《计算机数控装置》ppt课件

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1、上次授课内容回顾： 数控机床的进给机构和数控回转工作台 本次授课内容 第五章 计算机数控装置 5.1 计算机数控装置硬件 5.2 计算机数控装置软件,第五章 计算机数控装置,5.1 计算机数控装置硬件 一. 数控系统的组成 计算机数控系统是由输入输出设备、数控装置、伺服系统、机床电器逻辑控制装置等组成。,各部分的功能： 1）输入/输出装置: 一方面将加工程序、机床参数等信息的输入；另一方面将输入内容及数控系统工作状态进行输出，供操作人员观察。 2) 数控装置：正确识别和解释加工程序，进行各种零件轮廓几何信息和命令逻辑信息的处理，并将处理结果分发给相应的单元。 3)伺服系统: 包括进给轴伺服驱动

2、装置和主轴伺服驱动装置。 进给轴伺服驱动装置主要由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令，正确驱动机床或刀具进行相应的运动。 主轴伺服驱动装置主要由速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它主要为机床提供切削动力。,4)机床电器逻辑控制装置:接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴启停、方向控制、选速功能、换刀功能、工件装卡功能、冷却、润滑、液压、气动系统功能及其它机床辅助功能。其形式是继电器控制线路或PLC形式。 机床本体 主轴单元: 接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向 速度单元: 接收CNC 的指令,控制

3、各伺服轴的动作,二.CNC装置的硬件,CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，另外一方面还有数控机床所特有功能的功能模块与接口单元。,三、 计算机数控装置硬件结构分类 （一）单微处理器结构和多微处理器结构 1、单微处理器结构的CNC装置 在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个中央处理器（CPU），所有的系统管理功能和数控功能都由一个处理器来完成。 单微处理器CNC的结构特点如下： （1）CNC装置内只有一个微处理器，对各种功能实现集中控制分时处理。 （2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。 （3）结构简单，实现容易。,2、多微处理器结构 含有两个及两个以

4、上的CPU组成的CNC，它们分别实现部分数控功能，并通过某种方式实现数据交换。 其特点是分散控制，并行处理。 根据微处理器之间的关系又分成：分布式结构、主从结构和总线式结构,（1）分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间通过外部的通信链路连接在一起，且采用通讯方式交换信息。 （2）主从结构：系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。其它是处于以从属地位的，故称之为主从结构 （3）总线式结构：一条主总线上有两个或两个以上带CPU的模

5、块部件对系统资源有控制或使用权，同时可以自由独立地使用各自的资源。通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交信息。,（二）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系列产品，维修维护方便,（三）专用计算机结构和通用计算机结构 专用型结构 CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强。 但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。 FANUC数控系统、SIEME

6、NS数控系统、美国AB系统等都属于专用型。 通用计算机结构 以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成个性化数控系统。,四、接口电路 （一）开关量输入输出接口 数控机床开关量包括开关的开闭、指示灯的亮灭、继电器/接触器的吸合与释放、电动机的启停、阀门的开闭以及脉冲、计数、定时信号等。 这些信号都可转换成逻辑高电平或低电平的形式。,（二）模拟量输入输出接口 数控机床的被测量往往是连续变化的模拟量，另外执行机构（如电动机）需要模拟量来控制。 被测模拟量经过信号处理后， （三）通信和网络接口,五、PLC(Programmable Logi

7、c Controller) 模块 1、PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、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。,机床用的PLC一般分为两类： 内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。 独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）,2、分类；,内装式：指内含在装置内，从属于装置，并与装置集于一体，内装式既可以单独使用一个，也可与共同一个。例如系统,独立式： 通用完全独立于装置，具备完备的软件和硬件，能够独立完成系统所要求的控制任务。例如： ,5.2 计算机数控装置软件 一、计

8、算机数控装置软件分析 （一）内部信息流转换过程 CNC装置系统软件的主要任务：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。,1、输入：数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据等。 2、译码 把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度F和其它辅助信息（M、S、T）按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。 在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。 译码有两种方法：（）解释；（）编译 在CNC控制软件中多数采用解释方法。 译码工作主要有： 代码识别和各项功能的

