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5、机床主机
数控机床的主体,包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。
三、数控机床的性能指标
数控机床的性能指标一般有精度指标、坐标轴指标、运动性能指标及加工能力指标几种,详细内容及其含义与影响可参见下表:
启动方式:
星-三角降压启动,其控制电路:
三、数控机床工作原理
按照零件加工的技术要求和工艺要求,编写零件的加工程序,然后将加工程序输入到数控装置,通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具,以及工件的夹紧与松开,冷却、润滑泵的开与关,使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作,从而加工出符合图纸要求的零件。
四、机床数控系统反求
1.数控系统的定义
数控是数字控制(NumericControl,NC)的简称。
我们当前的机床数控系统是在传统的硬件数控的基础上发展起来的。
它用一台计算机代替硬件数控装置,由软件实现部分或全部数控功能。
因此,机床数控系统是一种包含计算机在内的用数字控制技术实现的自动控制系统,其被控对象可以是各种生产过程。
2.数控系统的组成
数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成,习惯上称为CNC系统。
CNC装置由硬件和软件组成,软件在硬件的支持下运行,离开软件硬件便无法工作,二者缺一不可。
如图:
3.CNC系统的组成
1)CNC系统硬件的层次结构
由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。
2)CNC系统软件的功能结构
从本质特征来看,CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统,从功能特征来看,该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
它是CNC系统活的灵魂。
其结构框图如图所示。
3)CNC硬件软件的作用和相互关系(硬件是基础,软件是灵魂)
CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下,合理地组织、管理整个系统的各项工作,实现各种数控功能,使数控机床按照操作者的要求,有条不紊地进行加工。
CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台,如图所示。
4.CNC系统的工作原理
CNC装置在其硬件环境支持下,按照系统监控软件的控制逻辑,对输入、译码、刀具补偿、速度规划、插补、位置控制、I/O口处理、显示和诊断等方面进行控制。
(1)输入数据处理程序
输入数据处理程序接收输入的零件加工程序,将其用标准代码表示的加工指令和数据进行编译、整理,按所规定的格式存放。
有些系统还要进一步进行刀具半径偏移的计算,或为插补运算和速度控制等进行一些预处理。
输入数据处理程序一般包括三项内容:
输入、译码、数据处理。
(2)插补运算及位置控制程序
插补运算程序完成CNC系统中插补器的功能,即实现坐标轴脉冲分配的功能。
脉冲分配包括点位、直线以及曲线三个方面。
插补运算的结果输出,经过位置控制部分(这部分工作既可由软件完成,也可由硬件完成)控制伺服系统运动,控制刀具按预定的轨迹加工。
位置控制的主要任务是在每个采样周期内,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电动机。
(3)速度控制程序
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方向的分速度。
速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度,即根据给定的速度代码(或其他相应的速度指令),控制插补运算的频率,以保证按预定速度进给。
速度控制可以用两种方法实现:
一种是用软件方法,如程序计数法实现;
另一种用定时计数电路由外部时钟计数,运用中断方法来实现。
(4)系统管理程序
为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由系统管理程序进行调度,因此,它是实现CNC系统协调工作的主体软件。
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。
水平较高的管理程序可使多道程序并行工作。
有的管理程序还安排进行自动编程工作,或对系统进行必要的预防性诊断。
(5)诊断程序
诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障,并指示出故障的类型。
也可以在运行前或发生故障后,检查各种部件(接口、开关、伺服系统)的功能是否正常,并指出发生故障的部位。
还可以在维修中查找有关部件的工作状态,判别其是否正常,对于不正常的部件给予显示,便于维修人员能及时处珲。
CNC系统的特点
1)具有灵活性和通用性
■CNC装置的功能大多由软件实现,且软硬件采用模块化的结构,使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。
