第二章數(shù)控系統(tǒng).ppt

1、第2章 數(shù) 控 系 統(tǒng),2.1 CNC裝置,CNC（ Computer Numerical Control的縮寫(xiě)）即計(jì)算機(jī)數(shù)控。CNC是在早期硬件數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。早期的硬件數(shù)控（NC）系統(tǒng)的輸入、運(yùn)算、插補(bǔ)、控制功能是由電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路組成的邏輯控制電路，不同機(jī)床的控制系統(tǒng)都需要專門(mén)設(shè)計(jì)邏輯電路，這種靠硬件邏輯電路控制的系統(tǒng)，其通用性、靈活性、功能性方面都較差。,2.1.1CNC裝置的結(jié)構(gòu),1.CNC系統(tǒng)及CNC裝置 1） CNC裝置 2）輸入輸出裝置 3）主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng),2.1.1CNC裝置的結(jié)構(gòu),1）控制功能 2）準(zhǔn)備功能 3）插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能 4

2、）進(jìn)給功能、進(jìn)給速度的控制功能 5）主軸功能 6）輔助功能 7）刀具管理功能 8）補(bǔ)償功能 9）人機(jī)對(duì)話功能 10）自診斷功能 11）通訊功能,2.CNC裝置的功能,2.1.1CNC裝置的結(jié)構(gòu),2.1.2CNC裝置的工作過(guò)程,機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的任務(wù)是依照操作者的意愿完成所要加工零件。操作者根據(jù)被加工零件的尺寸要求、外形要求、表面指令要求編制零件加工程序。,CNC在工作過(guò)程中完成以下的任務(wù),1.加工程序的輸入 2.數(shù)據(jù)的譯碼和計(jì)算 3.刀具補(bǔ)償計(jì)算 4.插補(bǔ)計(jì)算 5.位置控制處理,2.1.3CNC裝置的特點(diǎn),1.靈活性 2.通用性 3.可靠性 4.易于實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能

3、5.使用維修方便,2.2 CNC系統(tǒng)硬件,2.2.1CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與分類 1CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和表面安裝技術(shù)的發(fā)展，CNC系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進(jìn)。從CNC系統(tǒng)的總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。 2CNC 系統(tǒng)的分類 從 CNC 系統(tǒng)使用的微機(jī)及結(jié)構(gòu)來(lái)分， CNC 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單一微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。,2.2 CNC系統(tǒng)硬件,2.2.2 CNC系統(tǒng)中的微處理器 1單微處理器系統(tǒng)的組成和特點(diǎn) 單微處理器系統(tǒng)的CNC裝置的特點(diǎn)是整個(gè)CNC裝置中只有一個(gè)CPU，通過(guò)該CPU來(lái)集中管理和控制整個(gè)系統(tǒng)的資源（包括存儲(chǔ)器、總線），并通過(guò)分

4、時(shí)處理的方法，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。有些CNC裝置中，雖然有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，但只有一個(gè)CPU對(duì)系統(tǒng)的資源擁有控制權(quán)和使用權(quán)，該CPU稱為主CPU，其它CPU（稱為從CPU）無(wú)權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，只能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)請(qǐng)求信號(hào)以獲取所需要的數(shù)據(jù)，從而完成某一輔助功能，該結(jié)構(gòu)稱為主從結(jié)構(gòu)，也可歸為單機(jī)結(jié)構(gòu)。,3存儲(chǔ)器,圖 2-6 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類,4I/O接口（輸入/輸出接口）,二、多微處理器系統(tǒng)的組成,多微處理器系統(tǒng)的CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上帶CPU的功能部件可對(duì)系統(tǒng)資源（存儲(chǔ)器、總線）有控制權(quán)和使用權(quán)。它們又分為多主結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。多主結(jié)構(gòu)是指帶CPU的

5、功能部件之間采用緊耦合方式聯(lián)結(jié)，有集中的操作系統(tǒng)用總線仲裁器解決總線爭(zhēng)用通過(guò)公共存儲(chǔ)器交換系統(tǒng)信息。,1多微處理器系統(tǒng)特點(diǎn),（1）計(jì)算處理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性 （4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn),2. 多微處理器系統(tǒng)的基本功能模塊,（1) CNC管理模塊 （2）存儲(chǔ)器模塊 （3）CNC插補(bǔ)模塊 （4）位置控制模塊 （5）操作和控制數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊 （6） PLC模塊,3多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu),（1）共享總線結(jié)構(gòu) （2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),2.3.1CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與分類,一、CNC系統(tǒng)軟硬件組合類型,1不用軟件插補(bǔ)器，插補(bǔ)完全由硬件完成的CNC系統(tǒng)； 2由軟

