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文檔簡介
1、3.1數(shù)控系統(tǒng)的定義及組成 數(shù)控是數(shù)字控制(Numeric Control,NC)的簡稱。 我們當(dāng)前的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的硬件數(shù)控的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 它用一臺計(jì)算機(jī)代替硬件數(shù)控裝置,由軟件實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能。因此,機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是一種包含計(jì)算機(jī)在內(nèi)的用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng), 其被控對象可以是各種生產(chǎn)過程。 3.1數(shù)控系統(tǒng)的定義及組成 數(shù)控是數(shù)字控制(Numer根據(jù)不同的被控對象,有各種數(shù)控系統(tǒng)存在, 其中,最早產(chǎn)生的、目前應(yīng)用最為廣泛的是機(jī)械加工行業(yè)中的各種機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),即以加工機(jī)床為被控對象的數(shù)字控制系統(tǒng),例如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控加工中心等。 機(jī)床數(shù)控是具有
2、高附加值的技術(shù)密集型產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了高度的機(jī)電一體化。 它集機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、微電子、現(xiàn)代控制及精密測量等多種技術(shù)為一體,使傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝發(fā)生了質(zhì)的變化。 根據(jù)不同的被控對象,有各種數(shù)控系統(tǒng)存在, 其中,最早產(chǎn)生 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入輸出裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置等部分組成, 有些數(shù)控系統(tǒng)還配有位置檢測裝置, 如圖31所示。 其中數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心部分,它由硬件和軟件兩大部分共同構(gòu)成, 硬件主要包括微處理器(CPU)、存儲器和各種接口; 軟件主要有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件包括零件數(shù)控加工程序或其他輔助軟件,如CADCAM軟件。系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)CN
3、C系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專用軟件, 也叫控制軟件,它存放在計(jì)算機(jī)EPROM內(nèi)存中。各種CNC系統(tǒng)的功能設(shè)置和控制方案各不相同, 它們的系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別很大,但是一般都包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序等。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入輸出裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CN圖31機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的組成 圖31機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的組成 1輸入輸出裝置CNC機(jī)床在進(jìn)行加工前,必須接受由操作人員輸入的零件加工程序,然后才能根據(jù)輸入的加工程序進(jìn)行加工控制,從而加工出所需的零件。在加工過程中,操作人員要向機(jī)床數(shù)控裝置輸入操作命令,數(shù)控裝置要為操作人員顯示必要的信息,如坐標(biāo)值、報(bào)警信號等
4、。此外,輸入的程序有時(shí)并非全部正確,還需要編輯、修改和調(diào)試。以上工作都是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流的過程,要進(jìn)行信息交流,CNC系統(tǒng)中就必須具備必要的交互設(shè)備,即輸入輸出裝置。 1輸入輸出裝置鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)不可缺少的人機(jī)交互設(shè)備,操作人員可通過鍵盤和顯示器輸入程序、編輯修改程序和發(fā)送操作命令,即進(jìn)行手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDI),因此,鍵盤是MDI中最主要的輸入設(shè)備。數(shù)控系統(tǒng)通過顯示器為操作人員提供必要的信息,根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)和操作命令的不同,顯示的信息可以是正在編輯的程序,也可以是機(jī)床的加工信息。較簡單的顯示器只有若干個(gè)數(shù)碼管,顯示的信息也很有限;較高級的系統(tǒng)一般配有CRT顯示器或
5、點(diǎn)陣式液晶顯示器,顯示的信息較豐富;低檔的顯示器或液晶顯示器只能顯示字符,中高檔的顯示系統(tǒng)能顯示圖形。數(shù)控加工程序編制好后,一般存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種控制介質(zhì)上。傳統(tǒng)的方式是將編制好的程序記錄在穿孔紙帶或磁帶上,然后由紙帶閱讀機(jī)或磁帶機(jī)輸入數(shù)控系統(tǒng),因此,紙帶閱讀機(jī)和磁帶機(jī)是早期數(shù)控機(jī)床的典型輸入設(shè)備。 鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)不可缺少的人機(jī)交互設(shè)備,操作人員可2數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它的主要功能是:正確識別和解釋數(shù)控加工程序,并對解釋結(jié)果進(jìn)行各種數(shù)據(jù)計(jì)算和邏輯判斷處理,從而完成各種輸入、輸出任務(wù)。其形式可以是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置或是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。前者稱做硬
6、件數(shù)控裝置,或NC裝置,其數(shù)控功能由硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn);后者稱為CNC裝置,其數(shù)控功能由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)。數(shù)控裝置將數(shù)控加工程序信息按兩類控制量分別輸出,從而控制機(jī)床各組成部分實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能:一類是連續(xù)控制量,送往伺服驅(qū)動(dòng)裝置;另一類是離散的開關(guān)控制量,送往PLC邏輯控制裝置。 2數(shù)控裝置數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作概括起來主要有:(1)機(jī)床主運(yùn)動(dòng),包括主軸的啟/停、轉(zhuǎn)向和速度選擇。(2)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),如點(diǎn)位、直線、圓弧、循環(huán)進(jìn)給的選擇,坐標(biāo)方向和進(jìn)給速度的選擇等。(3)刀具的選擇和刀具的長度、半徑補(bǔ)償。(4)其他輔助運(yùn)動(dòng),如工作臺的鎖緊和松開、工作臺的旋轉(zhuǎn)與分度、工件的夾緊與松開、冷卻液的開/
7、關(guān)及空運(yùn)行等。(5)自診斷及通信功能等。 數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作概括起來主要有:3伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電路和伺服電動(dòng)機(jī)組成,并與機(jī)床上的機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置接收來自PLC的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速指令,經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)接收數(shù)控裝置的位移指令,經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)完成速度控制和反饋控制功能。根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的不同,伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制對象可以是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。由于主軸
