第二章-数控系统及工作原理

第一节概述,第二节数控插补原理,第三节数控补偿原理,第四节位移与速度检测,第二章数控系统及工作原理,第五节伺服系统与控制,第六节CNC装置,第七节CNC系统中的可编程控制器,第一节概述,一、CNC系统的组成和功用CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数控装置（CNC装置）。CNC系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息、控制执行部件运动，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。,一、CNC系统组成和功用,数控系统的组成：输入/输出设备、CNC装置(或称CNC单元)、可编程控制器(PLC)、电气控制装置、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、辅助装置、位移与速度检测装置。,CNC系统的结构框图,CNC系统的核心是CNC控制器。CNC控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。,1.输入/输出设备键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可以用串行通信的方式进行信息的输入。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。,2.CNC装置和PLCPLC可编程控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工业环境下的应用而设计。PLC用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器(ProgrammableMachineController，PMC)。PLC主要处理开关量的逻辑控制。控制：主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。PLC分为两类：一类是将数控系统和PLC综合起来设计，称为内装型(或集成型)PLC；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型(或外装型)PLC。,CNC装置(1)输入接口。负责接收输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。(2)控制器。根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。(3)运算器。接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并将控制信号以脉冲形式送至输出接口。(4)输出接口。根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。(5)存储器。CNC装置的存储器分为只读存储器(ROM)和读写存储器(RAM)。ROM用于存放系统控制程序；RAM用于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。,3.强电控制部分和辅助装置电动执行器控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器（PLC）控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。,4.进给伺服驱动单元及进给电动机定义以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服驱动系统：包括伺服单元与驱动装置。驱动装置：有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。功能：接受数控装置发来的指令信号，信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。,5.主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速系统：包括主轴调速驱动单元、主轴电动机、转速检测装置等。以主运动速度为控制目标。主轴调速驱动单元：是联系CNC装置和机床本体的中间环节，它将来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。主轴电动机：可分为直流主轴电动机和交流主轴电动机。,6.位移与速度检测装置位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。,二CNC装置的主要工作及过程,CNC的工作流程,二CNC装置的主要工作及过程CNC的工作过程包括：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I/O处理、显示和诊断等9个方面。（1）输入输入内容：向CNC控制器输入零件程序、机床参数和补偿数据。输入型式：有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。CNC输入工作方式：有存储方式和NC方式。前者将整个程序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内容。,（2）译码译码处理：以程序段为单位，把零件的轮廓（起点、终点、直线或圆弧）、进给速度（F）和其他辅助信息（M、S、T）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查。