6、件插補(bǔ)器完成粗插補(bǔ)，由硬件插補(bǔ)器完成精插補(bǔ)的CNC系統(tǒng)； 3帶有完全用軟件實(shí)施的插補(bǔ)器的CNC系統(tǒng)。,二、CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),1多任務(wù)并行處理 (1) CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性 (2) 并行處理 2實(shí)時(shí)中斷處理 （1）實(shí)時(shí)性 （2） CNC裝置的中斷類型 （3） CNC裝置中斷結(jié)構(gòu)模式,2.3.2CNC系統(tǒng)軟件的功能特點(diǎn),CNC系統(tǒng)軟件的功能 1、輸入 2、譯碼 3、預(yù)計(jì)算 4、插補(bǔ)計(jì)算 5、輸出 6、管理與診斷軟件,2.4數(shù)控插補(bǔ)原理,2.4.1數(shù)控插補(bǔ)原理 1插補(bǔ)的概念 在數(shù)控加工中，一般已知運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，如何使切削加工運(yùn)動(dòng)沿著預(yù)定軌跡移動(dòng)呢？數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些信

7、息實(shí)時(shí)地計(jì)算出各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常把這個(gè)過(guò)程稱為“插補(bǔ)”。,2.插補(bǔ)分類,1）基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ) 2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ) （1）采用軟/硬件結(jié)合的兩級(jí)插補(bǔ)方案。 （2）采用多CPU的分布式處理方案。 （3）采用單臺(tái)高性能微型計(jì)算機(jī)方案。,2.4.2數(shù)控插補(bǔ)方法 （逐點(diǎn).積分.采樣）,一、逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法 所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，就是機(jī)床每走到一個(gè)坐標(biāo)位置，都要和給定的軌跡上的坐標(biāo)值比較一次，看實(shí)際加工點(diǎn)在給定軌跡的什么位置，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，如果加工點(diǎn)走到圖形外面去了，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點(diǎn)在圖形里面，那么下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差。逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來(lái)逼近直線和圓

8、弧的。最大偏差不超過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量，因此，只要把脈沖當(dāng)量控制的足夠小，就能達(dá)到加工精度的要求。,（一）逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),1偏差計(jì)算公式 偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步。下面以第象限直線為例導(dǎo)出其偏差計(jì)算公式。,圖2-33直線插補(bǔ)過(guò)程,如圖2-33所示動(dòng)點(diǎn)與直線位置關(guān)系。第一象限直線OE，起點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，用戶編程時(shí)，給出直線的終點(diǎn)坐標(biāo)E（Xe，Ye），直線方程為 Xe Y Ye X 0 (2-1) 直線OE 為給定軌跡，P（X，Y）為動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，動(dòng)點(diǎn)與直線的位置關(guān)系有三種情況：動(dòng)點(diǎn)在直線上方、直線上、直線下方。 （1） 若P1點(diǎn)在直線上方，則有： XeYXYe0 （2） 若P點(diǎn)在直線上，則有 ：

9、 XeYXYe0 （3）若P2點(diǎn)在直線下方，則有 ： XeYXYe0 因此，可以構(gòu)造偏差函數(shù)為 ： FXe Y Ye X,對(duì)于第一象限直線，其偏差符號(hào)與進(jìn)給方向的關(guān)系為： 當(dāng)F0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE上，如點(diǎn)P，可向X向進(jìn)給，也可向Y向進(jìn)給。 當(dāng) F0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE上方，如點(diǎn)P1，應(yīng)向X向進(jìn)給。 當(dāng) F0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE下方，如點(diǎn)P2，應(yīng)向Y向進(jìn)給 。,這里規(guī)定動(dòng)點(diǎn)在直線上時(shí)，可歸入F0的情況一同考慮。插補(bǔ)工作從起點(diǎn)開(kāi)始，走一步，算一步, 判別一次，再走一步，當(dāng)沿兩個(gè)坐標(biāo)方向走的步數(shù)分別等于Xe和Ye時(shí)，停止插補(bǔ)。下面將F的運(yùn)算采用遞推算法予以簡(jiǎn)化，動(dòng)點(diǎn)Pi(Xi，Yi)的Fi值為： 若Fi

