南阳理工学院数控复习02.ppt

第二章数控系统基本原理与结构 本章重点内容 刀具补偿原理 插补原理 CNC装置的硬件系统 CNC装置的软件系统 第二章数控系统基本原理与结构 第一节概述 第三节CNC的数据处理 第二节插补原理 第四节CNC的软件系统 第五节CNC的硬件系统 第六节典型CNC系统实例 第一节概述 一 CNC系统的组成 第二章数控系统基本原理与结构 二 CNC装置的结构 一 CNC装置的一般硬件结构 CNC装置硬件组成 二 CNC装置软件的功能性结构 三 CNC硬件 软件的作用和相互关系 CNC装置的硬件和软件构成了CNC装置的系统平台 数控加工系统 该平台提供CNC装置基本配置的必备功能 该平台根据用户要求进行功能设计和开发 CNC平台的建构方式就是CNC装置的体系结构 该平台由以下两个方面的含义 三 CNC装置的功能 基本功能 选择功能 数控系统基本配置的功能 即必备的功能 用户可以根据要求选择的功能 四 CNC系统的特点 灵活性大 只要改变系统软件 就可改变和扩展其功能 补充新技术 延长硬件结构的使用期 通用性强 硬件有多种通用的模块化结构 易于扩展 可以实现复杂的功能 如高次曲线插补 动静态图形显示等功能 可靠性高 使用维修方便 许多功能由软件实现 硬件结构大大简化 用大规模和特大规模通用和专用集成电路 CNC的诊断程序使维修非常方便 易于实现机电一体化 半导体集成电路技术的发展和采用先进的制造安装技术 使CNC装置尺寸大为缩小 K9M铣床数控系统 K9M铣床数控系统 立式1 K9M铣床数控系统 箱式 K9T铣床数控系统 箱式 四 几个典型的CNC系统 美国艾伦 勃兰特雷公司本世纪70年代中期生产的7360系统 是世界上第一个CNC系统 是该公司于1971年公布的 世界著名控制系统制造商日本富士通法努克在本世界70年代中期生产的System7 包括7T和7M两种 美国著名的飞机制造公司麦克唐纳 道格拉斯公司生产的Actrion 是一个典型的分布式微型计算机数控系统 返回 第二节插补原理 2 1概述 一 什么是插补 数控装置根据输入的零件程序的信息 将程序段所描述的曲线的起点 终点之间的空间进行数据密化 用一个个输出脉冲把这一空间填补起来 从而形成要求的轮廓轨迹 这种 数据密化 机能就称为 插补 零件程序 N12G00X12Y24N13G01X24Y56 直线插补 零件程序提供直线段的起点 终点坐标 数控装置将这两点之间的空间进行数据密化 用一个个输出脉冲把空间填补起来 从而形成要求的直线轨迹 N12G00X12Y24N13G01X24Y56 圆弧插补 零件程序提供圆弧起点 终点 圆心坐标 数控装置将起点 终点之间空间进行数据密化 用一个个脉冲把这一空间填补成近似理想的圆弧 即对圆弧段进行数据密化 N12G00X40Y30N13G03X0Y50R50 50 二维插补 对于平面曲线 通过二个坐标的插补运算 就能控制两个坐标轴走出所需轨迹 50 对于空间曲线 三维 四维 需要多个坐标轴联动 也就需要多个坐标的插补运算 多维插补 二 软件插补算法 脉冲增量插补 产生的单个行程增量 以一个个脉冲方式输入给伺服系统 原理 步进电机为驱动装置的开环数控系统 应用 数字采样插补 时间标量插补 插补程序每调用一次 算出坐标轴在一个周期中的增长段 不是脉冲 得到坐标轴相应的指令位置 与通过位置采样所获得的坐标轴的现时的实际位置 数字量 相比较 求得跟随误差 位置伺服软件将根据当前的跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令 输出给驱动装置 1 插补程序的调用周期和系统的位置采样周期相同 美国Allen Bradley公司的7300CNC系列 2 调用周期是系统的位置采样周期的整数倍 西门子公司的System 7CNC系统 采用8ms的插补周期和4ms的位置反馈采样周期 应用 适用于闭环和半闭环 以直流 或交流 电机为驱动装置的位置采样系统 类型 目前的MNC系统常采用以下结构方式完成插补运算 i采用软 硬件配合实现插补方案的单微机系统 FANUC的System 5 ii具有分布式微机系统 麦唐纳 巴格拉斯公司ActrionIII型MNC系统 iii具有单台高性能微型计算机NC系统 西德西门子公司的System 7CNC系统 2 2逐点比较法插补原理 基本思想 脉冲当量 被控对象在按要求的轨迹运动时 每走一步都要和规定的轨迹进行比较 由比较结果决策下一步移动的方向 一个脉冲所产生的坐标轴的移动量mm p 逐点比较法既可实现直线插补 又可实现圆弧插补 直线插补 一 偏差计算公式 如图所示 设规定轨迹为直线段OE 起点在原点 终点E的坐标为E Xe Ye 第一象限Pi xi yi 为加工点 轨迹点 1 若P正好处在OE上 则下式成立 即xeyi xiye 0 2 当P在OE上方时 即xeyi xiye 0 3 当P在OE下方时 即xeyi xiye 0 判别函数F为F XeYi XiYe 由F可判别动点Pi与理想轨迹的相对位置 从而决定下一步移动方向 F 0 点Pi在直线上方 应向 X移动 F0 为便于计算机编程计算 将F的计算予以简化 设第I象限中动点Pi xi yi 的F值为Fi Fi XeYi XiYe 1 若沿 x向走一步 即 于是有Fi 1 Fi Ye 2 若沿 y向走一步 即 于是有 新加工点的偏差完全可以用前一加工点的偏差递推 二 终点判别的方法有两种 1 