第4章 计算机数控装置CNC

1、1 2 3 CNC系统由硬件和软件组成，包括数控程序、输入输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括检测装置）等。其中CNC装置是CNC系统的核心部件。见图4.1。4改变相应的软件即可，而不要改变硬件。在CNC系统中，硬件可采用通用的模块化结构，而且易于扩展，并结合软件变化来满足数控机床的各种不同要求。数控加工程序 ，功能都由软件完成，硬件结构大大简化。多种插补功能、动静态图形显示、数字伺服控制等。编程工作简单方便 ，模拟 ，有诊断程序 。5 装置由硬件和软件组成，见图4.2。图4.2 CNC装置的硬件组成6 包括译码程序、刀具补偿计算程序

2、、插补计算程序、速度控制程序和位置控制程序等。 由管理软件和控制软件两部分组成，见图4.3。 包括零件程序的输入/输出程序、显示程序与故障诊断程序等.图4.3 CNC装置的软件组成框图7 装置功能除了有准备功能、坐标功能、进给功能、主轴功能、刀具功能和辅助功能外，还具有以下功能: 多轴控制、多轴联动控制。 配有CRT或液晶显示器，在显示窗口中显示零件程序、图形、人机对话菜单和故障信息等 。8 9 分为大板结构和功能模块结构。 分为专用型结构和个人计算机式结构。 分为单微处理器结构和多微处理器结构。 分为经济型CNC结构和标准型CNC结构。10 我国经济型CNC多数是以8位或16位单片机或者以8

3、位或16位微处理器为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制轴数和联动轴数为23轴。 经济型CNC是根据国内需要自行开发的，主要用于功能简单的车、铣、钻、冲床等控制，大量用于旧机床改造。 多采用一个微处理器来集中控制，分时处理数控的各个任务。能够控制系统总线的只是一个微处理器，是一种主从结构，也被归纳于单微处理器结构。 组成框图，如图4.4所示，由微机、外围设备和机床控制等三部分组成。11图4.4 单微处理器结构的组成框图12 用8031单片机组成CNC系统，其数控装置硬件框图见图4.7。图4.7 8031组成的CNC系统131）键盘接口电路 键盘接口电路主要解决按键的识别问题，既可采用查询

4、方式，也可采用中断方式。 查询方式电路简单，但采用查询方式不管是否有键按下，CPU每隔一段时间查询一次键盘状态，这样将浪费CPU的时间。 采用中断方式，只有有键按下时，才向CPU发出中断请求，CPU才对键盘服务，提高了CPU的利用率。 中断方式下按键与单片机的连接方式：并行连接方式并行连接方式矩阵连接方式矩阵连接方式14 如图4.8所示，适用于按键较少的场合 。图4.8 按键与单片机的并行连接15 如图4.9所 示 ， 优点 是 占 用的 I O 线少 ，适用于 按 键 较少的场合 。图4.9 按键与单片机的矩阵方式连接162）显示接口电路 发光二极管LED的功耗小、亮度强、控制简单可靠，且价

5、格低，因此LED显示器在经济型数控系统中得到广泛应用。 图4.10 LED数码管17图4.11 单个LED数码管与微机的接口18 CRT显示具有屏幕宽阔，可传递信息量大；不仅可显示字符，还可显示图形，模拟数控加工过程等优点。图4.11 CRT接口电路原理框图193）开关量接口电路 数控系统接受开关量和输出开关量信息，需通过输入输出接口电路。 开关信号通过光电耦合电路接到输入通道缓冲门，可以提高抗干扰能力和便于实现电平转换，见图4.13。 图4.13 光电耦合输入电路20 机械开关触点闭合时，存在着抖动，见图4.14（a）。 为了可靠地接受开关信号，必须消除这一抖动。消除抖动的方法可用硬件实现，

6、也可用软件延时实现。一种硬件防抖电路见图4.14（b）。 图4.14 开关防抖电路21 继电器方式的开关量输出是目前最常用的输出方式。 一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为数控系统输出到驱动级之间的第一级执行机构。通过第一继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。图4.15 开关量继电器接口 见图4.15，光电隔离后，直流部分给继电器供电 ，输出部分则直接与220V交流电相连。 此外，还有模拟量接口电路数模（DA）转换接口 、模数（AD）转换器接口 、通讯接口、步进电动机接口 等。22 标准型数控系统精度和速度都较高，功能比较齐全，基本都是闭环控制，广泛应用各种中、高档数控机床。 多微

