第2章 数控系统工作原理.ppt

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1、制作:尹洋机械工程与自动化学院版权所有，不得复制按所用数控装置的构成方式硬线数控系统（NC）计算机数控系统（CNC）（软线）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开环数控系统半闭环数控系统闭环数控系统步进

2、电机机床工作台控制系统伺服马达机床工作台数控装置位置检测器伺服马达机床工作台数控装置位置检测器按数控系统加工功能点位控制系统（Positioning Control System）直线控制系统（Line Motion Control System）轮廓控制系统（Contouring Control System）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

3、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。按功能水平分类高档中档低档项目项目低档低档中档中档高档高档分辨率1010.1进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数23轴24轴或35轴以上主CPU8位16位、32位、64位伺服系统步进电机开环直流及交流闭环伺服系统内装PC无有显示功能

4、数码管有字符图形、人机对话、自诊断通信功能无DNC接口MAP接口分类界限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。1.逐点比较插补法(point-by-point relative method)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

5、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。ABOYXP0(x,y)P1P2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F(x,y)0 刀具在曲线上方F(x,y)=0 刀具在曲线上F(x,y)0F 0 刀具在直线上方F=0 刀具在直线上F0F 0OYXA当点P在直线下方时(F0)，刀具向+Y 方向前进一步。偏差情况 进给方向偏差计算+X+Y直线插补计算过程当偏差值F R

6、P若点 在圆弧内侧，则有RpR P上面各式可分别写成：在圆弧上在圆弧外侧在圆弧内侧逐点比较法圆弧插补的偏差判别式定义为：RRpABF0XYOP若点 在圆弧外侧或圆弧上，即满足F0的条件时，应向X轴发出一负方向脉冲（-X），向圆内走一步；若点P在圆弧内侧呢？PRRpABF0XYOP应向Y轴发出一正向脉冲（+Y），向圆弧外走一步。P设点 在圆弧外侧或圆弧上，(F0)可计算出新加工点偏差为P设点 在圆弧内侧，(F0)可计算出新加工点偏差为且且和直线插补一样，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。AB(6,0

7、)(0,6)0 n,0 Fi原地等待插补时钟F 0？进给方向-x进给方向+yY插补结束NYN插补流程图见右脉冲个数偏差判别进给方向偏差计算坐标计算终点判别1F0=0-XF1=F0-2X0+1=0-26+1=-11X1=X0-1=6-1=5Y1=Y0=02F1=-110+YF2=F1+2Y1+1=-11+0+1=-10X2=X1=5Y2=Y1+1=13F2=-100+Y4F3=-70+Y5F4=-20-X7F6=-40-X9F8=-20-X11F10=+40-X12F11=10-XABXYO圆弧插补轨迹图(6,0)(0,6)2.数字积分法利用数字积分的方法，计算刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具沿着

8、所加工的轨迹运动数字积分原理tY t数字积分(DDA)直线插补 原理yxoE(7,4)例：右图下，若要使从O点到E点的插补过程进给脉冲均匀，就必须使分配给x,y方向的单位增量成正比。设需要在t=10秒内使加工到达终点E，则每单位时间间隔t内，x和y的增量分别为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）Digital Differential Analyzer(Digital Differential Analyzer(数字微分分析器数字微分分析器)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

9、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VXoE(xe,ye)VVyVx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y积分累加器Ray被积函数寄存器Rx(xe)被积函数寄存器Ry(ye)x积分累加器Raxx积分器y积分器xy控制脉冲t插补X轴溢出脉冲Y轴溢出脉冲DDA直线插补器示意图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

10、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。yxoA(5,3)注：插补前Rax、Ray、Re为零，Rx、Ry分别存放xe=5，ye=

11、3，且始终保持不变累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRaxxRyRayy0101000011000000初始状态11010112101011310101141010115101011610101171010118101011DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRaxxRyRayy0101000011000000初始状态1101101011011001一次累加2101011310101141010115101011610101171010118101011DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRaxxRyRayy010100001

12、1000000初始状态1101101011011001一次累加21010101011110010 x溢出310141015101610171018101DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRaxxRyRayy0101000011000000初始状态1101101011011001一次累加21010101011110010 x溢出31011110110011011y溢出41015101610171018101DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRaxxRyRayy0101000011000000初始状态1101101011011001一次累

13、加21010101011110010 x溢出31011110110011011y溢出41011001011100100 x溢出51010011011111101x溢出61011100110101110y溢出71010111011101111x溢出810100010110001000 x、y同时溢出，插补结束DDA直线插补过程A（5，3）XYODDA直线插补轨迹图按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员会的定义，CNC（Computerized Numerical Control）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

14、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。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