每走一步 判断动点Pi xi yi 的坐标值是否与终点坐标相同 即Xi Xe 0且Yi Ye 0若两式同时满足 插补结束 求程序段总步数n Xe Ye每走一步 n 1 n 直到n 0 插补结束 三 插补计算过程 用流程图表示 终点到 初始化 偏差判别 坐标进给 偏差计算 End Y N 第I象限直线插补软件流程图 四 不同象限的直线插补计算 用同样方法分析第II III 象限插补情况 如图所示 可以得出 都是沿x方向步进 无论 x x x 总是增大 走 x或 x由象限标志控制 跟随Xe的 F 0 均沿y方向步进 无论 y y y 增大 I II走 y III IV走 y 随ye的 F 0 下图所示 轮廓形状 a 看成是第I象限 起点O1 终点O2 输出为 x y b 看成是第 象限 起点O2 终点O3 输出为 x y c 看成是第 象限 起点O3 终点O4 输出为 x y d 看成是第IV象限 起点O4 终点O1 输出为 x y 四个象限直线插补流程图可归纳为下图所示 则n xe x0 ye y0 例1对直线段OE进行插补运算 E点坐标为 5 3 试写出控制装置内插补运算步骤 解 初始化 xe 5 ye 3F 0 XF F 3F 0 YF F 5 F 0 XF F 3F 0 YF F 5 y x 0 圆弧插补 一 偏差计算公式 若Pi在圆弧上 则 xi yi x0 y0 0 取判别函数F为F xi yi x0 y0 圆心为原点 圆弧起点坐标 x0 y0 终点坐标 xe ye 设动点Pi xi yi 1 动点在圆弧外 F 0 向 x走一步 2 动点在圆弧内 F 0 向 y走一步 3 动点在圆弧上 F 0 向 x走一步 A x0 y0 E xe ye Pi x y 0 F xi yi x0 y0 二 终点判别的方法有两种 1 动点与终点坐标值比较若xi xe x向已到终点若yi ye y向已到终点只有当x y都到达终点 插补才算完成 2 计算总步数n Xe X0 Ye Y0 每走一步 n 1 n 直到n 0 插补结束 三 插补计算过程 用流程图表示 四 不同象限的直线插补计算 1 第一象限逆圆插补动点在 X方向走一步后xi 1 xi 1yi 1 yiFi 1 xi 1 yi x0 y0 Fi 2xi 1 动点在 Y方向走一步后Fi 1 xi yi 1 x0 y0 Fi 2yi 1 第一象限逆圆插补的流程图如图所示 第一象限逆圆插补流程图 初始化起点 x0 y0 终点 xe ye F 0 F 0 Y方向走一步 X方向走一步 F F 2Y 1Y Y 1 F F 2X 1X X 1 插补完 End N Y N Y 2 第一象限顺圆插补 F 0动点在 Y方向走一步后Fi 1 Fi 2Yi 1 第一象限顺圆插补的流程图如图所示 F 0动点在 X方向走一步后Fi 1 Fi 2Xi 1 第一象限顺圆插补流程图 初始化起点 x0 y0 终点 xe ye F 0 F 0 X方向走一步 Y方向走一步 F F 2X 1 X X 1 F F 2Y 1 Y Y 1 插补完 End N Y N Y 3 圆弧插补有八种情况表示如下图 4 四个象限顺圆 逆圆插补表 圆弧插补表 例2 欲加工第I象限逆圆弧 起点A x0 4 y0 3 终点E xe 0 ye 5 试写出插补计算步骤 解 初始化x x0 4y y0 3F 0n Xe Xi Ye Yi 6 F表达式 F 0 X F 2X 1 F X 1 XF 0 Y F 2y 1 F y 1 y 2 3数字积分法 1 基本概念 采用积分运算实现插补 又称DDA法 DDA DigitalDifferentialAnalyzer 2 优点 易于实现多维插补和原有系统多个坐标轴联动的扩充 尤其多坐标联动的数控系统 一 DDA直线插补 设对直线OE进行脉冲分配起点O 0 0 终点E xe ye 直线方程y x ye xe 对t求导 即Vy Vx Ye Xe 令动点P 在x y轴方向的速度分别是Vx Vy 在x y方向的微小位移增量为 X Y则 X Vx t Y Vy t 1 假定进给速度V是均匀的 即V为常数 对于直线函数来说 其分速度Vx Vy必为常数 且有下式 引入比例系数K 有 Vx K XeVy K Ye 2 将 2 式代入 1 式 即为坐标轴位移增量 x K Xe t y K Ye t 3 位移量为 取单位时间 t 1 则公式化为 t 3 1走一步 1 余值作为下次累加的余值 KXe KYe 不断累加不断溢出溢出脉冲数符合 3 式 得出接近理想的直线轨迹 累加多少次 才能达到加工终点呢 K 设经过m次累加后 达到终点 由 3 式知 m次累加后X m K Xe XeY m K Ye Ye 于是 必须使m k 1 或m 1 k i 累加1 k次后 x y方向同时到点溢出的脉冲总数X Xe Y Yeii K与m互为倒数关系 m必须是整数 故K必是小数 确定m K 方法1 每次累加 在每个轴上最多只能产生一个进给脉冲 式 2 中的 x y相同地要小于等于一个脉冲当量 即要求KXe 1KYe 1 则必然满足 I 式的条件 Xe Ye的最大允许值受系统字长的限制 假设系统字长为m 则Xe Ye的最大允许值为2 1 若取 方法2 假设Xe Ye 即X轴累加溢出脉冲总数多于Y轴 累加最有效的情况是 每次累加 X轴都有脉冲溢出 Y轴则不一定 于是选累加次数m Xe 则K 1 Xe 将 3 式改写成 每次累加1 X轴必有脉冲溢出 不必要进行累加计算 