数控技术CNCPPT课件

23 04 2020 1 第5章计算机数控 CNC 装置大连交通大学 23 04 2020 2 5 1概述5 2CNC装置的硬件结构5 3CNC装置的软件结构5 4输入及数据处理5 5速度处理和加减速控制5 6故障诊断 23 04 2020 3 5 1概述 23 04 2020 4 5 1 1CNC技术的发展 表5 1数控系统的演变 23 04 2020 5 表5 2数控系统的技术进步状况 23 04 2020 6 表5 3数控系统的功能水平 23 04 2020 7 EIA 美国电子工业协会 所属的数控标准化委员会的定义 CNC是用一个存储程序的计算机 按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能 在计算机之外的唯一装置是接口 ISO 国际标准化组织 的定义 数控系统是一种控制系统 它自动阅读输入载体上事先给定的数字 并将其译码 从而使机床移动和加工零件 5 1 2CNC系统的组成 23 04 2020 8 从自动控制的角度来看 CNC是一种位置 轨迹 控制系统 其本质上是以多执行部件 各运动轴 的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统 是一种配有专用操作系统的计算机控制系统 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 组成框图 教材图5 1 23 04 2020 9 CNC系统结构 23 04 2020 10 CNC系统的硬件一般性结构结构 由计算机基本系统 设备支持层 设备层组成 23 04 2020 11 CNC系统软件的功能性结构本质特征 CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统功能特征 其操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成 它是CNC系统的灵魂 23 04 2020 12 操作系统 管理软件 控制软件 零 件 程 序 管 理 显 示 处 理 人 机 交 互 位 置 控 制 输 入 输 出 管 理 插 补 运 算 故 障 诊 断 处 理 速 度 处 理 机 床 输 入 输 出 编 译 处 理 主 轴 控 制 刀 具 半 径 补 偿 23 04 2020 13 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 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台 工作原理 通过各种输入方式 接受机床加工零件的各种数据信息 经过CNC装置译码 再进行计算机的处理 运算 然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路 经过转换 放大去驱动伺服电动机 带动各轴运动 并进行实时位置反馈控制 使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置 23 04 2020 14 1 数控装置的主要功能 1 控制轴数和联动轴数 2 准备功能 G功能 3 插补功能 4 主轴速度功能 主轴转速的编码方式 恒定线速度 主轴定向准 5 进给功能 F 1 切削进给速度2 同步进给速度3 快速进给速度4 进给倍率 6 补偿功能 23 04 2020 15 1 刀具长度 刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿2 工艺量的补偿 7 固定循环加工功能 8 辅助功能 M代码 9 字符图形显示功能 10 程序编制功能 手工编程 在线编程 自动编程 11 输入 输出和通讯功能 12 自诊断功能 23 04 2020 16 2 CNC数控装置的特点1 具有灵活性与通用性CNC装置的功能大多由软件实现 且软硬件采用模块化的结构 对设计和开发者而言 系统功能的修改 扩充变得较为灵活 CNC装置其基本配置部分是通用的 不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块 以实现特定的控制功能 2 可靠性高采用集成度高的电子元件 芯片 采用VLSI本身就是可靠性的保证 许多功能由软件实现 硬件的数量减少 丰富的故障诊断及保护功能 大多由软件实现 从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低 23 04 2020 17 3 可以实现丰富 复杂的功能插补功能 二次曲线 样条 空间曲面等插补补偿功能 运动精度 随机误差补偿 非线性误差补偿等人机对话功能 加工的动 静态跟踪显示 高级人机对话窗口编程功能 G代码 篮图编程 部分自动编程功能 4 使用维修方便操作使用方便 用户只需根据菜单的提示 便可进行正确操作 编程方便 具有多种编程的功能 程序自动校验和模拟仿真功能 维护维修方便 部分日常维护工作自动进行 润滑 关键部件的定期检查等 数控机床的自诊断功能 可迅速实现故障准确定位 23 04 2020 18 5 易于实现机电一体化数控系统控制柜的体积小 采用计算机 硬件数量减少 电子元件的集成度越来越高 硬件的不断减小 使其与机床在物理上结合在一起成为可能 减少占地面积 方便操作 23 04 2020 19 5 2CNC装置的硬件结构 23 04 2020 20 CNC装置的体系结构分为 单微处理机和多微处理机系统 