《计算机数控装置》PPT课件

上次授课内容回顾：数控机床的进给机构和数控回转工作台本次授课内容第五章计算机数控装置5.1计算机数控装置硬件5.2计算机数控装置软件,第五章计算机数控装置,5.1计算机数控装置硬件一.数控系统的组成计算机数控系统是由输入输出设备、数控装置、伺服系统、机床电器逻辑控制装置等组成。,各部分的功能：1）输入/输出装置:一方面将加工程序、机床参数等信息的输入；另一方面将输入内容及数控系统工作状态进行输出，供操作人员观察。2)数控装置：正确识别和解释加工程序，进行各种零件轮廓几何信息和命令逻辑信息的处理，并将处理结果分发给相应的单元。3)伺服系统:包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。进给轴伺服驱动装置主要由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令，正确驱动机床或刀具进行相应的运动。主轴伺服驱动装置主要由速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它主要为机床提供切削动力。,4)机床电器逻辑控制装置:接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴启停、方向控制、选速功能、换刀功能、工件装卡功能、冷却、润滑、液压、气动系统功能及其它机床辅助功能。其形式是继电器控制线路或PLC形式。机床本体主轴单元:接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向速度单元:接收CNC的指令,控制各伺服轴的动作,二.CNC装置的硬件,CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，另外一方面还有数控机床所特有功能的功能模块与接口单元。,三、计算机数控装置硬件结构分类（一）单微处理器结构和多微处理器结构1、单微处理器结构的CNC装置在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个中央处理器（CPU），所有的系统管理功能和数控功能都由一个处理器来完成。单微处理器CNC的结构特点如下：（1）CNC装置内只有一个微处理器，对各种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、多微处理器结构含有两个及两个以上的CPU组成的CNC，它们分别实现部分数控功能，并通过某种方式实现数据交换。其特点是分散控制，并行处理。根据微处理器之间的关系又分成：分布式结构、主从结构和总线式结构,（1）分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间通过外部的通信链路连接在一起，且采用通讯方式交换信息。（2）主从结构：系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，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。其它是处于以从属地位的，故称之为主从结构（3）总线式结构：一条主总线上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，同时可以自由独立地使用各自的资源。通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交信息。,（二）按照电路板结构分：1）大板结构：主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成CNC装置，FANUC等2）模块化结构：控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化特点：各功能块功能独立，便于开发同一功能的系列产品，维修维护方便,（三）专用计算机结构和通用计算机结构专用型结构CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强。但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国AB系统等都属于专用型。通用计算机结构以工业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个性化数控系统。,四、接口电路（一）开关量输入输出接口数控机床开关量包括开关的开闭、指示灯的亮灭、继电器/接触器的吸合与释放、电动机的启停、阀门的开闭以及脉冲、计数、定时信号等。这些信号都可转换成逻辑高电平或低电平的形式。,（二）模拟量输入输出接口数控机床的被测量往往是连续变化的模拟量，另外执行机构（如电动机）需要模拟量来控制。被测模拟量经过信号处理后，（三）通信和网络接口,五、PLC(ProgrammableLogicController)模块1、PLC模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。,机床用的PLC一般分为两类：内装型（Built-inType）PLC（或集成式、内含式）。独立型（Stand-aloneType）PLC（或通用型）,2、分类；,内装式：指内含在装置内，从属于装置，并与装置集于一体，内装式既可以单独使用一个，也可与共同一个。