7、处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，微处理器、存储器、输入输出控制等分别做成硬件模块，相应的软件也是模块化结构，固化在硬件中。软硬件模块形成一个具有特定功能的单元，称为功能模块。 功能模块之间有明确定义的固定接口，按工厂或企业标准制造，于是可以组成积木式的CNC装置。如果某一个模块出了故障，其它模块仍能照常工作，可靠性高 。23 CNC装置一般有以下六种基本功能模块:图4.20 多微处理器结构的CNC装置结构框图24 25 图4.22 SINUMERIK 801M前面板26 27 主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软件、误差补偿软件等。 用来实现人机对话、系统监控、指挥

8、整个系统软件协调工作等。它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。 1）系统的初始化图4.25 初始化程序框图28图4.26 键盘扫描中断方式程序框图图 2）命令处理循环 经济型数控一般采用两种键盘处理方式： 一种是键盘扫描中断方式，其程序框图见图4.26所示； 另一种是采用专用可编程键盘显示芯片8279管理方式。 29 3）零件加工程序的输入程序 其任务是将输入的源程序顺序读入，并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单元，同时将坐标值BCD码转换成二进制数码 。 每读完一个程序段，必须把当前指针压入堆栈，以备下段程序读入时使用。

9、输入程序框图如图4.27所示。 4.27 零件加工程序的输入程序框图30 4）零件加工程序的编辑修改程序 编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。图4.28 G功能分析程序框图 5）指令分析和执行 G功能分析程序框图见图4.28。 6）系统诊断程序 检测、指示各个硬件可能存在的故障的位置和性质。常有定时/计数器诊断、中断功能诊断、ROM区诊断、RAM区诊断、键盘诊断等31 步进电动机控制程序，不仅可代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还能实现步进电动机升降速控制等功能。 1）软件环形分配 图4.29为单片机直接带动三相步进电动机的接口方式。单片机P1的低三位为输出位，分别控制步进电动机A、

10、B、C三相绕阻通断电顺序和方式。 图4.29 软件环形分配步进电动机控制32 单三拍方式通电顺序为ABCA，所以只需依次向P1口输出如下控制字：0 0 1（01H） U相通电0 1 0（02H） V相通电1 0 0（04H） W相通电 在两控制字间应加入软件延时来保证一定的时间间隔，以此控制步进电动机速度。控制步进电动机三相三拍正转的程序框图，见图4.30。 电动机反转，通电顺序为ACBA。 图4.30 三相三拍正转程序框图33 三相六拍正转通电顺序为：AABBBCCCAA，P1口输出如下控制字： 0 0 1（01H） A相通电 0 1 1（03H） A、B相通电 0 1 0（02H） B相通

11、电 1 1 0（06H） B、C相通电 1 0 0（04H） C相通电 1 0 1（05H） C、A相通电 如反转时，通电顺序为：ACACCBBBAA。 34 2）微机控制步进电动机的升降速方法 由于步进电动机的响应频率比较低，限制了步进电动机的最高启动频率。因此，微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制，使脉冲频率开始时较低，步进电动机不“丢步”地起动，然后逐渐升高到较高的连续运行频率。 同理，在要求停止转动时，为防止“过冲”，使脉冲频率逐渐降到零。 微机实现升降频控制，可采用均匀地改变步进脉冲间隔的方法，进行升降速控制。 微机对步进电动机的控制，也就是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔

12、，而其间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。因此，可以方便地用软件来控制步进电动机的运行，实现步进电动机不丢步地快速起、停。 35 经济型数控机床的加工误差是必然存在的，可在编程中正确地引入修正值，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用。 1）编程误差1 编程误差由三部分组成： 逼近误差逼近误差1a。 插补误差插补误差1b。 圆整误差圆整误差1c。 编程误差11a1b1c，一般取零件加工允许误差的0.10.2倍。为减小编程误差，可通过减小插补间隙或增加机床分辨率来达到，一般不需要专门的软件补偿。36 2）间隙误差2 数控机床机械传动部件间存在有间隙，由此产生的加工误差成为间隙误差。机械

13、传动间隙通常有：丝杠轴承轴向间隙；丝杠螺母副之间的传动间隙；联轴节的扭转间隙；齿轮传动的齿侧间隙等。间隙对误差的影响，主要是运动换向时发生。 其软件补偿处理的过程是：先将各个间隙值经标度变换确定指令脉冲数M，然后在零件加工程序中判别进给方向的指令转向后，给出M个额外的进给指令脉冲，再执行正常的程序。 这种补偿处理方法，对于点位和轮廓控制都适用。但对于大型机床，其间隙大小随工件的重量或间隙的位置改变而改变，这时就会出现补偿不完全的情况。37 对于标准型数控系统，具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。因此，CNC系统是一个专用的实时多任务系统，其系统软件包括前台和后台两大部分。 后台部分：后台部