2 Y轴的累加结果大于或等于m Xe 时才产生溢出 发出一个脉冲 故m又称为溢出基值 作为是否有脉冲溢出的判别条件 作为终点判别条件 溢出余值m 设有x1 x2 xp个坐标轴同时插补 则令m max x1 x2 xp m对应的轴xm称为主导轴每次累加 主导轴必有脉冲溢出 而其余轴 推广到P个坐标轴同时插补的情况 即以终点坐标作为被积函数 增量 进行累加 累加结果大于或等于m时 产生溢出 发出一个脉冲 当经m次累加计算后 主导轴xm达到终点 此时 即其余各轴也同时到达了终点 优点 1 减少了一个坐标轴 主导轴 的累加运算 2 保证了每次累加必有脉冲输出 4 减少了插补程序的长度和插补运算时间 3 提高了脉冲发生率 解 初始化m xe 5 y 0累加增量为3 例3设有直线OE 起点在原点 终点E xe 5 ye 3 用DDA法实现插补 DDA逐累加次数58一次最多移动坐标轴21 预置了初值的插补结果见例3 比较例1 用逐点比较法进行直线插补 区别 例3中 y m 2 2 与例三比较 两次插补轨迹分别如图所示 以第I象限顺圆为例圆方程为 x y r 对时间t求导 由此设出第I象限顺圆坐标轴方向的速度分量为Vx KyVy Kx 此式说明 速度分量是随动点变化的 二 DDA圆弧插补 位移量 取单位时间 t 1则 4 坐标轴位移增量 由此构成如图所示的插补原理框图 考虑用半径r的数字量作为溢出余值k 1 r 于是 4 式变为 x y的增量值分别为y x轴的动点坐标值 yi xi 累加多少次才能达到终点 K 预置累加增量值x y轴累加增量初值分别为y0 x0 x y x轴累加求和 x x y x得出的溢出脉冲发到 x向y轴累加求和 y y x y得出的溢出脉冲发到 y向 坐标值更新 当x向发出脉冲后 x 1 x y更新y轴累加增量值y 插补过程如下 判终将 中计算出的坐标瞬时值与圆弧终点坐标进行比较 当有一个轴达终 该轴就停止计算 不再有脉冲溢出 只有当两轴都达到终点时 插补运算结束 即当y向发出脉后 y 1 y x 更新x轴累加增量值x 不同象限 顺逆不同 插补公式也不一样 解 溢出基值m r 5x轴增量值 x y0 5y轴增量值 y x0 0 x y 0 插补过程如下 例4 用DDA法进行圆弧插补 半圆弧AE起点A 0 5 终点E 5 0 半径r 5 三 提高积分法插补的精度 1 直线插补时的四舍五入 坐标轴积分值 溢出脉冲数 余数 其方法是在插补前 为各积分累加器预置溢出值的一半 从而容易地了实现四舍五入 1 当余数 0 5时 舍去2 余数 0 5时则发出一个脉冲 即四舍五入功能 以提高插补精度 解决措施 产生原因 2 减小DDA圆弧插补轮廓误差的措施 1 圆弧插补时的初值预置 被积函数较小的坐标轴位置变化较另一个轴慢 使插补出的轨迹向圆弧外扩展 累加单元预置一初值 溢出余值的一半 就可使较小坐标轴提早发生位置变化 积分累加器初值为零 积分累加器预置了初值 2 累加求和结果的互相影响 逆I III 顺II III 先x后y累加 逆II IIII 顺I III 先y后x累加 例 x的累加x y y 第一次累加 y累加产生输出并未立即影响到x的输出 只是使x的增量值 y 改变 下一次累加 才改变了的y才影响到x累加输出 产生原因 2 4时间分割法 基本思想 通过速度计算程序将进给速度V分割成插补周期的轮廓步长f 然后进行插补计算 送出各坐标轴的周期进给增量 例 System 7CNC系统采用时间分割法 插补周期为8ms即在每次8ms插补中断服务后 调用一次插补程序 一 直线插补 设要求刀具在XOY平面作直线运动 由0点运动到P点 则X轴和Y轴的移动增量为Xe和Ye 插补时 取增量大的为长轴 增量小的为短轴 要求X Y轴的速度保持一定的比例 同时开始运动 同时到达终点 设刀具的方向与长轴夹角为 OA为一次插补的进给步长f 由程序提供的Xe和Ye可以确定 tg Ye Xe 二 圆弧插补 以顺圆插补为例 顺圆上B点时继A点之后的插补瞬时点 其坐标分别为A Xi Yi B Xi 1 Yi 1 X Y轴的进给量分别为 X Y AOY AOB AOM BOM 0 5 0 5 由此可以推出 Xi Yi 与 X Y的关系式 cos cos i 0 5 反映圆弧上任意相邻两点间坐标间的关系 只要找到计算 X和 Y的恰当方法 就可以求出新的插补点坐标 Xi 1 Xi XYi 1 Yi Y 1什么叫插补 插补习题 2插补器有几种分类方法 可分为哪几类 3常用的插补方法有哪些 4试述逐点比较法的插补过程 5偏差函数的作用是什么 6逐点比较法直线插补的偏差函数是如何确定的 它与刀具位置有何关系 7逐点比较法直线插补时刀具进给方向如何确定 偏差值如何计算 10圆弧插补时偏差函数如何定义 它与刀具位置有何关系 直线的起点坐标在原点O 0 0 终点A的坐标为A 9 4 试用逐点比较法对直线进行插补 并画出插补轨迹 11数字积分插补法适用于什么场合 8逐点直线插补 怎样判断直线是否加工完毕 12插补运算中 DDA法是指 比较积分插被法 单步追踪插补法 数字积分插被法 逐点比较插被法 14数字积分法圆弧插补的被积函数是什么 如何判断终点 13数字积分法直线插被的被积函数是什么 如何判断终点 15圆弧插补时进给方向如何确定 偏差值如何计算 16圆弧插补时 如何差别终点 17试画出逐点比较法直线插被的程序框图 18若插补器所用寄存器的长度为n位 能插补的最大直线尺寸是直线终点的纵 