《计算机数控装置》PPT课件

第三章 计算机数控装置 概述 CNC装置的硬件结构 CNC装置的软件结构 CNC装置的插补原理 数控系统的速度控制 刀具半径补偿原理 3.1 概述 一、 CNC机床组成部分 二、 CNC装置的组成 三、 CNC装置的工作过程 四、 CNC装置的功能 五、 CNC装置的软件和硬件的功能界面 一、 CNC机床组成部分 CNC机床的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即 数控制装置。 二、 CNC装置的组成 从自动控制的角度来看 ， CNC装臵是一种位 臵 （ 轨迹 ） 、 速度 （ 还包括电流 ） 控制系统 ， 其本质上是以多执行部件 (各运动轴 )的位移量 、 速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系 统 ， 是一种配有专用操作系统的计算机控制系 统 。 从外部特征来看 ， CNC装臵是由 硬件 （ 通用 硬件和专用硬件 ） 和软件 （ 专用 ） 两大部分组 成的 。 （一） CNC装置的一般硬件结构 CNC系统的一般硬件结构： 计算机基本系统 显示设备，计算机系统，输入 /输出设备等 。 设备支持层 人机控制，运动控制， PMC，其他 I/O 设备层 机床，机器人，测量机 CNC装置的硬件结构： CPU，存储器，总线、外设等 是 CNC装臵的物质基础 （二） CNC装置软件的功能性结构 实质：具有实时性和多任务性的专用操作系 统 组成：管理软件、控制软件 CNC软件系统功能框图 （三） CNC硬件软件的作用和相互关系 CNC装置的系统平台（ 图 ） 软件在硬件的支持下，合理组织管理整个系 统的各项工作，实现各种数控功能。 该平台提供 CNC装臵基本配臵的必备功能； 在该平台上可以根据用户的要求进行功能设 计和开发。 CNC装置的组成和工作原理 CNC装置的系统平台 硬件 操作系统 管理软件 应用软件 控制软件 数控加工程序 接 口 被控设备 机 床 机器人 测量机 . 三、 CNC装置的工作过程 通过各种输入方式，接受机床加工零件 的各种数据信息，经过 CNC装置译码， 再进行计算机的处理、运算，然后将各 个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电 路，经过转换、放大去驱动伺服电动机， 带动各轴运动。并进行实时位置反馈控 制，使各个坐标轴能精确地走到所要求 的位置。 简要工作过程： 数控程序的输入、存储 译码 数据处理 刀具补偿、速度计算、 逼近、 插补、 辅助信息处理 位置控制 在每个采样周期内，将插补计算出的理论位臵与实际反馈位 臵相比较，用其差值去控制进给伺服电机。 I/O处理 显示 零件程序、参数、刀具位臵、机床状态等 诊断 检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态 。 CNC装置的优点 灵活性和通用性 功能的修改和扩充、实用性方面 功能丰富 插补功能（二次曲线、样条、空间曲面） 补偿功能（运动精度、随机、非线性） 可靠性高 使用维护方便 易于实现机电一体化 CNC装置的功能 基本功能 控制功能、准备功能、插补功能和固定循环 功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀 具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自 诊断功能、通信功能 选择功能 3.2 CNC装置的硬件结构 CNC装置硬件结构类型 单机或主从结构模块的功能介绍 多主结构的 CNC装置硬件简介 CNC装置硬件结构类型 按印刷线路板的结构 分 All-In-One式结构 多功能模块式结构 按微处理器的个数分 单处理器式 多处理器式 按制造方式分 通用 PC机结构 特殊用途结构 按开放程度分 封闭式结构 PC插入 NC结构 NC插入 PC结构 基于软件的开放式 CNC装置的硬件构成 CPU ROM RAM IN接口 OUT接口 阅读机 接口 MDI/CRT 接口 位置 控制 其它 接口 总线 单微处理器硬件结构图 单机（ CPU）系统 单 CPU系统 集中控制和管理系统资源 分时处理 优点：投资小，结构简单，易于实现 缺点：系统功能受 CPU字长、数控宽度、寻 址能力和运算速度限制 多机（ CPU）系统 多机系统结构 主从结构 多主结构 分布式结构 多通道结构 主从结构 描述： 主 CPU对系统资源（系统存储器、系统总线） 有控制和使用权。 