数控系统之CNC装置与CNC系统

第2章

数控系统数控系统之CNC装置与CNC系统第1页2.1

CNC装置CNC（ComputerNumericalControl缩写）即计算机数控。CNC是在早期硬件数控系统基础上发展起来。早期硬件数控（NC）系统输入、运算、插补、控制功效是由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成逻辑控制电路，不一样机床控制系统都需要专门设计逻辑电路，这种靠硬件逻辑电路控制系统，其通用性、灵活性、功效性方面都较差。数控系统之CNC装置与CNC系统第2页2.1.1CNC装置结构1.CNC系统及CNC装置1）CNC装置2）输入输出装置3）主轴驱动和进给伺服系统数控系统之CNC装置与CNC系统第3页2.1.1CNC装置结构数控系统之CNC装置与CNC系统第4页1）控制功效2）准备功效3）插补功效和固定循环功效4）进给功效、进给速度控制功效5）主轴功效6）辅助功效7）刀具管理功效8）赔偿功效9）人机对话功效10）自诊疗功效11）通讯功效2.CNC装置功效2.1.1CNC装置结构数控系统之CNC装置与CNC系统第5页2.1.2CNC装置工作过程机床数控系统是一个位置控制系统。数控机床任务是依照操作者意愿完成所要加工零件。操作者依据被加工零件尺寸要求、外形要求、表面指令要求编制零件加工程序。

数控系统之CNC装置与CNC系统第6页CNC在工作过程中完成以下任务1.加工程序输入2.数据译码和计算3.刀具赔偿计算4.插补计算5.位置控制处理数控系统之CNC装置与CNC系统第7页2.1.3CNC装置特点1.灵活性2.通用性3.可靠性4.易于实现许多复杂功效5.使用维修方便数控系统之CNC装置与CNC系统第8页2.2

CNC系统硬件2.2.1CNC系统硬件结构与分类1．CNC系统结构伴随大规模集成电路技术和表面安装技术发展，CNC系统硬件模块及安装方式不停改进。从CNC系统总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。2．CNC系统分类从CNC系统使用微机及结构来分，CNC系统硬件结构普通分为单一微处理器和多微处理器结构两大类。数控系统之CNC装置与CNC系统第9页2.2

CNC系统硬件2.2.2CNC系统中微处理器1．单微处理器系统组成和特点单微处理器系统CNC装置特点是整个CNC装置中只有一个CPU，经过该CPU来集中管理和控制整个系统资源（包含存放器、总线），并经过分时处理方法，实现各种数控功效。有些CNC装置中，即使有两个或两个以上CPU，但只有一个CPU对系统资源拥有控制权和使用权，该CPU称为主CPU，其它CPU（称为从CPU）无权控制和使用系统资源，只能接收主CPU控制命令和数据，或向主CPU发请求信号以获取所需要数据，从而完成某一辅助功效，该结构称为主从结构，也可归为单机结构。数控系统之CNC装置与CNC系统第10页3．存放器