,（3）刀具补偿刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。目前，在较高档的CNC中，刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓C刀具补偿功能。,（4）进给速度处理按合成速度来计算各坐标方向的分速度，为插补计算做准备。处理机床的最低和最高速度的限制以及软件的自动加减速处理。,（5）插补插补：按一定的方法确定加工轨迹的过程就叫插补。是在曲线的起点和终点之间自动进行“数据点密化”。插补是在规定的周期（称插补周期）内执行一次，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段加工。常有直线、圆弧及螺旋线等插补。,（6）位置控制开环（步进式）位置控制：闭环位置控制是在伺服回路的位置环上（见下图），它在每个采样周期内，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。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，以提高机床的定位精度。,CNC装置I/O光电隔离环形分配器功率放大电动机,（7）I/O处理I/O处理是指CNC与机床之间电气信号的输入、输出处理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。（8）显示显示：零件程序、参数、刀具位置、机床状态、报警信息等。有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。（9）诊断联机诊断：是指CNC中的自诊断程序融合在各部分，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，这种诊断通过配备的各种脱机诊断程序对存储器、外围设备（CRT、阅读机、穿孔机等）接口和I/O接口等进行检查。脱机诊断也可采用远程诊断。,译码(解释)将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序（本例是指刀补处理程序）所要求的数据结构（格式）。,CNC装置的数据转换流程,数据结构示例：StructPROG_BUFFERcharbuf_state；/缓冲区状态，0空；1准备好。intblock_num；/以BCD码的形式存放本程序段号。doubleCOOR20；/存放尺寸指令的数值（m）。intF,S；/F（mm/min）S（r/min）。charG0；/以标志形式存放G指令。charG1；charM0；/以标志形式存放M指令。charM1；charT；/存放本段换刀的刀具号。charD；/存放刀具补偿的刀具半径值。；,以标志形式存放G指令示例,在系统软件中各程序间的数据交换方式一般都是通过缓冲区进行的。该缓冲区由若干个数据结构组成，当前程序段被解释完后便将该段的数据信息送入缓冲区组中空闲的一个。后续程序（如刀补程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。,N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789-StructPROG_BUFFERcharbuf_state；0：(开始)；1（；）intblock_num；06（N06）doubleCOOR20；COOR1=200000；（X200）COOR2=300000；（Y300）intF,S；F=200；（F200）charG0；D5=0；（G90）D6,D7=0,1（G41）D1=1；（G01）charD；D=11（D11）；,刀补处理的主要工作：根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。根据R和G41/42，计算本段刀具中心轨迹的终点（Pe/Pe）坐标值。根据本段与前段连接关系，进行段间连接处理。,.刀补处理(计算刀具中心轨迹),Pe（200，300）,X,R,P0（72，48）,Pe”,Pe,G41,G42,Y,速度预处理主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。,速度处理程序主要完成以下几步计算：计算本段总位移量：直线：合成位移量L；园弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。计算每个插补周期内的合成进给量：L=F*t/60（m）式中：F-进给速度值（mm/min）；t-数控系统的插补周期（ms）,插补计算主要功能：根据操作面板上“进给修调”开关的设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量：L1=L*修调值将L1按插补的线形（直线，园弧等）和本插补点所在的位置分解到各个进给轴，作为各轴的位置控制指令（X1、Y1）。经插补计算后的数据存放在运行缓冲区中，以供位置控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t定时运行。,位置控制处理,在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。插补（interpolation）定义：机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。,第二节数控插补原理,一、插补的基本概念,插补的实质,数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲，伺服系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行脉冲数目分配的运算（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行数据点的密化。