数控原理及系统

第五章计算机数控系统第一节、数控系统的基本原理与结构第二节、插补原理第三节、刀具补偿原理第四节、数控系统接口第五节、辅助功能与ＰＬＣ第六节、进给运动的误差补偿第一节数控系统的基本原理与结构一、数控系统基本原理：1NC硬件数控:即由硬件电路来完成插补的数控动作，出现的年代：1952～19652CNC计算机数字控制:由硬件和软件共同完成数控的功能，具有柔性。1974年以后一、数控系统基本原理：数控机床的定义：一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他编程指令规则的程序。其核心是计算机数控系统。数控系统：一种控制系统，它自动输入载体上事先约定的数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床和加工零件。CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机床机器人测量机......数控系统：一、数控系统基本原理：数控系统的组成：硬件计算机外围设备：CRT、键盘、面板、机床接口软件管理软件：输入输出、显示、自诊断等程序控制软件：输入、译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等。一、数控系统基本原理：1.硬件结构:CPU，存储器，总线、外设等。2.软件结构：是一种用于零件加工的、实时控制的、特殊的（或称专用的）计算机操作系统。系统初始化系统控制软件程序管理编辑存储录放管理软件控制软件输入程序输出程序显示程序诊断程序译码程序补偿计算速度控制插补程序位控程序图5.1CNC软件的构成一、数控系统基本原理：3.工作原理通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程：1）输入：输入内容——零件程序、控制参数和补偿数据。输入方式——穿孔纸带阅读输入、磁盘输入、光盘输入、手健盘输入，通讯接口输入及连接上级计算机的DNC接口输入简要工作过程：2）译码：以一个程序段为单位，根据一定的语法规则解释、翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区内。3）数据处理：包括刀具补偿，速度计算以及辅助功能的处理等。4）插补：插补的任务是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。5）位置控制：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伺服电机。6）I/O处理：处理CNC装置与机床之间的强电信号输入、输出和控制。7）显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态等。8）诊断：检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。二、数控系统的结构：1、构成1）输入装置:完成程序,参数等信息的输入MDI信息载体2)输出装置:完成打印,穿孔显示等3)通信线路:实现串行通讯及网络功能4)CNC:完成与外围设备联系,控制系统各部分功能5)PLC:完成机床的顺序控制,换刀,APC等6)主轴单元:接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向7)速度单元:接收CNC的指令,控制各伺服轴的动作2、各部分的功能(一)、分类：1、按微处理器分类；单微处理器：是以一个CPU（中央处理器）为核心，CPU通过总线与存储器和各种接口相连接，采取集中控制、分时处理的工作方式，完成数控加工各个任务。缺点：①不易进行功能的扩展和提高。②处理速度低、数控功能差。四、CNC的硬件体系结构CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线多微处理机CNC装置的结构：：单CPU的弥补：增加浮点协处理器、8086+8087硬件分担插补采用全智能化的CRT、PLC部件。。两个及两个以上的CPU组成的CNC称为多微处理机系统。。模块分为带CPU的主模块和不带CPU的从模块。。特点：（1）计算处理速度高（2）可靠性高（3）有良好的适应性和扩展性（4）硬件易于组织规模生产多CPU结构分类：共存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。共总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。2、按照电路板结构分：1）大板结构：主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成CNC装置，FANUC-C,0等2）模块化结构：控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化特点：各功能块功能独立，便于开发同一功能的列产品，维修维护方便（二）典型数控系统的硬件结构：fanuc-6M系统的硬件介绍（一）各程序简介：1、输入程序：①把零件程序经缓冲器到存储②把存储的程序读入缓冲器记录垂直校验：每个程序数必须有偶数行代码否则以空格代替水平奇偶：每行代码中1的个数必须为偶数（ISO）或奇数（EIA）五、CNC系统软件各程序简介：2、译码程序：进行代码的识别，及功能代码的解译①代码识别是指将读入代码按内部码地址的不同进行处理②功能处理是指将代码识别的结果按功能再分类，转入相应的功能程序例如：N50G90G01X106.Y-60.F46M05;3、数据处理：对功能代码进行预处理任务：①刀具半径补偿，速度计算，辅助功能的处理其中：刀具半径补偿：将零件的轮轨迹转化为刀具中心的轨迹。速度代码：确定加工数据数的速度。辅助加工的处理：指顺序程序的处理，设置接口信号。数据的处理为插补程序做准备，称为预计算。各程序简介：4、插补计算程序：作用是对加工轨迹的细化。早期：全部由硬件来完成，由硬件来实施完成速度及位置的分配。现在：软件插补+硬件插补由软件完成粗插补，将整个轨迹分成几个大段，再由硬件执行各段的细化。5、伺服控制软件：作用：将位置指令（周期内4ms）转化为速度指令。原理：①系统4ms计算一次指令值Dc读一次Df值②通过计数器计算出△D=Dc-Df,③（ΔD*Kd）/4s为速度。