《機(jī)床數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第5章

第5章計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)5.1概述

5.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)5.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)5.4計(jì)算機(jī)數(shù)控中的可編程控制器(PLC)知識(shí)拓展本章小結(jié)

(1)CNC系統(tǒng)的概念和組成;

(2)CNC裝置的工作流程、功能和特點(diǎn);

(3)CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)組成和類型;

(4)CNC裝置的軟硬件界面關(guān)系、軟件結(jié)構(gòu)組成和類型;

(5)CNC系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);

(6)刀具補(bǔ)償原理、進(jìn)給速度處理和加減速控制原理;

(7)插補(bǔ)的概念、方法和原理;

(8)PLC的組成、工作原理、分類以及在數(shù)控機(jī)床中的作用。

目前國內(nèi)應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)有很多種,但國外引進(jìn)的居多。市場占有率較大的有日本的FANUC系統(tǒng)、德國的SIEMENS系統(tǒng),其次為法國的NUM系統(tǒng)、西班牙的FAGOR系統(tǒng)、日本的MITSUBISHI、美國的AUENBRADLEY系統(tǒng),國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的典型代表是華中數(shù)控系統(tǒng)。簡述FANUC系統(tǒng)、SIEMENS系統(tǒng)以及華中數(shù)控系統(tǒng)的系列類型有哪些。

5.1概述

5.1.1CNC系統(tǒng)的概念和組成根據(jù)ISO的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng),它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字,并將其譯碼,從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件”。

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制指揮中心,它是由程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程序控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置等組成的系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。機(jī)床的各個(gè)執(zhí)行部件在數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下,有條不紊地按給定程序進(jìn)行零件的切削加工。CNC裝置的核心是計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序,實(shí)現(xiàn)部分或全部控制功能,如圖5-1所示。圖5-1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成

CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組成,如圖5-2所示。硬件是軟件活動(dòng)的舞臺(tái),軟件是整個(gè)裝置的靈魂,整個(gè)CNC裝置的活動(dòng)均依靠軟件來指揮。軟件和硬件各有不同的特點(diǎn),軟件設(shè)計(jì)靈活,適應(yīng)性強(qiáng),但處理速度慢;硬件處理速度快,但成本高。因此,在CNC裝置中,數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)可依據(jù)其控制特性來合理確定軟硬件的比例,可使數(shù)控系統(tǒng)的性能和可靠性大大提高。圖5-2CNC裝置的系統(tǒng)平臺(tái)

5.1.2CNC裝置的工作流程

1.輸入

輸入CNC裝置的有零件程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。常用的輸入方式有鍵盤手動(dòng)輸入、通信接口RS232輸入、連接上一級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入以及通過網(wǎng)絡(luò)通信方式輸入。CNC裝置在輸入過程中還需完成程序校驗(yàn)和代碼轉(zhuǎn)換等工作,輸入的全部信息存放在CNC裝置的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。

2.譯碼處理

譯碼處理程序?qū)⒘慵绦蛞猿绦蚨螢閱挝贿M(jìn)行處理,每個(gè)程序段含有零件的輪廓信息(起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線、圓弧等)、加工速度信息(F代碼)以及輔助指令(M、S、T代碼)信息(如主軸啟停、工件夾緊和松開、換刀、切削液開關(guān)等)。計(jì)算機(jī)通過譯碼程序識(shí)別這些代碼符號(hào),按照一定的規(guī)則翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的(二進(jìn)制)數(shù)據(jù)形式,并存放在指定的存儲(chǔ)器內(nèi)。

3.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能處理。刀具半徑補(bǔ)償是指將零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化為刀具中心軌跡。CNC裝置通過對(duì)刀具半徑的自動(dòng)補(bǔ)償來控制刀具中心軌跡,實(shí)現(xiàn)零件輪廓的加工,從而大大減輕了編程人員的工作量。

速度計(jì)算是將編程所給的刀具移動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算處理。編程所給的刀具移動(dòng)速度是在各坐標(biāo)方向上的合成速度,因此必須將合成速度轉(zhuǎn)化為沿機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的分速度,控制機(jī)床切削加工。

輔助功能處理的主要工作是識(shí)別標(biāo)志,在程序執(zhí)行時(shí)發(fā)出信號(hào),使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,如主軸啟停、換刀、工件夾緊與松開、冷卻液開關(guān)等。

4.插補(bǔ)運(yùn)算與位置控制

插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制是CNC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制,一般在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。插補(bǔ)程序在每個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)行一次,它根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段。通常經(jīng)過若干個(gè)插補(bǔ)周期加工完一個(gè)程序段,即從數(shù)據(jù)段的起點(diǎn)到終點(diǎn),完成零件輪廓某一段曲線的加工。CNC裝置一邊插補(bǔ),一邊加工,具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

位置控制的主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi),將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較,根據(jù)其差值來控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī),進(jìn)而控制機(jī)床工作臺(tái)(或刀具)的位移,加工出所需要的零件。

5.輸入/輸出(I/O)處理

輸入/輸出處理主要是處理CNC裝置和機(jī)床之間的來往信號(hào)輸入、輸出和控制。CNC裝置和機(jī)床之間必須通過光電隔離電路進(jìn)行隔離,確保CNC裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

6.顯示

CNC裝置顯示主要是為操作者提供方便,通常應(yīng)具有零件程序顯示、參數(shù)顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬圖形顯示、報(bào)警顯示等功能。

7.診斷

CNC裝置利用內(nèi)部自診斷程序可以進(jìn)行故障診斷,主要有啟動(dòng)診斷和在線診斷。

啟動(dòng)診斷是指CNC裝置每次從通電開始至進(jìn)入正常的運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)中,系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)診斷程序通過掃描自動(dòng)檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關(guān)外設(shè)等是否都正常。

在線診斷是指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)中,由系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)裝診斷程序,通過定時(shí)中斷掃描檢查CNC裝置本身及外設(shè)。只要系統(tǒng)不停電,在線診斷就持續(xù)進(jìn)行。

5.1.3CNC裝置的功能和特點(diǎn)

1.CNC裝置的功能

數(shù)控系統(tǒng)有多種系列,性能各異,選購時(shí)應(yīng)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類型、工藝性能、性價(jià)比、用途和加工精度綜合考慮。CNC裝置的功能通常包括基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必須具備的數(shù)控功能,選擇功能是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商根據(jù)用戶實(shí)際要求提供的可選擇的數(shù)控功能。

1)基本功能

(1)控制功能。

控制功能主要反映CNC裝置能夠控制和能同時(shí)(聯(lián)動(dòng))控制的軸數(shù)。控制軸有移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸,有基本軸和附加軸。如數(shù)控車床至少需要兩軸聯(lián)動(dòng)(X、Z),數(shù)控銑床、加工中心等需要具有3根或3根以上的控制軸?？刂戚S數(shù)越多,特別是聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多,CNC裝置就越復(fù)雜,成本就越高,編程也越困難。

(2)準(zhǔn)備功能。

準(zhǔn)備功能(G功能)是指用來控制機(jī)床動(dòng)作方式的功能,主要有基本移動(dòng)、程序暫停、坐標(biāo)平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、米英制轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值與相對(duì)值轉(zhuǎn)換等指令。ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)G功能從G00到G99中的大部分指令進(jìn)行了定義,部分可由數(shù)控系統(tǒng)制造商根據(jù)控制需要進(jìn)行定義。G代碼有模態(tài)(續(xù)效)和非模態(tài)(一次性)兩類。

(3)插補(bǔ)功能。

插補(bǔ)功能是指CNC裝置可以實(shí)現(xiàn)各種曲線軌跡插補(bǔ)運(yùn)算的功能,如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和其他二次曲線的與多坐標(biāo)高次曲線的插補(bǔ)。插補(bǔ)運(yùn)算實(shí)時(shí)性很強(qiáng),即CNC裝置插補(bǔ)計(jì)算速度要能同時(shí)滿足機(jī)床坐標(biāo)軸對(duì)進(jìn)給速度和分辨率的要求。它可用硬件或軟件兩種方式來實(shí)現(xiàn),硬件插補(bǔ)方式比軟件插補(bǔ)方式速度快,如日本FANUC公司就采用DDA硬件插補(bǔ)專用集成芯片。但目前由于微處理機(jī)的位數(shù)和頻率的提高,大部分系統(tǒng)還是采用軟件插補(bǔ)方式,并把插補(bǔ)功能劃分為粗、精插補(bǔ)兩步,以滿足其實(shí)時(shí)性要求。軟件每次插補(bǔ)一個(gè)小線段稱為粗插補(bǔ)。根據(jù)粗插補(bǔ)結(jié)果,將小線段分成單個(gè)脈沖輸出,稱為精插補(bǔ)。

(4)進(jìn)給功能。

進(jìn)給功能反映了刀具進(jìn)給速度,一般用F直接指令各軸的進(jìn)給速度。

①切削進(jìn)給速度。

②同步進(jìn)給速度。

③快速進(jìn)給速度。

④進(jìn)給倍率。

(5)主軸功能。

(6)刀具功能。

(7)輔助功能。

(8)字符顯示功能。．

(9)自診斷功能。

2)選擇功能

(1)補(bǔ)償功能。CNC裝置可備有多種補(bǔ)償功能,可以對(duì)加工過程中由于刀具磨損或更換以及機(jī)械傳動(dòng)的絲杠螺距誤差和反向間隙所引起的加工誤差予以補(bǔ)償。

(2)固定循環(huán)功能。固定循環(huán)功能是指CNC裝置為常見的加工工藝所編制的、可以多次循環(huán)加工的功能。

(3)圖形顯示功能。圖形顯示功能一般需要高分辨率的CRT、TFT顯示器。

(4)通信功能。通信功能是指CNC裝置與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。

(5)人機(jī)對(duì)話編程功能。人機(jī)對(duì)話編程功能不但有助于編制復(fù)雜零件的程序,而且可以使編程更加方便。

2.CNC裝置的特點(diǎn)

