第2章 数控系统工作原理

数控技术概论及加工编程(2),制作:尹洋机械工程与自动化学院,版权所有，不得复制,1概述,2硬件数控系统,3计算机数控系统,4CNC系统的软件插补,5CNC系统的刀具补偿和加减速控制,第二章数控系统工作原理,1概述,1.机床数控系统的技术发展,2.机床数控系统的分类,按所用数控装置的构成方式,它的输入、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路不同。改变或增减控制、运算功能时，需改变硬件电路。通用性、灵活性差，制造周期长，成本高,它的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能由系统软件来实现，不同功能的机床系统软件不同。修改或增减系统功能时，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。有较高灵活性，利于缩短制造周期，降低成本,按所用进给伺服系统,按数控系统加工功能,特点:只要求保证点与点之间的准确定位,即只控制行程的终点坐标值,而对点与点之间刀具所移动的轨迹不加控制.在移动过程中,刀具不进行切削,采用机床设定的最高进给速度进行定位运动,接近终点需要低速趋近。如:钻床、冲床,特点:除了控制点与点之间的准确定位外,还要保证刀具在被控制的两点之间的运动轨迹是一条直线，且在运动过程中，刀具按给定的进给速度进行切削。如:车床、铣床、磨床,特点:能同时对两个或两个以上坐标方向的联动进行连续控制,不仅要控制起点、终点坐标的准确性,而且对每瞬时的位移和速度进行严格的不间断的控制,具有这种控制系统的数控机床可以加工曲线和曲面.如:具有两坐标或两坐标以上联动的数控铣床、车床、磨床和加工中心。,分类界限,2硬件数控系统,机床数控系统轮廓控制的主要问题，是怎样控制刀具或工件的运动轨迹。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标、曲线类型和走向，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，这个过程称为“插补”（Interpolation）。插补结果是输出运动轨迹的中间点坐标值，常用的插补计算方法有：逐点比较法和数字积分法。,逐点比较插补法(point-by-pointrelativemethod),基本原理：每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较判断一下偏差，然后决定下一步的走向，如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就往图形里面走；如加工点在图形里面，则下一步就向图形外面走，以缩小差距。这样就能得到一个非常接近规定图形的轨迹。,图中AB是需要插补的曲线，用逐点比较法插补前先要根据AB的形状构造一个函数,F=F（x,y）x,y为刀具的坐标,函数F的正负必须反映出刀具与曲线的相对位置关系，设这种关系为,由于F(x,y)反映了刀具偏离曲线的情况，称之为偏差函数,逐点比较法的程序流程如图。一个插补循环由偏差判别、进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍组成。各节拍功能：,偏差判别,进给,偏差计算,终点判别,判别偏差函数的正负，以确定刀具相对于所加工曲线的位置,根据上一节拍的判断结果确定刀具的进给方向。若偏差函数F(x,y)小于零，说明刀具在曲线下方（P0点）。请回答，为了让刀具向曲线靠近并朝曲线的终点运动，刀具应沿X轴或Y轴走一步？若偏差函数大于零呢？等于零？,计算出刀具进给后在新位置上的偏差值，为下一插补循环做好准备,判断刀具是否到达曲线的终点。若到达终点，则插补工作结束；若未到达，则返回到节拍1继续插补,直线插补（linearinterpolation）,即,设某时刻刀具运动到P（Xi,Yi）偏差函数为Fi，则F的数值称为该点的“偏差值”,偏差函数,进给方向与偏差判别,若点P在直线上或上方（F0）应向+X方向发一脉冲，使机床刀具向+X方向前进一步，以接近该直线；,当点P在直线下方时(F0)，刀具向+Y方向前进一步。,直线插补计算过程,当偏差值F0时，刀具从现加工点向Y正向前进一步，到达新加工点则新加工点的偏差值为,新加工点的偏差可用前一点的偏差递推出来：当偏差值F0时，刀具从现加工点向X正向前进一步，到达新加工点则新加工点的偏差值为,终点判别,对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿X轴走一步，或沿Y轴走一步，因此插补数与刀具沿X、Y轴已走的总步数相等。这样可根据插补循环数i与刀具沿X、Y轴应进给的总步数N是否相等判断终点，即直线加工结束的条件为i=N,插补程序及举例,左图是逐点比较法直线插补流程图。n是插补循环数，Fi是第i个插补循环时偏差函数值。,例：逐点法加工直线OA，并画出插补轨迹,解：插补运算过程见表,插补轨迹,圆弧插补（circularinterpolation）,逐点比较法圆弧插补的偏差判别式定义为：,应向Y轴发出一正向脉冲（+Y），向圆弧外走一步。,和直线插补一样，除偏差计算外，还要进行终点判别，方法与前同。,例：加工图示逆圆弧AB，起点A(6,0)，B(0,6),试对其进行插补，并画出插补轨迹。,A,B,X,Y,O,圆弧插补轨迹图,(6,0),(0,6),数字积分(DDA)直线插补,原理,x=xe/10=0.7y=ye/10=0.4,上述例子实际上是累加运算过程（积分）,DigitalDifferentialAnalyzer(数字微分分析器),从直线起点到终点的过程，可以看作是各坐标轴每经过一个单位时间间隔t，分别以增量kxe,kye同时累加的过程。据此，可以作出直线插补器。