数控编程四.ppt

1 第四章计算机数控系统 第一节概述 第二节CNC的轨迹控制原理 第四节进给速度和加减速控制 第五节CNC的输入输出与通信功能 第三节刀具位置补偿和半径补偿 2 第四章第一节概述 一 CNC系统的构成与功能二 CNC的硬件结构三 CNC的软件结构 3 一 CNC系统的构成与功能1 数字控制的任务数控机床的任务 主要在于制造各种规定的几何形状 机械制造技术中 被加工零件的几何形状千变万化 主要有回转体零件和非回转体零件 从控制技术观点来分析各种加工方法时 主要着眼于几何规律方面的控制 4 机械制造工艺中的数字控制就是使工件与刀具的相对运动形成规定的几何轨迹 及一些辅助控制 机床数字控制的根本任务就是运动轨迹程量控制和开关量控制 总体采用G M代码和S T F等 柔性自动化要求CNC具有通信和DNC功能 市场个性化和适应性要求CNC自身具有结构上的开放性和功能上的可重构性 5 2 CNC系统的组成 根据机床数字控制任务 CNC系统采用了计算机作为控制部件 通过常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能 从而能对机床运动进行实时控制 只要改变计算机的控制软件就能实现一种新的控制方法 这是CNC的最大特点 其基本结构组成如图 6 3 CNC控制器一般的工作过程CNC的工作是在计算机硬件的支持下 执行软件控制功能的全过程 1 输入 输入CNC控制器通常有零件程序 机床参数和补偿数据 机床参数和除刀具尺寸外的补偿数据一般在机床出厂或在用户安装调试时已设定好 所以主要是零件程序和刀具尺寸补偿数据的输入 输入形式有光电阅读机纸带输入 键盘输入 磁盘输入和连接上级计算机的DNC接口输入 CNC输入工作方式有存储方式和NC方式 前者将整个零件程序全部输入再调出 后者边输入边加工 7 2 译码译码处理是将零件程序的一个程序段作为单位进行处理 译码处理将零件轮廓信息 进给速度F和其他辅助信息 M S T 解释后 存放在指定的内存专用区域 在译码过程中还要完成对程序段的语法检查 发现错误立即报警 3 刀具补偿 刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿 刀具补偿作用就是把零件轮廓轨迹按已定的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心轨迹 高档CNC刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判断 即C刀具补偿功能 8 4 进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对工件的移动速度是在各坐标合成运动方向上的速度 即F代码指令值 速度处理先按合成速度来计算各进给运动坐标方向的分速度 为插补时计算各进给坐标的行程量准备 同时处理机床的最低和最高速度限制及自动加减速 5 插补 要进行轨迹加工 CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行 数据点密化 工作 此即所谓插补 插补是在规定的周期内执行一次 即在每个周期内 按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段 经过若干插补周期后 完成一个程序段加工 9 6 位置控制 位置控制是处在伺服回路的位置环上 如图 其主要工作是在每个采样周期内 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电动机 这部分工作可由硬件或软件来完成 通常还要完成位置回路的增益调整 各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿 10 7 I O处理 主要是指CNC与机床之间电气信号的输入 输出处理和控制 8 显示 为操作者提供方便 包括 零件程序 参数 刀具位置 机床状态 报警信息等显示 有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示 9 诊断 自动故障诊断是现代CNC所必须具备的功能 通常有联机诊断和脱机诊断两种功能 11 联机诊断是指CNC中的自诊断程序 融合在各个部分 随时检查不正常的事件 