{数控加工管理}21数控系统

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1、计算机数控系统 Chapter 2 Computerized NC System,1 数控装置的主要工作,输入 input 将编写好的数控加工程序输入给CNC装置。 主要方式有：纸带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的DNC接口输入。 CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作，输入的全部信息都放到CNC装置的内部存储器中。,CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的过程。下面简要说明CNC装置的工作情况。,A 程序输入,A 程序输入,B 译码,译码 decode 在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度（F代码）及其它

2、辅助功能（M、S、T）信息等，译码程序以一个程序段为单位，按一定规则将这些信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的格式存放在指定的内存区间。,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,数据处理 data processing 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。 刀具半径补偿 速度计算 辅助功能：换刀、主轴启停、切削液开关等,C 数据处理,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,插补 interpolation 插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。,D 插补运算

3、,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,D 插补运算,E 位置控制,位置控制 position control 主要任务是在每个采样周期内，将插补计算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，进而控制工作台或刀具的位移。,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,D 插补运算,E 位置控制,F I/O处理,I/O处理 主要处理CNC系统和机床之间的来往信号的输入和输出控制。,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,D 插补运算,显示 display CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有：零件程序显示、参

4、数设置、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示、刀具加工轨迹动态模拟显示以及在线编程时的图形显示等,E 位置控制,F I/O处理,G 显示,1 数控装置的主要工作,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,D 插补运算,E 位置控制,F I/O处理,G 显示,诊断 diagnosis 主要是指CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有启动诊断和在线诊断。 启动诊断 在线诊断,H 诊断,1 数控装置的主要工作,2 数控装置的功能,A 程序输入,B 译码,C 数据处理,D 插补运算,E 位置控制,F I/O处理,G 显示,H 诊断,控制功能： 控制和联动控制 准备功能： 指令机床动作方式 插补功能和固

5、定循环功能：数据密化 进给功能：进给速度的控制 主轴功能：主轴切削速度、周向位置控制 辅助功能：指令机床辅助操作 刀具管理功能：对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理 补偿功能：半径补偿和长度补偿 人机对话功能：人机交互 自诊断功能：故障预报和故障定位 通讯功能：与外界进行信息和数据交换,3 数控装置的构成,具有计算机的基本结构;,具有数控机床所特有的功能模块和接口单元。,硬件构成hardware,3 数控装置的构成,软件构成software,从本质上看，是具有实时性和多任务性的专用操作系统;,从功能特征看，,CNC管理软件：主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度。,CNC控制软件：主要完成各种控

6、制功能,3 数控装置的构成,软件和硬件在 一起构成了CNC装置的系统平台,图3-3 CNC装置的 系统平台,4 数控装置的硬件,计算机主板和系统总线,显示模块,输入输出模块,电子盘,设备辅助控制模块,位置控制模块,功能接口模块,4 数控装置的硬件,计算机主板和系统总线,计算机主板,计算机主板是CNC 装置的核心。它的主要作用：对输入到 CNC 装置中的种种数据、信息 (零件加工程序，各种 I/O 信息等 ) 进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。,早期的数控系统，它的输入、运算、插补、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组

7、成的逻辑电路实现。不同的数控机床需要设计专门的逻辑电路，可靠性差，功能和灵活性差。,小型机的采用，世界上第一台CNC系统于1970年问世，1974年美日等国便研究出了以微处理器为核心的数控系统，之后相继8位、16位、后16位、32位、64位CNC被应用。CNC具有体积小、结构紧凑、功能丰富、可靠性好等优点。,系统总线,由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据总线、地址总线、控制总线。,4 数控装置的硬件,显示模块,显示卡的主要作用：接收来自CPU 的控制命令和显示用的数据，经过 CRT 的扫描信号调制后产生 CRT 显示器所需要的视频信号，在 CRT

8、 上产生所需要的画面。它是人机交流的重要媒介。,它是 CNC 装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即 CNC 装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将 CNC 装置中的数据送给输出设备。,输入输出模块,4 数控装置的硬件,电子盘,电子盘是CNC 装置特有的存储模。计算机的存储器件有三类： 磁存储器件，如：软 / 硬磁盘； 光存储器件，如：光盘； 半导体存储器件，如 RAM 、 ROM 、FLASH 等。在 CNC 装置中，常采用电子存储器件作为外存储器。,4 数控装置的硬件,设备辅助控制模块,设备辅助控制接口模块是CNC 装置实现顺序控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、机床上的各行