例如系统,独立式：通用完全独立于装置，具备完备的软件和硬件，能够独立完成系统所要求的控制任务。例如：,5.2计算机数控装置软件一、计算机数控装置软件分析（一）内部信息流转换过程CNC装置系统软件的主要任务：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。,1、输入：数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据等。2、译码把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度F和其它辅助信息（M、S、T）按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。译码有两种方法：（）解释；（）编译在CNC控制软件中多数采用解释方法。译码工作主要有：代码识别和各项功能的译码。,3.诊断在译码过程中，需要进行数控加工程序的诊断，也就是利用控制软件检查加工程序的正确性，把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工程序找出来，通过显示器提示机床操作人员进行修改。诊断内容主要包括数控加工程序的语法错误和逻辑错误。语法错误主要是指某个功能代码的错误。逻辑错误主要指一个数控机床加工程序段或整个加工程序内各个功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。,4.刀补计算刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。刀具半径补偿，对于铣床而言，数控装置的控制对象是刀具的中心轴线的轨迹，而工件轮廓是刀具边缘切削形成的。可见，刀具半径补偿就是将刀具边缘轨迹偏移到刀具中心。刀具长度补偿，对于铣床而言，是以主轴轴端中心点作为起刀点，以刀具离开轴端伸出的长度作为补偿值（偏置量）。,速度处理数控加工程序中给定的进给速度F代码是指零件切削方向的合成线速度。速度处理实际上是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制，那么数控机床最终就得到所要求的线速度。,6.插补计算所谓插补就是根据数控加工程序给定的零件轮廓尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。换句话说，就是在零件轮廓起点与终点之间的曲线上进行“数据点的密化过程”。7.位置控制位置控制的主要任务就是根据插补结果所求得命令位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其误差值去控制伺服电动机，驱动工作台或刀具朝着减小误差的方向运动。,（二）CNC装置的软件任务分析,CNC系统的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。CNC系统的多任务性表现在它必须完成管理和控制两大任务。各种任务之间是并行处理的关系。,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。运用并行处理技术可以提高运算速度。CNC装置的硬件设计普遍采用设备重复的并行处理技术，例如采用多处理器的数控装置。CNC装置的软件设计常采用资源分时并行处理技术和多重中断的并行处理技术。,二.CNC系统软件结构类型前后台型结构模式该模式将CNC系统软件划分成两部分：前台程序:主要完成位置控制、插补运算、开关量控制、面板扫描和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。,2.多重中断型结构模式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。,3.功能模块型软件结构多微处理器数控装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形成特定的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块型软件结构，固化在对应的硬件功能模块中。数控单元主要由三大模块组成：人机通信模块、数控通信模块和可编程控制器模块。,三计算机数控装置典型软件模块插补计算（一）插补概述在零件的加工程序中，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，仅提供其起点和终点坐标；对于圆弧，仅提供起点、终点坐标、圆心相对于起点的位置或圆弧半径以及顺圆弧或逆圆弧，因此为了实现轨迹控制就必须在运动过程中实时地计算出满足线形和进给要求的若干中间点的位置，即进行插补运算。,插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓的起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值。每个中间点计算所需时间直接影响控制精度，而插补中间点的计算精度又影响到整个数控系统的精度，所以插补算法至关重要，插补软件是整个数控系统的核心，数控的其他任务是围绕着它进行的。,（二）插补分类插补算法有很多，现在主要采用数字脉冲增量法、数据采样法等。