《數(shù)控技術(shù)及應用》第3章計算機數(shù)控系統(tǒng).ppt

1、2,第3章 計算機數(shù)控系統(tǒng),從前的NC裝置是由各種邏輯元件、記憶元件和邏輯電路組成的，是一種固定接線的硬件結(jié)構(gòu)，由硬件來實現(xiàn)數(shù)控功能。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，由于微型計算機(以下簡稱微機)集成度高、體積小、可靠性好且價格低廉，很快被用于數(shù)控系統(tǒng)，稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))。計算機數(shù)控裝置可以是采用存儲程序的專用計算機，也可以采用通用計算機加上接口電路板組成。它由軟件來實現(xiàn)其部分或全部數(shù)控功能，具有良好的“柔性”，很容易通過軟件來改變或擴展其功能，以適應各類數(shù)控機床的特殊要求。采用了計算機的數(shù)控機床，綜合了計算機、傳感器和測量技術(shù)、自動控制和機械制造等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，為柔性制造系統(tǒng)(FM

2、S)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,3,3.1 CNC系統(tǒng)的組成和計算機的功用,3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成 圖3.1是一個典型的CNC系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)由數(shù)控計算機、程序輸入/輸出裝置和機床控制裝置三部分組成。,4,3.1.2 CNC系統(tǒng)中的計算,1. 計算機的作用 機床數(shù)控系統(tǒng)主要是一種位置控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)接收工件加工程序后，識別程序所注明的加工方式和加工尺寸，根據(jù)這些數(shù)據(jù)插補出理論的刀具軌跡，然后將插補的結(jié)果，輸出到執(zhí)行部件，使刀具按軌跡加工出所需形狀的工件來。 2. 計算機的工作過程 (1)工件加工程序的輸入、編輯和存儲。 (2)工件加工程序的譯碼處理。 (3)

3、機床狀態(tài)的監(jiān)測。 (4)刀具補償。 (5)插補計算。 (6)伺服控制。 (7)故障診斷。 3. 計算機的硬件結(jié)構(gòu) (1)單微處理器結(jié)構(gòu)。 (2)多微處理器結(jié)構(gòu)。,5,3.1.3 CNC系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器,可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱為可編程控制器(PLC)。PLC誕生于1969年，最初應用于汽車制造業(yè)的自動生產(chǎn)線等順序控制的場合。由于其性能優(yōu)越，可靠性高，現(xiàn)已取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯，大量應用于各種機械和生產(chǎn)過程的控制，成為工業(yè)自動化的重要部件。 1. PLC在數(shù)控機床中的功用 2. PLC的工作原理 3. PLC與CNC功能系統(tǒng)的連接

4、(1)通用型PLC (2)內(nèi)置式(集成式),6,3.1.4 機床控制I/O部件的實現(xiàn),CNC系統(tǒng)要實現(xiàn)對機床的控制及其狀態(tài)的檢測，需要由專門的機床控制I/O部件來完成。因此，與普通的I/O接口相比，具有以下幾個顯著特點： (1)能夠在計算機與輸入/輸出裝置之間進行必要的信息形式的轉(zhuǎn)換。 (2)能夠輸入并可靠地傳送控制機床動作的相應控制信息，同時應具備阻斷或抑制干擾信號進入計算機的能力，防止誤動作，增加可靠性。 1. 光電隔離電路 2. 信息轉(zhuǎn)換電路舉例,7,3.2 數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,3.2.1 概述 模塊之間的信息都可以通過母板進行交換。此外，每個模塊與外設(shè)或控制對象的聯(lián)系是靠模塊另一端的