8、的運(yùn)動(dòng)沒有進(jìn)給軸的要求高,因此,有時(shí)普通數(shù)控車、銑床的主軸電機(jī)不是伺服電動(dòng)機(jī),而是普通電動(dòng)機(jī)。 3伺服驅(qū)動(dòng)裝置4輔助控制裝置輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制裝置。通過可編程序控制器(PLC)來實(shí)現(xiàn),PLC和數(shù)控裝置相互配合,共同完成數(shù)控機(jī)床的控制。數(shù)控裝置主要完成與數(shù)字運(yùn)算和程序管理等有關(guān)的功能,如零件程序的編輯、譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等。PLC主要完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)的動(dòng)作。零件加工程序中的M代碼、S代碼、T代碼等順序動(dòng)作信息,經(jīng)譯碼后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號,控制輔助裝置完成機(jī)床的相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作,如工件的裝夾、刀具的更換、切削液的開關(guān)等一些輔助功能。它接收機(jī)床操作面板和來
9、自數(shù)控裝置的指令,一方面通過接口電路直接控制機(jī)床的動(dòng)作;另一方面通過伺服驅(qū)動(dòng)裝置控制主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 4輔助控制裝置5位置檢測裝置位置檢測裝置與伺服驅(qū)動(dòng)裝置配套組成半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。位置檢測裝置通過直接或間接測量執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位移量,反饋到數(shù)控裝置并與指令(理論)位移量進(jìn)行比較,將其誤差轉(zhuǎn)換放大后控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),以提高系統(tǒng)精度。 5位置檢測裝置3.2數(shù)控系統(tǒng)的基本原理 3.2.1數(shù)控系統(tǒng)的工作過程數(shù)控機(jī)床的編程人員在編制好零件加工程序后,就可以由操作人員輸入(包括MDI輸入、由輸入裝置輸入和通信輸入)至數(shù)控裝置,并存儲在數(shù)控裝置的零件程序存儲區(qū)內(nèi)。要加工時(shí),操作者可用菜單
10、命令調(diào)入需要的零件加工程序到加工緩沖區(qū),數(shù)控裝置在采樣到來自控制面板的“循環(huán)啟動(dòng)”指令后,即對加工緩沖區(qū)內(nèi)的零件加工程序進(jìn)行自動(dòng)處理(如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等),然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等),加工出符合圖紙要求的零件。這個(gè)過程可以用圖32表示。 3.2數(shù)控系統(tǒng)的基本原理 3.2.1數(shù)控系統(tǒng)的工作過程圖32數(shù)控系統(tǒng)的工作過程 圖32數(shù)控系統(tǒng)的工作過程 3.2.2程序的存儲CNC系統(tǒng)一般在計(jì)算機(jī)的存儲器中開辟一個(gè)零件程序區(qū),輸入時(shí)將零件整個(gè)加工程序一次送入存儲區(qū)。零件加工程序在零件程序存儲區(qū)中連續(xù)存放,段與段之間、程序與程序之間不留任何空間。零件程序存
11、儲區(qū)中設(shè)有一個(gè)零件程序目錄表和取程序指針單元,該指針單元的內(nèi)容永遠(yuǎn)指向下一步存入或取出單元的地址。數(shù)控系統(tǒng)的程序輸入和讀出過程分別如圖33和圖34所示。 3.2.2程序的存儲圖33數(shù)控系統(tǒng)的程序輸入過程 圖33數(shù)控系統(tǒng)的程序輸入過程 圖34數(shù)控系統(tǒng)的程序讀出過程 圖34數(shù)控系統(tǒng)的程序讀出過程 3.2.3譯碼所謂“譯碼”就是將輸入的數(shù)控加工程序段按一定規(guī)則翻譯成CNC裝置中計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)據(jù)形式,并按約定的格式存放在指定的譯碼結(jié)果緩沖器中。具體來講,譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或MDI緩沖器中逐個(gè)讀入字符,先識別出其中的文字碼和數(shù)字碼,然后根據(jù)文字碼所代表的功能,將后續(xù)數(shù)字碼送到相應(yīng)的譯碼結(jié)果緩
12、沖器單元中。譯碼可在加工前一次性將整個(gè)程序翻譯完,并在譯碼過程中對程序進(jìn)行語法檢查,若有語法錯(cuò)誤則報(bào)警,即所謂的編譯方式;另一種處理方式是在加工過程中進(jìn)行譯碼,即計(jì)算機(jī)在進(jìn)行加工控制時(shí),利用空閑時(shí)間來對后面的程序段進(jìn)行譯碼,稱為解釋方式。 3.2.3譯碼3.3刀具補(bǔ)償原理 3.3.1刀具半徑補(bǔ)償編制零件加工程序時(shí),一般按零件圖樣中的輪廓尺寸來決定零件程序段的運(yùn)動(dòng)軌跡。但在實(shí)際切削加工時(shí),是按刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制的,因而刀具中心軌跡必須與零件輪廓線之間偏離一個(gè)刀具半徑值,才能保證零件輪廓尺寸的準(zhǔn)確性。為此,CNC裝置應(yīng)該能夠根據(jù)零件輪廓信息和刀具半徑值自動(dòng)計(jì)算出刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,使其自動(dòng)偏
13、離零件輪廓一個(gè)刀具半徑值,如圖35所示。這種自動(dòng)偏移計(jì)算就稱為刀具半徑補(bǔ)償。準(zhǔn)備功能G代碼中的G40、G41和G42是刀具半徑補(bǔ)償功能指令。G40用于取消刀補(bǔ),G41和G42用于建立刀補(bǔ)。沿著刀具前進(jìn)方向看,G41是刀具位于被加工工件輪廓左側(cè),稱為刀具半徑左補(bǔ)償;G42是刀具位于被加工工件輪廓右側(cè),稱為刀具半徑右補(bǔ)償。 3.3刀具補(bǔ)償原理 3.3.1刀具半徑補(bǔ)償圖35零件輪廓和刀具中心軌跡 圖35零件輪廓和刀具中心軌跡 圖36建立刀具補(bǔ)償 圖36建立刀具補(bǔ)償 刀具半徑補(bǔ)償過程一般分為三步:(1)刀補(bǔ)的建立。刀具從起刀點(diǎn)接近工件,刀具中心在法線方向與待加工工件偏離一刀具半徑,偏置方向由G41、G
14、42決定,如圖36所示。(2)刀補(bǔ)的執(zhí)行。一旦刀補(bǔ)建立,則刀補(bǔ)一直維持,直至被撤消,在刀補(bǔ)進(jìn)行過程中,刀具中心軌跡始終偏離程編軌跡一個(gè)刀具半徑值的距離。(3)刀補(bǔ)的撤消。刀具撤離工件,回到退刀點(diǎn),退刀點(diǎn)應(yīng)位于零件輪廓之外,此時(shí)刀具中心運(yùn)動(dòng)到程編終點(diǎn)(一般為起刀點(diǎn))。 刀具半徑補(bǔ)償過程一般分為三步:1.B功能刀具半徑補(bǔ)償我們先來看直線B刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。如圖37所示,被加工直線段的起點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)O,終點(diǎn)A的坐標(biāo)為(Xe、Ye)。假定上一程序段加工完后,刀具中心在O點(diǎn)且其坐標(biāo)已知,刀具半徑為r。現(xiàn)在需要計(jì)算的是刀具補(bǔ)償后直線段OA的終點(diǎn)坐標(biāo)(Xe,Y e)。設(shè)直線段終點(diǎn)刀具半徑補(bǔ)償AA的投影坐標(biāo)
15、為(X,Y),則 1.B功能刀具半徑補(bǔ)償而 故 而 故 圖37直線刀具半徑補(bǔ)償 圖37直線刀具半徑補(bǔ)償 下面再來分析圓弧B刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。如圖38所示,被加工圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn),圓弧半徑為R,圓弧起點(diǎn)A的坐標(biāo)為(X0,Y0),圓弧終點(diǎn)B的坐標(biāo)為(Xe,Ye),刀具半徑為r。假定上一程序段加工結(jié)束后刀具中心點(diǎn)為A,且其坐標(biāo)(X0,Y0)為已知,那么圓弧刀具半徑計(jì)算的目的就是要計(jì)算出刀具中心圓弧的終點(diǎn)B的坐標(biāo)(Xe,Ye),設(shè)BB的投影坐標(biāo)為(X,Y),則 而 下面再來分析圓弧B刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。如圖38所示,被故 故 圖38圓弧刀具半徑補(bǔ)償 圖38圓弧刀具半徑補(bǔ)償 上述刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>