横坐标均应小于 19用逐点比较法插补第二 三 四象限的直线时 应该如何计算偏差 返回 第三节CNC的数据处理 3 1CNC的输入 CNC的输入主要是指零件加工程序的输入 CNC装置数据转换流程如图所示 存数过程 取数过程 CNC系统中通常的工作方式为存储器工作方式 用键盘命令调出零件程序存储器中指定的零件程序 但在工作中还允许用键盘输入修正程序 3 2CNC的数据处理 3 2 1概述 进行插补运行前的准备 译码 运动轨迹计算 F值计算 零件程序中每个程序段所经历的过程是 内容 目的 3 2 2译码 将标准的数控代码翻译成本系统能识别的形式 如N042G01X40Y20F80 识别代码 翻译成具有具体意义的数据形式 并存入对应单元 取识 拼数 分存 过程 任务 概念 3 2 3刀具半径补偿原理 一 刀具半径补偿的基本概念 一 什么是刀具半径补偿 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 实线为零件轮廓 虚线为刀具中心轨迹 二 刀具半径补偿功能的主要用途 1 由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径变化 不必重新编程 只须修改相应偏置参数 2 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 3 2 3刀具半径补偿原理 一 刀具半径补偿的基本概念 三 刀具半径补偿的任务 根据程序段的起点 终点坐标以及r在起点 终点处的坐标分量rx ry 求出刀具中心的起点 终点坐标 核心是求r的分量 如图B 点XB XB rxYB YB ry 园弧过渡型刀补 在硬件NC中 采用园弧过渡型刀补 故要增加一段园弧 非圆滑过渡处附加程序段 直线过渡型刀补 求出刀具中心轨迹交点 再对原来的编程轨迹作伸长或缩短的修正 四 刀具半径补偿的转接形式 伸长型 C点处于JB与DK的延长线上 缩短型 编程轨迹OA AF 刀具中心轨迹JB与DK将在C点相交 这样 相对于OA和AF而言 缩短一个CB与CD的长度 X 插入型 刀具半径补偿的常用方法 刀具中心轨迹的段间连接都是圆弧 B刀补 C刀补 相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用直线连接 五 C刀补的基本设计思想 刀具半径补偿是在译码之后进行 译码译出一段并不立即进行刀补 译出的若是下一段 则对本段进行刀补 而正在插补加工的是上一段 CNC系统专门设立了刀补缓冲区CS 刀补过程是 Pi 1 Pi 1 1 Pi Pi 1 Pi 1 Pi 1 Pi 1 Pi 1 Pi Pi 1 6 Pi 1 Pi 1 Pi 1 Pi Pi 1 Pi 1 Pi Pi 1 二 刀具半径补偿的工作原理 3 2 4F值计算 开环系统采用步进电机作驱动元件 每输入一个脉冲 步进电机就转过一定的角度驱动坐标轴进给一定距离 mm 脉冲 发送给步进电机的脉冲频率确定坐标轴进给速度F mm min F与脉冲发送频率的关系如下 即 原理 F f 60 mm min 获得要求的脉冲发送频率f的方有 软件延时法 LDB ALOOP DECB1 Ti 256JRNZLOOP 步进机每步执行的周期Ti由下式决定Ti t01 Tci tt01 主程每步插补运算所需时间 us Tci 装入A中延时控制字节1 Tci 256t 每次循环的时间 us 看小于额定最高运行频率 1 延时期间 CPU不能做其它工作 2 不同的插补算法 插补类型 t01也不相同 这样就增加了软件的复杂性 改变Tci即改变Ti Tci Ti f t01越短越好 尽可能使插补程序精炼Tmin t01 t Tci 1 原理 主机完成插补计算 中断服务子程输出脉冲 利用CTC作定时器 实现定时中断 CTC计数定时器的工作过程是 f 时间常数Tc 减1计数至0 产生中断 执行中断子程 定时中断方法 将时间常数送减1计数器 计数器减到0时 向CPU发出中断申请 CPU接收这一申请 就立即执行中断服务子程 3 3管理程序与诊断程序 一 管理程序 管理程序主要是对CNC系统的各项数控功能与零件加工过程的管理 初始化 接受命令 执行命令 返回待命状态 工作流程 数控功能 编辑 自动 空运行 单段手动1 手动2 手动3 一 运行中诊断诊断程序常包含在主控程序 中断处理程序等各部分中 接口 伺服系统和机床方面的都包含在CNC装置软件的相应部分 二 诊断程序 1 用代码和检查内存 2 格式检查 3 双向传送数据检验 4 电压 温度 速度等模拟量监控 二 停机诊断 概念 当系统发生故障或系统开始运行前 利用诊断程序进行诊断称为停机诊断 商业化的CNC装置多数配有自诊断程序 概念 诊断时 将自诊断程序装入运行 CNC系统无故障 检查程序连续进行 不停机 如发现故障 则停机 从停机地址即可找到故障部位 自诊断程序包括 内存检查程序 逻辑检查程序 算术检查程序 接口 外设检查程序 位置控制测试程序 以及掉电处理检查程序等 对接口电路也可以设立独立诊断程序 就是使接口与外围设备脱离 将某些接口的输出线与另一接口的输入线适当连接 以进行信息传送并进行检查 三 通讯诊断 用户CNC系统经电话线路与诊断中心通讯 由诊断中心发出诊断程序 指示CNC进行某种运行 同时收集数据 分析系统的状态 故障发生时 NC机床操作者打电话给诊断中心 接通NC系统与诊断系统计算机联系的按钮 