第三章数控系统

第三章数控系统第一节概述第二节数控系统组成及工作过程第三节数控伺服系统第四节检测元件第五节驱动伺服电动机一、数控（NC）及计算机数控（CNC）1.NC—硬件数控。它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现。不同功能的机床，其组合逻辑电路也不同。改变或增减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路，所以通用性、灵活性差，现代数控机床不再采用硬件数控系统。2.CNC—软件数控。这种数控装置的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的机床其系统软件不同，但修改或增减系统功能时，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。第一节概述二、CNC的内部工作过程坐标轴运动与位置检测F指令速度处理坐标及刀补处　　理主轴电动机和电气控制主轴控制与辅助操作处理伺服驱动进给电动机位置控制输出插补运算S、M、T执行完信号可编程控制器PLCS、M、T指令处理插补预处理G指令处理输入译码零件程序第二节数控系统的组成数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动单元、进给驱动单元、位置检测装置和辅助控制装置组成。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。一、数控系统的硬件结构CNC装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有CPU的多少来分，可分为:（一）单CPU结构: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。CPU总线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口EPROM纸带阅读机接口I/O接口纸带阅读机机床操作主轴控制单元CRTPLC接口M~速度控制单元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机单CPU结构CNC框图特点：1.一个微处理器完成所有的功能：只有一个CPU，系统对存储器、插补运算、输入/输出控制、程序输入、CRT显示等控制均由该CPU进行分时处理；2.采用总线结构：CPU通地地址、数据和控制总线与各个控制单元相连，完成信息交换；3.功能受限制（二）多CPU结构：多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。1.结构特点(1)性能价格比高(2)采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性(3)可靠性高(4)硬件易于组织规模化生产2.典型结构共享总线结构共享存储器结构1）共享总线结构在这种结构的CNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。会话式编程模块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块共享总线的多CPU结构的CNC结构框图2）共享存储器结构在该结构中，采用多端口存贮器来实现各CPU之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突。如图所示。当CNC系统功能复杂要求CPU数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统的效率，其扩展功能较为困难。共享存储器I/o(CPU1)插补(CPU3)轴控制(CPU4)显示(CPU2)共享存储器的多CPU结构框图二、数控系统的软件结构(一)软件结构的特点1.多任务并行处理(1)CNC系统的多任务性CNC系统的任务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管理控制CNC任务分解(2)多任务并行处理并行处理是指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。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理分为“资源重复”法、“时间重叠”法和“资源共享”法等并行处理方法。目前CNC装置的硬件结构中，广泛使用“资源重复”的并行处理技术。如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度。而在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”和“时间重叠的流水处理”方法。1）资源分时共享并行处理方法插补准备诊断初始化显示输入I/O处理中断优先级键盘位控插补CPU分时共享的并行处理2）时间重叠流水并行处理方法当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以顺序方式处理每个零件的程序段，则第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依次类推。图a）表示了这种顺序处理时的时间空间关系。从图中可以看出，两个程序段的输出之间将有一个时间为t的间隔。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机的时停时转，反映在刀具上就是刀具的时走时停，这种情况在加工工艺上是不允许的。消除这种间隔的方法是用时间重叠流水处理技术。采用流水处理后的时间空间关系如图b）所示。12341432143214321432N1N2N3N1N2N3Δt1Δt3Δt5Δt7Δt3Δt1Δt5输出输出输出输出输出时间时间空间空间a)b)时间重叠流水处理2.实时中断处理CNC系统软件结构的另一个特点时实时中断处理。CNC系统程序以零件加工为对象，每个程序段中有许多子程序，它们按照预定的顺序反复执行，各个步骤间关系十分密切，有许多子程序的实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。（1）外部中断主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断（如：紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，将它们放在较高的优先级上，而键盘和操作面板的输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。