第三章-计算机数控系统.doc
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1、第3章计算机数控系统 31 计算机数控(CNC)系统的基本概念 计算机数控(computerized numerical contro,简称 CNC)系统是用计算机控制加工功能,实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能,对机床运动进行实时控制。 CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给(伺眼)驱动装置组成。由于使用了CNC装置,使系统具有软件功能,又用 PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置,使系统更小巧,灵活性、通用性、可靠性更好,易于实现复杂的数控功能,使用
2、、维修也方便,并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。 32 微处理器数控(MNC)系统的组成 大多数CNC装置现在都采用微处理器构成的计算机装置,故也可称微处理器数控系统(MNC)。MNC一般由中央处理单元(CPU)和总线、存储器(ROM,RAM)、输入/输出(IO)接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。图3 .2.1为MNC 的组成原理图。3.2.1中央处理单元(CPU)和总线(BUS)CPU是微型计算机的核心,由运算器、控制器和内寄存器组组成。它对系统内的部件及操作进行统一的控制,按程序中指令的要求进行各种运算,使系统成为一个有机整体。总线(BUS)是
3、信息和电能公共通路的总称,由物理导线构成。CPU与存储器、I/O 接口及外设间通过总线联系。总线按功能分为数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)。 存储器(memory) ()概述 存储器用于存储系统软件(管理软件和控制软件)和零件加工程序等,并将运算的中间结果和处理后的结果(数据)存储起来。数控系统所用的存储器为半导体存储器。 ()半导体存储器的分类 随机存取存储器(读写存储器)(random access memory)用来存储零件加工程序,或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果,与外存交换信息以及堆栈用等。其存储单元的内容既可以读出又可写入或改写。 只读存储
4、器O(resd-only memory)专门存放系统软件(控制程序、管理程序、表格和常数)的存储器,使用时其存储单元的内容不可改变,即不可写入而只能读出,也不会因断电而丢失内容。323 输入/输出(IO)接口电路及相应的外部设备(1)IO接口指外设与CPU间的联接电路。微机与外设要有输入输出数据通道,以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信,需靠CPU传递信息,通过CPU对IO接口的读或写操作,完成外设与CPU间输入或输出信息的操作。CPU向外设送出信息的接口称为输出接口,外设向CPU传递信息的接口称输入接口,此外还有双向接口。微机中IO接口包括硬件电路和软件两部分。由于选用的IO设备或接
5、口芯片不同,I/O接口的操作方式也不同,因而应用程序也不同。IO接口硬件电路主要由地址译码、IO读写译码和I/O接口芯片(如数据缓冲器和数据锁存器等)组成。在CNC系统中IO的扩展是为控制对象或外部设备提供输入/输出通道,实现机床的控制和管理功能,如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。IO接口电路同与其相连的外设硬件电路特性密切相关,如驱动功率、电子匹配、干扰抑制等。(2)外部IO设备及IO接口MDI/CRT接口手动数据输入(MDI)是通过数控面板上的键盘(常为软触键)进行操作的。当CPU扫描到按下键的信号时,就将数据送入移位寄存器,其输出经过报警检查。若不报警,数据经选择门、移位寄
6、存器、数据总线送入RAM中;若报警则数据不送入RAM。 数据输入/输出串行接口 CNC装置控制对立的单台机床时,通常需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。 (a)数据输入输出设备 如光电纸带阅读机(PTR)、纸带穿孔机(PP)、打印和穿复校设备(TTY)、零件的编程机和可编程控制器的编程机等。(b)外部机床控制面板 尤其是大型机床,为操作方便常在机床上设外部的机床控制面板,可分为固定式或悬挂式两种。 (c)通用的手摇脉冲发生器。 (d)进给驱动和主轴驱动线路 一般情况下它们与CNC装置装在同一机柜或相邻机柜内,与CNC装置通过内部连线相连,它们之间不设置通用输出输入接口。 此外,装置还要与上
7、级主计算机或计算机直接通信,或通过工厂局部网络相连,从而具有网络通信功能。 (3)机床的IO控制通道 机床的IO控制通道是指微机与机床之间的联接电路。计算机数控系统对机床的控制,通常由数控系统中的IO控制器和IO控制软件共同完成。 IO控制器的功能特点 (a)能够可靠地传送控制机床动作的相应控制信息,并能够输入控制机床所需的有关状态信息。 (b)能够进行相应的信息转换,以满足CNC系统的输入与输出要求。 (c)具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力,以提高系统的可靠性。 系统的硬件结构1 单微处理机与多微处理机结构 单微处理机结构 这种结构只有个微处理机,采用集中控制、分时方法处理数控的各个任
8、务。有的装置虽有个以上的微处理机,但其中只有个微处理机能够控制系统总线,占有总线资源,而其他微处理机成为专用的智能部件,不能控制系统总线,不能访问主存储器,它们组成主从结构(如系统)。这类结构也属于单微机结构。 在这种单微机结构中,所有的数控功能和管理功能都由个微机来完成,因此装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。 多微处理机结构 有些多微处理机结构中,有个或个以上的微处理机构成处理部件,处理部件之间采用紧耦合,有集中的操作系统,并共享资源。有些多微处理结构则有个或个以上的微处理机构成的功能模块,功能模块之间采用松耦合,有多重操作系统,能有效地实现并行
