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1、 数控装置(CNC)的结构在这一讲,我们一起学习n n数控机床控制系统的基本工作过程n n数控机床控制系统的组成n n数控装置的各种硬件结构类型n n数控系统的软件组成n n数控系统的抗干扰问题 一、数控机床的基本工作过程一、数控机床的基本工作过程 数控机床进行加工数控机床进行加工,首先必须将工件的几何尺寸和工首先必须将工件的几何尺寸和工艺数据按规定的代码和格式编制成数控加工程序艺数据按规定的代码和格式编制成数控加工程序,并将加并将加工程序通过输入装置输入到数控系统中。数控装置对输工程序通过输入装置输入到数控系统中。数控装置对输入的加工程序进行数据处理入的加工程序进行数据处理,输出各种信息和命
2、令输出各种信息和命令,控制控制机床各部分按程序规定进行有序地动作。这些输出信息机床各部分按程序规定进行有序地动作。这些输出信息和指令包括和指令包括:各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量量,各部件控制状态的开关命令信号等。伺服系统将进给各部件控制状态的开关命令信号等。伺服系统将进给位移量转换成数控机床的进给位移量转换成数控机床的进给,执行相应的机械运动执行相应的机械运动,同同时时,位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控装置以保证位置控制精度。装置以保证位置控制精度。数控机床的加工过程就是数控机床的加工
3、过程就是:数控系统处于不断地计算、数控系统处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中输出、反馈等控制过程中,从而控制刀具和工件之间相对从而控制刀具和工件之间相对位置按加工零件的要求位置按加工零件的要求,准确的运动。准确的运动。(数控机床的基本数控机床的基本工作原理及工作过程如图工作原理及工作过程如图1.11.1所示所示)图1.1数控机床的组成及工作过程 图图图图1.21.2数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 3 3辅助控制辅助控制 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制
4、外给运行轨迹进行连续控制外,还要对机床的各种开关状态还要对机床的各种开关状态进行控制进行控制,这些状态包括主轴的变速控制这些状态包括主轴的变速控制,主轴的正、反转主轴的正、反转及停止及停止,冷却和润滑装置的启动和停止冷却和润滑装置的启动和停止,刀具的自动交换刀具的自动交换,工件夹紧和放松等都称之为数控机床辅助控制。工件夹紧和放松等都称之为数控机床辅助控制。二、数控机床控制系统的组成二、数控机床控制系统的组成二、数控机床控制系统的组成二、数控机床控制系统的组成 数控机床控制系统的基本组成包括输入数控机床控制系统的基本组成包括输入数控机床控制系统的基本组成包括输入数控机床控制系统的基本组成包括输入
5、/输出装置、输出装置、输出装置、输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位置检测装置等置检测装置等置检测装置等置检测装置等(如图如图如图如图1.31.3所示所示所示所示)。下面我们先一起学习数。下面我们先一起学习数。下面我们先一起学习数。下面我们先一起学习数控装置的组成及结构控装置的组成及结构控装置的组成及结构控装置的组成及结构,也就是也就是也就是也就是计算机数控系统计算机数控系统计算机数控系统计算机数控系统(Computer Nume
6、rical Control),(Computer Numerical Control),简称简称简称简称CNCCNC。图图图图1.31.3数控机床的基本组成数控机床的基本组成数控机床的基本组成数控机床的基本组成 三、数控装置的组成三、数控装置的组成三、数控装置的组成三、数控装置的组成 数控装置是机床数控系统的核心数控装置是机床数控系统的核心数控装置是机床数控系统的核心数控装置是机床数控系统的核心,目前的数控装置都目前的数控装置都目前的数控装置都目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能是基于微型计算机
