项目3计算机数控装置.

项目3计算机数控装置项目导读本项目主要介绍计算机数控（CNC）装置的工作原理，包括CNC装置的组成结构、数控加工程序的输入、数控加工程序的预处理、插补原理等内容。通过本章的学习，应了解CNC装置的组成结构，熟悉数控加工程序的处理过程，以便更好地使用、维修数控机床。项目3计算机数控装置3.1计算机数控（CNC）装置的组成3.2数控加工程序的输入3.3数控加工程序的预处理项目3计算机数控装置任务3.1计算机数控（CNC）装置的组成3.1.1CNC装置的硬件结构3.1.2CNC装置的软件结构3.1.3零件加工程序的处理过程项目3计算机数控装置CNC装置是面向机床数控而设计的专用计算机系统。以计算机为核心，配有专用的I/O接口，利用软件处理数字信息，实现数字控制功能。3.1计算机数控（CNC）装置的组成优点：1.灵活性和通用性CNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。CNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。2.数控功能丰富插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补。补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等。人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口。编程功能：G代码、篮图编程、部分自动编程功能。项目3计算机数控装置3.1计算机数控（CNC）装置的组成优点：3.可靠性高CNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保证。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。丰富的故障诊断及保护功能(大多由软件实现)，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。4.使用维护方便操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正确操作。编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。维护维修方便：部分日常维护工作自动进行(润滑，关键部件的定期检查等)，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。项目3计算机数控装置3.1计算机数控（CNC）装置的组成优点：5.易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。项目3计算机数控装置3.1.1CNC装置的硬件结构1.物理结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。根据安装形式、板卡布局等硬件物理结构的不同，分为：专用型数控系统硬件、软件都是针对数控机床的应用而专门设计，键盘布局、操作方法和安装形式都比较特别。如：FANUC0、西门子810、西门子802S/C/D等。基于PC的数控系统在一台通用的微机上，加装运动控制卡和I/O接口卡并运行CNC系统软件。项目3计算机数控装置3.1.1CNC装置的硬件结构2.逻辑结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成根据CNC装置内部逻辑电路结构的不同，分为：单CPU结构采用一个CPU来集中控制，分时处理数控的各个任务。采用两个以上的CPU，只有其中一个能够控制系统总线，其他CPU只是附属的专用智能部件，不能控制总线，也不能访问主存储器，它们之间构成主从结构。多CPU结构采用多个CPU来分别控制CNC装置的各个功能模块，以实现多个控制任务的并行处理和执行，提高整个系统的处理速度。一般采用共享总线的互连方式。项目3计算机数控装置磁带软盘CRT/LED磁带机磁盘驱动器MDI键盘操作控制面板上位机/编程机外部存储器I/O接口电路I/O缓冲与接口通道CPURAMROM机床位置控制机床逻辑控制与检测开关量/数控量出开关量/数控量入位置检测A/D入D/A出速度控制电动机ABDBCB3.1.1CNC装置的硬件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成项目3计算机数控装置3.1.1CNC装置的硬件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元带CPU的为主模块，不带CPU的为从模块。项目3计算机数控装置3.1.1CNC装置的硬件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成CNC管理模块管理和组织整个CNC系统各功能协调工作。主要包括系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。插补模块完成零件程序的译码、坐标计算和转换、刀具半径补偿和进给速度处理等插补前的预处理，然后按给定的插补类型和轨迹坐标进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定值。位置控制模块执行件的位移值通过检测元件测得并进行模拟转换，然后作为反馈信号输入比较电路，经与位置给定值比较进行自动的加减速调节去控制伺服电机运行。项目3计算机数控装置3.1.1CNC装置的硬件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成PLC控制模块零件程序中的辅助开关功能和来自机床的开关信号等都在这个模块中进行逻辑处理，实现各功能操作方式之间的联锁控制。如机床电气设备的起、停，刀具转换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。人-机接口模块用于操作控制及数据的输入、输出和显示，包括零件程序、参数和数据、各种操作命令的输入与输出，显示所需要的加工信息等。主存储器模块系统的存储器，主要用来存放程序和数据，也可作为各功能模块间数据传输的共享存储器。项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成为完成数控系统的各项功能而专门设计的是一种专用软件：称为系统软件（系统程序）其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。CNC装置软件结构的特点：多任务并行处理和多重实时中断。CNC系统是一个专用的实时多任务系统，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。CNC装置的软件控制软件管理软件零件输入输出I/O处理通信诊断显示开关量I/O控制位置控制插补运算速度预处理刀具补偿译码项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成1.多任务并行处理（1）多任务性数控加工时在很多情况下，为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC装置管理和控制的某些工作必须同时进行，而不能逐一处理。*机床进行切削加工时，为了使操作人员能时地了解CNC系统的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。*当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。*当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行。如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。“多任务性”项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。优点：1.提高CNC系统的处理速度2.有利于合理使用和调配CNC系统的资源并行处理的方法：资源重复资源共享时间重叠在CNC系统的硬件设计中，应用较多的并行处理技术；它采用增加硬件资源的办法来提高运算速度(如采用多CPU的系统体系结构来提高系统的速度）。根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。（2）并行处理项目3计算机数控装置1)资源分时共享并行处理用在单CPU的CNC装置中,根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备；一般是采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。该技术要解决的主要问题：各任务占用CPU时间的分配原则采用循环轮流和中断优先相结合的方法来解决。3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成各任务何时占用CPU（各任务的优先级分配问题）；允许各任务占用CPU的时间长短（各任务时间片的分配问题）。项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成初始化输入插补准备I/O处理诊断显示位置控制插补运算背景程序中断优先级高循环调度背景程序优先抢占调度中断优先级低8ms16ms0ms项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插补运算背景程序资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成2）资源重复流水处理流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与资源重复的多少有关)，这些子任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。CNC装置在自动加工工作方式时，其数据转换过程由4个子过程组成：零件程序输入插补准备(包括译码、刀具补偿和速度处理)插补位置控制项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成另：在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上看，各子过程是分时占用CPU时间。采用资源重复流水处理：1.在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在同时执行。2.流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价(多个CPU)换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成2.实时中断处理CNC系统是一个专用的实时多任务系统，该系统中各任务的执行或强或弱都具有实时性要求。（1）实时性：某任务的执行有严格时间要求（即任务必须在规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障。实时性任务分类：强实时性任务弱实时性任务实时突发性任务实时周期性任务项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成强实时性任务实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件，有很强的实时性要求。主要包括故障中断(急停,机械限位,硬件故障等)、机床PLC中断、硬件(按键)操作中断等。实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的，包括插补运算、位置控制等任务。这类任务处理的实时性是保证加工精度和加工过程的连续性关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。弱实时性任务：这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。如背景程序/优先级别较低的任务。包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态和加工轨迹的动态显示、译码、刀补。项目3计算机数控装置（2）CNC装置的中断类型外部中断：纸带光电阅读机读孔中断外部监控中断(如急停）键盘操作面板输入中断内部定时中断：插补周期定时中断位置采样定时中断硬件故障中断：CNC装置各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时。程序性中断：程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、除零。CNC系统的多任务性和实时性决定了中断是整个系统必不可少的重要组成部分。CNC装置的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了CNC装置软件的结构。3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成项目3计算机数控装置3.1.2CNC装置的软件结构3.1计算机数控（CNC）装置的组成根据CNC系统软件中各模块之间组织关系的不同，可分为：前后台型结构多重中断型结构指系统软件的组织管理方式；系统软件通过一定的结构模式，来组织和协调各个任