合工大数控技术-计算机数控装置.ppt
3.1 概述,一、CNC机床组成部分二、CNC装置的组成三、CNC装置的工作四、CNC装置的功能,一、CNC机床的组成,CNC机床的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数控制装置。,二、CNC装置的组成,从自动控制的角度来看，CNC装置是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度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装置是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。,（一）CNC装置的一般硬件结构,计算机基本系统显示设备，计算机系统，输入/输出设备等。设备支持层人机控制，运动控制，PMC，其他I/O设备层机床，机器人，测量机硬件是CNC装置的物质基础,（二）CNC装置软件的功能性结构,实质：具有实时性和多任务性的专用操作系统组成：管理软件、控制软件,（三）CNC硬件软件的作用和相互关系,CNC装置的系统平台（图）软件在硬件的支持下，合理组织管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能。该平台提供CNC装置基本配置的必备功能；在该平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。,CNC装置的系统平台,三、CNC装置的工作,1、工作过程：通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算（逼近处理、插补运算、指令输出）然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。,2、CNC装置的工作内容,数控程序的输入、存储译码数据处理刀具补偿、速度计算、逼近、插补、辅助信息处理位置控制在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。I/O处理显示零件程序、参数、刀具位置、机床状态等诊断检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。,3、CNC装置的优点,灵活性和通用性功能的修改和扩充、实用性方面功能丰富插补功能（二次曲线、样条、空间曲面）补偿功能（运动精度、随机、非线性）可靠性高使用维护方便易于实现机电一体化,四、CNC装置的功能,基本功能控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能选择功能,3.2 CNC装置的硬件结构,一、CNC装置硬件结构类型二、单机或主从结构模块的功能介绍三、多主结构的CNC装置硬件简介,一、CNC装置硬件结构类型,按印刷线路板的结构分All-In-One式结构多功能模块式结构按微处理器的个数分单处理器式多处理器式按制造方式分通用PC机结构特殊用途结构,按开放程度分封闭式结构PC插入NC结构NC插入PC结构基于软件的开放式,1、单机（CPU）系统,只有一个CPU，它集中控制和管理系统资源分时处理优点：投资小，结构简单，易于实现缺点：系统功能受CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度限制已被多机系统的主从结构取代,2、多机（CPU）系统,主从结构多主结构分布式结构,1）主从结构,描述：主CPU对系统资源（系统存储器、系统总线）有控制和使用权。其他带有CPU的功能部件（智能部件）无权控制和使用系统资源，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数据。,2）多主结构,描述：系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制或使用权。采用紧耦合，均挂在系统总线上，集中在一个机箱内。有集中的操作系统通过总线仲裁器解决总线争用问题通过公共存储器进行信息交换。,3）分布式结构,描述：有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境（系统总线、存储器、操作系统）；模块间采用松耦合，在空间上可以较为分散各模块间采用通信方式交换信息。,二、单CPU或主从结构,模块化设计含义：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块。每个模块配上相应的驱动程序，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，组成一个完整的控制系统。