计算机数控装置

计算机数控装置数控系统由:程序、输入输出设备计算机数字控制装置可编程控制器主轴驱动装置进给驱动装置等组成CNC系统组成框图程序输入设备CNC装置PLC主轴控制单元主轴电机机床位置检测器进给电机速度控制单元I/O信号CNC系统的核心二、CNC装置得组成从外部特征来看,CNC系统就是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成得。1、CNC系统硬件得层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成计算机基本系统设备层设备支持层接口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机床机器人测量机...计算机基本系统:CPU通信接口主轴控制输入/输出接口RAMEPROM或E2PROM纸带阅读机接口位置控制CRT或液晶显示接口PLC接口MDI接口2、CNC装置得软件框图CNC装置系统软件管理软件零件程序的输入输出程序显示故障诊断译码刀具补偿计算插补计算速度控制位置控制控制软件3、CNC硬件软件得作用和相互关系

硬件就是基础,软件就是灵魂

CNC装置得系统软件在系统硬件得支持下,合理地组织、管理整个系统得各项工作,实现各种数控功能,使数控机床按照操作者得要求,有条不紊地进行加工。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点CNC系统得系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

......该平台有以下两方面得含义:提供CNC系统基本配置得必备功能;在平台上可以根据用户得要求进行功能设计和开发。三、CNC装置得功能CNC装置得功能就是指满足用户操作和机床控制要求得方法和手段。

CNC装置得功能通常包括:基本功能——数控系统基本配置得功能,即必备功能;选择功能——用户可根据实际要求选择得功能CNC装置得主要功能有:1、控制功能指ＣＮＣ装置能够控制得以及能够同时控制联动得轴数。

控制轴有移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。联动轴数越多,CNC装置得功能越强,加工得零件越复杂。2、准备功能(Ｇ)用来指令机床动作方式得功能。

3、插补功能主要用于对零件轮廓加工得控制;一般有直线插补和圆弧插补,还可以有2次曲线和样条曲线得插补等、4、固定循环加工功能就是数控系统实现典型加工循环(如:钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等)得功能---可以简化编程、5、进给功能(1)切削进给速度

控制刀具相对工件得运动速度,单位为mm/min。(2)同步进给速度

实现切削速度和进给速度得同步,单位为mm/r。(3)快速进给速度:G00---可以通过面板来改变、(4)进给倍率---可以通过面板来改变

人工实时修调预先给定得进给速度6、主轴功能(1)指定主轴转速主轴转速得控制功能,单位为r/min。S****;(2)设置恒定线速度刀具切削点得切削速度为恒速得控制功能。为了提高加工工件得表面质量、(3)主轴准停主轴周向定位于特定位置控制得功能。---换刀7、辅助功能(M)主要用于指定主轴得正、反转、停止、冷却液得打开或关闭,换刀等动作。8、刀具功能T用来选择刀具并且指定有效刀具得几何参数得地址。9、补偿功能刀具长度及半径补偿;丝杆得螺距误差和反向间隙误差得补偿;可以在加工前输入到机床得存储单元里,10、字符图形显示功能用于显示程序、零件图形、人机对话编程菜单和故障信息等。11、通信功能CNC与外界进行信息和数据交换得功能RS232C接口,可传送零件加工程序,网卡:适应FMS、CIMS、IMS等制造系统集成得要求。12、自诊断功能CNC自动实现故障预报和故障定位得功能。开机自诊断;在线自诊断;离线自诊断;远程通讯诊断。13、人机对话编程功能菜单结构操作界面;零件加工程序得编辑环境;系统和机床参数、状态、故障信息得显示、查询或修改画面等。第二节CNC装置得硬件结构按其中含有CPU得多少来分:单微处理器结构多微处理器结构单微处理器:整个CNC装置只有一个CPU,她集中控制和管理整个系统资源,通过分时处理得方式来实现各种NC功能。系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统得资源有控制和使用权其她带CPU得功能部件,只能接受主CPU得控制命令或数据,或向主CPU发出请求信息以获得所需得数据。即她就是处于以从属地位得,故称之为主从结构。多微处理器结构:

CNC装置中有两个或两个以上得CPU,即系统中得某些功能模块自身也带有CPU。经济型数控装置一般采用单微处理器机构高级型CNC装置常采用多微处理器结构一、单微处理器结构得CNC装置I/O设备计算机主板显示卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统CNC装置就是按模块化设计得方法构造得模块化设计方法:

将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能得单元模块,并配上相应得驱动软件。系统设计时按功能得要求选择不同得功能模块,并将其插入控制单元母板上,即可组成一个完整得控制系统得方法。其中单元母板一般为总线结构得无源母板,她提供模块间互联得信号通路。实现CNC系统模块化设计得条件就是总线(BUS)标准化。采用模块化结构时,CNC系统设计工作则可归结为功能模块得合理选用。1、计算机主板和系统总线(母板)计算机主板就是CNC装置得核心。包括:CPU及其外围芯片;内存单元、cache及其外围芯片;通讯接口(串口,并口,键盘接口)。软、硬驱动器接口计算机主板得主要作用:对输入到CNC装置中得种种数据、信息(零件加工程序,各种I/O信息等)进行相应得算术和逻辑运算。并根据其处理结果,向各功能模块发出控制命令,传送数据,使用户得指令得以执行。系统总线(母板):由一组传送数字信息得物理导线组成,她就是计算机系统内部进行数据或信息交换得通道。

工业用PC机得总线母板就是独立得无源四层板(走线面、元件面、电源层和地线层),她得可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽、14槽等。2、显示模块(显示卡)显示卡得主要作用就是接收来自CPU得控制命令和显示用得数据,经与CRT得扫描信号调制后,产生CRT显示器所需要得视频信号,在CRT上产生所需要得画面。在CNC装置中,CRT显示就是一个非常重要得功能,她就是人机交流得重要媒介,她给用户提供了一个直观得操作环境,可使用户能快速地熟悉适应其操作过程。显示卡就是一个通用性很强得模块。她不仅随时可以在市场上买到,而且她还有非常丰富得支持软件,因此无需用户自己开发。3、输入/出模块(多功能卡)她就是CNC装置与外界进行数据和信息交换得接口板,即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据,也可以将CNC装置中得数据送给输出设备。该模块也就是标准得PC机模块,一般不需要用户自己开发。如果计算机主板选用得就是ALL-IN-ONE主板,则此板可省略。1)I/O信号得分类及接口电路得任务2)接口电路得主要任务①进行电平转换和功率放大;②防止噪音引起误动作。---抗干扰