(1)靈活性大。與硬邏輯數(shù)控裝置相比,靈活性是CNC裝置的主要特點(diǎn)。

(2)通用性強(qiáng)。在CNC裝置中,硬件有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu),而且易于擴(kuò)展,主要依靠軟件變化來滿足機(jī)床的各種不同要求。

(3)可靠性高。CNC裝置的零件程序在加工前一次送入存儲(chǔ)器,并經(jīng)過檢查后方可被調(diào)用,這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機(jī)的故障產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象。

(4)可以實(shí)現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能。

CNC裝置利用計(jì)算機(jī)的高度計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能,如高次曲線插補(bǔ),動(dòng)靜態(tài)圖形顯示,多種補(bǔ)償功能,數(shù)字伺服控制功能等。

(5)使用維修方便。CNC裝置的診斷程序使維修非常方便。

(6)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。由于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展及先進(jìn)的表面安裝技術(shù)的采用,使CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)尺寸大為縮小,容易組成數(shù)控加工自動(dòng)線,如FMC、FMS、DNC和CIMS等。

5.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

5.2.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)組成在CNC裝置的專用計(jì)算機(jī)中,除了與普通計(jì)算機(jī)一樣具有CPU、存儲(chǔ)器、總線、輸入/輸出接口外,還有專門適用于數(shù)控機(jī)床各執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)位置控制的位置控制器,如圖5-3所示。圖5-3CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)組成

5.2.2CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

目前,CNC裝置大都采用微處理器,按其硬件結(jié)構(gòu)中CPU的多少,可分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu);按CNC裝置中各印制電路板的插接方式,可以分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu);還有基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

單微處理機(jī)裝置內(nèi)的所有信息的處理工作都由一個(gè)CPU負(fù)責(zé),它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源,通過分時(shí)處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能,它的優(yōu)點(diǎn)是投資小,結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受CPU的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制?，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多微處理機(jī)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。

1.主從結(jié)構(gòu)

主從結(jié)構(gòu)是指裝置中只有一個(gè)CPU(通稱主CPU),對(duì)整個(gè)裝置的資源(裝置內(nèi)的存儲(chǔ)器、總線)有控制權(quán)和使用權(quán),而其他帶有CPU的功能部件(通稱為智能部件)則無權(quán)控制和使用裝置資源,它只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù),或向主CPU發(fā)出請(qǐng)求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。只有一個(gè)CPU處于主導(dǎo)地位,其他CPU處于從屬地位。

2.多主結(jié)構(gòu)

多主結(jié)構(gòu)是指裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶CPU的功能部件對(duì)裝置資源有控制權(quán)和使用權(quán)。功能部件之間采用緊耦合(即均掛靠在裝置總線上,集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)),有集中的操縱系統(tǒng),通過總線仲裁器(軟件和硬件)來解決爭用總線的一問題,通過公共存儲(chǔ)器來交換裝置內(nèi)的信息。

3.分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)是指裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶有CPU的功能模塊,每個(gè)功能模塊都有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(總線、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)等),功能模塊間采用松耦合,即在空間上可以較為分散,各模塊之間采用通信方式交換信息。

5.2.3單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)

1.單微處理器結(jié)構(gòu)

1)單微處理器的特點(diǎn)

當(dāng)控制功能不太復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求不太高時(shí),多采用單微處理器結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是通過一個(gè)CPU控制系統(tǒng)總線訪問主存儲(chǔ)器。以下三種CNC裝置都屬于單CPU結(jié)構(gòu):

(1)只有一個(gè)CPU,采用集中控制、分時(shí)處理的方式完成各項(xiàng)控制任務(wù)。

(2)雖然有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU,但各微處理器組成主從結(jié)構(gòu),其中只有一個(gè)CPU能夠控制系統(tǒng)總線,占有總線資源;而其他CPU不能控制和使用系統(tǒng)總線,只能接受主CPU的控制,只能作為一個(gè)智能部件工作,處于從屬地位。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入/輸出控制、顯示和診斷等所有數(shù)控功能均由一個(gè)CPU來完成,CPU不堪重負(fù)。因此,常采用增加協(xié)CPU的辦法,由硬件分擔(dān)精插補(bǔ),增加帶有CPU的PLC和CRT控制等智能部件,以減輕主CPU的負(fù)擔(dān),提高處理速度。

單CPU或主從CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。

圖5-4單CPU或主從CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)

2)單CPU結(jié)構(gòu)的形式

單CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置一般采用以下兩種結(jié)構(gòu)形式:

(1)專用型。

專用型CNC裝置的硬件是由生產(chǎn)廠家專門設(shè)計(jì)和制造的,因此不具有通用性。

(2)通用型。

通用型CNC裝置指的是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)(如工業(yè)PC)構(gòu)成的CNC裝置。只要裝入不同的控制軟件,便可構(gòu)成不同類型的CNC裝置,無需專門設(shè)計(jì)硬件,因而通用性強(qiáng),硬件故障維修方便。圖5-5所示為以工業(yè)PC為技術(shù)平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖5-5-以工業(yè)PC為技術(shù)平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3)單微處理器結(jié)構(gòu)的組成

單微處理器CNC裝置的組成如圖5-6所示。微處理器(CPU)通過總線與存儲(chǔ)器(RAM、EPROM)、位置控制器、可編程序控制器(PLC)及I/O接口、MDI/CRT接口、通信接口等相連。圖5-6單微處理器CNC裝置的組成框圖

(1)CPU和總線。

CPU是CNC裝置的核心,由運(yùn)算器及控制器兩大部分組成。運(yùn)算器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算;控制器則是將存儲(chǔ)器中的程序指令進(jìn)行譯碼,并向CNC裝置各部分順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號(hào),并且接收?qǐng)?zhí)行部件的反饋信息,從而決定下一步的命令操作。也就是說,CPU主要擔(dān)負(fù)與數(shù)控有關(guān)的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制任務(wù)。數(shù)據(jù)處理包括譯碼、刀補(bǔ)、速度處理。實(shí)時(shí)控制包括插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制以及對(duì)各種輔助功能的控制。

(2)存儲(chǔ)器。

CNC裝置的存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)兩類。

CNC裝置一般采用EPROM。這種存儲(chǔ)器的內(nèi)容只能由CNC裝置的生產(chǎn)廠家固化(寫入),寫入EPROM的信息即使斷電也不會(huì)丟失,只能被CPU讀出,不能寫入新的內(nèi)容。常用的EPROM有2716、2732、2764、27128、27256等。RAM中的信息既可以被CPU讀出,也可以寫入新的內(nèi)容,但斷電后信息也隨之消失,具有備用電池的RAM方可保存信息。

(3)位置控制器。

位置控制器主要用來控制數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給坐標(biāo)軸的位移量,需要時(shí)將插補(bǔ)運(yùn)算所得的各坐標(biāo)位移指令與實(shí)際檢測的位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較,并結(jié)合補(bǔ)償參數(shù),適時(shí)地向各坐標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)控制單元發(fā)出位置進(jìn)給指令,使伺服控制單元驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置控制是一種同時(shí)具有位置控制和速度控制兩種功能的反饋控制系統(tǒng)。CPU發(fā)出的位置指令值與位置檢測值的差值就是位置誤差,它反映的實(shí)際位置總是滯后于指令位置。位置誤差經(jīng)處理后作為速度控制量控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),使實(shí)際位置總是跟隨指令位置的變化而變化。

(4)可編程序控制器(PLC)。

數(shù)控機(jī)床用PLC可分為“內(nèi)裝型”與“獨(dú)立型”兩種,用于數(shù)控機(jī)床的輔助功能和順序控制。

(5)MDI/CRT接口。

MDI接口即手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入接口,數(shù)據(jù)通過操作面板上的鍵盤輸入。CRT接口是在CNC軟件的配合下,在顯示器上實(shí)現(xiàn)字符和圖形的顯示。

(6)I/O接口。

CNC裝置與機(jī)床之間的信號(hào)通過I/O接口來傳送。輸入接口是指接收機(jī)床操作面板上的各種開關(guān)、按鈕以及機(jī)床上的各種行程開關(guān)和溫度、壓力、電壓等檢測信號(hào)。因此,它分為開關(guān)量輸入和模擬量輸入兩類接收電路,并由接收電路將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成CNC裝置能夠接收的電信號(hào)。

(7)通信接口。

通信接口用來與外設(shè)進(jìn)行信息傳輸,如上一級(jí)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)硬盤、可移動(dòng)磁盤、錄音機(jī)等。

2.多微處理器結(jié)構(gòu)

多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置是將數(shù)控機(jī)床的總?cè)蝿?wù)劃分為多個(gè)子任務(wù),每個(gè)子任務(wù)均由一個(gè)獨(dú)立的CPU來控制。

1)多微處理器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

(1)性能價(jià)格比高。

多微處理器采用多CPU完成各自特定的功能,適應(yīng)多軸控制、高精度、高進(jìn)給速度、高效率的控制要求,同時(shí)由于單個(gè)低規(guī)格CPU的價(jià)格較為便宜,因此其性能價(jià)格比較高。

(2)模塊化結(jié)構(gòu)。

模塊化結(jié)構(gòu)使處理器具有良好的適應(yīng)性與擴(kuò)展性,結(jié)構(gòu)緊湊,調(diào)試、維修方便。

(3)通信功能強(qiáng)。

具有很強(qiáng)的通信功能,便于實(shí)現(xiàn)FMS、FA、CIMS。

2)多微處理器結(jié)構(gòu)的形式

多微處理器的CNC裝置一般采用兩種結(jié)構(gòu)形式,即緊耦合結(jié)構(gòu)和松耦合結(jié)構(gòu)。緊耦合結(jié)構(gòu)由各微處理器構(gòu)成處理部件,處理部件之間采取緊耦合方式,有集中的操作系統(tǒng),共享資源。松耦合結(jié)構(gòu)由各微處理器構(gòu)成功能模塊,功能模塊之間采取松耦合方式,有多重操作系統(tǒng),可以有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。

