第4章计算机数控装置CNC

1第4章计算机数控装置本章节点4.1概述4.2CNC装置的硬件4.3CNC装置的软件4.4CNC装置的数据预处理2数控技术第4章计算机数控装置4.1概述34.1.1CNC系统的组成与特点CNC系统的组成CNC系统由硬件和软件组成，包括数控程序、输入输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括检测装置）等。其中CNC装置是CNC系统的核心部件。见图4.1。44.1.1CNC系统的组成与特点CNC系统的特点灵活性：改变相应的软件即可，而不要改变硬件。通用性：在CNC系统中，硬件可采用通用的模块化结构，而且易于扩展，并结合软件变化来满足数控机床的各种不同要求。可靠性：数控加工程序，功能都由软件完成，硬件结构大大简化。数控功能多样化：多种插补功能、动静态图形显示、数字伺服控制等。使用维护方便：编程工作简单方便，模拟，有诊断程序。54.1.2CNC装置的组成CNC装置由硬件和软件组成。1、CNC装置的硬件，见图4.2。图4.2CNC装置的硬件组成64.1.2CNC装置的组成控制软件包括译码程序、刀具补偿计算程序、插补计算程序、速度控制程序和位置控制程序等。2、CNC装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成，见图4.3。管理软件包括零件程序的输入/输出程序、显示程序与故障诊断程序等.图4.3CNC装置的软件组成框图74.1.3CNC装置的功能CNC装置功能除了有准备功能、坐标功能、进给功能、主轴功能、刀具功能和辅助功能外，还具有以下功能:1、控制功能多轴控制、多轴联动控制。2、显示功能配有CRT或液晶显示器，在显示窗口中显示零件程序、图形、人机对话菜单和故障信息等。3、通信功能RS-232C串行接口、DNC通信接口、FMS、MAP等高性能通信接口。4、自诊断功能有启动诊断、在线诊断、离线诊断和通讯诊断等。8数控技术第4章计算机数控装置4.2CNC装置的硬件94.2CNC装置的硬件CNC装置的硬件结构分类：按CNC装置中的印刷电路板的插接方式分为大板结构和功能模块结构。按CNC装置硬件的制造方式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分为单微处理器结构和多微处理器结构。按照CNC装置功能的高低档次分为经济型CNC结构和标准型CNC结构。104.2.1经济型数控系统硬件我国经济型CNC多数是以8位或16位单片机或者以8位或16位微处理器（MicroProcessingUnit，MPU）为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制轴数和联动轴数为2～3轴。经济型CNC是根据国内需要自行开发的，主要用于功能简单的车、铣、钻、冲床等控制，大量用于旧机床改造。1、硬件结构多采用一个微处理器来集中控制，分时处理数控的各个任务。能够控制系统总线的只是一个微处理器，是一种主从结构，也被归纳于单微处理器结构。组成框图，如图4.4所示，由微机、外围设备和机床控制等三部分组成。11图4.4单微处理器结构的组成框图124.2.1经济型数控系统硬件2、常用硬件用8031单片机组成CNC系统，其数控装置硬件框图见图4.7。图4.78031组成的CNC系统134.2.1经济型数控系统硬件3、数控系统接口1）键盘接口电路键盘接口电路主要解决按键的识别问题，既可采用查询方式，也可采用中断方式。查询方式电路简单，但采用查询方式不管是否有键按下，CPU每隔一段时间查询一次键盘状态，这样将浪费CPU的时间。采用中断方式，只有有键按下时，才向CPU发出中断请求，CPU才对键盘服务，提高了CPU的利用率。中断方式下按键与单片机的连接方式：◆并行连接方式◆矩阵连接方式144.2.1经济型数控系统硬件（1）并行连接方式如图4.8所示，适用于按键较少的场合。图4.8按键与单片机的并行连接154.2.1经济型数控系统硬件（2）矩阵连接方式如图4.9所示，优点是占用的I／O线少，适用于按键较少的场合。图4.9按键与单片机的矩阵方式连接164.2.1经济型数控系统硬件2）显示接口电路（1）LED显示器发光二极管LED的功耗小、亮度强、控制简单可靠，且价格低，因此LED显示器在经济型数控系统中得到广泛应用。图4.10LED数码管174.2.1经济型数控系统硬件图4.11单个LED数码管与微机的接口184.2.1经济型数控系统硬件（2）CRT显示器接口CRT显示具有屏幕宽阔，可传递信息量大；不仅可显示字符，还可显示图形，模拟数控加工过程等优点。图4.11CRT接口电路原理框图194.2.1经济型数控系统硬件3）开关量接口电路（1）开关量输入通道数控系统接受开关量和输出开关量信息，需通过输入／输出接口电路。①光电隔离输入电路开关信号通过光电耦合电路接到输入通道缓冲门，可以提高抗干扰能力和便于实现电平转换，见图4.13。图4.13光电耦合输入电路204.2.1经济型数控系统硬件②开关消抖电路机械开关触点闭合时，存在着抖动，见图4.14（a）。为了可靠地接受开关信号，必须消除这一抖动。消除抖动的方法可用硬件实现，也可用软件延时实现。一种硬件防抖电路见图4.14（b）。图4.14开关防抖电路214.2.1经济型数控系统硬件（2）开关量输出通道继电器方式的开关量输出是目前最常用的输出方式。一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为数控系统输出到驱动级之间的第一级执行机构。通过第一继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。图4.15开关量继电器接口见图4.15，光电隔离后，直流部分给继电器供电，输出部分则直接与220V交流电相连。此外，还有模拟量接口电路[数模（D／A）转换接口、模数（A／D）转换器接口]、通讯接口、步进电动机接口等。224.2.2标准型数控系统硬件标准型数控系统精度和速度都较高，功能比较齐全，基本都是闭环控制，广泛应用各种中、高档数控机床。1、硬件结构多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，微处理器、存储器、输入输出控制等分别做成硬件模块，相应的软件也是模块化结构，固化在硬件中。软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为功能模块。功能模块之间有明确定义的固定接口，按工厂或企业标准制造，于是可以组成积木式的CNC装置。