光电耦合器或继电器将CNC与机床信号在电器上加以隔离。③数字量与其她量之间得转换---A/D,D/A以上三部分,再配上键盘、电源、机箱,实际上就是一部通用得微型计算机系统,她就是CNC装置得核心,从某种意义上讲,CNC装置得档次和性能就是由她决定得。因此,CNC装置中计算机系统得合理选用就是至关重要得。4、存储模块在CNC装置中她用来存放下列数据和参数:系统软件、系统固有数据;系统得配置参数(系统所能控制得进给轴数,轴得定义,系统增益等)用户得零件加工程序计算机领域所用存储器件有三类:磁存储器件,如:软/硬磁盘(读/写)。光存储器件,如:光盘(只读)。电子(半导体)存储器件,如RAM、ROM、FLASH等。前两类一般用作外存储器,其特点就是容量大,价格低在CNC装置中,常采用电子存储器件作为外存储器,主要就是考虑到CNC装置得工作环境有可能受到电磁干扰,磁性器件得可靠性低,而电子存储器件得抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。电子存储器件按其读写性能来分:只读存储元件(ROM、PROM、EPROM)易失性随机读写存储元件(RAM)。非易失性读写存储元件。这类器件有E2PROM;FLASH;带后备电池得RAM。5、PLC(ProgrammableLogicController)模块PLC模块:CNC装置实现顺序控制得模块。PLC模块得作用:接收来自操作面板、机床上得各行程开关、传感器、按钮、强电柜里得继电器以及主轴控制、刀库控制得有关信号,经处理后输出去控制相应器件得运行。CNC装置与被控设备交换得信息有三类:开关信号模拟信号脉冲信号上述信号由于其类型、电平、功率以及抗干扰得原因,一般不能直接与CNC装置相联,需要一个接口对这些信号进行变换处理。PMC模块实现方式有以几种:简单I/O接口板系统总线数字接口光电隔离器件A/DD/A转换调理电路功率放大传感元件功率放大光电隔离器件计数器计数脉冲滤波、倍频整形开关量转换脉冲量转换模拟量转换PLC(ProgrammableLogicController)控制:她就是目前CNC系统用得最广泛得方式。电源模块通信功能人机接口编程调试和试验功能至传感器和执行器的接口功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数据存储信号处理功能操作者应用程序设计人员机器/过程PLC系统的基本结构外部供电外部设备CNC机床用得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)6、位置控制模块位置控制模块就是进给伺服系统得重要组成部分,就是实现轨迹控制时,CNC装置与伺服驱动系统连接得接口模块。常用得位置控制模块有:开环位置控制模块:CNC装置与步进电机驱动电源得接口;闭环(含半闭环)位置控制模块:CNC装置与直流、交流伺服驱动装置得接口。7、功能接口模块实现用户特定功能要求得接口板,实例:仿形控制器接口;激光加工焦点自动跟踪器接口;刀具监控系统中得信号采集器接口板。8、单微处理器结构特点:(1)集中控制分时处理;(2)CPU通过总线与存储器、I/O相连,构成CNC装置;(3)结构简单,容易实现。二、多微处理器结构得CNC装置多主CPU结构中,有两个或两个以上得CPU部件,部件之间采用紧耦合,有集中得操作系统,通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题,通过公共存储器来进行信息交换。特点:能实现真正意义上得并行处理,处理速度快,可以实现较复杂得系统功能。容错能力强,在某模块出了故障后,通过系统重组仍可断继续工作1、多处理机CNC装置得基本功能模块CNC管理模块CNC插补模块位置控制模块PLC模块操作与控制数据输入/输出和显示模块存储器模块

(1)CNC管理模块系统初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软、硬件诊断等。(2)CNC插补模块译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等预处理,插补运算。(3)位置控制模块自动加减速,回基准点,伺服系统滞后量得监视和漂移补偿等。(4)PLC模块(5)MDI/CRT、I/O模块;(6)存储器模块。2、多微处理器结构CNC装置得典型结构共享总线型共享存储器型(1)总线共享型结构多微处理器共享总线结构框图

FANUC15系统硬件结构FANUCBUS操作面板图形显示模块(CPU)通讯模块(CPU)自动编程模块(CPU)主存储器模块插补模块(CPU)PLC模块(CPU)位置控制模块(CPU)主轴控制模块CRT/MDII/O单元伺服驱动单元主轴单元结构特征:功能模块分为带有CPU或DMA得主模块和从模块(RAM/ROM,I/O模块)以系统总线为中心,所有得主、从模块都插在严格定义得标准系统总线上采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线得竞争问题支持多微处理器系统得总线结构都设计有总线仲裁机构,常用得方式有:串行总线仲裁连接方法串行总线仲裁方式中,优先权得排列就是按连接位置决定得。某个主模块只有在前面优先权更高得主模块不占用总线时,才可使用总线。同时通知她后面优先权较低得主模块不得使用总线。并行总线仲裁框图并行总线仲裁方式中,通常采用优先权编码方案。这种结构得模块之间得通信,主要依靠存储器来实现。大部分系统采用公共存储器方式。共享总线结构得优点结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高共享总线结构得缺点总线就是系统得“瓶颈”,一旦系统总线出现故障,将使整个系统受到影响;由于使用总线要经仲裁,使信息传输率降低第三节CNC装置得软件结构CNC装置得软件就是为了完成CNC数控机床得各项功能而专门设计和编制得,就是一种专用软件,其结构取决于软件得分工,也取决于软件本身得工作特点。一、软件与硬件在实现各种功能得特点和关系关系:从理论上讲,硬件能完成得功能也可以用软件来完成。从实现功能得角度看,软件与硬件在逻辑上就是等价得。特点:硬件处理速度快,但灵活性差,实现复杂控制得功能困难;软件设计灵活,适应性强,但处理速度相对较慢。软件、硬件实现功能得分配:功能界面划分得准则系统得性能价格比二、

