数控机床的控制原理.ppt

第三章 数控机床的控制原理,3-1 数控机床的控制基础 3-2 插补原理 3-3 刀具半径补偿原理,3.1 数控机床的控制基础,一、数控系统的发展状况 自从20世纪50代世界上第一台数控机床问世至今已经历50余年。数控机床经过了2个阶段和6代的发展历程。 第1阶段是硬件数控(NC)： 第1代 1952年的电子管 第2代 1959年晶体管（分离元件） 第3代 1965年小规模集成电路,电子管,晶体管,3.1 数控机床的控制基础,一、数控系统的发展状况 第2阶段是计算机数控(CNC)： 第4代 1970年的小型计算机，中小规模集成电路 第5代 1974年的微处理器，大规模集成电路。 第6代 1990年的基于个人PC机(PC-BASED),DeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡 (PCI),3.1 数控机床的控制基础,一、数控系统的发展状况 世界主要CNC系统生产厂家 FANUC(日本) SIEMENS (德国) A-B(美国) FAGOR (西班牙) HEIDENHAIN（海德汉）(德国) 三菱(日本) NUM (法国),3.1 数控机床的控制基础,二、计算机数控（CNC）系统的组成,3.1 数控机床的控制基础,二、计算机数控（CNC）系统的组成 硬件组成：中央处理单元(CPU)，存储器、外部设备以及输入/输出接口电路等。,3.1 数控机床的控制基础,二、计算机数控（CNC）系统的组成 软件组成：,3.1 数控机床的控制基础,三、单微处理机结构系统,3.1 数控机床的控制基础,微处理机CPU 功能： 可进行算术、逻辑运算； 可保存少量数据； 能对指令进行译码并执行规定动作； 能和存储器、外设交换数据； 提供整个系统所需的定时和控制； 可响应其他部件发来的脉冲请求； 包括的部件： 算术、逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。,3.1 数控机床的控制基础,CPU主控制板,3.1 数控机床的控制基础,总线（BUS） 总线是传送数据或交换信息的公共通道。 CPU板与其它模板如存储器板、I/O接口板等之间的连接采用标准总线 标准总线按用途分为内部总线和外部总线 数控系统中常用的内部标准总线有S-100、MULTI BUS、STD及VME等 外部总线有串行（如EIARS-232C）和并行（如IEEE-488）总线两种。 按信息线的性质分 数据总线DB（Data Bus）：CPU与外界传送数据的通道 地址总线AB（Address Bus）：确定传输数据的存放地址 控制总线CB（Control Bus）：管理、控制信号的传送,3.1 数控机床的控制基础,存储器（ROM、RAM） 存放CNC系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。 ROM用于固化数控系统的系统控制软件。 RAM存放可能改写的信息。,3.1 数控机床的控制基础,I/O接口 CNC装置与被控设备之间要交换的信息有三类：开关量信号、模拟量信号、数字信号。 对上述信号进行相应的转换，输入时必须将被控设备有关的状态信息转换成数字形式，以满足计算机对输入输出信号的要求；输出时，应满足各种有关执行元件的输入要求。信号转换主要包括电平转换、数字量与模拟量的相互转换、数字量与脉冲量的相互转换以及功率匹配等。 阻断外部的干扰信号进入计算机，在电气上将CNC装置与外部信号进行隔离，以提高CNC装置运行的可靠性。 即I/O接口功能：电平转换、功率放大、干扰抑制。,3.1 数控机床的控制基础,伺服驱动单元和PLC 伺服控制单元： 位置控制 速度控制 过载保护 PLC: 逻辑控制 计时、计数 分支程序、子程序顺序控制 数字运算、处理 模拟量调节 操作显示 联网通信,3.1 数控机床的控制基础,人机界面（HMI） 纸带阅读机 纸带穿孔机（很少见） 键盘 操作控制面板 显示器 外部存储设备。,3.1 数控机床的控制基础,三、单微处理机结构系统 特点： CNC装置内仅有一个微处理机，由它对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能集中控制分时处理。 微处理机通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置。 结构简单，容易实现。 正是由于只有一个微处理机集中控制，其功能将受微处理机字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。,3.1 数控机床的控制基础,四、多微处理机结构系统 共享总线结构 共享存储器结构,3.1 数控机床的控制基础,四、多微处理机结构系统 特点： 性能价格比高 。 多微处理器提高了运算速度，CPU价格比较低 采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。 硬件采用标准插接板，软件也可模块化 硬件易于组织规模生产。 硬件均按模块化计数处理 有很高的可靠性。 