-计算机数控装置PPT课件

1 CNC ComputerNumericalControl定义 借助计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或者全部功能 并配有接口电路 伺服驱动装置的一种专用计算机系统 也可解释为 一种自动控制系统 它能自动完成信息的输入 译码 运算 从而控制机床的运动和加工过程 主要任务 存储程序 完成插补 将计算结果输出伺服系统 控制电机驱动机床执行机构 5 1CNC系统的组成与特点 2 5 1CNC系统的组成与特点 3 数控程序等信息的输入以及输入内容和系统工作状态的显示输出 识别和解释数控程序 完成数据计算和逻辑判断处理 主轴和进给轴驱动控制 接受数控装置的开关命令 完成主轴选速 起停和方向控制功能 换刀功能 冷却 液压 气动 润滑系统控制功能以及其他机床辅助功能 CNC系统的组成 5 1CNC系统的组成与特点 4 灵活性大 可改变和扩展其功能 通用性强 硬件采用模块化设计 易于扩展 改变软件可适应不同需求 可靠性高 采用大规模和超大规模集成电路 程序被检查后才被调用 保证加工过程中的故障停机 功能强大 多功能 可以完成复杂零件的一次成形 使用维修方便 内置自诊断程序 软件检查程序 CNC系统的特点 5 1CNC系统的组成与特点 5 数控系统的硬件由数控装置 输入输出装置 机床电器逻辑控制装置和驱动装置等组成 数控装置 数控系统的核心输入输出装置 用于控制数据的输入输出 监控数控系统的运行 进行机床操作面板及机床机电控制 监测机构的逻辑处理和监控 并为数控装置提供机床状态和有关应答信号 机床电器逻辑控制装置 接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令 实现数控机床的顺序控制 目前大多采用PLC控制 驱动装置 以轴为单位的独立体 用以控制各轴的运动 5 2CNC系统的硬件结构 6 总线式模块化结构的CNC 采用32位RISC 精简指令集 芯片 数学协处理器及闪烁存储器等 多用于多轴控制的高挡数控机床 以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC 多用于中档数控机床 基于通用计算机 PC或IPC 基础上开发的CNC 可充分利用通用计算机丰富的软件资源 可随计算机硬件进行升级 前两种CNC系统硬件需专门设计 通用性较差 第三种硬件无需专门设计 改变软件即可构成不同CNC系统 通用性好 5 2CNC系统的硬件结构 5 2 1常规CNC的硬件结构 7 只有一个微处理器 集中控制 分时处理数控装置的各个任务 1 单微处理器结构 5 2 2单微处理器结构和多微处理器结构 5 2CNC系统的硬件结构 8 多微处理器结构是指在系统中有两个或两个以上的微处理器能控制系统总线 或主存储器进行工作的系统结构 目前大多数CNC系统均采用多微处理器结构 紧耦合结构 两个或两个以上的微处理器构成的处理部件之间采用紧耦合 相关性强 有集中的操作系统 共享资源 松耦合结构 两个或两个以上的微处理器构成的功能模块之间采用松耦合 具有相对独立性或相关性弱 有多重操作系统有效地实现并行处理 2 多微处理器结构 5 2CNC系统的硬件结构 9 1 多微处理器CNC的典型结构 1 共享总线结构 通过总线连接系统内的各个模块 主模块控制系统总线 某一时刻只能有一个主模块占用总线 各模块通过仲裁电路判别各模块的优先级 进而共享总线资源 5 2CNC系统的硬件结构 10 采用多端口存储器来实现各微处理器之间的相互连接和通信 每个端口都配有一套数据 地址 控制线 以供端口访问 2 共享存储结构 5 2CNC系统的硬件结构 11 CNC管理模块CNC插补模块位置控制模块PLC PMC 模块命令与数据输入输出和显示模块存储器模块 2 多微处理器CNC的基本功能模块 5 2CNC系统的硬件结构 12 定义 开放式CNC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 提供面向功能地动态重构工具 同时提供统一标准化地应用程序用户界面 并具有以下特征 可互操作性 不同应用程序模块通过标准化地应用程序接口运行于系统平台 不同模块之间保持平等地相互操作能力 可移植性 不同应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同系统平台上 可缩放性 增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载 可相互替代性 不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可以相互替代 1 开放式CNC的定义 5 2 3开放式CNC的硬件结构 5 2CNC系统的硬件结构 13 2 基于PC 或IPC 开放式CNC的硬件配置形式 1 PC连接型CNC结构 CNC与PC通过串行线连接 特点 容易实现 已有CNC几乎不需改动即可应用 1 基于PC的有限开放CNC 5 2CNC系统的硬件结构 14 结构 CNC内部加装PC PC与CNC之间通过总线连接 特点 保持了CNC原有的性能 