第二章 数控系统(数控插补原理)

数控机床与编程宁波大学机械学院二0一0年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五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器（PLC）了解数控系统的组成、工作原理及工作过程；掌握数控机床插补原理及逐点比较法插补方法；掌握刀具补偿原理；掌握光栅及脉冲编码器的位移检测原理；掌握伺服驱动与控制的基本原理与方法；了解CNC装置的硬软件结构及工作原理；了解CNC系统中的PLC结构与工作原理。本章要求第一节概述现代数控系统以微型计算机为核心构成，称为计算机数字控制系统，简称CNC系统，其大部分或全部数控功能是在硬件的基础上通过软件实现的。一、CNC系统组成和功用输入／输出设备计算机数字控制装置（简称CNC装置或数控装置）可编程控制器(PLC、PMC)强电控制部分主轴调速驱动单元及主轴电动机进给伺服驱动单元及进给电动机辅助装置电动执行器位移与速度检测装置1．输入/输出设备操作者与数控系统进行人机交互，或其它外部信息处理设备与CNC系统进行信息交换的装置。数控操作面板：数控系统的控制面板，主要由显示器（CRT或LCD）、手动数据输入(MDI)键盘组成。机床操作面板：设有各种按钮和选择开关，用于对机床直接手动操作或对机床的运行进行干预。电子手轮：手摇脉冲发生器，手动坐标控制。磁盘驱动器：程序、数据输入与输出。各种通信接口：RS-232C、RS-422、RS-485、USB等2．CNC装置和PLCCNC装置实现系统的主要和绝大多数控制功能–封闭结构CNC：第五代以前–开放结构CNC：第六代PLC协助CNC装置实现部分辅助控制功能–内置型：结构上与CNC装置一体化，PMC–独立型：由独立的专业化厂家生产FANUC数控系统SIEMENS数控系统MAZATROL数控系统华中数控——HNC-21/22M蓝天数控——NC-110三菱PLC——FX2N系列西门子PLC——S7-300系列CNC装置的任务1.接收各输入设备的输入信息2.对零件加工程序及工作参数进行存储，对操作命令转相应处理3.执行零件加工程序，对加工程序指令进行译码、逻辑分析、插补运算4.将生成的运动轨迹控制信息输出到进给伺服驱动单元5.将机床主运动和辅助功能控制指令转交给PLC处理和执行，同时接收PLC的反馈信息并做相应处理6.把各工作环节的有关数据和图形信息，如零件加工程序、轴坐标值、操作菜单和提示、诊断结果、补偿值、机床参数和状态、模拟控制轨迹等输出到显示器进行显示7.实现与上位编程、管理计算机的信息交换PLC的任务接收CNC装置转交来的机床主运动和辅助功能控制指令，同时从本身的输入端获得机床主运动和辅助动作状态、机床操作面板操作信息等对上述状态信息进行逻辑运算及数值运算处理将处理结果信息根据控制功能需要分别输出到机床操作面板、主轴调速驱动单元和强电控制部分，或反馈给CNC装置3．强电控制部分和辅助装置电动执行器CNC系统的功率接口由各种继电器及继电器驱动电路构成作用是对PLC输出的辅助功能控制信号进行隔离并功率放大，驱动辅助装置电动执行器（各种电机、电磁铁、电磁阀等）4．进给伺服驱动单元及进给电动机进给伺服单元接收来自CNC装置的运动轨迹控制信息（运动指令），经变换和放大后，驱动伺服电动机，再经机械传动机构传动机床工作台或刀具，实现程序规定的坐标运动轨迹。5．主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速驱动单元接收来自PLC的转速控制信息（转速指令），经变换和放大后，驱动主轴电动机运转，使主轴获得给定的转速。6．位移与速度检测装置在位置伺服系统中，检测各坐标轴位置（或位移）和速度，并反馈给CNC装置和进给伺服驱动单元，或仅反馈给进给伺服驱动单元。在主轴调速系统中，速度检测装置用于检测主轴的转速，并反馈给主轴调速驱动单元。二、CNC装置的主要工作及过程1.系统的初始化2.输入3.加工程序的执行1)译码2)数据处理3)插补4)位置控制5)开关量控制4.