数控技术教学课件——数控04.ppt

教学基本要求,1、掌握数控装置的组成及它具有的功能和相关的概念。2、掌握数控装置的硬件体系结构和软件体系结构以及每个硬件模块、软件模块的功能和作用。3、理解和掌握前后台结构、中断结构、主从结构、多主结构等概念。4、理解和掌握数据的预处理过程，刀具补偿的概念、方法及刀补B、刀补C的区别。,CNC概述,1CNC装置的组成 从自动控制的角度来看，数控系统是一种轨迹控制系统，即其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，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。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。CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。硬件是基础，软件是灵魂！,CNC系统的硬件一般性结构,CNC系统的一般构成,计算机数控系统总体结构原理框图,数控系统各部分,CNC软件系统功能框图,CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。该平台有以下两方面的含义：1）该平台提供CNC系统基本配置的必备功能；2）在该平台上可以根据用户的要求进行功能控制和开发。CNC装置系统平台的构筑方式就是CNC系统的体系结构。体系结构为系统的分析、设计和建造提供框架。,2CNC装置的优点 1）具有灵活性和通用性 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，系统功能的修改、扩充变得较为灵活；CNC装置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 由于CNC装置中的计算机具有较强的运算处理能力，因此，使实现复杂的数控功能成为可能。如：（1）插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补。（2）补偿功能：运动精度、随机误差补偿、非线性误 差补偿等。（3）人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口。（4）编程功能：G代码、蓝图编程、部分自动编程功能。,3）可靠性高（1）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。（2）许多功能由软件实现，硬件的数量减少。（3）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（1）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。（2）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。（3）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。,5）易于实现机电一体化 由于采用计算机，许多功能都可由软件来实现，使硬件数量相应减少，加之电子元件的集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减小，因此，数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。,3CNC装置的功能,CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。数控装置的功能包括基本功能和选择功能。基本功能数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能用户可根据实际使用要求选择的功能。,1）控制功能 CNC能控制和能联动控制的坐标轴数；2）准备功能（G功能）指令机床动作方式的功能；3）插补功能和固定循环功能；4）进给功能数控及机床进给速度的控制功能 包括进给速度、同步进给速度和进给倍率（进给修调率）等；,3CNC装置的功能,5）主轴功能 主轴切削速度、周向位置控制功能 包括主轴转速、恒线速度控制、主轴定向控制、C轴控制和主轴修调率等；6）辅助功能（M功能）用于指令机床辅助操作的功能；7）刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和刀具寿命等的管理功能；,3CNC装置的功能,3CNC装置的功能,8）补偿功能刀具半径和长度补偿功能，传动链误差、非线性误差等的补偿功能；9）人机对话功能；10）自诊断功能CNC自动实现故障预报和定位的功能；11）通讯功能CNC与外界进行信息和数据交换的功能。,CNC装置的硬件结构,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，可分为单微处理器结构和多微处理器结构。一、单微处理器结构 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。其优点在于投资小，结构简单，易于实现。但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。,这类CNC装置的硬件是由若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组成部分，又有相对的独立性，即所谓的模块化结构。,单机或主从结构的CNC装置硬件结构,计算机主板它是CNC装置的核心，目前普遍采用基于PC机的系统体系结构（可提高系统的适应性，开放性，降低价格，缩短新产品的开发周期）。从系统的可靠性出发，它的主板与系统总线（母板）是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板则做成插卡形式，集成度更高（ALL-IN-ONE主板）。