可靠性和功能 并且数据传送快 系统响应快 2 PC内藏型CNC 5 2CNC系统的硬件结构 15 结构 通用PC机的扩展槽中加入专用CNC卡 特点 CNC卡完成包括加工轨迹生成等几乎所有CNC处理功能 充分保证系统性能 软件通用性强 编程处理灵活 2 基于PC的可开放CNC 5 2CNC系统的硬件结构 16 包括应用软件和系统软件 应用软件 包括零件数控加工程序或其他辅助软件 系统软件 为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件 也称为控制软件 系统软件通常包括输入数据处理程序 插补运算程序 速度控制程序 管理程序和诊断程序等 5 3 1CNC系统软件的组成 5 3CNC系统的软件结构 17 功能 接收输入的零件加工程序 将标准代码表示的加工指令和数据进行译码 数据处理 并按照规定格式存放 主要包括输入程序 译码程序和数据处理程序等组成 有些CNC系统还具有补偿计算 为插补运算和速度控制等进行的预计算 1 输入程序将加工程序读入存放在程序存储器中 或将加工程序从程序存储器中读出 送入缓冲区 以便译码用 1 输入数据处理程序 5 3CNC系统的软件结构 18 2 译码程序数控加工程序按零件加工顺序记载着机床加工所需的各种信息 其中包括零件加工的轨迹信息 如几何形状和几何尺寸等 几何数据 工艺信息 如进给速度和主轴转速等 工艺数据 和开关命令 如换刀 冷却液开 关等 开关功能 1 输入数据处理程序 5 3CNC系统的软件结构 19 译码定义 将输入的数控加工程序按照一定规则翻译成为数控装置中计算机能识别的数据形式 并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中 译码功能 代码的识别和功能代码的解释 3 数据处理程序包括刀具半径补偿 速度计算以及辅助功能处理等 刀具半径补偿 将工件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹 速度计算 解决该加工数据段以什么样的速度运动 5 3CNC系统的软件结构 20 2 插补计算程序CNC系统是一种实时控制系统 一边插补运算 一边进行加工 插补运算的速度直接影响着机床的进给速度 3 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率 确保预定的进给速度 4 管理程序负责对数据输入 处理 插补运算等服务程序进行调度管理 5 诊断程序在程序中发现故障 并指出故障问题 5 3CNC系统的软件结构 21 1 CNC中软 硬件界面与数据转换CNC系统中 软件设计灵活 适应性强 但处理速度慢 硬件处理速度快 但成本高 适应性差 CNC中硬 软件的分配比例由性能价格决定 CNC中硬 软件界面随着硬 软件的水平和成本以及CNC所具有的性能不同而不同 CNC软件势必发展成为以操作系统为基础的多层次的软件结构 面向对象的程序设计方法 CNC软件更稳定 并且具有可重用性 5 3 2CNC的软件结构 5 3CNC系统的软件结构 22 2 CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理CNC系统的多任务性表现在其软件必须完成管理和控制两大任务 系统管理包括输入 I O处理 显示 诊断 系统控制包括译码 刀具补偿 速度处理 插补 位置控制 CNC系统的并行性表现在其多任务必须协调工作 5 3CNC系统的软件结构 23 5 3CNC系统的软件结构 24 1 并行处理 定义 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 常采用资源重复 时间重叠和资源分时共享等方法 资源重复 用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务 5 3CNC系统的软件结构 25 1 并行处理 时间重叠 根据流水处理技术 使得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 也称为资源重叠流水处理 资源共享 多个用户按照时间顺序使用同一套设备 CNC硬件通常采用资源重复并行处理方法 CNC软件设计主要采用资源重叠的流水线处理和资源分时共享的并行处理方法 5 3CNC系统的软件结构 26 时间重叠流水处理 5 3CNC系统的软件结构 27 CPU分时共享并行处理 5 3CNC系统的软件结构 28 CNC中断管理主要由硬件完成 系统的中断结构决定了系统软件的结构 CNC系统的中断类型有以下几种 外部中断 主要有光电阅读机读孔中断 外部监控中断和键盘及操作面板中断 内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断 硬件故障中断 各种硬件故障检阅装置发出的中断 程序性中断 程序中出现的各种异常情况的报警中断 2 实时中断处理 5 3CNC系统的软件结构 29 CNC软件结构由系统采用的中断结构决定 1 中断型结构模式除初始化程序外 将CNC的各功能模块分别安排在不同级别的中断程序中 无前后台之分 通过中断程序的优先级由CPU响应中断 