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计算机数控系统Chapter2ComputerizedNCSystem,1数控装置的主要工作,输入input将编写好的数控加工程序输入给CNC装置。主要方式有：纸带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的DNC接口输入。CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作，输入的全部信息都放到CNC装置的内部存储器中。,CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的过程。下面简要说明CNC装置的工作情况。,A程序输入,A程序输入,B译码,译码decode在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度（F代码）及其它辅助功能（M、S、T）信息等，译码程序以一个程序段为单位，按一定规则将这些信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的格式存放在指定的内存区间。,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,数据处理dataprocessing数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。刀具半径补偿速度计算辅助功能：换刀、主轴启停、切削液开关等,C数据处理,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,C数据处理,插补interpolation插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。,D插补运算,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,C数据处理,D插补运算,E位置控制,位置控制positioncontrol主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制工作台或刀具的位移。,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,C数据处理,D插补运算,E位置控制,FI/O处理,I/O处理主要处理CNC系统和机床之间的来往信号的输入和输出控制。,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,C数据处理,D插补运算,显示displayCNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有：零件程序显示、参数设置、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示、刀具加工轨迹动态模拟显示以及在线编程时的图形显示等,E位置控制,FI/O处理,G显示,1数控装置的主要工作,A程序输入,B译码,C数据处理,D插补运算,E位置控制,FI/O处理,G显示,诊断diagnosis主要是指CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有启动诊断和在线诊断。启动诊断在线诊断,H诊断,1数控装置的主要工作,2数控装置的功能,A程序输入,B译码,C数据处理,D插补运算,E位置控制,FI/O处理,G显示,H诊断,控制功能：控制和联动控制准备功能：指令机床动作方式插补功能和固定循环功能：数据密化进给功能：进给速度的控制主轴功能：主轴切削速度、周向位置控制辅助功能：指令机床辅助操作刀具管理功能：对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理补偿功能：半径补偿和长度补偿人机对话功能：人机交互自诊断功能：故障预报和故障定位通讯功能：与外界进行信息和数据交换,3数控装置的构成,具有计算机的基本结构;,具有数控机床所特有的功能模块和接口单元。,硬件构成hardware,3数控装置的构成,软件构成software,从本质上看，是具有实时性和多任务性的专用操作系统;,从功能特征看，,CNC管理软件：主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度。,CNC控制软件：主要完成各种控制功能,3数控装置的构成,软件和硬件在一起构成了CNC装置的系统平台,图3-3CNC装置的系统平台,4数控装置的硬件,计算机主板和系统总线,显示模块,输入输出模块,电子盘,设备辅助控制模块,位置控制模块,功能接口模块,4数控装置的硬件,计算机主板和系统总线,计算机主板,计算机主板是CNC装置的核心。它的主要作用：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。,早期的数控系统，它的输入、运算、插补、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路实现。不同的数控机床需要设计专门的逻辑电路，可靠性差，功能和灵活性差。,小型机的采用，世界上第一台CNC系统于1970年问世，1974年美日等国便研究出了以微处理器为核心的数控系统，之后相继8位、16位、后16位、32位、64位CNC被应用。CNC具有体积小、结构紧凑、功能丰富、可靠性好等优点。