条件：总线标准化CNC装置设计：归结为功能模块的合理选用,1、单主结构的CNC装置硬件结构,2、单主结构的CNC装置硬件结构,1）计算机主板和系统总线（无源母板）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）5）设备辅助控制接口模块6）位置控制模块7）功能接口模块,1）计算机主板和系统总线,计算机主板,系统总线（母板）,4）电子盘（存储模块）,存放内容：系统软件，系统固有数据，系统配置参数，零件程序非易失性读写存储单元抗电磁干扰能力较磁性存储器强,5）设备辅助控制接口模块,CNC装置对设备的控制：轨迹控制：各坐标轴的速度和位置顺序控制：按预先规定的逻辑顺序对各开关类型的系统进行控制，通过设备辅助控制接口模块实现。设备辅助控制接口模块的作用：连接CNC装置与被控设备，交换信息（开关量、模拟量、脉冲量）信号转换：电平转换，数模转换，数字脉冲转换，功率匹配阻断干扰实现方式：I/O接口板、PLC,6）位置控制模块,作用：连接CNC装置与伺服系统转换过程：将x、y、z等，经调节运算输出速度控制指令D/A转换，输出速度指令电压给速度控制单元闭环与半闭环控制时，回收实际位置信号和实际速度信号，以供位置和速度闭环控制运算使用。,7）功能接口模块,实现用户特定功能要求的接口板仿形数控铣床：仿形控制器激光切割机：焦点自动跟踪功能（Z轴浮动控制器）刀具监控系统：信号采集器,三、多主结构的CNC装置硬件简介,特点：并行处理，速度快，可实现复杂功能容错能力强，出故障后，通过系统重组仍可继续工作分类：共享总线结构共享存储器结构混合型结构,1、共享总线结构,描述：以系统总线为中心。所有主从模块都插在严格定义的标准系统总线上。任一时刻只能允许一个主模块占用总线，由总线仲裁电路来裁定竞争问题。结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。总线是系统的“瓶颈”，一旦总线出现故障，将使整个系统受影响。总线使用需经仲裁，信息传输率降低。,2、共享存储器结构,描述：面向公共存储器设计的，采用多端口来实现各主模块之间的互连和通信同一时刻只能允许一个主模块对多端口存储器进行访问（读/写），由多端口控制逻辑解决访问冲突问题。一般采用双端口存储器。,3.3 CNC装置软件结构,3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面3.3.2 CNC装置的数据转换流程3.3.3 CNC装置的软件系统特点3.3.4 CNC装置的软件结构模式,CNC装置软件：,是一个典型复杂的实时系统，能完成许多控制任务（程序输入与译码、刀具半径补偿、插补运算、位置控制、精度补偿）从逻辑上，每个任务可看作一个功能模块，模块间存在耦合关系从时间上，功能模块间存在时序配合问题CNC装置软件结构需考虑：如何组织和协调这些功能模块，使之满足一定的时序和逻辑关系。,3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面,3.3.2 CNC装置的数据转换流程,1、译码（解释）,功能：把用ASC码编写的零件加工程序，以程序段为单位翻译成数控系统要求的数据格式；存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。为保证机床的连续加工，译码需超前。缓冲区填满，译码程序进入休眠，当缓冲区有若干置空，系统再次激活译码程序，按此方式重复进行，直到整个加工程序解释完毕。,2、刀补处理（计算刀具中心轨迹）,功能：将零件轮廓变换成刀具中心轨迹工作：计算零件轮廓终点坐标值（G90/G91）计算本段刀补后刀具中心轨迹终点坐标值进行段间连续处理,3、速度预处理（插补预处理）,功能：根据加工程序给定F，计算每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。计算步骤：计算本段总位移量计算每个插补周期内的合成进给量L,4、插补计算,插补程序以系统规定的插补周期定时运行功能：根据“进给修调”设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量L1；将L1按插补的线型和本插补点所在位置分解到各个进给轴xi，yi,5、位置控制处理,3.3.3 CNC装置的软件系统特点,一、多任务性与并行处理技术二、实时性和优先抢占调度机制,一、多任务性与并行处理技术,1.CNC装置需要多任务并行处理管理任务：资源管理，子任务调度，程序管理，显示，诊断控制任务（完成CNC的基本功能）：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制等这些任务不是顺序执行的，需要多任务并行处理控制任务与管理任务并行管理任务间并行控制任务间,2.