第5章 計算機數控裝置

1、lCNCComputerized Numerical Controll定義定義：借助計算機通過執(zhí)行其存儲器內的程序來完成數控要求的部分或者全部功能，并配有接口電路、伺服驅動裝置的一種專用計算機系統(tǒng)。l也可解釋為：一種控制系統(tǒng)，它能自動完成信息的輸入、譯碼、運算，從而控制機床的運動和加工過程。l主要任務：存儲程序、完成插補、將計算結果輸出伺服系統(tǒng)，控制電機驅動機床執(zhí)行機構。5.1 CNC系統(tǒng)的組成與特點輸入/輸出裝置數控裝置驅動控制裝置機床電器邏輯控制裝置機床本體數控程序等信息的輸入以及輸入內容和系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出數控程序等信息的輸入以及輸入內容和系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示輸出識別和解釋數控程序，完

2、成識別和解釋數控程序，完成數據計算和邏輯判斷處理數據計算和邏輯判斷處理主軸和進給軸驅動控制主軸和進給軸驅動控制接受數控裝置的開關命令，完成主軸選速、起停和方向控制接受數控裝置的開關命令，完成主軸選速、起停和方向控制功能，換刀功能，冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制功能以功能，換刀功能，冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制功能以及其他機床輔助功能及其他機床輔助功能 內部：程序編輯器數據輸入 外部：磁盤，穿孔紙帶， 計算機通信 數控加工程序數控加工程序譯碼（或解釋）開關命令（M,T）幾何數據，工藝數據插補可編程控制器PLC（刀具交換、切削液開/關等） 機床反饋信息進給脈沖或插補數據序列程序舉例：N0010

3、G92 X0 Y0 Z1.0N0020 G00 X10 Y10 F200l靈活性大：可改變和擴展其功能。l通用性強：硬件采用模塊化設計，易于擴展，改變軟件可適應不同需求。l可靠性高：采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路；程序被檢查后才被調用，保證加工過程中的故障停機。l功能強大：多功能、可以完成復雜零件的一次成形。l使用維修方便：內置自診斷程序，軟件檢查程序。l數控系統(tǒng)的硬件由數控裝置、輸入輸出裝置、機床電器邏輯控制裝置和驅動裝置等組成。l數控裝置：數控系統(tǒng)的核心l輸入輸出裝置：用于控制數據的輸入輸出，監(jiān)控數控系統(tǒng)的運行，進行機床操作面板及機床機電控制/監(jiān)測機構的邏輯處理和監(jiān)控，并為數控裝置提供機床狀

4、態(tài)和有關應答信號。l機床電器邏輯控制裝置：接受數控裝置發(fā)出的數控輔助功能控制命令，實現數控機床的順序控制。目前大多采用PLC控制。l驅動裝置：以軸為單位的獨立體，用以控制各軸的運動。l總線式模塊化結構的CNC。采用32位RISC（精簡指令集）芯片、數學協(xié)處理器及閃爍存儲器等。多用于多軸控制的高擋數控機床。l以單板或專用芯片及模板組成結構緊湊的CNC。多用于中檔數控機床。l基于通用計算機（PC或IPC）基礎上開發(fā)的CNC?？沙浞掷猛ㄓ糜嬎銠C豐富的軟件資源，可隨計算機硬件進行升級。l前兩種CNC系統(tǒng)硬件需專門設計，通用性較差，第三種硬件無需專門設計，改變軟件即可構成不同CNC系統(tǒng)，通用性好。l只

5、有一個微處理器，集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。1. 單微處理器結構l多微處理器結構是指在系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲器進行工作的系統(tǒng)結構。目前大多數CNC系統(tǒng)均采用多微處理器結構。l緊耦合結構：兩個或兩個以上的微處理器構成的處理部件之間采用緊耦合（相關性強），有集中的操作系統(tǒng)，共享資源。l松耦合結構：兩個或兩個以上的微處理器構成的功能模塊之間采用松耦合（具有相對獨立性或相關性弱），有多重操作系統(tǒng)有效地實現并行處理。（1）共享總線結構：通過總線連接系統(tǒng)內的各個模塊。l主模塊控制系統(tǒng)總線，某一時刻只能有一個主模塊占用總線，各模塊通過仲裁電路判別各模塊的優(yōu)先級，進