7、的硬件和软件来实现其功能,所以称之所以称之所以称之所以称之为计算机数控装置为计算机数控装置为计算机数控装置为计算机数控装置,(,(如图如图如图如图3.13.1所示为数控装置硬件的基本所示为数控装置硬件的基本所示为数控装置硬件的基本所示为数控装置硬件的基本组成。组成。组成。组成。)它一方面具有一般微型计算机的基本结构它一方面具有一般微型计算机的基本结构它一方面具有一般微型计算机的基本结构它一方面具有一般微型计算机的基本结构,如中如中如中如中央处理单元央处理单元央处理单元央处理单元(CPU)(CPU)、总线、存储器、输入、总线、存储器、输入、总线、存储器、输入、总线、存储器、输入/输出接口等输出接
8、口等输出接口等输出接口等;另另另另一方面又具有完成数控机床其特有功能一方面又具有完成数控机床其特有功能一方面又具有完成数控机床其特有功能一方面又具有完成数控机床其特有功能所需要的功能模块所需要的功能模块所需要的功能模块所需要的功能模块和接口单元和接口单元和接口单元和接口单元,比如手比如手比如手比如手动数据输入动数据输入动数据输入动数据输入(MDI)(MDI)接口、可编程序控制接口、可编程序控制接口、可编程序控制接口、可编程序控制器器器器PLCPLC接口、位置控接口、位置控接口、位置控接口、位置控制接口、纸带阅读机制接口、纸带阅读机制接口、纸带阅读机制接口、纸带阅读机接口等。接口等。接口等。接口
9、等。四、数控装置的硬件结构四、数控装置的硬件结构数控装置的硬件结构类型数控装置的硬件结构类型1 1、大板式结构和功能模块式结构、大板式结构和功能模块式结构 1)大板式结构大板式结构 大板式结构就是大板式结构就是:数控装置结构以一块数控装置结构以一块大板为主大板为主,称为主板。主板上装有主称为主板。主板上装有主CPUCPU和各轴的位置和各轴的位置控制电路控制电路,而其他具有一定功能的子板而其他具有一定功能的子板,如程序存储器如程序存储器ROMROM板、数据存储器板、数据存储器RAMRAM板和可编程序控制器板和可编程序控制器PLCPLC板板都插在主板上面。大板式结构的数控装置的优点是结构都插在主板
10、上面。大板式结构的数控装置的优点是结构紧凑紧凑,体积小体积小,可靠性高可靠性高,有很高的性能价格比。如有很高的性能价格比。如FANUC-6FANUC-6和和0 0、A-BA-B公司的公司的86018601就是大板式结构。大板就是大板式结构。大板式结构的缺点是硬件功能不易变动式结构的缺点是硬件功能不易变动,柔性低。柔性低。(图图3.23.2所所示为示为FANUC-0FANUC-0大板式结构的示意图。大板式结构的示意图。)图图图图3.2 FANUC-03.2 FANUC-0大板式结构的示意图大板式结构的示意图大板式结构的示意图大板式结构的示意图 图图图图3.3 3.3 一种功能模块式全功能型车床数
11、控系统框图一种功能模块式全功能型车床数控系统框图一种功能模块式全功能型车床数控系统框图一种功能模块式全功能型车床数控系统框图图图3.4 3.4 以工业以工业PCPC机为技术平台的数控系统机为技术平台的数控系统n n3.3.单处理器结构和多微处理器结构单处理器结构和多微处理器结构n n1)1)单微处理器结构单微处理器结构n n所谓单微处理器结构所谓单微处理器结构,是指在是指在CNCCNC装置中只有一只微处装置中只有一只微处理器理器(CPU),(CPU),工作方式是集中控制、分时处理数控系统的工作方式是集中控制、分时处理数控系统的各项任务。如存储、插补运算、输入各项任务。如存储、插补运算、输入/输
12、出控制、输出控制、CRTCRT显示等都需要通过总线与微处理器相连。显示等都需要通过总线与微处理器相连。n n 某些某些CNCCNC装置中虽然用了两个以上的装置中虽然用了两个以上的CPU,CPU,但能够控制但能够控制系统总线的只是其中的一个系统总线的只是其中的一个CPU,CPU,它独占总线资源它独占总线资源,通过通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连;其它的其它的CPUCPU则作为专用的智能部件则作为专用的智能部件,它们不能控制总线它们不能控制总线,也不能也不能访问存储器。这是一种主从结构访问存储器。这是一种主从结构,所以被归纳于单处理所以被归纳于单
13、处理器结构中。单微处理器结构框图如图器结构中。单微处理器结构框图如图3.53.5所示所示,其结构简其结构简单单,容易实现。容易实现。n n在单微处理器结构中在单微处理器结构中,由于只有一个微处理器进行集中由于只有一个微处理器进行集中控制控制,其功能将受其功能将受CPUCPU字长、数据字节数、寻址能力和字长、数据字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。运算速度等因素的限制。n n2)2)多微处理器结构多微处理器结构n n在多微处理器结构在多微处理器结构CNCCNC装置中装置中,由两个或两个以上的由两个或两个以上的CPUCPU构成中央处理部件。各处理部件之间通过一组公用构成中央处理部件。各处理部件