基于并行处理的多任务调度技术,并行处理：软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。以提高CNC装置资源的利用率和系统的处理速度。方法：资源分时共享（单CPU）并发处理和流水处理（多CPU）,1）资源分时共享,方法：在一定的时间长度（时间片）内，根据各任务的实时性要求程度，规定其占用CPU的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享系统资源。需解决：任务优先级分配问题时间片分配问题规则：循环调度、优先抢占调度相结合,资源分时共享并行处理示意图,2）并发处理和流水处理,并发处理：任务间关联程度不高每项任务分别安排一个CPU，让其同时执行流水处理：任务间关联程度较高，一个任务的输出是另一个任务的输入利用重复的资源（CPU），将一个大任务分成若干个彼此关联的子任务按一定顺序安排每个资源执行一个子任务,顺序处理和流水处理示意图,流水处理：以资源重复的代价换得时间上的重叠,二、实时性和优先抢占调度机制,实时性：指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。,1.实时性任务的分类,实时突发性任务随机性、突发性，异步中断事件如：故障中断、机床PLC中断实时周期性任务保证加工精度与加工过程的连续性弱实时性任务某一段时间内运行即可如：显示、程序编辑、模拟仿真等,2.优先抢占调度机制,系统的调度机制为了满足CNC装置实时任务的要求，系统的调度机制必须具有根据外界的实时信息以足够快的速度（在系统规定的时间内）进行任务调度的能力。是一种基于实时中断技术的任务调度机制。,优先抢占调度机制的功能,优先调度：CPU空闲时，当多个任务同时请求执行时，优先级高的任务优先得以满足；抢占方式：优先级高的任务可抢占优先级低的任务占用的资源。CPU正在执行某任务时，若另一优先级更高的任务请求执行，CPU将立即终止正在执行的任务（断点保护），转而响应优先级高的任务请求。,优先抢占调度机制的实现,硬件和软件共同实现硬件：提供支持中断功能的芯片和电路软件：完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理（断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复等）除优先抢占调度机制外，系统往往还同时采用时间片轮换调度和非抢占优先调度,3.3.4 CNC装置的软件结构模式,结构模式：是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方法、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。要解决：如何组织和协调各个任务的执行，使之满足时序和逻辑需求,结构模式的类型,一、前后台型结构模式二、中断型结构模式三、基于实时操作系统的结构模式,一、前后台型结构模式,软件组成：前台程序：完成实时性很强的任务，为实时中断服务程序后台程序：完成弱实时性任务，为循环运行的程序调度机制与信息交换：优先抢占调度与顺序调度；缓冲区信息交换特点：前后台程序内无优先级，也无抢占机制，实时性差,二、中断型结构模式,软件结构：除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理。调度机制与信息交换：优先抢占调度；缓冲区特点：中断级别多，系统实时性好。模块关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充,三、基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统（PTOS）的功能：通用操作系统功能任务管理多种实时任务调度机制（优先级抢占调度、时间片轮转调度等）任务间的通信机制（邮箱、消息队列、信号灯等）,基于PTOS结构模式的优点,1）弱化功能模块间的耦合关系CNC各功能模块间存在逻辑耦合与时序配合关系，前述的结构模式需采用许多全局变量标识和大量的判断、分支，致使各功能模块间关系复杂。PTOS模式下，设计者只需考虑“功能模块实现”，再按系统规定加上一“任务控制块TCB”。模块间的调用关系、信息交换均由PTOS实现,基于PTOS结构模式的优点,2）系统的开放性和可维护性好前述的结构模式采用的是单一流程加中断控制的机制，一旦开发完毕，就形成了一个完全封闭的系统，很难进行国内扩充和修改。PTOS模式，在扩充修改系统功能时，只需将编写好的任务模块（功能模块+TCB）挂到PTOS上即可,基于PTOS结构模式的优点,3）减少系统开发的工作量在CNC装置软件开发中，系统内核（任务管理、调度、通信机制）的设计工作量很大，以PTOS为内核时大大减少开发工作量和开发周期。