,1、计算机主板和系统总线（母板）,2、显示模块(显示卡)3、输入/输出模块(多功能卡)4、电子盘(存储模块),系统总线(母板)由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道。包括数据总线、地址总线和控制总线。工业用PC机的总线母板是独立的无源四层板（走线面、元件面、电源层和地线层），它的可靠性高于两层板。,5、PLC(Programmable Logic Controller)模块 PLC模块必须完成电平的转换和功率放大、电气隔离等任务。目前PLC模块实现方式有简单I/O接口板和PLC控制（目前CNC系统中用得最广泛）两种方式。,电源模板(PS 951)中央处理单元(CPU)通讯处理器(CP)智能输入输出模板 输入输出模板(IO)接口模板(IM)安装底板(CR，ER)TTY接口 存贮子模板 电池盒,S5系列可编序控制器,数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图,简单I/O接口板的硬件逻辑框图,PLC 的硬件原理框图,PLC系统的基本结构,6、位置控制模块 是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。常用的位置控制模块有开环位置控制模块和闭环（含半闭环）位置控制模块。,位置控制的硬件一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片(如FANUC公司的MB8720、MB8739、MB87103等)和位置控制模板(如 SIEMENS的MS230、MS250、MS300等)。,步进电机控制接口的原理框图,闭环位置控制模块原理框图,该模块是实现用户特定功能要求的接口板，如：对仿形数控铣床需增加仿形控制器；激光切割机的焦点自动跟踪功能（Z 轴浮动控制器）；刀具监控系统中的信号采集器等。所有增加的功能，必须在CNC装置中增加相应的接口板才能实现。一般而言，用户特殊的功能要求，必须向CNC系统的生产厂家定制，用户一般是无法办到的。其原因是由于CNC系统一般是封闭的，而不是开放的。,7、功能接口模块,现在CNC装置是按模块化设计的方法构造的。模块化设计方法：将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块,并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。可见，实现CNC系统模块化设计的条件是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时，CNC系统设计工作则可归结为功能模块的合理选用。,模块化设计方法,多微处理器结构中，有两个或两个以上的CPU部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。1、多微处理器结构的优点：1）能实现真正意义的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能，性价比高；2）容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可断继续工作；3）适应性强、扩展容易，可靠性高；4）硬件易于组织规模生产。,二、多微处理机结构的CNC装置,2、多微处理器的基本功能模块,1）CNC管理模块 这是实现管理和组织整个CNC系统工作过程所需的功能。如系统的初始化、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。2）CNC插补模块 该模块完成译码、刀具补偿计算、坐标位移量的计算和进给速度处理等插补前的预处理。然后进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定量。3）位置控制模块 插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，进行自动加减速、回基准点，伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，去驱动进给电机。,4）PLC模块 零件加工程序中的某些辅助功能和从机床来的信号在PLC模块中作逻辑处理，实现各功能与操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等；5）操作与控制数据输入输出和显示模块 零件加工程序、参数和数据、各种操作命令的输入输出、显示所需要的各种接口电路。6）存储器模块 该模块指存放程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。,1）共享总线结构型FANUC15系统是典型共享总线结构型数控系统。FANUC15系统的系统总线是该公司自行设计的高速32位总线（FANUC BUS），主CPU为Motorola的68020（32位），在PLC、轴控制、图形控制、通信及自动编程等功能模块也都有各自的CPU。共享总线结构具有结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高等优点。,3、多微处理机结构CNC装置的典型结构,FANUC 15系统硬件结构,共享总线型的CNC系统,SIN840C的最大配置接口,共享总线结构的缺点是总线是系统的“瓶颈”，一旦系统总线出现故障，将使整个系统受到影响。由于使用总线要经仲裁（串联总线裁决方式和并行总线裁决方式），使信息传输率降低。,并联总线裁决方式,2）共享存储器结构 这种结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，有一套多端口控制逻辑来解决访问冲突这一矛盾。多端口存储器设计较复杂，而且对两个以上的主模块，会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞，所以这种结构一般采用双端口存储器（双端口RAM）。,共享存储器型的CNC系统,美国GE 公司的MTC1-CNC就是一种共享存储器结构的CNC系统，其硬件结构示意如图所示。