第二章 数控系统

第第2章章数数控控系系统统2.1CNC装置装置lCNC（Computer Numerical Control的缩写）即计算机数控。CNC是在早期硬件数控系统的基础上发展起来的。早期的硬件数控（NC）系统的输入、运算、插补、控制功能是由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑控制电路，不同机床的控制系统都需要专门设计逻辑电路，这种靠硬件逻辑电路控制的系统，其通用性、灵活性、功能性方面都较差。2.1.1CNC装置的结构装置的结构l1.CNC系统及CNC装置 1）CNC装置 2）输入输出装置 3）主轴驱动和进给伺服系统2.1.1CNC装置的结构装置的结构 1）控制功能 2）准备功能 3）插补功能和固定循环功能 4）进给功能、进给速度的控制功能 5）主轴功能 6）辅助功能 7）刀具管理功能 8）补偿功能 9）人机对话功能 10）自诊断功能 11）通讯功能 2.CNC装置的功能2.1.1CNC装置的结构装置的结构2.1.2CNC装置的工作过程装置的工作过程 机床数控系统是一种位置控制系统。数控机床的任务是依照操作者的意愿完成所要加工零件。操作者根据被加工零件的尺寸要求、外形要求、表面指令要求编制零件加工程序。CNC在工作过程中完成以下的任务在工作过程中完成以下的任务l1.加工程序的输入l2.数据的译码和计算l3.刀具补偿计算l4.插补计算l5.位置控制处理2.1.3CNC装置的特点装置的特点l1.灵活性l2.通用性l3.可靠性l4.易于实现许多复杂的功能l5.使用维修方便2.2CNC系统硬件系统硬件l2.2.1CNC系统硬件结构与分类 l1CNC系统的结构 随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。l2CNC 系统的分类 从 CNC 系统使用的微机及结构来分，CNC 系统的硬件结构一般分为单一微处理器和多微处理器结构两大类。2.2CNC系统硬件系统硬件l2.2.2 CNC系统中的微处理器 1单微处理器系统的组成和特点 单微处理器系统的CNC装置的特点是整个CNC装置中只有一个CPU，通过该CPU来集中管理和控制整个系统的资源（包括存储器、总线），并通过分时处理的方法，实现各种数控功能。有些CNC装置中，虽然有两个或两个以上的CPU，但只有一个CPU对系统的资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU，其它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令和数据，或向主CPU发请求信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，该结构称为主从结构，也可归为单机结构。3存储器存储器图2-6半导体存储器的分类4I/O接口（输入接口（输入/输出接口）输出接口）二、多微处理器系统的组成二、多微处理器系统的组成l多微处理器系统的CNC装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件可对系统资源（存储器、总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结构和分布式结构。多主结构是指带CPU的功能部件之间采用紧耦合方式联结，有集中的操作系统用总线仲裁器解决总线争用通过公共存储器交换系统信息。1多微处理器系统特点多微处理器系统特点l（1）计算处理速度高 l（2）可靠性高l（3）有良好的适应性和扩展性l（4）硬件易于组织规模生产2.多微处理器系统的基本功能模块多微处理器系统的基本功能模块l（1)CNC管理模块 l（2）存储器模块l（3）CNC插补模块 l（4）位置控制模块l（5）操作和控制数据输入输出和显示模块l（6）PLC模块3多微处理机多微处理机CNC装置的典型结构装置的典型结构l（1）共享总线结构l（2）共享存储器结构 2.3.1CNC系统软件结构与分类系统软件结构与分类l一、CNC系统软硬件组合类型l1不用软件插补器，插补完全由硬件完成的CNC系统；l2由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器完成精插补的CNC系统；l3带有完全用软件实施的插补器的CNC系统。二、二、CNC装置软件结构的特点装置软件结构的特点l1多任务并行处理 (1)CNC系统的多任务性 (2)并行处理 l2实时中断处理 （1）实时性 （2）CNC装置的中断类型 （3）CNC装置中断结构模式 2.3.2CNC系统软件的功能特点系统软件的功能特点lCNC系统软件的功能l1、输入l2、译码l3、预计算l4、插补计算l5、输出l6、管理与诊断软件2.4数控插补原理数控插补原理l2.4.1数控插补原理 1插补的概念 在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。2.插补分类插补分类 1）基准脉冲插补 2）数据采样插补 （1）采用软/硬件结合的两级插补方案。（2）采用多CPU的分布式处理方案。（3）采用单台高性能微型计算机方案。2.4.2数控插补方法数控插补方法（逐点（逐点.积分积分.采样）采样）l一、逐点比较插补法 所谓逐点比较插补法，就是机床每走到一个坐标位置，都要和给定的轨迹上的坐标值比较一次，看实际加工点在给定轨迹的什么位置，判断其偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧的。最大偏差不超过一个脉冲当量，因此，只要把脉冲当量控制的足够小，就能达到加工精度的要求。（一）逐点比较法直线插补（一）逐点比较法直线插补l1偏差计算公式 偏差计算是逐点比较法关键的一步。下面以第象限直线为例导出其偏差计算公式。图2-33直线插补过程l如图2-33所示动点与直线位置关系。第一象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为XeYYeX0(2-1)直线OE为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。（1）若P1点在直线上方，则有：XeYXYe0（2）若P点在直线上，则有：XeYXYe0（3）若P2点在直线下方，则有：XeYXYe0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向X向进给。当 F0的情况一同考虑。插补工作从起点开始，走一步，算一步,判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时，停止插补。