16、有一個(gè)共同點(diǎn),即加工輪廓的連接是以圓弧進(jìn)行的,這就產(chǎn)生了一些無法避免的缺點(diǎn)。首先,當(dāng)遇到加工外輪廓尖角時(shí),如圖39所示C點(diǎn),由于輪廓尖角處始終處于切削狀態(tài),尖角加工的工藝性就比較差。在磨削加工中尤其突出,所需加工的尖角往往會被加工成小圓弧,其次,在內(nèi)輪廓加工時(shí),由于刀具中心軌跡的交點(diǎn)不易求得,如圖39所示C點(diǎn),因此不得不由程序員人為地編進(jìn)一個(gè)輔助加工的過渡圓弧,并且還要求這個(gè)過渡圓弧的半徑必須大于刀具的半徑。這就給編程工作帶來了麻煩,一旦疏忽,就會因刀具的干涉而產(chǎn)生過切削現(xiàn)象。這就限制了B刀具半徑補(bǔ)償方法在一些復(fù)雜的、要求較高的數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 上述刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ幸粋€(gè)共同點(diǎn),即加工輪廓
17、的連接是以圖39輪廓加工時(shí)的刀具半徑補(bǔ)償 圖39輪廓加工時(shí)的刀具半徑補(bǔ)償 2.C功能刀具半徑補(bǔ)償以往C和C點(diǎn)不易求得,主要是受到數(shù)控裝置的運(yùn)算速度和硬件結(jié)構(gòu)的限制。隨著CNC技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)的工作方式、運(yùn)算速度及存儲器容量都有了很大的改進(jìn)和增加,采用直線或圓弧過渡,直接求出刀具中心軌跡交點(diǎn)的刀具半徑補(bǔ)償方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了,這種方法被稱為C功能刀具半徑補(bǔ)償,簡稱C刀補(bǔ)。 2.C功能刀具半徑補(bǔ)償CNC系統(tǒng)中C刀補(bǔ)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的工作方式如圖310所示。在CNC系統(tǒng)中設(shè)置工作寄存器AS,存放正在加工的程序段信息,刀具半徑補(bǔ)償緩沖區(qū)CS存放下一個(gè)加工程序段的信息,緩沖寄存區(qū)BS存放再下一個(gè)加工程序段的
18、信號,輸出寄存器OS存放進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制信息。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后,第一段程序先被BS讀入,在BS中算得其編程軌跡被送到CS暫存;又將第二段程序讀入BS,算出其編程軌跡,并對第一、第二段程序的編程軌跡連接方式進(jìn)行判別,按判別結(jié)果對第一段編程軌跡作相應(yīng)修正。修正結(jié)束后,順序地將修正后的第一段編程軌跡由CS送到AS,第二段編程軌跡由BS送到CS。隨后,由CPU將AS中的內(nèi)容送到OS進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果送伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行。 CNC系統(tǒng)中C刀補(bǔ)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的工作方式如圖310所示。圖310C刀補(bǔ)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的工作方式 圖310C刀補(bǔ)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的工作方式 在執(zhí)行時(shí),CPU又命令BS讀入第三段程序,再根據(jù)BS、CS中
19、的第二、第三段編程軌跡的連接方式,對CS中的第二段編程軌跡進(jìn)行修正,如此下去??梢奀刀具半徑補(bǔ)償工作狀態(tài)下CNC系統(tǒng)內(nèi)總是同時(shí)存有三個(gè)程序段的信息,以保證C刀具半徑補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)。常見的數(shù)控系統(tǒng)一般只具有直線和圓弧兩種插補(bǔ)功能,因此,根據(jù)它們的相互連接關(guān)系可組成四種連接形式,即直線接直線、直線接圓弧、圓弧接直線、圓弧接圓弧。 在執(zhí)行時(shí),CPU又命令BS讀入第三段程序,再根據(jù)BS、C首先定義轉(zhuǎn)接角,它為兩個(gè)相鄰零件輪廓線段交點(diǎn)處在工件側(cè)的夾角,如圖311所示,其變化范圍為0360。圖中所示為直線接直線的情形,而對于輪廓線段為圓弧時(shí),只要用其在交點(diǎn)處的切線作為角度定義的對應(yīng)直線即可。根據(jù)轉(zhuǎn)接角的不同,
20、可以將C刀補(bǔ)的各種轉(zhuǎn)接過渡形式劃分為如下三類:(1)當(dāng)180360時(shí),屬縮短型刀補(bǔ);(2)當(dāng)90180時(shí),屬伸長型刀補(bǔ);(3)當(dāng)090時(shí),屬插入型刀補(bǔ)。 首先定義轉(zhuǎn)接角,它為兩個(gè)相鄰零件輪廓線段交點(diǎn)處在工件側(cè)對于插入型刀補(bǔ),可以插入一個(gè)圓弧段轉(zhuǎn)接過渡,插入圓弧的半徑為刀具半徑;也可以插入13個(gè)直線段轉(zhuǎn)接過渡。前者使轉(zhuǎn)接路徑最短,但尖角加工的工藝性比較差;后者能保證在尖角加工時(shí)有良好的工藝性。 對于插入型刀補(bǔ),可以插入一個(gè)圓弧段轉(zhuǎn)接過渡,插入圓弧的半圖311轉(zhuǎn)接角定義示意圖 (a)G41情況;(b)G42情況 圖311轉(zhuǎn)接角定義示意圖 在執(zhí)行刀具半徑補(bǔ)償?shù)娜齻€(gè)步驟中,均會有上述三種轉(zhuǎn)接過渡類型。
21、圖312所示為刀補(bǔ)建立過程中可能碰到的三種轉(zhuǎn)接形式。圖313所示為刀補(bǔ)進(jìn)行過程中可能碰到的三種轉(zhuǎn)接形式。圖314所示為刀補(bǔ)撤消過程中可能碰到的三種轉(zhuǎn)接形式。 在執(zhí)行刀具半徑補(bǔ)償?shù)娜齻€(gè)步驟中,均會有上述三種轉(zhuǎn)接過渡類圖312刀補(bǔ)建立示意圖 (a)縮短型;(b)伸長型;(c)插入型 圖312刀補(bǔ)建立示意圖 圖313刀補(bǔ)進(jìn)行示意圖(a)縮短型;(b)伸長型;(c)插入型 圖313刀補(bǔ)進(jìn)行示意圖圖314刀補(bǔ)撤消示意圖 (a)縮短型;(b)伸長型;(c)插入型 圖314刀補(bǔ)撤消示意圖 3.3.2刀具長度補(bǔ)償在數(shù)控立式銑床加工中心上,當(dāng)?shù)毒吣p或更換刀具使Z向刀尖不在原初始加工的編程位置時(shí),必須在Z向進(jìn)給
22、中,通過伸長(見圖315)或縮短1個(gè)偏置值f的辦法來補(bǔ)償其尺寸的變化,以保證加工深度仍然能夠達(dá)到原設(shè)計(jì)位置。 3.3.2刀具長度補(bǔ)償圖315刀具長度補(bǔ)償 圖315刀具長度補(bǔ)償 刀具長度補(bǔ)償由準(zhǔn)備功能G43、G44、G49(有的是G40)以及H(有的是D代碼)代碼指定,用G43、G44指令指定偏置方向。其中G43為正向偏置,G44為負(fù)向偏置,G49為補(bǔ)償撤消,H代碼指令指示偏置存儲器中存儲偏置量的地址。無論是絕對或增量指令的情況,G43指令都是將H代碼指定的已存入偏置存儲器中的偏置值加到主軸運(yùn)動(dòng)指令終點(diǎn)坐標(biāo)值上去,而G44則相反,它是從主軸運(yùn)動(dòng)指令終點(diǎn)坐標(biāo)值中減去偏置值。G43、G44是模態(tài)G代
23、碼。在H后跟兩位數(shù)指定偏置號,在每個(gè)偏置號所對應(yīng)的偏置存儲區(qū)中,通過鍵盤或紙帶預(yù)先設(shè)置相應(yīng)刀具的長度補(bǔ)償值。對應(yīng)偏置號00即H00的偏置值通常不設(shè)置,取為0,這就相當(dāng)于刀具長度補(bǔ)償撤消指令G49。 刀具長度補(bǔ)償由準(zhǔn)備功能G43、G44、G49(有的是G4在圖315中,所畫刀具實(shí)線為刀具實(shí)際位置,虛線為刀具編程位置,則刀具長度補(bǔ)償控制程序如下:設(shè)定H01=-4.0(偏置值)N10G91G00G43Z32.0H01;實(shí)際Z向?qū)⑦M(jìn)給32.0+(4.0)=36.0N20G01Z21.0F500;Z向?qū)?6.0位置進(jìn)給到57.0位置N30G00G49Z53.0;Z向?qū)⑼嘶氐?3.0+4.0位置,即返回
24、初始位置 在圖315中,所畫刀具實(shí)線為刀具實(shí)際位置,虛線為刀具編3.3.3刀具位置補(bǔ)償?shù)毒呶恢醚a(bǔ)償主要應(yīng)用于數(shù)控車床中。當(dāng)采用不同尺寸的刀具加工同一輪廓尺寸的零件,或同一尺寸的刀具因換刀重調(diào)、磨損引起尺寸變化時(shí),為了編程方便和不改變已編制好的程序,利用數(shù)控系統(tǒng)的刀具位置補(bǔ)償功能,只需將刀具尺寸變化值輸入數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)就可以自動(dòng)地對刀具尺寸變化進(jìn)行補(bǔ)償。如圖316所示,車床的四方旋轉(zhuǎn)刀架裝有不同尺寸的刀具,并以1號刀具的刀尖A點(diǎn)為所有刀具的編程起點(diǎn),且對應(yīng)坐標(biāo)值為(X1,Z1),B點(diǎn)為2號刀具刀尖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)所到達(dá)的位置。很明顯,1號刀具刀尖與2號刀具刀尖存在一個(gè)位置偏差(Xd,Zd),我們通