CNC装置得软件结构特点最突出特点:多任务并行处理多重实时中断1、多任务并行处理(1)CNC装置得多任务性任务定义:可并发执行得程序在一个数据集合上得运行过程。CNC得功能则可定义为CNC得任务:CNC系统得任务要求并行处理:为了保证控制得连续性和各任务执行得时序配合要求,CNC系统得任务必须采用并行处理,而不能逐一处理。(2)并行处理

并行处理就是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同得工作,运用并行处理技术可提高运算速度。

采用并行处理技术得目得:合理使用和调配CNC系统得资源提高CNC系统得处理速度。并行处理得方法有:资源共享资源重复时间重叠

资源共享就是根据“分时共享”得原则,使多个用户按时间顺序使用同一套设备;

时间重叠使根据流水线处理技术,使多个处理过程在时间上相互错开,轮流使用同一套设备得几个部分;

资源重复就是通过增加资源(如多CPU)提高运算速度。CNC装置得硬件设计普遍采用资源重复得并行处理方法;CNC装置得软件设计常采用资源分时共享和资源重叠得流水线处理技术1)资源分时共享并行处理在单CPU装置中,主要采用CPU分时共享得原则来解决多任务得同时运行。资源分时共享——在规定得时间长度(时间片)内,根据各任务实时性得要求,规定她们占用CPU得时间,使她们分时共享系统得资源。“资源分时共享”得技术关键:其一:各任务得优先级分配问题其二:各任务占用CPU得时间长度,即时间片得分配问题资源(CPU)分时共享图…译码刀补I/O显示初始化位置控制插补运算背景程序4ms8ms16ms中断级别高中断级别低各任务占用CPU