,32,逐点比较法脉冲增量插补DDA法插补方法直线函数法数据采样插补扩展DDA法,特点：每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移（脉冲当量），脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示位移量。仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算机数控系统,二、基准脉冲插补（行程标量插补或脉冲增量插补）,主要的脉冲增量插补方法,数字脉冲乘法器插补法逐点比较法数字积分法矢量判别法比较积分法最小偏差法目标点跟踪法单步追踪法直接函数法加密判别和双判别插补法,35,逐点比较法开环数控机床，实现直线、圆弧、其他二次曲线（椭圆、抛物线、双曲线等）插补。特点：运算直观，最大插补误差1个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。原理：每进给一步完成4个工作节拍：,坐标进给,偏差判别,新偏差计算,终点比较,（一）逐点比较插补法的基本原理,36,1、逐点比较法直线插补-图解,x,y,(10,5),右侧,(0,0),左侧,37,1、逐点比较法直线插补-算法,x,y,(10,5),(0,0),p5(3,2),p6(4,2),p7(5,2),起点(0,0),终点(10,5),中间点：,P1(0,1),Pi(xi,yi),P14(9,5),点在直线上或直线左侧时X:+1点在直线右侧时Y:+1,左侧,右侧,38,1、逐点比较法直线插补-算法,x,y,(xe,ye),(0,0),起点(0,0),终点(10,5),中间点：,P1(0,1),Pi(xi,yi),P14(9,5),点在直线左侧Yi/XiYe/Xe=Xe*Yi-Ye*Xi0,点在直线右侧Yi/XiXe*Yi-Ye*XiXe*Yi-Ye*Xi=0,39,1、逐点比较法直线插补-算法,x,y,(10,5),(0,0),起点(0,0),终点(10,5),中间点：,P1(0,1),Pi(xi,yi),P14(9,5),Fi=Xe*Yi-Ye*XiFi=0在直线上或直线左侧X:+1Fi=0?,N=0?,N=N-1,+x走一步,+y走一步,F=F-ye,F=F+xe,结束,是,否,A,A,否,是,42,偏差判别函数:,偏差判别：,逐点比较法的直线插补算法小结,43,坐标进给:,新偏差计算:,x,第1象限直线逐点比较插补算法,44,三种方法判别,判别插补或进给的总步数：N=Xe+Ye分别判别各坐标轴的进给步数仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。,总结,终点比较:,第1象限直线逐点比较插补算法,45,例1:第一象限直线，起点为O（0，0），终点A（6,4）。插补从直线起点开始，故F0，0=0；终点判别:E存入X、Y坐标方向总步数，即E64=10，E=0时停止插补。,46,47,象限问题,x,y,o,(xe,ye),F=xeyj-xiye0,F=xeyj-xiye0；点在线右边时F=0?,N=0?,N=N-1,-y走一步,+x走一步,F=F-2y+1y=y-1,F=F+2x+1x=x+1,结束,是,否,A,A,否,是,54,逐点比较法圆弧插补-第1象限逆圆A为起点，E为终点，M为加工点。偏差函数：F=xi2+yi2-R2点在圆上及圆外时：F0，走-x一步，xi+1=xi-1，yi+1=yiFi+1=xi+12+yi+12-R2=(xi-1)2+yi2-R2=Fi-2xi+1点在圆内时：F0-xF8=1-2x1+1=0 x8=1-1=0,y8=40,x,y,A(4,0),O,B(0,4),例4-1插补直线OA，A（5，3）,直线OA插补轨迹,例.插补直线OA，A（4,5）,插补轨迹,例4-2插补第一象限逆圆AB(10,0)(6,8),插补轨迹,三、数据采样插补,基本原理：是一种时间分割法，根据进给速度，将加工轮廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量（一条微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。实现步骤：粗插补（用若干微小直线段逼近曲线）和精插补（脉冲增量插补）。解决两个问题：选择插补周期；计算一个周期内各坐标轴的进给量。插补周期的选择：（1）插补周期与插补运算时间的关系。（2）插补周期与位置反馈采样周期的关系。（3）插补周期与精度、速度的关系。,66,插补周期的选择1)插补周期T与精度、速度F的关系直线插补时，一个插补周期内给出的每一步长直线段与给定的直线重合，在理论上无轨迹误差。圆弧插补时，通常用内接弦线或内外均差弦线逼近圆弧，必然会造成轨迹误差。,67,2）插补周期T与插补运算时间t的关系一旦系统各种线形的插补算法设计完毕，那么该系统插补运算的最长时间tmax就确定了。显然要求：tmaxBBCCCAA。电机反转的通电顺序为AACCCBBBAA。,140,4.功率放大器,功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。（1）单电压功率放大器,141,（2）高低电压功率放大器,142,（3）斩波恒流功率放大器,（一）直流伺服电动机及其速度控制1.永磁式直流伺服电动机,直流电动机：永磁式、电磁式（他励式、并励式、串励式和复励式四种）。直流进给伺服系统：使用永磁式直流电动机；直流主轴伺服系统：使用他磁式直流电动机。