中心计算机把诊断程序送入NC系统 由该程序检验NC机床各单元回路和机构 检验结果自动回送到中心计算机 给操作者提出一整套消除故障的措施 返回 第四节CNC的软件结构 4 1概述 CNC是一个实时的计算机控制系统 数控的基本功能是由各种功能子程序实现的 特点 1 CNC系统软 硬件的界面 2 系统软件的内容及结构类型 前后台型软件结构 中断型软件结构 3 多任务并行处理 资源分时共享并行处理 4 2前后台型的软件结构 4 2 1概述 作用 系统的核心 承担几乎全部实时功能如插补运算 位置控制 故障诊断 前台程序 实时中断服务程序 后台程序 背景程序 作用 完成插补前的准备工作和调度管理 如显示 插补预处理 程序编辑 前后台运行的相互关系如图所示 4 2 2后台程序的调度管理功能 程序段经过输入译码 数据处理后 已进入就绪状态 等待插补进行 背景程序有一个数据段执行程序 专门管理数据段的执行 数据处理后两种信息的传递如图所示 数据段执行程序的功能 将数据处理结果缓冲器中的插补用信息传送到插补缓冲器 并把系统工作寄存器的辅助信息待送到系统标志单元 在完成了两种传送后 背景程序设立了两个标志 数据段传送结束标志 开放插补标志 在一个中断周期 实时中断程序进行插补及伺服输出 背景程序进行下一段的数据处理 的调度管理功能框图正常状态下背景程序 一 什么是中断型软件结构 4 3中断型软件结构 指除了初始化程序外 整个控制程序分成若干各不同级别的中断服务程序 所有的各种功能子程序均被安排成级别不同的中断程序 管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通讯来解决 二 中断型软件结构的特点 实时性好 但模块关系复杂 耦合度大 该模式的软件结构如图所示 三 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 各种硬件故障检测系统发出的中断 4 程序性中断 程序中出现异常情况的报警中断 阅读机中断和外部监控中断 键盘操作面板输入中断 4 4基于实时操作系统的软件结构 除了具有通用操作系统的功能外 还具有任务管理 多种实时任务调度机制 任务间的通讯机制等功能 1 弱化功能模块间的耦合关系2 系统的开放性和科维护性好3 减少系统开发的工作量 功能 优点 4 5华中 型数控系统软件介绍 华中 型数控系统软件以工业PC和DOS操作系统为软硬件支持环境 其底层运动控制软件实现开放 构成开放式的运动平台 提供一个二次开发环境 能够供不同的数控系统灵活配置 使用 并提供了一个标准风格的软件界面 过程层软件相当与前后台型软件结构中的背景程序 通过NCBIOS把它与底层软件隔开 使得过程层不依赖于硬件 华中 型软件结构 MS DOS RTM NCBIOS 位置控制 I O控制 SDI曲面直接插补模块 PLC 过程控制软件 编辑程序 参数设置 位置显示 PLC管理 故障显示 底层软件 过程层软件 返回 第五节CNC硬件系统 5 1CNC硬件结构 一 按硬件制造方分 1 专用型CNC装置 采用功能模块化结构 按功能要求可选用7 9 11和13个槽的控制单元母板 在控制单元母板上插入各种不同功能模块的印刷电路板 大板结构 2 PC式CNC系统 组成 由主电路板 PLC板 附加I O板 图形控制板和电源单元等组成 采用工业标准计算机作为CNC系统支撑平台 不同数控制造厂仅需插入自己的控制卡和CNC软件即可构成CNC系统 不设计专门硬件 由于工业标准计算机的生产数以白万计 其生产成本很低 继而降低CNC系统的成本 二 按CPU的多少分 1 单机系统 其结构框图如图所示 总线 1 基本概念 2 特点 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 现在已被多机系统的主从结构所取代 整个CNC装置只有一个CPU 集中控制和管理整个系统资源 通过分时处理的方式实现各种数控功能 优点 投资小 结构简单 易于实现 缺点 2 多机系统 多机系统结构如图所示 其他外围设备 I O接口 辅助功能 CPU 输入端 输出端可编程控制器 CNC插补 位置控制模块 模块几何处理 其他功能 管理模块 存储器 多机系统CNC系统并联数据总线 1 基本概念 2 分类 整个CNC装置中有两个或两个以上CPU 就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU 系统种只有一个CPU 主CPU 处于主导地位 对系统资源有控制和使用权 其他CPU处于从属地位 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 多主结构系统 整个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和使用权 模块间采用紧耦合 分布式结构系统 整个系统有两个或两个以上的带CPU的功能模块 每个模块有独立的运行环境 模块间采用松耦合 三 单机或主从结构模块的功能介绍 1 什么是模块化设计方法 每个模块配上相应的驱动软件 按功能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 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 2 模块化设计的条件 总线 BUS 标准化 单机或主从结构的CNC装置硬件结构 