14、之间通过一组公用地址和数据总线进行连接。每个地址和数据总线进行连接。每个CPUCPU都可享用系统公用都可享用系统公用存储器或存储器或I I0 0接口接口,并分担一部分数控功能并分担一部分数控功能,从而将单微从而将单微处理器的处理器的CNCCNC装置中顺序完成的工作装置中顺序完成的工作,转变为多微处理转变为多微处理器并行、同时完成的工作器并行、同时完成的工作,因而大大增强了整个系统的因而大大增强了整个系统的性能。性能。n n多微处理器结构的多微处理器结构的CNCCNC装置大都采用模块化结构装置大都采用模块化结构,如图如图3.63.6所示。我们可以根据设备要求选用功能模块构成所示。我们可以根据设备
15、要求选用功能模块构成CNCCNC装置。由于硬件一般是通用的装置。由于硬件一般是通用的,容易配置容易配置,因此只要因此只要开发新的软件就可以构成不同的开发新的软件就可以构成不同的CNCCNC装置装置,便于组织规便于组织规模生产模生产,能够形成批量生产并保证质量。能够形成批量生产并保证质量。图图3.6 3.6 多多CPUCPU结构的结构的CNCCNC装置组成框图装置组成框图五、数控装置的软件结构五、数控装置的软件结构 数控系统软件的结构取决于数控装置中软件和硬件数控系统软件的结构取决于数控装置中软件和硬件的分工的分工,也取决于软件本身所应完成的工作内容。下面将也取决于软件本身所应完成的工作内容。下
16、面将介绍数控装置中软件结构的特点。介绍数控装置中软件结构的特点。1.1.数控系统的软硬件界面数控系统的软硬件界面数控系统由软件和硬件组成数控系统由软件和硬件组成,软件的运行要依靠硬件软件的运行要依靠硬件环境的支持。软件与硬件关系非常密切环境的支持。软件与硬件关系非常密切,两者缺一不可。两者缺一不可。没有硬件没有硬件,软件不能成立软件不能成立;没有软件没有软件,硬件便无法工作。硬件便无法工作。只有高性能的硬件才有可能编出高性能的控制软件只有高性能的硬件才有可能编出高性能的控制软件来。而高性能的软件还可以弥补硬件的某些不足来。而高性能的软件还可以弥补硬件的某些不足,控制软控制软件在整个数控系统中的
17、地位是举足轻重的。件在整个数控系统中的地位是举足轻重的。数控系统的设计必须兼顾硬件和软件数控系统的设计必须兼顾硬件和软件,所以在数控所以在数控系统中系统中,由硬件完成的工作理论上讲也可以由软件来完由硬件完成的工作理论上讲也可以由软件来完成。但是成。但是,硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点点:硬件处理速度快硬件处理速度快(一般为微秒级一般为微秒级),),但成本高但成本高,灵活性灵活性差差,实现复杂控制的功能较差实现复杂控制的功能较差;软件处理花费少软件处理花费少,设计灵设计灵活活,适应性强适应性强,但处理速度慢但处理速度慢(一般为毫秒级一般为毫秒级)。
18、因此。因此,如如何合理确定软件、硬件的功能何合理确定软件、硬件的功能,是数控装置结构设计的是数控装置结构设计的重要任务。这就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的重要任务。这就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。概念。数控系统的某一功能到底采用软件实现还是硬件实数控系统的某一功能到底采用软件实现还是硬件实现现,则要由多种因素决定则要由多种因素决定,这些因素主要是数控装置计算这些因素主要是数控装置计算的运算速度的运算速度,所要求的控制精度所要求的控制精度,插补算法和运算时间插补算法和运算时间,以及性能价格比等以及性能价格比等,因此因此,在现代数控系统中在现代数控系统中,软件和硬软件和硬件界面关系
19、是不固定的件界面关系是不固定的,设计者可根据具体情况来确定。设计者可根据具体情况来确定。如图如图3.123.12所示是四种典型的软硬件界面关系。所示是四种典型的软硬件界面关系。图图3.12 3.12 软件和硬件的功能界面软件和硬件的功能界面1)1)输入输入 输入数控装置的信息包括数控加工程序、系统控输入数控装置的信息包括数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据等。对于其中大量的数控加工程制参数和各种补偿数据等。对于其中大量的数控加工程序来讲序来讲,输入方式主要有光电式纸带阅读机输入、键盘输入方式主要有光电式纸带阅读机输入、键盘输入、存储器输入和通信方式输入等四种。纸带阅读机输入、存储器输入和通
