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1、第2章 数控机床控制系统,2.1 数控系统概述,2.2 CNC系统的构成及工作原理,2.3 数控系统的插补原理,2.4 数控系统的可编程控制器（PLC）,2.5 数控机床常用的数控系统,数控系统： 将利用数控技术进行信息处理并用以控制机床完成机床动作和零件加工过程的系统称为数控系统。,2.1 数控系统概述,2.1.1 数控系统的发展历程,2.1.2 数控系统的发展趋势,1. 向高速高精度方向发展,2. 向多轴联动和功能复合方向发展,3. 智能化,4. 提高可靠性,5. 小型化,6. 向网络化方向发展,7. 向开放式系统发展,8. 重视标准化工作,2.1.3 数控系统的分类,1. 按照所用进给伺
2、服系统的类型分类,1）开环数控系统,经济型数控机床一般都采用开环数控系统。,2）闭环数控系统,全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示,半闭环数控系统的位置采样点如图的实线所示,3）半闭环数控系统,2. 按照刀具的运动轨迹分类,1)点位控制数控系统,2）直线切削数控系统,3）轮廓控制数控系统,3. 按功能水平分类,1）高级型数控系统,2)普及型数控系统,3)经济型数控系统,2.1.4 数控系统主要技术指标,(1)控制轴数和联动轴数 (2)插补功能 (3) 脉冲当量（分辨率)、定位精度和重复精度 (4)行程和插补范围 (5) 主轴转速、进给速度 (6)准备功能(G功能) (7)辅助功能(M功能）
3、 (8)刀具管理和刀具补偿 (9)自动加减速控制 (10)机床顺序控制接口 (11)字符图形显示功能 (12)通信与通信协议 (13)自诊断功能,2.2 CNC系统的构成及工作原理,2.2.1 数控系统的组成,1.微机部分,2.速度控制单元和位置检测单元,3.机床逻辑控制部分,4.机床控制I/O接口,5.外部设备,6.程序即软件,2.2.2 数控系统的硬件结构,1.根据组成CNC系统的电路板常见的结构特点来分： 大板式结构和模块化结构,1）大板式结构。主CPU和各轴的位置控制电路集成到一块大的印刷电路板上 ，如图2-4所示。,大板式结构的特点是：结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能
4、/价格比，也便于机床的一体化设计。缺点是硬件功能不易变动，不利于组织生产。,2）模块化结构,模块化结构就是将微处理机、存储器、输入输出控制分别做成插件板或将微处理机、存储器、输入、输出控制组成独立微计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。,每一个硬软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。,模块化结构的特点是：其是一种基于总线的开放性系统，CNC系统可以如堆积木式地组成，设计简单，柔性好，有良好的适应性和扩展性，试制周期短、调整维护方便、效率高。,2.根据所采用的处理器结构形式分为单处理器结构和多处理器结构,1）单处理器结构,（1）微处理器。微处理器CPU是CNC装置
5、的核心。,（2）总线。总线是由赋予了一定信号意义的一组物理导线。按信号的物理意义，可分为数据总线、地址总线、控制总线三组。,（3）存储器。存储器的作用是用于存放数据、参数和程序等。,（4）MDI/CRT接口。,（6）可编程控制器。替代传统机床强电继电器逻辑控制，利用逻辑运算实现各种开关量的控制。,（5）位置控制模块。,（7）I/O (输入/输出)接口,（8）通信接口。,需要注意的是，某些CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，与其他微处理器组成主从结构，故它们也归于单微处理器结构中，,单微处理器CNC的结构特点： （1）CNC装置内只有一个主微处理器，对信息
6、存储、插补运算、I/O控制、CRT显示等功能的实行集中控制分时处理的原则 ；,（2）微处理器与存储器、I/O等接口电路相连是 通过总线进行连接的。,（3）结构简单，实现容易。,（4）CNC装置一般是专用型的，不具备通用性。,2）多处理器结构,该种结构的CNC装置中有两个或两个以上的微处理器，且各微处理器之间互不隶属。多微处理器结构的CNC装置多为模块化结构，通常采用共享总线和共享存储器两种典型结构实现模块间的互联与通信,微处理器CNC装置的基本功能模块一般由六种功能模块组成，通过增加相应的功能模块，可实现一些特殊功能。这六种基本功能模块为：,（1）CNC管理模块。,（2）CNC插补模块。,（3
7、）位置控制模块。,（4）PLC模块。,（5）操作面板监控和显示模块。,（6）存储器模块。,多微处理器的结构特点：采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性；可靠性高；硬件易于组织规模生产；性能价格比高。,2.2.3 数控系统的软件构成,管理软件：零件程序的输入、CNC输出、显示、诊断和通信功能软件,控制软件：译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等,1.输入程序。其功能有两个： 一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器 输入到零件程序存储器； 二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。,2.译码程序 译码也就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字
8、码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。,3.预处理程序。 预处理程序有三个任务，即刀具半径补偿，速度计算（即根据合成速度算出各轴的分速度）以及辅助功能的处理等。,4.插补程序 插补计算是CNC系统中最重要的计算工作之一。,5.位置（伺服）控制软件位置（伺服）控制软件的主要功能是对插补值进行处理（取全值或取其半值），计算出位置的命令值，同时读一次实际的反馈值，然后对命令值与反馈值间进行比较，从而得出的差值，进而在对运动部件的速度进行控制。,6输出程序 其功能主要是：进行位置伺服控制。M，S，T辅助功能的输出；进行丝杠螺距误差补偿；反向间隙补偿处理 。,7管理程
