数控技术计算机数控装置
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1、第第4 4章章 计算机数控装置计算机数控装置n4.1 CNC简介简介n计算机数控装置是指对机床进行自动化控制，并完成零件自动加工的专用电子计算机。它接收零件的尺寸和工艺等信息，按照一定的算法将加工过程分解为各运动轴的位置控制指令，完成零件加工。n数控系统 用数值数据的控制系统，在运行过程中，不断引入数值数据，从而实现机床加工过程的自动控制。数控系统的基本组成包括控制器和驱动装置(JB/T 8832-2001)n国际标准化组织ISO对计算机数控的定义为“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的代码，并将其译码，从而使机床移动和加工零件”。14.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（
2、1）n自从1952年世界上第一台数控机床在美国诞生以后，机床进入了数控时代。n数控机床的诞生成为世界工业界一个重要的里程碑。n随着电子元器件、计算机软、硬件技术的发展，计算机数控装置也发生了翻天覆地的变化，表现为硬件、软件的发展。（1）CNC硬件的发展硬件的发展n计算机中二进制运算离不开电子元件的支持，最早的计算机是由电子管组成运算单元。24.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（2）n电子管是最早期的电信号放大器，其体积大、功耗高。晶体管、集成电路发明后代替了电子管的位置，成为新的运算器件。n数控系统的硬件系统随着计算机硬件的发展和变革也进行了更新换代。n1952年美国MIT利用电子管成功地
3、研制出一套三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，这是世界上第一代数控系统。n1959年，电子行业研制出晶体管器件，因为数控系统中广泛使用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。34.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（3）n1965年出现了小规模集成电路。由于它的体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。n1970年以前的数控装置被称为硬件数控（NC），主要经历了电子管、晶体管、集成电路电子管、晶体管、集成电路三种时期。这一时期的特点是数控装置中的插补、轨迹控制等功能是由硬件元器件组由硬件元器件组成的电路实现的成的电路实现的。
4、n1970年以后数控装置开始以计算机作为核心以计算机作为核心硬件实现数控装置的各种功能。由最初以小型计算机为主体发展为以微机、嵌入式微处理器等为核心组件的计算机数控系统。44.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（4）n这一时期的特点是数控装置的译码、轨迹规划、插补、位置控制由计算机软件实现。n这一时期的数控装置被称作计算机数控装置计算机数控装置或软件数控装软件数控装置置。n数控装置发展到计算机数控装置时期后，逐渐形成单微处单微处理器数控、多微处理器数控和开放式数控理器数控、多微处理器数控和开放式数控三种。n前两种数控装置是由某一家生产企业独立研发和生产的专用数控装置，又称为封闭式数控系统封闭
5、式数控系统。54.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（5）n不同品牌的封闭式数控系统标准不同，互换性差甚至根本不具备互换性。数控装置的生产也仅限制在自己企业内部完成。这都限制了数控系统的发展和普及。n为了解决这些问题，1987年美国提出了NGC（the Next Generation work-station/machine Controller）计划，之后欧共体和日本先后提出了OSACA（ System Architecture for Control within Automation systems）计划和OSEC（Open System Environment for Control
6、ler）计划。n这些计划旨在推动国际数控装置各功能元件的标准化，硬件系统组成也按照一定的体系标准进行划分。开放式数控具有明显的优越性，其推广是计算机数控装置发展的必然趋势。64.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（6）（2）CNC加工程序软件的发展n目前的数控装置编程几乎全部采用ISO6983 G代码编程，这是一种面向过程的编程语言。n比如G01是直线插补，G02是顺时针方向圆弧插补。n机床加工过程中的每一条路径都需要采用程序指令编写。n国际标准化组织1996年开始制定新的面向对象NC编程标准STEP-NC，2001年底成为国际标准草案，由国际标准化组织ISO/TC184工业数据技术委员会正
7、式命名为ISO14649。74.1.1 CNC技术的发展（技术的发展（7）nSTEP-NC基于制造特征进行编程，告诉CNC要“加工什么”，“如何加工”，加工流程以工作步骤作为基本单位，将特征与技术信息联系到一起。nSTEP-NC标准仅完成了一部分，相关的技术包括CAD、CAM、CNC一系列问题的研究，但其发展势头强劲。n按照其发展趋势，STEP-NC将可能废弃沿用已久的G、M代码，代之以新的数控语言，使得现场编程方式大为改观84.1.2 CNC系统的基本组成系统的基本组成n计算机数控(CNC)系统是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现部分或全部数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用
8、计算机系统。nCNC系统由数控程序、输入输出设备、计算机数控装置数控程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置装置)、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进、主轴驱动装置和进给驱动装置给驱动装置(包括检测装置包括检测装置)等等组成，如图所示。94.1.2 CNC系统的基本组成系统的基本组成nCNC系统是指包括CNC装置装置和驱动控制驱动控制两部分的整体。nCNC系统的核心是CNC装置。nCNC装置的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，根据加工程序生成各种控制指令，并将控制指令发送给驱动装置，实现机床的运动完成加工任务。n驱动装置包括主轴驱动、进给轴控制、机床I/O（冷
9、却液、照明、限位等功能）。nCNC装置与驱动装置之间通过标准模拟控制量、高速脉冲串、离散开关量以及通过总线的数字信号等方式传递指令。104.1.3 CNC装置的组成装置的组成nCNC装置的组成包括硬件和软件硬件和软件两部分，实现对机床各驱动元件（伺服电机、继电器、气缸等）的控制以及各传感器（限位开关等）的信号采集和实时处理。（1）CNC装置的硬件组成装置的硬件组成n不同品牌的CNC装置的硬件组成有所不同，但是大体包括计算机组件（CPU、内存、硬盘、显示器、键盘等）、系统总线、接口电路（模拟量输入/出、数字量输入/出、现场总线接口等）等几部分。114.1.3 CNC装置的组成装置的组成nCNC装
10、置是数控系统的核心，是一台专用计算机，具有CPU、存储器、总线、外设等。n其外设通常是指输出接口及后续装置，最主要的是输出伺服运动指令推动数控机床各坐标轴运动。n在CNC装置中，一般将显示器和机床操作面版做在一起，以便实现手动数据输入；n将CPU、存储器、位置控制器、输出接口等做在一起，构成CNC装置。124.1.3 CNC装置的组成装置的组成I/O主板主板显显 卡卡功能模板功能模板m m功能模板功能模板1 1电子盘电子盘多功能卡多功能卡位控板位控板n n位控板位控板1 1PLCPLC模块模块主轴控制主轴控制机床机床I/O面板面板速度控制速度控制1 1速度控制速度控制n n功能驱动功能驱动1
11、1功能驱动功能驱动m m系系 统统 总总 线（线（BUSBUS）标准标准PCPC计算机计算机CNCCNC装置装置CNC系统系统134.1.3 CNC装置的组成装置的组成（2） CNC装置的软件组成装置的软件组成nCNC装置的软件分为管理软件和控制软件两部分。n其中管理软件管理软件是CNC装置作为一个系统进行各元件之间协同工作必须的软件环境，并完成CNC装置的文件处理、人机交互、显示、输入输出管理、故障诊断等任务。n控制软件控制软件特指CNC装置对机床进行运动控制实时性要求较高的软件模块，这是CNC装置所特有的功能模块。n控制软件控制软件是CNC装置软件的核心部分。控制软件必须具备并进行以下内容