（2）内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中将两种定时中断合二为一。但是在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。（3）硬件故障中断它是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，插补运算超时等。（4）程序性中断它是程序中出现的异常情况的报警中断。如：各种溢出，除零等。CNC的中断源：CNC系统中断结构模式前后台型结构:前台程序是一个实时中断服务程序，几乎承担了全部的实时任务（插补位控等）；后台程序是个循环程序，实现输入、译码、数据处理、管理等任务中断型结构:除初始化外，系统软件各种任务模块分别安排在不同级别的中断程序中，其管理功能通过各级中断程序之间的相互通信来解决。(二)CNC系统软件的工作过程输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断1.输入输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘输入方式：中断，有相应的中断服务程序功能：奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、字地址格式、信息完整性、输入设备控制、将零件程序存入零件程序存储器2.译码将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能识别的语言，有硬件译码（并行，快）和软件译码（串行、相对慢一些）。功能是把程序段中的各数据根据前后文字地址送到相应的缓冲寄存器中。每个字符译码过程：①建立格式标志②确定存放地址③确定调用“数码转换次数”3.预计算减轻插补程序的负担，提高系统实时性。包括：刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算、象限、进给方向判断、进给速度换算、机床辅助功能判断等。进给速度的控制方法：程序延时法：占用CPU资源中断法：定时器中断时间分割法：闭环、半闭环加减速过程需要考虑4.插补计算插补(Interpolation)：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，这种方法称为插补方法或插补原理。插补算法：对应于每种插补方法(原理)的各种实现算法。插补功能是轮廓控制系统的本质特征。1.脉冲增量插补(行程标量插补)逐点比较法2.数字增量插补(时间标量插补)插补方法分类进行伺服控制•当进给方向变化时，要进行反向间隙补偿处理•进行丝杠螺距补偿•机床辅助功能输出5.输出管理：只涉及CPU管理和外设管理诊断：1)运行中诊断•用代码和检查内存•格式检查•双向传输数据检查•清单校验2)停机诊断3)通信诊断6.管理与诊断软件第三节数控伺服系统一、定义：进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。二、进给伺服系统的组成进给伺服系统主要由伺服驱动系统和进给机械传动机构组成。机械传动机构由滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。伺服驱动系统，按有无反馈，可分为开环和闭环两种。开环伺服系统只能由步进电动机驱动。闭环控制系统则分为直流电动机驱动和交流电动机两种驱动方式。三、对伺服系统的基本要求1.精度高：指输出量能复现输入量的精度。2.稳定性好：指在给定输入作用下和干扰作用下，在调整结束后，回到原来平衡状态或达到新的平衡状态。3.响应快：即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在200～100ms，甚至小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。4.调速范围宽5.低速转矩大6.对伺服电动机的要求：1）从低速到高速范围内能平滑运转，转矩波动要小；2）应有大的，较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求；3）应能在较短时间内达到规定的速度。四、伺服系统的分类1.按控制理论分类•开环伺服系统•闭环伺服系统•半闭环伺服系统2.按使用的执行元件分类•电液伺服系统•电气伺服系统3.按被控对象分类•进给伺服系统•主轴伺服系统4.按反馈比较控制方式分类•脉冲、数字比较伺服系统•相位比较伺服系统•幅值比较伺服系统•全数字伺服系统第四节检测元件一、概述检测元件是数控机床进给伺服系统中的重要组成部分，主要功能是检测执行机构或伺服电动机转子位置和速度，将信号发送给伺服系统，构成闭环反馈控制。基本要求：（1）高可靠性与高抗干扰能力：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强。（2）满足精度和速度的要求：•位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；•位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度。（3）使用维护方便，适应机床的安装环境；（4）成本低。检测精度：±0.001～0.02mm/m分辨率：0.001～0.01mm/m速度响应：1～10m/min，30～90m/min二、主要检测元件（一）旋转编码器1.增量式旋转编码器2.绝对式旋转编码器在数控机床中的应用：1.位置测量2.主轴控制3.主轴定向准停装置4.测速（二）光栅尺（三）感应同步器（四）磁栅尺第五节驱动伺服电动机在数控机床中使用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺电动机和直线电动机等。对伺服电动机的基本要求：1.功率密度大；2.功率比大；3.优良的调速性能；4.优良的控制特性；5.免于或便于维护；6.散热性好。一、步进电动机步进电动机一般用于开环伺服系统中，没有位置反馈环节，位置控制精度由步进电动机和进给链来决定。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。步进电动机由转子和定子绕组组成。当某相定子绕组由脉冲电流励磁后，便能吸引转子，使转子转一个角度，即步距角，每一个步距角对应一个位移量，指令脉冲的频率就对应工作台的移动速度。1.工作台位移量的控制进给脉冲的数量定子绕组通电状态变化次数步进电动机转子角位移机床工作台位移量，由此得出：脉冲当量：δ=αt/(360i)其中：α为步进电动机步距角；t为滚珠丝杠螺距；i为减速齿轮的减速比。mzk360m——绕组相数；z——转子齿数，k——单拍通电k＝1，双拍通电k＝