5、連接插座引出各種控制信號，或從控制現(xiàn)場輸入信息。采用標準總線模塊化設(shè)計時，對每一模塊的設(shè)計布局也有所規(guī)定，它主要是按照功能分布，將模塊上的電氣元件和電路作出合理安排。一般的原則是使每個模塊的總線接口與I/O接口之間呈直線連接，盡量使信息傳輸路徑最短。這樣，一方面降低了總線信號和I/O信號之間的干擾，提高了可靠性，另一方面也便于故障診斷和維修。數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計有下列優(yōu)點： (1)提高了設(shè)計效率，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期。 (2)通用性強，易于改進和擴展系統(tǒng)功能。 (3)有利于提高可靠性。 (4)便于調(diào)試和維修。 (5)降低了生產(chǎn)成本。,8,3.2.2 總線標準,1. 總線結(jié)構(gòu) 總線包括外部總線(如

6、串行總線、并行總線)和內(nèi)部總線。這里所說的總線為內(nèi)部總線。所謂總線是指為多個功能部件服務的信息線。通常作為標準應從它的物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性等四個方面詳細地向外界公布，以供用戶使用。 2. 常用的標準總線 (1)S-100總線 (2)多總線(Multibus) (3)VME總線 (4)STD總線 3. 總線標準的選擇 (1)根據(jù)CPU來選擇 (2)根據(jù)模塊的幾何尺寸來選擇 (3)根據(jù)總線的技術(shù)性能來選擇,9,3.2.3 總線功能模塊,模塊化設(shè)計CNC系統(tǒng)時，選擇總線功能模塊是其主要任務。模塊選擇恰當，將會得到性價比更高的系統(tǒng)。以下分別敘述主要模塊的選擇。 1. CPU模塊 CP

7、U模塊主要由微處理器、內(nèi)部存儲器和時鐘電路等組成。 2. 存儲器模塊 存儲器模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)存的擴充。 3. I/O模塊 I/O模塊的種類較多，主要有數(shù)字量I/O、模擬量I/O、工業(yè)用I/O等模塊和外部設(shè)備控制器等。 4. 專用功能模塊 (1)中斷控制器 (2)定時/計數(shù)器 (3)時鐘模塊 (4)掉電處理模塊 (5)伺服控制模塊,10,3.3 CNC系統(tǒng)中的插補運算,3.3.1 概述 1. 脈沖增量插補法 脈沖增量插補法適用于以步進電動機作為驅(qū)動元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。這類插補方法的特點是每個插補周期只產(chǎn)生一個行程增量。在整個插補過程中，計算機不斷輸出驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)的脈沖序列。 2. 數(shù)字增

8、量插補法(數(shù)據(jù)采樣插補法) 這種插補方法與脈沖增量插補法不同，它的插補周期不隨進給速度而變化。每次插補計算所輸出的，是這個插補周期內(nèi)的進給增量數(shù)據(jù)，可以控制一段距離的進給。,11,3.3.2 脈沖增量插補法,在普通的CNC程序中，逐點比較法得到了廣泛的應用。以下介紹逐點比較法的計算過程，從中可以了解到軟件插補的基本思路。 1. 逐點比較法 逐點比較法的基本想法是：刀具在按照要求的軌跡運動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，根據(jù)比較結(jié)果，決定下一步的移動方向，使刀具更接近規(guī)定的軌跡。 (1)直線插補 (2)圓弧插補 2. 數(shù)字積分插補法 數(shù)字積分插補法簡稱為DDA(Digital Differ

9、ential Analyzer)法。它利用數(shù)字積分法，確定三刀具沿各坐標軸的位移，使得刀具沿著所加工的曲線進給。 (1)直線插補 (2)圓弧插補 (3)速度分析,12,3.3.3 數(shù)字增量插補法(數(shù)據(jù)采樣法),數(shù)據(jù)采樣插補法的計算過程比較復雜，有時要用到浮點運算，插補占用CPU的時間長。但是，由于在每個插補循環(huán)中發(fā)出的指令位移增量大，使得這種插補方法的進給速度比脈沖增量插補法的進給速度高出很多。 以下簡單介紹數(shù)據(jù)采樣法中的直線插補和圓弧插補。 1. 直線插補法 2. 圓弧插補法 3. 插補周期的選取 (1)插補誤差 (2)插補周期與插補運算時間的關(guān)系 (3)插補周期與位置反饋采樣周期的關(guān)系 (

