)转换电路,33,5位置控制器 对进给运动的坐标轴位置进行控制(包括位置和速度控制))轴控制是数控机床上要求最高的位置控制,不仅对单个轴的运动和位置精度的控制有严格的要求,而且在多轴联动时,还要求各移动轴有很好的动态配合。 对主轴控制,要求在很宽的范围内速度连续可调,并且每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和扭矩。 C轴位置控制:实现主轴的定向准停,要求主轴位置可任意控制 刀库位置控制,控制刀库准确停在要选用的刀具位置。,34,6MDICRT接口 MDI接口是通过操作面板上的键盘,手动输入数据的接口。 CRT接口是在CNC软件配合
14、下,将字符和图形显示在显示器上。 显示器一般是阴极射线管(CRT),也可以是平板式液晶显示器(LCD)。,35,7可编程序控制器(PLC) 作用:代替传统机床强电的继电器逻辑控制,实现各种开关量(S、M、T)的控制。 如主轴正转、反转及停止,刀具交换,工件的夹紧及松开,切削液的开、关以及润滑系统的运行等,同时还包括主轴驱动以及机床报警处理等。,36,4.2.2 多微处理器结构,在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器,分别实现相应的数控功能。 多微处理器CNC装置采用模块化技术,由多个功能模块组成。每个微处理器分管各自的任务,形成特定的功能单元,即功能模块。 由于采用模块化结构,可以采取积木
15、方式组成CNC装置,因此具有良好的适应性和扩展性,且结构紧凑。 与单微处理器CNC装置相比,多微处理器CNC装置的运算速度有了很大的提高,它更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。,37,模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。 (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)指令、数据的输入输出及显示模块 进一步扩充功能,还可以增加相应的模块。,4.2.2 多微处理器结构,38,1CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作, 包括系统初始化、中断处理、总线冲突裁决、系统出错识别和处理、软硬件
16、诊断等功能。 2CNC插补模块 完成零件加工程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理,以及进行插补计算,确定各坐标轴的位置。 3位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测装置测得的位置实际值进行比较,进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿,最后得到速度控制的模拟电压,去驱动进给电机。,39,4存储器模块 主要用于存放程序和数据,也可以是各功能模块间进行数据传送的共享存储器。 5PLC模块 零件程序中的开关功能和从机床来的信号在这个模块中作逻辑处理,实现各开关功能和机床操作方式之间的对应关系,如机床主轴的启停、冷却液的开关、刀具交换、回转工
17、作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。 6操作面板监控和显示模块 包括零件的数控程序、参数、各种操作命令和数据的输入、输出、显示所需要的各种接口电路。,40,特点: 能实现真正意义上的并行处理,处理速度快,可以实现较复杂的系统功能。容错能力强,在某模块出了故障后,通过系统重组仍可断继续工作。 各模块之间的互连和通信结构形式: 共享总线结构型、共享存储器结构型,41,(1)共享总线结构 总线将各模块连在一起,按要求传递信号,实现预定功能。 系统总线的作用:把各个模块有效地连接在一起,按照标准协议交换各种数据和控制信息,实现各种预定的功能。 结构特征: 功能模块分为带有CPU的主模块和不带CPU
18、的从模块 (RAM/ROM,I/O模块); 以系统总线为中心,所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内,共享标准的系统总线。 采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。,4.2.2 多微处理器结构,42,43,共享总线的特点: 共享总线结构系统配置灵活,结构简单,容易实现。 缺点共享总线结构中由于多个主模块共享总线,易引起冲突,使数据传输效率降低; 总线一旦出现故障,会影响整个CNC装置的性能。,44,2)共享存储器结构,45,结构特征: 面向公共存储器来设计的,即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯, 采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的
19、矛盾。 由于多端口存储器设计较复杂,而且对两个以上的主模块,会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞,所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。,4.2 CNC装置的硬件结构,46,多微处理机硬件结构的CNC装置具有以下特点: 计算处理速度高 多微处理机硬件结构中的每一个微处理机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。 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见到最小。共享资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。 有良好的适应性和扩展性 多微处理机硬件
20、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组结构,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。,47,4.2.3 开放式数控系统,VS,VS,(1)、开放式数控系统的产生 随着科技的发展和生产的需求,需要一种灵活(功能可组、可扩展、可添加)的开放式数控系统,打破当前的“封闭式的”数控系统。 体系开放化定义(IEEE): 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统应用进行互操作的系统。 开放式数控系统特点: 系统构件(软件和硬件)具有标准化Sta