10、0，表明Pi(Xi，Yi)點(diǎn)在OE直線上方或在直線上，應(yīng)沿X向走一步，假設(shè)坐標(biāo)值的單位為脈沖當(dāng)量，走步后新的坐標(biāo)值為（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi , 新點(diǎn)偏差為：,即： (2-3),若Fi0，表明Pi（Xi，Yi）點(diǎn)在OE 的下方，應(yīng)向Y方向進(jìn)給一步，新點(diǎn)坐標(biāo)值為(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi ,Yi+1Yi1，新點(diǎn)的偏差為： 即： (2-4),2終點(diǎn)判斷,在插補(bǔ)計(jì)算、進(jìn)給的同時(shí)還要進(jìn)行終點(diǎn)判別。常用終點(diǎn)判別方法有兩種，一種是設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，從直線的起點(diǎn)走到終點(diǎn)，刀具沿X軸應(yīng)走的步數(shù)為Xe，沿Y軸走的步數(shù)為Ye，計(jì)數(shù)器中存入X和Y兩坐標(biāo)進(jìn)給步數(shù)總和

11、XeYe，當(dāng)X或Y坐標(biāo)進(jìn)給時(shí)，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度減一，當(dāng)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度減到零時(shí)，即0時(shí)，停止插補(bǔ)，到達(dá)終點(diǎn)。另一種是如果在兩個(gè)軸上的插補(bǔ)數(shù)不一樣多，則將插補(bǔ)步數(shù)較大的周設(shè)為計(jì)數(shù)軸，步數(shù)值設(shè)為計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，當(dāng)在技術(shù)軸上每進(jìn)給一步計(jì)數(shù)長(zhǎng)度減一，當(dāng)0時(shí)，停止插補(bǔ)，到達(dá)終點(diǎn)。,3插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程,1）偏差判別 根據(jù)偏差值確定刀具位置是在直線的上方（或線上），還是在直線的下方。 （2）坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)判別的結(jié)果，決定控制哪個(gè)坐標(biāo)（x或y）移動(dòng)一步。 （3）偏差計(jì)算 計(jì)算出刀具移動(dòng)后的新偏差，提供給下一步作判別依據(jù)。根據(jù)式（2-3）及式（2-4）來(lái)計(jì)算新加工點(diǎn)的偏差，使運(yùn)算大大簡(jiǎn)化。但是每一新加工點(diǎn)的偏差是由前一點(diǎn)偏差 推算出來(lái)的

12、，并且一直遞推下去，這樣就要知道開(kāi)始加工時(shí)那一點(diǎn)的偏差是多少。當(dāng)開(kāi)始加工時(shí)，我們是以人工方式將刀具移到加工起點(diǎn)，這一點(diǎn)當(dāng)然沒(méi)有偏差，所以開(kāi)始加工點(diǎn)的 F0。 （4）終點(diǎn)判別 在計(jì)算偏差的同時(shí)，還要進(jìn)行一次終點(diǎn)比較，以確定是否到達(dá)了終點(diǎn)。若已經(jīng)到達(dá)，就不再進(jìn)行運(yùn)算，并發(fā)出停機(jī)或轉(zhuǎn)換新程序段的信號(hào)。,逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)流程,例2-1 加工第一象限直線OE，如圖2-35所示，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為E（5,3）。,圖2-35直線插補(bǔ)軌跡過(guò)程實(shí)例,初始點(diǎn)O(0,0)，終點(diǎn)（5,3），應(yīng)用遞推公式（2-3）、（2-4）進(jìn)行偏差計(jì)算。 終點(diǎn)判斷：XeYe=5+3=8，插補(bǔ)需要七個(gè)循環(huán)。,直線

13、插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程,4四象限插補(bǔ),四象限直線偏差符號(hào)和進(jìn)給方向,5四象限直線插補(bǔ)計(jì)算公式及進(jìn)給方向,（二）圓弧插補(bǔ)原理,1. 圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算公式 在圓弧加工過(guò)程中，可用動(dòng)點(diǎn)到圓心的距離來(lái)描述刀具位置與被加工圓弧之間關(guān)系。如圖2-39所示為圓弧插補(bǔ)過(guò)程，設(shè)圓弧圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，已知圓弧起點(diǎn)A（Xa，Ya），終點(diǎn)B（Xb，Yb），圓弧半徑為R。,加工點(diǎn)可能在三種情況出現(xiàn)，即圓弧上、圓弧外、圓弧內(nèi)。當(dāng)動(dòng)點(diǎn)P（Xi，Yi）位于圓弧上時(shí)有： X2Y2R2=0 P點(diǎn)在圓弧外側(cè)時(shí)，則OP大于圓弧半徑R，即 X2Y2R20 P點(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)時(shí)，則OP小于圓弧半徑R，即 X2Y2R20,用F表示P點(diǎn)的偏差值，定義圓弧偏