其他带有 CPU的功能部件（智能部件）无权 控制和使用系统资源，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 获得所需数据。 多主结构 描述： 系统有两个或两个以上的带 CPU的功能部件 对系统资源有控制或使用权。 采用紧耦合，均挂在系统总线上，集中在一 个机箱内。 有集中的操作系统 通过 总线仲裁器 解决总线争用问题 通过 公共存储器 进行信息交换。 分布式结构 描述： 有两个或两个以上的带有 CPU的功能模块， 每个功能模块有自己独立的运行环境（系统 总线、存储器、操作系统）； 模块间采用松耦合，在空间上可以较为分散 各模块间采用通信方式交换信息。 单 CPU或主从结构的功能介绍 模块化设计 含义：将控制系统 按功能划分 成若干种具有 独立功能的单元模块。每个模块配上相应的 驱动程序，按功能的要求 选择 不同的功能模 块，并将其插入控制单元母板上，组成一个 完整的控制系统。 条件：总线标准化 CNC装置设计： 归结为功能模块的合理选用 单 CPU或主从结构的 CNC装置硬件结构 单 CPU或主从结构的 CNC装置硬件结构 1、 计算机主板和系统总线（无源母板） 2、显示模块（显示卡） 3、输入 /输出模块（多功能卡） 4、 电子盘（存储模块） 5、 设备辅助控制接口模块 6、 位置控制模块 计算机主板和系统总线 计算机主板 系统总线（母板） 电子盘（存储模块） 存放内容： 系统软件，系统固有数据，系统配臵参数， 零件程序 非易失性读写存储单元 抗电磁干扰能力较磁性存储器强 设备辅助控制接口模块 作用： 信号转换：电平转换，数模转换，数字脉冲 转换，功率匹配 阻断干扰 位置控制模块 作用： 连接 CNC装臵与伺服系统 转换过程： 将 x、 y、 z等，经调节运算输出速度控制指令 D/A转换，输出速度指令电压给速度控制单元 闭环与半闭环控制时，回收实际位臵信号和实际 速度信号，以供位臵和速度闭环控制运算使用。 多主结构的 CNC装置硬件简介 特点： 并行处理，速度快，可实现复杂功能 容错能力强，出故障后，通过系统重组仍可 继续工作 分类： 共享总线结构 共享存储器结构 混合型结构 共享总线结构 描述： 以系统总线为中心。 所有主从模块都插在严格定义的标准系统总线上。 任一时刻只能允许一个主模块占用总线，由总线仲 裁电路来裁定竞争问题。 结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性 高。 总线是系统的“瓶颈”，一旦总线出现故障，将使 整个系统受影响。总线使用需经仲裁，信息传输率 降低。 共享存储器结构 描述： 公共存储器，采用多端口来实现各主模块之 间的互连和通信 同一时刻只能允许一个主模块对多端口存储 器进行访问（读 /写），由多端口控制逻辑 解决访问冲突问题。 一般采用双端口存储器。 3.3 CNC装置软件结构 3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面 3.3.2 CNC装置的数据转换流程 3.3.3 CNC装置的软件系统特点 3.3.4 CNC装置的软件结构模式 3.3.5 华中 I型数控系统软件结构举例 3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面 3.3.2 CNC装置的数据转换流程 1、译码（解释） 功能： 把用 ASC 码编写的零件加工程序，以程序 段为单位翻译成数控系统要求的数据格式； 存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。 