3)多微處理器結(jié)構(gòu)的組成

(1)組成。

多微處理器的CNC裝置主要由CNC管理模塊、CNC插補(bǔ)模塊、位置控制模塊、存儲(chǔ)器模塊、PLC模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出及顯示模塊等。

①CNC管理模塊。

②CNC插補(bǔ)模塊。

③位置控制模塊。

④存儲(chǔ)器模塊。

⑤PLC模塊。

⑥操作控制數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊。

②CNC插補(bǔ)模塊。

CNC插補(bǔ)模塊用于完成插補(bǔ)前的預(yù)處理,如對(duì)零件程序的譯碼、刀具半徑的補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量的計(jì)算及進(jìn)給速度的處理等。此外還可進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,為各個(gè)坐標(biāo)提供位置給定值。

(2)功能模塊的互連方式。

多CPU的CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)有共享總線和共享存儲(chǔ)器兩類結(jié)構(gòu)。

①共享總線結(jié)構(gòu)。

共享總線結(jié)構(gòu)是以系統(tǒng)總線為中心組成多微處理器CNC裝置,如圖5-7所示。圖5-7多微處理器共享總線結(jié)構(gòu)框圖

按照功能的不同可將系統(tǒng)劃分為若干功能模塊,帶有CPU的模塊稱為主模塊,不帶CPU的稱為從模塊。所有的主、從模塊都插在配有總線插座的機(jī)柜內(nèi)。系統(tǒng)總線的作用是把各個(gè)模塊有效地連接在一起,按照要求交換各種數(shù)據(jù)和控制信息,實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。

這種結(jié)構(gòu)中只有主模塊有權(quán)控制使用系統(tǒng)總線。由于有多個(gè)主模塊,系統(tǒng)通過總線仲裁電路來解決多個(gè)主模塊同時(shí)請(qǐng)求使用總線的矛盾。

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。不足之處是會(huì)引起競爭,使信息傳輸率降低;總線一旦出現(xiàn)故障,會(huì)影響全局。

②共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)是以存儲(chǔ)器為中心組成的多微處理器CNC裝置,如圖5-8所示。

它采用多端口存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的互連和通信,每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線,以供端口訪問,并由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突問題。當(dāng)微處理器數(shù)量增多時(shí),往往會(huì)由于爭用共享存儲(chǔ)器而造成信息傳輸?shù)淖枞?降低系統(tǒng)效率,因此這種結(jié)構(gòu)功能擴(kuò)展比較困難。圖5-8多微處理器共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖

5.2.4大板式和功能模塊式結(jié)構(gòu)

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、ROM/RAM板、PLC板、附加軸控制板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路板,其他電路是小印制電路板,它們插在大印制電路板上的插槽內(nèi),共同構(gòu)成CNC裝置,如圖5-9所示。圖5-9大板式結(jié)構(gòu)示意圖

FANUCCNC6MB就采用這種大板式結(jié)構(gòu),其框圖如圖5-10所示圖5-10FANUCCNC6MB框圖

2.功能模塊式結(jié)構(gòu)

在采用功能模式結(jié)構(gòu)的CNC裝置中,將整個(gè)CNC裝置按功能劃分為硬件模塊和軟件模塊化結(jié)構(gòu)。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制電路板(稱為功能模板),相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。這樣形成了一個(gè)所謂的交鑰匙CNC系統(tǒng)產(chǎn)品系列,用戶只要按需要選用各種控制單元母板及所需功能模板,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)的控制裝置。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,一種功能模塊式結(jié)構(gòu)的全功能型車床數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖5-11所示,系統(tǒng)由CPU板、擴(kuò)展存儲(chǔ)器板、顯示控制板、手輪接口板、鍵盤和錄音機(jī)板、輸入/輸出接口板、強(qiáng)電輸入板、伺服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總線等。FANUC系統(tǒng)15系列就采用了功能模塊化式結(jié)構(gòu)。

圖5-11一種功能模塊式全功能型車床數(shù)控系統(tǒng)框圖

5.2.5-開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.美國的NGC和OMAC計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)

NGC是一個(gè)實(shí)時(shí)加工控制器和工作站控制器,要求適用于各類機(jī)床的CNC控制和周邊裝置的過程控制,包括切削加工(鉆、銑、磨等)、非切削加工(電加工、等離子弧、激光等)、測量及裝配、復(fù)合加工等。

NGC計(jì)劃已于1994年完成了斯勒三大汽車公司在NGC的指導(dǎo)下,聯(lián)合提出了OMAC開發(fā)計(jì)劃,并對(duì)系統(tǒng)框架、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)接口、傳感器接口、信息庫管理和任調(diào)度提出了完整的結(jié)構(gòu)規(guī)范。美國DELTATAU公司利用OMAC協(xié)議,采用PC+PMAC控制卡組成PMAC開放式CNC系統(tǒng)。PMAC卡上具有完整的NC控制功能和方便的調(diào)用接口,與PC采用雙端口、總線、串行接口和中斷等方式進(jìn)行信息交換,只需在通用PC上進(jìn)行簡單的人機(jī)操作界面開發(fā),即可形成各種用途的控制器,滿足不同用戶的需求。NGC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。規(guī)劃研究,并已轉(zhuǎn)入工業(yè)開發(fā)。美國通用、福特和克萊圖5-12NGC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.歐共體的OSACA計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)

OSACA計(jì)劃是針對(duì)歐盟的機(jī)床,其目標(biāo)是使CNC系統(tǒng)開放,允許機(jī)床廠對(duì)系統(tǒng)作補(bǔ)充、擴(kuò)展、修改、裁剪來適應(yīng)不同需要,實(shí)現(xiàn)CNC的批量生產(chǎn),增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的市場競爭力。

目前,SIEMENS、FAGOR、NUM、Index等公司已有數(shù)控產(chǎn)品與OSACA部分兼容。OSACA系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。圖5-13OSACA系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.日本的OSEC計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)

OSEC采用應(yīng)用、控制和驅(qū)動(dòng)三層功能結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)零件造型、工藝規(guī)劃(加工順序、刀具軌跡、切削條件等)、機(jī)床控制處理(程序解釋、操作模塊控制、智能處理等)、刀具軌跡控制、順序控制、軸控制等。

OSEC采用新的接口協(xié)議,它從CAD和生產(chǎn)管理開始,分為CAM和生產(chǎn)監(jiān)控,綜合成為任務(wù)調(diào)度,然后利用各種庫進(jìn)行解釋,形成軸控制及PLC所需信息和數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)床的伺服和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)I/O口控制、信號(hào)處理控制、電動(dòng)機(jī)控制以及電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。OSEC開放系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14OSEC開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

5.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

CNC數(shù)控裝置的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的,是數(shù)控加工的一種專用軟件,又稱為系統(tǒng)軟件(系統(tǒng)程序),其管理作用類似于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置功能和控制方案也不同,因而各系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別較大,各廠家的軟件互不兼容。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的功能大都采用軟件來實(shí)現(xiàn),所以,系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及功能是CNC系統(tǒng)的關(guān)鍵。

5.3.1CNC裝置軟件、硬件的界面

軟件結(jié)構(gòu)取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工,也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運(yùn)行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的,由硬件能完成的工作原則上也可以由軟件完成。硬件處理速度快,但造價(jià)高;軟件設(shè)計(jì)靈活,適應(yīng)性強(qiáng),但處理速度慢。因此CNC裝置中,軟硬件的分工是由性能/價(jià)格比決定的。

在現(xiàn)代CNC裝置中,軟件和硬件的界面關(guān)系是不固定的。早期的NC裝置中,數(shù)控系統(tǒng)的全部功能都由硬件來實(shí)現(xiàn),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)參與了數(shù)控系統(tǒng)的工作,構(gòu)成了計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng),由軟件完成數(shù)控工作。隨著產(chǎn)品的不同、功能要求的不同,軟件和硬件的界面是不一樣的。圖5-15為三種典型CNC裝置的軟硬件界面關(guān)系。圖5-15-三種典型的軟硬件界面關(guān)系

5.3.2系統(tǒng)軟件的組成及結(jié)構(gòu)類型

CNC系統(tǒng)是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。CNC裝置通常作為一個(gè)獨(dú)立的過程控制單元用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中。因此,它的系統(tǒng)軟件包括管理和控制兩大部分。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、I/O處理、通信、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序,控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。

5.3.3CNC系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和中斷結(jié)構(gòu)模式

無論何種類型的結(jié)構(gòu),CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)都具有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷處理的特點(diǎn)。

1.多任務(wù)并行處理

1)CNC裝置的多任務(wù)性

數(shù)控加工時(shí),CNC裝置要完成許多任務(wù)。在多數(shù)情況下,管理和控制的某些工作必須同時(shí)進(jìn)行。

例如,為使操作人員能及時(shí)地了解CNC裝置的工作狀態(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)在插補(bǔ)加工運(yùn)行時(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,即刀具在各程序之間不停刀,譯碼、刀具補(bǔ)償和速度處理模塊必須與插補(bǔ)模塊同時(shí)運(yùn)行,而插補(bǔ)程序又必須與位置控制程序同時(shí)進(jìn)行。

圖5-16給出了CNC裝置的軟件任務(wù)分解圖,反映了它的多任務(wù)性。圖5-17表示了軟件任務(wù)的并行處理關(guān)系,其中雙向箭頭表示兩個(gè)模塊之間有并行處理關(guān)系。圖5-16CNC裝置軟件任務(wù)分解圖5-17軟件任務(wù)的并行處理