9、处理。这种结构中的各处理机分别承担一定的任务,通过公共存储器或公用总线进行协调,实现各微机间的互联和通信。(1)多微处理机的结构特点性能价格比高。 多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能。独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度,适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统采用共享资源,而单个微处理机的价格又比较便宜,使CNC装置的性能价格比大为提高。采用模块化结构,有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构,可将微处理器、存储器、I/O控制组成独立微机级的硬件模块,相应的软件也采用模块结构固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元,称为功能
10、模块。功能模块间有明确定义的接口接口是固定的,符合工厂标准或工业标准,彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成CNC装置,使CNC装置设计简单、适应性和扩展性好、试制周期短、调整维护方便、结构紧凑、效率高。硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的,容易配置,只要开发新的软件就可构成不同的 CNC装置,因此多微处理机结构便于组织规模生产,且保证质量。有很高的可靠性。多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务,形成若干模块。如果某个模块出了故障,其他模块仍照常工作,而不像单微机那样一旦出故障就造成整个系统瘫痪。而且插件模块更换方便,可使故障对系统的影响减到最小。另外,由于多微机的CNC装置可进行
11、资源共享,省去了一些重复机构,不但降低了造价,也提高了系统的可靠性。(2)多微处理机CNC装置的结构分类共享存储器结构 结构特征:a、面向公共存储器来设计的,即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯b、采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。注意:由于多端口存储器设计较复杂,而且对两个以上的主模块,会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞,所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。共享总线结构 结构特征:a、功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM,I/O模块)b、以系统总线为中心,所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上c、采用
12、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的竞争问题 332 大板式结构与功能模块式结构1大板式结构大板式结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板,其他电路是小印刷电路板,它们插在大印刷电路板上的插槽内,共同构成CNC装置。下图为大板式结构示意图。2功能模块式结构在采用功能模块式结构的CNC装置中,整个CNC装置按功能划分为模块,硬件和软件的设计都采用模块化设计方法,即每个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板(称功能模块),而相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成一个“交钥匙”CNC系统产品系列,用户只要按需要选
13、用各种控制单元母板及所需功能模板,再将各功能模板插入控制单元母板的槽内,就搭成了自己需要的系统控制装置。常见的功能模块有控制板、位置控制板板、图形板、通信板及主存储器模板等种。另外,机床操作面板的按钮箱(台)也是标准化的,上面有由用户定义的按键。用户只要按产品的型号、功能把各功能模块、外设、相应的电缆(带插头)及按钮箱(机床操作面板及,)购买回来,经组装连接便可,从而大大方便了用户。 系统的软件1 CNC系统软件的组成与功能下图所示为 系统软件的组成。系统软件可分为管理软件与控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出,显示,诊断和通信功能软件;控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运
14、算和位置控制等功能软件。 输入程序 输入程序的功能有两个:一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器;二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。 译码程序在输入的零件加工程序中,含有零件的轮廓信息(线型,起点、终点坐标值)、工艺要求的加工速度及其他辅助信息(换刀、冷却液开/关等)。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前,需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式,并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间,即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或缓冲器中逐个读入字符,先识别出其中的文字码和数字码,然后根据文字