21、ndardization)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征 允许通过对构件的增减来构造系统,实现系统“积木式”的集成构造,应该是可移植的和透明的;,48,可移植性:系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台,仍然保持原有特性。 可扩展性:不同应用模块可在同一平台上运行。 可协同性:不同应用模块能够协同工作,并以确定方式交换数据。 规模可变:应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。,49,50,CNC装置的数据转换流程,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,51,4种典型CNC系统的软硬件界面,4.3 计算机数字控
22、制装置的软件结构,52,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,CNC装置软件和硬件的功能界面 软件与硬件在实现各种功能的特点和关系 关系:从理论上讲,硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看,软件与硬件在逻辑上是等价的。 特点: 硬件处理速度快,但灵活性差,实现复杂控制的功能困难。 软件设计灵活,适应性强,但处理速度相对较慢。 功能界面划分的准则:系统的性能价格比,53,4.3.1 CNC系统软件的组成与功能 组成:由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,54,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,输入程序 把加工程序、控制参数和补偿数
23、据输入到CNC装置中。 译码程序 将程序段中的工件轮廓信息、进给速度等工艺信息和辅助信息翻译成计算机识别的数据形式,并按一定格式存放在指定的内存专用区域。 翻译过程中对程序段进行语法错误检查和逻辑错误检查,发现错误立即报警。,55,刀补处理的主要工作: 根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。 根据R和G41/42,计算本段刀具中心轨迹的终点(Pe/Pe)坐标值。 根据本段与前段连接关系,进行段间连接处理。,刀补处理(计算刀具中心轨迹),Pe(200,300),X,R,P0(72,48),Pe”,Pe,G41,G42,Y,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,数据处理程序 刀具半径和长度补
24、偿、速度处理、辅助功能等处理。,56,速度处理程序主要完成以下几步计算: 计算本段总位移量: 直线:合成位移量L; 园弧:总角位移量。 计算每个插补周期内的合成进给量: L= F*t/60 (m),速度预处理,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,57,速度预处理,加工程序给定的进给速度是合成速度,无法直接控制。 速度处理要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标 的分速度。 开环系统:通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现。 速度计算的方法是根据程编的F值来确定该频率值。 半闭环和闭环系统:采用数据采样方法进行插补加工, 速度计算是根据程编的F值,将轮廓曲线分割为采样周期 的轮廓步长。,58,
25、插补计算 在给定轮廓线上的起点和终点之间,插入多个中间点位置坐标的运算过程。 中间点的插入是根据一定的算法由数控装置控制软件或硬件自动完成。,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,59,位置控制处理,4.3 计算机数字控制装置的软件结构,每个位置反馈采样周期,将插补给定值与反馈值进行比较,用差值去控制电机。,60,位置控制完成以下几步计算:(以两轴联动为例) 计算新的位置指令坐标值: X1新= X1旧+X1;Y1新= Y1旧 +Y1; 计算新的位置实际坐标值: X2新= X2旧+X2;Y2新= Y2旧 +Y2 计算跟随误差(指令位置值 实际位置值): X3= X1新- X2新; Y3= Y1新
26、- Y2新; 计算速度指令值: VX=f(X3); VY=f(Y3),4.3 计算机数字控制装置的软件结构,61,输出程序 进行伺服控制 反向间隙补偿 丝杠螺距误差补偿 M、S、T辅助功能输出 管理程序 诊断程序,62,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,1多任务并行处理 多任务性:显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、 并行处理:系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。管理软件和控制软件的某些工作必须同时进行。 并行处理的实现方式: 资源分时共享(单CPU) 资源重叠流水处理(多CPU),CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统,在它的控制软件中融合了当今计
27、算机软件技术中的许多先进技术,其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。,63,译码 刀补 速度处理,插补,位置控制,I/O,诊断,输入,显示,位置控制,图4-5 任务的并行处理,64,资源分时共享(单CPU) 在规定的时间长度(时间片)内,根据各任务实时性的要求,规定它们占用CPU的时间,使它们分时共享系统的资源。 资源分时共享技术的特征 在任何一个时刻只有一个任务占用CPU; 在一个时间片(如4ms或8ms)内,CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,65,各任务占用CPU 时间示意图,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,66,资源分时共享”