20、信方式输入等四种。纸带阅读机输入只在早期使用过输入只在早期使用过,由于其可靠性较差由于其可靠性较差,目前基本不再目前基本不再采用。存储器输入又分内存储器输入和外存储器输入两采用。存储器输入又分内存储器输入和外存储器输入两种。所谓内存储器输入种。所谓内存储器输入,是指将加工的数控加工程序一是指将加工的数控加工程序一次输入到数控装置内部存储器中次输入到数控装置内部存储器中,加工时再从存储器中加工时再从存储器中逐段调出程序进行处理。所谓外存储器输入是指通过软逐段调出程序进行处理。所谓外存储器输入是指通过软盘或硬盘将数控加工程序输入数控装置中进行执行。键盘或硬盘将数控加工程序输入数控装置中进行执行。键
21、盘输入方式包括手动数据输入盘输入方式包括手动数据输入(MDI)(MDI)和操作面板和操作面板(PANEL)(PANEL)输入输入,这种方式主要用来输入小型或一部分数控加工程这种方式主要用来输入小型或一部分数控加工程序。通信方式输入是现代数控机床使用得越来越多的一序。通信方式输入是现代数控机床使用得越来越多的一种途径种途径,具体包括串行方式、具体包括串行方式、DNCDNC方式和网络方式等。方式和网络方式等。2)2)译码译码 所谓所谓“译码译码”就是将输入的数控加工程序段按一定就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成数控装置中计算机能识别的数据形式规则翻译成数控装置中计算机能识别的数据形式,并按
22、并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。3)3)诊断诊断 在译码过程中在译码过程中,还要进行数控加工程序的诊断还要进行数控加工程序的诊断,也也就是利用控制软件检查加工程序的正确性就是利用控制软件检查加工程序的正确性,把凡是不符把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工程序找出来合数控机床编程手册规定的加工程序找出来,通过显示通过显示器提示机床操作人员进行修改。诊断内容主要包括数控器提示机床操作人员进行修改。诊断内容主要包括数控加工程序的语法错误和逻辑错误。其中语法错误主要指加工程序的语法错误和逻辑错误。其中语法错误主要指某个功能代码的错误某个功能代码的错
23、误,而逻辑错误主要指一个数控机床而逻辑错误主要指一个数控机床加工程序段或整个数控加工程序内各个功能代码之间互加工程序段或整个数控加工程序内各个功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。这种诊断过程的实现大多是相排斥、互相矛盾的错误。这种诊断过程的实现大多是贯穿在译码软件中完成贯穿在译码软件中完成,有时也会专门设计一个诊断软有时也会专门设计一个诊断软件模块来完成。件模块来完成。4)4)刀补计算刀补计算 刀具补偿计算包括刀具长度补偿和刀具半径补偿两刀具补偿计算包括刀具长度补偿和刀具半径补偿两大类大类,例如例如:对于数控铣床来讲对于数控铣床来讲,由于数控装置的控制对象由于数控装置的控制对象是主轴刀具的中
24、心轴线是主轴刀具的中心轴线,而编程时使用图纸标注的零件轮而编程时使用图纸标注的零件轮廓是用刀具边缘切削形成的廓是用刀具边缘切削形成的,它们两者之间不一致它们两者之间不一致,相差一相差一个刀具半径值。可见个刀具半径值。可见,刀具半径补偿计算就是将刀具边缘刀具半径补偿计算就是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。轨迹偏移到刀具中心。5)5)速度处理速度处理 数控加工程序中给定的进给速度数控加工程序中给定的进给速度F F代码是指零件切削代码是指零件切削方向的合成线速度方向的合成线速度,数控装置无法对此进行直接控制。因数控装置无法对此进行直接控制。因此此,速度处理实际上就是根据零件的几何轮廓信息将合成速度处理