15、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（Data Bus）地址总线AB（Address Bus）控制总线CB（Control Bus）CPU与外界传送数据的通道确定传输数据的存放地址管理、控制信号的传送存

16、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、外存储器存储器内存储器外存储器磁泡存储器半导体存储器穿孔纸带磁带磁盘随机存取存储器RAM只读存储器ROM硬磁盘软磁盘PROMEPROM译码速度计算插补输入运动轨迹计算I/O处理将标准数控代码翻译成CNC系统能识别的代码形式将工件轮廓的轨迹转换成CNC系统认定的轨迹解决加工运动的速度刀具偏置刀具长度补偿固定循环功能补偿功能图形显示功能通信功能人机对话编程功能控制功能准备功能插补功能进给功能主轴功能辅助功能刀具功能字符显示功能基本功能：选择功能：系统基本配置的功能用户可根据实

17、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CNC软件结构类型前后台型结构中断型结构：前台程序(以一定周期定时发生)：后台程序(循环执行的主程序)：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0 级1 级中断7 级6 级5 级3 级2 级优先级优先级主要功能主要功能中断源中断源0初始化初始化开机后进入开机后进入1CRT显示，显示，ROM校验校验硬件，主程序硬件，主程序2工作方式选择工作方式选择16ms3PLC

18、控制控制16ms4报警报警硬件硬件5插补运算插补运算8ms6软件定时软件定时2ms7纸带阅读机纸带阅读机硬件随机硬件随机各级中断功能由0级转入CRT显示ROM校验1级程序框图2级方式选择MDI方式STEP方式JOG方式 EDIT方式 TAPE方式公共程序复位2级程序框图各级程序框图例（仅举两级）4插补算法分两类：脉冲增量插补数字增量插补数字增量的DDA插补算法直线插补算法:粗插补+精插补多由硬件完成粗插补的任务：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xexyezeo x=ftcos y=ftcos z=

19、ftcos每8ms的合成进给量5概念左刀补、右刀补执行过程分三步建立进行撤消G41G42外轮廓加工内轮廓加工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:YA(,)OOXA(,)圆弧段刀具补偿计算求B坐标:OYXA(,)A(,)B(,)B(,)RrC(Complete)功能刀具补偿概念C刀具补偿的设计思想缓冲寄存器：BS存放再下一个程序段刀补缓冲区：CS存放下一个的程序段工

20、作寄存器：AS存放正在加工的程序段输出寄存器：OS存放进给伺服系统的控制信息ASOSNCASOSBS改进NCCSASOSBSCNCABC外轮廓加工内轮廓加工转接轮廓加工ABC”C刀具转接方式：直线与直线直线与圆弧圆弧与圆弧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 和刀补方向分为缩短型伸长型插入型转接类型：直线与直线转接缩短型转接：OBADCFJKGYX伸长型转接：OKCJBDAFYGX插入型转接：JBCCDOFKXYAG类型的判断主要依据大小表3-10程编轨迹程编轨迹的连接的连接刀具补刀具补偿方向偿方向sin0cos 0象限象限转接类型转接类型 对应图对应图号号G41G01/G4

21、1G01G4111缩短3-37a)103-37b)00插入3-37d)01伸长3-37c)G42G01/G42G01G4211伸长3-38a)10插入3-38d)00缩短3-38c)013-38b)注：1和0分别代表“是”和“否”刀具半径矢量的计算OBADCFJKJBCCDOFKA转接矢量：图中刀具半径矢量 ，及从直线转接交点A指向刀具中心轨迹交点的矢量 ，(插入型)刀具半径矢量:在加工中,始终垂直于程编轨迹,大小等于刀具半径值,方向指向刀具中心的一个矢量。转接交点矢量的计算OBADCFXYXYOBADCFJKXYYX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

22、计算主要是注意矢量方向及它与X轴逆时针方向夹角已知：、，AB=AD=求：先计算：即下面主要是计算 ：ABC直接代入刀具半径矢量公式ACBDFO求得最终求得ACBDFOxx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G41JBCCDOFKAGXYJBCCDOFKAGyxXY求得 后，对应于编程轨迹 、，刀具中心轨迹为插入（2）型G42解：BCCDOyxXYAFBCCDOyxXYAFADC求得 后，对应于编程轨迹 、，刀具中心轨迹为OAHGAFefghijklCSASOSBSCNCCNC装置中为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必须对送到进给电机的脉冲频率或电压进行加减速控制前加减速控制稳定速度和瞬时速度线性加减速处理 匀速减速加速ABOCPV(t)tVcDABOCPtVcV(t)后加减速控制指数加减速控制直线加减速控制加速时V(t)=Vc（1+e-1/T）减速时V(t)=Vc（1-e-1/T）匀速时V(t)=Vc