2)并行處理

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。并行處理的優(yōu)點(diǎn)能提高運(yùn)行速度。

并行處理分為“資源重復(fù)”并行處理方法、“時(shí)間重疊”并行處理方法和“資源共享”并行處理方法。

(1)資源分時(shí)共享并行處理。

在單CPU的CNC裝置中,主要采用CPU分時(shí)共享的原則來解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。各任務(wù)何時(shí)占用CPU及各任務(wù)占用CPU時(shí)間的長短,則要解決的是兩個(gè)時(shí)間分配問題。在CNC裝置中,各任務(wù)占用CPU用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來解決。圖5-18是一個(gè)典型的CNC裝置各任務(wù)分享CPU的時(shí)間分配圖。圖5-18CNC裝置分享CPU的時(shí)間分配

(2)資源重復(fù)流水并行處理。

當(dāng)CNC裝置在自動(dòng)加工工作方式時(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、插補(bǔ)、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Δt1、Δt2、Δt3、Δt4,那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間將是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以順序方式處理每個(gè)零件程序段,則第一個(gè)零件程序段處理完以后再處理第二個(gè)程序段,依此類推。圖5-19(a)顯示了這種順序處理時(shí)的時(shí)間空間關(guān)系。從圖中可以看出,兩個(gè)程序段的輸出之間有一個(gè)時(shí)間為t的間隔。這種時(shí)間間隔反映在電機(jī)上就是電機(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,這種情況在加工工藝上是不允許的。圖5-19資源重疊流水并處理

2.多重實(shí)時(shí)中斷處理

CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是多重實(shí)時(shí)中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對(duì)象,每個(gè)程序有許多子程序(子過程),它們按預(yù)定的順序反復(fù)執(zhí)行,各步驟間關(guān)系十分密切,有許多子程序?qū)崟r(shí)性很強(qiáng),這就決定了中斷成為整個(gè)系統(tǒng)不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成,而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。

CNC系統(tǒng)的中斷有四種類型。

(1)外部中斷。

外部中斷主要有紙帶光電閱讀機(jī)中斷,外部監(jiān)控中斷(如緊急停、量儀到位等)和鍵盤、操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高,因此將它們放在較高的優(yōu)先級(jí)上,而鍵盤和操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。在有些系統(tǒng)中,甚至用查詢的方式來處理它。

(2)內(nèi)部定時(shí)中斷。

內(nèi)部定時(shí)中斷主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷兩種。在有些系統(tǒng)中,這兩種定時(shí)中斷合二為一。但在處理時(shí),總是先處理位置控制,然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。

(3)硬件故障中斷。

硬件故障中斷是指各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷,如存儲(chǔ)器出錯(cuò)、定時(shí)器出錯(cuò)、插補(bǔ)運(yùn)算超時(shí)等。

(4)程序性中斷。

程序性中斷是指程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷,如各種溢出和除零等。

3.CNC系統(tǒng)中斷的結(jié)構(gòu)模式

1)前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

在前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中,前臺(tái)程序是一個(gè)中斷服務(wù)程序,用于完成全部的實(shí)時(shí)功能。后臺(tái)(背景)程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序,管理軟件和插補(bǔ)準(zhǔn)備在這里完成。后臺(tái)程序運(yùn)行時(shí),實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入,與后臺(tái)程序相配合共同完成零件加工任務(wù)。圖5-20是前、后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中,實(shí)時(shí)中斷程序與背景程序的關(guān)系圖。圖5-20前、后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)

2)中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式

中斷型軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是除了初始化程序之外,整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中,整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的相互通訊來解決。表5-1所示為某CNC系統(tǒng)各級(jí)中斷的主要功能。該中斷優(yōu)先級(jí)共7級(jí),其中0級(jí)為最低優(yōu)先級(jí),實(shí)際上是初始化程序;1級(jí)為主控程序,當(dāng)沒有其他中斷時(shí),該程序循環(huán)執(zhí)行;7級(jí)為最高級(jí)。除了第4級(jí)為硬件中斷(完成報(bào)警功能)之外,其余均為軟件中斷。

(1)0級(jí)中斷程序。

0級(jí)中斷程序是初始化程序,是為整個(gè)系統(tǒng)的正常工作做準(zhǔn)備的。主要完成:①清除RAM工作區(qū);②設(shè)置有關(guān)參數(shù)和偏移數(shù)據(jù);③初始化有關(guān)電路芯片。

(2)1級(jí)中斷程序。

1級(jí)中斷程序是主控程序,即背景程序。當(dāng)沒有其他中斷時(shí),1級(jí)程序始終循環(huán)運(yùn)行。主要完成:①CRT顯示控制;②ROM奇偶校驗(yàn)。

(3)2級(jí)中斷服務(wù)程序。

2級(jí)中斷服務(wù)程序主要工作是對(duì)系統(tǒng)所處的各種工作方式進(jìn)行處理,包括:①自動(dòng)方式;②MDI方式;③點(diǎn)動(dòng)增量方式;④手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給或手輪方式;⑤示教方式;⑥編輯方式。

(4)3級(jí)中斷服務(wù)程序。

3級(jí)中斷服務(wù)程序主要完成:①I/O映像處理,用于PLC開關(guān)量信號(hào)的控制;②鍵盤掃描和處理;③M、S、T處理,將輔助功能,如主軸正、反轉(zhuǎn)(M03、M04),切削液的開、關(guān)(M08、M09),主軸轉(zhuǎn)速(S指令),換刀(M06及T指令)等控制信號(hào)輸出,以控制機(jī)床動(dòng)作。

(5)4級(jí)中斷程序。

當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障時(shí),由系統(tǒng)診斷程序進(jìn)行檢測,并將出錯(cuò)信息以指示燈或CRT顯示出來。

(6)5級(jí)中斷服務(wù)程序。

5級(jí)中斷服務(wù)程序主要完成:①插補(bǔ)運(yùn)算;②坐標(biāo)位置修正;③間隙補(bǔ)償;④加減速控制。

(7)6級(jí)中斷服務(wù)程序。

6級(jí)中斷服務(wù)程序是一種軟件定時(shí)方法。通過這種定時(shí),可以實(shí)現(xiàn)2級(jí)和3級(jí)的16ms定時(shí)中斷,并使其相隔8ms。當(dāng)2級(jí)或3級(jí)中斷還沒有返回時(shí),不再發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。

(8)7級(jí)中斷服務(wù)程序。

當(dāng)紙帶通過光電閱讀機(jī)輸入時(shí),光電閱讀機(jī)每讀到紙帶上一排孔的信息,立即向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào),要求處理所讀到的一個(gè)字符。

以上是一個(gè)典型的單微處理器數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)的位置控制由硬件處理。當(dāng)位置控制用軟件來處理時(shí),則位置控制程序應(yīng)安排在插補(bǔ)程序同一級(jí)或更高級(jí)的中斷服務(wù)程序中。

5.3.4刀具補(bǔ)償原理

CNC系統(tǒng)通過控制刀架的參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)加工軌跡,但在實(shí)際加工中,是使用刀尖或刀刃完成切削任務(wù)的。這樣就需要在刀架參考點(diǎn)與刀具切削點(diǎn)之間進(jìn)行位置偏置,從而使數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象由刀架參考點(diǎn)變換到刀尖或刀刃,這種變換過程就稱之為刀具補(bǔ)償。

刀具補(bǔ)償一般分為刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。對(duì)于不同類型的數(shù)控機(jī)床和刀具,需要刀具補(bǔ)償?shù)念愋鸵膊灰粯?如圖5-21所示。圖5-21不同刀具的補(bǔ)償類型

1.刀具長度補(bǔ)償

刀具長度補(bǔ)償一般應(yīng)用在數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、加工中心等數(shù)控機(jī)床中。圖示為某數(shù)控車床刀具結(jié)構(gòu)圖,圖中P為理論刀尖,S為刀頭圓弧圓心,Rs為刀頭5半徑22,所F為刀架參考點(diǎn)。

在刀具補(bǔ)償中,實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換,即圖中的F與S之間的轉(zhuǎn)換。但在實(shí)際應(yīng)用中,由于不能直接測量F與S兩點(diǎn)之間的距離,因此只能測得理論刀尖P與刀架參考點(diǎn)F之間的距離。圖5-22數(shù)控車床刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)

為計(jì)算刀具補(bǔ)償,現(xiàn)假設(shè)刀頭半徑Rs=0,這樣可采用刀具長度測量裝置測出理論刀尖點(diǎn)P的相對(duì)參考點(diǎn)XPF和ZPF,并存入刀具參數(shù)中,得到

式中,XP、ZP為理論刀尖P點(diǎn)的坐標(biāo);X、Z為刀架參考點(diǎn)F的坐標(biāo)。

由此很容易寫出刀具長度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式為

式中,理論刀尖P的坐標(biāo)(XP,ZP)實(shí)際上就是加工零件軌跡點(diǎn)的坐標(biāo),該坐標(biāo)在數(shù)控加工程序中獲得。經(jīng)過這樣的補(bǔ)償后,能通過控制刀架參考點(diǎn)F來實(shí)現(xiàn)零件輪廓軌跡。

對(duì)于數(shù)控鉆床,鉆床的刀具是鉆頭,其補(bǔ)償只有一個(gè)坐標(biāo)方向需要補(bǔ)償,所以其長度補(bǔ)償比較簡單,只要在Z軸方向進(jìn)行長度補(bǔ)償即可,根據(jù)式(5-2)有