25、实际上就是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度分解成各个坐标轴的分速度进给速度分解成各个坐标轴的分速度,然后通过各个轴的然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制伺服系统实现相应的分速度控制,那么数控机床最终就可那么数控机床最终就可得到所要求的线速度。另外得到所要求的线速度。另外,数控机床所允许的最低速度、数控机床所允许的最低速度、最高速度、最大加速度和最佳升降速曲线的控制最高速度、最大加速度和最佳升降速曲线的控制,都是在都是在这个环节中实现的。这个环节中实现的。3.3.软件任务分析软件任务分析 数控装置是一个专用的实时多任务计算机系统数控装置是一个专用的实时多任务计算机系统,它它的控制软件
26、中融合了管理和控制软件两种性质的任务。的控制软件中融合了管理和控制软件两种性质的任务。数控装置的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。数控装置的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。如图如图3.143.14所示所示,表示了数控装置中基本任务之间的并行表示了数控装置中基本任务之间的并行处理关系。例如处理关系。例如,当数控装置正处于加工状态时当数控装置正处于加工状态时,为了保为了保证加工的连续性证加工的连续性,在各程序段之间不能停顿。因此在各程序段之间不能停顿。因此,各数各数控加工程序段的预处理、插补计算、位置控制和各种辅控加工程序段的预处理、插补计算、位置控制和各种辅助控制任务都要及时进行。为了
27、使操作人员及时了解和助控制任务都要及时进行。为了使操作人员及时了解和干预数控系统工作状态干预数控系统工作状态,在执行加工任务的同时还要进在执行加工任务的同时还要进行一些人机交互处理行一些人机交互处理,也就是要同时显示加工状态也就是要同时显示加工状态,随时随时接受操作人员通过面板输入的各种操作指令等。另外还接受操作人员通过面板输入的各种操作指令等。另外还要对数控系统硬、软件的各种故障进行诊断要对数控系统硬、软件的各种故障进行诊断;系统还可系统还可能被要求及时完成通信等其他任务。能被要求及时完成通信等其他任务。n n针对数控装置软件的上述特点针对数控装置软件的上述特点,可采用并行处理技术来可采用并
28、行处理技术来确定整个系统软件结构。所谓并行处理就是指在同一时确定整个系统软件结构。所谓并行处理就是指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。从硬件出发相同的工作。从硬件出发,可以采用设备重复的并行处可以采用设备重复的并行处理技术理技术,例如多微处理器的数控装置就是这种技术的典例如多微处理器的数控装置就是这种技术的典型应用。从软件出发型应用。从软件出发,可以采用分时的并行处理技术和可以采用分时的并行处理技术和多重中断的并行处理技术。多重中断的并行处理技术。n n1)1)前后台型软件结构前后台型软件结构n n前后台型软件结
29、构适合于采用集中控制的单微处理器前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNCCNC装置装置,在这种软件结构中在这种软件结构中,CNC,CNC系统软件由前台和后系统软件由前台和后台程序组成台程序组成,前台程序为实时中断程序前台程序为实时中断程序,承担了几乎全承担了几乎全部的实时功能部的实时功能,这些功能都与机床动作直接相关这些功能都与机床动作直接相关,如位如位置控制、插补功能、辅助功能处理等。后台程序主要置控制、插补功能、辅助功能处理等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作用来完成准备工作和管理工作,包括输入、译码、插补包括输入、译码、插补准备等准备等,通常称为背景程序。背景程序是一个
30、循环运行通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序程序,在其运行过程中不断插入实时中断程序在其运行过程中不断插入实时中断程序,前后台前后台程序相互配合完成加工任务。程序启动后程序相互配合完成加工任务。程序启动后,运行完初始运行完初始化程序即进入背景循环程序化程序即进入背景循环程序,同时开放定时中断同时开放定时中断,每隔每隔一固定时间间隔一固定时间间隔(如如10.24ms)10.24ms)发生一次中断发生一次中断,执行一次执行一次中断服务程序。就这样中断服务程序。就这样,中断程序和背景程序有条不紊中断程序和背景程序有条不紊地协调工作。地协调工作。n n n n 图4-15 前后台程序的运行关系