3 常规CNC的软件结构 5 3CNC系统的软件结构 30 2 前 后台型结构模式将整个CNC软件分为前台程序和后台程序 前台程序为实时中断程序 承担几乎全部实时任务 实现插补 位置控制和数控机床开关逻辑控制等实时功能 后台程序 也称为背景程序 是一个循环运行程序 实现数控加工程序的输入 预处理和管理等任务 在后台程序的循化运行过程中 前台实时中断程序不断的定时插入 两者密切配合 共同完成零件的加工任务 3 常规CNC的软件结构 5 3CNC系统的软件结构 31 开放式CNC系统软件应采用平台技术 同一的标准规范和面向功能元 对象 拓扑结构的应用软件 以保证系统具有开放的基本特征 1 开放式CNC总体结构分为两部分 统一的系统平台和由各功能结构单元对象组成的应用软件模块 或系统参考结构 4 开放式CNC的软件结构 5 3CNC系统的软件结构 32 4 开放式CNC的软件结构 5 3CNC系统的软件结构 功能结构单元对象 33 2 系统平台系统平台由系统硬件和系统软件组成 系统硬件由机床的功能需求决定 系统软件分为系统核心 如操作系统 通信系统 实时配置系统等 可选的系统软件 如数据库系统等 和标准的应用程序界面 操作系统 通信系统 实时配置系统构成了整个控制系统运行的基础 1 操作系统 2 通信系统 3 配置系统 5 3CNC系统的软件结构 34 系统参考结构是用来精确描述功能元对象和功能模块之间的关系 以及各模块之间的关系 精确定义各模块和各功能元对象的行为和属性 以及模块和功能元对象与系统平台之间的界面 以保证不同供应商提供的功能模块在不同平台之上的协调工作 5 系统参考结构 5 3CNC系统的软件结构 35 5 系统参考结构 5 3CNC系统的软件结构 36 1 零件程序的输入手动输入和自动输入两种 2 译码具体地说 译码是将零件程序中的零件轮廓信息 如起点 终点 直线或圆弧等 进给速度信息 F代码 和其他辅助信息 M S T代码等 按照一定的语法规则解释为计算机能够识别的数据形式 并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域 5 4CNC系统的控制原理与功能 5 4 1CNC系统的控制原理 37 3 刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿 1 刀具长度补偿在数控立式铣镗床上 当刀具磨损或更换刀具使得Z向刀尖不在原初始加工的程编位置时 必须在Z向进给中 通过伸长或缩短1个偏置值e的方法来补偿其尺寸变化 以保证加工的深度仍然达到原设计的要求 2 刀具半径补偿数控装置使得刀具中心偏移零件轮廓一个指定的刀具半径值 5 4CNC系统的控制原理与功能 38 4 插补在一条已知起点和终点的曲线上自动进行数据点的密化工作 5 位置控制在每个采样周期内 将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较 用其差值控制进给电机 以实现对位置的精确控制 6 速度控制1 脉冲增量插补方式的速度计算脉冲增量插补用于以步进电机为执行元件的开环伺服系统 在开环伺服系统中 进给脉冲的频率决定了坐标轴的移动速度 进给脉冲的数量决定论坐标轴的移动位移 5 4CNC系统的控制原理与功能 39 速度计算是根据程编F值确定脉冲频率值 步进电机每走一步 坐标轴移动一个脉冲当量 进给速度F与脉冲频率f之间的关系如下 两轴联动时 各坐标轴的进给速度如下 合成进给速度为 5 4CNC系统的控制原理与功能 40 2 数据采样法插补的速度计算 1 前加减速控制 2 后加减速控制 5 4CNC系统的控制原理与功能 41 CNC的信息流程图 5 4CNC系统的控制原理与功能 42 1 轴控制功能CNC可同时控制的轴数 联动轴数 2 准备功能 G功能3 插补功能4 进给功能切削进给速度同步进给速度快速进给速度进给倍率5 主轴功能 主轴转速功能 5 4 2CNC控制器的功能 5 4CNC系统的控制原理与功能 43 6 辅助功能 M功能7 刀具功能和第二辅助功能8 补偿功能刀具尺寸补偿和程序段自动转接丝杠的螺距误差相反向间隙或如热变形补偿 9 字符 图形显示功能10 自诊断功能11 通信功能12 人机交互图形编程功能 5 4CNC系统的控制原理与功能 44 5 5刀具半径补偿原理 5 5 1刀具半径补偿的基本概念1 什么是刀具半径补偿 ToolRadiusCompensationoffset 根据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称为刀具半径补偿功能 45 刀具半径补偿功能的主要用途 实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制 可避免在加工中由于刀具半径的变化 如由于刀具损坏而换刀等原因 而重新编程的麻烦 刀具半径误差补偿 由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化 也不必重新编程 只须修改相应的偏置参数即可 减少粗 精加工程序编制的工作量 