为保证机床的连续加工，译码需超前。 缓冲区填满，译码程序进入休眠，当缓冲区 有若干臵空，系统再次激活译码程序，按此 方式重复进行，直到整个加工程序解释完毕。 2、刀补处理（计算刀具中心轨迹） 功能： 将零件轮廓变换成刀具中心轨迹 工作： 计算零件轮廓终点坐标值（ G90/G91 ） 计算本段刀补后刀具中心轨迹终点坐标值 进行段间连续处理 3、速度预处理（插补预处理） 功能： 根据加工程序给定 F，计算每个插补周期内 的合成移动量，供插补程序使用。 计算步骤： 计算本段总位移量 计算每个插补周期内的合成进给量 L 4、插补计算 插补程序以系统规定的插补周期定时运 行 功能： 根据“进给修调”设定值，计算本次插补周 期的实际合成位移量 L1； 将 L1按插补的线型和本插补点所在位臵分 解到各个进给轴 xi， yi 5、位置控制处理 3.3.3 CNC装置的软件系统特点 一、多任务性与并行处理技术 二、实时性和优先抢占调度机制 一、多任务性与并行处理技术 CNC装置需要多任务并行处理 管理任务：资源管理，子任务调度 控制任务：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运 算、位臵控制 基于并行处理的多任务调度技术 并行处理：软件系统在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上任务处理的方法。以提高 CNC 装臵资源的利用率和系统的处理速度。 资源分时共享（单 CPU），并发处理和流水处理 （多 CPU） 1、资源分时共享 方法： 在一定的时间长度（时间片）内，根据各任 务的实时性要求程度，规定其占用 CPU的时 间，使它们按规定顺序和规则分时共享系统 资源。 需解决： 任务优先级分配问题 时间片分配问题 规则：循环调度、优先抢占调度相结合 1、资源分时共享 2、并发处理和流水处理 并发处理： 任务间关联程度不高 每项任务分别安排一个 CPU，让其同时执行 流水处理： 任务间关联程度较高，一个任务的输出是另 一个任务的输入 利用重复的资源（ CPU），将一个大任务分 成若干个彼此关联的子任务 按一定顺序安排每个资源执行一个子任务 2、并发处理和流水处理 流水处理：以资源重复的代价换得时间上的重叠 二、实时性和优先抢占调度机制 实时性： 指某任务的执行有严格的时间要求，即必须 在系统的规定时间内完成，否则将导致执行 结果错误和系统故障。 实时性任务的分类 实时突发性任务 实时周期性任务 弱实时性任务 优先抢占调度机制 功能： 优先调度：优先级高的任务优先得以满足； 抢占方式：优先级高的任务可抢占优先级低的任务 占用的资源。 实现： 硬件和软件共同实现 硬件提供支持中断功能的芯片和电路 软件完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方 式、任务切换处理（断点的保护与恢复、中断向量 的保存与恢复等） 同时还采用时间片轮换调度和非抢占优先调度 3.3.4 CNC装置的软件结构模式 一、前后台型结构模式 二、中断型结构模式 三、基于实时操作系统的结构模式 一、前后台型结构模式 二、中断型结构模式 三、基于实时操作系统的结构模式 PTOS功能： 任务管理 多种实时任务调度机制 任务间的通信机制 基于 PTOS结构模式的优点： 弱化功能模块间的耦合关系 系统的开放性和可维护性好 减少系统开发的工作量 3.4 CNC装置的插补原理 定义： 插补：根据给定进给速度和给定轮廓线的要 求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点。 利用少量的输入数据，精确的获得编程轨迹。 插补算法：插补的具体实现算法。 