永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也叫做大惯量宽调速永磁直流伺服电动机，广泛应用在进给直流伺服系统中。反馈检测元件有测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码器，这三种检测元件之一均可安装在电机的尾部。,三、闭环和半闭环伺服系统,电动机组成：机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和换向器。定子磁极：是一个永久磁体，由此建立磁场。高性能直流电机采用稀土永磁材料。磁极形状：为瓦状结构，加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；转子电枢：由有槽铁芯和绕组两部分组成，属于转动部分；换向器：由电刷、换向片等组成，作用是将外加的直流电源引向电枢绕组，完成换向工作。,2直流电动机的机械特性、调速原理和方法永磁式直流伺服电动机的工作原理与一般（励磁式）直流电动机基本相同，其机械特性为：,式中：n电动机转速（rmin）；U电动机电枢回路外加电压(V)；Rd电枢回路电阻（）；Ce反电动势系数；CT转矩系数；气隙磁通量（Wb）；T电磁转矩。,从式中可以看出，直流电动机的调速方法有三种：改变电枢电压。此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性，适于进给驱动及主轴驱动的低速段。变气隙磁通量。此方法可得到恒功率特性，适于主轴电机的高速段。改变电枢电路的电阻Rd。此方法得到的机械特性较软，因此在数控机床上较少采用。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。在数控机床驱动装置中，直流电机速度控制多采用晶闸管（可控硅）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。,4.3直流伺服电动机及其速度控制4.3.2直流伺服电动机的速度控制方法,2晶体管直流脉宽调速（PWM）系统利用对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到电枢两端，通过控制矩形波脉冲宽度，改变电枢两端的平均电压，达到调节电动机转速的目的。直流脉宽调速系统采用转速、电流双闭环的结构，如图所示。优点：频带宽、电流脉动小、波形系数小、电源功率因数高等。,PWM速度控制单元的框图如图所示。其中速度调节器和电流调节器都采用PI调节器。速度调节器的“比例增益”和“复位时间”二个参数可以单独调节。结构上主要由两部分组成：脉宽调制器。这两部分也是PWM控制方式的核心。主回路，即脉宽调制式的开关放大器。,1）PWM放大器原理V1的基极由脉宽调制器产生的脉宽可调的脉冲电压ub驱动。当0tton时，ub为正，V1饱和导通，电源电压通过V1加到电枢两端。当tont0时，Q1立即翻转，由于正反馈的作用，瞬间达到最大值，uB=+Ud。此时，t=t1,而u=(R5/R2)Ud。在t1t0时，比较放大器Q3的输出脉冲正半波宽度小于负半波宽度，等效电压为负，而当uer0时，电源+Ed通过V7,V2向电枢供电，电动机正转。在0tt1时，ub2,ub3电压为正，V2和V7导通，电流从电源+Ed经V7-电枢M-V2-回到电源。在t1tt2时，ub1,ub3为负值,V1和V7截止，电源+Ed被切断。此时ub2为正，由于电枢电感的作用，电流经V2和续流二极管V6继续流通。,uer=0,第二节进给驱动,在t2tt3时，ub2,ub3同时为正，+Ed又经V2和V7加到电枢两端，电流继续流通。在t3tt4时，ub2,ub4同时为负，+Ed再次被切断，但因为ub3为正值，所以由于电枢电感的作用，电枢电流经V7和V3继续流通。当改变uer（如变小），即可改变电枢两端的电压波形（如脉宽变窄），从而改变了电压的平均值（如平均电压较小），继而达到调速的目的（如电动机转速变低）。,uer=0,第二节进给驱动,当控制电压uer为负时，电源+Ed通过V1,V8向电枢供电，电动机反转。从图6-21和6-22可知，当V1导通时，V2截止，V7导通时，V8截止，反之亦然。为了不使V1、V2、V7和V8同时导通烧毁晶体管，图6-20的特性校正环可保证两对管子先截止后导通，且间隔时间大于晶体管的关断时间。本开关放大器输出电压的频率比每个晶体管开关频率高一倍，弥补了大功率晶体管开关频率不高的缺陷，改善了电枢电流的连续性而被广泛采用。,uer=0,3）脉宽调速系统的控制回路图6-23为上述脉宽调速系统的脉宽调制器，图中u为三角波电压，uer为控制电压。该脉宽调制器为四路比较放大器电路，适合双极性可逆式开关功率放大器。该线路能实现图6-22中的ub1,ub2,ub3,ub4波形。它们是在一种特定情况下（输入信号为u+uer）放大器Q3、Q4、Q5和去Q6同时分别产生的四种脉冲信号。图中晶体管V5、V6、V7、V8是为了脉宽调制器的驱动功率并保证它的正脉冲输出。,第二节进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元3.PWM直流调速（3）常用的PWM直流调速系统2）脉宽调速系统的控制回路,uer=0,（二）交流伺服电动机及其速度控制,1交流伺服电动机异步型交流伺服电动机（IM）异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机，它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式之分，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量约轻12，价格仅为直流电动机的13。