6、而共享總線資源。l采用多端口存儲器來實現各微處理器之間的相互連接和通信，每個端口都配有一套數據、地址、控制線，以供端口訪問。lCNC管理模塊lCNC插補模塊l位置控制模塊lPLC（PMC）模塊l命令與數據輸入輸出和顯示模塊l存儲器模塊l定義：開放式CNC系統(tǒng)必須具備不同應用程序能協(xié)調地運行于系統(tǒng)平臺上的能力，提供面向功能地動態(tài)重構工具，同時提供統(tǒng)一標準化地應用程序用戶界面。并具有以下特征。l可互操作性：不同應用程序模塊通過標準化地應用程序接口運行于系統(tǒng)平臺，不同模塊之間保持平等地相互操作能力。l可移植性：不同應用程序模塊可運行于不同供應商提供的不同系統(tǒng)平臺上。l可縮放性：增加和減少系統(tǒng)功能僅僅

7、表現為特定模塊單元的裝載與卸載。l可相互替代性：不同性能與可靠性和不同功能能力的功能模塊可以相互替代。1. 開放式CNC的定義（1）PC連接型CNCl結構：CNC與PC通過串行線連接。l特點：容易實現，已有CNC幾乎不需改動即可應用。1）基于PC的有限開放CNCl結構：CNC內部加裝PC，PC與CNC之間通過總線連接。l特點：保持了CNC原有的性能、可靠性和功能，并且數據傳送快，系統(tǒng)響應快。l結構：通用PC機的擴展槽中加入專用CNC卡。l特點：CNC卡完成包括加工軌跡生成等幾乎所有CNC處理功能。充分保證系統(tǒng)性能，軟件通用性強，編程處理靈活。l包括應用軟件和系統(tǒng)軟件。l應用軟件：包括零件數控加

8、工程序或其他輔助軟件。l系統(tǒng)軟件：為實現CNC系統(tǒng)各項功能所編制的專用軟件。也稱為控制軟件。l系統(tǒng)軟件通常包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。5.3.1 CNC系統(tǒng)軟件的組成l功能：接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數據進行譯碼、數據處理，并按照規(guī)定格式存放。主要包括輸入程序、譯碼程序和數據處理程序等組成，有些CNC系統(tǒng)還具有補償計算、為插補運算和速度控制等進行的預計算。（1）輸入程序l將加工程序讀入存放在程序存儲器中，或將加工程序從程序存儲器中讀出，送入緩沖區(qū)，以便譯碼用。（2）譯碼程序l數控加工程序按零件加工順序記載著機床加工所需的各種信息

9、，其中包括零件加工的軌跡信息（如幾何形狀和幾何尺寸等）（幾何數據）（幾何數據）、工藝信息（如進給速度和主軸轉速等）（工藝數據）（工藝數據）和開關命令（如換刀、冷卻液開/關等）（開關功能）（開關功能）。l譯碼定義：將輸入的數控加工程序按照一定規(guī)則翻譯成為數控裝置中計算機能識別的數據形式，并按約定的格式存放在指定的譯碼結果緩沖器中。l譯碼功能：代碼的識別和功能代碼的解釋。 （3）數據處理程序l包括刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能處理等。l刀具半徑補償：將工件輪廓軌跡轉化為刀具中心軌跡。l速度計算：解決該加工數據段以什么樣的速度運動。2. 插補計算程序lCNC系統(tǒng)是一種實時控制系統(tǒng)，一邊插補運算，

10、一邊進行加工。插補運算的速度直接影響著機床的進給速度。3. 速度控制程序l根據給定的速度值控制插補運算的頻率，確保預定的進給速度。4. 管理程序l負責對數據輸入、處理、插補運算等服務程序進行調度管理。5. 診斷程序l在程序中發(fā)現故障，并指出故障問題。1. CNC中軟、硬件界面與數據轉換lCNC系統(tǒng)中，軟件設計靈活，適應性強，但處理速度慢；硬件處理速度快，但成本高，適應性差。CNC中硬、軟件的分配比例由性能價格決定。lCNC中硬、軟件界面隨著硬、軟件的水平和成本以及CNC所具有的性能不同而不同。lCNC軟件勢必發(fā)展成為以操作系統(tǒng)為基礎的多層次的軟件結構。l面向對象的程序設計方法，CNC軟件更穩(wěn)定

11、，并且具有可重用性。2. CNC系統(tǒng)的多任務并行處理與實時中斷處理lCNC系統(tǒng)的多任務性表現在其軟件必須完成管理和控制兩大任務。l系統(tǒng)管理包括輸入、I/O處理、顯示、診斷；系統(tǒng)控制包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制。lCNC系統(tǒng)的并行性表現在其多任務必須協(xié)調工作。l定義：計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上相同或不同的工作。常采用資源重復、時間重疊和資源分時共享等方法。l資源重復：用多套相同或不同的設備同時完成多種相同或不同的任務。l時間重疊：根據流水處理技術，使得多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設備的幾個部分，也稱為資源重疊流水處理。l資源共享：多個用戶按