10、4)與寄存器長度的關(guān)系,13,3.4 CNC系統(tǒng)的控制軟件,CNC系統(tǒng)的控制軟件是一系列完成各種各樣功能的程序集合。設(shè)計這些程序的目的是為了充分發(fā)揮和完善計算機的硬件功能，使軟件和硬件結(jié)合，形成一個具有規(guī)定功能的計算機控制系統(tǒng)。因此，了解控制軟件的功能和實現(xiàn)方法對掌握CNC系統(tǒng)的工作原理是至關(guān)重要的。,14,3.4.1 CNC控制軟件的組成,圖3.28所示為典型的CNC系統(tǒng)控制軟件組成形式。一個CNC系統(tǒng)控制軟件主要由以下部分組成： 系統(tǒng)總控程序； 工件加工程序的輸入和輸出管理； 工件加工程序的編輯； 機床手動調(diào)整的控制； 工件加工程序的解釋和執(zhí)行； 插補運算； 伺服系統(tǒng)； 系統(tǒng)自檢。,15,

11、3.4.2 CNC控制軟件的結(jié)構(gòu),本節(jié)中將討論如何將控制軟件中的程序模塊組合到一起，構(gòu)成整體的控制軟件的方式。CNC系統(tǒng)控制軟件的構(gòu)成方式，或者說軟件的結(jié)構(gòu)，主要有前后臺型和中斷驅(qū)動型兩種。下面分別予以介紹。 1. 前后臺型 如圖3.31所示為一個典型的前后臺結(jié)構(gòu)的CNC控制程序的框圖。 2. 中斷驅(qū)動型 這種結(jié)構(gòu)的控制程序?qū)嵸|(zhì)上是一個多重中斷系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)中插補、進給、程序的輸入/輸出和顯示、操作面板開關(guān)狀態(tài)的改變等操作，都是通過識別不同的中斷并執(zhí)行對應的中斷服務程序來實現(xiàn)的。,16,3.5 習 題,(1)試述CNC系統(tǒng)的基本組成部分及各部分完成的主要功能。 (2)數(shù)控計算機一般連接了哪些

12、輸入輸出設(shè)備？這些設(shè)備各完成什么功能？ (3)機床數(shù)控裝置由哪兩部分組成？各自的功能是什么？ (4)數(shù)控計算機在CNC系統(tǒng)中的主要作用是什么？ (5)對零件加工程序作譯碼處理的作用是什么？ (6)說明CNC裝置的單微處理器結(jié)構(gòu)的組成部分及其各部分的功能。 (7)系統(tǒng)的控制程序放在哪種存儲器中，理由是什么？ (8)多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控計算機有何特點？應用于什么場合？ (9)CNC系統(tǒng)中的PLC完成哪些功能？CNC與PLC是怎樣連接的？ (10)說明數(shù)控計算機的I/O接口的功能、作用、基本組成部分以及對它的特殊要求。 (11)光電耦合電路的作用是什么？說明常用的光電隔離器件的工作原理。 (12)在數(shù)控計算機中，機床控制I/O部件中為什么要進行D/A和A/D轉(zhuǎn)換？ (13)試列舉提高數(shù)控計算機可靠性的措施。 (14)為什么數(shù)控系統(tǒng)要采用模塊化設(shè)計？ (15)說明數(shù)控計算機的總線的構(gòu)成和各部分的功能。,17,3.5 習 題,(16)在模塊化設(shè)計中，常用的標準總線有幾種？各適用于什么場合？如何選擇總線 標準？ (17)在構(gòu)成一臺數(shù)控計算機時，常配備哪些模塊？ (18)什么叫作脈沖當量和最小設(shè)定單位？ (19)插補的作用是什么？ (20)插補方法分哪兩大類？各有什么特點？各用于什么場合？ (21)什么叫作逐點插補法？試寫出逐點插補法中直線插補和圓弧插補的偏差函數(shù)表 達式。 (22)設(shè)o