第4章计算机数控装置.ppt

第三章计算机数控装置,第一节概述,一、CNC系统的组成数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行零件的加工。,数控系统由：,程序、输入输出设备计算机数字控制装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置等组成,CNC系统组成框图,二、CNC装置的组成,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。,1、CNC系统硬件的层次结构,由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成,计算机基本系统：,2、CNC装置的软件框图,3、CNC硬件软件的作用和相互关系,硬件是基础，软件是灵魂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。,CNC系统的系统平台,该平台有以下两方面的含义：,提供CNC系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。,三、CNC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。,CNC装置的功能通常包括：,基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能用户可根据实际要求选择的功能,CNC装置的主要功能有：,1、控制功能指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。联动轴数越多，CNC装置的功能越强，加工的零件越复杂。,2、准备功能（）,用来指令机床动作方式的功能。,3、插补功能,主要用于对零件轮廓加工的控制；一般有直线插补和圆弧插补,还可以有2次曲线和样条曲线的插补等.,4、固定循环加工功能,是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能-可以简化编程.,5、进给功能,（1）切削进给速度控制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min。（2）同步进给速度实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm/r。（3）快速进给速度:G00-可以通过面板来改变.（4）进给倍率-可以通过面板来改变人工实时修调预先给定的进给速度,6、主轴功能,（1）指定主轴转速主轴转速的控制功能，单位为r/min。S*;（2）设置恒定线速度刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。为了提高加工工件的表面质量.（3）主轴准停主轴周向定位于特定位置控制的功能。-换刀,7、辅助功能(M),主要用于指定主轴的正、反转、停止、冷却液的打开或关闭，换刀等动作。,8、刀具功能T,用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数的地址。,9、补偿功能,刀具长度及半径补偿；丝杆的螺距误差和反向间隙误差的补偿；可以在加工前输入到机床的存储单元里,10、字符图形显示功能,用于显示程序、零件图形、人机对话编程菜单和故障信息等。,11、通信功能,CNC与外界进行信息和数据交换的功能RS232C接口，可传送零件加工程序，网卡：适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成的要求。,12、自诊断功能,CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。开机自诊断；在线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。,13、人机对话编程功能,菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。,第二节CNC装置的硬件结构,按其中含有CPU的多少来分:单微处理器结构多微处理器结构,单微处理器：,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。,系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，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的数据。即它是处于以从属地位的，故称之为主从结构。,多微处理器结构：,CNC装置中有两个或两个以上的CPU，即系统中的某些功能模块自身也带有CPU。,经济型数控装置一般采用单微处理器机构高级型CNC装置常采用多微处理器结构,一、单微处理器结构的CNC装置,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种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。,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。,1、计算机主板和系统总线(母板),计算机主板是CNC装置的核心。包括：,CPU及其外围芯片；内存单元、cache及其外围芯片；通讯接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口,计算机主板的主要作用：,对输入到CNC装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种I/O信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。,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。,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。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。,2、显示模块(显示卡),显示卡的主要作用是接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，在CRT上产生所需要的画面。,在CNC装置中，CRT显示是一个非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，它给用户提供了一个直观的操作环境，可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。,显示卡是一个通用性很强的模块。它不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。,3、输入/出模块(多功能卡),它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给输出设备。,该模块也是标准的PC机模块，一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用的是ALL-IN-ONE主板，则此板可省略。,1）I/O信号的分类及接口电路的任务,2）接口电路的主要任务,进行电平转换和功率放大；防止噪音引起误动作。-抗干扰光电耦合器或继电器将CNC与机床信号在电器上加以隔离。数字量与其它量之间的转换-A/D,D/A,以上三部分，再配上键盘、电源、机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，它是CNC装置的核心，从某种意义上讲，CNC装置的档次和性能是由它决定的。因此，CNC装置中计算机系统的合理选用是至关重要的。,4、存储模块,在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：,系统软件、系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)用户的零件加工程序,计算机领域所用存储器件有三类：,磁存储器件，如：软/硬磁盘（读/写）。光存储器件，如：光盘（只读）。电子（半导体）存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器，其特点是容量大，价格低,在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。,电子存储器件按其读写性能来分：,只读存储元件（ROM、PROM、EPROM）易失性随机读写存储元件（RAM）。非易失性读写存储元件。这类器件有E2PROM；FLASH；带后备电池的RAM。,5、PLC(ProgrammableLogicController)模块,PLC模块：CNC装置实现顺序控制的模块。PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,CNC装置与被控设备交换的信息有三类：,开关信号模拟信号脉冲信号,上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰的原因，一般不能直接与CNC装置相联，需要一个接口对这些信号进行变换处理。,PMC模块实现方式有以几种：,简单I/O接口板,PLC（ProgrammableLogicController）控制：它是目前CNC系统用得最广泛的方式。,CNC机床用的PLC一般分为两类：,内装型（Built-inType）PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）,6、位置控制模块,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：CNC装置与步进电机驱动电源的接口；闭环（含半闭环）位置控制模块：CNC装置与直流、交流伺服驱动装置的接口。,7、功能接口模块,实现用户特定功能要求的接口板，实例：仿形控制器接口；激光加工焦点自动跟踪器接口；刀具监控系统中的信号采集器接口板。