脱机诊断是在CNC不工作情况下的诊断 通过配备的各种脱机诊断程序对存储器 外围设备接口和I O接口进行检查 脱机诊断也可采用远程通信方式进行 即所谓的远程诊断 远程诊断是把用户的CNC通过网络与远程通信诊断中心的计算机相连 由诊断中心计算机对CNC进行诊断 故障定位和修复 12 二 CNC系统的硬件结构CNC的软件功能要有相应的硬件水准来支持 已有的或常规的CNC必须趋向开放式的CNC 1 常规CNC的硬件结构 1 常规CNC发展的主要形式 大体上有三种 一种是总线式模块化结构CNC 元器件采用了32位的RISC 精简指令集 芯片 数学协处理器及闪烁存储器等 用于多轴控制高档数控机床 13 第二种是以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC 大量用于中档和经济型数控机床 第三种是基于通用计算机 PC或IPC 基础上开发的CNC 其优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源 而且可以随着计算机硬件的升级而升级 前两种类型相对第三种可称为专用结构的计算机 其特点是硬件印制板是制造厂专门设计制造的 不具有通用性 第三种的硬件通常无需专门设计 只要装入不同的控制软件 便可构成不同类型的CNC 通用性大 易于维修 14 2 开放式CNC的硬件结构目前 对数控系统的柔性和通用性的要求主要体现在 根据不同的加工需求迅速 高效 经济地构筑面向客户的控制系统 减少数控机床生产厂对控制系统供应商的高依赖性 大幅度降低维护和培训成本 改变目前数控系统的封闭型设计 以适应未来车间面向任务恶化订单的生产组织模式 使底层生产控制系统的集成更为简便和有效 为此 必须重新审视原有控制系统的设计模式 建立新的开放型的系统设计框架 使数控系统向模块化 平台化 工具化和标准化发展 15 1 开放式CNC的定义参照IEEE对开放式系统的规定 一个真正意义上的开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力 提供面向功能的动态重构工具 同时提供统一标准化的应用程序用户界面 具有以下特征 1 可互操作性 Interoperability 指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上 不同模块之间保持平等的相互操作能力 协调工作 这一特征要求提供标准化的接口 通讯和交互模型 16 2 可移植性 Portability 指不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的系统平台之上 这一特征解决CNC软件的公用问题 要求设计的软件与设备无关性 即通过统一的应用程序接口 完成对设备的控制 3 可缩放性 Scalability 指增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载和卸载 4 可相互替代性 Interchangeability 指不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可相互替代 17 三 CNC的软件结构1 CNC中软 硬件界面与数据转换在CNC系统中 软件和硬件在逻辑上是等价的 即由硬件完成的工作原则上也可由软件完成 18 所谓并行处理 是指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相同或不同的工作 并行处理方法有资源重复 时间重叠和资源分时共享等处理方法 CNC系统的中断管理主要靠硬件完成 中断类型有 外部中断 内部定时中断 硬件故障中断 程序性中断 19 3 常规CNC的软件结构CNC的软件结构决定于系统采用的中断结构 常规的CNC中 已有的结构模式有中断型结构和前后台型结构 1 中断型结构模式此类型的结构特点是除了初始化程序之外 整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中 整个软件就是一个大的多重中断系统 其管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信安排来实现 20 2 前后型结构模式这种软件的结构特点是前台程序为一个中断服务程序 它几乎承担了全部实时的功能 