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第3章计算机数控系统3.1概述3.2计算机数字控制装置的硬件结构3.3计算机数字控制装置的软件结构3.4CNC装置的插补原理3.5刀具半径补偿原理3.1概述计算机数控(Computerizednumericalcontrol,简称CNC)计算机数控系统是用计算机控制加工功能,实现数字控制的系统。可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打印机穿孔机电传机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单元机床电器速度控制单元位置检测进给电机主轴控制单元主轴电机图3-1CNC系统的组成装置核心从外部特征来看,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,共同实现各种数控功能.3.2计算机数字控制装置的硬件结构一、CNC装置的组成硬件是基础,软件是灵魂CNC系统本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统。⒈CNC装置的硬件结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。图3-1CNC系统硬件的层次结构计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...PLC操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......图3-2CNC软件系统功能框图2、CNC装置的软件结构输入预处理位置检测插补运算位置控制速度控制伺服电机程序硬件硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件软件和硬件的功能界面ⅠⅡⅢⅣ软硬件功能界面划分的准则:系统的性能价格比硬件处理速度快;软件设计灵活1.具有灵活性和通用性2.数控功能丰富3.可靠性高、使用维护方便4.易于实现机电一体化二.CNC装置的特点指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段基本功能——数控系统基本配置的必备功能。选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。三.CNC装置的功能1.控制功能——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。2、准备功能(G功能)——指令机床动作方式的功能。3、插补功能——数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。4、进给功能——进给速度的控制功能。5、主轴功能——数控系统的主轴的控制功能。⒍辅助功能(M功能)——用于指令机床辅助操作的功能。基本功能⒎刀具管理功能——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。8.字符图形显示功能9.自诊断功能基本功能1.固定循环功能——是数控系统实现典型加工循环(如:钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等)的功能选择功能2.补偿功能3.人机对话功能4.通讯功能四、CNC系统的工作过程信息输入译码刀具补偿加工速度处理插补位置控制I/O处理显示诊断单机系统整个CNC装置只有一个CPU,它集中控制和管理整个系统资源,通过分时处理的方式来实现各种NC功能。五、CNC装置的单机系统和多机系统——按硬件含有CPU的多少来分微处理器CPU总线EPROMRAM存储器输入/输出I/O接口位置控制器MDI/CRT可编程控制通信接口多机系统:整个CNC装置中有两个或两个以上CPU主从结构:系统中只有一个主CPU对系统的资源有控制和使用权.其它带CPU的功能部件,只能接受主CPU的控制命令或数据,或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。多主结构:系统中有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权。有集中的操作系统,通过仲裁器来解决总线争用问题,通过共公存储器进行交换信息。分布式结构:系统有两个或两个以上带CPU的功能模块,各模块有自己独立的运行环境。采用通讯方式交换信息。如FANUCSIEMENS等多机系统。特点:“四高”——高速、高精、高效、高可靠性CNC管理模块(CPU)主存储器模块对话式自动编程模块(CPU)操作面板显示总线CNC插补模块(CPU)位置控制模块(CPU)PLC功能模块主轴控制模块(CPU)图3-7多微处理器共享总线结构六、开放式数控系统IEEE(国际电气电子工程师协会)的定义:“符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上,可以与其它的系统应用互操作,并且具有一致风格的用户交互界面”。开放的两种模式:一块专门开发的个人计算机(PC)模板插入到CNC上将整个CNC单元插入到个人计算机的标准槽中三种层次的开放:CNC系统的开放、用户操作界面的开放、CNC内核开放将由零件加工程序表达的加工信息,变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令,控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作,加工出符合要求的零件。一、CNC装置软件的主要任务3.3计算机数字控制装置的软件结构程序输入译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图CNC装置的数据转换流程根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42,计算本段刀具中心轨迹的终点(P’e/P〃e)坐标值。根据本段与前段连接关系,进行段间连接处理。刀补处理(计算刀具中心轨迹)Pe(200,300)XRP0(72,48)Pe”Pe’G41G42Y位置控制处理f()+++-++插补输出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟随误差△X3△Y3实际位置X2新Y2新反馈位置增量△X2、△Y2X1旧Y1旧X2旧Y2旧速度指令VX、VY位置控制转换流程位置控制完成以下几步计算:计算新的位置指令坐标值:X1新=X1旧+△X1;Y1新=Y1旧+△Y1;计算新的位置实际坐标值:X2新=X2旧+△X2;Y2新=Y2旧+△Y2计算跟随误差(指令位置值—实际位置值):△X3=X1新-X2新;△Y3=Y1新-Y2新;计算速度指令值:VX=f(△X3);VY=f(△Y3)二、CNC装置的软件结构1.