14、差函數(shù)判別式為 （2-5） 當(dāng)動(dòng)點(diǎn)落在圓弧上時(shí)，一般約定將其和F0一并考慮。 圖2-40a中AB為第一象限順圓弧SR1，若F0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧上或圓弧外，向Y向進(jìn)給，計(jì)算出新點(diǎn)的偏差；若F0，表明動(dòng)點(diǎn)在圓內(nèi)，向X向進(jìn)給，計(jì)算出新一點(diǎn)的偏差，如此走一步，算一步，直至終點(diǎn)。,a) 順圓弧 b) 逆圓弧 圖2-40 第一象限順、逆圓弧,2終點(diǎn)判斷,圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別：將X、Y軸走的步數(shù)總和存入一個(gè)計(jì)數(shù)器，XbXaYbYa，每走一步減一，當(dāng)0發(fā)出停止信號(hào)。,3插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程,例3-2 現(xiàn)欲加工第一象限順圓弧AB，如圖2-42所示，試用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)。,圖2-42 圓弧插補(bǔ)實(shí)例,4. 四個(gè)象限中圓弧插補(bǔ),

15、二、數(shù)值積分法,數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析法DDA(Digital Differential Analyzer)，是在數(shù)字積分器的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種插補(bǔ)算法。數(shù)字積分法的優(yōu)點(diǎn)是，易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，較容易地實(shí)現(xiàn)二次曲線、高次曲線的插補(bǔ)，并具有運(yùn)算速度快，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。,如圖2-45所示，設(shè)有一函數(shù)Yf(t)，求此函數(shù)在t0tn區(qū)間的積分，就是求出此函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)t在區(qū)間（t0，tn）所圍成的面積。如果將橫坐標(biāo)區(qū)間段劃分為間隔為t的很多小區(qū)間，當(dāng)t取足夠小時(shí)，此面積可近似地視為曲線下許多小矩形面積之和。,圖2-45 函數(shù)Y=f(t)的積分,三、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法,（一） 數(shù)據(jù)采樣法原理 數(shù)據(jù)采

16、樣插補(bǔ)又稱為時(shí)間分割法，與基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法不同，數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法得出的不是進(jìn)給脈沖，而是用二進(jìn)制表示的進(jìn)給量。這種方法是根據(jù)程編進(jìn)給速度F，將給定輪廓曲線按插補(bǔ)周期T（某一單位時(shí)間間隔）分割為插補(bǔ)進(jìn)給段（輪廓步長(zhǎng)），即用一系列首尾相連的微小線段來(lái)逼近給定曲線。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，算出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，即算出插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量，如等，得出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的指令位置。,(二) 直線函數(shù)法,圖2-57 直線插補(bǔ)原理,(三) 擴(kuò)展DDA數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ),1 .擴(kuò)展DDA直線插補(bǔ) 2. 擴(kuò)展DDA圓弧插補(bǔ),2.5 可編程控制器PLC,2.5.1可編程控制器結(jié)構(gòu)與工作方式 在傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)中，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由導(dǎo)線將電氣元連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們把這樣的控制系統(tǒng)稱之為“硬接線”程序控制系統(tǒng)。在這種接線控制系統(tǒng)中，控制功能的改變必須通過(guò)修改控制器件和接線來(lái)實(shí)現(xiàn)。而可編程控制系統(tǒng)是通過(guò)修改PLC的程序來(lái)完成?？删幊炭刂葡到y(tǒng)也稱之為“軟接線”程序控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相似，它是由硬件和軟件兩大部分組成。PLC實(shí)質(zhì)上是一種用于工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，但對(duì)硬件各部分的定義及工作過(guò)程則與PC有很大差異。,一、可編程控制器的結(jié)構(gòu),二、可編程控制器工作方式,實(shí)際上，PLC掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其他工作，整個(gè)工作過(guò)程分為自診斷、通訊