,三、开放式CNC系统,传统的封闭体系结构的数控系统已经不能适应现代化生产的变革，不适应未来车间面向任务和定单的生产模式。因此，开放式数控系统应运而生。开放式数控系统具有模块化、标准化、平台无关性、可二次开发、适应网络操作等特点，它面向机床厂家和最终用户，使其可以自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电机等数控系统的各个构成要素，并可方便地将自己的技术诀窍和特殊应用集成到控制系统中，快速组成不同品种、不同档次的数控系统。,目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于PC的数控系统，也就是第6代数控系统。基于PC的开放式数控系统基本有3种结构形式：（1）PC嵌入CNC型（2）CNC嵌入PC型（3）全软件CNC型,开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。IEEE关于开放式系统的定义是：开放式系统能有效地运行于不同的平台之上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性。,目前对开放式系统最新的具体的看法包括：(1)开放式控制系统的硬件和软件都应是柔性的；(2)开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的；(3)控制器必须是标准化的；(4)开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来；(5)一个开放式控制系统能在系统的级别上同其他系统协同工作。,CNC系统软件是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程序的输入与译码、刀具半径的补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可看成一个个功能模块，模块之间存在着耦合关系；从时间上来讲，各功能模块之间存在一个时序配合问题。,CNC装置的软件结构,CNC装置是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供支持环境。在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成，但是，硬件和软件在实现这种功能时各有不同的特点：1）硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。2）软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。通常功能界面划分的准则是系统的性能价格比。,一、CNC装置软件和硬件的功能界面,软件和硬件的功能界面,CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。其中多任务并行处理和多重实时中断两项技术的运用是CNC装置软件结构的特点。,二、CNC装置软件结构的特点,1、多任务并行处理 CNC的任务通常可分为两大类：管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源管理和系统各子任务的调度，负责系统的程序管理、显示、诊断等子任务；控制任务主要完成CNC的基本功能：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等任务。CNC系统在工作中这些任务不是顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。并行处理是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。运用并行处理技术可以提高运算速度。并行处理方法有：资源共享、资源重复和时间重叠。,资源（CPU）分时共享图,流水处理技术（资源重叠）,2、实时中断处理 CNC装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个装置必不可少的组成部分。CNC装置的中断管理主要靠硬件完成，而其中中断结构决定了CNC装置软件的结构。CNC装置的中断类型有：1）外部中断 外部监控中断(如紧急停止等)和键盘操作面板输入中断等；2）内部定时中断 插补周期定时中断和位置采样定时中断等；3）硬件故障中断 存储器出错、定时器出错、插补计算超时等；4）程序性中断 各种溢出、除零等。,1、中断型结构模式 这种模式的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。,三、CNC系统软件结构模式,中断型结构模式,2、前后台型结构模式 这种模型的特点是前台程序是一个中断服务程序，完成全部实时功能(如插补和位置控制)。后台程序(背景程序)是一个循环程序，它包括管理软件和插补准备程序。初后台程序运行时实时中断程序不断插入，与后台程序相互配合，共同完成零件加工任务。,CNC装置控制刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动通过插补实时控制实现，而插补所需信息(如曲线的种类、起点终点坐标、进给速度等)，通过预处理得到。预处理包括零件程序的输入、译码、刀具(半径、长度)补偿计算和坐标系转换等。较难掌握的内容主要有译码和刀补处理。,CNC装置的数据预处理,一、译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z 等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。,一个译码缓冲区数据结构的例子如下：Sruct PROG_BUFFER char buf_state；/指定缓冲区的状态，0 表示缓冲区为空；1 表示缓冲区准备好。int block_num；/以BCD码的形式存放本段的程序段号。double COOR20；/以二进制的形式存放 X、Y、Z、I、J、K、R、A、B、C 等尺寸指令的数值，单位为m。