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数控系统原理

时间:2012-10-17 13:18:48  来源:上海瑞同自动化设备有限公司 浏览:3143次
数控系统是数字控制系统的简称,根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。计算机数控(CNC)系统是用计算机控制加工功能,实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置(包括检测装置)等组成。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机,系统具有了软件功能,又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置,使系统更小巧,其灵活性、通用性、可靠性更好,易于实现复杂的数控功能,使用、维护也方便,并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。基本构成目前世界上的数控系统种类繁多,形式各异,组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统,同样也有很大的区别,前者适用于回转体零件加工,后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说,基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响,在设计思想上也可能各有千秋,使之有利于系统工作的可靠性,促使系统的平均无故障率不断提高。
数控系统的基本原理和构成都是十分相似。   
数控系统一般整个数控系统由三大部分组成,即控制系统,伺服系统和位置测量系统。
控制系统按加工工件程序进行插补运算,发出控制指令到伺服驱动系统;伺服驱动系统将控制指令放大,由伺服电机驱动机械按要求运动;测量系统检测机械的运动位置或速度,并反馈到控制系统,来修正控制指令。这三部分有机结合,组成完整的闭环控制的数控系统。
控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。还包括一个通讯单元,它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。
伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。
硬件结构:数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成,这四部分之间通过I/O接口互连。数控装置是数控系统的核心,其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块(小板)结构;按CNC装置硬件的制造方式,可以分为专用型结构和个人计算机式结构;按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
(1)大板结构和功能模板结构 数控系统
1)大板结构   大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版,其它电路板是小板,插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。   
2)功能模块结构   
(2)单微处理器结构和多微处理器结构   1)单微处理器结构   在单微处理器结构中,只有一个微处理器,以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。   2)多微处理器结构   随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高,单微处理器数控系统已不能满足要求,因此,许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器,每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接,共享系统的公用存储器与I/O接口,每个微处理器分担系统的一部分工作,这就是多微处理器系统。
软件结构:CNC软件分为应用软件和系统软件。CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件,也叫控制软件,存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同,它们的系统软件在结构上和规模上差别很大,但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。   
(1)输入数据处理程序:它接收输入的零件加工程序,将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理,并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算,或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常,输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。   
(2)插补计算程序:CNC系统根据工件加工程序中提供的数据,如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果,分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动,完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算,一边进行加工,是一种典型的实时控制方式,所以,插补运算的快慢直接影响机床的进给速度,因此应该尽可能地缩短运算时间,这是编制插补运算程序的关键。   
(3)速度控制程序:速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率,以保预定的进给速度。在速度变化较大时,需要进行自动加减速控制,以避免因速度突变而造成驱动系统失步。   (4)管理程序:管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。   
(5)诊断程序 :诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障,并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后,检查系统各主要部件(CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等)的功能是否正常,并指出发生故障的部位。
基本分类运动轨迹分类:
(1)点位控制数控系统 :  
数控系统控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制,且移动过程中不作任何加工。这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。   
(2)直线控制数控系统 :不仅要控制点与点的精确位置,还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线,且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工,其辅助功能要求也比点位控制数控系统多,如它可能被要求具有主轴转数控制、进给速度控制和刀具自动交换等功能。此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。   
(3)轮廓控制数控系统 :这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制,即不仅控制每个坐标的行程位置,同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合,精确地协调起来连续进行加工,以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。
伺服系统分类;  
按照伺服系统的控制方式,可以把数控系统分为以下几类:   
(1)开环控制数控系统 :这类数控系统不带检测装置,也无反馈电路,以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大,转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号,驱动步进电动机转动,再经机床传动机构(齿轮箱,丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单,价格比较低廉,被广泛应用于经济型数控系统中。  (2)半闭环控制数控系统 :位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端,通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移),并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较,用差值进行控制,其控制框图如图4所示。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节,由这些环节造成的误差不能由环路所矫正,其控制精度不如闭环控制数控系统,但其调试方便,可以获得比较稳定的控制特性,因此在实际应用中,这种方式被广泛采用。   
(3)全闭环控制数控系统 :位置检测装置安装在机床工作台上,用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移),并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较,用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高,但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内,调试时,其系统稳定状态很难达到。
功能水平分类:  
(1)经济型数控系统 :又称简易数控系统,通常仅能满足一般精度要求的加工,能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件,采用的微机系统为单板机或单片机系统,如:经济型数控线切割机床,数控钻床,数控车床,数控铣床及数控磨床等。   
(2)普及型数控系统 :通常称之为全功能数控系统,这类数控系统功能较多,但不追求过多,以实用为准。   
(3)高档型数控系统 :指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统,且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣床,大、中型数控机床、五面加工中心,车削中心和柔性加工单元等。
工作流程:  
1、输入:零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入,可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC 接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
2、译码:不论系统工作在MDI方式还是存储器方式,都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理,把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F 代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法规则解释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单元。在译码过程中,还要完成对程序段的语法检查,若发现语法错误便立即报警。
3、刀具补偿:刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程,刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中,刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别,这就是所谓的C刀具补偿。
4、进给速度处理: 编程所给的刀具移动速度,是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中,对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。
5、插补:插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“ 数据点的密化 ”。插补程序在每个插补周期运行一次,在每个插补周期内,根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常,经过若干次插补周期后 ,插补加工完一个程序段轨迹,即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
6、位置控制:位置控制处在伺服回路的位置环上, 这部分工作可以由软件实现, 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内,将理论位置与实际反馈位置相比较, 用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿,以提高机床的定位精度。
7、I/0 处理:I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号,机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等) 。
8、显示:CNC装置的显示主要为操作者提供方便,通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
9、诊断: 对系统中出现的不正常情况进行检查、定位,包括联机诊断和脱机诊断。
数控系统所控制的是位置、角度、速度等机械量和开关量。
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