,设要加工一条直线OE，Vx，Vy表示刀具在x，y方向的移动速度,刀具在x，y方向上移动距离的微小增量为：,假定进给速度V是均匀的(V为常数)，对于直线函数，Vx、Vy亦为常数，即,代入上式得,直线插补器由两个数字积分器组成，每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器所组成。终点坐标值存放在被积函数寄存器中。,终点判别,经计算，刀具从原点到达终点的累加次数m=2n,因此，可以设置一个位数为n的终点计数器Re来记录累加次数。插补前将其清零，插补运算开始后，每进行一次加法运算，Re就加1，当记满2n数时，停止运算，插补完成。,工作过程为：每发一个插补脉冲（即来一个t），使kxe，kye向各自的累加器里累加一次，累加的结果有无溢出脉冲x(或y)，取决于累加器的容量2n和kxe，kye的大小。,举例,例：要插补所示直线轨迹OA，起点坐标为O(0,0)，终点坐标为A(5,3),若被积函数寄存器Rx、Ry和余数寄存器Rax、Ray以及终点计数器Re均为三位二进制寄存器。请写出插补过程、画出DDA直线插补轨迹。,课堂练习！,注：插补前Rax、Ray、Re为零，Rx、Ry分别存放xe=5，ye=3，且始终保持不变,DDA直线插补过程,DDA直线插补过程,DDA直线插补过程,DDA直线插补过程,DDA直线插补过程,3计算机数控系统,1、基本概念,按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员会的定义，CNC（ComputerizedNumericalControl）系统是：,用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全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。,CNC系统根据输入的程序或指令，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需零件。,CNC系统中的计算机主要用来进行数值和逻辑运算，对机床进行实时控制，只要改变计算机中的控制软件就能实现一种新的控制方式。,2.数控系统的特点,CNC系统灵活可变，易于变化和扩展,CNC系统通用性强,CNC系统可靠性强,CNC系统易于实现多功能、高复杂程序的控制,CNC系统使用、维护方便,3.数控系统的硬件结构,输入/输出设备（I/O）,中央处理单元（CPU）,总线（BUS）,存储器（ROM、RAM）,I/O接口,输入/输出设备（I/O）,通常配置的I/O设备主要有：纸带阅读机、键盘、操作控制面板、显示器、纸带穿孔机、外部存储设备,中央处理单元（CPU）,是CNC系统的核心与“头脑”，主要具备的功能：,可进行算术、逻辑运算,可保存少量数据,能对指令进行译码并执行规定动作,能和存储器、外设交换数据,提供整个系统所需的定时和控制,可响应其他部件发来的脉冲请求,算术、逻辑部件,CPU内部结构所包含的部分：,累加器和通用寄存器组,程序计数器、指令寄存器、译码器,时序和控制部件,总线（BUS）,在CNC系统中内部各部件之间传输信息的通路,CPU芯片内部采用三总线结构：数据总线DB（DataBus）地址总线AB（AddressBus）控制总线CB（ControlBus）,存储器（ROM、RAM）,存放CNC系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。一般分为内、外存储器,存储器,4.数控系统的工作过程,译码,速度计算,插补,输入,运动轨迹计算,I/O处理,5.数控系统的主要功能,系统基本配置的功能,用户可根据实际要求选择的功能,满足用于操作和机床控制要求的方法和手段,6.数控系统的软件,CNC软件结构类型,前后台型结构,中断型结构：,中断服务程序、实现插补、位控等实时功能,输入译码、数据处理等功能,整个软件是个大中断系统，各种功能子程序均被安排在级别不同的中断服务程序中,CNC典型的软件结构,软件总体结构,结构方式为中断型结构,主CPU为8086。,中断优先级结构,各级中断功能,各级程序框图例（仅举两级）,数字增量的DDA插补算法,直线插补算法:粗插补+精插补,粗插补的任务：根据程编给出的进给速度(合成速度),计算出8ms中各坐标的位移x，y，z,圆弧插补,基本思想：满足精度要求前提下,用弦进给代替弧进给,每8ms的合成进给量,1.B(Basic)刀具半径补偿,概念,左刀补、右刀补,执行过程分三步,建立,进行,撤消,2.刀补计算,CNC系统的刀补是按零件轮廓尺寸和刀具运动的方向指令及采用的刀具半径值，由计算机自动完成。,刀具半径补偿计算，对于直线轮廓控制是计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值，对于圆弧轮廓而言，是算出刀补后圆弧的起点和终点坐标值及刀具补偿后的圆弧半径值。,直线段刀具补偿计算,求A坐标:,圆弧段刀具补偿计算,求B坐标:,3.C功能刀具半径补偿,C(Complete)功能刀具补偿概念,C刀具补偿的设计思想,4.程序段间转接情况分析,转接方式：,据前后两段轨迹的连接方式分为,据前后两段轨迹的矢量夹角和刀补方向分为,转接类型：,直线与直线转接,类型的判断主要依据大小,表3-10,注：1和0分别代表“是”和“否”,刀具半径矢量的计算,5.转接矢量的计算,转接交点矢量的计算,上式是以计算AB为例,若计算AD,则代入AF与X轴的夹角。,伸长型交点矢量的计算,主要是注意矢量方向及它与X轴逆时针方向夹角,先计算：,即下面主要是计算：,求得,最终求得,同理求得,求得后，对应于编程轨迹、，刀具中心轨迹为,注：矢量只要大小（长度）与方向相等，即为两矢量相等,插入型交点矢量、的计算,已知：、，AB=BC=AD=CD=求、,解：,插入（1）型G41