14、分：包括通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序，这类程序实时性要求不高。 前台程序：前台程序：包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量控制等软件，这类程序完成实时性很强的控制任务。 在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。 38 其软件包括两个: 1）前台程序 又称实时中断服务程序，它是在一定周期内定时发生的（中断周期一般小于10ms），是与机床控制直接相关的实时控制部分，主要完成机床监控、操作面板状态扫描、插补计算、位置控制、PLC可编程控制器功能等实时控制，其流程见图4.33。 图4.33 实时中断服务程序流程39 2）后台程序 又称背景程序，

15、是循环执行的主程序，完成协调管理、数据译码、预计算数据、显示坐标等无实时性要求的任务 ， 其 结 构 见 图4.32。图4.32 背景程序结构40 见图4.31，在背景程序循环的过程中, 实时中断服务程序不断定时插入,两者密切配合,共同完成零件加工任务。 前后台软件的同步与协调以及各功能模块之间的同步,通过设置各种标志位来进行。最大执行时间必须小于中断周期,而两次中断之间的时间用来执行背景主程序 。图4.31 前后台型结构 这种前后台型软件结构一般适合单微处理器集中控制，对微处理器性能要求比较高。41 除初始化程序之外，将CNC的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，无前后台程序之分

16、。系统软件本身就是一个大的多重中断系统，通过各级中断服务程序之间的通信来进行处理。 中断类型 ：42 43 CNC装置的数据预处理，包括CNC对零件程序的输入、译码、刀具补偿（含刀具半径补偿、刀具长度补偿）和其它预处理（坐标系转换、编程方式转换）、插补、位置控制，由伺服系统执行CNC输出的指令以驱动机床完成加工, 见图4.34 。44 零件程序的输入可分为手动输入和自动输入两种方式。 手动输入：手动输入：一般是通过键盘输入。 自动输入：自动输入：可用纸带、磁带、磁盘等程序介质输入，随着CAD/CAM技术的发展，越来越多地使用通信输入方式。 输入过程如图4.35所示 。45 程序输入后，启动数控

17、系统运行，控制系统从零件程序存储区逐段读出零件加工程序，进行译码及预处理。其读出过程如图4.36所示 。 从图4.35和图4.36可知，零件程序缓冲区是零件程序进入CNC系统的必经之路 。46 译码就是将输入的零件程序按一定规则翻译成CNC装置能识别的数据格式，并按约定的格式存放在指定的内存中。 译码通过译码程序来完成，即译码程序以程序段为单位，处理零件程序，将其中的轮廓信息、加工速度（F代码）和辅助功能信息（M、S、T代码），翻译成便于计算机处理的信息格式，存放在指定的内存专用空间。 译码方式： 编译：编译：一次性将整个程序翻译； 解释：解释：利用空闲时间来对后面的程序段进行译码 。 翻译完

18、一个程序段，经过译码，形成图4.37所示的译码缓冲存储区存放格式。译码程序流程图见图4.38。47图4.37 译码缓冲存储区的存放格式 图4.38 译码程序流程图 48 经过译码后得到的数据，须通过刀具补偿计算，将编程轮廓或位置的数据转换成刀具中心轨迹的数据才能用于插补。 1）刀具长度补偿 在数控立式铣镗床上，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖不在原初始加工的程编位置时，必须在Z向进给中，通过伸长或缩短1个偏置值e来补偿其尺寸的变化，以保证加工深度达到原设计位置，见图4.39。 刀具长度补偿由准备功能G43、G44、G49以及H代码指定。 图4.39 刀具长度补偿49 2）刀具半径补偿 数控装置能

19、使刀具中心自动从零件实际轮廓上偏离一个指定的刀具半径值 。 根据ISO规定，当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的编程轨迹右边时，称为右刀补，用G42表示； 反之称为左刀补，用G41表示； 撤销刀具半径补偿用G40表示。图4.39 刀具半径补偿 刀补仅在指定的二维坐标平面内进行。 平面的指定由代码：G17（X-Y平面）； G18（Y-Z平面）； G19（Z-X平面）。50 1）B功能刀具半径补偿 它仅根据本段程序的轮廓尺寸进行圆本段程序的轮廓尺寸进行圆弧过渡弧过渡，计算刀具中心的运动轨迹。一般数控系统的轮廓控制通常仅限于直线与圆弧。 对于直线对于直线，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的一条直线，只