第三章现代数控系统电子教案

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1、第三章 现代数控系统,3.1 一般概念,一、计算机数控系统概述,从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置(轨迹)、速度(还包括电流)控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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。,3.1 一般概念,（一）、CNC系统的工作过程,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。它们二者是相互支持，不可分割的，CNC的工作是在硬件的支持下，由软件来实现部分或大部分数控功能 1、输入 2、译码 3、数据处理：刀具半径补偿、速度计算、辅助功能计算 4、插补 5、位置控制

2、6、I/O处理 7、显示控制 8、诊断,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能 基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能； 选择功能用户可根据实际要求选择的功能。 1、对轴数的控制功能 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,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,5、进给功能 (F功能 ) 进给功能 进给速度的控制功能. 进给速

3、度 控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min. 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. 快速进给速度 一般为进给速度的最高速度，它通过参数设定，用G00指令执行快速. 进给倍率(进给修调率)人工实时修调预先给定的进给速度,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,6、主轴的转速功能 主轴功能 数控系统的主轴的控制功能. 主轴转速主轴转速的控制功能，单位为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. 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.,3.1 一般概念,

4、（二）、CNC系统的功能,7、刀具功能及工作台分度功能 刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能. 刀具几何尺寸(半径和长度)，供刀具补偿功能使用； 刀具寿命是指时间寿命，当刀具寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具； CNC系统都具号(T)管理功能，用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具 8、辅助功能(M功能 ) 辅助功能(M功能) 用于指令机床辅助操作的功能. 如：主轴起停，主轴转向，切削液的开关或刀库的起停,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,9、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

5、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.,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,10、字符和图形显示功能 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. 11、自诊断功能 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；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断,3.1 一般概念,（二）、CNC系统的功能,12、输入、输出和通信功能 通讯功能 CNC与外界进行信息

6、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. 13、程序编制功能 手工编程 背景(后台)编程 自动编程 利用CAM系统，可以在线完成和修改零件的三维模型图设计，并可以通过网络直接传给机床进行加工.,3.1 一般概念,（三）、CNC系统的组成,计算机数控系统（简称 CNC 系统）由输入/输出装置、CNC 装置、可编程控制器（ PLC ）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。,3.1 一般概念,二、CNC装置的硬件,硬件由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口、MDI

7、/CRT接口、位置控制等部分组成。 1、单微处理器结构 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。 2、多微处理器结构 在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口,每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。,3.1 一般概念,二、CNC装置的硬件,共享存储器结构 在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据，地址，控制线，以供端口访问.由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题.当微处理器数量增多时，往往会由于争用共

8、享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率 共享总线结构 在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能,3.1 一般概念,二、CNC装置的硬件,3.1 一般概念,三、CNC装置的软件,1、CNC装置的软件组成 CNC装置的软件是为了实现CNC系统的各项功能而编制的专用软件，称为系统软件。 系统软件主要由管理软件和控制软件两部分组成。 管理软件：管理零件程序的输入、输出及I/O接口信息处理，管理各类通信外设的连接与信息传递，显示零件程序、刀具位置、系统参数、机床状态及报警，诊断CNC装置是否正常并检查出

9、现故障的原因。 控制软件：预处理、 插补计算、 位置控制等组成。,3.1 一般概念,三、CNC装置的软件,2、结构形式 数控装置为了在同一时刻或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，需要对系统软件的各功能模块实现多任务并行处理。常采用资源分时共享和资源重叠流水技术。 （1）前后台型软件结构 （2）中断型软件结构,3.1 一般概念,四、CNC系统的特点,1、高效 要求数控系统有较高的工作速度，能迅速进行复杂信息、数据的处理与计算，以适应数控加工高效要求。 2、稳定性 数控系统应有稳定的工作过程，使数据处理、运算正确无误，从而保证数控加工正常而高精度。 3、可靠性 数控系统的工作应有高的

10、可靠性，使其长时期连续工作而不出现故障。 4、开放性 数控系统应具有良好开放性，使其功能的修改、扩充、适应性，即功能的开发与升级能方便地实现。,3.2 软件插补方法,一、概述,插补工作可由硬件逻辑电路或执行软件程序来完成，在CNC系统中，插补工作一般由软件完成，软件插补结构简单、灵活易变、可靠性好。 目前普遍应用的两类插补方法为基准脉冲插补和数据采样插补。 （一）基准脉冲插补 基准脉冲插补又称脉冲增量插补，这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，也叫脉冲当量