31、 n n2)2)中断型软件结构中断型软件结构n n中断型软件结构没有前后台之分中断型软件结构没有前后台之分,除了初始化程序外除了初始化程序外,根根据各控制模块实时的要求不同据各控制模块实时的要求不同,把控制程序安排成不同把控制程序安排成不同级别的中断服务程序级别的中断服务程序,(,(这里先对中断服务程序的级别进这里先对中断服务程序的级别进行一些说明行一些说明:在程序执行中在程序执行中,当同时有中断服务请求时当同时有中断服务请求时,系统先对中断级别高的中断服务程序进行处理系统先对中断级别高的中断服务程序进行处理,然后再然后再处理中断级别低的中断服务程序处理中断级别低的中断服务程序)中断型软件结构
32、整个中断型软件结构整个软件是一个大的多重中断系统软件是一个大的多重中断系统,系统的管理功能主要通系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。文字教材中表过各级中断服务程序之间的通信来实现。文字教材中表3.13.1列出了典型的数控系统中断型软件结构列出了典型的数控系统中断型软件结构,书中将控制书中将控制程序分成为程序分成为8 8级中断程序级中断程序,其中其中7 7级中断级别最高级中断级别最高,0,0级中级中断级别最低断级别最低,。位置控制被安排在级别较高的中断程序。位置控制被安排在级别较高的中断程序中中,其原因是刀具运动的实时性要求最高其原因是刀具运动的实时性要求最高,CNC,CNC
33、装置必须装置必须提供及时的服务。提供及时的服务。CRTCRT显示级别最低显示级别最低,在不发生其他中在不发生其他中断的情况下才进行显示。断的情况下才进行显示。n n3)3)模块型软件结构模块型软件结构n n 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务,多微处理器结构越来越多地被使用多微处理器结构越来越多地被使用,从而使数控装置功从而使数控装置功能进一步增强能进一步增强,处理速度更快处理速度更快,结构更加紧凑。以便更适结构更加紧凑。以便更适合于现代先进的数控系统中多轴控制、高进给速度、高合于现代先进的数控系统中多轴控制、高进给速度、高精度和高效率的数
34、控系统要求。精度和高效率的数控系统要求。n n 多微处理器多微处理器CNCCNC装置一般采用模块化结构装置一般采用模块化结构,每个微处每个微处理器分担各自的任务理器分担各自的任务,形成特定的功能模块形成特定的功能模块,相应的软件相应的软件也模块化也模块化,形成功能模块型软件结构形成功能模块型软件结构,固化在对应的硬件固化在对应的硬件功能模块中。各功能模块之间有明确的硬、软件接口。功能模块中。各功能模块之间有明确的硬、软件接口。n n六、数控系统的抗干扰问题六、数控系统的抗干扰问题n n有时我们在数控系统运行中有时我们在数控系统运行中,会出现系统异常现象会出现系统异常现象,但又但又不是数控系统的
35、问题不是数控系统的问题,这有可能就是干扰造成的这有可能就是干扰造成的,什么是什么是干扰呢干扰呢?数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的,在在信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系统中的数据的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系统中的数据在传输过程中发生变化在传输过程中发生变化,增大误差增大误差,使局部装置使局部装置,甚至整甚至整个系统出现异常情况个系统出现异常情况,引起故障。引起故障。n n1.1.干扰的因素干扰的因素n n 影响数控系统可靠、安全运行的主要因素
36、来自系统内影响数控系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰部和外部的各种电磁干扰,以及供电线路干扰和信号传以及供电线路干扰和信号传输干扰等。输干扰等。n n1)1)电磁波干扰电磁波干扰n n在工厂车间中在工厂车间中,电火花等高频电源都会产生强烈的电磁电火花等高频电源都会产生强烈的电磁波波,这种高频辐射能量通过空间的传播这种高频辐射能量通过空间的传播,被附近的数控系被附近的数控系统所接收统所接收,如果能量足够大如果能量足够大,就会干扰数控机床的正常工就会干扰数控机床的正常工作。作。n n2)2)供电线路的干扰供电线路的干扰n n 电网电压波动的影响电网电压波动的影响 数控系统