图2-6半导体存放器分类数控系统之CNC装置与CNC系统第11页4．I/O接口（输入/输出接口）数控系统之CNC装置与CNC系统第12页二、多微处理器系统组成多微处理器系统CNC装置中有两个或两个以上带CPU功效部件可对系统资源（存放器、总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结构和分布式结构。多主结构是指带CPU功效部件之间采取紧耦合方式联结，有集中操作系统用总线仲裁器处理总线争用经过公共存放器交换系统信息。数控系统之CNC装置与CNC系统第13页1．多微处理器系统特点（1）计算处理速度高（2）可靠性高（3）有良好适应性和扩展性（4）硬件易于组织规模生产数控系统之CNC装置与CNC系统第14页2.多微处理器系统基本功效模块（1)CNC管理模块（2）存放器模块（3）CNC插补模块（4）位置控制模块（5）操作和控制数据输入输出和显示模块（6）PLC模块数控系统之CNC装置与CNC系统第15页3．多微处理机CNC装置经典结构（1）共享总线结构（2）共享存放器结构数控系统之CNC装置与CNC系统第16页2.3.1CNC系统软件结构与分类一、CNC系统软硬件组合类型数控系统之CNC装置与CNC系统第17页1．不用软件插补器，插补完全由硬件完成CNC系统；2．由软件插补器完成粗插补，由硬件插补器完成精插补CNC系统；3．带有完全用软件实施插补器CNC系统。数控系统之CNC装置与CNC系统第18页二、CNC装置软件结构特点1．多任务并行处理(1)CNC系统多任务性(2)并行处理2．实时中止处理（1）实时性（2）CNC装置中止类型（3）CNC装置中止结构模式数控系统之CNC装置与CNC系统第19页2.3.2CNC系统软件功效特点CNC系统软件功效1、输入2、译码3、预计算4、插补计算5、输出6、管理与诊疗软件数控系统之CNC装置与CNC系统第20页2.4数控插补原理2.4.1数控插补原理1．插补概念在数控加工中，普通已知运动轨迹起点坐标、终点坐标和曲线方程，怎样使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统依据这些信息实时地计算出各个中间点坐标，通常把这个过程称为“插补”。数控系统之CNC装置与CNC系统第21页2.插补分类1）基准脉冲插补2）数据采样插补（1）采取软/硬件结合两级插补方案。（2）采取多CPU分布式处理方案。（3）采取单台高性能微型计算机方案。数控系统之CNC装置与CNC系统第22页2.4.2数控插补方法（逐点.积分.采样）一、逐点比较插补法所谓逐点比较插补法，就是机床每走到一个坐标位置，都要和给定轨迹上坐标值比较一次，看实际加工点在给定轨迹什么位置，判断其偏差，然后决定下一步走向，假如加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；假如加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。逐点比较法是以阶梯折线来迫近直线和圆弧。最大偏差不超出一个脉冲当量，所以，只要把脉冲当量控制足够小，就能到达加工精度要求。数控系统之CNC装置与CNC系统第23页（一）逐点比较法直线插补1．偏差计算公式偏差计算是逐点比较法关键一步。下面以第Ⅰ象限直线为例导出其偏差计算公式。数控系统之CNC装置与CNC系统第24页图2-33直线插补过程数控系统之CNC装置与CNC系统第25页如图2-33所表示动点与直线位置关系。第一象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为XeY－YeX＝0(2-1)直线OE为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。（1）若P1点在直线上方，则有：XeY－XYe>0（2）若P点在直线上，则有：XeY－XYe＝0（3）若P2点在直线下方，则有：XeY－XYe<0所以，能够结构偏差函数为：F＝XeY－YeX

数控系统之CNC装置与CNC系统第26页对于第一象限直线，其偏差符号与进给方向关系为：当F＝0时，表示动点在OE上，如点P，可向＋X向进给，也可向＋Y向进给。当F>0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向＋X向进给。当F<0时，表示动点在OE下方，如点P2，应向＋Y向进给。数控系统之CNC装置与CNC系统第27页这里要求动点在直线上时，可归入F>0情况一同考虑。插补工作从起点开始，走一步，算一步,判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走步数分别等于Xe和Ye时，停顿插补。下面将F运算采取递推算法给予简化，动点Pi(Xi，Yi)Fi值为：若Fi≥0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线上方或在直线上，应沿＋X向走一步，假设坐标值单位为脉冲当量，走步后新坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi,新点偏差为：数控系统之CNC装置与CNC系统第28页即：(2-3)数控系统之CNC装置与CNC系统第29页若Fi<0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE下方，应向＋Y方向进给一步，新点坐标值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi,Yi+1＝Yi＋1，新点偏差为：即：

(2-4)数控系统之CNC装置与CNC系统第30页2．终点判断

在插补计算、进给同时还要进行终点判别。惯用终点判别方法有两种，一个是设置一个长度计数器，从直线起点走到终点，刀具沿X轴应走步数为Xe，沿Y轴走步数为Ye，计数器中存入X和Y两坐标进给步数总和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即∑＝0时，停顿插补，抵达终点。另一个是假如在两个轴上插补数不一样多，则将插补步数较大周设为计数轴，步数值设为计数长度，当在技术轴上每进给一步计数长度减一，当∑＝0时，停顿插补，抵达终点。数控系统之CNC装置与CNC系统第31页3．插补计算过程1）偏差判别依据偏差值确定刀具位置是在直线上方（或线上），还是在直线下方。（2）坐标进给依据判别结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。（3）偏差计算计算出刀具移动后新偏差，提供给下一步作判别依据。依据式（2-3）及式（2-4）来计算新加工点偏差，使运算大大简化。不过每一新加工点偏差是由前一点偏差推算出来，而且一直递推下去，这么就要知道开始加工时那一点偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点，这一点当然没有偏差，所以开始加工点F＝0。（4）终点判别在计算偏差同时，还要进行一次终点比较，以确定是否抵达了终点。若已经抵达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段信号。数控系统之CNC装置与CNC系统第32页逐点比较法直线插补流程数控系统之CNC装置与CNC系统第33页例2-1加工第一象限直线OE，如图2-35所表示，起点为坐标原点O(0,0)，终点坐标为E（5,3）。图2-35直线插补轨迹过程实例数控系统之CNC装置与CNC系统第34页初始点O(0,0)，终点（5,3），应用递推公式（2-3）、（2-4）进行偏差计算。终点判断：∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣=5+3=8，插补需要七个循环。数控系统之CNC装置与CNC系统第35页直线插补运算过程插补循环偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0,XA=5,YA=3∑=0,N=81F0=0+ＸF1=F0－YA=0－3=－３∑=0+1=1<N2F1=－3<0+ＹF2=F1+XA=-3+5=2∑=1+1=2<N3F2=2>0+XF3=F2－YA=2－3=－1∑=2+1=3<N4F3=－1<0+YF4=F3+XA=－1+5=4∑=3+1=4<N5F4=4>0+XF5=F4－YA=4－3=1∑=4+1=5<N6F5=1>0+XF6=F5－YA=1－3=－2∑=5+1=6<N7F6=－2<0+YF7=F6+XA=－2+5=3∑=6+1=7<N8F7=3>0+XF8=F7－YA=3－3=0∑=7+1=8=N数控系统之CNC装置与CNC系统第36页4．四象限插补四象限直线偏差符号和进给方向数控系统之CNC装置与CNC系统第37页5．四象限直线插补计算公式及进给方向Fm≥0Fm≤0直线线型进给方向偏差计算直线线型进给方向偏差计算L1,L4+XFm+1=Fm-yeL1,L2+YFm+1=Fm-xeL2,L3-XL3,L4-Y数控系统之CNC装置与CNC系统第38页（二）圆弧插补原理1.圆弧插补偏差计算公式