11、，脉冲当量是脉冲分配的基本单位。,3.2 软件插补方法,一、概述,（二）数据采样插补 数据采样插补又称时间增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。 插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作，为了提高计算速度，缩短计算时间，按以下三种结构方式进行改进。 采用软/硬件结合的两级插补方案。 采用多CPU的分布式处理方案。 采用单台高性能微型计算机方案。,3.2 软件插补方法,数据采样插补是根据程编进给速度F，补进将给定轮廓曲线按插

12、补周期T（某一单位时间间隔）分割为插给段（轮廓步长 L） ， L=FT，即用一系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出下一个插补点，即算出插补周期内各坐标轴的进给量，如等，得出下一个插补点的指令位置。 插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选得小一些。CNC系统在进行轮廓插补控制时，除完成插补计算外，数控装置还必须处理一些其它任务，如显示、监控、位置采样及控制等。,二、数据采样插补法,3.2 软件插补方法,因此，插补周期应大于插补运算时间和其它实时任务所需时间之和。插补周期大约在4ms20ms左右。 采样是指由时间上连续信号取出不连续信号，对时间

13、上连续的信号进行采样，就是通过一个采样开关K（这个开关K每隔一定的周期TC闭合一次）后，在采样开关的输出端形成一连串的脉冲信号。这种把时间上连续的信号转变成时间上离散的脉冲系列的过程称为采样过程，周期TC叫采样周期。 计算机定时对坐标的实际位置进行采样，采样数据与指令位置进行比较，得出位置误差用来控制电动机，使实际位置跟随指令位置。对于给定的某个数控系统，插补周期T和采样周期TC是固定的，通常TTC，一般要求T是TC的整数倍。,二、数据采样插补法,3.2 软件插补方法,1、数据采样直线插补法 加工直线OE，起点为原点，终点为E（xe，ye），动点坐标为Pi（xi，yi），合成进给速度为F，插补

14、周期为T 在一个插补周期内，进给步长 L=FT，根据几何关系，求的插补周期内各坐标的位置增量为：,二、数据采样插补法,3.2 软件插补方法,1、数据采样直线插补法 从而可以求出下一个动点Pi+1的坐标值：,二、数据采样插补法,3.2 软件插补方法,2、数据采样圆弧插补法 数据采样圆弧插补方法的基本方法是在满足精度要求的前提下，用直线进给代替圆弧进给，即用直线逼近圆弧。 圆弧SE为第一象限逆时针圆弧，设Pi（xi，yi）， Pi+1（xi+1，yi+1），是圆弧上相邻的两个插补点,二、数据采样插补法,其弦长为L，所对应的圆心角（插补的步距角）为，若要求的进给速度为F，插补周期为T，圆弧半径为R，

15、则,3.2 软件插补方法,设插补点Pi（xi，yi）对应的极角为i ， Pi+1（xi+1，yi+1），对应的极角为i+1= i + ，则Pi ，Pi+1的坐标为,二、数据采样插补法, 很小时，,3.2 软件插补方法,（1）一阶逼近插补,二、数据采样插补法,取一阶泰勒级数，,带入前式得：,3.2 软件插补方法,（2）二阶逼近插补,二、数据采样插补法,取二阶泰勒级数，,带入前式得：,3.2 软件插补方法,3、终点判断 利用动点（xi，yi）与该零件轮廓段终点（xe，ye）之间的距离Si进行判断是否到达终点。,二、数据采样插补法,3.2 软件插补方法,1、粗插补：指的是数据采样插补。 2、精插补：

16、指的是对于经过粗插补获得的微小直线段进行细化， 即在粗插补的相邻两个插补点之间再插入一些中间点， 使轮廓误差减少。,三、粗插补与精插补,3.3 刀具补偿原理,刀具,轮廓,刀具中心,r,r,3.3 刀具补偿原理,刀具补偿一般分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。 刀具补偿的有关参数，如刀具半径、刀具长度、刀具中心的偏移量等是首先经过测量，然后将测量结果存入CNC系统参数项中的刀具补偿表中。编程人员在进行编制零件的加工程序时， 根据需要调用不同的刀具号和补偿号来满足不同的刀具补偿要求。,3.3 刀具补偿原理,使用圆弧刀具或铣刀加工零件时，按刀具中心轨迹编程，需大量的数学换算，工作量大且困难。并且在加工过程中刀具的磨损及更换、零件的粗精加工均会改变刀具中心轨迹，故数控系统应具备刀具半径补偿功能（即使用具有一定刀具半径的刀具加工零件的过程中，使刀具中心偏移零件轮廓一个刀具半径）。 刀具半径补偿的补偿值，一般是由数控机床调整人员，根据加工需要，选择或刃磨好所需刀具，测量出每一把刀具的半径值，通过数控机床的操作面板，在MDI方式下，把半径值输入刀具参数中，编程人员在编制程序时，调用对应的参数即可获得刀具