25、過手動(dòng)使2號刀具的刀尖也到達(dá)A點(diǎn),此時(shí)數(shù)控車床屏幕上所對應(yīng)的坐標(biāo)值我們假設(shè)為(X2,Z2),則2號刀具的位置補(bǔ)償值為 3.3.3刀具位置補(bǔ)償Xd2=X2-X1,Zd2=Z2-Z1 我們只要把這個(gè)值(Xd2,Zd2)輸入數(shù)控系統(tǒng),然后利用刀具功能T就能實(shí)現(xiàn)對刀具補(bǔ)償值的運(yùn)用。對于3、4號刀具可以采用類似方法建立刀具位置補(bǔ)償值。 Xd2=X2-X1,Zd2=Z2-Z1 我們只要把這個(gè)圖316刀具刀尖位置偏差示意圖 圖316刀具刀尖位置偏差示意圖 3.4數(shù)控系統(tǒng)的硬件 3.4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的基礎(chǔ),它決定了數(shù)控裝置的基本功能,不同的數(shù)控系統(tǒng)其組成結(jié)構(gòu)不同,功能也相差甚遠(yuǎn)
26、。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件多數(shù)是以8位或16位單片機(jī)或者以8位或16位微處理器(簡稱MPU)為主構(gòu)成的系統(tǒng),其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī),控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為23。由于其數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度都較低,功能比較簡單,而且往往是開環(huán)控制,因此一般只能用于某些要求較低的數(shù)控機(jī)床,或者是用于舊機(jī)床改造。標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)也稱為全功能數(shù)控系統(tǒng),其精度和速度都較高,功能比較齊全,而且基本都是半閉環(huán)或全閉環(huán)控制,因此廣泛應(yīng)用于各種中、高檔數(shù)控機(jī)床。鑒于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在用得很少了,這里只介紹標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件。 3.4數(shù)控系統(tǒng)的硬件 3.4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成3.4.2標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件,按
27、CNC裝置中各電路板的插接方式可分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu);按微處理器的個(gè)數(shù)可分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu);按硬件的制造方式可分為專用型結(jié)構(gòu)和個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu);按CNC裝置的開放程度可分為封閉式結(jié)構(gòu)、PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)、NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)和軟件型開放式結(jié)構(gòu)。 3.4.2標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖317大板式結(jié)構(gòu)示意圖 圖317大板式結(jié)構(gòu)示意圖 1大板式結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的CNC裝置可由主電路板、位置控制板、PLC板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印刷電路板,其他電路是小印刷電路板,它們插在大印刷電路板上的插槽內(nèi)而共同構(gòu)成CNC裝置。圖317為大板式結(jié)構(gòu)示意圖。FANU
28、CCNC6MB采用的就是這種大板式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖318所示。圖中主電路板(大印刷電路板)上有控制核心電路、位置控制電路、紙帶閱讀機(jī)接口、三個(gè)軸的位置反饋量輸入接口和速度控制量輸出接口、手搖脈沖發(fā)生器接口、I/O擴(kuò)展板接口和六個(gè)小印刷電路板的插槽。 1大板式結(jié)構(gòu)控制核心電路為微機(jī)基本系統(tǒng),由CPU、存儲器、定時(shí)和中斷控制電路組成。存儲器包括ROM和RAM,ROM(常用EPROM)用于固化數(shù)控系統(tǒng)軟件,RAM用于存放可變數(shù)據(jù),如堆棧數(shù)據(jù)和控制軟件暫存數(shù)據(jù),對數(shù)控加工程序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)存儲區(qū)域應(yīng)具有掉電保護(hù)功能,如磁泡存儲器和帶電池的RAM,當(dāng)主電源不供電時(shí),能保持其信息不丟失。六個(gè)插
29、槽內(nèi)分別可插入用于保存數(shù)控加工程序的磁泡存儲器板、附加軸控制板、CRT顯示控制和I/O接口、控制用ROM板、PMC板及當(dāng)位置反饋傳感元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器時(shí)的旋變/感應(yīng)同步器控制板。 控制核心電路為微機(jī)基本系統(tǒng),由CPU、存儲器、定時(shí)和中斷圖318FANUCCNC6MB結(jié)構(gòu)示意圖 圖318FANUCCNC6MB結(jié)構(gòu)示意圖 2功能模塊式結(jié)構(gòu)在采用功能模塊式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中,將整個(gè)CNC裝置按功能的不同劃分為若干個(gè)模塊,硬件和軟件的設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)方法,即每一個(gè)功能模塊被做成尺寸相同的印刷電路板(稱為功能模板),相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。用戶只需按需要選用各種控制單元母板及所需
30、功能模板,并將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi),就搭成了自己需要的CNC系統(tǒng)控制裝置。常見的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、圖形板和通信板等。例如,功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型數(shù)控車床系統(tǒng)框圖如圖319所示,系統(tǒng)由CPU板(為微機(jī)基本系統(tǒng))、存儲器板、顯示控制板、手搖脈沖發(fā)生器接口板、鍵盤和錄音機(jī)接口板、強(qiáng)電輸入接口板、強(qiáng)電輸出接口板、伺服控制接口板和三塊軸反饋板共11塊板組成,連接各模塊的總線可按需選用各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線,如工業(yè)PC總線、STD總線和Q總線等。FANUC系統(tǒng)15系列就采用了功能模塊式結(jié)構(gòu)。 2功能模塊式結(jié)構(gòu)圖319功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型數(shù)控車床系統(tǒng)框圖 圖319功能
31、模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型數(shù)控車床系統(tǒng)框圖 3單微處理器結(jié)構(gòu)單微處理器數(shù)控系統(tǒng)以微處理器(CPU)為核心,CPU通過總線與存儲器以及各種接口相連接,并采用集中控制、分時(shí)處理的工作方式,來完成數(shù)控加工中的各項(xiàng)任務(wù)。圖320為單微處理器結(jié)構(gòu)框圖。 3單微處理器結(jié)構(gòu)圖320單微處理器結(jié)構(gòu)框圖 圖320單微處理器結(jié)構(gòu)框圖 單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置具有如下特點(diǎn):(1)CNC系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)CPU,所有的數(shù)控功能和管理功能,諸如數(shù)控加工程序的輸入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、插補(bǔ)計(jì)算、數(shù)據(jù)輸入輸出、位置控制、人機(jī)交互處理和診斷等功能都依靠它來集中控制,分時(shí)處理。(2)CPU通過總線與存儲器、各種接口(包括紙帶閱讀機(jī)等輸入設(shè)備接口
32、、開關(guān)量接口、MDICRT接口)、位置控制器等相連,從而構(gòu)成CNC系統(tǒng)。(3)結(jié)構(gòu)簡單,容易實(shí)現(xiàn)。 單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控裝置具有如下特點(diǎn):(4)因?yàn)橹挥袉蜟PU集中控制,所以其功能將受到微處理器字長、數(shù)據(jù)尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。由于插補(bǔ)等功能由軟件來實(shí)現(xiàn),因此進(jìn)給速度受到的影響較大。在單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置中,只有一個(gè)微處理器,為了增加這種結(jié)構(gòu)CNC裝置的功能,并提高系統(tǒng)處理速度,可采用下述措施:采用高性能的微處理器;采用協(xié)處理器以增強(qiáng)運(yùn)算功能,提高運(yùn)算處理速度;采用大規(guī)模集成電路來完成一些實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù),諸如插補(bǔ)計(jì)算和位置控制等;采用帶微處理器的CRT控制和PLC等智能部件。