■CNC装置其基本配置部分是通用的,不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块,以实现特定的控制功能。
2)数控功能丰富
■插补功能:
二次曲线、样条、空间曲面插补。
■补偿功能:
运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等。
■人机对话功能:
加工的动、静态跟踪显示,高级人机对话窗口。
■编程功能:
G代码、篮图编程、部分自动编程功能。
3)可靠性高
■CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片是可靠性的保证。
■许多功能由软件实现,使硬件的数量减少。
■丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现),从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。
4)使用维护方便
■操作使用方便:
用户只需根据菜单的提示,便可进行正确操作。
■编程方便:
具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。
■维护维修方便:
部分日常维护工作自动进行(润滑,关键部件的定期检查等),数控机床的自诊断功能,可迅速实现故障准确定位。
5)易于实现机电一体化
数控系统控制柜的体积小(采用计算机,硬件数量减少;
电子元件的集成度越来越高,硬件的不断减小),使其与机床在物理上结合在一起成为可能,减少占地面积,方便操作。
6)基于PC平台的CNC的特性
PC平台提供了开放式的基础,可供利用的软件、硬件资源极为丰富,数控功能相应得到扩展,凡在PC机可运行的软件,如CAD、CAM、CAPP(ComputerAidedProcessPlanning,计算机辅助工艺规划)、工厂级、车间级生产调度管理软件等,在基于PC平台的机床数控系统上均可运行;
凡在PC机上可插入的硬件模块和可接上的外部设备,如网卡、图形加速卡、声卡和打印机、摄像机等,在基于PC平台的机床数控系统上均可插入和接上。
4.CNC系统硬件结构
从组成CNC系统的电路板的结构特点来看,有两种常见的结构,即大板式结构和模块化结构。
大板式结构
特点:
一个系统一般都有一块大板,称为主板。
主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。
其他相关的子板,如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面,组成CNC系统的核心部分。
优点:
结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能/价格比,也便于机床的一体化设计。
缺点:
它的硬件功能不易变动,不利于组织生产。
总线模块化的开放系统结构
将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板(称为硬件模块),甚至将微处理机、存储器、输入输出控制组成独立微计算机级的硬件模块,相应的软件也是模块结构,固化在硬件模块中。
优点:
使设计简单,有良好的适应性和扩展性,使制作周期短、调整维护方便、效率高。
5.华中I型数控系统软件结构介绍
■NC操作面板及输入按钮:
华中I型数控系统软件的实时操作环境是在DOS操作系统上扩充扩展而成的。
以该环境为内核,实现了一个开放式的数控系统软件平台,它能提供方便的二次开发环境,使之能灵活地组配不同类型的数控系统和扩充系统的功能。
因而,这种结构具有良好的开放性和可维护性。
a)软件结构概述
系统软由两部分组成:
底层软件(软件平台)、上层软件(过程层软件)
底层软件(软件平台)
图中虚线以下的部分:
DOS、RTM和NCBIOS
Ø
RTM模块:
为自主开发的实时多任务管理模块,负责CNC系统的任务管理调度。
NCBIOS模块:
为基本输入系统,管理CNC系统所有的外部控制对象,包括设备驱动程序(I/O)的管理、位置控制、PLC控制、插补计算以及内部监控等。
NCBASE:
RTM和NCBIOS的统称。
上层(过程控制层)软件
虚线以上部分
主要功能模块:
编辑程序、参数设置、译码程序、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关功能子模块。
不同数控系统,其系统功能的区别和增减均在这一层实现。
各功能模块都通过NCBIOS与底层进行信息交换,使上层模块与系统的硬件无关。
这便是本系统具有开放性的关键所在
2)NCBASE的功能
■实时多任务调度
该功能由RTM模块实现,它是通过DOS的INT08中断功能构造的调度核心来实现对多任务调度的。
■CNC任务的划分及优先级的确定
将任务划分为8个,优先级从高到低排列为:
位置控制任务(4ms);
插补计算任务(8ms);
数据采集任务(12ms);
PLC任务(16ms);
刀补运算任务(条件(缓冲区)驱动);
译码解释任务(条件(缓冲区)驱动);
动态显示任务(96ms);
人机界面(菜单管理,一次性死循环任务)。
■设备驱动程序
功能:
满足不同的控制对象(加工中心、铣床、车床、磨床等)不同硬件配置对不同驱动程序的要求。
实现系统的通用性。
实现:
在配置系统时,将所有的硬件模块的驱动程序都在NCBIOS的NCBIOS.CFG(类似于DOS的CONFIG.SYS文件)中说明。
系统在运行时,NCBIOS根据NCBIOS.CFG的预先的设置,调入对应模块的驱动程序,建立相应的接口通道。