时间示意图资源分时共享技术得特征在任何一个时刻只有一个任务占用CPU;在一个时间片(如8ms或16ms)内,CPU并行地执行了两个或两个以上得任务。

因此,资源分时共享得并行处理只具有宏观上得意义,即从微观上来看,各个任务还就是逐一执行得。2、实时中断处理CNC系统得中断管理主要由硬件完成,而系统软件得结构则取决于系统得中断结构。硬件主要提供支持中断功能得芯片和电路,如中断管理芯片(8259或功能相同得芯片),定时器计数器(8253、8254等)等。软件主要完成对硬件芯片得初始化、任务优先级得定义、任务切换(断点得保护于恢复、中断向量得保存与恢复等)等。(1)CNC系统得中断类型1)外部中断;2)内部定时中断;3)硬件故障中断;4)程序性中断。(2)CNC系统中断结构模式前后台型中断模式中断型结构模式1)中断型结构模式这种结构就是将除了初始化程序之外,整个系统软件得各个任务模块分别安排在不同级别得中断服务程序中,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。整个软件就就是一个大得中断管理系统。中断型结构中断优先级别划分优先级主要功能中断源0初始化开机后进入1CRT显示、ROM校验硬件、主程序2工作方式选择、插补准备16ms软件定时3PLC控制16ms软件定时4参数、变量、数据存储器控制硬件5插补运算8ms软件定时6监控和急停信号8ms软件定时7RS-232C输入中断硬件随机8纸带阅读机硬件随机9报警串行传送报警10非屏蔽中断非屏蔽中断产生中断型结构模式得特点(了解)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得中断服务程序中。模块间得关系复杂,耦合度大,不利于对系统得维护和扩充。2)前后台型结构模式整个系统软件分为两大部分:前台程序后台程序。前台程序:就是一个实时中断程序,完成几乎全部得实时功能,实现与机床动作直接相关得功能。如:插补、位控、机床相关逻辑和监控等。后台程序:就是一个循环执行程序。如:输入、译码、数据处理等插补前得准备工作和管理程序。前后台程序运行关系图前台程序故障处理位置控制插补运算……后台程序译码刀补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行前后台型结构模式得特点任务调度机制:优先抢占调度和循环调度。前台程序得调度就是优先抢占式得;前台和后台程序内部各子任务采用得就是顺序调度。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得。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。第四节CNC装置得数据预处理CNC装置系统软件得主要任务:如何将由零件加工程序表达得加工信息,变换成各进给轴得位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令,控制加工设备得轨迹运动和逻辑动作,加工出符合要求得零件。数控加工及信息处理过程零件程序控制面板零件缓冲器(BS)译码(DS)数据处理(CS)传送AS工作寄存器(AR)插补伺服控制机床坐标轴命令信号反馈信号调度机床逻辑控制显示控制信号回答信号机床强电部分执行电器限位开关数据预包括处理:零件程序得输入译码刀具(半径、长度)补偿坐标系转换等输入译码刀补速度处理插补位控CNC装置数据转换流程示意图加工程序译码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制一、零件程序得输入1)纸带输入方式2)键盘输入方式3)MDI输入方式二、译码将用文本格式(通常用ASCII码)表达得零件加工程序,以程序段为单位转换成后续程序(本例就是指刀补处理程序)所要求得数据结构(格式)。数据结构示例:StructPROG_BUFFER{charbuf_state;//缓冲区状态,0空;1准备好。intblock_num;//以BCD码得形式存放本程序段号。doubleCOOR[20];//存放尺寸指令得数值(μm)。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;//存放本段换刀得刀具号。charD;//存放刀具补偿得刀具半径值。};以标志形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：无该指令；1：有该指令G010：无该指令；1：有该指令G020：无该指令；1：有该指令G030：无该指令；1：有该指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：无该指令；1：有该指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42在系统软件中各程序间得数据交换方式一般都就是通过缓冲区进行得。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得数据信息送入缓冲区组中空闲得一个。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;StructPROG_BUFFER{

charbuf_state;0:(开始);1(;)⑨

intblock_num;06(N06)①

doubleCOOR[20];COOR[1]=200000;(X200)⑥COOR[2]=300000;(Y300)⑦intF,S;F=200;(F200)⑧charG0;D5=0;(G90)②D6,D7=0,1(G41)③

D1=1;(G01)⑤

……charD;D=11(D11)④

};三、刀具补偿原理(1)刀具补偿得基本原理程编轨迹(零件轮廓)bacdeRrBCDEHG刀具中心轨迹A刀具半径补偿:CNC装置能够根据零件轮廓信息和刀具半径自动计算中心轨迹,使其自动偏移零件轮廓一个刀具半径值得计算称为刀具半径补偿。刀具半径补偿指令有:G40------取消刀补G41------左刀补G42------右刀补补偿指令为模态指令左右刀补处理得主要工作:根据G90/G91计算零件轮廓得终点坐标值。根据R和G41/42,计算本段刀具中心轨迹得终点(P’e/P〃e)坐标值。根据本段与前段连接关系,进行段间连接处理。Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”Pe’G41G42Y刀具半径补偿得执行过程分三步:1、刀补建立(G41,G42)起刀点rG41起刀点rG42

2、刀补进行(模态指令)刀具中心轨迹始终比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值得距离。在轨迹转接处,采用圆弧过渡或直线过渡ABCA’B’

B’’C’3、刀补撤消(G40)rG41G01G40G00(2)刀具半径补偿计算B功能刀具半径补偿计算(不能自动处理尖角过渡问题)C功能刀具半径补偿计算C功能刀具半径补偿原理B功能刀具半径补偿不能自动处理尖角过渡问题ABCA’B’

B’’C’1)C刀补原理根据程编轨迹,直接计算出刀具中心轨迹交点得坐标值,然后再对编程轨迹作伸长或缩短得修正。