33、 (4)因?yàn)橹挥袉蜟PU集中控制,所以其功能將受到微處理器4多微處理器結(jié)構(gòu)在多微處理器中,由兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU構(gòu)成處理部件。各處理部件之間通過一組公用地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接。每個(gè)CPU都可享用系統(tǒng)公用存儲器或IO接口,并分擔(dān)一部分?jǐn)?shù)控功能,從而將單微處理器的CNC裝置中順序完成的工作,轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔⑻幚砥鞑⑿?、同時(shí)完成的工作,因而大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的性能。多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置大都采用模塊化結(jié)構(gòu),根據(jù)設(shè)備要求選用功能模塊構(gòu)成CNC系統(tǒng)。如果某個(gè)模塊出了故障,其他模塊仍能工作,可靠性高。由于硬件一般是通用的,容易配置,因此只要開發(fā)新的軟件就可以構(gòu)成不同的CNC裝置,這樣便于組織規(guī)模生產(chǎn),能夠
34、形成批量生產(chǎn)并保證質(zhì)量。 4多微處理器結(jié)構(gòu)1)多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的基本功能模塊在設(shè)計(jì)多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置時(shí),可根據(jù)具體情況合理劃分其功能模塊。常見的有下面六種基本功能模塊,如果希望擴(kuò)充功能,則可以再增加相應(yīng)的模塊。(1)CNC管理模塊。它具有管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)工作過程的職能。例如系統(tǒng)初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識別和處理、系統(tǒng)軟/硬件診斷等。(2)CNC插補(bǔ)模塊。它能夠?qū)ぜ庸こ绦蜻M(jìn)行譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算和進(jìn)給速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理工作。然后按給定的插補(bǔ)類型和軌跡坐標(biāo)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,并向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出位置指令值。 1)多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的基本功能模塊
35、(3)位置控制模塊。它將插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置指令值與位置檢測單元反饋回來的實(shí)際位置值進(jìn)行比較,并進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償,最后得到速度控制的模擬電壓,去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。(4)PC模塊。它能夠?qū)庸こ绦蛑械拈_關(guān)功能和來自機(jī)床的信號進(jìn)行邏輯處理,以實(shí)現(xiàn)各功能與操作方式之間的連鎖。例如機(jī)床電氣設(shè)備的啟動(dòng)與停止、刀具交換、回轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算等。 (3)位置控制模塊。它將插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置指令值與位置檢測(5)數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊。它包括加工程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)和各種操作命令的輸入(如通過紙帶閱讀機(jī)、鍵盤或上級計(jì)算機(jī)等)和輸出(如通過打印機(jī)、紙帶穿孔機(jī)等)以及
36、顯示(如通過CRT、液晶顯示器等)所需要的各種接口電路。(6)存儲器模塊。它是存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲器,也可以是各功能模塊間傳送數(shù)據(jù)用的共享存儲器。 (5)數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊。它包括加工程序、參數(shù)、數(shù)2)多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)采用多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置,有共享總線和共享存儲器兩種典型結(jié)構(gòu)。共享總線結(jié)構(gòu)以系統(tǒng)總線為中心,把組成CNC裝置的各種功能模塊劃分為帶有CPU的各種主模塊和不帶CPU的各種從模塊,如管理模塊、控制模塊、插補(bǔ)模塊是主模塊,RAMROM模塊或IO模塊是從模塊。所有主、從模塊共享都是嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線。 2)多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線的作
37、用是有效地連接各個(gè)模塊,并按照要求交換各種數(shù)據(jù)和控制信息,從而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在系統(tǒng)中只有主模塊有權(quán)控制并使用系統(tǒng)總線。當(dāng)多個(gè)主模塊同時(shí)請求使用系統(tǒng)總線時(shí),必須要由仲裁電路判別出各模塊優(yōu)先級的高低,優(yōu)先級的高低按每個(gè)主模塊擔(dān)負(fù)任務(wù)的重要程度預(yù)先安排好??偩€裁決通常有串行方式和并行方式兩種。在串行總線裁決方式中,按連接順序決定優(yōu)先級的高低。對于某個(gè)主模塊來說,只有當(dāng)其前面優(yōu)先級更高的主模塊不占用總線時(shí),才能使用總線。這時(shí),其后優(yōu)先級較低的主模塊不能使用總線。在并行總線裁決中,判別主模塊優(yōu)先級的高低需配置一個(gè)專用邏輯電路,一般采用優(yōu)先權(quán)編碼方案。 系統(tǒng)總線的作用是有效地連接各個(gè)模塊,并按照要求
38、交換各種數(shù)各模塊之間的通信主要由公共存儲器來實(shí)現(xiàn)。公共存儲器直接插在系統(tǒng)總線上,有總線使用權(quán)的主模塊都能訪問,可供任意兩個(gè)主模塊交換信息。能夠支持共享總線結(jié)構(gòu)的總線有:STD總線、MULTIBUS總線、S100總線、VERSA總線以及VME總線等。共享總線結(jié)構(gòu)的典型代表是FANUC15系統(tǒng)。它按功能的不同可將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能模塊,其中帶有CPU的稱為主模塊,不帶CPU的稱為從模塊。根據(jù)不同的配置可選用7、9、11和13個(gè)功能模塊插件板。所有主從模塊都插在配有總線(傳輸速度很快的FANUCBUS)插座的機(jī)柜內(nèi),通過共享總線把各個(gè)模塊有效地連接在一起,并按要求交換各種數(shù)據(jù)和信息,從而組成一個(gè)完
39、整的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)CNC的預(yù)定功能,其硬件結(jié)構(gòu)如圖321所示。 各模塊之間的通信主要由公共存儲器來實(shí)現(xiàn)。公共存儲器直接插圖321FANUC15系統(tǒng)的共享總線結(jié)構(gòu) 圖321FANUC15系統(tǒng)的共享總線結(jié)構(gòu) FANUC15系統(tǒng)的主CPU為Motorola68020(32位),在內(nèi)裝的PLC、軸控制、圖形控制、通信及自動(dòng)編程等功能模塊中也都有各自的CPU,可構(gòu)成最小至最大的系統(tǒng),控制215個(gè)軸。共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)配置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、造價(jià)低、可靠性高。共享總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:總線是系統(tǒng)的“瓶頸”,一旦系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障,整個(gè)系統(tǒng)將受到影響;同時(shí),由于使用總線要經(jīng)仲裁,這就會引起競