插补算法评价指标 稳定性 插补运算过程中，舍入误差和计算误差不随 迭代次数的增加而累积。 精度 逼进误差、计算误差、圆整误差 合成速度均匀性 实际速度与给定的进给速度的符合程度 简单，便于编程 插补方法分类 脉冲增量插补 （行程标量插补） 数字增量插补 （时间标量插补） 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） 插补速度与进给速度密切相关 算法简单 步进电机驱动的开环系统 数字增量插补 特点： 按插补周期进行插补，每个周期根据进给速 度计算出各坐标轴在下一周期内的位移增量 （数字量） 用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线） 来逼进曲线（包括直线） 插补运算速度与进给速度无严格关系 实现算法复杂 脉冲增量插补 逐点比较法 每走一步控制系统都 要将加工点与给定的 图形轨迹相比较，以 决定下一步进给的方 向，使之逼近加工轨 迹。 以折线逼近直线与圆 弧，最大偏差不超过 一个最小设定单位。 根据偏差控制进给轴 进给，逼近给定轮廓， 缩小偏差。 逐点比较法 直线插补原理 逐点比较法直线插补 终点判别： X、 Y两方向所走的步数与终点坐标相等时， 停止插补 插补计算过程（ 4节拍） 位臵判断 坐标进给 偏差计算 终点判别 逐点比较法直线插补 不同象限的直线插补计算 逐点比较法直线插补 例：加工 OA直线， A（ 5， 3）， 终点计 数值 J=xe+ye=5+3=8， 加工过程的运算节 拍如下： 逐点比较法直线插补 NO 位置判别 坐标进给 偏差计算 终点判别 1 F00=0 + x F10=F00-ye=0-3=-3 J=8-1=7 2 F10=-30 + x F21=F11-ye=2-3=-1 J=6-1=5 4 F21=-10 + x F32=F22-ye=4-3=1 J=4-1=3 6 F32=10 + x F42=F32-ye=1-3=-2 J=3-1=2 7 F42=-20 + x F53=F43-ye=3-3=0 J=1-1=0 直线插补程序实现 逐点比较法 圆弧插补原理 逐点比较法圆弧插补 终点判别 用 x， y坐标所要走的总步数来判别，令 J=|xe-x0|+|ye-y0|， 每走一步则 J减 1，直至 J=0， 到达终点，停止插补。 插补过程 位臵判别、坐标进给、偏差计算、终点判别 四个象限圆弧插补计算公式 圆弧插补程序实现 数字增量插补法 得到： 不是进给脉冲，而是用二进制表示的进给量。 算法： 根据程编进给速度 F， 将给定轮廓曲线按插 补周期 T分割为插补进给段，即用一系列首 尾相连的微小线段来逼近给定曲线。 插补周期越长，插补计算误差越大，插补周 期应尽量选得小一些。 插补周期的选择 插补周期与精度、速度的关系 插补周期与插补运算时间的关系 插补周期与位置控制周期的关系 L 时间分割法 直线插补 时间分割法 圆弧插补 3.5 数控系统的速度控制 一、必要性 惯性：速度不能突变 突变：产生冲击、振荡、超程、失步 二、评价指标 1、保证轨迹精度、位臵精度 2、升降速过程的快速性 3、平稳性 4、稳定性 5、算法简单，便于计算机实现 三、升降速规律 线性升降速（梯形） 指数型升降速 前升降速、后升降速 前升降速与后升降速的精度比较 直线插补： 两种方案均不会因 升降速产生轨迹误 差。 圆弧插补： 采用的方案不同， 结果也不同。 3.6 刀具补偿原理 3.6.1 概述 3.6.2 补偿类型 3.6.3 刀具半径补偿 3.6.1 概述 作用 数控系统的刀具补偿（刀补）功能，用来修 正程序规定的值与刀具实际切削成形值之差。 组成：刀具长度补偿，刀具半径补偿。 刀具半径补偿的常用方法 B刀补 以 圆弧 做为刀具中心轨迹的段间连接。 C刀补 以 直线 做为刀具中心轨迹的段间连接。 刀补工作过程 C刀补的转接形式和过渡方式 转接形式 直线与直线 直线与圆弧 圆弧与直线 圆弧与圆弧 过渡方式 缩短型 伸长型 插入型