9、译码。,3.诊断 在译码过程中，需要进行数控加工程序的诊断，也就是利用控制软件检查加工程序的正确性，把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工程序找出来，通过显示器提示机床操作人员进行修改。 诊断内容主要包括数控加工程序的语法错误和逻辑错误。 语法错误主要是指某个功能代码的错误。 逻辑错误主要指一个数控机床加工程序段或整个加工程序内各个功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。,4.刀补计算 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。 刀具半径补偿，对于铣床而言，数控装置的控制对象是刀具的中心轴线的轨迹，而工件轮廓是刀具边缘切削形成的。可见，刀具半径补偿就是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。 刀具长度补偿，

10、对于铣床而言，是以主轴轴端中心点作为起刀点，以刀具离开轴端伸出的长度作为补偿值（偏置量）。, 速度处理 数控加工程序中给定的进给速度F代码是指零件切削方向的合成线速度。 速度处理实际上是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制，那么数控机床最终就得到所要求的线速度。,6.插补计算 所谓插补就是根据数控加工程序给定的零件轮廓尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。 换句话说，就是在零件轮廓起点与终点之间的曲线上进行“数据点的密化过程”。 7.位置控制 位置控制的主要任务就是根据插补结果所求得命令

11、位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其误差值去控制伺服电动机，驱动工作台或刀具朝着减小误差的方向运动。,（二）CNC装置的软件任务分析,CNC系统的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。 CNC系统的多任务性表现在它必须完成管理和控制两大任务。各种任务之间是并行处理的关系。,并行处理 是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。运用并行处理技术可以提高运算速度。 CNC装置的硬件设计普遍采用设备重复的并行处理技术，例如采用多处理器的数控装置。 CNC装置的软件设计常采用资源分时并行处理技术和多重中断的并行处理技术。,二. CNC系统软件结构类型 前后台型结构

12、模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分： 前台程序: 主要完成位置控制、插补运算、开关量控制、面板扫描和故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,2.多重中断型结构模式 这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软

13、件就是一个大的中断管理系统。,中断型结构模式的特点： 任务调度机制：抢占式优先调度。 信息交换：缓冲区。 实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。 模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。 8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,3.功能模块型软件结构 多微处理器数控装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形成特定的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块型软件结构，固化在对应的硬件功能模块中。 数控单元主要由三大模块组成：人机通信模块、数控通信模块和可编程控制器模块。,三 计算机数控装置典型软件模块 插补计

14、算 （一）插补概述 在零件的加工程序中，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，仅提供其起点和终点坐标；对于圆弧，仅提供起点、终点坐标、圆心相对于起点的位置或圆弧半径以及顺圆弧或逆圆弧，因此为了实现轨迹控制就必须在运动过程中实时地计算出满足线形和进给要求的若干中间点的位置，即进行插补运算。,插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓的起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值。每个中间点计算所需时间直接影响控制精度，而插补中间点的计算精度又影响到整个数控系统的精度，所以插补算法至关重要，插补软件是整个数控系统的核心，数控的其他任务是围绕着它进行的。,（二）插补分类 插补算法有很多，现在主要采

15、用数字脉冲增量法、数据采样法等。 数字脉冲增量插补，就是根据一定算法通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定的形状轮廓。这类算法输出是脉冲形式，并且每次仅产生一个单位的行程增量。数字脉冲增量插补又包括逐点比较法和数字积分法。 数据采样法，是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定的曲线轮廓。由于这些线段是按加工时间来进行分割的，也称为时间分割法。,（三）插补算法 1. 脉冲增量插补 脉冲增量插补也称为行程增量插补，每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量)，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。 其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直线)。,脉冲增量插补

16、的特点： 实现方法较简单，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补，容易用硬件来实现，也可用软件来完成。但这种方法进给速度低，主要用于步进电动机驱动的数控系统。,脉冲增量插补算法常用的是逐点比较法和数字积分法。 逐点比较法 逐点比较法的控制原理是：CNC系统在控制进给过程中，逐点地计算和比较进给运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差，控制进给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。,逐点比较法的精度 逐点比较法以折线来逼近直线或园弧曲线，它与给定的直线或园弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量，只要脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求。,（1）直线插补 假设加工如图所示的第一象限的直线OE，已知直线OE的起点为坐标原点，终点为E（Xe，Ye）。,图 第一象限直线插补,N=Xe+Ye,第一象限直线插补流程图,综上所述，逐点比较法直线插补过程中，每走一步要进行