第三章数控编程实例

数控机床备课笔记第四版学时数：40教师：刘有余班级：机制20031/2/3课程代号：01324040机械工程系2006年秋制订安徽工程科技学院教师备课用纸数控机床第38页安徽工程科技学院教务处第四章计算机数控装置第一节概述【教学目的】了解CNC系统的组成；了解CNC装置的组成；掌握CNC装置的功能。【教学重点】CNC装置的功能【教学难点】无【教学方法及手段】课堂讲授，CAI。【课外作业】4.1【学时分配】0.7【教学内容】CNC系统的组成；CNC装置的组成；CNC装置的功能。【自学内容】无一．CNC系统的组成传统的数控系统（NC)是由硬件来实现数控功能的，称为硬件数控。现代数字控制装置已经发展成为计算机数字控制装置（CNC），它由软件来实现部分或全部数控功能。CNC系统是由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。（图4—1）图4—1二．CNC装置的组成CNC装置是CNC系统的核心，由硬件和软件两大部分组成。硬件是由一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口板以及机床控制器所组成。CNC系统的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计和编制的专用软件，是系统软件。软件在硬件支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。现代CNC装置中，软件和硬件的分工是不固定的。图4—2显示了四种典型CNC装置的软硬件分工：图4—2安徽工程科技学院教师备课用纸第四章·计算机数控装置第39页安徽工程科技学院教务处三．CNC装置的功能CNC装置中采用大量软件来实现数控功能，功能较丰富，适合数控机床的各种复杂的控制要求。CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能两大类，基本功能是指数控装置必备的功能，而选择功能则是可根据具体机床的要求，供用户选择的功能。CNC装置功能可分以下几方面：1.控制功能控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制联动的轴数。控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。2.准备功能准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能。包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。它用指令G和它后续的两位数字表示。3.插补功能插补功能用于对零件轮廓加工的控制，一般的CNC装置有直线插补、圆弧插补功能；有的机床有抛物线插补和极坐标插补。实现插补运算的方法有逐点比较法、数字积分法、直接函数法等。4.固定循环加工功能固定循环加工指令将典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。固定循环加工指令有钻孔、攻螺纹、镗孔、车螺纹等。5.进给功能进给功能用F指令给出各进给轴的进给速度。数控加工中常用到以下几种与进给速度有关的术语。○1切削进给速度(mm/min)以每分钟进给距离形式指定刀具切削进给速度，如F150表示切削速度为150mm/min。○2同步进给速度(mm/r)主轴每转一圈时进给轴的进给量。○3快速进给速度机床的最高移动速度，用G00指令快速，通过参数设定。可通过操作面板上快速开关改变。○4进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，使用倍率开关不用修改程序中的F代码，就可改变机床的进给速度。倍率可在0～200%间变化。6.主轴功能○1指令主轴转速(r/min)S1500表示主轴转度为1500r/min。○2设置恒定线速度主要用于车削和磨削加工中，使工件端面加工质量提高。○3主轴准停使主轴在径向的某一位置准确的停止。7.辅助功能辅助功能用来规定主轴的起、停、冷却泵的接通和断开，用M来表示。8.刀具功能刀具功能用来选择刀具，用T字母和它后续的2位或4位数值表示。9.补偿功能补偿功能包括刀具补偿、丝杠螺距误差补偿和反向间隙补偿。补偿功能可以把刀具长度或直径的相应补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙补偿量输入到CNC装置的内部存储器，在控制机床进给时按一定的计算方法将这些补偿量补上。10.显示功能CNC装置配置CRT显示器或液晶显示器，用作显示程序、零件图形、人机对话编程菜单、故障信息等。11.自诊断功能CNC装置中设置了各种诊断程序，可以包含在系统程序中，在系统远行过程中进行检查和诊断，也可作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。安徽工程科技学院教师备课用纸数控机床第40页安徽工程科技学院教务处12.通信功能通信功能主要完成上级计算机与CNC装置之间的数据和命令传送。第二节CNC装置硬件结构【教学目的】掌握单微处理器结构；了解单微处理器结构的CNC系统特点。【教学重点】单微处理器结构【教学难点】无【教学方法及手段】课堂讲授，CAI。【课外作业】4.5【学时分配】0.6【教学内容】单微处理器结构；单微处理器结构的CNC系统特点。【自学内容】多微处理器结构的CNC装置CNC系统的硬件结构一般分为单微处理机和多微处理机两大类。下面介绍单微处理机结构。一．单微处理器结构在单微处理机数控系统中，只有一个微处理机，以集中控制、分时处理系统的各个任务。而有的CNC装置虽然有两个以上的微处理机，但其中只有一个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源；而其它微处理机只作为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构，也被归于单微处理机结构。单微处理机结构CNC装置由微处理器和总线、存储器、主轴控制、CRT或液晶显示接口、纸带阅读机接口、I/O接口、MDI接口、PLC接口、通信接口等组成。1．微处理器和总线微处理器是CNC装置的核心，由运算器和控制器组成。运算器是对数据进行算术和逻辑运算的部件。在运算过程，运算器不断地得到存储器提供的数据，并将运算的结果送回到存储器保存起来。通过对运算结果的判断，设置状态寄存器的相应状态。控制器从存储器中依次取出程序指令，经过译码，向CNC装置各部分按顺序发出执行操作的控制信导，使指令得以执行。而且又接收执行部件发回来的反馈信息，控制器根据程序中的指令信息及这些反馈信息，决定下一步的操作命令。