,8、单微处理器结构特点:,（1）集中控制分时处理；（2）CPU通过总线与存储器、I/O相连，构成CNC装置；（3）结构简单，容易实现。,二、多微处理器结构的CNC装置,多主CPU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。,特点：,能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。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,1、多处理机CNC装置的基本功能模块,CNC管理模块CNC插补模块位置控制模块PLC模块操作与控制数据输入/输出和显示模块存储器模块,（1）CNC管理模块,系统初始化、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,译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等预处理，插补运算。,（3）位置控制模块,自动加减速，回基准点，伺服系统滞后量的监视和漂移补偿等。,（4）PLC模块,（5）MDI/CRT、I/O模块；（6）存储器模块。,2、多微处理器结构CNC装置的典型结构,共享总线型共享存储器型,（1）总线共享型结构,多微处理器共享总线结构框图,FANUC15系统硬件结构,结构特征：,功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM，I/O模块)以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题,支持多微处理器系统的总线结构都设计有总线仲裁机构，常用的方式有：,串行总线仲裁连接方法,串行总线仲裁方式中，优先权的排列是按连接位置决定的。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线。同时通知它后面优先权较低的主模块不得使用总线。,并行总线仲裁框图,并行总线仲裁方式中，通常采用优先权编码方案。这种结构的模块之间的通信，主要依靠存储器来实现。大部分系统采用公共存储器方式。,共享总线结构的优点,结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高,共享总线结构的缺点,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，使信息传输率降低,第三节CNC装置的软件结构,CNC装置的软件是为了完成CNC数控机床的各项功能而专门设计和编制的，是一种专用软件，其结构取决于软件的分工，也取决于软件本身的工作特点。,一、软件与硬件在实现各种功能的特点和关系,关系：从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。,特点：,硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难；软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。,软件、硬件实现功能的分配：,功能界面划分的准则,系统的性能价格比,二、CNC装置的软件结构特点,最突出特点：多任务并行处理多重实时中断,1、多任务并行处理,（1）CNC装置的多任务性任务定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。,CNC的功能则可定义为CNC的任务：,CNC系统的任务要求并行处理：,为了保证控制的连续性和各任务执行的时序配合要求，CNC系统的任务必须采用并行处理，而不能逐一处理。,（2）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同的工作，运用并行处理技术可提高运算速度。,采用并行处理技术的目的：,合理使用和调配CNC系统的资源提高CNC系统的处理速度。,并行处理的方法有：,资源共享资源重复时间重叠,资源共享是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备；时间重叠使根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分；资源重复是通过增加资源（如多CPU）提高运算速度。,CNC装置的硬件设计普遍采用资源重复的并行处理方法；CNC装置的软件设计常采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术,1）资源分时共享并行处理,在单CPU装置中，主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。,“资源分时共享”的技术关键：,其一：各任务的优先级分配问题其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题,资源（CPU）分时共享图,各任务占用CPU时间示意图,资源分时共享技术的特征,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。,因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。,2、实时中断处理,CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统软件的结构则取决于系统的中断结构。,硬件主要提供支持中断功能的芯片和电路，如中断管理芯片（8259或功能相同的芯片），定时器计数器（8253、8254等）等。软件主要完成对硬件芯片的初始化、任务优先级的定义、任务切换（断点的保护于恢复、中断向量的保存与恢复等）等。,（1）CNC系统的中断类型,1）外部中断；2）内部定时中断；3）硬件故障中断；4）程序性中断。,（2）CNC系统中断结构模式,前后台型中断模式中断型结构模式,1）中断型结构模式,这种结构是将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（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。,中断型结构中断优先级别划分,中断型结构模式的特点(了解),任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。,2）前后台型结构模式,整个系统软件分为两大部分：前台程序后台程序。,前台程序：,是一个实时中断程序，完成几乎全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能。如：插补、位控、机床相关逻辑和监控等。,后台程序：,是一个循环执行程序。如：输入、译码、数据处理等插补前的准备工作和管理程序。,前后台程序运行关系图,前后台型结构模式的特点,任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。,第四节CNC装置的数据预处理,CNC装置系统软件的主要任务：如何将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。,数控加工及信息处理过程,数据预包括处理：,零件程序的输入译码刀具（半径、长度）补偿坐标系转换等,CNC装置数据转换流程示意图,一、零件程序的输入,1）纸带输入方式2）键盘输入方式3）MDI输入方式,二、译码,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（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。,数据结构示例：,StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/缓冲区状态，0空；1准备好。intblock_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。doubleCOOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。intF,S；/F（mm/min）S（r/min）。charG0；/以标志形式存放G指令。charG1；charM0；/以标志形式存放M指令。charM1；charT；/存放本段换刀的刀具号。charD；/存放刀具补偿的刀具半径值。；,以标志形式存放G指令示例,在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，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。,N06G90G41D11G01X200Y300F200；,StructPROG_BUFFERcharbuf_state；0：(开始)；1（；）intblock_num；06（N06）doubleCOOR20；COOR1=200000；（X200）COOR2=300000；（Y300）intF,S；F=200；（F200）charG0；D5=0；（G90）D6,D7=0,1（G41）D1=1；（G01）charD；D=11（D11）；,三、刀具补偿原理,（1）刀具补偿的基本原理,刀具半径补偿：,CNC装置能够根据零件轮廓信息和刀具半径自动计算中心轨迹，使其自动偏移零件轮廓一个刀具半径值的计算称为刀具半径补偿。,刀具半径补偿指令有：,G40-取消刀补G41-左刀补G42-右刀补补偿指令为模态指令,左,右,刀补处理的主要工作：,根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,刀具半径补偿的执行过程分三步：,1、刀补建立（G41，G42）,2、刀补进行（模态指令）,刀具中心轨迹始终比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。在轨迹转接处，采用圆弧过渡或直线过渡,3、刀补撤消（G40）,（2）刀具半径补偿计算,B功能刀具半径补偿计算(不能自动处理尖角过渡问题)C功能刀具半径补偿计算,C功能刀具半径补偿原理,B功能刀具半径补偿不能自动处理尖角过渡问题,1）C刀补原理,根据程编轨迹，直接计算出刀具中心轨迹交点的