而后台程序或背景程序只是完成管理功能和非实时性任务 如插补准备 后台程序是一个循环运行的程序 在其运行过程中 前台实时中断程序不断插入 与后台程序相配合 共同完成零件加工任务 21 4 开放式CNC的软件结构根据开放式控制系统的要求 除它的硬件要采用基于标准总线的公用的模块化设计外 其软件应采用平台技术 统一的标准规范和面向功能元拓朴结构的应用软件 以保证系统具有开放的基本特征 22 第四章第二节CNC的轨迹控制原理 数控系统的插补任务就是按给定进给速度的F值 在零件轮廓段的起点和终点之间计算出若干在允差范围内的中间点的坐标值 一 轨迹控制算法的要求与类别二 数字脉冲增量法插补三 数据采样法 23 一 轨迹控制算法的要求与类别1 对插补算法的要求 对插补所需的输入数据最少 插补理论误差要满足精度要求 保证插补曲线精确通过给定的基点 即工件轮廓的两相邻几何元素的交点 实现无累积误差 另外 局部误差不超过所允许的误差 沿插补路线或称插补矢量的合成进给速度要满足轮廓表面粗糙度一致性的工艺要求 控制联动坐标轴数的能力要强 插补算法要简单 可靠 24 2 插补算法的类别 按插补输出的标量不同 有数字脉冲增量法和数据采样法 数字脉冲增量法是以行程为标量 每来一个F脉冲进行插补运算一次 相应有一个脉冲当量的位移输出 数据采样法以时间为标量 当选定插补周期的时间后 根据给定F值 在一个插补周期内输出相应的一小段步长数据 称粗插补 这一步长通过对实际位置采样值比较的伺服位置控制进行细化插补输出 25 按插补算法的规则不同来分 有逐点比较法 数字积分法 比较积分法等 逐点比较法的规则是每次插补进给只有一个坐标轴 且按判别 进给 偏差计算 终点判别四节拍进行 数字积分法规则是利用寄存器长度的有限性把给定的行程数据进行数字微分分析累加 取累加寄存器的溢出脉冲作为进给输出脉冲 比较积分法规则是直接比较各坐标轴的积分值 并把积分值在时间上看做一个时间间隔 然后利用逐点比较法的判别式引入一个判别函数来判别各坐标轴总的时间间隔 26 按几何规律不同来分有直线和圆弧的插补算法 其他的分类方法包括 软件插补和硬件插补 软硬件兼有的混合插补 27 二 数字脉冲增量法插补1 逐点比较法 最初称区域判别法 原理是 计算机在控制加工轨迹过程中 逐点计算和判别加工偏差以控制坐标进给方向 从而按规定的图形加工出合格工件 其四个节拍为 第一 偏差判别 判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置 然后决定滑板的走向 第二 进给 控制某坐标的工作台进给一步 向规定的轨迹靠拢 缩小偏差 28 第三 偏差计算 计算新加工点对规定轨迹的偏差 作为下一步判别走向的依据 第四 终点判别 判断是否到达程序规定的加工终点 1 逐点比较法的直线插补 29 2 逐点比较法的圆弧插补 30 2 数字积分法 又称微分分析器DDA 不仅能够实现一次 二次甚至高次曲线的插补 而且易于实现多坐标联动控制 只要输入不多的数据 就能加工出较为复杂的轮廓曲线 31 3 数字积分法的圆弧插补 32 第四章第三节刀具位置补偿和半径补偿 刀具补偿是数控中的重要组成部分 当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺度的零件 或同一名义尺寸的刀具因换刀重调或磨损而引起尺寸变化时 为了编程方便和不改变已制备好的穿孔带 或程序 数控装置常备有刀具补偿机能 一 刀具的位置补偿二 刀具的半径补偿三 刀具的长度补偿 33 一 刀具的位置补偿当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件 或同一名义尺寸的刀具应换刀重调或磨损而引起尺寸变化时 为了编程方便和不改变已制备好的穿孔带 数控装置常备有刀具位置补偿机能 将变化的尺寸通过拨码开关或键盘进行手动输入 便能自动进行补偿 34 1 刀具的位置补偿计算 35 刀架中心位置为各刀具的换刀点 并以1号刀尖B点为所有刀具编程起点 当1号刀从B到A其增量值为 UBA XA X1WBA ZA Z1 当换2号时 到尖处在C点 C点的坐标原点为I K 当 时 补 补 补 补 36 2 刀具位置补偿的处理方法机器在补偿前必须处理前后两把刀具位置补偿的差别 37 二 刀具的半径补偿 1 刀具半径补偿的作用 在数控机床上用圆头刀和铣刀加工零件时 