式中,XP、ZP為數(shù)控加工程序中編制的鉆孔的坐標(biāo)值;ZPF為鉆頭長度;X、Z為補(bǔ)償后鉆頭坐標(biāo)值。

2.刀具半徑補(bǔ)償

在數(shù)控機(jī)床上使用圓弧刀具或銑刀加工零件時(shí),加工程序的編制可以有兩種方法,一種是按零件輪廓編程,另一種是按刀具中心(圓心)軌跡編程。按刀具中心軌跡編程需要求出零件輪廓的等距線,這需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算,工作量較大。對(duì)于特殊曲面,這種工作更是不可想象的困難。

數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行用戶程序時(shí),在執(zhí)行到含有G41或G42指令的程序段時(shí),就會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償程序?qū)庸み^程進(jìn)行補(bǔ)償。在刀具半徑補(bǔ)償過程中,一般分為如下三個(gè)步驟:

1)刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕?/p>

刀具由起刀點(diǎn)接近工件,因?yàn)榻⒘说毒哐a(bǔ)償,所以本段程序執(zhí)行后,刀具中心軌跡的終點(diǎn)不在下一段程序輪廓的起點(diǎn),而是在法線方向上偏移一個(gè)刀具半徑的距離。偏移的左右方向決定于G41或G42,如圖5-23所示。圖5-23刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c撤銷

2)刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行

刀具半徑補(bǔ)償一旦建立后,刀具半徑補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)就一直保持到刀具半徑補(bǔ)償撤銷。在刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行期間,刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個(gè)指定的刀具半徑距離。

3)刀具半徑補(bǔ)償?shù)某蜂N

當(dāng)零件的輪廓加工完成后,刀具離開工件,回到起刀點(diǎn)。在回到起刀點(diǎn)的過程中,CNC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶程序中的G40(撤消刀具半徑補(bǔ)償)指令取消刀具半徑補(bǔ)償,使刀具中心回到起刀點(diǎn)。

(1)B功能刀具半徑補(bǔ)償。

B功能刀具半徑補(bǔ)償為基本的刀具半徑補(bǔ)償,它僅根據(jù)本程序段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償,計(jì)算刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。而程序段之間的連接處理則需要編程人員在編程時(shí)進(jìn)行處理,即在零件的外拐角處必須人為地編制出附加圓弧加工程序段,才能實(shí)現(xiàn)尖角過渡,這種方法會(huì)使刀具在拐角處停頓,工藝性差。

(2)C功能刀具半徑補(bǔ)償。

B功能刀具半徑補(bǔ)償在實(shí)現(xiàn)過程中,一般采用讀一段、計(jì)算一段、再走一段的數(shù)據(jù)流控制方式,根本無法考慮到兩個(gè)輪廓之間刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接問題,而這些都要由編程員來解決。要徹底解決上述問題,只有在CNC系統(tǒng)中開發(fā)一種新的刀具半徑補(bǔ)償功能。C功能刀具半徑補(bǔ)償功能就是適應(yīng)這種需求應(yīng)運(yùn)而生的。

圖5-24所示是三種數(shù)控系統(tǒng)的工作流程的比較。圖5-24(a)是普通NC系統(tǒng)的工作方式,編程軌跡作為輸入數(shù)據(jù)送到工作寄存區(qū)AS后,由運(yùn)算器進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償運(yùn)算,再將運(yùn)算結(jié)果送到輸出寄存區(qū)OS,直接作為伺服系統(tǒng)的控制信號(hào)。圖5-24(b)是改進(jìn)后的普通NC系統(tǒng)的工作方式,與圖5-24(a)相比,增加了一組數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存區(qū)BS,節(jié)省了數(shù)據(jù)讀入時(shí)間。AS中存放著正在加工的程序段信息,而BS已經(jīng)存放了下一段所要加工的程序段信息。圖5-24(c)是CNC系統(tǒng)采用的C功能刀具半徑補(bǔ)償方法的原理框圖。與前兩種方法不同的是CNC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)刀具半徑補(bǔ)償緩沖區(qū)CS,零件程序的輸入?yún)?shù)在BS、CS和AS區(qū)內(nèi)的存放格式是完全一樣的。圖5-24三種數(shù)控系統(tǒng)的工作流程

一般的CNC系統(tǒng)中能控制加工的軌跡只有直線和圓弧,前后兩段編程軌跡間共有四種連接形式,即直線與直線連接、直線與圓弧連接、圓弧與直線連接、圓弧與圓弧連接。根據(jù)兩段程序軌跡交接處在工件側(cè)的角度α的不同,直線過渡的刀具半徑補(bǔ)償分為以下三類轉(zhuǎn)接過渡方式:

①180°≤α<360°,縮短型;

②90°≤α<180°,伸長型

③0°≤α<90°,插入型。

α角稱為轉(zhuǎn)接角,其變化范圍為0°≤α<360°。α角規(guī)定為兩個(gè)相鄰輪廓(直線或圓弧)段交點(diǎn)處在工件側(cè)的夾角,如圖5-25所示。圖5-25-轉(zhuǎn)接角定義示意圖

在這三個(gè)步驟中,C功能刀具半徑補(bǔ)償?shù)那闆r也各不相同。

·刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕ⅰ?/p>

如圖5-26所示,分別為縮短型(如圖5-26(a)所示)、伸長型(如圖5-26(b)所示)和插入型(如圖5-26(c)所示)三種情況。第一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧時(shí)不允許進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償操作。圖5-26刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕?/p>

·刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行。

如圖5-27所示,分別為縮短型(如圖5-27(a)所示)、伸長型(如圖5-27(b)所示)和插入型(如圖5-27(c)所示)三種情況。圖5-27刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行

·刀具半徑補(bǔ)償?shù)某蜂N。

如圖5-28所示,分別為縮短型(如圖5-28(a)所示)、伸長型(如圖5-28(b)所示)和插入型(如圖5-28(c)所示)三種情況。第二個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧時(shí)不允許進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償?shù)某蜂N操作。在這里需要特別說明的是,圓弧輪廓上一般不允許進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c撤銷。圖5-28刀具半徑補(bǔ)償?shù)某蜂N

5.3.5-進(jìn)給速度處理和加減速控制

1.進(jìn)給速度的計(jì)算

進(jìn)給速度的計(jì)算因系統(tǒng)不同,方法有很大差別。在開環(huán)系統(tǒng)中,坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度是通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)的,速度計(jì)算的方法根據(jù)程編的F值來確定該頻率值。

1)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)給速度的計(jì)算

在開環(huán)系統(tǒng)中,每輸出一個(gè)脈沖,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一定的角度,驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸進(jìn)給一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離(稱為脈沖當(dāng)量)。插補(bǔ)程序根據(jù)零件的輪廓尺寸和程編進(jìn)給速度的要求,向各個(gè)坐標(biāo)軸分配脈沖。脈沖的頻率決定進(jìn)給速度。進(jìn)給速度F(單位為mm/min)與進(jìn)給脈沖頻率f的關(guān)系為

式中:δ———脈沖當(dāng)量,單位為mm。

2)半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)速度的計(jì)算

在半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中,速度計(jì)算的任務(wù)是確定一個(gè)采樣周期的輪廓步長和各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步長。

直線插補(bǔ)時(shí),首先要求出刀補(bǔ)后一個(gè)直線段(程序段)在X和Y軸上的投影Lx和Ly,見圖5-29。圖5-29速度處理圖5-30速度計(jì)算圖

2.進(jìn)給速度的控制

進(jìn)給速度與加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率有密切關(guān)系,要求進(jìn)給速度穩(wěn)定,有一定的調(diào)速范圍。在CNC裝置中,可用軟件或軟件接口硬件配合實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度控制。常用的方法有計(jì)時(shí)法、時(shí)鐘中斷法及v/ΔL積分法等。

1)程序計(jì)時(shí)法

采用程序計(jì)時(shí)法控制速度時(shí),要計(jì)算每次插補(bǔ)運(yùn)算占用的時(shí)間。由各種進(jìn)給速度要求的進(jìn)給脈沖間隔時(shí)間減去插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間,得到每次插補(bǔ)運(yùn)算后的等待時(shí)間,用空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)對(duì)這段等待時(shí)間計(jì)時(shí)。

點(diǎn)位直線運(yùn)動(dòng)的速度分為升速段、恒速段、降速段等幾個(gè)階段。速度控制過程可用圖5-31所示的框圖描述。圖5-31速度控制

2)時(shí)鐘中斷法

時(shí)鐘中斷法只要求一種時(shí)鐘頻率,用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的插補(bǔ)次數(shù),以達(dá)到進(jìn)給速度控制的目的,其速度要求用每分鐘毫米數(shù)直接給定。該方法適合用于脈沖增量插補(bǔ)原理。

設(shè)F是以mm/min為單位的給定速度。為了換算出每個(gè)時(shí)鐘周期應(yīng)插補(bǔ)的次數(shù)(即發(fā)出的進(jìn)給脈沖數(shù)),要選定一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率,選擇的原則是滿足最高插補(bǔ)進(jìn)給速度要求,并考慮到計(jì)算機(jī)換算的方便,取一個(gè)特殊F值(如F=256mm/min)對(duì)應(yīng)的頻率。該頻率對(duì)給定的速度每個(gè)時(shí)鐘周期插補(bǔ)一次。當(dāng)以0.01mm為脈沖當(dāng)量時(shí),有

故取時(shí)鐘頻率為427Hz。這樣對(duì)F=256mm/min的進(jìn)給速度,恰好每次時(shí)鐘中斷時(shí)做一次插補(bǔ)運(yùn)算。

根據(jù)給定速度換算的結(jié)果F整和F余進(jìn)行給定速度的控制。以圖5-32為例,第一個(gè)時(shí)鐘中斷來到時(shí),F整即是本次時(shí)鐘周期中應(yīng)插補(bǔ)的次數(shù),插補(bǔ)427次(即用427Hz頻率插補(bǔ)),得到512mm/min的速度。圖5-32F=600mm/min經(jīng)換算后的形式