缺点：是不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而使得电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。,同步型交流伺服电动机（SM）同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分：磁滞式、永磁式和反应式等。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点：是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。,（1）永磁同步交流伺服电动机结构永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。定子：有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但其外圆多呈多边形，且无外壳，以利于散热，避兔电动机发热对机床精度的影响。,（2）工作原理图421是永磁交流伺服电动机工作原理简图，只画了一对永磁转子。当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场。旋转磁场将以同步转速ns旋转。根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引，带动转子一起同步旋转。,交流电机的同步转速为：n=ns60f/p（r/min）式中：f定子供电频率（HZ）；p电机定子绕组磁极对数；由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法：改变磁极对数p这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。变频调速变频调速是通过平滑改变定子供电电压频率f而使转速平滑变化的调速方法。这是交流电动机的一种先进的调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。,2.交流伺服电动机的速度控制（1）正弦波脉宽调制（SPWM）变频器正弦波脉宽调制（SPWM）变频器是使用最广泛的PWM调制方法，属于交直交静止变频装置，将50HZ交流电经整流变压器变压到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成定直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），图426为双极型SPWM的通用型主回路。,SPWM逆变器可产生正弦脉宽调制波即SPWM波形，主要是通过一个正弦波得到2N个等高而不等宽的脉冲序列，与正弦波等效，如图427所示。,SPWM波的产生原理如图428所示，将正弦波作为调制波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得6路SPWM信号。,在图426中，VT1VT6为6个大功率晶体管，并各有一个二极管与之反并联，作为续流用。来自控制电路的SPWM波形作为驱动信号加在各功率管的基极上，控制6个大功率管的通断。当逆变器输出需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角波的幅值，这时逆变器输出的矩形脉冲幅值不变而宽度相应增大，达到调压的目的。当逆变器的输出需要变频时，只要改变正弦波的频率即可。SPWM变频器结构简单，电网功率因数接近1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，由此在数控机床的交流驱动中被广泛应用。,（三）位置控制1数字脉冲比较系统该系统最多可由六个主要环节组成：指令信号，由数控装置提供，可以是数码信号或脉冲数字信号。反馈信号，可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。脉冲数字信号与数码的相互转换部件。驱动、执行元件。这部分实质是速度单元和电动机，根据比较器的输出带动工作台移动。,数字脉冲-数码转换器(1)数字脉冲转换为数码将数字脉冲转化为数码，实现方法是使用可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。根据对数码形式的要求不同，可逆计数器可以是二进制、二-十进制或其他类型。图6-75为两个二-十进制计数器组成的数字脉冲-数码转换器。,(2)数码转换为数字脉冲有两种方法：采用减法计数器线路。见图6-76，先将要转换的数码置入减法计数器，当时钟脉冲CP到来之后，一方面使减法计数器作减法计数，另一方面进入与门。若减法计数器的内容不为零，该CP脉冲通过与门输出，若减法计数器的内容为“O”，则与门被关闭，CP脉冲不能通过。计数器从开始计数到减为“0”，输出的脉冲数刚好等于置入计数器中的数码值。从而实现了数码数字脉冲转换。,用一个脉冲乘法器，如图6-77所示。脉冲乘法器电路中的数码寄存器存有要转换的数码，并以此控制与门组，则在时钟脉冲CP的作用下，分频器相应的各级在一个计数循环中，从与门组输出的脉冲数正好等于数码寄存器中的数码，从而完成了数码脉冲的转换。,2、数字伺服系统数字伺服系统用计算机软件来实现伺服控制。数字伺服系统较多采用专用硬件数字电路，20世纪90年代起采用DSP和CPU构成的微机作为控制器，甚至直接采用工业PC机作为控制器的软件伺服系统得到充分发展。数字伺服系统的特点：采用现控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。数字伺服系统是一种离散系统，离散系统的校正环节的比例（P）、积分（I）、微分（D）控制，即PID控制可由软件实现。