15、码所代表的功能,将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。 数据处理程序 数据处理程序有三个任务,即刀具半径补偿,速度计算(即根据合成速度算出各轴的分速度)以及辅助功能的处理等。 刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹;速度计算确定加工数据段的运动速度,开环系统根据给定进给速度计算出频率f,而闭环、半闭环系统则根据算出位移量();辅助功能处理是指换刀,主轴启动、停止,冷却液开、停等辅助功能的处理(即,T功能的传送及其先后顺序的处理)。 数据处理是为了减轻插补工作及速度控制程序的负担,提高系统的实时处理能力,故也称为预计算。下面将着重介绍刀具半径补偿,速度处理将在插补计算程序中的预计算
16、部分介绍,辅助功能的处理将在后面的相关内容中介绍。 (1)刀具半径补偿的概念 在连续进行轮廓加工过程中,由于刀具总有一定的半径例如铣刀的半径或线切割机的钼丝(或铜丝)半径等,所以刀具中心运动轨迹并不等于加工零件的轮廓。如下图所示,在进行内轮廓加工时,要使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值,而在进行外轮廓加工时,要使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移即称为刀具半径补偿。ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C 为了分析问题方便ISO标准规定,当刀具中心轨迹在编程轨迹(零件轮廓)前进方向的左边时,称为左刀补,用G41指令代码表示,图中所示零件轮廓内部的虚线
17、轨迹。反之,当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时,称右刀补,用G42表示,如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。当不需要进行刀补时,用G40表示。G41,G42和G40均属于模态代码,一旦执行便一直有效,直到同组其他代码出现后才被取消。 在早期的硬件数控系统中,由于其内存容量和数据处理能力的限制,不可能完成很复杂的大量计算,相应的刀具半径补偿功能较为简单,一般采用B功能刀具补偿方法。这种方法仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀补,不能解决程序段之间的过渡问题,这样编程人员必须事先估计出刀补后可能出现的间断点和交叉点的情况,进行人为处理,将工件轮廓转接处处理成圆弧过渡形式。如图3.4.7所示,在G42刀补后
18、出现间断点时,可以在2个间断点之间增加一个半径为刀具半径的过渡圆弧AB。而在G41刀补后出现交叉点时,C点不易求得,可事先在两个程序段之间增加一个过渡圆弧AB,其半径需大于刀具半径,以免过切。显然,这种B功能刀补对于编程员来讲是很不方便的。 为保证一定的零件轮廓,实现刀具半径补偿,要计算刀具半径补偿矢量(简称刀补矢量)。此矢量是大小等于刀具半径、方向垂直于零件表面轮廓的二维矢量,随着刀具的移动,刀具半径补偿矢量也不断变化。在刀具补偿程序中,需要计算出每个程序段中的刀补矢量,即计算出刀具的偏移量和旋转角度。其计算方法有刀具半径分量法(r2法或逐点比较法)、极坐标输入法(三角函数法)等。 (2)C
19、功能刀具半径补偿 C刀具半径补偿的原理及计算 硬件数控机床常用的刀具半径补偿方法,其主要特点是在程序段转换时(如折线或直线与圆弧不相切时)采用圆弧过渡。这种方法在拐角处铣刀刃与工件间的接触产生一停顿时间,工艺性不好,不适合3坐标以上的刀具半径补偿。理想的过渡形式应是直线过渡形式。可见,这种刀补方法追免了刀具在尖角处的停顿现象。计算机数控的刀具半径补偿一般都采用直线过渡的方法,在系统程序中有一个刀具半径补偿子程序,需要时可调用之。 插补计算程序 插补计算是系统中最重要的计算工作之一。装置中采用的是硬件电路(即插补器)来实现各种轨迹的插补。为了在软件系统中计算所需的插补轨迹,这些数字电路必须由计算
20、机的程序来模拟。计算机由若干条指令来实现插补工作,但执行每条指令都需要花费一定的时间,而过去小型或微型计算机的计算速度都不能满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。在实际的系统中,常采用数据采样的插补方法,将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分,控制软件把刀具轨迹分割成若干段,而硬件电路再在段的起点和终点之间进行数据的“密化”,使刀具轨迹控制在允许的误差之内。即软件实现粗插补,硬件实现细插补。 5伺服(位置)控制软件伺服位置控制软件的主要功能是对插补值进行处理(取全值或取其半值),计算出位置的命令值,同时读一次实际的反馈值,然后计算出命令值与反馈值间的差值(称为位置跟随误差),再乘上增益系数,
21、并加上补偿量从而得到速度命令值。 6输出程序 输出程序的功能有如下几项: (1)进行伺服控制,如上所述。 (2)反向间隙补偿处理 反向间隙值由程序预置。若某一轴由正向变成负向运动,则在反向前输出 Q个正向脉冲;反之,若由负向变成正向运动,则在反向前输出 Q个负向脉冲(Q为反向间隙,因实际情况而异)。 (3)进行丝杠螺距误差补偿(方法见后面相关内容) (4)M,S,T辅助功能的输出 M,S,T代码大多是开关量控制,由机床强电执行。 7管理程序 当一个数据段开始插补加工时,管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理,调用各功能子程序,准备好下一段数据。一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。为
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