如果某一个模块出了故障，其它模块仍能照常工作，可靠性高。234.2.2标准型数控系统硬件CNC装置一般有以下六种基本功能模块:（1）CNC管理模块（2）CNC插补模块（3）位置控制模块（4）PLC模块（5）数据输入输出和显示模块（6）存储器模块图4.20多微处理器结构的CNC装置结构框图242、基本硬件构成253、数控机床的操作面板图4.22SINUMERIK801M前面板4.2.2标准型数控系统硬件26数控技术第4章计算机数控装置4.3CNC装置的软件274.3.1经济型数控系统软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软件、误差补偿软件等。1、监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。1）系统的初始化图4.25初始化程序框图284.3.1经济型数控系统软件图4.26键盘扫描中断方式程序框图图2）命令处理循环经济型数控一般采用两种键盘处理方式：一种是键盘扫描中断方式，其程序框图见图4.26所示；另一种是采用专用可编程键盘显示芯片8279管理方式。293）零件加工程序的输入程序其任务是将输入的源程序顺序读入，并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单元，同时将坐标值BCD码转换成二进制数码。每读完一个程序段，必须把当前指针压入堆栈，以备下段程序读入时使用。输入程序框图如图4.27所示。4.27零件加工程序的输入程序框图4.3.1经济型数控系统软件304.3.1经济型数控系统软件4）零件加工程序的编辑修改程序编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。图4.28G功能分析程序框图5）指令分析和执行G功能分析程序框图见图4.28。6）系统诊断程序检测、指示各个硬件可能存在的故障的位置和性质。常有定时/计数器诊断、中断功能诊断、ROM区诊断、RAM区诊断、键盘诊断等314.3.1经济型数控系统软件2、步进电动机控制软件步进电动机控制程序，不仅可代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还能实现步进电动机升降速控制等功能。1）软件环形分配图4.29为单片机直接带动三相步进电动机的接口方式。单片机P1的低三位为输出位，分别控制步进电动机A、B、C三相绕阻通断电顺序和方式。图4.29软件环形分配步进电动机控制324.3.1经济型数控系统软件（1）单三拍方式单三拍方式通电顺序为A→B→C→A…，所以只需依次向P1口输出如下控制字：001（01H）U相通电010（02H）V相通电100（04H）W相通电在两控制字间应加入软件延时来保证一定的时间间隔，以此控制步进电动机速度。控制步进电动机三相三拍正转的程序框图，见图4.30。电动机反转，通电顺序为A→C→B→A…。图4.30三相三拍正转程序框图334.3.1经济型数控系统软件（2）三相六拍方式三相六拍正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A…，P1口输出如下控制字：001（01H）A相通电011（03H）A、B相通电010（02H）B相通电110（06H）B、C相通电100（04H）C相通电101（05H）C、A相通电如反转时，通电顺序为：A→CA→C→CB→B→BA→A…。344.3.1经济型数控系统软件2）微机控制步进电动机的升降速方法由于步进电动机的响应频率比较低，限制了步进电动机的最高启动频率。因此，微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制，使脉冲频率开始时较低，步进电动机不“丢步”地起动，然后逐渐升高到较高的连续运行频率。同理，在要求停止转动时，为防止“过冲”，使脉冲频率逐渐降到零。微机实现升降频控制，可采用均匀地改变步进脉冲间隔的方法，进行升降速控制。微机对步进电动机的控制，也就是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔，而其间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。因此，可以方便地用软件来控制步进电动机的运行，实现步进电动机不丢步地快速起、停。354.3.1经济型数控系统软件3、数控机床误差及其软件补偿经济型数控机床的加工误差是必然存在的，可在编程中正确地引入修正值，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用。1）编程误差Δ1编程误差由三部分组成：◆逼近误差Δ1a。◆插补误差Δ1b。◆圆整误差Δ1c。编程误差Δ1＝Δ1a＋Δ1b＋Δ1c，一般取零件加工允许误差的0.1～0.2倍。为减小编程误差，可通过减小插补间隙或增加机床分辨率来达到，一般不需要专门的软件补偿。364.3.1经济型数控系统软件2）间隙误差Δ2数控机床机械传动部件间存在有间隙，由此产生的加工误差成为间隙误差。机械传动间隙通常有：丝杠轴承轴向间隙；丝杠螺母副之间的传动间隙；联轴节的扭转间隙；齿轮传动的齿侧间隙等。间隙对误差的影响，主要是运动换向时发生。其软件补偿处理的过程是：先将各个间隙值经标度变换确定指令脉冲数M，然后在零件加工程序中判别进给方向的指令转向后，给出M个额外的进给指令脉冲，再执行正常的程序。这种补偿处理方法，对于点位和轮廓控制都适用。但对于大型机床，其间隙大小随工件的重量或间隙的位置改变而改变，这时就会出现补偿不完全的情况。374.3.2标准型数控系统软件对于标准型数控系统，具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。因此，CNC系统是一个专用的实时多任务系统，其系统软件包括前台和后台两大部分。◆后台部分：包括通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序，这类程序实时性要求不高。◆前台程序：包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量控制等软件，这类程序完成实时性很强的控制任务。在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。384.3.2标准型数控系统软件1、前后台型结构其软件包括两个:1）前台程序又称实时中断服务程序，它是在一定周期内定时发生的（中断周期一般