,系统总线,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：分数据总线、地址总线、控制总线。,4数控装置的硬件,显示模块,显示卡的主要作用：接收来自CPU的控制命令和显示用的数据，经过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。它是人机交流的重要媒介。,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。,输入输出模块,4数控装置的硬件,电子盘,电子盘是CNC装置特有的存储模。计算机的存储器件有三类：磁存储器件，如：软/硬磁盘；光存储器件，如：光盘；半导体存储器件，如RAM、ROM、FLASH等。在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器。,4数控装置的硬件,设备辅助控制模块,设备辅助控制接口模块是CNC装置实现顺序控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、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。,设备辅助控制接口必须完成两个任：即电平的转换和功率放大、电气隔离。,简单I/O接口板,PLC控制,4数控装置的硬件,设备辅助控制模块,简单I/O接口板,4数控装置的硬件,设备辅助控制模块,PLC控制,4数控装置的硬件,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、闭环（含半闭环）位置控制模块。,4数控装置的硬件,位置控制模块,4数控装置的硬件,位置控制模块,速度指令转换,位置反馈脉冲回收,速度反馈电压转换,4数控装置的硬件,功能接口模块,该模块是实现用户特定功能要求的接口板，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。,5数控装置的软件,CNC装置软件和硬件的功能界面,CNC装置的数据转换流程,CNC系统软件结构特点,CNC系统软件结构模式,5数控装置的软件,CNC装置软件和硬件的功能界面,5数控装置的软件,CNC装置的数据转换流程,1.译码用ASCII码表达加工程序，数据结构格式2.刀补处理零件轮廓变换成刀具中心轨迹3.速度预处理计算每个插补周期内的合成移动量4.插补计算计算插补周期的实际合成位移量并分解5.位置控制处理进行各进给轴跟随误差的计算，调节处理，输出为位移控制指令,高,4,位,低,4,位,说明,1,3,G03,2,3,M03,100,X,值,50,Y,值,0,Z,值,0,I,值,50,J,值,0,K,值,100,F,值,1.译码译码就是把用ASC码编写的零件加工程序翻译成数控系统要求的数据格式，并存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。译码后的数据有两种存放格式。（1）不按字符格式的存放方法M03G03X100.Y50.I0J50.F100.；,（2）保留字符格式的存放方法StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/0：空，1：有数据intblock_num；/程序段号doubleCOORD20；/尺寸字的数值，单位为mintF，S；/进给速度和主轴速度charG_flag；/以标志形式存放的G指令charG1；/G指令表.charM_flag；/以标志形式存放的M指令charM1；/M指令表.charT；/刀具代号charD；/刀具半径值；,2.刀补刀补处理程序主要进行以下几项工作：1计算本段零件轮廓的终点坐标值；2根据刀具的半径值和刀具补偿方向，计算出本段刀具中心轨迹的终点位置；3根据本段和下一段的转接关系进行段间处理。,3.速度预处理速度预处理程序主要完成以下几步计算：1计算本程序段总位移量2计算每个插补周期内的合成进给量L=Ft/60（m）式中，F进给速度值（mm/min）；t数控系统的插补周期（ms）。,恒速控制：F值恒定加减速控制：F值按照一定规律变化,4.插补处理1根据速度倍率值计算本次插补周期的实际合成位移量；2计算新的坐标位置；3将合成位移分解到各个坐标方向，得到各个坐标轴的位置控制指令。插补程序的实时性,5.位置控制,位置控制算法原理,（1）计算新的指令坐标位置X2新=X2旧+x2Y2新=Y2旧+y2（2）计算实际坐标位置X1新=X1旧+x1Y1新=Y1旧+y1（3）计算位置控制输出值x3=X2新-X1新y3=Y2新Y1新位置控制是强实时性任务，所有计算必须在位置控制周期（伺服周期）内完成。伺服周期可以等于插补周期，也可以是插补周期的整数分之一。,5数控装置的软件,CNC系统软件结构特点,1.多任务性与并行处理技术CNC控制要求的多任务性控制基于并行处理的多任务调度技术资源分时共享（对单一资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统）2.实时性和优先抢占调度机制实时性任务的分类优先抢占调度机制,（2）多任务并行处理的实现1）资源分时共享,分时共享多任务处理方案,位置控制插补运算背景程序,各任务占用CPU时间示意图,0ms4ms8ms12ms16ms,2）时间重叠流水处理,资源重叠流水处理示意图,5数控装置的软件,CNC系统软件结构模式,所谓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式、任务调度机制、任务间的信息交机换制、