,采用PTOS开发的方法,在商品化的PTOS下开发将通用OS（DOS、WINDOS）扩展成PTOS后开发,3.4 CNC装置的插补原理,定义：插补：根据给定进给速度和给定轮廓线的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点。利用少量的输入数据，精确的获得编程轨迹。插补算法：插补的具体实现算法。,插补算法评价指标,稳定性插补运算过程中，舍入误差（计算结果圆整时产生的误差）和计算误差（近似计算产生的误差）不随迭代次数的增加而累积。精度逼进误差（直线逼近曲线时产生的误差）、计算误差、圆整误差误差的综合效应（轨迹误差）不大于系统的最小运动指令或脉冲当量值。合成速度均匀性实际速度与给定的进给速度的符合程度简单，便于编程,插补方法分类,脉冲增量插补（行程标量插补）数字增量插补（时间标量插补）,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）插补速度与进给速度密切相关算法简单步进电机驱动的开环系统算法：逐点比较法、最小偏差法、数字积分法、目标点跟踪法、单步跟踪法等,数字增量插补,特点：按插补周期进行插补，每个周期根据进给速度计算出各坐标轴在下一周期内的位移增量（数字量）用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼进曲线（包括直线）插补运算速度与进给速度无严格关系实现算法复杂（现在的计算机均能满足要求）算法：DDA、二阶近似插补法、双DDA法、角度逼近法、时间分割法,脉冲增量插补逐点比较法,每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。以折线逼近直线与圆弧，最大偏差不超过一个最小设定单位。,根据偏差控制进给轴进给，逼近给定轮廓，缩小偏差。,逐点比较法直线插补原理,逐点比较法直线插补,终点判别：X、Y两方向所走的步数与终点坐标相等时，停止插补插补计算过程（4节拍）位置判断坐标进给偏差计算终点判别,逐点比较法直线插补,不同象限的直线插补计算,逐点比较法直线插补,例：加工OA直线，A（5，3），终点计数值J=xe+ye=5+3=8，加工过程的运算节拍如下：,逐点比较法直线插补,直线插补程序实现,逐点比较法圆弧插补原理,逐点比较法圆弧插补,终点判别用x，y坐标所要走的总步数来判别，令 J=|xe-x0|+|ye-y0|，每走一步则J减1，直至J=0，到达终点，停止插补。插补过程位置判别、坐标进给、偏差计算、终点判别,四个象限圆弧插补计算公式,圆弧插补程序实现,数字增量插补法,得到：不是进给脉冲，而是用二进制表示的进给量。算法：根据程编进给速度F，将给定轮廓曲线按插补周期T分割为插补进给段，即用一系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选得小一些。,插补周期的选择,插补周期与精度、速度的关系插补周期与插补运算时间的关系插补周期与位置控制周期的关系,L,时间分割法直线插补,时间分割法圆弧插补,3.5 数控系统的速度控制,一、必要性惯性：速度不能突变突变：产生冲击、振荡、超程、失步二、评价指标1、保证轨迹精度、位置精度2、升降速过程的快速性（快速性系数）3、平稳性（平稳性系数）4、稳定性（加速度逐步降低，否则速度超调）5、算法简单，便于计算机实现,三、升降速规律,线性升降速（梯形）,指数型升降速,对线性和指数规律的评价,1、快速性在平稳性相同的情况下，线性规律优于指数规律2、平稳性在快速性相同的情况下，线性规律优于指数规律3、稳定性在快速性或平稳性相同的条件下，指数规律优于线性规律改进方法：对自身规律进行改进：在不同的速度范围内，多设置几个加速度、时间常数。,4、精度指标：,与升降速模块在轨迹控制系统中的位置相关（前升降速、后升降速）,前升降速与后升降速的精度比较,直线插补：两种方案均不会因升降速产生轨迹误差。圆弧插补：采用的方案不同，结果也不同。应先进行升降速处理，再进行插补处理。,3.6 刀具补偿原理,3.6.1 概述3.6.2 补偿类型3.6.3 刀具半径补偿,3.6.1 概述,作用数控系统的刀具补偿（刀补）功能，用来修正程序规定的值与刀具实际切削成形值之差。组成：刀具长度补偿，刀具半径补偿。半径补偿的用途因刀具磨损或更换刀具引起的半径变化时，不需重新编程，修改偏置参数即可粗精加工程序相同，加工余量的预留通过修改配置参数实现,刀具半径补偿的常用方法,B刀补以圆弧做为刀具中心轨迹的段间连接。算法简单；外轮廓尖角加工成小圆角；内轮廓加工时过渡圆弧半径必须大于刀具半径；读一段，算一段，再走一段C刀补以直线做为刀具中心轨迹的段间连接。尖角工艺性较B刀补好；内轮廓加工可实现过切自动预报；一次对两段进行处理,刀补工作过程,C刀补的转接形式和过渡方式,转接形式直线与直线直线与圆弧圆弧与直线圆弧与圆弧过渡方式缩短型（180）伸长型（90180）插入型（90）,
