数控原理与系统概述.ppt

第五章数控原理和系统，第一节概要，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的输入输出和通信功能，第三节刀具位置校正和半径校正，第一节概要，第一节概要，CNC系统的构成和功能，CNC的硬件结构三，CNC的软件结构，第一，第二节机械制造技术中，被加工零件的几何形状千变万化，主要有旋转体零件和非旋转体零件。 从控制技术的角度分析各种加工方法时，主要着眼于几何规则的控制。 机械制造过程中的数字控制是把工件和刀具的相对运动作为规定的几何轨迹和辅助控制。 机床数控的基本任务是运动轨迹量控制和开关量控制。 整体上采用g、m代码和s、t、f等。 灵活的自动化要求CNC具有通信和DNC功能。 市场的个性化和适应性要求CNC自身具有结构开放性和功能可重构性。 2、CNC系统的构成。 根据机床的数控任务，CNC系统采用计算机作为控制部件，通过驻留在其内部的数控系统软件实现部分或全部的数控功能，可以实时控制机床的运动。 仅通过改变计算机的控制软件就能实现新的控制方法是CNC的最大特征，其基本结构如图所示。 图中示出了机床整体的计算机数控系统的结构框图，是从整体上考虑机床控制功能的意义上的概念。 实际的CNC中可能不包括伺服驱动器和输入输出设备。 3、CNC控制器的一般工作过程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：输入到CNC控制器的通常有零件程序、机床参数、修正数据。 机床参数和刀具尺寸以外的修正数据一般在机床出厂时或用户安装调整时设定，因此主要是零件程序和刀具尺寸修正数据的输入。 输入形式有光电读取机的磁带输入、键盘输入、磁盘输入和上位计算机的DNC接口输入。 CNC输入方式分为记忆方式和NC方式，前者输入并调用整个部件程序，后者边输入边加工。 (2)解码处理以部件程序的一个段为单位进行处理。 解码处理解释零件的轮廓信息、进给速度f、其他辅助信息(m、s、t )，并保存到指定的存储器专用区域。 在解码过程中完成程序段的语法检查，发现错误后立即警告。 (3)刀具补偿：刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。 刀具补偿的作用是，根据确定的刀具尺寸数据，自动地将零件的轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹。 高级CNC刀具补偿还包括段之间的自动过渡和过切判定，即c刀具补偿功能。 (4)进给速度处理：通过数控加工程序给出的刀具对工件的移动速度是各坐标合成运动方向上的速度，也就是f代码指令值。 速度处理首先以合成速度计算各进给运动坐标方向的分速度，为了在插值时计算各进给坐标的行程量而准备。 同时处理机床最低速度限制和最高速度限制和自动加减速。 (5)插值：要进行轨道加工，CNC必须从已知的起点和终点曲线自动地进行“数据点的密集化”。 这叫做插值。 内插在指定的周期内一次，即每周期，以指令进给速度计算微小的直线数据段，经过几个内插周期，完成一个段加工。 (6)位置控制：位置控制如图所示位于伺服回路的位置环上。 其主要功能是在每个采样周期内比较插值计算的理论位置和实际反馈位置，用其差来控制进给电动机。 此部分的工作可以用硬件和软件进行，通常也能完成位置电路的增益调整、各坐标方向的间距误差修正和反间隙修正。(7)I/O处理：主要指CNC和机床之间的电信号的输入、输出处理和控制。 (8)显示：为作业人员提供方便的显示，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包含刀具加工轨迹的静态和动态图形表示。 (9)诊断：自动故障诊断是现代CNC所必需的功能，通常有在线诊断和离线诊断两种功能。 在线诊断是CNC的自我诊断程序，融合到各部分，随时检查异常事件。 离线诊断是CNC不工作时的诊断，通过配备的各种离线诊断程序，检查内存、外围设备接口和I/O接口。 离线诊断也能够采用远程通信方式、所谓的远程诊断。 远程诊断将用户的CNC通过网络连接到远程通信诊断中心的计算机上，诊断中心的计算机进行CNC的诊断、故障定位和修复，把CNC的工作内容和过程总结在图中。 4、CNC控制器的功能CNC控制器的功能通常包括基本功能和选择功能。 (1)轴控制功能： CNC能控制的同时能控制的轴数。 数控机床运动的轴有移动轴和旋转轴，有基本轴和追加轴。 