同時(shí)F余沒有丟掉,否則將使實(shí)際速度減小(512mm/min<600mm/min)。F余在本次時(shí)鐘周期保留,并在下次時(shí)鐘中斷到來時(shí),做累加運(yùn)算。若有溢出時(shí),應(yīng)多做一次插補(bǔ)運(yùn)算,并保留累加運(yùn)算的余數(shù),經(jīng)427次插補(bǔ)(即用427Hz頻率插補(bǔ))得到88mm/min的速度。進(jìn)給速度為F整和F余兩個(gè)速度合在一起,即512+88=600mm/min。

3)v/ΔL積分器方法

DDA插補(bǔ)方法中,速度F代碼是用進(jìn)給速度數(shù)(FRN)給定的。將FRN作為與坐標(biāo)積分器串聯(lián)的速度積分器的被積函數(shù),使用經(jīng)計(jì)算得到的累加頻率,可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃俣确e分器溢出頻率。將它作為坐標(biāo)積分器的累加頻率,就能使DDA插補(bǔ)器輸出的合成速度保持恒定。

在插補(bǔ)器接口中(即第二級(jí)插補(bǔ)器)設(shè)置一個(gè)v積分器和一個(gè)1/ΔL積分器,串聯(lián)后構(gòu)成v/ΔL積分器(見圖5-33),其輸出作為坐標(biāo)積分器的積分命令,這樣就可以達(dá)到合成速度恒定的控制要求。圖中±1控制部分在每次升降速時(shí)鐘tn來到時(shí),對(duì)v積分器的被積函數(shù)做一次“加1(或“減1”)運(yùn)算,以達(dá)到升(或降)速的目的。在升降速過程中,因?yàn)関積分器中的被積函數(shù)是按線性規(guī)律變化的,故其溢出脈沖頻率也按線規(guī)律變化,使1/ΔL積分器和各坐標(biāo)積分器的溢出頻率也線性上升或下降,但各坐標(biāo)積分器溢出頻率的比值仍與恒速時(shí)一樣,因此沒有運(yùn)動(dòng)誤差。圖5-33帶v/ΔL積分器的DDA直線插補(bǔ)器

在速度控制中,應(yīng)先算出v和1/ΔL積分器的被積函數(shù)。在升降速時(shí),可根據(jù)速度變化量ΔF計(jì)算升降速的次數(shù)ΔNi,即按升降速時(shí)鐘頻率對(duì)v積分器的被積函數(shù)加或減“1”的次數(shù),達(dá)到

規(guī)定的速度值時(shí),停止加或減速。

3.采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法的CNC裝置加減速控制

在CNC裝置中,為了保證機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩,必須對(duì)進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加減速控制多數(shù)采用軟件來實(shí)現(xiàn),這樣給系統(tǒng)帶來很大的靈活性。加減速控制可以在插補(bǔ)前進(jìn)行,也可以在插補(bǔ)后進(jìn)行,在插補(bǔ)前進(jìn)行的加減速控制稱為前加減速控制,在插補(bǔ)后進(jìn)行的加減速控制稱為后加減速控制。

前加減速控制是對(duì)合成速度———程編指令速度F———進(jìn)行控制,所以它的優(yōu)點(diǎn)是不影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度。前加減速控制的缺點(diǎn)是需要預(yù)測減速點(diǎn),這個(gè)減速點(diǎn)要根據(jù)實(shí)際刀具位置與程序段終點(diǎn)之間的距離來確定,而這種預(yù)測工作需要完成的計(jì)算量較大。

后加減速控制是對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸分別進(jìn)行加減速控制,不需要預(yù)測減速點(diǎn),在插補(bǔ)輸出為零時(shí)開始減速,并通過一定的時(shí)間延遲逐漸靠近程序終點(diǎn)。后加減速的缺點(diǎn)是,由于它對(duì)各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別進(jìn)行控制,實(shí)際各坐標(biāo)軸的合成位置就可能不準(zhǔn)確。但這種影響僅在加減速過程中才會(huì)有,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入勻速狀態(tài)時(shí),這種影響就不存在了。

1)前加減速控制進(jìn)行加減速控制時(shí),首先要計(jì)算出穩(wěn)定速度和瞬時(shí)速度。所謂穩(wěn)定速度.就是系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時(shí),每插補(bǔ)一次(一個(gè)插補(bǔ)周期)的進(jìn)給量。在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中,零件程序段中的速度命令F值(mm/min)需要轉(zhuǎn)換成每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。另外,為了調(diào)速方便,系統(tǒng)設(shè)置了快速和切削進(jìn)給兩種倍率開關(guān)。穩(wěn)定速度的計(jì)算公式為

穩(wěn)定速度計(jì)算完之后,進(jìn)行速度限制檢查。如果穩(wěn)定速度超過由參數(shù)設(shè)定的最高速度,則取限制的最高速度為穩(wěn)定速度。

所謂瞬時(shí)速度,即系統(tǒng)在每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時(shí),瞬時(shí)速度vi=vg,當(dāng)系統(tǒng)處于加速(或減速)狀態(tài)時(shí),vi<vg(或vi>vg)。

(1)線性加減速處理。

當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)、停止或在切削加工中改變進(jìn)給速度時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行加減速處理,常用的有指數(shù)加減速、線性加減速和鐘形加減速等?，F(xiàn)以線性加減速說明其計(jì)算方法。

加減速率分為快速進(jìn)給和切削進(jìn)給速度兩種,它們必須由機(jī)床參數(shù)預(yù)先設(shè)定好。設(shè)進(jìn)給速度為F(mm/min),加速到F所需要的時(shí)間為t(ms),則加/減速度a的計(jì)算公式為

加速時(shí),系統(tǒng)每插補(bǔ)一次都要進(jìn)行穩(wěn)定速度、瞬時(shí)速度和加減速處理。當(dāng)計(jì)算的穩(wěn)定速度v'g大于原來的穩(wěn)定速度vg時(shí),則要加速。每加速一次,瞬時(shí)速率為

新的瞬時(shí)速度vi+1參加插補(bǔ)計(jì)算,對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行分配。圖5-34是加速處理框圖。圖5-34加速處理框圖圖5-35-減速處理框圖

(2)終點(diǎn)判別處理。

在每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束后,系統(tǒng)都要根據(jù)要求給出各軸的插補(bǔ)進(jìn)給量,來計(jì)算刀具中心離開本程序段起點(diǎn)的距離Si,然后進(jìn)行終點(diǎn)判別。在即將到達(dá)終點(diǎn)時(shí),設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。若本程序段要減速,則還需要檢查是否已到達(dá)減速區(qū)域并開始減速。

直線插補(bǔ)時(shí)Si的計(jì)算應(yīng)用公式為

計(jì)算出各坐標(biāo)分量值,取其長軸(如X軸),則瞬時(shí)點(diǎn)A離終點(diǎn)P的距離Si為

式中:α——X軸(長軸)與直線的夾角,見圖5-36所示。圖5-36直線插補(bǔ)終點(diǎn)判別圖5-37圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別

2)后加減速控制

后加減速常用的有指數(shù)加減速和直線加減速兩種。

(1)指數(shù)加減速控制算法。

指數(shù)加減速控制的目的是將啟動(dòng)或停止時(shí)的速度突變成隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升或下降,如圖5-38所示。指數(shù)加減速的速度與時(shí)間關(guān)系為圖5-38指數(shù)加減速

圖5-39是指數(shù)加減控制算法的原理圖。其中Δt表示采樣周期,它在算法中的作用是對(duì)加減速運(yùn)算進(jìn)行控制,即每個(gè)采樣周期進(jìn)行一次加減運(yùn)算。誤差寄存器E的作用是對(duì)每個(gè)采樣周期的輸入速度vc與輸出速度(vc-v)進(jìn)行累加。累加結(jié)果一方面保存在誤差寄存器中,另一方面與1/T相乘,乘積作為當(dāng)前采樣周期加減速控制的輸出v,同時(shí)v又反饋到輸入端,準(zhǔn)備下一個(gè)采樣周期重復(fù)以上過程。圖5-39指數(shù)加減速控制原理

上述過程可以用迭代公式來實(shí)現(xiàn),即

式中,Ei、vi分別為第i個(gè)采樣周期時(shí),誤差寄存器E中的值和輸出速度值,且迭代初值v0、E0為零。

(2)直線加減速控制算法。

直線加減速控制的目的是使機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí),速度沿一定斜率的直線上升或下降,如圖5-40所示,速度變化曲線是OABC。圖5-40直線加減速

直線加減速控制過程如下:

①加速過程。如果輸入速度vc與輸出速度vi-1之差大于一個(gè)常值KL,即vc-vi-1,則使輸出速度增加KL值,即

式中:KL——加減速的速度階躍因子。

②加速過渡過程。

如果輸入速度vc

大于輸出速度vi,但其差值小于KL,則改變輸出速度,使其與輸入速度相等,即vi=vc

。經(jīng)過這個(gè)過程后,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定速度狀態(tài)。

③勻速過程。

在勻速過程中,保持輸出速度不變,即vi=vi-1,但此時(shí)的輸出vi不一定等于vc。

④減速過渡過程。

如果輸入速度vc

小于輸出速度vi-1,但其差值小于KL,則改變輸出速度,使其減小到與輸入速度相等,即vi=vc

。

⑤減速過程。

如果輸入速度vc

小于輸出速度vi-1,且差值大于KL,即vi-1-vc

>KL時(shí),改變輸出速度,使其減小KL值,即vi=vi-1-KL。

5.3.6數(shù)控插補(bǔ)原理

1.插補(bǔ)的基本概念

在數(shù)控機(jī)床中,機(jī)床的移動(dòng)部件(刀具或工件)是一步一步移動(dòng)的,移動(dòng)部件所能夠移動(dòng)的最小位移量叫機(jī)床的脈動(dòng)當(dāng)量。脈動(dòng)當(dāng)量是機(jī)床移動(dòng)部件一步所移動(dòng)的距離,也叫機(jī)床的最小分辨率。