40、爭,從而使信息傳輸效率降低。 FANUC15系統(tǒng)的主CPU為Motorola68020共享存儲器結(jié)構(gòu)是面向公共存儲器來設(shè)計(jì)的,即采用多端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互聯(lián)和通信。同共享總線結(jié)構(gòu)一樣,該系統(tǒng)在同一時(shí)刻也只能允許有一主模塊對多端口存儲器進(jìn)行訪問(讀寫),因此,也必須有一套多端口控制邏輯來解決訪問沖突這一矛盾。但由于多端口存儲器設(shè)計(jì)較復(fù)雜,而且對于兩個(gè)以上的主模塊,可能會因爭用存儲器而造成存儲器傳輸信息的阻塞,使系統(tǒng)效率降低,從而給擴(kuò)展功能造成困難,因此一般采用雙端口存儲器(雙端口RAM)。西班牙FAGOR公司的8025系統(tǒng)就是一種共享存儲器結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng),其共享存儲器結(jié)構(gòu)如圖322所示。
41、 共享存儲器結(jié)構(gòu)是面向公共存儲器來設(shè)計(jì)的,即采用多端口來實(shí)圖322FAGOR8025系統(tǒng)的共享存儲器結(jié)構(gòu) 圖322FAGOR8025系統(tǒng)的共享存儲器結(jié)構(gòu) FAGOR8025系統(tǒng)共有3個(gè)CPU:中央CPU負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯和譯碼,刀具和機(jī)床參數(shù)的輸入;顯示CPU把中央CPU的指令和顯示數(shù)據(jù)送到視頻電路進(jìn)行顯示,此外還定時(shí)掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)并送到中央CPU進(jìn)行處理;插補(bǔ)CPU用來完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、I/O控制和RS232通信等任務(wù),另外還向中央CPU提供機(jī)床操作面板開關(guān)狀態(tài)及所需顯示的位置信息等。中央CPU與顯示CPU和插補(bǔ)CPU之間各有512B的公共存儲器用于交換信息。 FAGOR802
42、5系統(tǒng)共有3個(gè)CPU:中央CPU負(fù)責(zé)數(shù)控5專用型結(jié)構(gòu)和個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)專用型結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的硬件由各制造廠家專門設(shè)計(jì)和制造,其布局合理,結(jié)構(gòu)緊湊,專用性強(qiáng),但硬件之間彼此不能交換和替代,沒有通用性。如FANUC數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、美國AB系統(tǒng)、法國NUM系統(tǒng)及我國的一些數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)都屬于專用型結(jié)構(gòu)。個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)是以工業(yè)PC機(jī)作為CNC裝置的支撐平臺,再由各數(shù)控機(jī)床制造廠根據(jù)數(shù)控的需要,插入自己的控制卡和數(shù)控軟件,來構(gòu)成相應(yīng)的CNC裝置的。 5專用型結(jié)構(gòu)和個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)因工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)采用與一般PC機(jī)相同的總線標(biāo)準(zhǔn),所以個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)的CNC系
43、統(tǒng)綜合了一般PC機(jī)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的特點(diǎn),其具體反映在下述幾個(gè)方面:(1)與一般PC機(jī)完全兼容,且易于實(shí)現(xiàn)升級換代。近幾年來,個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣,其豐富的軟件資源和大量的硬件資源給人們提供了一個(gè)極為優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境。又因?yàn)镻C機(jī)的生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì),其生產(chǎn)成本很低,繼而也就降低了CNC系統(tǒng)的成本,修理及更換都很方便。此外,與其他類型的工控機(jī)相比,工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)具有更強(qiáng)的通信功能,各類PC機(jī)均有網(wǎng)絡(luò)適配器,可用以構(gòu)成各種局域網(wǎng)。 因工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)采用與一般PC機(jī)相同的總線標(biāo)準(zhǔn),所以個(gè)人(2)抗干擾和抗惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)采用無源總線底板和結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,全部組件為插入式,帶緊固
44、裝置,能經(jīng)受較強(qiáng)的沖擊、振動(dòng)和電磁干擾。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的主板包括了普通微機(jī)的全部組件和功能(CPU、高速緩沖器Cache、系統(tǒng)內(nèi)存、系統(tǒng)BIOS、RS232C接口、打印機(jī)接口、鍵盤接口、磁盤驅(qū)動(dòng)器接口、時(shí)鐘和擴(kuò)展總線等),并采用表面封裝技術(shù)制造,機(jī)箱內(nèi)有正壓的空氣過濾系統(tǒng),具有抗潮濕和腐蝕性氣體的能力,它還采用了大功率抗干擾的開關(guān)電源。由于個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn),且能滿足用戶對CNC系統(tǒng)硬件通用性的要求,因此有不少數(shù)控廠家都開發(fā)了個(gè)人計(jì)算機(jī)式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng),如美國的ANILAN公司和AI公司。 (2)抗干擾和抗惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)。圖323以工業(yè)PC機(jī)為技術(shù)平臺的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
45、 圖323以工業(yè)PC機(jī)為技術(shù)平臺的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 6NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)由開放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡PC機(jī)構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU,具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng),可以單獨(dú)使用。它開放的函數(shù)庫能提供用戶在Windows平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng),因此這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)造的PMACNC和日本MAZAK公司用三菱電動(dòng)機(jī)的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL640CNC等都是這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。 6NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)7軟件型開放式結(jié)構(gòu)軟
46、件型開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它能提供給用戶最大的選擇和靈活性。它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中,而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部IO之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口,就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在WindowsNT平臺上,利用開放的CNC內(nèi)核開發(fā)所需的各種功能,以構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)。與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比,軟件型開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比,因而最有生命力。其典型產(chǎn)品有美國MDSI公司的OpenCNC和德國PowerAutomation公司的PA8000NT等。 7軟件型開放式結(jié)構(gòu)3.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件 數(shù)控