37、对输入电压的允数控系统对输入电压的允许范围都有要求许范围都有要求,如果过电压或欠电压都会引起电源电如果过电压或欠电压都会引起电源电压监控报警压监控报警,从而停机。如果线路受到干扰从而停机。如果线路受到干扰,就会产生谐就会产生谐波失真波失真,频率与相位漂移。频率与相位漂移。n n 感性负载产生的影响感性负载产生的影响 大电感在断电时要把存储大电感在断电时要把存储的能量释放出来的能量释放出来,在电网中形成的高峰尖脉冲在电网中形成的高峰尖脉冲,它的产生它的产生是随机的是随机的,其波形如图其波形如图3.203.20所示所示,由于这种电感负载产生由于这种电感负载产生的干扰脉冲频域宽的干扰脉冲频域宽,特别
38、是高频窄脉冲特别是高频窄脉冲,峰值高峰值高,能量大能量大,干扰严重但变化迅速干扰严重但变化迅速,不会引起电源监控的反应不会引起电源监控的反应,如果通如果通过供电线路窜入数控系统过供电线路窜入数控系统,引起的错误信息会导致引起的错误信息会导致CPUCPU停止运行停止运行,使系统数据丢失。使系统数据丢失。n n 晶闸管通断时的干扰晶闸管通断时的干扰 晶闸管通断时的电流变化晶闸管通断时的电流变化率很大率很大,使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次谐波使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次谐波的大电流的大电流,在电源阻抗上产生很大的压降在电源阻抗上产生很大的压降,从而使电网电从而使电网电压出现缺口压出现缺
39、口,这种畸变了的电压波形含有高次谐波。这种畸变了的电压波形含有高次谐波。图图3.20 3.20 电网干扰电压电网干扰电压3)3)信号传输干扰信号传输干扰 数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外界干扰界干扰,常会产生差模干扰常会产生差模干扰(又称串模干扰又称串模干扰)和共模干扰。和共模干扰。n n2.2.抗干扰措施抗干扰措施n n 1)1)减少供电线路干扰减少供电线路干扰n n 数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备;要避要避免大功率起动、停止频繁的设备免大功率起动、停止频繁的设备,电火花设备同数控机电火花设
40、备同数控机床位于同一供电干线上床位于同一供电干线上,最好是采用独立的动力线供电。最好是采用独立的动力线供电。在电网电压变化较大的地区在电网电压变化较大的地区,供电电网与数控机床之间供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器应加自动调压器或电子稳压器,以减小电网电压的波动以减小电网电压的波动;动力线与信号线要分离动力线与信号线要分离,信号线采用绞合线信号线采用绞合线,双绞线有抵双绞线有抵消电磁感应干扰的作用消电磁感应干扰的作用,以减少和防止磁场耦合和电场以减少和防止磁场耦合和电场耦合的干扰。如变频器中的控制电路接线要距离电源线耦合的干扰。如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少至少100r
41、nm100rnm以上以上,两者绝对不可放在同一个导线槽内。两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外另外,控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交,如图如图3.233.23所示所示,控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。图图3.23 3.23 变频器控制电路与主电路配线变频器控制电路与主电路配线2)2)机床控制中的抗干扰措施机床控制中的抗干扰措施压敏电阻保护压敏电阻保护 图图3.243.24为数控机床伺服驱动装置电源为数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。在电路中加入压敏电阻引入部分压敏电阻的保护电路。在电路中加入压
42、敏电阻,又称浪涌吸收器又称浪涌吸收器,可对线路中的瞬变、尖峰等噪声起一可对线路中的瞬变、尖峰等噪声起一定的保护作用。压敏电阻是一种非线性过电压保护元件定的保护作用。压敏电阻是一种非线性过电压保护元件,抑制过电压能力强抑制过电压能力强,反应速度快。平时漏电流很小反应速度快。平时漏电流很小,而放而放电能力异常大电能力异常大,可通过数千安培电流可通过数千安培电流,且能重复使用。且能重复使用。图图3.24 3.24 压敏电阻保护电路压敏电阻保护电路阻容保护阻容保护 图图3.253.25是数控机床电气控制中交流负载是数控机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。交流接触器和交流电动机频繁起停时的阻容保护电路