12、照時間順序使用同一套設備。lCNC硬件通常采用資源重復并行處理方法。lCNC軟件設計主要采用資源重疊的流水線處理和資源分時共享的并行處理方法。時間重疊流水處理CPU分時共享并行處理lCNC中斷管理主要由硬件完成，系統(tǒng)的中斷結構決定了系統(tǒng)軟件的結構。CNC系統(tǒng)的中斷類型有以下幾種。l外部中斷：主要有光電閱讀機讀孔中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤及操作面板中斷。l內部定時中斷：主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。l硬件故障中斷：各種硬件故障檢閱裝置發(fā)出的中斷。l程序性中斷：程序中出現的各種異常情況的報警中斷。lCNC軟件結構由系統(tǒng)采用的中斷結構決定。1）中斷型結構模式l除初始化程序外，將CNC的各功

13、能模塊分別安排在不同級別的中斷程序中，無前后臺之分。通過中斷程序的優(yōu)先級由CPU響應中斷。2）前、后臺型結構模式l將整個CNC軟件分為前臺程序和后臺程序。l前臺程序為實時中斷程序，承擔幾乎全部實時任務，實現插補、位置控制和數控機床開關邏輯控制等實時功能。l后臺程序，也稱為背景程序，是一個循環(huán)運行程序，實現數控加工程序的輸入、預處理和管理等任務。l在后臺程序的循化運行過程中，前臺實時中斷程序不斷的定時插入，兩者密切配合，共同完成零件的加工任務。l開放式CNC系統(tǒng)軟件應采用平臺技術、同一的標準規(guī)范和面向功能元（對象）拓撲結構的應用軟件，以保證系統(tǒng)具有開放的基本特征。1）開放式CNC總體結構l分為兩

14、部分：統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺和由各功能結構單元對象組成的應用軟件模塊（或系統(tǒng)參考結構）。2）系統(tǒng)平臺l系統(tǒng)平臺由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。l系統(tǒng)硬件由機床的功能需求決定。l系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)核心（如操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實時配置系統(tǒng)等）、可選的系統(tǒng)軟件（如數據庫系統(tǒng)等）和標準的應用程序界面。l操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實時配置系統(tǒng)構成了整個控制系統(tǒng)運行的基礎。（1）操作系統(tǒng)（2）通信系統(tǒng)（3）配置系統(tǒng)l系統(tǒng)參考結構是用來精確描述功能元對象和功能模塊之間的關系，以及各模塊之間的關系；精確定義各模塊和各功能元對象的行為和屬性，以及模塊和功能元對象與系統(tǒng)平臺之間的界面，以保證不同供應商提供的功能模塊在不同平臺之上的協(xié)調

15、工作。1. 零件程序的輸入l手動輸入和自動輸入兩種。2. 譯碼l具體地說，譯碼是將零件程序中的零件輪廓信息（如起點、終點、直線或圓弧等）、進給速度信息（F代碼）和其他輔助信息（M、S、T代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋為計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用區(qū)域。5.4.1 CNC系統(tǒng)的控制原理3. 刀具補償l分為刀具長度補償和刀具半徑補償。1）刀具長度補償l在數控立式銑鏜床上，當刀具磨損或更換刀具使得Z向刀尖不在原初始加工的程編位置時，必須在Z向進給中，通過伸長或縮短1個偏置值e的方法來補償其尺寸變化，以保證加工的深度仍然達到原設計的要求。2）刀具半徑補償l數控裝置使

16、得刀具中心偏移零件輪廓一個指定的刀具半徑值。4. 插補l在一條已知起點和終點的曲線上自動進行數據點的密化工作。5. 位置控制l在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值控制進給電機，以實現對位置的精確控制。6. 速度控制1）脈沖增量插補方式的速度計算l脈沖增量插補用于以步進電機為執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)。l在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，進給脈沖的頻率決定了坐標軸的移動速度。進給脈沖的數量決定論坐標軸的移動位移。l速度計算是根據程編F值確定脈沖頻率值。步進電機每走一步，坐標軸移動一個脈沖當量。進給速度F與脈沖頻率f之間的關系如下。l兩軸聯動時，各坐標軸的進給速度如下。l合成進給速度為2）數據采樣法插補的速度計算（1）前加減速控制（2）后加減速控制 60Ff yyxxf60Ff60F 2y2xFFF1.