总线是由物理导线构成的。一般分为数据总线、地址总线、控制总线。数据总线为各部件之间传输数据。数据总线的位数和传送的数据宽度相等，采用双向线。地址总线传输的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，是单向的。控制总线传输的是管理总线的某些控制信号，是单向的。2．存储器存储器是存放数据、参数和程序的。包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。系统控制程序存放在只读存储器EPROM中，通过专用的写入器写入程序，即使断电，程序也不丢失。程序只能被CPU读出，不能随机写入。必要时经紫外线擦除EPROM，再重写监控程序。运算中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中，它能随机读写，断电后，信息就消失。加工的零件程序、数据和参数存放在有后备电池的CMOSRAM中，这些信息能随机读出，还可根据操作的需要写入或修改，断电后信息仍保留。3．I/O接口CNC系统和机床之间的信号一般不直接连接，需要通过输入和输出I/O接口电路连接。接口电路的主要任务有：1.进行必要的电气隔离，防止干扰信号引起误动作。主要用光电耦合器或继电器将CNC和机床之间的信号在电气上加以隔离；2.进行电平转换和功率发大。一般CNC信号是TTL电平，机床控制的信号通常不是TTL电平，而且负载较大，需进行必要的信号电平转换和功率放大；3.模拟量与数字量之间的转换。CNC装置的微处理器只能处理数字量，对模拟量控制的地方需要（D/A）转换器，将模拟量输入到CNC装置需要（A/D）转换器。安徽工程科技学院教师备课用纸第四章·计算机数控装置第41页安徽工程科技学院教务处4．MDI／CRT接口MDI手动数据输入是通过数控面板上的键盘操作，当扫描到有键按下的信号时，将数据送入移位寄存器，经数据处理判别该键的属性及其有效性，并进行相关的监控处理。CRT接口在CNC软件控制下，在单色或彩色CRT上实现字符和图形显示，对数控代码程序、参数、各种补偿数据、零件图形和动态刀具轨迹等进行实时显示。5．位置控制器位置控制器在CNC装置指令下控制电机带动工作台按要求的速度移动规定的距离。机床上每个坐标轴均有独立的一套位置控制器，控制单个轴的运动和位置精度，且控制多轴联动。对主轴控制要求在很宽的范围内速度连续可调，且在不同的转速下输出恒转矩，还要有主轴准停功能。加工中心的刀库也要有刀库位置控制。6．可编程序控制器(PLC)PLC的功能是替代传统机床强电的继电器逻辑控制来实现各种开关量的控制。数控机床中使用的PLC可分为两类：1.“内装型”PLC，它是为实现机床的顺序控制而专门设计制造的。2.“独立型”PLC，它是在技术规范、功能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。数控机床上的PLC多采用内装型，因此，PLC已成为CNC系统的一个部件。二．单微处理器结构的CNC系统特点○1CNC系统中只有一个微处理器，对存储、插补计算、输入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理；○2微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC系统；○3结构简单，容易实现。○4单微处理器结构因为只有一个微处理器集中控制，对实时性要求较高的插补计算受微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。第三节CNC装置软件结构【教学目的】掌握CNC装置软件组成；了解CNC装置软件结构的特点；理解CNC系统的软件结构。【教学重点】CNC系统的软件结构【教学难点】CNC装置软件结构的特点【教学方法及手段】课堂讲授，CAI。【课外作业】4.7；4.8【学时分配】0.7【教学内容】CNC装置软件组成；CNC装置软件结构的特点；CNC系统的软件结构。【自学内容】无一．CNC装置软件组成CNC系统的软件是为了完成数控机床的各项功能专门设计和编制的专用软件，是系统软件。由管理软件和控制软件组成，管理软件如：输入输出程序，显示程序，故障诊断程序；控制软件如：速度控制程序，位置控制程序，译码，插补运算程序，刀具补偿程序。（图4—3）二．CNC装置软件结构的特点CNC系统的软件结构，无论其硬件是采用单微处理器结构还是多微处理器结构，都具有两个特点：多任务并行处理和多重实时中断处理。图4—3安徽工程科技学院教师备课用纸数控机床第42页安徽工程科技学院教务处1.多任务并行处理在数控加工过程中，CNC系统要完成许多任务，多数情况下CNC的管理和控制工作必须同时进行。所谓的并行处理是指计算机在同一时间间隔内完成两种或两种以上的性质相同或不同的工作。并行处理的最大好处是提高了运算速度。如：加工控制时必须同步显示系统的有关状态、位置控制与I/O同步处理，并始终伴随着故障诊断功能。图4—4示出了多任务并行处理关系图，图中用双向箭头连接的两个模块之间有并行处理关系。2.实时中断处理CNC系统的多任务性和实时性决定了中断成为整个系统必不可少的组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件结构。CNC系统的中断类型有以下四种：○1.外部中断主要有外部监控中断和键盘操作面板中断。通常，外部监控中断优先级高于键盘操作面板中断。○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。有些系统这两种中断合二为一。处理时，总是先处理位置控制，再处理插补运算。○3.硬件故障中断是由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。○4.程序性中断是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如：各种溢出、除零等。三．CNC系统的软件结构CNC系统的软件结构可设计成不同的形式，不同的软件结构对各任务的安排方式、管理方式不同。常见的CNC软件结构模式有两种：前后台型软件结构和中断型软件结构。1.前后台型软件结构前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC系统。在这种软件结构中，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如：位置控制、插补、辅助功能处理、面板扫描及输出等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、