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1、第3章 计算机数控系统,3.1 概述 3.2 计算机数字控制装置的硬件结构 3.3 计算机数字控制装置的软件结构 3.4 CNC装置的插补原理 3.5 刀具半径补偿原理,3.1 概 述,计算机数控（Computerized numerical control,简称CNC） 计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。,核心,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，共同实现各种数控功能.,3.2 计算机数字控制装置的硬件结构,一、CNC装置的组成,硬件是基础，软件是灵魂,CNC系统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
2、协调运动的自动控制系统。,CNC装置的硬件结构 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。,图3-1 CNC系统硬件的层次结构,PLC,操作系统,管理软件,控制软件,零,件,程,序,管,理,显,示,处,理,人,机,交,互,位,置,控,制,输,入,输,出,管,理,插,补,运,算,故,障,诊,断,处,理,速,度,处,理,机,床,输,入,输,出,编,译,处,理,主,轴,控,制,刀,具,半,径,补,偿,.,.,2、CNC装置的软件结构,软硬件功能界面划分的准则：系统的性能价格比,硬件处理速度快；软件设计灵活,具有灵活性和通用性 数控功能丰富 可靠性高、使用维护方便 易于实现机电一体化,二. CN
3、C装置的特点,指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必备功能。 选择功能用户可根据实际要求选择的功能。,CNC装置的功能,控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 2、准备功能（G功能） 指令机床动作方式的功能。 3、插补功能 数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。 4、进给功能 进给速度的控制功能。 5、 主轴功能 数控系统的主轴的控制功能。 辅助功能（M功能） 用于指令机床辅助操作的功能。,基本功能,刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。 8. 字符图形显示功能 9. 自诊断功能,基本功能,1.固定循环功能 是数控系统实现典型加工循环（如：
4、钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能,选择功能,2.补偿功能 3.人机对话功能 4.通讯功能,四、CNC系统的工作过程,信息输入,译码,刀具补偿,加工速度处理,插补,位置控制,I/O处理,显示,诊断,单机系统 整个CNC装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种NC功能。,五、CNC装置的单机系统和多机系统 按硬件含有CPU的多少来分,主从结构：系统中只有一个主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。 多主结构：系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统
5、资源有控制或使用权。有集中的操作系统，通过仲裁器来解决总线争用问题，通过共公存储器进行交换信息。 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。采用通讯方式交换信息。 如FANUC SIEMENS 等多机系统。 特点：“四高”,高速、高精、高效、高可靠性,多机系统: 整个CNC装置中有两个或两个以上CPU,图3-7 多微处理器共享总线结构,六、开放式数控系统,IEEE(国际电气电子工程师协会) 的定义: “符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上,可以与其它的系统应用互操作,并且具有一致风格的用户交互界面”。,三种层次的开放： CNC系统的开放、用户
6、操作界面的开放、CNC内核开放,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。,一、CNC装置软件的主要任务,3.3 计算机数字控制装置的软件结构,CNC装置数据转换流程示意图,CNC装置的数据转换流程,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。,刀补处理(计算刀具中心轨迹),位置控制处理,位置控制完成以下几步计算： 计算新的位置指令坐标值： X1新= X1旧+X1；Y1新= Y1旧
7、 +Y1； 计算新的位置实际坐标值： X2新= X2旧+X2；Y2新= Y2旧 +Y2 计算跟随误差(指令位置值 实际位置值)： X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； 计算速度指令值： VX=f（X3）； VY=f（Y3）,二、CNC装置的软件结构,1.前后台型结构,后台程序,PLC控制,监控和急停,前台程序,图3-16 前后台型软件结构中的信息流,背景程序结构,中断型软件系统结构图,2.中断型结构,中断程序的优先级及其功能,3.4 CNC装置的插补原理,一、 插补的概念 插补(Interpolation)原理：根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一