47、裝置是由軟件和硬件組成的。數(shù)控裝置的許多控制任務(wù),如零件程序的輸入與譯碼,刀具半徑的補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制以及精度補(bǔ)償?shù)榷际怯绍浖?shí)現(xiàn)的。從邏輯上講,這些任務(wù)之間存在著耦合關(guān)系。從時(shí)間上講,這些任務(wù)之間存在著時(shí)序配合問題。在設(shè)計(jì)CNC裝置的軟件(系統(tǒng)軟件)時(shí),如何組織和協(xié)調(diào)這些任務(wù),使之滿足一定的時(shí)序及邏輯關(guān)系,就是CNC軟件結(jié)構(gòu)要考慮的問題。 3.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件 數(shù)控裝置是由軟件和硬件組成的。數(shù)在信息處理方面,軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的,有些由硬件完成的工作,原則上也能由軟件完成,但是硬件處理和軟件處理有不同的特點(diǎn):硬件處理速度快,但造價(jià)高、線路復(fù)雜、故障率高、適應(yīng)性差,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控
48、制功能;而軟件靈活,適應(yīng)性強(qiáng),但處理速度相對較慢。因此,在CNC裝置中,哪些功能應(yīng)由硬件來實(shí)現(xiàn),哪些功能應(yīng)由軟件來實(shí)現(xiàn),即如何合理劃分軟硬件的界面是CNC裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)??偟脑瓌t是:能用軟件完成的功能一般不用硬件來完成;能用微處理器來控制的盡量不用硬件電路來控制。最終用硬件還是軟件通常是由性能價(jià)格比決定的。圖324所示的為3種典型的CNC裝置軟硬件界面。現(xiàn)在的CNC裝置常用后兩種方案(,)。 在信息處理方面,軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的,有些由硬件完圖3243種典型的CNC裝置軟硬件界面 圖3243種典型的CNC裝置軟硬件界面 3.5.1數(shù)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的軟件主要分為系統(tǒng)軟件和
49、應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件包括零件數(shù)控加工程序或其他輔助軟件。系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專用軟件,一般包括系統(tǒng)管理程序、輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、速度控制程序和診斷程序。數(shù)控系統(tǒng)軟件的構(gòu)成如圖325所示。 3.5.1數(shù)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成圖325數(shù)控系統(tǒng)軟件的構(gòu)成 圖325數(shù)控系統(tǒng)軟件的構(gòu)成 1.系統(tǒng)管理程序系統(tǒng)管理程序是系統(tǒng)軟件的主循環(huán)程序,數(shù)控系統(tǒng)通電以后便進(jìn)入這部分程序運(yùn)行。系統(tǒng)管理程序主要由以下四部分組成:(1)初始化部分。同普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣,當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)通電或復(fù)位時(shí),首先應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。例如可編程接口芯片送狀態(tài)控制字,對某些I/O接口設(shè)置初始狀態(tài)標(biāo)志等。另外,對具有掉
50、電保護(hù)和自恢復(fù)功能的系統(tǒng),當(dāng)初始化完畢,系統(tǒng)自檢通過后,還要檢查通電自恢復(fù)狀態(tài)位,如果條件為真,則立即轉(zhuǎn)去恢復(fù)掉電前的系統(tǒng)狀態(tài),并接著掉電前的狀態(tài)執(zhí)行;如果條件不滿足,則轉(zhuǎn)到正常的啟動(dòng)運(yùn)行程序,從控制面板上接收操作命令,并轉(zhuǎn)去執(zhí)行。 1.系統(tǒng)管理程序(2)接收命令環(huán)節(jié)。它的使命是接收操作者的命令,若不是命令,則循環(huán)等待。(3)命令分析。它的任務(wù)是對從鍵盤上輸入的命令進(jìn)行分析,并引導(dǎo)到執(zhí)行該命令的相應(yīng)的處理程序。(4)返回環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是執(zhí)行命令處理程序后,返回到管理程序接收命令環(huán)節(jié),使系統(tǒng)處于等待新的操作的狀態(tài)。 (2)接收命令環(huán)節(jié)。它的使命是接收操作者的命令,若不是命2輸入數(shù)據(jù)處理程序輸入數(shù)
51、據(jù)處理程序接收輸入的零件加工程序,將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼、數(shù)據(jù)處理,并按規(guī)定的格式存放。有的系統(tǒng)還要進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算,或?yàn)椴逖a(bǔ)運(yùn)算和速度控制等進(jìn)行預(yù)計(jì)算。通常,輸入數(shù)據(jù)處理程序包括輸入、譯碼和數(shù)據(jù)處理三項(xiàng)內(nèi)容。(1)輸入程序。它主要有兩個(gè)任務(wù):一個(gè)任務(wù)是從光電閱讀機(jī)或鍵盤輸入零件加工程序,并將其存放在工件程序存儲器中;另一任務(wù)是從工件程序存儲器中把零件加工程序逐段調(diào)出,進(jìn)入緩沖區(qū),以便譯碼時(shí)使用。 2輸入數(shù)據(jù)處理程序(2)譯碼程序。在輸入的工件加工程序中含有工件的輪廓信息、加工速度及其他輔助功能信息,這些信息在計(jì)算機(jī)作插補(bǔ)運(yùn)算與控制操作前必須翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識別的語言。譯碼程序就
52、承擔(dān)著此項(xiàng)任務(wù)。(3)數(shù)據(jù)處理程序。它一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。刀具半徑補(bǔ)償是把工件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化成刀具中心軌跡。速度計(jì)算是解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運(yùn)動(dòng)。另外,諸如換刀、主軸啟/停、切削液開/停等輔助功能也在此程序中處理。 (2)譯碼程序。在輸入的工件加工程序中含有工件的輪廓信息3插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算程序是根據(jù)建立的插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型而編制的運(yùn)算處理程序。通過運(yùn)行插補(bǔ)程序,生成控制數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)的脈沖分配規(guī)律。采用數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)時(shí),則是生成各軸位置增量,該位置增量用數(shù)值來表示。CNC系統(tǒng)是一邊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,一邊進(jìn)行加工的,是一種典型的實(shí)時(shí)控制方式,因此,插補(bǔ)運(yùn)算的快慢
53、直接影響到機(jī)床的進(jìn)給速度,這就應(yīng)該盡可能地縮短運(yùn)算時(shí)間,這是編制插補(bǔ)運(yùn)算程序的關(guān)鍵。 3插補(bǔ)運(yùn)算程序4速度控制程序速度控制程序根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率,以保證預(yù)定的進(jìn)給速度。在速度變化較大時(shí),需要進(jìn)行自動(dòng)加減速控制,以避免因速度突變而造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失步。5.診斷程序診斷程序的功能是在程序運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障,并指出故障的類型。也可以在運(yùn)行前或故障發(fā)生后,檢查系統(tǒng)各主要部件(CPU、存儲器、接口、開關(guān)和伺服系統(tǒng)等)的功能是否正常,并指出發(fā)生故障的部位。 4速度控制程序3.5.2多任務(wù)并行處理技術(shù)1數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)性及并行處理方式CNC系統(tǒng)通常作為一個(gè)獨(dú)立的過程控制單元應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化