数字脉冲增量插补，就是根据一定算法通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定的形状轮廓。这类算法输出是脉冲形式，并且每次仅产生一个单位的行程增量。数字脉冲增量插补又包括逐点比较法和数字积分法。数据采样法，是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定的曲线轮廓。由于这些线段是按加工时间来进行分割的，也称为时间分割法。,（三）插补算法1.脉冲增量插补脉冲增量插补也称为行程增量插补，每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量)，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直线)。,脉冲增量插补的特点：实现方法较简单，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补，容易用硬件来实现，也可用软件来完成。但这种方法进给速度低，主要用于步进电动机驱动的数控系统。,脉冲增量插补算法常用的是逐点比较法和数字积分法。逐点比较法逐点比较法的控制原理是：CNC系统在控制进给过程中，逐点地计算和比较进给运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差，控制进给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。,逐点比较法的精度逐点比较法以折线来逼近直线或园弧曲线，它与给定的直线或园弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量，只要脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求。,（1）直线插补假设加工如图所示的第一象限的直线OE，已知直线OE的起点为坐标原点，终点为E（Xe，Ye）。,图第一象限直线插补,N=Xe+Ye,第一象限直线插补流程图,综上所述，逐点比较法直线插补过程中，每走一步要进行四个步骤：第一步：比较判别，确定F0还是F0；第二步：进给，当F0时向+X方向进给一步；当F0时向+Y方向进给一步；第三步：计算，计算新的F、N值；第四步：终点判断，判断N是否为0，当N=0时，则结束插补。,其它象限的直线插补其它象限的直线插补与第一象限的直线插补方法相似，只是进给方向由象限判别标志(终点坐标正、负号)控制。四个象限的步进方向与插补流程图分别见下图所示。,四象限步进方向,四象限直线插补流程图,例题：加工直线位于平面直角坐标系第一象限起点在坐标原点(0，0)终点坐标为E(5，4)，插补=1，试用逐点比较插补法对直线讲行直插补运算，并画出插补轨迹图。,作业：加工直线位于平面直角坐标系第二象限起点在坐标原点(0，0)终点坐标为E(-3，7)，插补=1，试用逐点比较插补法对直线讲行直插补运算，并画出插补轨迹图。,圆弧插补设要加工图示第一象限逆时针走向的园弧，圆心坐标为坐标原点，起点为A(Xo，Yo)，终点为E(Xe,Ye)。,第一象限逆园弧插补,第一象限逆园弧插补流程,实际上由于园弧所在象限不同，逆顺不同，插补计算公式和动点进给方向也均不相同，因此，园弧插补有八种情况，如图所示为园弧插补四个象限的动点走向。,园弧插补四个象限的动点走向,例题：试推导第象限逆圆弧逐点比较法插补公式，并用其插补一段第象限逆圆弧：起点A(-1,5)，终点B(-5,1)，画出插补后的实际轨迹图。(插补计算过程以节拍表的形式给出),数字积分法数字积分插补法的最大优点是运算速度快、脉冲分配均匀、容易实现多坐标联动的插补和二次曲线，甚至高次曲线的插补，但计算比较复杂。随着数控系统计算机功能的发展强大，采用软件插补所需时间越来越短，近年来才得到较多的应用。,如右图,数字积分器（DDA）直线插补,设加工直线OE，如图所示，起点为坐标原点，终点为E(Xe,Ye)，假定进给速度V是均匀的，则有：,式中K为比例常数。,直线OE的DDA插补,动点从原点走向终点E的过程，可以看作是各坐标轴线每经过一个单位时间间隔t(t=1)就分别以增量kXe、kYe同时累加的结果。也可以说，数字积分法插补实际上是利用速度分量进行数字积分(累加)来确定动点在各个坐标轴上坐标值的过程：,取ti=1(一个单位时间间隔)，并假定经过n次累加后，动点正好到达终点E(Xe,Ye),则上式可变为：,由此可得：kn=1或n=1/k上式表明比例常数k与累加次数n之间的关系，n必须取整数，则k肯定是小数。,为了保证一个单位时间间隔(t=1)内每次进给增量X、Y不超过一个单位的脉冲当量，则：,上式中Xe、Ye的最大允许值分别受系统中Jxe、Jye寄存器容量的限制，假定寄存器容量为N位，则Xe及Ye的最大允许数字量为2N1，将其代入上式中的Xe、Ye，则可得到：,k(2N1)1，即k1/(2N1),取k1/2N，则累加次数n为：n1/k2N综上所述，X、Y经过n2N次累加后，动点正好到达终点。,Jx(x)-寄存X坐标的终点值XeJy(y)-寄存Y坐标的终点值YeJRx-寄存X坐标(X=X)累加余数JRy-寄存Y坐标(Y=Y)累加余数,数字积分(DDA)直线插补器如图所示，它具有四个位移寄存器：,DDA直线插补器框图,当累加结果XX1或YY1时，其整数部分以溢出方式丢失，小数部分则保存在相应的寄存器JRx或JRy中，留待下一次累加。