43、。交流接触器和交流电动机频繁起停时,其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪声声,干扰数控系统和伺服系统的正常工作。在这些电器干扰数控系统和伺服系统的正常工作。在这些电器上加入阻容吸收回路上加入阻容吸收回路,会改变电感元件的线路阻抗会改变电感元件的线路阻抗,使交使交流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时平稳平稳,抑制了电器产生的干扰噪声。抑制了电器产生的干扰噪声。a)b)a)b)图图3.25 3.25 交流负载的阻容保护交流负载的阻容保护 a)a)交流接触器线圈交流接触器线圈 b)
44、b)驱动电路驱动电路n n续流二极管保护续流二极管保护 图图3.263.26是数控机床电气控制中直是数控机床电气控制中直流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。n n直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势势,在电感元件两端反向并联一个续流二极管在电感元件两端反向并联一个续流二极管,释放线释放线圈断电时产生的感应电动势圈断电时产生的感应电动势,可减小线圈感应电动势可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰噪声。对控制电路的干扰噪声。n n另外我们还另外我们还尤其要注意数控系统的屏蔽、保证尤其要注意数控系
45、统的屏蔽、保证“接地接地”良好良好,以防外界干扰。以防外界干扰。图图3.26 3.26 续流二极管保护电路续流二极管保护电路n n这一讲我们就学习到这里这一讲我们就学习到这里,下一讲我们学习数控机床的下一讲我们学习数控机床的伺服系统伺服系统,谢谢大家谢谢大家!机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理煅造铸造和焊接。机械加工另外装配时常常要
46、用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨床(Grinding
47、Machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。编辑本段微型机械加工技术的国外发展现状 机械产品1959 年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962 年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965 年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门
48、、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、StanfordAT&T 的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000 万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998 年开始，资助MIT，加州大学等
49、8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993 年的500万美元。1994 年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500 万元后，
50、建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991 年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988 年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990 1993 年拨款4万马克支持微系统计划研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为