第3章计算机数控系统剖析

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1、下午9时37分,数控技术,1,第三章 计算机数控装置(CNC),下午9时37分,数控技术,2,第三章 计算机数控装置(CNC),第一节 概 述 第二节 CNC装置的组成及工作原理 第三节 CNC装置的插补原理 第四节 刀具半径补偿原理,下午9时37分,数控机床,3,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,4,在第一章我们就知道了数控装置是机床数控系统的核心，并对其在系统中的主要作用也有了一个概括性的了解，由于它在整个系统中的重要性，故在本章我们将对其进行较详细的讨论。,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,5,表1 数控系统的功能水平,下午9时37分,数控技术,6,具有灵活性和通用性 C

2、NC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能的修改、扩充变得较为灵活。 CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。,二. CNC装置的优点,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,7,2. 数控功能丰富 插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补 补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误 差补偿等 人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口 编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,8,3. 可靠性高 采用集成度高的电子元件、芯片、采用V

3、LSI本身就是可靠性的保证。 许多功能由软件实现，硬件的数量减少。 丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,9,4. 使用维护方便 操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。 编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。 维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,10,5. 易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子

4、元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。,第一节 概 述,下午9时37分,数控技术,11,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,12,第二节 CNC装置的组成及工作原理,CNC系统框图,下午9时37分,数控技术,13,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,. CNC装置的组成,第

5、二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,14,CNC系统的硬件一般性结构 CNC装置的硬件除具有一般计算机所具有的微处理器（CPU）、存储器（ROM，RAM）、输入输出（I/O）接口外，还具有数控要求的专用接口和部件，即位置控制器、纸带阅读机接口、手动数据输入（MDI）接口和显示（CRT）接口。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,15,CNC装置的体系结构分为：单微处理机和多微处理机系统，中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。,CNC系统的硬件结构,下午9时37分,数控技术,16,CNC系统的硬件结构,优点：结构简单、系统配置灵活、扩展模块容易

6、，由于是无源总线所以造价低。 缺点：会引起“竞争”，信息传输率较低，总线一旦出现故障整个系统受影响。,下午9时37分,数控技术,17,CNC系统软件的功能性结构 本质特征: CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统， 功能特征: 其操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统的灵魂。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,18,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,19,CNC硬件、软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂 CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作。 CNC系统

7、的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,20,功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。 基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能； 选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。,第一节 概 述,三. CNC装置的功能,下午9时37分,数控技术,21,1. 控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 CNC的进给轴分类： 移动轴（X、Y、Z）和回转轴（A、B、C）； 基本轴和附加轴（U、V、W）。 联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,22,2

8、. 准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。 主要有移动、坐标设定、坐标平面选择、刀具补偿、固定循环等指令。G代码的使用有模态（续效）和非模态（一次性）两种。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,23,3. 插补功能和固定循环功能 插补功能 数控系统实现零件轮廓(平 面或空间)加工轨迹运算的功能。 固定循环功能 数控系统实现典型加 工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深 孔钻削和切螺纹等）的功能,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,24,4. 进给功能 进给速度的控制功能。 进给速度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min（inch/m

9、in）。 同步进给速度 实现切削速度和进给速度的同步，单位为 mm/r （inch/min） 。 进给倍率（进给修调率）人工实时修调预先给定的进给速度。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,25,5. 主轴功能 主轴切削速度、周向位置控制功能。 主轴转速主轴转速的控制功能，单位：r/min。 恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速 的控制功能。单位：（m/min） 主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功能。 C轴控制主轴周向任意位置控制的功能。 主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,26,6. 辅

10、助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。 用来规定主轴的起停和转向、切削液的接通和断开、刀库的起停、刀具的更换、工件的夹紧或松开。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,27,7. 刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。 刀具几何尺寸管理：管理刀具半径和长度，供刀具 补偿功能使用； 刀具寿命管理：管理时间寿命，当刀具寿命到期时 ，CNC系统将提示更换刀具； 刀具类型管理：用于标识刀库中的刀具和自动选择 加工刀具。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,28,8. 补偿功能 刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的 程序控

11、制刀具中心轨迹的功能。 传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。 非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AI、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,29,9. 人机对话功能 在CNC装置中这类功能有： 菜单结构操作界面； 零件加工程序的编辑环境； 系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,30,10. 自诊断功能 CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。 开机自诊断； 在线自诊

12、断； 离线自诊断； 远程通讯诊断。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,31,11. 通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能 RS232C接口，可传送零件加工程序， DNC接口，可实现直接数控， MAP(制造自动化协议)模块， 网卡 适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,32,四、 CNC装置软件和硬件的功能区分 合理确定CNC装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。 在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。,

13、第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,33,硬件和软件在实现各种功能时的特点： 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。 软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。 功能界面划分的准则：系统的性能价格比,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,34,数控系统功能界面的几种划分：,输 入,预处理,位置检测,插补运算,位置控制,速度控制,伺服电机,程序,硬件,硬件,硬件,硬件,硬件,软件,软件,软件,软件,软件和硬件的功能界面, ,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,35,五、 CNC装置的数据转换流程 CNC系

14、统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,36,CNC装置数据转换流程示意图,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,37,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）。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,38,. 刀补处理(计算刀具中心轨迹),刀补处理的主

15、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（Pe/Pe）坐标值。 根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,39,3. 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。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,40,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； 圆弧：总角位移量。 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： L= Ft/

16、60 （m） 式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）,L,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,41,4. 插补计算 主要功能： 计算插补周期的实际合成位移量： L1=L*修调值 分解L1 （X1、Y1） 将L1按插补的线形（直线，圆弧等）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。插补模块以系统规定的插补周期t定时运行。,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,42,5.位置控制处理,第二节 CNC装置的组成及工作原理,下午9时37分,数控技术,43,位置控制完成以下几步计算： 计算新的指令位置坐标值： X1新= X1旧+X1；Y1新= Y1旧 +Y1； 计算新