例如,被加工零件的廓形是直線OE(見圖5-41)。在數(shù)控機(jī)床加工加工該零件廓形時(shí),可以讓刀具(以后討論中都假定工件不動(dòng),刀具動(dòng))沿圖中實(shí)折線O→A'→A→B'→B→C'→C→D'→D→E'→E進(jìn)給,也可以讓刀具沿圖中虛線O→A″→A→B″→B→C″→C→D″→D→E″→E進(jìn)給,或其他進(jìn)給路線。刀具沿什么的折線進(jìn)給,由機(jī)床的數(shù)據(jù)系統(tǒng)決定。絕大多數(shù)機(jī)器零件的輪廓都由直線和圓弧構(gòu)成,因此數(shù)據(jù)系統(tǒng)必須滿足機(jī)床加工直線和圓弧的基本要求。圖5-41插補(bǔ)軌跡

2.插補(bǔ)方法的分類

根據(jù)插補(bǔ)所采用的原理和計(jì)算方法的不同,可有許多插補(bǔ)方法,目前應(yīng)用的插補(bǔ)方法分為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法兩大類。

1)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法

基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法又稱脈沖增量插補(bǔ)法或行程標(biāo)量插補(bǔ)法。這種插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束后,數(shù)控裝置向每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)輸出基準(zhǔn)脈沖序列。

2)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法

數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法又稱為數(shù)據(jù)增量插補(bǔ)方法或時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)方法。這類插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是數(shù)控裝置產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖,而是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制字。插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成:第一步為粗插補(bǔ),在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上插入若干個(gè)點(diǎn),即用若干條微小直線段來逼近給定曲線,每一條微小直線段的長度ΔL都相等,且與給定進(jìn)給速度有關(guān)。粗插補(bǔ)在每個(gè)插補(bǔ)周期T中計(jì)算一次,每個(gè)微小直線段的長度ΔL與進(jìn)給速度F和插補(bǔ)周期T成正比例關(guān)系,即ΔL=F·T。第二步為精插補(bǔ),它是在粗插補(bǔ)算出的每一微小直線段的基礎(chǔ)上再作“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作。這一步相當(dāng)于對(duì)直線的脈沖增量插補(bǔ)。

3.逐點(diǎn)比較法

逐點(diǎn)比較法的原理是,計(jì)算機(jī)在控制加工過程中,能逐點(diǎn)地計(jì)算和判別加工偏差,以控制坐標(biāo)進(jìn)給,并按規(guī)定圖形加工出所需要的工件,其進(jìn)給是步進(jìn)式的。逐點(diǎn)比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的,插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量,因而只需將脈沖當(dāng)量(即每走一步的距離)取得足夠小就可達(dá)到加工精度的要求。逐點(diǎn)比較法既可做直線插補(bǔ),又可做圓弧插補(bǔ)。

1)直線插補(bǔ)

(1)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理。

如圖5-42所示,以第一象限的直線OA為例,終點(diǎn)A坐標(biāo)為(Xe,Ye),起點(diǎn)為加工原點(diǎn)。m(Xm,Ym)為加工動(dòng)點(diǎn),若m在OA直線上,則有

取圖5-42逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理

作為直線插補(bǔ)的偏差判別式,則有:

若Fm=0,表明m點(diǎn)在OA直線上;

若Fm>0,表明m點(diǎn)在OA直線上方的m'處;

若Fm<0,表明m點(diǎn)在OA直線下方的m″處。

從上述過程可以看出,逐點(diǎn)比較法中每走一步都要完成四項(xiàng)內(nèi)容:

①偏差判別。判別偏差符號(hào),確定加工點(diǎn)是在要求的圖形外還是圖形內(nèi)。

②坐標(biāo)進(jìn)給。根據(jù)偏差情況,確定控制X坐標(biāo)(或Y坐標(biāo))進(jìn)給一步,使加工點(diǎn)向規(guī)定圖形靠攏,以縮小偏差。

③偏差計(jì)算。計(jì)算進(jìn)給一步后加工點(diǎn)與要求圖形的新偏差,作為下一步偏差判別的依據(jù)。

④終點(diǎn)判別。根據(jù)這一步的進(jìn)給結(jié)果,判定是否到達(dá)終點(diǎn)。如果未到終點(diǎn),繼續(xù)插補(bǔ);如果已到終點(diǎn),停止插補(bǔ)。

圖5-43不同象限直線的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)

當(dāng)Fm<0時(shí),為了逼近圓弧,應(yīng)向+Y方向走一步,坐標(biāo)值為

則有

(2)終點(diǎn)判別。

若已到達(dá)終點(diǎn),則停止插補(bǔ);若未到達(dá)終點(diǎn),則重復(fù)上述過程。終點(diǎn)判斷常用的方法有如下兩種:一種是用X、Y方向應(yīng)走總步數(shù)之和Σ來判斷,每進(jìn)給一步,均進(jìn)行Σ-1計(jì)算,至Σ=0時(shí)停止插補(bǔ);另一種方法是用圓弧末端來選取,如末端離Y(X)軸近,則選取X(Y)的坐標(biāo)值作為Σ,只要在該坐標(biāo)方向進(jìn)給一步,則進(jìn)行Σ-1計(jì)算,判斷Σ是否為零。若Σ=0,則停止插補(bǔ);若Σ≠0,則繼續(xù)插補(bǔ)。

例如,第一象限逆時(shí)針走向的圓弧AB︵,起點(diǎn)為A(5,0),終點(diǎn)為B(0,5),如圖5-45所示,其插補(bǔ)運(yùn)算見表5-3。圖5-45-圓弧插補(bǔ)軌跡

(3)四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)計(jì)算。

如圖5-46所示,用SRl、SR2、SR3、SR4分別表示第一、第二、第三、第四象限的順圓弧,用NRl、NR2、NR3、NR4分別表示第一、第二、第三、第四象限的逆圓弧。圖5-46

圓弧所在的象限不同,順序不同,則插補(bǔ)公式和進(jìn)給方向也不同,共有八種情況。表5-4列出了八種圓弧插補(bǔ)的偏差計(jì)算公式和進(jìn)給方向,其中Xm、Ym、Xm+1、Ym+1都是動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值。

3)逐點(diǎn)比較法的軟件實(shí)現(xiàn)方法

在CNC系統(tǒng)中,用軟件實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)是很方便的。第一象限直線插補(bǔ)流程如圖5-47所示,第一象限逆圓插補(bǔ)流程如圖5-48所示。圖5-47第一象限直線插補(bǔ)流程圖5-48第一象限逆圓插補(bǔ)流程

4.數(shù)字積分法

數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析器(DDA,DigitalDifferentialAnalyzer),DDA運(yùn)算速度快,脈沖分配均勻,容易實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),故在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如圖5-49所示,函數(shù)Y=f(x)求積分的運(yùn)算就是求此函數(shù)曲線所包圍的面積。圖5-49DDA法的原理

動(dòng)點(diǎn)從原點(diǎn)O出發(fā)走向終點(diǎn)A的過程,可看做是X坐標(biāo)軸和Y坐標(biāo)軸每隔一個(gè)單位時(shí)間Δt,分別以增量KXe及KYe同時(shí)對(duì)兩個(gè)累加器累加的過程。當(dāng)累加值超過一個(gè)坐標(biāo)單位(脈沖當(dāng)量)時(shí)產(chǎn)生溢出,溢出脈沖驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)給一個(gè)脈沖當(dāng)量,從而走出給定直線OA。

可見,若累加器的位數(shù)為n,則從直線起點(diǎn)到終點(diǎn)的整個(gè)插補(bǔ)過程中要進(jìn)行2n次累加。由于K=1/2n(n為寄存器的位數(shù)),對(duì)于存放于寄存器中的二進(jìn)制數(shù)來說,KXe(或KYe)與Xe(或Ye)是相同的,可以看做前者小數(shù)點(diǎn)在最高位之前,而后者的小數(shù)點(diǎn)在最低位之后。因此,可以用Xe直接對(duì)X軸累加器進(jìn)行累加,用Ye直接對(duì)Y軸的累加器進(jìn)行累加。

平面直線的插補(bǔ)運(yùn)算框圖如圖5-50所示,每個(gè)坐標(biāo)的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器組成。在被積函數(shù)寄存器中存放終點(diǎn)坐標(biāo)值,每隔一個(gè)時(shí)間間隔Δt,將被積函數(shù)的值向各自的累加器中累加。X軸的累加器溢出的脈沖驅(qū)動(dòng)X軸走步,Y軸累加器溢出脈沖驅(qū)動(dòng)Y軸走步。圖5-50平面直線插補(bǔ)運(yùn)算框圖

例如當(dāng)n=4時(shí),對(duì)第一象限的直線OA進(jìn)行DDA插補(bǔ),O、A坐標(biāo)分別為(0,0)、(10,6),插補(bǔ)計(jì)算過程見表5-5,插補(bǔ)軌跡如圖5-51所示。圖5-51數(shù)字積分法直線插補(bǔ)軌跡

2)圓弧插補(bǔ)

如圖5-52所示,以第一象限逆圓為例討論數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)原理。圖5-52數(shù)字積分法圓插補(bǔ)

坐標(biāo)方向的位移增量為

可得出第一象限逆圓加工時(shí)數(shù)字積分法插補(bǔ)表達(dá)式為

DDA圓弧插補(bǔ)具有下面一些特點(diǎn):