四 多主结构的CNC装置硬件简介 1 特点1 实现真正意义上的并行处理 处理速度快 2 容错能力强 1 共享总线结构结构简单 系统组配灵活 可靠性高 FANUC系统 2 结构形式 2 共享存储器结构 美国GE公司的MTC1 CNC系统 共享存储器结构CNC装置硬件结构 7360系统的硬件结构 7M系统的硬件结构 5 2I O接口及通讯功能 一 I O接口 I O接口是CNC系统与外界交换信息必不可少的手段 不同的输入 输出设备与CNC系统相接 采用与其相应的I O接口电路和接口芯片 2 输入接口 接受机床操作面板的按钮信号及机床的各种限位开关信号 3 输出接口 将各种工作状态灯信息送到机床操作面板 把控制机床动作信号送到强电箱 1 概述 设备辅助控制接口的硬件逻辑图 系统总线 4 分类 二 通讯接口 作用 主要用于CPU和外设之间 系统和系统之间的相互通讯 通讯接口板上的接口采用标准接口 如 并行接口IEEE 488 串行接口RS 232C 5 3CNC与PLC 一 数控机床的强电逻辑控制 1 基本概念 2 主要作用 接收数控装置输出的住运动变速等指令信号 经必要的编译 逻辑判断 功率放大后直接驱动相应的电器 液压 气动和机械部件 以完成指令所规定的动作 是介与数控装置和机床机械 液压部件之间的控制系统 二 可编程逻辑控制器PLC 概述 固态逻辑电子器件的出现提高了系统的稳定性 响应速度 功耗小 寿命长 但仍属于硬线方式 1969年美国数字设备公司研制了PDP 14型PLC器件 填充了继电器逻辑和微处理之间的地带 由于微型计算机的运用和发展 为逻辑控制开辟了广阔的前景 以微处理器为基础的新一代PLC 不仅对传统的数字领域产生了巨大影响 并且对整个计算机辅助制造产生威力 PLC的基本结构 PLC的典型结构 PLC的组成 1 PLC微处理器处理器的结构与计算机的CPU结构类似 差别 一般计算机的数据处理能力强 PLC以逻辑运算为原则设计的 数据处理能力较弱 运算控制比较简单 指令数目少 为了用户采用梯形图编程方式 2 I O子系统 I O子系统是PLC对外的接口 被控设备的I O信号接到相应的I O组件上 作用 完成电信号电平转换 处理器电路与外界的隔离 数 模和模 数转换以及故障指示等功能 PLC的一般工作原理 1 用户根据采用的梯形图编制程序 通过程序设定器转换为及其指令目的码 在CPU的控制下进入EPROM只读存储器 梯形图如图 2 在启动程序运行后 处理机不断的进行循环扫描 顺序的从PROM中取相应程序的机器码 译码执行 PLC的分类 1 内装型PLC 1 什么是内装型PLC CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制 而将CNC和PLC综合起来设计 2 内装型PLC的特点 内装型PLC是CNC装置的一部分 它与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的 内装型PLC是CNC不能独立工作 是CNC装置的一个功能模块 是CNC装置功能的扩展 3 带内装型PLC的CNC系统总线结构 4 具有内装型PC的CNC机床系统结构 5 举例 在硬件上 内装型PLC与CNC装置共用一个CPU 西门子公司的SINUMERIK810 820等数控系统 在硬件上 内装型PLC也可是单独的CPU FANUC的0系统和15系统 美国A B公司的8400系统和8600系统 这种PLC的硬件和软件整体结构上合理 实用 性能价格比高 适用于类型变化不大数控机床 2 独立型PLC 1 什么是独立型PLC 由专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制 称为独立型PLC 2 独立型PLC的特点 独立于CNC装置 具有完备的硬件和软件功能 能够独立完成规定的控制任务 独立型PLC的生产厂家较多 品种 类型丰富 使用户由较大的选择余地 3 具有独立型PLC的CNC机床系统结构 CNC装置 4 主要功能 5 举例 西门子公司的SIMATICS5 S7系列产品 FANUC公司的PMC J系列产品 A B公司的PLC系列产品 Canada Entertron公司SK 1600PLC系列产品 PLC实例 试设计三相异步电机正反停控制的继电器电路 右图为该设计的主电路图 控制电路 I O连接图 上图中 TA 停止按钮RJ 热继电器FA 反转按钮ZA 正转按钮ZC FC 电动机接触器 LOADP0001ORP0041AND NOTP0003ANDP0004AND NOTP00042OUTP0041LOADP0002ORP0042AND NOTP0003ANDP0004ANDNOTP0041OUTP0042END 其语句表如右部所示 程序运行 PLC的发展与应用 PLC首先应用于汽车工业 由于适用于逻辑控制 很快被应用到数控机床中 品种剧增 功能愈强 1973年出现了第二代PLC 在价格上可以与继电器相匹敌 在功能方面增加了加 减 乘 除功能 美国A B公司的PLC 3容量为96K 字长16位 I O分别为4096 4096点 定时器 计数器共达32768个 68条指令 还具有PID功能 TEXAS公司的TI 510内存容量仅0 5K 输入126点 输出8点 定时器 计数器共16个 PC的现状和发展方向 三 可编程逻辑控制器PLC与CNC 工作过程如下 1 计算机扫描各个输入数据源 