前后台型结构诊断显示I/O输入插补准备位置控制插补控制背景控制中断级别高中断级别低初始化硬件实时中断服程序背景程序输出决策输入机床接口驱动系统伺服接口位置控制插补程序产生轨迹信息PLC程序产生辅助信息插补准备存储器MDI键盘阅读机图3-16前后台型软件结构中的信息流入口系统初始化工作方式选择键盘服务程序加工服务程序手动操作服务程序键盘手动自动单段背景程序结构工作方式功能说明键盘主要完成数据输入和零件加工程序的编辑。手动用来处理坐标轴的点动和机床回原点的操作。单段单段工作方式是加工工作方式,在加工完成一个程序段后停顿,等待执行下一步。自动自动工作方式也是加工工作方式,在加工一个程序段后不停顿,直到整个零件程序执行完毕为止。中断型软件系统结构图0级初始化程序中断管理系统(硬件+软件)1级中断服务程序2级中断服务程序3级中断服务程序7级中断服务程序………………2.中断型结构优先级主要功能中断源0初始化开机后进入1CRT显示,ROM奇偶校验由初始化程序进入2工作方式选择及预处理16ms软件定时3PLC控制,M、S、T处理16ms软件定时4参数、变量、数据存储器控制硬件DMA5插补运算,位置控制,补偿8ms软件定时6监控和急停信号,定时2、3、52ms硬件时钟7ARS键盘输入及RS232C输入硬件随机8纸带阅读机硬件随机9报警串行传送报警10RAM校验,电源断开硬件,非屏幕中断中断程序的优先级及其功能3.4CNC装置的插补原理一、插补的概念插补(Interpolation)原理:根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求,在轮廓的已知点之间,确定一些中间点的方法插补算法:对应于每种插补方法(原理)的各种算法。插补功能是轮廓控制系统的本质特征。插补方法的分类及各自特点:脉冲增量插补特点:每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量)脉冲增量插补的实现方法较简单插补运算速度与进给速度有严格的关系插补速度较低、精度较低,适合开环系统脉冲增量插补常用的算法:逐点比较法;数字积分法(DDA)分类:脉冲增量插补(行程标量插补)+数字增量插补(时间标量插补)数字增量插补及插补方法特点:插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行,在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量)。插补运算速度与进给速度无严格的关系。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂插补方法:数字积分法(DDA)、二阶近似DDA插补法、双DDA插补法等。二、逐点比较法CNC系统在控制过程中,能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差,并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰,缩小偏差,使加工轮廓逼近给定轮廓。1.逐点比较法加工直线的原理(Ⅰ象限过原点直线为例)(Xe,Ye)(Xi,Yi)Y直线XFi>0在直线上方,+X向输出一步;Fi=0在直线上,+X向输出一步;Fi<0在直线下方,+Y向输出一步偏差函数:Fi=Xe·Yi-Ye·XieeiiXYXY实际轨迹理想轨迹>=<逐点比较法直线插补的计算步骤:偏差判别坐标进给偏差计算终点判别Fi≥0,+X向输出一步;Fi<0,+Y向输出一步判断xixe?且yiye?判断n=xe+ye?开始初始化(xe,ye,Fo=0,∑=|xe|+|ye|)结束F≥0?进给一步+ΔX进给一步+ΔyF-ye→FF+xe→F∑=0?YNNY∑-1→∑图3-22第一象限逐点比较法直线插补的运算流程例1设Ⅰ象限直线段OA,A(5,3),写出插补计算步骤;并绘出插补轨迹。解:总步数=xe+ye=8插补轨迹A(5,3)OYX35推广:对不同象限的直线插补,由于其终点坐标和加工坐标均取绝对值,偏差函数F计算与第一象限相同。只是坐标进给方向视具体象限而定。Fm0,+ΔyFm≥0,-ΔxFm≥0,+ΔxFm0,+ΔyFm0,-ΔyFm0,-ΔyFm≥0,-ΔxFm≥0,+ΔxFi>0在圆外,-X向输出一步Fi=0在圆上,-X向输出一步Fi<0在圆内,+Y向输出一步2.逐点比较法加工圆弧的原理(Ⅰ象限圆心过原点的逆圆为例)圆弧:Fi=Xi2+Yi2–R2(XA,YA)(Xe,Ye)偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算Fi≥0,-X向输出一步Fi<0,+Y向输出一步终点判别判断xixe?且yiye?判断n=│xe-xA│+│ye-yA│?E(0,6)A(6,0)开始结束F≥0?进给-ΔX进给+ΔyF-2X+1→FX-1→XJ∑=0?YNNYJ∑-1→J∑初始化:XA→JX,YA→JY,0→JF∑=|XA-Xe|+|YA-Ye|→J∑)F+2Y+1→FY+1→Y图3-26逐点比较法圆弧插补流程F例2设Ⅰ象限逆时针圆弧AB,A(5,1),B(1,5),圆心为(0,0)。写出插补计算的步骤;并绘出插补轨迹。解:总步数=│5-1│+│1-5│=8序号偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别0X0=5,Y0=1∑=81F0=0-XF1=F0-2X0+1=-9X1=4,Y1=1∑=8-1=72F10+YF2=F1+2Y1+1=-6X2=4,Y2=2∑=63F20+YF3=F2+2Y2+1=-1X3=4,Y3=3∑=54F30+YF4=F3+2Y3+1=6X4=4,Y4=4∑=45F40-XF5=F4-2X4+1=-1X5=3,Y5=4∑=36F50+YF6=F5+2Y5+1=8X6=3,Y6=5∑=27F60-XF7=F6-2X6+1=3X7=2,Y7=5∑=18F70-XF8=F7-2X7+1=0X8=1,Y8=5∑=0插补轨迹A(5,1)OYX55B(1,5)思考:Ⅰ象限顺时针圆弧插补,推导偏差函数计算式。推广:对不同象限的圆弧插补,遵循:圆外→圆内→圆外→……插补第一步要向圆心靠拢!设Ⅰ象限顺时针圆弧AB,A(1,7),B(7,1),圆心为(0,0)。采用逐点比较法进行插补。要求:(1)推导偏差函数计算式;(2)写出插补计算步骤;(3)绘出插补轨迹。作业:三、数字积分法(DDA,DigitalDifferentialAnalyzer)tVdtVYtVdtVXmiYYmiXX11t)t
本文标题:数控技术350623701
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