控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，CNC控制器就越辅助，多轴联动的零件程序制作也越困难。 (2)准备功能：也称为g功能，指示机床的运动方式。 包括基本移动、平面选择、准备设备、工具补偿、固定循环、公制转换等指令。 (3)插值功能： CNC通过软件插值实现刀具运动的轨迹。 分为粗插值和精插值。 在粗插值的情况下，软件一次插值小线段数据。 精密插值时，伺服接口根据粗插值的结果，将小线段分成单一脉冲输出。 (4)进给功能：用f直接指定各轴的进给速度，用切削进给速度、每分钟进给的毫米数指定。 同步进给速度由主轴每转进给的毫米数规定，主轴需要位置编码器，便于切削螺纹。 快速进给速度通过参数设定，用G00指令。 进给倍率通过面板上的进给倍率开关给出。 (5)主轴功能：指定主轴转速的功能，用s代码及其后续数字表示，多为S4位，单位为r/min。 (6)辅助功能：用于指示主轴的启动、停止、转向的切屑液的开关刀库的启动、停止等，使用m码的2位。 (7)工具功能和第二辅助功能：工具功能用于选择必要的工具，用t的2位或4位表示。 第二辅助功能指定表索引，以b代码的3位显示。 (8)补偿功能：一是为了简化工艺，刀具的尺寸补偿和工艺段的自动转移。 另一个是丝杠的螺距误差和齿隙或热变形补偿等。 (9)文字、图形显示功能： CNC控制器可以配置黑白或彩色CRT，通过软件和界面实现文字和图形显示。 (10 )自我诊断功能：为防止孤独的发生和扩大，在故障发生后迅速确定故障的类型和部位，减少故障停止时间而设置。 诊断程序通常可以包含在系统程序中，可以在运行时进行检查或诊断，也可以进行服务程序的离线诊断。 (11 )通信功能： CNC控制器具有RS232通信接口，还具有DNC接口，CNC可以连接到MAP，插入工厂通信网络。 另外，DNC中有缓冲存储器，既能够以数控形式输入，也能够以二进制形式输入，进行高速传输。 (12 )人机交互图形编程功能：其目的是进一步提高数控机床的运行率和编程效率。 可以根据蓝图直接输入简单显示的几何尺寸生成程序。可以交互编程。可以用宏程序编程。 二、CNC系统的硬件结构CNC的软件功能必须在相应的硬件水平上支持。 现有或正常的CNC必须走向开放的CNC。1、常规CNC硬件结构(1)常规CNC发展的主要形式基本有三种。 一种是总线式模块结构CNC，零件采用了32位的RISC (精简指令集)芯片、数学协同处理器、闪存等。 用于多轴控制高级数控机床。 二是由单板或专用芯片和模板构成的紧凑的CNC。 大量用于中速和经济的数控机床。 三是基于通用计算机(PC或IPC )开发的CNC。 它的优点是可以充分利用通用计算机丰富的软件资源，根据计算机硬件的升级进行升级。 前两种类型是对第三种类型可以称为专用结构的计算机，硬件印刷电路板是制造商设计制造的，其特征是没有通用性。 第三种硬件通常不需要特别设计，只要加载不同的控制软件，就能构成不同类型的CNC，通用性大，容易维护。 (2)单微处理器结构： CNC发展初期采用的结构，只能控制一个微处理器的系统总线，占用总线资源，CNC的各任务以集中控制、时分处理的方式完成。 图是单微处理器结构的CNC框图，其中微处理器CPU是CNC的核心，主要由运算器和控制器组成，完成数据的算术、逻辑运算和系统操作的控制。 (3)多处理器结构CNC的多处理器结构是指，系统中2个以上的微处理器可以控制系统总线、或主存储器的动作的系统结构。 具体有结合和结合两种结构样式。 紧密耦合是指在包括两个或多个微处理器的处理部件之间采用紧密耦合，具有集中的操作系统并共享资源。 发送耦合是指在包括两个或更多个微处理器的功能块之间采用松散耦合，多操作系统有效地实现并行处理。 1 )多微处理器CNC的典型结构共享总线结构。 共享内存结构，图。 2 )多微处理器的CNC基本功能模块主要有以下6种基本功能模块CNC管理模块。 包括初始化、中断管理、总线裁决、系统错误的识别和处理、系统硬件和软件诊断等。 CNC插值模块。 插值前的预处理完成后，进行插值计算，给出各坐标轴的位置值。 位置控制模块。 PLC(PMC )模块。 零件程序中的开关量(s、m、t )和来自机床面板的信号在该模块中进行逻辑处理。 指令和数据的输入输出和显示模块。 内存模块。 这是程序和数据的主存储器，或者是功能模块间的数据传送用的共享存储器。 