(1)X軸被積函數(shù)寄存器累加得到的溢出脈沖作為Y軸的進(jìn)給脈沖,而Y軸被積函數(shù)寄存器累加得到的溢出脈沖則作為X軸的進(jìn)給脈沖。

(2)X、Y軸坐標(biāo)被積函數(shù)寄存器分別存放圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)X0和Y0。每發(fā)出一個(gè)進(jìn)給脈沖后,必須將被積函數(shù)寄存器內(nèi)的坐標(biāo)值加以修正。

數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程對(duì)于不同象限、圓弧的不同走向都是相同的,只是溢出脈沖的進(jìn)給方向?yàn)檎驗(yàn)樨?fù),以及被積函數(shù)JVX(Xi),JVY(Yi)是進(jìn)行“加1”修正或“減1”修正有所不同而已,具體情況見表5-6。

5.數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,以直流伺服特別是交流伺服為驅(qū)動(dòng)元件的計(jì)算機(jī)閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)已成為數(shù)控的主流。采用這類伺服系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng),一般采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。

數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法是指根據(jù)編程的進(jìn)給速度,將輪廓曲線分割為插補(bǔ)采樣周期的進(jìn)給段,即輪廓步長。在每一插補(bǔ)周期中,插補(bǔ)程序被調(diào)用一次,為下一進(jìn)給周期計(jì)算出各坐標(biāo)軸應(yīng)該行進(jìn)的增長段(而不是單個(gè)脈沖)ΔX或ΔY等,然后再計(jì)算出相應(yīng)插補(bǔ)點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn))位置的坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)的核心問題是計(jì)算出插補(bǔ)周期的瞬時(shí)進(jìn)給量。

對(duì)于直線插補(bǔ),用插補(bǔ)所形成的步長子線段逼近給定直線,與給定直線重合。在圓弧插補(bǔ)時(shí),用切線、弦線和割線逼近圓弧,常用的是弦線或割線。

圓弧插補(bǔ)常用弦線逼近的方法,如圖5-53所示。圖5-53用弦線逼近圓弧

可以看出,在圓弧插補(bǔ)時(shí),插補(bǔ)周期l分別與精度eR、半徑R和速度F有關(guān)。如果以弦線誤差作為最大允許的半徑誤差,要得到盡可能大的速度,則插補(bǔ)周期要盡可能小;當(dāng)eR給定時(shí),小半徑比大半徑的插補(bǔ)周期小。但插補(bǔ)周期的選擇要受計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制,插補(bǔ)周期應(yīng)大于插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間與完成其他實(shí)時(shí)任務(wù)所需時(shí)間之和。

時(shí)間分割插補(bǔ)法是典型的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法。下面介紹時(shí)間分割法直線插補(bǔ)原理和時(shí)間分割法圓弧插補(bǔ)原理。

時(shí)間分割法是指每隔時(shí)間t(ms)進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算,即先通過速度計(jì)算,按進(jìn)給速度F(mm/min)計(jì)算t(ms)時(shí)間內(nèi)的合成進(jìn)給量f,然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算,并送出t(ms)時(shí)間內(nèi)各軸的進(jìn)給量。合成進(jìn)給量f為

1)時(shí)間分割法直線插補(bǔ)法原理

如圖5-54所示,設(shè)要求刀具在XOY平面內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng),直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,終點(diǎn)為A(Xe,Ye)。當(dāng)?shù)毒邚腛移動(dòng)到A點(diǎn)時(shí),X軸與Y軸移動(dòng)的增量分別為Xe和Ye。設(shè)需加工直線與X軸的夾角為α,Om為已計(jì)算出的一次插補(bǔ)進(jìn)給量f,則有

而

式中:ΔX———X軸插補(bǔ)進(jìn)給量;

ΔY———Y軸插補(bǔ)進(jìn)給量。圖5-54時(shí)間分割法直線插補(bǔ)

2)時(shí)間分割法圓弧插補(bǔ)原理

時(shí)間分割法圓弧插補(bǔ)是用一段等長度的弦去逼近實(shí)際的圓弧,每一插補(bǔ)周期內(nèi)插補(bǔ)一段弦,再由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和圓弧半徑,計(jì)算由前一插補(bǔ)點(diǎn)到后一插補(bǔ)點(diǎn)兩坐標(biāo)軸的進(jìn)給量ΔX、ΔY。

如圖5-55所示的第一象限順時(shí)針圓弧,設(shè)刀具由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),A(X=,Y=)為圓上某一點(diǎn),B(X=,Y=)為下一插補(bǔ)點(diǎn)。AP為A點(diǎn)的切線,AB為本次插補(bǔ)的合成進(jìn)給量。AB==,M為AB之中點(diǎn),則有圖5-55-時(shí)間分割法圓弧插補(bǔ)

間分割插補(bǔ)法用弦線逼近圓弧,因此插補(bǔ)誤差主要為半徑的絕對(duì)誤差。由于插補(bǔ)周期是固定的,該誤差取決于進(jìn)給速度和圓弧半徑,見式(5-31)。為此,當(dāng)加工圓弧半徑確定后,為了使徑向誤差不超過允許值,必須對(duì)進(jìn)給速度有一個(gè)限制。

5.4計(jì)算機(jī)數(shù)控中的可編程控制器(PLC)

5.4.1PLC的概念及其在工業(yè)中的應(yīng)用可編程控制器(簡稱PLC)是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。PLC以其可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、使用極為方便這三大特點(diǎn),在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具,適用于電力、紡織、機(jī)械、鋼鐵、造紙、食品、化學(xué)等各種工業(yè)部門。

1)PLC在開關(guān)量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC在開關(guān)量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是可編程控制器最基本的控制功能,可用來取代繼電器控制裝置,如機(jī)床電氣控制;還可以用來取代順序控制和程序控制,如高爐上料系統(tǒng)、電梯控制、電廠物料輸送系統(tǒng)等?？梢?它既可用于單機(jī)控制,又可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制。

2)PLC在模擬量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過數(shù)/模(D/A)和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊,可編程控制器可以對(duì)模擬量進(jìn)行采集和控制,如溫度監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)今各可編程控制器制造廠商相繼推出了各種智能模塊,如PID控制模塊、位置控制模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等。通過這些模塊的使用,PLC不僅可以完成傳統(tǒng)的順序控制的功能,而且可以實(shí)現(xiàn)過程控制,如PLC的PID調(diào)節(jié)控制,已經(jīng)廣泛用于鍋爐、冷凍、反應(yīng)堆、水處理器、釀酒等。位置控制模塊的使用,使得可編程控制器能夠用于機(jī)械加工的行程控制。

3)PLC在分級(jí)分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在分布式控制系統(tǒng)中,PLC作為單元控制器,在現(xiàn)場對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。通過加入通信模塊,PLC與上級(jí)計(jì)算機(jī)之間、其他的PLC之間可以實(shí)現(xiàn)信息的交互,使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。如在FMS生產(chǎn)線中就經(jīng)常采用具有通信模塊的PLC來實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元的控制功能。

5.4.2PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

1.PLC在數(shù)控機(jī)床中所起的作用

在機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中,控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩大部分。數(shù)字控制部分控制刀具軌跡,而順序控制部分控制輔助機(jī)械動(dòng)作。這種輔助機(jī)械動(dòng)作控制通常稱為強(qiáng)電控制,它以主軸轉(zhuǎn)速S、刀具選擇T和輔助機(jī)能M為代碼信息送入數(shù)控系統(tǒng),經(jīng)系統(tǒng)的識(shí)別、處理,轉(zhuǎn)換成與輔助機(jī)械動(dòng)作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào),使執(zhí)行環(huán)節(jié)作相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作。

在機(jī)床電器控制中,PLC順序控制的任務(wù)隨數(shù)控機(jī)床的類型、結(jié)構(gòu)、輔助裝置等的不同而有很大差別,主要可以歸納為如下幾方面:

(1)機(jī)床主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)控制、主軸轉(zhuǎn)速的控制、倍率的選擇。

(2)機(jī)床冷卻、潤滑系統(tǒng)的接通和斷開。

(3)機(jī)床刀庫的啟停和刀具的選擇、更換。

(4)機(jī)床卡盤的夾緊、松開。

(5)機(jī)床自動(dòng)門的打開、閉合。

(6)機(jī)床尾座和套筒的起停、前進(jìn)、后退控制。

(7)機(jī)床排屑等輔助裝置的控制。

2.數(shù)控機(jī)床用PLC的分類

數(shù)控機(jī)床用PLC可以分為內(nèi)裝型(Built-inType)PLC和獨(dú)立型(Stand-aloneType)PLC兩類。

1)內(nèi)裝型PLC

內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置,PLC與NC間的信號(hào)傳送在CNC裝置內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)。PLC的輸入/輸出信號(hào)則通過CNC的輸入/輸出接口電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送,如圖5-56所示。圖5-56具有內(nèi)裝型PLC的CNC機(jī)床系統(tǒng)框圖

內(nèi)裝型PLC有如下特點(diǎn):

(1)內(nèi)裝型PLC實(shí)際上是CNC裝置帶有PLC的功能,一般作為一種基本的或可選擇的功能提供給用戶。它的性能指標(biāo)如輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、程序最大步數(shù)、每步執(zhí)行時(shí)間、程序掃描周期、功能指令數(shù)目等是根據(jù)所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機(jī)床的類型等確定。內(nèi)裝型PLC的硬件和軟件部分是與CNC系統(tǒng)其他功能一起統(tǒng)一設(shè)計(jì)制造的。因此,它的硬、軟件整體結(jié)構(gòu)緊湊,功能的針對(duì)性強(qiáng),技術(shù)指標(biāo)也較合理、實(shí)用,尤其適用于單機(jī)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用場合。

(2)在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上,內(nèi)裝型PLC可與CNC共用CPU,也