在圆弧加工过程中，可用动点到圆心距离来描述刀具位置与被加工圆弧之间关系。如图2-39所表示为圆弧插补过程，设圆弧圆心在坐标原点，已知圆弧起点A（Xa，Ya），终点B（Xb，Yb），圆弧半径为R。数控系统之CNC装置与CNC系统第39页数控系统之CNC装置与CNC系统第40页加工点可能在三种情况出现，即圆弧上、圆弧外、圆弧内。当动点P（Xi，Yi）位于圆弧上时有：

X2＋Y2－R2=0P点在圆弧外侧时，则OP大于圆弧半径R，即X2＋Y2－R2>0P点在圆弧内侧时，则OP小于圆弧半径R，即X2＋Y2－R2<0数控系统之CNC装置与CNC系统第41页用F表示P点偏差值，定义圆弧偏差函数判别式为

（2-5）当动点落在圆弧上时，普通约定将其和F>0一并考虑。图2-40a中AB为第一象限顺圆弧SR1，若F≥0时，动点在圆弧上或圆弧外，向－Y向进给，计算出新点偏差；若F<0，表明动点在圆内，向＋X向进给，计算出新一点偏差，如此走一步，算一步，直至终点。数控系统之CNC装置与CNC系统第42页a)顺圆弧b)逆圆弧

图2-40第一象限顺、逆圆弧数控系统之CNC装置与CNC系统第43页2．终点判断圆弧插补终点判别：将X、Y轴走步数总和存入一个计数器，∑＝∣Xb－Xa∣＋∣Yb－Ya∣，每走一步∑减一，当∑＝0发出停顿信号。数控系统之CNC装置与CNC系统第44页3．插补计算过程数控系统之CNC装置与CNC系统第45页例3-2现欲加工第一象限顺圆弧AB，如图2-42所表示，试用逐点比较法进行插补。图2-42圆弧插补实例数控系统之CNC装置与CNC系统第46页数控系统之CNC装置与CNC系统第47页4.四个象限中圆弧插补数控系统之CNC装置与CNC系统第48页二、数值积分法数字积分法又称数字微分分析法DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)，是在数字积分器基础上建立起来一个插补算法。数字积分法优点是，易于实现多坐标联动，较轻易地实现二次曲线、高次曲线插补，并含有运算速度快，应用广泛等特点。数控系统之CNC装置与CNC系统第49页如图2-45所表示，设有一函数Y＝f(t)，求此函数在t0~tn区间积分，就是求出此函数曲线与横坐标t在区间（t0，tn）所围成面积。假如将横坐标区间段划分为间隔为t很多小区间，当t取足够小时，此面积可近似地视为曲线下许多小矩形面积之和。数控系统之CNC装置与CNC系统第50页图2-45函数Y=f(t)积分数控系统之CNC装置与CNC系统第51页数控系统之CNC装置与CNC系统第52页三、数据采样插补法（一）数据采样法原理数据采样插补又称为时间分割法，与基准脉冲插补法不一样，数据采样插补法得出不是进给脉冲，而是用二进制表示进给量。这种方法是依据程编进给速度F，将给定轮廓曲线按插补周期T（某一单位时间间隔）分割为插补进给段（轮廓步长），即用一系列首尾相连微小线段来迫近给定曲线。每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出下一个插补点，即算出插补周期内各坐标轴进给量，如等，得出下一个插补点指令位置。数控系统之CNC装置与CNC系统第53页(二)直线函数法数控系统之CNC装置与