8、些中间点的方法,插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种算法。,插补功能是轮廓控制系统的本质特征。,插补方法的分类及各自特点：,脉冲增量插补特点： 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） 脉冲增量插补的实现方法较简单 插补速度较低、精度较低，适合开环系统,脉冲增量插补常用的算法： 逐点比较法；数字积分法（DDA）,分类： 脉冲增量插补(行程标量插补) + 数字增量插补(时间标量插补),数字增量插补特点及方法,特点： 插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。 数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复
9、杂。 主要应用于闭环和半闭环的控制系统。,插补方法： 数字积分法(DDA)、二阶近似DDA插补法、双DDA插补法等。,二、逐点比较法,CNC系统在控制过程中，能逐点地计算和判别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扰，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。,逐点比较法加工直线的原理（象限过原点直线为例）,Fi0 在直线上方，+X向输出一步; Fi0 在直线上， +X向输出一步; Fi0 在直线下方，+Y向输出一步,偏差函数: Fi = Xe Yi - Ye Xi,实际轨迹,理想轨迹, ,逐点比较法直线插补的计算步骤：,偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别,Fi0， +X向输出
10、一步;,Fi0， +Y向输出一步,判断xixe?且yiye? 判断n=xe+ye?,图 3-22 第一象限逐点比较法 直线插补的运算流程,例1 设象限直线段OA，A（5，3），写出插补计算步骤； 并绘出插补轨迹。,解：总步数=xe+ye=8,插补轨迹,A（5，3）,O,Y,X,3,5,推广：,对不同象限的直线插补，由于其终点坐标和加工坐标均取绝对值，偏差函数F计算与第一象限相同。只是坐标进给方向视具体象限而定。,Fi0 在圆外， -X向输出一步 Fi0 在圆上， -X向输出一步 Fi0 在圆内， +Y向输出一步,逐点比较法加工圆弧的原理（ 象限圆心过原点的逆圆为例）,圆弧: Fi = Xi2
11、+Yi2 R2,(XA，YA),(Xe，Ye),偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算,Fi0，-X向输出一步,Fi0，+Y向输出一步,终点判别,判断xixe?且yiye? 判断n=xe-xA+ye-yA?,图3-26 逐点比较法圆弧插补流程,F,例2,设象限逆时针圆弧AB，A（5，1），B（1，5），圆心为（0，0）。写出插补计算的步骤；并绘出插补轨迹。,解：总步数=5-1+1-5=8,序号 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判别 0 X0=5,Y0=1 =8 F0=0 -X F1=F0-2X0+1=-9 X1=4,Y1=1 =8-1=7 F10 -X F5=F4-2X4+1=-1
12、 X5=3,Y5=4 =3 F50 -X F7=F6-2X6+1=3 X7=2,Y7=5 =1 F70 -X F8=F7-2X7+1=0 X8=1,Y8=5 =0,插补轨迹,A（5，1）,O,Y,X,5,5,B（1，5）,思考：象限顺时针圆弧插补,推导偏差函数计算式。,推广：对不同象限的圆弧插补，遵循： 圆外圆内圆外 插补第一步要向圆心靠拢！,设象限顺时针圆弧AB，A（-7，1），B（-5，5），圆心为（0，0） 。采用逐点比较法进行插补。要求： （1）给出偏差函数计算式； （2）写出插补计算步骤； （3）绘出插补轨迹。,作业：,三、数字积分法（DDA ，Digital Differentia
13、l Analyzer ）,三、数字积分法（DDA ，Digital Differential Analyzer ）,k,k,N位累加器的最大存数为2N1，当累加数等于或大于2N时，便发生溢出、而余数仍存放在累加器中: 积分值溢出脉冲数+余数,终点判别的两种方法：,N,程序框图,DDA直线插补举例,设第一象限直线OA，A(10，6)，写出插补计算过程，并绘出插补轨迹.n=4,(2)DDA圆弧插补,(Xi，Yi),动点坐标,终点判别,J,J,J Y,J X,程序框图,对于第一象限逆时针圆弧，两端点为A(5，0)和B(0，5)，采用逆圆插补(n=3)。要求有计算过程，并绘出插补轨迹。,DDA圆弧插补
14、举例,t JY(xi) J Y y Jx(yi) J x x 0 101 0 0 0 0 0 1 101 101 0 0 0 0 2 101 010 1 001 0 0 3 101 111 0 001 001 0 4 101 100 1 010 010 0 5 101 001 1 011 100 0 6 101 110 0 011 111 0 7 100 011 1 100 010 1 8 100 111 0 100 110 0 9 011 011 1 101 010 1 10 停止 101 111 0 11 101 100 1 12 101 001 1 13 101 110 0 14 101 011 1,计算过程,插补轨迹,其它象限的顺圆、逆圆的DDA插补计算过程与第一象限逆圆插补基本一致，不同点在于控制各坐标轴的x 、