下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Pi(Xi，Yi)的Fi值为：l若Fi0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上，应沿X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi,新点偏差为：l即：(2-3)l若Fi0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE的下方，应向Y方向进给一步，新点坐标值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi,Yi+1Yi1，新点的偏差为：即：(2-4)2终点判断终点判断l 在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常用终点判别方法有两种，一种是设置一个长度计数器，从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给步数总和 Xe Ye，当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即0时，停止插补，到达终点。另一种是如果在两个轴上的插补数不一样多，则将插补步数较大的周设为计数轴，步数值设为计数长度，当在技术轴上每进给一步计数长度减一，当0时，停止插补，到达终点。3插补计算过程插补计算过程l1）偏差判别根据偏差值确定刀具位置是在直线的上方（或线上），还是在直线的下方。l（2）坐标进给根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。l（3）偏差计算计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据。根据式（2-3）及式（2-4）来计算新加工点的偏差，使运算大大简化。但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差推算出来的，并且一直递推下去，这样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点，这一点当然没有偏差，所以开始加工点的F0。l（4）终点判别在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。逐点比较法直线插补流程逐点比较法直线插补流程例例2-1加工第一象限直线加工第一象限直线OE，如图，如图2-35所示，起所示，起点为坐标原点点为坐标原点O(0,0)，终点坐标为，终点坐标为E（5,3）。）。图2-35直线插补轨迹过程实例l初始点O(0,0)，终点（5,3），应用递推公式（2-3）、（2-4）进行偏差计算。l终点判断：Xe Ye=5+3=8，插补需要七个循环。直线插补运算过程直线插补运算过程插补循环偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0,XA=5,YA=3=0,N=81F0=0+F1=F0YA=03=0+1=1N2F1=30+F2=F1+XA=-3+5=2=1+1=20+XF3=F2YA=23=1=2+1=3N4F3=10+YF4=F3+XA=1+5=4=3+1=40+XF5=F4YA=43=1=4+1=50+XF6=F5YA=13=2=5+1=6N7F6=20+YF7=F6+XA=2+5=3=6+1=70+XF8=F7YA=33=0=7+1=8=N4四象限插补四象限插补yxL1F0L2L3F0F0F0L4F0F0F0F0lP点在圆弧内侧时，则OP小于圆弧半径R，即X2Y2R20一并考虑。l图2-40a中AB为第一象限顺圆弧SR1，若F0时，动点在圆弧上或圆弧外，向Y向进给，计算出新点的偏差；若F0，表明动点在圆内，向X向进给，计算出新一点的偏差，如此走一步，算一步，直至终点。222RYXFa)顺圆弧b)逆圆弧图2-40第一象限顺、逆圆弧2终点判断终点判断l圆弧插补终点判别：将X、Y轴走的步数总和存入一个计数器，XbXa YbYa，每走一步减一，当0发出停止信号。3插补计算过程插补计算过程例例3-2现欲加工第一象限顺圆弧现欲加工第一象限顺圆弧AB，如图，如图2-42所示，试用逐点比较法进行插补。所示，试用逐点比较法进行插补。图2-42 圆弧插补实例4.四个象限中圆弧插补四个象限中圆弧插补二、数值积分法二、数值积分法l数字积分法又称数字微分分析法DDA(Digital Differential Analyzer)，是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补算法。数字积分法的优点是，易于实现多坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快，应用广泛等特点。l如图2-45所示，设有一函数Yf(t)，求此函数在t0tn区间的积分，就是求出此函数曲线与横坐标t在区间（t0，tn）所围成的面积。如果将横坐标区间段划分为间隔为t的很多小区间，当t取足够小时，此面积可近似地视为曲线下许多小矩形面积之和。图2-45函数Y=f(t)的积分三、数据采样插补法三、数据采样插补法l（一）数据采样法原理 数据采样插补又称为时间分割法，与基准脉冲插补法不同，数据采样插补法得出的不是进给脉冲，而是用二进制表示的进给量。这种方法是根据程编进给速度F，将给定轮廓曲线按插补周期T（某一单位时间间隔）分割为插补进给段（轮廓步长），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。(二二)直线函数法直线函数法图2-57 直线插补原理(三三)扩展扩展DDA数据采样插补数据采样插补l1.扩展DDA直线插补 l2.扩展DDA圆弧插补2.5可编程控制器可编程控制器PLCl2.5.1可编程控制器结构与工作方式 在传统继电器接触器控制系统中，支配控制系统工作的“程序”是由导线将电气元连接起来实现的，我们把这样的控制系统称之为“硬接线”程序控制系统。在这种接线控制系统中，控制功能的改变必须通过修改控制器件和接线来实现。而可编程控制系统是通过修改PLC的程序来完成。可编程控制系统也称之为“软接线”程序控制系统。PLC控制系统与微型计算机控制系统基本相似，它是由硬件和软件两大部分组成。PLC实质上是一种用于工业控制的专用计算机，但对硬件各部分的定义及工作过程则与PC有很大差异。一、可编程控制器的结构一、可编程控制器的结构二、可编程控制器工作方式二、可编程控制器工作方式l实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五段。如图2-63所示。图2-63PLC循环扫描示意图2.5.2可编程控制器分类与特点可编程控制器分类与特点l一、可编程控制器的分类l1按结构形式分类:整体式和模块式两种 l2.按功能分类：低档机，中档机，高档机三种 l3按输入输出点数和存储容量分类二、可编程控制器的特点二、可编程控制器的特点l1高可靠性l2灵活性l3便于改进和修正 l4节点利用率提高l5具有丰富的IO接口l6模拟调试 l7能对现场进行微观监视 l8快速动作 l9梯形图及布尔代数并用 l10系统购置的简便化 l11体积小，质量轻，功耗低 l12编程简单、使用方便 The end!演讲完毕，谢谢观看！