每当JRx或JRy出现一个溢出脉冲时，则分别向X轴或Y轴分配一个进给脉冲X和Y，使X轴或Y轴移动一步，直至到达终点。终点判别可由累加次数n决定。,数字积分器园弧插补设加工如图所示的逆园弧，园心为坐标原点，起点为A(Xo,Yo)，终点为E(Xe,Ye)，半径为R，动点P(X,Y)的进给速度V均匀,则存在下列关系式：,其中：K为比例常数。,第一象限逆园弧插补,在单位时间增量t(t=1)内，坐标轴方向的位移增量则为：,（负号表示加工逆园弧时向-X方向移动）,取,则第一象限逆园弧插补计算公式为：,（N为累加寄存器容量（N）位）,显然，园弧插补是对动点坐标的累加，园弧插补器框图如图所示。,插补过程如下：运算开始Jx(x)、Jy(y)中分别存放动点P(X,Y)的初值Xo,Yo；X和Y积分累加寄存器每溢出一个脉冲，X轴和Y轴就分别沿-X方向和+Y方向进给一步；每进给一步，被积函数寄存器中的坐标值就被修正一次，即JRx每溢出一个X脉冲，Jy(y)寄存器中的值就加“1”；反之，JRy每溢出一个Y脉冲，Jx(x)寄存器中的值就减“1”。（因动点作逆园运动，X作负向进给）。在插补过程中被积函数寄存器中存放的是动点P(X,Y)的瞬时坐标值。,DDA园弧插补器框图,园弧插补的终点判别可用随时计算出的坐标轴位置X=X，Y=Y与终点E(Xe,Ye)的坐标值比较来实现。也可采用两个终点判别计数器来分别累计两坐标轴进给脉冲数，每走一步相应坐标轴终点计数器便减“1”，当两计数器均减尽为“0”时，即到达终点，发出插补完毕信号。,5.3开放式数控系统一、开放式数控系统的基本特征定义：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并具有一致风格的用户界面。实质：数控系统的开发，可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或裁减数控功能，形成系列化，并方便地将用户的特殊要求和技术诀窍集成到数控系统中快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。,1、模块化具有高度模块化的特征，包括数控功能模块化和系统体系结构模块化，前者是指用户可以根据自己的要求选装所需的数控功能后者是指系统内部实现各种功能的算法是可分离、可替换的。统体系结构模块化是功能模块化的基础，也是系统配置、重组的基础。2、标准化数控装置具有一定程度的标准化，各公司根据该标准和自己的技术特长，开发控制器中的部件或功能模块。,3、移植性软件的移植性是指软件运行和平台无关，不依赖于特定的硬件平台和操作系统平台。这为功能软件模块的裁剪、替代和重组创造了条件。4、可再次开发性允许用户进行二次开发，所谓二次开发是指用户可以根据数控装置应用场合的具体要求，自行定制其硬件资源、软件功能和各种参数等。,5、网络化通过网络向数控系统传送加工程序、加工指令或进行远程监控的工作。随着网络控制技术实时性的提高，正在逐步渗入到各种集成控制系统中。未来的开放式数控装置可能是在网络技术的支持下的多微处理器并行计算的控制器。,二、开放式数控系统的体系结构美国的NGC计划和SOSAS1987年提出了NGC(NextGenerationWorkstation/MachineController)计划，企图通过实现基于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”（SOSAS，SpecificationforanOpenSystemArchitecturestandard）,解决传统数控系统中存在的“专用、封闭”问题。,NGC计划正在为基于开放式系统体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标准，这种体系结构允许不同的设计人员开发可相互交换和互相操作的控制器部件。一个完全合格的NGC包括开发的可能性，多个装置间的协调，装置的全独立编程，基于模型的处理，自适应路径策略，大范围工作站及实时特性等。NGC计划中提出的开放式系统体系结构，能够使供应商为实现专门应用选择最佳方案去定制控制系统。,2.欧洲的OSACA计划OSACA对开放式系统的定义为：应包括一组逻辑上可分的部件，部件间的接口、部件与执行平台间的接口要定义完备，可实现不同开发商开发的部件协调工作并组成一个完整的控制器。该控制器可运行于不同的平台，并实现对用户和其它自动系统一致的接口。,OSACA体系结构参考体系结构：是指全面描述控制器组织结构的模型，包括控制器功能模块的划分，控制器软件功能模块的划分和模块之间的接口定义。通信系统：支持各模块之间的数据交换。配置系统：记录控制系统组成，描述系统启动所需要的信息和操作。,3、日本的OSEC计划OSE研究会是日本开放式研究机构之一。OSE研究会对OSEC计划（OSEforController）的研究分两步走：一是开放控制器的意义和方向，二是达到能实际安装的、完成度较高的体系结构。第一步研究的主要问题：,开放式NC的基本结构；使用FA记述语言FADL(FactoryAutomationDescriptionLanguage)伺服控制的函数数据库。,三、开放式数控系统的关键技术开放式数控系统体系结构的研究开放式数控系统的体系结构是全面描述控制器组织结构的模型，包括控制器功能模块的硬件和软件划分。在建模过程中充分考虑数控机床的共性和可能具有的个性。共性是开放式数控系统的主体，个性是体系结构中可扩