由位置、速度和电流构成的三环反馈实现全部数字化，这使得各伺服控制参数可能以数字形式设定，非常灵活方便。尤其是可以利用计算机良好的人机界面功能，进行图形化的调试，将伺服系统调试后的性能结果定量的显示出来。,数字伺服系统的特点数字伺服系统在检测灵敏度、时间漂移小、降噪、温度漂移小及抗干扰等方面都优于模拟伺服系统和模拟数字混合伺服系统。高速度、高性能的微处理器的运用，使运算速度大幅度提高，也使得数字伺服系统具有较高的动、静精度。伺服控制技术的软件化和硬件的通用化使伺服控制装置的成本大大降低，互换性提高。,174,一、数控装置硬件结构硬件结构分类：按CNC装置中各电路板的插接方式分：大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数分：单微处理器和多微处理器结构；按硬件的制造方式分：专用型结构和通用计算机式结构；按CNC装置的开放程度分：封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。,第六节CNC装置,175,(一）大板式结构与模块式结构1、大板式结构CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源单元组成。其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。,第六节CNC装置,176,2、功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板（硬件模块），相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中，软硬件模块形成一个功能模块。将各功能模块插入控制单元母板构成CNC装置。每一个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模板），相应功能模块的控制软件也模块化。这种形式的CNC系统系列产品，用户只要按需要选用各种控制单元母板及功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就可组成自己需要的CNC系统。常见的功能模板：有CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.3CNC结构与典型数控系统,系统组成：CPU板、扩展存储器板、显示控制板、手轮接口板、键盘和录音机板、强电输出板、伺服接口板和三块轴反馈板共11个模块。各模块可选工业标准总线连接，如：PC总线、STD总线等。,（二）单微处理器与多微处理器结构,1单微处理器结构单微处理器结构：CNC装置中只有一个微处理器（CPU），工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务。分时处理：存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等。单微处理器结构框图如图所示，其结构简单，容易实现。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.1单微处理器与多微处理器结构,CPU是CNC装置的核心，CPU执行系统程序。单微处理器结构的CNC装置可划分为：计算机部分、位置控制部分、数据输入输出接口及外围设备。结构特点：（l）CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理。（2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。（3）结构简单，实现容易。,2.多微处理器CNC结构多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以上的微处理器。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,多微处理器CNC的基本功能模块（1）CNC管理模块该模块管理和组织整个CNC系统各功能模块协调工作，如：系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。该模块还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插补前的预处理。（2）CNC插补模块该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,（3）位置控制模块插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。（4）PLC模块零件程序中的开关功能和由机床传来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,（5）操作面板监控和显示模块零件程序、参数、各种操作命令和数据的输入（如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上级计算机输入等）、输出（如通过软盘、硬盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机输出）、显示（通过LED、CRT、LCD等）所需要的各种接口电路。（6）存储器模块该模块作为程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。,多微处理器CNC装置的典型结构通常采用共享总线和共享存储器两种结构。（l）共享总线结构共享总线结构：包含主模块和从模块。