各程序简介：6、输出程序：将数据处理、插补、伺服处理的结果输出至对应的接口电路7、管理程序：管理：数据的输入、处理及切削加工处理主板、时钟信号、故障信号管理为主程序，执行周期较长，实时程序靠中断完成8诊断程序、对系统内的软件，硬件进行诊断，对故障做出相应的报警提示例如：编程、超程、伺服、PLC等各程序简介：（二）CNC软件的特点：1、多任务并行处理：多个任务，多个程序共用运行。2、多重实时中断处理：中断是指终止现行程序转去执行另一程序。待另一程序处理完毕后、再继续执行原程序，多重中断：按中断的级别排队。实时：是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应。并完成响应和处理。专用的实时多任务的计算系统，最突出的是多任务并任处理和多重实时中断。基于并行处理的多任务调度技术：(1)资源分时共享(2)并发处理和流水处理：在多CPU结构的数控装置中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种策略来提高系统处理速度。其一，如果任务之间的关联程度不高，则可将这些任务分别安排一个CPU，让其同时执行，即所谓的“并发处理”；其二，如果各任务之间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输人。则可采取流水处理的方法来实现并行处理。1）CNC系统的中断类型CNC系统的中断类型共有四种：外部中断、内部定时中断、硬件故障中断和程序性中断。(1)外部中断外部中断主要有三种：纸带光电阅读机中断、外部监控中断(如：紧急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求较高，可以将它们设置在较高的中断优先级上。第三种中断的实时性要求较低，可将它放在较低的中断优先级上，也可以用查询方式来处理它。2、多重实时中断处理：1）CNC系统的中断类型(2)内部定时中断内部定时中断主要有两种；插补周期定时中断和位置采样定时中断，也可以将这两种中断合二为一，但在处理时，总是先处理位置控制，再处理插补运算。(3)硬件故障中断硬件故障中断是各硬件故障检测装置发出的中断，硬件故障如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。(4)程序性中断程序性中断是程序中出现异常情况的报警中断，异常情况如各种溢出、除零等。2、多重实时中断处理：2）CNC系统的中断结构模式CNC系统的中断结构模式有两种：一种是前后台软件结构中的中断模式，另一种是中断型软件结构中的中断模式。(1)前后台软件结构中的中断模式前后台软件结构的持点是前台程序是一个中断服务程序，用以完成全部的实时功能。后台程序是一个循环运行程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行时，实时中断程序不断插入，前后台程序相配合，共同完成零件的加工任务。(2)中断型软件结构中的中断模式中断型软件结构的特点是整个系统软件，除初始化程序外，各任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，即整个软件就是一个庞大的中断系统，其管理功能主要是通过各级中断服务程序之间的相互通讯来完成的。第二节、运动轨迹的插补原理插补的基本概念数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、用基本线型拟合，完成所谓的数据“密化”工作。插补有二层意思：一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；二是用基本线型拟合其它轮廓曲线。插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。下面以基本线型直线、圆弧生成为例，论述插补原理。插补方法的分类硬件插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器软件插补器软硬件结合插补器1.基准脉冲插补每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。2.数据采样插补采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的进给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法等。一、基准脉冲插补(一)逐点比较法这是早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法，适用于开环系统。1.插补原理及特点原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标同规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲线插补。特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。2.逐点比较法直线插补（1）偏差函数构造对于第一象限直线OA上任一点P(X,Y):X/Y=Xe/Ye若刀具加工点为Pi（Xi，Yi），则该点的偏差函数Fi可表示为若Fi=0，表示加工点位于直线上；若Fi0，表示加工点位于直线上方；若Fi0，表示加工点位于直线下方。（2）偏差函数的递推计算采用偏差函数的递推式（迭代式）计算，既由前一点计算后一点0eeXYYXeieiiYXXYFYXF0F0Pi(Xi,Yi)Ae(Xe,Ye)OFi=YiXe-XiYe若Fi=0，规定向+X方向走一步Xi+1=Xi+1Fi+1=XeYi–Ye(Xi+1)=Fi-Ye若Fi0，规定+Y方向走一步，则有Yi+1=Yi+1Fi+1=Xe(Yi+1)-YeXi=Fi+Xe（3）终点判别直线插补的终点判别可采用三种方法。1）判断插补或进给的总步数：；2）分别判断各坐标轴的进给步数；3）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。（4）逐点比较法直线插补举例对于第一象限直线OA，终点坐标Xe=6,Ye=4，插补从直线起点O开始，故F0=0。终点判别是判断进给总步数N=6+4=10，将其存入终点判别计数器中，每进给一步减1，若N=0，则停止插补。步数判别坐标进给偏