■位置控制
位置控制是NCBIOS的一个固定程序,其主要功能是接受插补运算程序送来的位置控制指令,经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后,输出速度指令值给位置控制模块。
■插补器
华中I型为数控系统多通道(最多可达4通道)数控系统,每个通道有一个插补器,相应就创建一个插补任务。
该任务主要完成以下工作:
直线、圆弧、螺纹、攻丝以及微小直线段(供自由曲线和自由曲面加工用)等的插补运算。
■PLC调度
PLC调度的主要任务是:
故障报警处理、MST处理、急停和复位处理、虚拟轴驱动处理、刀具寿命管理、操作面板开关处理、指示灯及突发事件处理等。
3)NCBIOS提供给上层软件的接口
■NC功能调用接口
插补器接口:
供插补预处理(译码、刀补、速度预处理)的数据给底层软件;
故障信息交换接口;
设备调用接口。
■数据通讯区
层软件通过数据区观察系统的状态,包括坐标轴状态(轴位置、跟随误差、运动速度)、输入/输出状态、PLC内部状态等。
6.机床控制I/O接口:
1)输入接口:
直接输入信号是从机床到CNC的信号,他们来自机床侧的按键,极限开光,继电器的触点。
信号回路如图所示:
2)输出接口:
输出信号一般全部由达林顿管提供,输出有效时相应的达林顿管导通。
除TL-、TL+、SPZD为脉冲信号外,其他输出均为电平信号。
数控系统的软件结构:
7.可编程控制器(PLC)及其工作过程
定义:
可编程控制器(ProgrammableController)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。
1)PLC在数控系统中的应用
2)可编程控制器的分类
按结构形式分类:
内装型(Built-inType)PLC(或称集成式、内含式)。
它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。
独立型(Stand-aloneType)PLC,或称为通用型PLC它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。
按规模分类:
小型:
输入/输出的点数<
128点;
中型:
128点<
输入/输出的点数<
512点;
大型:
输入/输出的点数>
512点。
PLC的结构包括硬件和软件两大部分。
在硬件和控制对象之间有三环:
第一个环:
是操作系统,用它来管理PLC的硬件资源;
第二个环:
是编译系统,这两个环构成了的PLC软件系统。
第三个环:
是实现用户要求的应用程序。
PLC的硬件原理框图
■PLC的编程方法
① 梯形图
梯形图(LD——LadderDiagram)法编程与传统的继电器电路图的设计很相似,用电路元件符号来表示控制任务直观易理解。
语句表
语句表也称指令表(IL—InstructionList)。
或叫指令表语言。
它是以RD、OR、AND、NOT……等逻辑指令为语句的操作码,以操作地址或参数操作数的编程语言。
操作码表示要操作的功能类型,操作数表示到哪里去操作。
这种编程方法紧凑、系统化,但比较抽象,有时先用梯形图表达,然后写成相应的指令语句输入。
梯形图与语句表的关系
②高级语言编程法(如C语言等)
随着数控技术的发展,可编程控制器控制的设备已由单机扩展到FMS、CIMS等。
可编程控制器处理的信息除开关量信号、模拟量信号、交流信号外,还需要完成与上位机或下位机的信息交换。
某些信息的处理已不能采用顺序执行的方式,而必须采用高速实时处理方式。
基于这些原因,计算机所用的高级语言便逐步被引用到PC的应用程序中来。
③其他编程法
控制系统流程图(逻辑功能图)编程法;
功能模块图表示的“功能块语言”编程法;
基于图形表示的“图形语言”编程法;
用指定子程序控制和指令语句表示的“结构文本语言”编程法;
逻辑式编程法。
■可编程控制器的工作过程
PLC接通电源,CPU进行输入点的状态采集、用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行。
接入编程器时,也对编程器的输入响应,并更新显示。
然后CPU对自身的硬件进行快速自检,并对监视扫描用定时器进行复位。
并在完成自检后,又重新开始扫描运行。
周而复始。
由于输入/输出模块滤波器的时间常数,以及执行时要按工作周期顺序进行等原因,会使输入/输出响应出现滞后现象,对一般工业控制设备来说,这种滞后现象是允许的,但地某些设备的某些信号要做出快速响应。
通常的做法是:
将顺序程序分为快速响应的高优先级程序和一般响应速度的低优先级程序两类。
■PLCCNC、机床间的信息交换
PLCCNC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。
■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RAMPLC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。
机床→CNC装置:
对于内装型PLC,信号传送处理如下:
从机床输入开关量数据CNC装置的RAMPLC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,然后从上述第2步开始重复。
五、数控钻铣机床三维结构图
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