由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的 在粗加工时 均要为精加工工序预留加工余量 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 5 5 1刀具半径补偿的基本概念 5 5刀具半径补偿原理 46 刀具半径补偿的常用方法 B刀补 有R2法 比例法 该法对加工轮廓的连接都是以园弧进行的 如图示 其缺点是 在外轮廓尖角加工时 由于轮廓尖角处 始终处于切削状态 尖角的加工工艺性差 在内轮廓尖角加工时 由于C 点不易求得 受计算能力的限制 编程人员必须在零件轮廓中插入一个半径大于刀具半径的园弧 这样才能避免产生过切 这种刀补方法 无法满足实际应用中的许多要求 因此现在用得较少 而用得较多的是C刀补 5 5 1刀具半径补偿的基本概念 5 5刀具半径补偿原理 47 C刀补它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡 因此 它的尖角性好 并且它可自动预报 在内轮廓加工时 过切 以避免产生过切 5 5 1刀具半径补偿的基本概念 5 5刀具半径补偿原理 48 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 刀具半径补偿的工作过程刀补建立刀补进行刀补撤销 5 5刀具半径补偿原理 49 C机能刀具半径补偿的转接形式和过渡方式 转接形式在一般的CNC装置中 均有园弧和直线插补两种功能 而C机能刀补的主要特点就是来用直线过渡 由于采用直线过渡 实际加工过程中 随着前后两编程轨迹的连接方法的不同 相应的加工轨迹也会产生不同的转接情况 直线与直线园弧与直线 直线与园弧园弧与园弧 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 50 过渡方式 轨迹过渡时矢量夹角 的定义 指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 51 根据两段程序轨迹的矢量夹角 和刀补方向的不同 又有以下几种转接过度方式 缩短型 矢量夹角 180 刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式 伸长型 矢量夹角90 180 刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式 插入型 矢量夹角 90 在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式 5 5 3刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 52 刀具中心轨迹的转接形式和过渡方式列表 刀具半径补偿功能在实施过程中 各种转接形式和过渡方式的情况 如下面两表所示 表中实线表示编程轨迹 虚线表示刀具中心轨迹 为矢量夹角 r为刀具半径 箭头为走刀方向 表中是以右刀补 G42 为例进行说明的 左刀补 G41 的情况于右刀补相似 就不再重复 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 53 刀具半径补偿的建立和撤消 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 54 刀具半径补偿的进行过程 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 55 刀具半径补偿的实例 读入OA 判断出是刀补建立 继续读下一段 读入AB 因为 OAB 90o 且又是右刀补 G42 由表可知 此时段间转接的过渡形式是插入型 则计算出a b c的坐标值 并输出直线段oa ab bc 供插补程序运行 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 56 读入BC 因为 ABC 90o 同理 由表可知 段间转接的过渡形式是插入型 则计算出d e点的坐标值 并输出直线cd de 读入CD 因为 BCD 180o 由表可知 段间转接的过渡形式是缩短型 则计算出f点的坐标值 由于是内侧加工 须进行过切判别 过切判别的原理和方法见后述 若过切则报警 并停止输出 否则输出直线段ef 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 57 读入DE 假定由撤消刀补的G40命令 因为90o ABC 180o 由于是刀补撤消段 由表可知 段间转接的过渡形式是伸长型 则计算出g h点的坐标值 然后输出直线段fg gh hE 刀具半径补偿处理结束 5 5 2刀具半径补偿的工作原理 5 5刀具半径补偿原理 58 5 5 3加工工过程中的过切判别原理 前面说过C刀补能避免过切现象 是指若编程人员因某种原因编制出了肯定要产生过切的加工程序时 系统在运行过程中能提前发出报警信号 避免过切事故的发生 下面将就过切判别原理进行讨论 5 5刀具半径补偿原理 59 直线加工时的过切判别 如右图所示 当被加工的轮廓是直线段时 若刀具半径选用过大 就将