9、序 管理程序主要为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行调度。,8.诊断程序 完善的诊断程序可以迅速查明故障的类型和部位，减少故障停机时间,总之，CNC系统由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境。,2.2.4 计算机数字控制装置的工作原理,2.3 数控系统的插补原理,2.3.1插补的概念、任务及分类,1.插补的定义 数控机床在加工曲线时，对其起点和终点之间，按照一定的方法用折线轨迹逼近、拟合所要加工的曲线，并进行计算出中间点位置的坐标值，给出相应的位移量，使其实际轨迹和理论轨迹之间的误差小于一个脉冲当量，这个过程称为插补。,数控系统中完成插补工作的装置称为插补器，
10、根据结构不同分为硬件插补器和软件插补器。,2.插补的任务 插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。,由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到CNC系统的控制精度，故插补算法是整个数控系统的核心。,3. 插补的分类,根据数控系统输出到伺服驱动装置的信号的不同，插补方法可归纳为基准脉冲插补和数据采样插补两种类型。,1）基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是： 数控装置在插补结束时向各个运动坐标轴输出一个基准脉冲序列，驱动各坐标轴进给电机的运动。,每个脉冲使各坐标轴仅产生一个脉冲当量的增量，代表了
11、刀具或工件的最小位移；,脉冲的数量代表了刀具或工件移动的位移量；,脉冲序列的频率代表了刀具或工件运动的速度。,基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、 比较积分法、数字脉冲 乘法器法、最小偏差法、矢量判别法、 单步追踪法、直接函数法等。其中应用较多的是逐点比较法和 数字积分法。,2)数据采样插补又称数字增量插补。其特点是： 数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字,插补运算分两步完成，第一步是粗插补，第二步为精插补。 粗插补是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期T，将轮廓曲线分割为若干条长度为轮廓步长的微小直线段L，用这若干条微小直线段来逼近给定曲
12、线。因此有L=FT（F为进给速度）。,精插补是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做数据点的密化工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。,数据采样插补的方法也很多，有直线函数法、扩展数字积分法、二阶递归扩展 数字积分法、双数字积分插补法等。其中应用较多的是直线函数法和扩展数字积分法。,2.3.2 逐点比较法,逐点比较法又称为区域判别法、代数运算法或醉步式近似法，是开环系统中广泛采用的一种插补方法，可实现直线插补、圆弧插补。,其原理是：计算机在控制加工过程中，每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，控制该坐标轴进给一步，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与理论的加工轨迹相比较，从而控制下一步的坐标进给方
13、向，按规定图形加工出所需工件。其进给是步进式的，每走一步要完成四个节拍：,（1）偏差判别,（2）坐标进给,（3）新偏差计算,（4）终点判别,1. 逐点比较法直线插补原理,1）逐点比较法第一象限内的直线插补,设在XOY平面的第一象限有一加工直线OE，如图2-8所示,则该直线方程为： Xey-xYe=0 （2-1）,对于该直线附近任意动点P（Xi，Yi） 若P位于该加工直线上，XeYi XiYe=0；,若P位于该直线上方， XeYi XiYe0；,若P位于该直线下方， XeYi XiYe0。,Fi =XeYi XiYe （2-2）,由此，为了判别加工动点与直线的偏离关系，可取偏差判别函数 Fi为,
14、（1）偏差判别。根据计算出动点Pi的偏差值Fi，判别Pi与给定直线的关系。则有：,当Fi=0时，加工动点在给定直线上； 当Fi0时，加工动点在给定直线上方； 当 Fi0时，加工动点在给定直线下方。,（2）坐标进给。原则：坐标进给是向使偏差缩小的方向。根据这个原则 ，就有：,当Fi0时，在X的正向进给一步，使点接近直线OE； 当Fi0时处理。,（3）新偏差计算。坐标轴进给一步后，加工动点由Pi移动到Pi+1后，还要对新动点Pi+1的新偏差进行计算。,在新偏差计算中，通常采用递推公式来进行，即设法找出相邻两个加工动点偏差值间的关系，每进给一步后，新加工动点的偏差可用前一加工动点的偏差推算出来。而起
15、点是给定直线上的点，即F0=0。,当F0时，加工动点向+x方向进给一步，即加工动点由Pi沿+x方向移动到Pi+1，而新加工动点P的偏差Fi+1为 Fi+1 =Xeyi+1-Yexi+1 而 xi+1=xi+1, yi+1=yi 故,Fi+1=Xeyi+1-Yexi+1=Xeyi-Ye(xi+1) = Xeyi- Yexi-Ye = Fi- Ye （2-3） 当Fi0时，加工动点向+y方向进给一步，同理可得 Fi+1= Fi+Xe （2-4）,（4）终点判别 终点判别的方法有两种,a.根据X、Y两向坐标所要走的总步数来判断。 令=（|Xe-X0|）+（|Ye-Y0|）=|Xe|+|Ye| 机床每
16、走一步， 就进行一次= -1运算。若=0则进给停止插补；若0，则继续插补，直到=0则插补结束。,b.根据|Xe|、|Ye| 中的最大值。 令=max|Xe|,|Ye|，则机床沿最大值的坐标轴方向每走一步，就进行一次= -1运算，直到=0则插补结束。,【例2-1】写出起点（0，0），终点（6，4）的直线段的逐点比较法插补计算过程(脉冲当量为1mm)。,解：用第一种终点判别方法，则有：=6+4=10 又因为终点的坐标为（6，4），即该直线位于第一象限，故按第一象限进行插补运算。其运算过程见表2-1，走步轨迹图见2-9。,表2-1 例2-1的插补运算表,2）其他象限内的直线插补。以上仅讨论了逐点比较法插补第一象限直线的原理和计算公式，插补其他象限的直线时，其插补计算公式和脉冲进给方向是