9、程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,设备辅助控制接口必须完成两个任：即电平的转换和功率放大、电气隔离。,简单I/O 接口板,PLC 控制,4 数控装置的硬件,设备辅助控制模块,简单I/O 接口板,4 数控装置的硬件,设备辅助控制模块,PLC 控制,4 数控装置的硬件,位置控制模块,位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时， CNC 装置与伺服驱动系统连接的接口模块。,常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含半闭环）位置控制模块。,4 数控装置的硬件,位置控制模块,4 数控装置的硬件,位置控制模块,

10、 速度指令转换, 位置反馈脉冲回收, 速度反馈电压转换,4 数控装置的硬件,功能接口模块,该模块是实现用户特定功能要求的接口板，所有增加的功能，必须在 CNC 装置中增加相应的接口板才能实现。,5 数控装置的软件,CNC装置软件和硬件的功能界面,CNC装置的数据转换流程,CNC系统软件结构特点,CNC系统软件结构模式,5 数控装置的软件,CNC装置软件和硬件的功能界面,5 数控装置的软件,CNC装置的数据转换流程,1. 译码 用ASCII码表达加工程序，数据结构格式 2 .刀补处理 零件轮廓变换成刀具中心轨迹 3 .速度预处理 计算每个插补周期内的合成移动量 4 .插补计算 计算插补周期的实际

11、合成位移量并分解 5 .位置控制处理 进行各进给轴跟随误差的计算，调节处理，输出为位移控制指令,高,4,位,低,4,位,说明,1,3,G03,2,3,M03,100,X,值,50,Y,值,0,Z,值,0,I,值,50,J,值,0,K,值,100,F,值,1. 译码 译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。 （1） 不按字符格式的存放方法 M03 G03 X100. Y50. I0 J50. F100.；,（2） 保留字符格式的存放方法 Struct PROG_BUFFERchar buf_stat

12、e；/0：空， 1：有数据 int block_num； /程序段号 double COORD20； /尺寸字的数值，单位为m int F，S； /进给速度和主轴速度 char G_flag； /以标志形式存放的G指令 char G1； /G指令表 . char M_flag； /以标志形式存放的M指令 char M1； /M指令表 . char T； /刀具代号 char D； /刀具半径值 ；,2.刀补 刀补处理程序主要进行以下几项工作： 1 计算本段零件轮廓的终点坐标值； 2 根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置； 3 根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。

13、,3. 速度预处理 速度预处理程序主要完成以下几步计算： 1计算本程序段总位移量 2计算每个插补周期内的合成进给量 L=Ft/60（m） 式中，F 进给速度值（mm/min）； t 数控系统的插补周期（ms）。,恒速控制： F值恒定 加减速控制：F值按照一定 规律变化,4. 插补处理 1 根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量； 2 计算新的坐标位置； 3 将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。 插补程序的实时性,5.位置控制,位置控制算法原理,（1） 计算新的指令坐标位置 X2新 = X2旧 + x2 Y2新 = Y2旧 + y2 （2） 计算实际坐标位置 X1

14、新 = X1旧 + x1 Y1新 = Y1旧 + y1 （3） 计算位置控制输出值 x3 = X2新 - X1新 y3 = Y2新 Y1新 位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。,5 数控装置的软件,CNC系统软件结构特点,1. 多任务性与并行处理技术 CNC 控制要求的多任务性控制 基于并行处理的多任务调度技术 资源分时共享（对单一资源的系统） 并发处理和流水处理（对多资源的系统） 2. 实时性和优先抢占调度机制 实时性任务的分类 优先抢占调度机制,（2）多任务并行处理的实现 1） 资源分时共享,分时共享

15、多任务处理方案,位置控制 插补运算 背景程序,各任务占用CPU时间示意图,0ms 4ms 8ms 12ms 16ms,2） 时间重叠流水处理,资源重叠流水处理示意图,5 数控装置的软件,CNC系统软件结构模式,所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交机换制、以及系统集成方法等。结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足 CNC 系统的各种控制要求。,1 . 前后台型结构模式 2 . 中断型结构模式 3 . 基于实时操作系统的结构模式,数控软件的基本结构 1. 前后台型结构模式,前后台程序的运行关系,2. 中断型结构模式 中断型结构的数控软件系统。,Summary,数控系统的功能,数控系统的组成,硬件模块结构,软件模块结构,Any questions？,