获得的数据以表格方式存入存贮器中 2 计算机通过I O总线向PLC有关的输入数据和控制信息 存入PLC的RAM之中 3 计算机向PLC发送 启动命令 PLC对启动命令的响应是将其 忙录 标志置1 并启动其程序计数器 4 上述的过程一直继续到所有的逻辑方式被解出 即全部的指令被执行 5 当计算机检测到PLC的 完成 标志时 便读出PLC的输出RAM中的内容 并将数据存入存贮器表中 6 计算机执行另一个输入序列循环 向PLC传递数据 启动PLC 暂存RAM用作中间结果储存 与硬线系统的继电器等价 是系统内部的媒介信息 带有PLC的CNC框图如图所示 5 4CNC装置的显示模块 1概述 1 计算机图形显示 从显示器件上显示的内容讲 分为三种类型 文字 数字及简单的字符拼凑的简单图形 可以显示各种线条和各类图形 形势显示 2 CNC的CRT显示 更为广泛的一种显示 字符和各种线条 图形 连同某些背景信息在一起的显示 属于文字显示 CNC的CRT显示的控制结构是小型机或微型机内存中所存放的显示程序和档案 CRT系统内有缓冲存储器及显示控制器 亦有显示器内带微型机的 成为智能终端 CNC的显示结构如图1所示 CNC的CRT显示原理 3 CRT显示的特点 不仅显示直观 便于修改 而且可以进行人机对话 是计算机数控中的外围设备 4 显示卡CRT的主要作用 接收来自CPU的控制命令和显示用的数据 经与CRT扫描信号调制后 产生CRT显示器所需要的视频信号 由CRT的电子枪对屏幕进行扫描 从而产生所需的画面 2CRT的工作原理 1 高速电子束撞击荧光屏表面的磷光物 对应位置就出现光点 光点的亮度决定于电子束的强度 屏幕上的如象显示 是利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现的 2 为了使电子束能够有规律的从左到右 自上而下地移动 以构成一帧完整幕面 必须加上偏转电路 电子束这种移动称为扫描 3 在电子束扫描过程中 利用图象信号不断控制电子数的强度 荧光屏上就出现黑白图象 4 图像信号必须与扫描过程密切配合 否则 屏幕上就会杂乱无章 不会显示清晰的图像 扫描过程在荧光屏上形成的一行行光点 光栅 同步 图象信号与扫描过程的密切配合 逐行扫描形成帧面的动画 逐行扫描形成帧面的示意图 第1线 第2线 第3线 0 水平逆程 消隐 水平正程 显示 开始垂直逆程 3显示程序的结构 CNC的显示方式的分类 1 加工状态下的CRT显示 2 非加工状态下的CRT显示 包括加工的数据段 加工时尺寸大小 主轴转速 进刀速度及加工状态的显示 显示内存中已储存的零件程序 目录表等此时 只需按适当的键盘命令即可进行 5 5华中 型数控系统硬件介绍 华中 型是我国 八五 科技攻关中开发的高中档数控系统 它由华中理工大学开发完成 华中 型在当时PC速度还不是太快的情况下 通过优化软件算法 在PC单处理器上实现了多主轴 多通道控制及高速加工能力 达到了国外高档多处理系统的性能 华中 型的硬件组成如下图所示它由IPC及功能接口板组成 返回 第六节典型CNC系统实例 6 17360系统 美国Allen Bradley公司出品的7360系统是用来控制车床的计算机数控系统 1概述 系统的核心是一台字长为16位的小型计算机 主存储器最小容量为8K 电源为交流115伏 采用半导体为存储元件 还专门准备了一台蓄电池电源 7360CNC的功能 具备与普通NC系统同样的功能 例如定位插补 延时 车螺纹 绝对和增量编程等 进行端面恒速车削 即随着车削半径的增大或减小 主轴的转速相应地降低和增高 进给的指定方式可以有三种 用进给速度数FRN编程 FRN V D 用机床滑板每分移动的毫米或时数编程 主轴每转滑板移动距离代表进给速度 27360系统的硬件 一 7360的控制面板 一 主控制面板 1 荧光屏 CRT 显示器 可显示16行 每行64个字符 2 手动数据输入 MDI 操作 3 其他操纵按钮 可输入 编辑 存储程序的数据 7360CNC系统硬件框图 二 辅助控制面板 二 7360系统的接口 三 专为计算机用的控制面板 UPK算术逻辑部件UPJ控制器插件UPG存储器插件 每块8K 最多可用4块UPI控制器接口UPH存储器接口UEA外部设备接口 三 工业处理机 算术逻辑部件 功能 完成算术运算和逻辑运算 采用TTL中规模集成电路和提前进位方式 输入部分 功能 接受通用外设和专用外部送来的信号 输出部分 功能 向通用外设和专用外部输出相应的命令 三 工业处理机指令系统共86条指令 移位指令20条 输入输出指令23条 存储器访问指令14条 变换跳步指令19条 主存储器 采用半导体存储器 用以存储程序 指令和数据 根据需要可从8K扩充到32K 控制部分 功能 根据指令要求控制各部分使能协调工作 27360系统的软件 一 概述 美国Allen Bradley公司的7360系统是典型的数字采样实时过程控制系统 二 组成 各种控制功能都被当作任务 编制成为独立的程序模块 通过系统程序 讲各功能联系成为一个整体 1 背景程序 功能 根据开关命令所确定的系统工作方式 进行任务调度 背景程序的工作方式 2 中断服务程序 前台程序 6 27M系统 1概况 7M系统是一种高精度 高性能的闭环CNC系统 NC系统由日本富士康FANUC公司和西门子公司联合设计 于1976年共同研制成功 硬件由西门子负责 系统软件由FANUC负责 主要用于控制铣床和加工中心 是当时世界上最先进数控系统之一 