中高档的CNC装置以多微处理机结构为多 单微处理机结构 见下图 多微处理机的结构 1 主从结构 只有一个CPU 称为主CPU 对系统的资源有控制和使用权 2 多主结构 有两个或两个以上带CPU的模块部件对系统资源有控制或使用权 通过仲裁器来解决总线争用问题 通过公共存储器进行交换信息 3 分布式结构 两个或两个以上带CPU的功能模块 各模块有自己独立的运行环境 采用通讯方式交换信息 5 2 1数控装置的体系结构 23 04 2020 21 1 单微处理机结构 23 04 2020 22 单微处理机数控装置 是以一个CPU 中央处理器 为核心 CPU通过总线与存储器和各种接口相连接 采取集中控制 分时处理的工作方式 完成数控加工各个任务 单微处理机结构 微处理器 存储器 总线 接口等 接口包括I O接口 串行接口 CRT MDI接口 数控技术中的控制单元部件和接口电路 如位置控制单元 可编程控制器 PC 主轴控制单元 穿孔机和纸带阅读机接口 以及其它选件接口等 模块功能 1 微处理器和总线微处理器 运算 控制总线 CPU与各组成部件 接口等之间的信息公共传输线 包括控制 地址和数据三总线 2 存储器 只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 23 04 2020 23 它们的用途 只读存储器 ROM 系统程序 随机存储器 RAM 运算的中间结果 需显示的数据 运行中的状态 标志信息 CMOSRAM或磁泡存储器 加工的零件程序 机床参数 刀具参数3 位置控制单元 对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制 包括位置和速度控制 对主轴的控制一般只包括速度控制 C轴位置控制 包括位置和速度控制 刀库位置控制 简易位置控制 进给轴位置控制的硬件 大规模专用集成电路位置控制芯片 位置控制模板 23 04 2020 24 VS VS 总线互联方式 典型的结构 共享总线型 共享存储器型及混合型结构 1 功能模块1 CNC管理模块 管理和组织整个CNC 2 存储器模块 存放数据和程序 3 CNC插补模块 插补前处理 插补运算 4 位置控制模块 位置检测 计算 5 操作控制数据输入 输出和显示模块 输入 显示等 6 PLC模块 开关量 面板信号的逻辑处理等 2 多微处理机CNC装置的典型结构 23 04 2020 25 VS VS 2 共享总线结构结构与仲裁总线仲裁及其方式 串行方式和并行方式串行总线仲裁方式 优先权的排列是按链接位置确定 并行总线仲裁方式 专用逻辑电路 优先权编码方案模块之间的通讯 公共存储器总线 STDbus 支持8位和16位字长 Multibus 型支持16位字长 型支持32位字长 S 100bus 可支持16位字长 VERSAbus 可支持32位字长 VMEbus 可支持32位字长 基于MotorolaVERSA总线标准的具有32位数据通路的背板 由美国IEEE委员会做为标准革案推荐的微处理机总线 23 04 2020 26 系统总线 共享总线的多CPU结构 23 04 2020 27 3 共享存储器结构 多CPU共享存储器框图 23 04 2020 28 5 2 2开放式数控装置的体系结构 VS VS 一 开放式数控系统的产生随着科技的发展和生产的需求 需要一种灵活 功能可组 可扩展 可添加 的开放式数控系统 打破当前的 封闭式的 数控系统 体系开放化定义 IEEE 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能 且可以与其它的系统应用进行互操作的系统 开放式数控系统特点 系统构件 软件和硬件 具有标准化 Standardization 与多样化 Diversification 和互换性 Interchangeability 的特征 允许通过对构件的增减来构造系统 实现系统 积木式 的集成构造 应该是可移植的和透明的 这部分或者按照教材p153 23 04 2020 29 VS VS 二 开放体系结构CNC的优点向未来技术开放 由于软硬件接口都遵循公认的标准协议 只需少量的重新设计和调整 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳 吸收和兼容 这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期 标准化的人机界面 标准化的编程语言 方便用户使用 降低了和操作效率直接有关的劳动消耗 23 04 2020 30 VS VS 向用户特殊要求开放 更新产品 扩充能力 提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求 给用户提供一个方法 从低级控制器开始 逐步提高 直到达到所要求的性能为止 另外用户自身的技术诀窍能方便地融入 创造出自己的名牌产品 可减少产品品种 便于批量生产 提高可靠性和降低成本 增强市场供应能力和竞争能力 23 04 2020 31 VS VS 三 开放式数控装置的概念结构 23 04 2020 32 VS VS 四 国内外开放式数控系统的研究进展1 几大研究计划美国 NGC TheNextGenerationWork station MachineController 和OMAC OpenModularArchitectureController 计划欧共体 OSACA OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems 计划日本 