54、生產(chǎn)中,因此它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù),這就是CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、I/O處理、顯示和診斷。系統(tǒng)的控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制。在許多情況下,管理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。例如,當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在加工控制狀態(tài)時(shí),為了使操作人員能及時(shí)地了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài),管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行;當(dāng)CNC系統(tǒng)工作在NC加工方式時(shí),管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行;而當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí),其本身的一些處理模塊也必須同時(shí)運(yùn)行。例如,為了保證加工過程的連續(xù)性,即刀具在各程序段之間不停刀,譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必
55、須與插補(bǔ)模塊同時(shí)運(yùn)行,而插補(bǔ)又必須與位置控制同時(shí)進(jìn)行。 3.5.2多任務(wù)并行處理技術(shù)圖326多任務(wù)并行處理關(guān)系圖 圖326多任務(wù)并行處理關(guān)系圖 所謂并行處理是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理最顯著的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)算速度。拿n位串行和n位并行運(yùn)算來比較,在元件處理速度相同的情況下,后者運(yùn)算速度幾乎提高為前者的n倍。這是一種資源重復(fù)的并行處理方法,它是根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則大幅度提高運(yùn)算速度的。并行處理的作用不僅不局限于設(shè)備的簡單重復(fù),它還具有更多的含義,如時(shí)間重疊和資源共享。所謂時(shí)間重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù),使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開,輪
56、流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。而資源共享則是根據(jù)“分時(shí)共享”的原則,使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備,這就大大提高了設(shè)備資源的利用率。 所謂并行處理是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種2資源分時(shí)共享在單CPU的CNC系統(tǒng)中,主要采用CPU分時(shí)共享的原則來解決多任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行處理的問題,使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。一般來說,在使用分時(shí)共享并行處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,首先要解決的問題是各任務(wù)占用CPU時(shí)間的分配原則,這里面有兩方面的含義:其一是各任務(wù)何時(shí)占用CPU;其二是允許各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長短。在CNC系統(tǒng)中,對各任務(wù)使用CPU是用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的方法來解決的。圖32
57、7是一個(gè)典型CNC系統(tǒng)多任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖。 2資源分時(shí)共享圖327典型CNC系統(tǒng)多任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖 圖327典型CNC系統(tǒng)多任務(wù)分時(shí)共享CPU的時(shí)間分配圖 3指令的執(zhí)行方式一條指令執(zhí)行完后,后續(xù)指令的銜接方式有三種:順序方式、重疊方式和流水方式。當(dāng)CNC系統(tǒng)處在NC工作方式時(shí),其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備(包括譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理)、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制四個(gè)子過程組成。如果每個(gè)子過程的處理時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4,那么一個(gè)程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間t1=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個(gè)零件程序段,即第一個(gè)程序段處理完以后再處理第二個(gè)程
58、序段,依此類推,這種順序處理時(shí)的時(shí)間空間關(guān)系如圖328所示。從圖中可以看出,如果等待第一個(gè)程序段處理完之后才開始對第二個(gè)程序段進(jìn)行處理,那么在兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間長度為t1的間隔。同樣,在第二個(gè)程序段與第三個(gè)程序段的輸出之間也會有時(shí)間間隔,依此類推。 3指令的執(zhí)行方式圖328指令順序執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 圖328指令順序執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 而對于重疊的執(zhí)行方式,是指當(dāng)現(xiàn)行程序段尚未執(zhí)行完畢,就去取后續(xù)指令。因?yàn)樵谌〕龅贜1條指令執(zhí)行時(shí),存儲器已經(jīng)空閑,可以提前去取第N2條指令。這樣,第N1條指令的執(zhí)行周期便與第N2條指令的取指周期重疊,使其相應(yīng)的操作并行執(zhí)行。指令重疊執(zhí)行方式
59、的時(shí)間空間關(guān)系如圖329所示。從圖中可以看出兩個(gè)程序段之間有一個(gè)時(shí)間間隔為t2=t1+t2 +t3的時(shí)間間隔。以上兩種指令執(zhí)行方式反映在電動(dòng)機(jī)上就是電動(dòng)機(jī)的時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停,反映在刀具上就是刀具的時(shí)走時(shí)停,這都是加工工藝所不允許的。消除這種現(xiàn)象的辦法就是使用流水處理技術(shù)。而對于重疊的執(zhí)行方式,是指當(dāng)現(xiàn)行程序段尚未執(zhí)行完畢,就去圖329指令重疊執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 圖329指令重疊執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 流水執(zhí)行方式是重疊執(zhí)行方式的引申,它仍基于并行重疊工作原理,但重疊程度進(jìn)一步提高。它是將一條指令的執(zhí)行過程分解為多個(gè)子過程(程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制),每個(gè)子過程由獨(dú)立的功能部件完成,從
60、而構(gòu)成一條流水線。指令流水執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系如圖330所示。指令序列1、2、3、4相繼進(jìn)入流水線,當(dāng)?shù)贜1條指令的指令序列1從程序輸入站流出進(jìn)入插補(bǔ)準(zhǔn)備站時(shí),第N2條指令的指令序列1立即進(jìn)入程序輸入站經(jīng)過流水處理后,雖然一條指令的執(zhí)行速度并沒有提高,但提高了指令序列的執(zhí)行速度。亦即從時(shí)間t4開始,每個(gè)程序段的輸出之間不再有間隔,從而保證了電動(dòng)機(jī)和刀具工作的連續(xù)性。 流水執(zhí)行方式是重疊執(zhí)行方式的引申,它仍基于并行重疊工作原圖330指令流水執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 圖330指令流水執(zhí)行方式的時(shí)間空間關(guān)系 3.5.3實(shí)時(shí)中斷處理1中斷的概念CNC系統(tǒng)控制軟件的另一個(gè)重要特征是實(shí)時(shí)中斷處理。在數(shù)控系
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