int F,S；/以二进制的形式存放进给速度F（单位为mm/min）和主轴速度S 值（单位r/min）。char G0；/以标志形式存放G指令。char G1；char M0；/以标志形式存放M指令。char M1；char T；/存放本段换刀的刀具号。char D；/存放刀具补偿的刀具半径值。；,以标志形式存放G指令,在程序中一般都有由若干个这样结构组成的程序缓冲区组，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。译码程序以程序段为单位进行解释，当读到程序段的结束符“;时，译码程序就结束该程序段解释工作，并准备下一程序段的解释工作，直至整个缓冲区组被填满，然后译码程序就进入休眠状态。当缓冲区组中有若干个缓冲区置空（具体个数在系统设计时确定）时，系统将再次激活译码程序，按此方式重复进行，直到整个加工程序解释完毕（当译码程序发现了M02或M30指令时）为止。,用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。,二、刀具补偿原理,1）根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。2）根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。3）根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,1、刀补处理(计算刀具中心轨迹),1）刀具半径补偿的概念 根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。当刀具中心轨迹在编程轨迹(零件轮廓)前进方向的右边时，称为右刀补，用G42指令实现；反之称为左刀补，用G41指令实现。,2、刀补原理,（1）实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。可避免在加工中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦。（2）刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可。（3）减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。,2）刀具半径补偿功能的主要用途,刀具半径补偿执行的过程一般可分为三步：（1）刀补建立 刀具从起刀点接近工件，并在原来编程轨迹基础上，向左（G41）或向右（G42）偏置一个刀具半径。在该过程中一般不进行零件加工。,（2）刀补进行 刀具中心轨迹与编程轨迹始终偏离一个刀具半径的距离。（3）刀补撤销 刀具撤离工件，使刀具中心轨迹的终点与编程轨迹的终点重合。它是刀补建立的逆过程。,3）刀具半径补偿的工作过程,（1）B刀补这种方法的特点是刀具中心轨迹的段间连接都是以圆弧进行的。其算法简单，实现容易，如图所示。,缺点：当遇到加工外轮廓尖角时，尖角的工艺性比较差。在磨削加工中尤其突出，尖角往往会被加工成小圆角；在内轮廓加工时，一般得由程序员人为地编进一个过渡圆弧，且其半径必须大于刀具的半径，一旦疏忽，就会因刀具干涉而产生过切削现象，使加工零件报废。,4）刀具半径补偿的常用方法,所谓的C机能刀具半径补偿（简称C刀补），就是由数控系统根据和实际轮廓完全一样的编程轨迹，直接算出刀具中心轨迹的转接交点，然后再对原来的编程轨迹作伸长或缩短的修正。,它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡，因此，该刀补法的尖角性工艺性较B刀补的要好，其次在内轮廓加工时，它可实现过切（干涉）自动预报，从而避免过切的产生。,（2）C刀补,（3）B刀补与C刀补比较,4）C刀补的转接形式和过渡方式,实时处理(插补)前除进行译码、刀具补偿计算等预处理外，还有其它一些必要的预计算。如坐标系转换、不同程编方式的处理以及对一些辅助功能的处理等。,实时处理前的其它预计算,为了保证加工质量，在进给速度突变时必须对送到进给电机的脉冲频率和电压进行加减速控制。当速度突然升高时，应保证加在伺服进给电机上的进给脉冲频率或电压逐渐增大；当速度突降时，应保证加在伺服进给电机上的进给脉冲频率或电压逐渐减小。数控装置的加减速控制多用软件实现，可以在插补前进行，也可以在插补后进行。在插补前进行的加减速控制称为前加减速控制，仅对程编速度F指令进行控制，其优点是不会影响实际插补输出的位置精度，但需预测减速点，计算量较大。在插补后进行的加减速控制称为后加减速控制，分别对各运动轴进行加减速控制，故不必预测减速点，而是在插补输出为零时才开始减速，经过一定的延时逐渐靠近终点。但在加减速过程中对坐标合成位置有影响。,思考题与习题名词解释：,SIN840C的最大配置接口,SINUMERIC 840C,SINUMERIC 840C,动画演示刀轨与工件轮廓,刀具半径补偿,刀具半径补偿的应用实例,动画演示建立刀补,动画演示撤消刀补,刀具长度补偿,动画演示信息处理过程,动画演示译码过程,动画演示加工路线,动画演示前后台型,动画演示任务占用CPU时间,动画演示跟随误差,?,思考题与习题名词解释：,2、加减速度控制,为了保证加工质量，在进给速度突变时必须对送到进给电机的脉冲频率和电压进行加减速控制。当速度突然升高时，应保证加在伺服进给电机上的进给脉冲频率或电压逐渐增大；当速度突降时，应保证加在伺服进给电机上的进给脉冲频率或电压逐渐减小。数控装置的加减速控制多用软件实现，可以在插补前进行，也可以在插补后进行。在插补前进行的加减速控制称为前加减速控制，仅对程编速度F指令进行控制，其优点是不会影响实际插补输出的位置精度，但需预测减速点，计算量较大。在插补后进行的加减速控制称为后加减速控制，分别对各运动轴进行加减速控制，故不必预测减速点，而是在插补输出为零时才开始减速，经过一定的延时逐渐靠近终点。但在加减速过程中对坐标合成位置有影响。,动画演示信息处理过程,动画演示译码过程,动画演示脉冲细分,动画演示跟随误差,