2、开放式CNC的硬件结构对数控系统的灵活性和通用性的要求主要根据不同的加工需求迅速、高效， 建立经济面向客户的控制系统，降低NC机床生产工厂控制系统对供应商的高依赖性，大幅度降低维护和培训成本，改变现在的NC系统的封闭型设计，适应未来车间向任务恶化的生产组织模式，基础生产制因此，必须重新审视现有控制系统的设计模式，建立新的开放型系统设计框架，将数控系统发展为模块化、平台化、工具化、标准化。 国外数控系统的开放性在技术上表现为面向平台技术和应用功能单元的系统参考结构。 始于美国1981年的下一代控制器(ndd )计划最终形成了开放的系统架构规范SOSAS。 1994年开始了omac (openmodulararchitecturesystems )项目的研究。 欧盟于1992年开始在ESPRIT框架内研究OS ACA (opensetystemarchitectureforcontrolswithinautomationsystems )项目，1994年完成定义，1996年原型1990年日本的IMS要求CNC标准化和智能化。(1)开放式CNC的定义参照IEEE对开放系统的规定：在提供真正意义上，开放式NC系统必须具有不同的应用程序可以协调在系统平台上执行的能力，同时， 提供统一标准化的应用程序用户界面的以下特征：1)互操作性(Interoperability ) :不同的应用程序模块通过标准化的应用程序界面在系统平台上执行此特征需要提供标准化的接口、通信和交互模型。 2 )便携性：指各种应用模块在各种供应商提供的系统平台上运行。 此特征(即，需要设计成解决CNC软件的公共问题的软件)与设备无关，即，通过统一应用接口来完成设备的控制。 3 )可扩展性：系统功能的增加和减少仅表示为特定模块单元的加载和卸载。 4 )互换性(Interchangeability ) :意味着不同性能和可靠性和不同功能能力的功能模块可以互换。 开放式CNC的开放性提供标准化环境的基础平台，允许不同开发者提供的不同功能的软件、硬件模块介入，以配置满足不同需求的CNC。 开放式数控系统从新角度分析实现了数控的功能，强调系统控制需求的重构性和透明度，系统功能面向多供应商。 (2)PC (或IPC )基于开放CNC的硬件配置形式1 )基于PC的有限开放CNC通过改造现有的CNC系统的接口，使得CNC系统和PC能够互连，并且PC负责CNC人接口功能具体有PC连接型CNC图，由现有的CNC和PC用串行线直接连接而构成。 PC内置型CNC，图。 在CNC内部追加PC，用专用总线连接PC和CNC之间。 2 )基于PC的开放式CNC是在通用PC机的扩展槽中放入了专用CNC卡，也被称为CNC内置型。 专用CNC卡包含加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。 三、CNC的软件结构1、CNC中软件、硬接口和数据转换是CNC系统，软件和硬件在逻辑上等价，硬件完成的工作原则上可以用软件完成。 2、CNC系统的多任务并行处理和实时中断处理CNC的多任务表现必须用他的软件完成管理和控制两个任务。 系统管理包括输入、I/O处理、显示和诊断。 系统控制包括解码、刀具补偿、速度处理、插值和位置控制。 如图所示。 所谓并行处理，是指计算机在同一时刻或同一时间间隔完成两种以上的相同或不同的工作。 并行处理方法有资源重复、时间重复、资源时分共享等处理方法。 CNC系统的中断管理主要由硬件进行，中断类型为外部中断。 内部定时中断。 硬件故障中断。 程序性地中断。 3、普通CNC的软件结构CNC的软件结构取决于系统采用的中断结构。 在通常的CNC中，现有的结构模型有中断型结构和前背景型结构。 (1)中断型结构模型这一类型的结构特征是，除了初始化程序以外，整个系统软件的各任务模块被安排在各自不同水平的中断服务程序上，软件整体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间的相互通信安排来实现。 例如，FANUE-BESK7CMCNC系统的软件结构是典型的中断型结构。 (2)前后型结构模型这一软件的结构特征是，前台程序是中断服务程序，几乎承担着实时功能，而后台程序则完成管理功能和非实时任务(插值准备等) 后台程序是一个循环运行的程序，其运行过程中，前台的实时中断程序不断插入，与后台程序合作完成零件加工任务。 例如，美国的A-B7360CNC软件是这种结构模型。4、开放式CNC的软件结构根据开放控制系统的要求，其硬件除了必须采用基于标准总线的通用模块设计