显示5.故障自动检测和诊断坐标变换刀具补偿速度处理1.系统的初始化对有关寄存器、存储器、输出口设置初始值自动返回参考点或提示操作者手动返回参考点，以便建立机床坐标系显示机床刀架或工作台等的当前位置信息，同时处于准备接收各种数据和操作命令的状态注意：第一次使用数控装置时，必须进行机床参数设置2.输入零件加工程序、各种补偿值、各种参数及操作命令等通过MDI键盘编写和输入加工程序通过磁盘输入或采用通讯方式输入零件加工程序以文本格式（通常是ASCⅡ码）存放在程序存储区，并可利用CNC装置的程序编辑器进行编辑和修改3.加工程序的执行手动：单段：连续：实际加工零件加工程序的调试图2-2程序执行的主要工作过程框图译码刀具补偿处理数据处理进给速度处理插补位置控制开关量控制坐标变换译码根据规则对程序段指令（功能字）进行识别，转换成后续处理程序所要求的数据格式，并将其存放在指定的内存专用区——译码缓冲区。将程序段从程序存储区中逐个字符读入，并逐个与规定使用的所有指令地址符（M、G、S、T、F、X、Y、Z等）相比较，如哪个相等，就识别出对应指令，并作相应处理（每个指令地址符处理内容不同）。一个程序段的译码结果存放在一个译码缓冲区。一般设置若干个译码缓冲区，构成译码缓冲区组。译码结果在形式上是后续处理程序所要求的数据格式，但实质内容不变。译码中若发现M02或M30指令时，整个加工程序译码结束。数据处理坐标变换：将编程坐标系下的刀具点坐标转换成机床坐标系下的坐标。刀具补偿处理：包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿，其主要任务是根据刀具补偿指令、刀补值和编程轨迹终点坐标计算刀位点轨迹终点坐标。速度处理：根据编程指令速度F为后续插补运算及速度控制提供所需的数据。插补CNC系统的核心功能是运动轨迹控制，实现运动轨迹控制的根本手段是插补。在程序段给出的运动轨迹起点和终点之间，根据进给速度要求，实时地计算出满足运动轨迹要求的若干中间点及其坐标，并以此为位置控制指令，控制和驱动伺服系统实现各坐标轴的进给运动，最终使刀具顺序经过各中间点，加工出程序给定的零件轮廓。位置控制图2-3电气进给伺服系统构成和工作过程框图插补输出ΔX1或X1新速度控制与驱动伺服电动机位置调节器机械传动机构执行件位置检测与反馈半闭环半闭环闭环界面1CNC装置界面3CNC装置速度检测与反馈CNC装置界面2--++实际位置反馈ΔX2或X2新位置跟随误差速度指令速度误差开关量控制将译码缓冲区中有关机床主运动和辅助功能控制的各开关量控制数据（如M代码、主轴转速、换刀指令等）传送到PLC内存中，由PLC处理和执行。4.显示CNC系统通过显示器将系统信息以文本和图形的形式显示给操作者，供程序输入、编辑、修改、存储、参数输入、运行操作、状态监视等使用。5.故障自动检测和诊断联机诊断–开机诊断：系统从开始通电到进入正常运行期间的自动诊断，诊断的主要对象是CNC装置本身–运行诊断：CNC系统正常运行期间的自动诊断，主要针对CNC装置及其它设备进行诊断脱机诊断–通过各种脱机诊断程序对CNC系统进行的专门诊断–通过网络进行远程通信诊断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五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器（PLC）第二节数控插补原理一、插补的基本概念插补：根据给定的刀具运动轨迹和进给速度，采用适当的计算方法，在运动轨迹的起点和终点之间，计算出满足预定要求的中间点及其坐标。插补算法或插补方法：基准脉冲插补和数据采样插补插补器：实现插补功能的电路或程序硬件插补与软件插补粗精两步插补：由软件实现粗插补，由硬件实现精插补直线插补、圆弧插补、抛物线插补有关插补的几点说明绝大多数CNC装置都具有直线和圆弧插补功能，一些高档CNC系统还具有抛物线、渐开线、螺旋线、正弦线、样条曲线或曲面直接插补等功能。