OSEC OpenSystemEnvironmentforController 计划华中I型 基于IPC的CNC开放体系结构航天I型CNC系统 基于PC的多机CNC开放体系结构 23 04 2020 33 4 2 5开放式数控装置的体系结构 VS VS 2 开放程度 1 CNC可以直接地或通过网络运行各种应用软件2 用户操作界面的开放 3 NC内核的深层次开放 PC 实时硬插件 PC 实时软中断 3 开放式数控系统的发展趋势 1 在控制系统技术 接口技术 检测传感技术 执行器技术 软件技术五大方面开发出优质 先进 适销的经济 合理的开放式数控系统 2 主攻方向是进一步适应高精度 高效率 高速 高自动化加工的需求 3 网络化 23 04 2020 34 5 3CNC装置的软件结构 23 04 2020 35 5 3 1软件结构特点 1 CNC装置软件硬件的界面 23 04 2020 36 2 多任务并行处理 1 CNC装置的多任务性 CNC装置软件任务分解软件任务的并行处理 23 04 2020 37 VS VS 2 并行处理并行处理 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性质相同或不相同的工作 并行处理的优点是提高了运行速度 并行处理的分类 资源重复 时间重叠 和 资源共享 第一种 资源共享 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 第二种 时间重叠 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 23 04 2020 38 VS VS 1 资源分时共享并行处理 对单一资源的系统 在单CPU结构的CNC系统中 可采用 资源分时共享 并行处理技术 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 23 04 2020 39 23 04 2020 40 VS VS 2 并发处理和流水处理 对多资源的系统 在多CPU结构的CNC系统中 根据各任务之间的关联程度 可采用以下两种并行处理技术 若任务间的关联程度不高 则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理 若任务间的关联程度较高 即一个任务的输出是另一个任务的输入 则可采取流水处理的方法来实现并行处理 23 04 2020 41 VS VS 流水处理技术的涵义 流水处理技术是利用重复的资源 CPU 将一个大的任务分成若干个子任务 任务的分法与资源重复的多少有关 这些小任务是彼此关系的 然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务 就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样 23 04 2020 42 流水处理技术示意图 23 04 2020 43 并发处理和流水处理的特征 在任何时刻 流水处理除开始和结束外 均有两个或两个以上的任务在并发执行 并发处理和流水处理的关键是时间重叠 是以资源重复的代价换得时间上的重叠 或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性 23 04 2020 44 VS VS 3 实时中断处理 1 CNC系统的中断类型1 外部中断 纸带光电阅读机中断 外部监控中断和键盘操作面板输入中断 2 内部定时中断 插补周期定时中断和位置采样定时中断 3 硬件故障中断 硬件故障检测装置发出的中断 4 程序性中断 程序中出现的异常情况的报警中断 2 CNC系统中断结构模式1 前后台软件结构中的中断模式2 中断型软件结构中的中断模式 23 04 2020 45 一 工作过程 输入 译码 刀具补偿 进给速度处理 插补 位置控制 故障诊断 伺服驱动 机床 反馈 CNC中零件程序的处理流程图 5 3 2CNC装置软件的工作过程 23 04 2020 46 二 CNC装置的数据转换流程 CNC系统软件的主要任务之一就是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 23 04 2020 47 译码 译码缓冲区 刀补处理 刀补缓冲区 速度预处理 插补缓冲区 插补处理 运行缓冲区 伺服驱动 位控处理 位置反馈 PLC控制 23 04 2020 48 VS VS 1 零件程序的输入零件程序的输入包括两方面的内容 1 从阅读机 键盘输入到零件程序存储器 2 从零件程序存储器将零件程序的程序段送入缓冲器 缓冲存储区 输入过程 5 4输入及数据处理 23 04 2020 49 VS VS 2 数据处理程序数据处理程序又叫插补准备程序 包括译码 刀补 运动轨迹计算 辅助功能处理和进给速度计算等部分 另外 还包括诸如换刀 主轴启停 冷却液开 闭等辅助功能 1 译码定义 译码程序是以程序段为单位对信息进行处理 把其中的各种工件轮廓信息 如起点 终点 直线和圆弧 加工速度F和其它辅助信息 M S T 依照计算机能识别的数据形式 并以一定的格式存放在指定的内存专用区间 在译码过程中 还要完成对程序段的语法检查 若发现语法错误立即报警 方法 解释和编译 内容 整理和存放 1 不按字符格式的整理与存放方法 2 保留字符格式的整理与存放 23 04 2020 50 2 刀具补偿定义 将编程时工件轮廓数据转换成刀具中心轨迹数据 种类 长度补偿和半径补偿 1 B功能刀具半径补偿计算 直线加工时刀