主模块：带有CPU或DMA器件(DMA-“DirectMemoryAccess”，直接内存访问，是不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输由CPU来控制)；从模块：不带CPU或DMA器件（如RAM、ROM模块、IO模块）。总线作用：把各个模块有效地连接在一起。按照标准协议交换各种数据和控制信息，构成完整的系统，实现各种预定的功能。,在系统中只有主模块有权控制和使用系统总线。同一时刻只能由一个主模块占有总线，通过仲裁电路根据各主模块的优先级别来裁决哪个模块使用总线。总线仲裁的目的：是在各主模块争用总线时，判别出各模块优先级的高低。总线仲裁机构：通常有串行方式和并行方式两种裁决方式。,（l）共享总线结构分布式总线结构如图26所示，各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通过网络技术来实现。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,主从式总线结构系统中有一个主微处理器，若干个从微处理器，各微处理器都是完整独立的系统。只有主微处理器能控制总线，访问总线上的资源，对从微处理器进行控制、监视、协调多个微处理器系统的操作；从微处理器只能被动地执行主微处理器发来的命令，完成一些特定的功能，一般不能访问系统总线上的资源。主、从微处理器的通信通过IO接口进行应答，或采用双端RAM技术进行，通过自己的总线读写同一个存储器。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,总线式多主CPU结构有一条并行主总线连接着多个微处理器系统，每个CPU可以直接访问所有系统资源，包括并行总线、总线上的系统存储器及IO接口、局部存储器、局部IO接口等。各微处理器从逻辑不分主从关系，为解决多个主CPU争用并行总线的问题，在这样的系统中有一个总线仲裁器，为各CPU分配了总线优先级别，每一时刻，只有总线优先级较高的CPU可以使用并行总线。,多微处理器CNC装置的典型结构（2）共享存储器结构采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和通信，每个端口都有一套数据、地址、控制线，以供访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。,这种方式同一时刻只能有一个微处理器对多端口存储器读写。当要求微处理器数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。图29为多微处理器共享存储器的CNC系统框图。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,图210为一共享存储器多CPU数控系统，共3个CPU。CPU1为主处理器，其任务是进行编程、译码、刀具和机床参数的输入。它还控制CPU2和CPU3，并与之交换信息。CPU2为CRT显示处理机，其任务是根据CPU1的指令，将显示数据串行送到视频电路进行显示。此外它还定时扫描键盘和倍率开关状态，送给CPU1处理。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.2多微处理器CNC结构,CPU3为插补处理机，它的工作是插补运算、位置控制、机床输入输出接口和串行口控制。CPU3根据CPU1的命令及预处理结果，进行直线和圆弧插补。它定时接收各轴的实际位置信号，并根据插补运算结果，计算各轴的跟随误差，以得到速度指令值，经DA转换数控模拟电压到各伺服单元。CPU1对CPU2和CPU3的控制是通过中断方式实现的。,（三）其他结构（1）个人计算机式结构这类CNC系统是以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成相应CNC装置。由于工业标准计算机的生产数量大，其生产成本很低，继而也就降低了CNC系统的成本。若工业PC机出故障，修理及更换均很容易。美国ANILAM公司和AI公司生产CNC装置均属这种类型。图213是一种以工业PC机为技术平台的数控系统结构框图。,第2章计算机数控（CNC）装置,2.3CNC装置的硬件结构2.3.3CNC结构与典型数控系统,（2）NC嵌入PC式结构NC嵌入PC式结构是由开放体系结构运动控制卡PC机构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP（digitalsignalprocessor）作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统，因而这种开放结构被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的构造的MAZATROL640CNC等。,（5）软件型开放式结构这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部IO之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC，德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。,二、CNC装置的软件结构（一）CNC装置的任务特点,CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，有多任务并行处理、前后台型软件结构和中断软件结构三个特点。,1多任务CNC系统软件：包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件：包括输入、IO处理、显示、诊断；控制软件：包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置补偿。