第二章 数控系统及工作原理

第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第二章数控系统及工作原理第五节伺服系统与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器第一节概述一、CNC系统的组成和功用CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数控装置（CNC装置）。CNC系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息、控制执行部件运动，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。一、CNC系统组成和功用•数控系统的组成：•输入/输出设备、•CNC装置(或称CNC单元)、•可编程控制器(PLC)、•电气控制装置、•伺服单元、•驱动装置(或称执行机构)、•辅助装置、•位移与速度检测装置。CNC控制器数控系统硬件及其软件机床电器电气控制单元速度控制单元位置检测单元进给电动机可编程控制器PLC主轴控制单元主轴电动机输入设备操作面板纸带阅读机光驱软驱磁带机电子手轮打印机穿孔机电传机显示器输出设备光栅、磁栅等旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、CNC系统的结构框图CNC系统的核心是CNC控制器。CNC控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。•1.输入/输出设备•键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可以用串行通信的方式进行信息的输入。•数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。•2.CNC装置和PLCPLC•可编程控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工业环境下的应用而设计。•PLC用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器(ProgrammableMachineController，PMC)。•PLC主要处理开关量的逻辑控制。控制：主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。•PLC分为两类：•一类是将数控系统和PLC综合起来设计，称为内装型(或集成型)PLC；•另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型(或外装型)PLC。CNC装置•(1)输入接口。负责接收输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。•(2)控制器。根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。•(3)运算器。接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并将控制信号以脉冲形式送至输出接口。•(4)输出接口。根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。•(5)存储器。CNC装置的存储器分为只读存储器(ROM)和读写存储器(RAM)。ROM用于存放系统控制程序；RAM用于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。•数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。•3.强电控制部分和辅助装置电动执行器•控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。•强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器（PLC）控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。•4.进给伺服驱动单元及进给电动机•定义—以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。•伺服驱动系统：包括伺服单元与驱动装置。•驱动装置：有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。功能：接受数控装置发来的指令信号，信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。•5.主轴调速驱动单元及主轴电动机•主轴调速系统：包括主轴调速驱动单元、主轴电动机、转速检测装置等。以主运动速度为控制目标。•主轴调速驱动单元：是联系CNC装置和机床本体的中间环节，它将来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。•主轴电动机：可分为直流主轴电动机和交流主轴电动机。•6.位移与速度检测装置•位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。•速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。二．CNC装置的主要工作及过程CNC的工作流程•二．CNC装置的主要工作及过程•CNC的工作过程包括：①输入、②译码、③刀具补偿、④进给速度处理、⑤插补、⑥位置控制、⑦I/O处理、⑧显示和⑨诊断等9个方面。•（1）输入•输入内容：向CNC控制器输入零件程序、机床参数和补偿数据。•输入型式：有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。•CNC输入工作方式：有存储方式和NC方式。前者将整个程序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内容。•（2）译码•译码处理：以程序段为单位，把零件的轮廓（起点、终点、直线或圆弧）、进给速度（F）和其他辅助信息（M、S、T）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保存，同时还要完成程序段的语法检查。•（3）刀具补偿•刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。•目前，在较高档的CNC中，刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓C刀具补偿功能。•（4）进给速度处理•按合成速度来计算各坐标方向的分速度，为插补计算做准备。•处理机床的最低和最高速度的限制以及软件的自动加减速处理。•（5）插补•插补：按一定的方法确定加工轨迹的过程就叫插补。是在曲线的起点和终点之间自动进行“数据点密化”。•插补是在规定的周期（称插补周期）内执行一次，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段加工。常有直线、圆弧及螺旋线等插补。•（6）位置控制•开环（步进式）位置控制：•闭环位置控制是在伺服回路的位置环上（见下图），它在每个采样周期内，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。•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。CNC装置—I/O—光电隔离—环形分配器—功率放大—电动机•（7）I/O处理•I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。•（8）显示•显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息等。•有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。•（9）诊断•联机诊断：是指CNC中的自诊断程序融合在各部分，随时检查不正常的事件。•脱机诊断：是在CNC不工作情况下的诊断，这种诊断通过配备的各种脱机诊断程序对存储器、外围设备（CRT、阅读机、穿孔机等）接口和I/O接口等进行检查。脱机诊断也可采用远程诊断。⒈译码(解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。CNC装置的数据转换流程数据结构示例：StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//缓冲区状态，0空；1准备好。intblock_num；//以BCD码的形式存放本程序段号。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的数值（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以标志形式存放G指令。charG1；charM0；//以标志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段换刀的刀具号。charD；//存放刀具补偿的刀具半径值。}；以标志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：无该指令；1：有该指令G010：无该指令；1：有该指令G020：无该指令；1：有该指令G030：无该指令；1：有该指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789-----------------------------------------StructPROG_BUFFER{charbuf_state；0：(开始)；1（；）⑨intblock_num；06（N06）①doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；（G90）②D6,D7=0,1（G41）③D1=1；（G01）⑤……charD；D=11（D11）④}；刀补处理的主要工作：•根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。•根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（P’e/P〃e）坐标值。•根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。2.刀补处理(计算刀具中心轨迹)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”Pe’G41G42Y⒊速度预处理主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量：直线：合成位移量L；园弧：总角位移量α。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量：ΔL=F*Δt/60（μm）式中：F--进给速度值（mm/min）；△t--数控系统的插补周期（ms）Lα⒋插补计算主要功能：根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：△L1=△L*修调值将△L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（△X1、△Y1）。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期△t定时运行。⒌位置控制处理f（）+++-++插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3实际位置X2新Y2新反馈位置增量△X2、△Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程•在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。•插补（interpolation）定义：机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。第二节数控插补原理一、插补的基本概念插补的实质•数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲，伺服系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。•数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行脉冲数目分配的运算（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。•插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。•插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行数据点的密化。32逐点比较法脉冲增量插补DDA法插补方法直线函数法数据采样插补扩展DDA法•特点：每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移（脉冲当量），脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示位移量。•仅适用于一些中等精度或中等速度要求