其加工程序的编制有两种方法 1 按零件轮廓编程2 按刀具圆心 中心 的运动轨迹编程换刀和刀具磨损时不需要重新制作程序纸带 数控系统可以自动进行补偿 正确加工零件 数控系统的这种功能称为 刀具半径补偿 38 3 C型机能刀具半径补偿方法实现B刀补的常用方法有一个共同特点 就是对加工轮廓的转接是以圆弧方式进行的 存在问题 1 在外轮廓尖加工时 由于轮廓尖角处始终处于切削状态 尖角加工的工艺性就比较差 这在磨削加工中尤其突出 所加工的尖角往往会变成小圆角 2 在内轮廓尖加工时 由于刀具中心轨迹交点不易求得 因此不得不由程编员人为地插入一个辅助加工的圆弧轨迹 并且这个辅助圆弧的半径必须大于刀具半径值 39 根据刀具中心轨迹形状 可以划分出三种转接型式 缩短型转接 伸长型转接和插入型转接 所谓缩短型转接 是指刀具在零件内侧运动 这时刀具中心轨迹比程编轨迹为短 伸长型转接则相反 刀具处在零件外侧运动 因此刀具中心轨迹变长 插入型转接 刀具中心除了沿原来的程编轨迹伸长移动一个刀具半径r长度后 还必须增加一个直线移动 相对于原来的程序段而言 等于中间再插入了一个程序段 40 三 刀具的长度补偿刀具的长度补偿指令一般用于刀具轴向 Z方向 的补偿 它可使刀具在Z方向上的实际位移大于或小于程给定值 即 实际位移量 程序给定值 补偿值上式中 二代数值相加 称正偏置 用G43指令表示相减 称负偏置 用G44指令表示给定的程序值与输入的补偿值都可负 Z向为正 Z向为负 根据需要选取 41 二 进给速度控制在CNC系统中 进给速度控制就是用软件或软件与接口来实现进给速度计算式 用软件方法是采用程序计时法 而取软件与接口相配合方法有时钟中断法和v L积分器法 此法适于采用DDA或扩展DDA插补中的稳速控制 42 3 数据采样的CNC系统加减速控制加减速控制大多采样软件来实现 以便使系统的速度控制更为灵活方便 加减速控制可以在插补前进行 称为前加减速控制 也可以在插补后进行 称为后加减速控制 43 前加减速控制的优点是不会影响实际插补输出的位置精度 而需要进行预测减速点的计算 花费CPU时间 后加减速控制的优点则是无需预测减速点 简化了计算 但在加减速过程中会参数实际的位置误差 这当然仅仅是局部的 44 2 CNC的网络通信接口作为FMC的CNC是一台具有特殊功能的计算机 CNC和各种系统中的设备 计算机通过LAN联网 构成FMS CIMS或远程通信网络 联网时应能保证高速并可靠地传送数据和程序 在这种情况下一般采用同步串行传输方式 在CNC内部应设有专用的通信微处理机的通信接口 担负网络通信的任务 其通信协议都采用OSI参考模型的七层结构为基础的有关协议 或IEEE802局部网络有关协议 45 第四章第五节CNC的输入输出与通信功能 一 CNC与外部设备间数据传送要求二 数据通信与网络通信基础三 CNC应用的数据通信与网络通信接口 46 一 CNC与外部设备间数据传送要求CNC机床若要运行 必须要有被加工零件程序指令信号及相关数据作为输入 并以此有相应的数据与信息的输出 从而控制机床执行件工作 通常与CNC进行数据传送和信息通信的设备有 CNC机床在单机运行中常用的数据输入输出设备 CNC机床在自动化生产系统中的通信 CNC机床在网络化生产中的通信 47 第五章数控机床用可编程控制器 第一节概述 第二节PLC的基本工作原理 第三节顺序程序设计和调试 48 第五章第一节概述 一 可编程控制器在工业中的应用二 PLC在数控机床中的应用三 PLC的规模 49 一 可编程控制器在工业中的应用可编程控制器 简称PLC 是以微处理器技术为基础 综合了计算机 自动化和通信技术的一种新型工业控制装置 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 采用可编程存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算数操作等面向用户的指令 并通过数字式或模拟式输入 输出方式控制各种类型的机器或生产过程 50 按应用类型划分 可编程控制器的应用可分为以下类型 PLC在开关量控制系统中的应用 可用来取代继电器控制装置 还可以用来取代顺序控制和程序控制 PLC在模拟量控制系统中的应用 通过使用数 模 D A 和模 数 A D 转换模块 可编程控制器可以对模拟量进行采集和控制 PLC在分级分布式控制系统中的应用