,2、并行处理CNC的管理与控制工作往往要同时进行，即需并行处理。例如：加工控制时必须同步显示系统的有关状态，位置控制与IO控制同步处理，并伴随着故障诊断；控制软件的插补、位置控制、预处理之间需并行处理。图217给出了并行任务处理图，图中双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。,3实时性实时性任务的定义和分类实时性定义:任务的执行有严格时间要求（任务必须规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。实时性任务分类:强实时性任务实时突发性任务；实时周期性任务弱实时性任务,（1）实时突发性任务：任务的发生具有随机性和突发性，是一种异步中断事件。主要包括故障中断(急停，机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件（按键）操作中断等。（2）实时周期性任务：任务是精确地按一定时间间隔发生的。主要包括插补运算、位置控制等任务。为保证加工精度和加工过程的连续性，这类任务处理的实时性是关键。在任务的执行过程中，除系统故障外，不允许被其它任何任务中断。（3）弱实时性任务这类任务的实时性要求相对较弱，只需要保证在某一段时间内得以运行即可。在系统设计时，它们或被安排在背景程序中，或根据重要性将其设置成不同的优先级，再由系统调度程序对它们进行合理的调度。这类任务包括：CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。,（二）CNC装置的软件特点1、资源分时共享并行处理使多个用户按时间顺序使用同一套设备。如在单CPU的CNC中，采用CPU分时共享来解决多任务的同时运行。资源分时共享方法：循环轮流法和中断优先法相结合(图4-15)。图中环外任务是一些实时性很强的任务，是按优先级排队把它们分别放在不同中断优先级上，可随时中断环内各任务的执行。,位置控制,插补运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别高,中断级别低,资源（CPU）分时共享图,2、时间重叠流水处理也称资源重叠流水处理，是根据流水处理技术，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。如图4-14b从t4后，每个程序段的输出不再有间隔，保证了刀具移动的连续性。,203,流水处理技术示意图,时间,t+t,t,空间,3,3,3,2,2,2,输出,CPU1,CPU2,CPU3,并行处理,3、实时中断处理中断处理为整个系统必不可少的组成部分。类型有：外部中断。主要有光电阅读机读孔中断，外部监控中断（如紧急停等）和键盘及操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，通常把它们放在较高的优先级上，而键盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。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。有些系统把这两种定时中断合二为一。但在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。硬件故障中断。它是各种硬件故障检测装置发出的中断。如存储器、定时器出错，插补运算超时等。程序性中断。程序中出现的异常情况中断。如溢出、除零等。,（三）CNC装置的软件结构1、前后台型软件结构该模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序(背景程序):完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。,前后台程序运行关系图,图中是美国A-B7360CNC软件，是前后台型软件结构。该图左面是实时中断程序处理的任务。右面是背景程序处理的任务。背景程序是一个循环运行的主程序，而实时中断程序按其优先级随时插入背景程序中。,前后台型结构模式的特点,任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序的调度是优先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。信息交换:缓冲区。前台和后台程序之间以及内部各子任务之间的。实时性差。在前台和后台程序内无优先级等级、也无抢占机制。该结构仅适用于控制功能较简单的系统。早期的CNC系统大都采用这种结构。,2、多重中断型软件结构这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。,中断型软件系统结构图,1,n,2,表4-1是FANUE-BESK7CMCNC系统的各级中断程序的功能，软件结构是一个典型的中断型结构。其控制程序被分为八级不同优先级的中断，其中，0级为最低级中断，7级为最高级中断。,中断型结构模式的特点,任务调度机制：抢占式优先调度。信息交换：缓冲区。实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。,三、典型CNC系统简介1、FANUCCNC系统简介,高可靠性的PowerMate0系列：用于控制2轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统；可配画面清晰、操作方便，中文显示的CRTMDI，也可配性能价格比高的DPLMDI。普及型CNC0D系列：0TD用于车床，0MD用于铣床及小型加工中心，0GCD用于圆柱磨床，0GSD用于平面