各模块独立工作，区别于单CPU,3.2 插补原理,插补： 在每个插补周期（毫秒级）内，根据指令、进给速度计算出一个微小直线段的数据，刀具沿着微小直线段运动，经过若干个插补周期后，刀具从起点运动到终点 也就是说，刀具不能严格地按照所加工的零件廓形（如直线、圆弧或椭圆、抛物线等其他类型曲线）运动，而只能用折线逼近所需加工的零件轮廓线型。 插补的方法有：逐点比较法、数字积分法、CNC软硬件结合插补,直线插补,圆弧插补,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理 每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断一下偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就往图形里面走；如加工点在图形里面，则下一步就往图形外面走，这样就能得到一个非常接近规定图形的轨迹。,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理 图中AB是需插补的曲线，用逐点比较法插补前，先根据AB的形状构造函数： F=F(x,y) x,y为刀具的坐标 函数F的正负必须反映出刀具与曲线的相对位置关系，设这种关系为： F(x,y)0 刀具在曲线上方 F(x,y)=0 刀具在曲线上 F(x,y)0 刀具在曲线下方 由于F(x,y)反映了刀具 偏离曲线的情况，称之为 “偏差函数”,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理,偏差判别,进给控制,偏差计算,终点判别,判别当前动点偏离理论曲线的位置,确定进给坐标及进给方向,进给后动点到达新位置，计算出新偏差值，作为下一步判别的依据,查询一次，终点是否到达,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理直线插补 偏差判别（第一象限） OA是要加工的直线。起点坐标O为坐标原点，终点A坐标为（Xe,Ye）。点P为任一加工点，若P点正好在直线OA上，下式成立: 设某时刻刀具运动到P(Xi,Yi)，偏差函数为 F的数值称为该点的“偏差值”。,X,O,A（Xe,Ye）,Y,P（Xi,Yi）,F0,F=0,F0,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理直线插补 进给控制 若点P在直线上或上方（F0）， 应向正X方向发一脉冲，使机床刀具 向正X方向前进一步，以接近该直线 若点P在直线下方时（F0），应 向正Y方向发一脉冲，使机床刀具向 正Y方向前进一步，以接近该直线,P2(Xi+1,Yi),3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理直线插补 偏差计算 新加工点的偏差可用前一点的偏差递推出来： 当F0时，刀具从(Xi,Yi)向+X方 向前进一步到达(Xi+1,Yi)，则新加工 点的偏差值为： 当F0时，刀具从(Xi,Yi)向+Y方 向前进一步到达(Xi,Yi+1)，则新加工 点的偏差值为：,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理直线插补 终点判别 单向计数：把Xe、Ye中数值较大的坐标值作为计数长度，Xi走一步，计数长度减1，直到计数长度等于0，插补停止。 双向计数：把Xe+Ye作为计数长度，如例题 分别计数：即计X，又计Y，只有当X、Y均减到零时，停止插补。,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理直线插补 插补如下直线 用逐点比较法加工直线OA， 写出插补计算过程并画出插补轨迹。,X,O,A(5,3）,Y,3.2 插补原理,一、逐点 比较法插补原理直线插补 其它象限插补方法 四个象限的直线插补都用同样的公式计算偏差，只是计算时，终点坐标和加工点坐标均取绝对值。 进给方向由实际象限决定 练习：插补直线（-5，5）,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理圆弧插补 第一象限逆圆弧的插补计算 逆圆弧插补偏差判别式定义为： 设点P(Xi,Yi)在圆弧外侧或圆弧 上（F0）,加工点将沿-X方向进给 一步，到点(Xi+1,Yi+1)，则: 设点P(Xi,Yi)在圆弧内侧（F0） 加工点将沿+Y方向进给一步，到点 (Xi+1,Yi+1)，则:,F0,F0,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理圆弧插补 第一象限逆圆弧的插补计算 加工图示逆圆弧AB，A(6,0),B(0,6)，试对其进行 插补运算，并画出插补轨迹。,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理圆弧插补,3.2 插补原理,一、逐点比较法插补原理圆弧插补 第一象限顺圆弧的插补计算 顺圆弧插补偏差判别式定义为： 设点P(Xi,Yi)在圆弧外侧（F0） 加工点将沿-Y方向进给一步，到点 (Xi+1,Yi+1)，则: 设点P(Xi,Yi)在圆弧内侧（F0） 加工点将沿+X方向进给一步，到点 (Xi+1,Yi+1)，则:,B（Xe,Y