由于插补过程将连续轨迹离散化和数字化，因此实际的刀具运动轨迹是由多段小线段构成的折线，折线的形状与插补算法和允许的逼近误差有关。若零件轮廓是由非直非圆曲线、列表曲线或自由曲面等构成的，需在编程时用直线或圆弧等基本线型对零件轮廓进行拟合或逼近，然后再用拟合轮廓进行编程。轮廓拟合过程实际上也是一种插补过程，常被称为“一次插补”，而CNC系统实现的插补又被称为“二次插补”。二、基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补。主要特点：在顺序循环计算运动轨迹中间点的过程中，每次插补循环的输出是下一中间点相对当前中间点的坐标位移增量，并以指令脉冲形式输出以驱动各坐标轴的进给，同时控制每次插补输出的坐标位移增量不大于系统的脉冲当量，即每次插补输出的指令脉冲或者是一个，或者没有。在运动轨迹的起点和终点之间，中间点个数是已知的，插补循环次数也是已知的，通过控制每次插补循环的时间，就可控制总插补时间，从而控制运动速度。基准脉冲插补的方法很多，有脉冲乘法器法、逐点比较法、数字积分法、矢量判别法、比较积分法、最小偏差法、单步追踪法等等，其中应用较多的是逐点比较法和数字积分法。（一）逐点比较法插补的基本原理终点判别结束YN偏差判别开始坐标进给yx2E(4,3)O134123给偏差计算1．首先判断刀具当前位置与要求的运动轨迹的偏离情况。具体方法是根据要求的运动轨迹设计一个偏差函数，该偏差函数是刀具坐标的函数，其函数值反映出偏离情况；2．根据偏差判别的结果，发出一个进给指令脉冲，控制刀具沿相应坐标轴产生一个脉冲当量的位移；3．用新的刀具位置坐标重新计算偏差函数的值；4．判断刀具是否到达轨迹的终点。（二）逐点比较法直线插补A(Xe,Ye)P(Xi,Yi)F0F0O图2-4逐点比较法直线插补+ΔX+ΔYαYX插补如图2-4所示第一象限直线OA，起点O(0,0)，终点A(Xe,Ye)，坐标单位为脉冲当量。1.偏差判别将直线OA的方程改写成设加工时刀具位置为P(Xi,Yi)点，取偏差函数为当P点在直线上时，Fi＝0；当P点在直线上方时，Fi＞0；当P点在直线下方时，Fi＜0。0eeYXYX0eeXYYXeieiiYXXYF2．进给脉冲分配当P点在直线上方，即Fi＞0时，向+X方向分配一个进给脉冲，即向X轴正方向走一步（一个脉冲当量的位移），简记为+ΔX；当P点在直线下方，即Fi＜0时，向+Y方向分配一个进给脉冲，即向Y轴正方向走一步，简记为+ΔY。当P点在直线上，即Fi＝0时，为使加工继续进行，规定按P点在直线上方情况处理，即向X轴正方向走一步。3．偏差函数的递推计算若Fi≥0，向X轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为若Fi＜0，向Y轴正方向走一步，则P点新的位置坐标及偏差为eieieiiiiiiYFYXXYFYYXX11111eieieiiiiiiXFYXXYFYYXX111114．终点判别插补循环或进给的总步数：每进行一次插补循环，就对E进行一次减1运算，当E等于0时，表明到达终点，插补结束。eeYXE5．逐点比较法直线插补举例【例2-1】插补计算图2-5所示第一象限直线OA，起点O(0,0)，终点A(5,3)。步序工作节拍偏差判别坐标进给偏差函数计算终点判别0F0＝0E＝Xe+Ye＝5+3＝81F＝0+ΔXF1＝F0-Ye＝0-3＝-3E＝8-1＝72F＜0+ΔYF2＝F1+Xe＝-3+5＝2E＝7-1＝63F＞0+ΔXF3＝F2-Ye＝2-3＝-1E＝6-1＝54F＜0+ΔYF4＝F3+Xe＝-1+5＝4E＝5-1＝45F＞0+ΔXF5＝F4-Ye＝4-3＝1E＝4-1＝36F＞0+ΔXF6＝F5-Ye＝1-3＝-2E＝3-1＝27F＜0+ΔYF7＝F6+Xe＝-2+5＝3E＝2-1＝18F＞0+ΔXF8＝F7-Ye＝3-3＝0E＝1-1＝0插补结束A(5,3)O图2-5逐点比较法直线插补轨迹YX（三）逐点比较法圆弧插补如图2-6所示，插补逆时针圆弧AB，起点A(X0，Y0)，终点B(Xe，Ye)，圆心O（0，0），坐标单位