27M系统的硬件 一 概述 7M是16位字长的微处理机数控系统 是以位电式高速微处理器 CPU 为核心 用数据总线方式与存贮器和各种接口 合成一个完整的数控系统 二 基本组成包括以下几部分部件 CPU通过内部数据总线与内部存贮器相连接 存贮器用于存放控制程序 工作参数和工作数据 内部数据总线经双向缓冲器接到数据总线 1 中央处理单元CPU和存贮器 3 纸带阅读机接口 通过数据总线 CPU控制纸带阅读机输入零件程序 2 位置控制器 包括位置控制装置 位置检测装置和脉冲计数器 功能 4 数控操作面板接口 作用 接收数控面板的按键信号 输入接口用作接收机床操作面板的各开关按钮信号和机床的各种开关信号 输出接口用作把机床工作的各种状态灯信送到机床操作面板 还把控制机床动作的信号送到强电箱带动相应的电器 5 输入输出接口 6 外部操作面板接口 功能与数控面板相仿 可以放置在操作者认为方便的地方 以便操作控制数控装置 7 纸带存贮器 穿孔机和电传机接口 7 纸带存贮器 穿孔机和电传机接口 8 CRT接口 控制和显示单元 9 工程师面板 功能 调试7M的测试仪器 用于调试微程序和控制程序 维修时可用来检查故障 CRT可显示数控程序 数控加工中心的瞬时数据 各种设定参数和故障情况等内容 功能 存放纸带的零件程序 逐段执行对零件进行加工 37M系统的软件 7M数控装置的软件由22K控制程序 固化在ROM中 三座标两联动系统为20K 4KCRT控制程序 诊断程序 由专用的诊断纸带输入 组成 整个程序总体结构简单 功能强 程序精炼严密 1 控制程序 控制程序采用中断型软件结构 整个程序就是一个大的多重中断系统 中断一共有八级 0级到7级 0级是最低级 7级是最高级 1 初始化程序 2 各部分程序简述 每次开机后 首先执行初始化程序 为整个系统的正常工作做准备 主要完成以下三项工作 对RAM中工作寄存器初始化 进行ROM奇偶校验 设置一些加工所需的初始状态 初始化程序执行完后返回到0级中断 控制CRT显示 中断请求始终存在 即总是进行CRT显示 除非有别的级中断请求产生 2 第0级中断 硬件 3 第1级中断 软件 16ms定时 第1级中断按工作内容细分为13个口子 系统采用依次查询的工作方式来完成第1级中断 4 第2级中断 软件16ms定时 功能 对机床控制台的输入信号处理 NC键盘监控 穿孔机操作处理 强光信号处理和输出信号处理 5 第3级中断 硬件 8ms软定时 6 第4级中断 软件 8ms定时 7 第5级中断 硬或软件 8 第6级中断 4ms时钟 分为三个阶段 输入代码的有效性判别 代码的具体处理 结束处理 完成位置控制 4ms定时计时和存贮器奇偶校验工作 功能 最高级中断 监控测试台 进行存贮器数据读 写程序调试处理 9 第7级中断 硬件 3 零件加工过程举例 新零件的首件一般要先通过空运行来检查编程是否正确 若有错 要对源程序进行编辑纠正 重新修改后的程序可穿成纸带以备后用 若编程正确 即可按照 开机 纸带输入 加工这一工作过程进行零件加工 返回 第三章习题 3 1机床数控系统主要由哪几部分组成 第三章习题 3 2计算机数控系统 CNC系统 由哪些部分构成 各部分的功能如何 3 3CNC系统中微机的控制功能有哪些 3 4CNC系统中微机译码程序功能是什么 3 5工业控制计算机与通用计算机相比 有什么显著特点 3 6CNC系统常用的软件插补方法中 有一种是数据采样法 计算机执行插补程序输出的是数据而不脉冲 这种方法适用于 3 7提高CNC系统可靠性 可采取哪些措施 开环控制系统 闭环控制系统 点位控制系统 连续控制系统 采用单片机 采用双CPU 提高时钟频率 采用模块化结构 采用光电隔离电路 3 8CNC系统中的微机部分 主要由微处理器 CPU 内部存储器 RAM和ROM 和I O接口电路组成 由 和三条信号线联接 题型变换 CNC系统中的微机部分 主要由 和组成 由数据总线 地址总线和控制总线三条信号线联接 3 9什么叫微处理器 微机 微机系统 3 10微机I O接口电路常由哪几部分组成 3 11CNC中I O控制通道应具备哪些基本功能 3 12光电隔离电路 如采用达林顿或可探硅输出型光电耦合器件 的主要作用是什么 3 13试绘出采用软件实现环形分配与采用硬件环形分配器的步进电机控制通道组成框图 3 14CNC系统控制软件主要由哪些部分组成 3 15什么是微机数控系统的模块化设计 3 16采用标准总线模板组成系统时的优缺点有哪些 3 17将一台普通车床改造成经济型数控车床其主电动机仍为手动控制 但方刀架要能自动转位 90 180 270 0 试用框图表明 组成一个完整的数控系统需要哪些基本的硬件电路和设备 3 18机床I O控制回路中的接口软件是 插补程序 系统管理程序 系统的编译程序 伺服控制程序 3 19在中断型系统软件结构中 各种功能程序被安排成优先级别不同的中断服务程序 下列程序中被安排成最高级别的应是 CRT显示 伺服系统位置控制 插补运算及转段处理 译码 刀具中心轨迹计算 3 20实现控制系统的模块化设计的必要条件是 而模块化设计工作可归结为的选用 3 21目前CNC系统控制软件基本上有两种常用的典型结构 即和 3 22微机控制系统的模块化 按照功能 总线标准模块可分为 以及等 3 23CNC系统常用的软件插补方法中 有一种是数据采样法 计算机执行插补程序输出的是数据而不脉冲 这种方法适用于 开环控制系统 闭环控制系统 点位