28、的技术关键: 其一:各任务的优先级分配问题。 其二:各任务占用CPU的时间长度,即时间片的分配问题。,67,位置控制,插补运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别高,中断级别低,资源(CPU)分时共享图,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,68,2前后台型软件结构 前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装置。 前台程序;承担了几乎全部的实时功能,实现与机床动作直接相关的功能,如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等,是一个实时中断服务程序。 后台程序:承担一些实时性要求不高的功能,如输入、译码、数据处理等插补准备工作,管理程序一般也在后台运行,是一个循环执行程序。 在后台程序循环运
29、行的过程中,前台的实时中断程序不断地定时插入,二者密切配合,共同完成零件的加工任务。,69,70,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,3中断型软件结构 结构的特点:是除了初始化程序之外,整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中,整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。,71,中断型结构模式,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,中断型软件系统结构图,1,n,2,72,4. 基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统(Real Time Operating System RTOS)是操作系统的一个重要分支,它除了具有通用操作
30、系统的功能外,还具有任务管理、多种实时任务调度机制(如优先级抢占调度、时间片轮转调度等)、任务间的通信机制(如邮箱、消息队列、信号灯等)等功能。由此可知,CNC系统软件完全可以在实时操作系统的基础上进行开发。,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,73,基于实时操作系统软件结构图,. CNC系统软件结构模式,74,基于实时操作系统的结构模式的优点,弱化功能模块间的耦合关系 CNC各功能模块之间在逻辑上存在着耦合关系,在时间上存在着时序配合关系。为了协调和组织它们,前述结构模式中,需用许多全局变量标志和判断、分支结构,致使各模块间的关系复杂。 在本模式中,设计者只须考虑模块自身功能的实现,然后
31、按规则挂到实时操作系统上,而模块间的调用关系、信息交换方式等功能都由实时操作系统来实现。从而弱化了模块间的耦合关系。,4.3.2 CNC系统软件的特点和结构,75,系统的开放性和可维护性好,从本质上讲,前述结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制,一旦开发完毕,系统将是的完全封闭(对系统的开发者也是如此),若想对系统进行功能扩充和修改将是困难的。 在本模式中,系统功能的扩充或修改,只须将编写好的任务模块(模块程序加上任务控制块(TCB),挂到实时操作系统上(按要求进行编译)即可。因而,采用该模式开发的CNC系统具有良好的开放性和可维护性。,. CNC系统软件结构模式,76,减少系统开发的工作量
32、,在CNC系统软件开发中,系统内核(任务管理、调度、通信机制)的设计开发的往往是很复杂的,而且工作量也相当大。当以现有的实时操作系统为内核时,即可大大减少系统的开发工作量和开发周期。,. CNC系统软件结构模式,77,基于实时操作系统开发CNC系统的方法,在商品化的实时操作系统下开发CNC系统,国外有些著名CNC系统厂家采用了这种方式。 将通用PC机操作系统(DOS、WINDOWS)扩充扩展成实时操作系统,然后在此基础上开发CNC系统软件。目前国内有些CNC系统的生产厂家就是采用的这种方法。该法的优点在于DOS WINDOWS是得到普遍应用的操作系统,扩充扩展相对较容易,有利于形成具有我国自主
33、版权的数控软件,这是一种适合我国国情的好方法。,. CNC系统软件结构模式,78,随着计算机技术的迅速发展,20世纪70年代出现了采用微计算机技术制造的一种通用的自动控制系统-可编程控制器(简称PLC)。 小型PLC完全可以取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制、顺序控制、定时等功能;大型高档PLC还具有微型计算机的数据处理、模拟量调节以及联网通讯等功能。 PLC把计算机功能完善、灵活、通用的特点与继电器控制系统的简单易懂、抗干扰能力强等优点相结合,具有通用性强、可靠性高、编程简单、使用方便、抗干扰能力强等优点,已广泛用于机械、冶金、石油、化工、电力、纺织等行业,是目前机电一体化、自动控制领域
34、的首选控制器件。,4.4 数控机床的可编程控制器,79,4.4 数控机床的可编程控制器,可编程控制器的概念 定义: 可编程控制器(Programmable Controller)是一种用于工业环境、可存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令、并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程的可编程数字控制系统。,80,数控机床上的两类控制信息 : 一类是控制机床进给运动坐标轴的位置信息,如数控机床工作台的前、后,左、右移动;主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。这一类数字量信息是由CNC系统(专用计算机)进行处理的,即“数字控制”。
35、 另一类是数控机床运行过程中,以CNC系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号的状态为条件,并按照预先规定的逻辑顺序,对诸如主轴的开停、换向,刀具的更换,工件的夹紧、松开,液压、冷却、润滑等系统的运行控制。这一类控制信息主要是开关量信号的顺序控制,一般由PLC 可编程逻辑控制器)来完成。,81,4.4.1 数控机床中PLC实现的功能 1M、S、T功能 PLC作用:完成各种辅助功能 机床主轴的起停、正反转控制 速度控制:主轴转速及进给速度的倍率选择 机床冷却、润滑系统的通和断 机床刀库的起停和刀具的选择、更换 机床卡盘的夹紧、松开 机床自动门的开、闭 机床排屑等辅助装置的控
36、制等。,4.4 数控机床的可编程控制器,82,辅助M功能 PLC完成的M功能是很广泛的。根据不同的M代码,可控制主轴的正反转及停止,主轴齿轮箱的变速,冷却液的开、关、卡盘的夹紧和松开,以及自动换刀装置机械手取刀、归刀等运动。,83,主轴S功能 通常用S二位或S四位代码指定主轴转速。CNC装置送出S代码(如二位代码)进入PLC,经过电平转换(独立型PLC)、译码、数据转换、限位控制和D/A变换,最后输给主轴电机伺服系统。 为了提高主轴转速的稳定性,增大转矩、调整转速范围,还可增加12级机械变速档。通过PLC的M代码功能实现。,84,刀具T功能 PLC控制 对加工中心自动换刀的管理带来了很大的方便
37、。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。,. 数控机床的PLC功能,85,2机床外部开关量信号控制功能 机床的开关量有各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等,将各开关量信号送入PLC,经逻辑运算后,输出给控制对象。 3输出信号控制功能 PLC输出的信号经强电柜中的
38、继电器、接触器,通过机床侧的液压或气动电磁阀,对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制,另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。,86,4伺服控制功能 通过驱动装置,驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。 5报警处理功能 PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动装置的故障信号,将报警标志区中的相应报警标志位置位,数控系统便发出报警信号或显示报警文本以方便故障诊断。 6其它介质输入装置互联控制 有些数控机床用计算机软盘读入数控加工程序,通过控制软盘驱动装置,实现与数控系统进行零件程序、机床参数和刀具补偿等数据的传输。,87,4.4.2 PLC、CNC与数控机床的关系,1内装型
39、PLC 内装型PLC从属于CNC装置,PLC与CNC间的信号传送在CNC装置内部实现。PLC与数控机床之间的信号传送则通过CNC输入输出接口电路实现,88,89,内装型PLC具有以下特点: (1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能,一般是作为一种基本的功能提供给用户。 (2)内装型PLC的性能指标是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的,其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统统一设计制造的,PLC所具有的功能针对性强,技术指标较合理、实用,适用于单台数控机床及加工中心等场合。,90,(3)内装型PLC可与CNC共用CPU,也可单独使用
40、一个CPU;内装型PLC一般单独制成一块附加板,插装到CNC主机中。不单独配备I/O接口,而是使用CNC系统本身的I/O接口;PLC控制部分及部分I/O电路所用电源由CNC装置提供,不另备电源。 (4)采用内装型PLC结构,CNC系统可以具有某些高级的控制功能,如梯形图编辑和传送功能等。,91,2独立型PLC 独立型PLC是独立于CNC装置,具有完备的硬件和软件功能,能够独立完成规定控制任务的装置。,92,独立型PLC具有以下特点: (1)独立型PLC本身即是一个完整的计算机系统,具有CPU、程序存贮器、I/O接口通讯接口及电源等。 (2)在数控机床的应用中多采用积木式模块化结构,具有安装方便
41、、功能易于扩展和变更等优点。 (3)输入、输出点数可以通过输入、输出模块的增减灵活配置,有的还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入、输出点的网络,以实现大范围的集中控制。,93,CNC、PLC、机床之间的信号处理过程 CNC装置和机床之间的信号传送处理两个过程: CNC装置机床: CNC装置CNC装置的RAM PLC的RAM中。 PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM中, 对内装型PLC,PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床; 对独立型PLC,其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。,94,机床CNC装置 对于内装型PLC
42、,信号传送处理如下: 从机床输入开关量数据CNC装置的RAM PLC的RAM。 PLC的软件进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM中,同时传送到CNC装置的RAM中。 CNC装置软件读取RAM中数据。 对于独立型PLC,输入的第一步,数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中,然后进行上述的第2步,以下均相同。,. 数控机床的PLC功能,95,PLC CNC 、机床间的信息交换,PLC CNC的信号:主要有机床各坐标基准点信号,M、S、T功能的应答信号等。 PLC 机床的信号:主要是控制机床执行件的执行信号,如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障
43、指示。 机床 PLC的信息:主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息,其中包括机床的起动、停止,机械变速选择,主轴正/反转、停止,冷却液的开/关,各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号,以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。,96,4.4.3 PLC在数控机床上的应用举例,数控机床中的PLC编程步骤如下: (1)确定控制对象; (2)制作输入和输出信号电路原理图、地址表和PLC数据表; (3)在分析数控机床工作原理或动作顺序的基础上,用流程图、时序图等描述信号与机床运动之间的逻辑顺序关系,设计制作梯形图; (4)把梯形图转换成指令表的格式,然后用编程器键盘写入顺序程序,接下来用仿真装置或模拟台进行调试、修改; (5)将经过反复调试并确认无误的顺序程序固化到EPROM中,并将程序存人软盘或光盘,同时整理出有关图纸及维修所需资料。,97,98,主轴定向功能的PLC控制梯形图,99,CNC装置系统软件,管理软件,控制软件,编译处理,刀具补偿计算,速度处理,插补运算,位置控制,机床输入输出,主轴控制,零件程序管理,显示处理,人机交互,输入输出管理,故障诊断处理,100,101,4.1 概述,102,4 CNC装置的工作原理,
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