数控技术及其应用(第2版)PPT全套课件

1、数控技术及其应用数控技术及其应用第一章第一章 绪论绪论第一章 绪论 数控技术是通过计算机用数字化信息控制生产过程的自动化技术，它综合了计算机、自动控制、自动检测、精密测量和精密机械等高新技术，由各种技术相互交叉、渗透、有机结合而成的一门综合科学。 本章将简要介绍数控技术的相关概念、数控技术的发展过程、数控机床的特点和分类及其发展过程等知识，为后面的学习进行全貌性的概览。1.1 数控技术的基本概念1.1.1 数控技术 数字控制（Numerical Control，NC）技术简称数控技术，顾名思义就是以数字的形式实现控制的一门技术。如果一种设备的操作命令是以数字的形式来描述，工作过程是按照规定的程

2、序自动地进行，那么这种设备就称为数控设备。数控机床、数控火焰切割机、数控绘图机、数控冲剪机等都是属于这个范围内的自动化设备。 图纸控 制计算机伺服机构数控设备ABCDEF数控设备的一般形式 目前，选用数控设备主要考虑3种因素：即单件、中小批量的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁，生产周期要求短的加工。1.1.2 数控机床及其加工原理 数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信

3、号，控制机床的动作，按图样要求的形状和尺寸自动地将零件加工出来。 程 序 载 体控制器输 入存储器CPU输出数控装置伺服系统执行机构伺服系统机床主机切削驱动装置测量装置图 样 数控机床的加工过程1数控加工程序2数控装置（1）输入装置（2）信息处理（3）输出装置3伺服系统和测量反馈系统4机床主体5数控机床的辅助装置1.1.3 数控机床的适用范围 数控机床是一种可编程的通用加工设备，但是因设备投资费用较高，还不能用数控机床完全替代其他类型的设备，因此，数控机床有其一定的适用范围。数控机床最适宜加工以下类型的零件。（1）生产批量小的零件（100件以下）。（2）需要进行多次改型设计的零件。（3）加工精

4、度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类零件。（4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件。（5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废，将产生巨大的经济损失。1.2 数控技术的发展 自从美国帕森公司（Parsons Co）和麻省理工学院（M.I.T）于1952年合作研制成第一台三坐标数控铣床以来，数控系统无论在内部结构还是在外观上都发生了急剧的变化。它的发展已经历了五代，即从第一代采用电子管、继电器，到第二代采用晶体管分立元件、第三代采用集成电路、第四代采用小型机数控，一直到1974年出现了第一台微处理器数控而进入第五代。 据统计，1976年的数控装

5、置与1966年的相比，在功能范围方面扩大了一倍，体积缩小到原来的1/20，而价格也降到了原来的1/4。 20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元以及柔性制造系统，它们被认为是实现计算机集成制造系统的基础。 当前数控技术正向着以下几个方面发展。1计算机数控2计算机直接数控3以模块概念为基础的柔性制造系统4计算机集成制造系统1.3 数控机床的特点及其分类1.3.1 数控机床的特点数控机床与普通机床相比较，具有以下6个特点。1自动化程度高 2加工精度高3生产率高4对加工对象适应性强5易于建立计算机通信网络6有利于生产管理的现代化 1.3.2 数控机床的分类1按工艺用途分类（1）金属切削类数控机

6、床（2）金属成型数控机床（3）数控特种加工机床2按运动方式分类（1）点位控制数控机床（2）点位直线控制数控机床（3）轮廓控制数控机床 数控系统控制方式（a） （b） （c）3按控制方式分类（1）开环控制系统（2）半闭环控制系统（3）闭环控制系统NC程序输入装置CNC装置工作台伺服驱动电路步进电机典型的开环控制系统框图NC程序输入装置CNC装置比较器放大器D.C（A.C）工作台位置检测位置检测半闭环控制系统框图NC程序输入装置CNC装置比较器放大器伺服机构位置检测反馈闭环控制系统框图4按数控系统的功能水平分类（1）低档机床 这类机床的技术指标通常为：脉冲当量0.010.005 mm，快进速度41

7、0 m/min，开环，步进电机驱动，用数码管或简单CRT显示，主CPU一般为8位或者16位。（2）中档数控机床 其技术指标常为：脉冲当量0.0050.001 mm，快进速度1524 m/min，伺服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可以显示字符和图形，人机对话，自诊断等，主CPU一般为16位或32位。（3）高档数控机床 其技术指标常为：脉冲当量0.0010.0001 mm，快进速度15100 m/min，伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。1.4 数控机床和数控系统的发展1高速、高精度化2开放

8、式3智能化（1）在数控系统中引进自适应控制技术（2）设置故障自诊断功能 （3）具有人机对话自动编程功能（4）应用图像识别和声控技术4复合化5高可靠性6多种插补功能7友好的人机界面（1）现代数控机床具有丰富的显示功能。（2）丰富的编程功能。（3）方便的操作。（4）多种方便编程的固定循环。（5）系统具有多种管理功能（6）PLC程序编制方法的增加。（7）帮助功能。数控技术及其应用数控技术及其应用第二章第二章 计算机数控系统计算机数控系统第二章 计算机数控系统 计算机数控（Computer Numerical Contro1，CNC）系统是一种包含存储程序在内的专用数控系统。 本章将简要介绍计算机数控

9、系统的硬件结构、软件结构、数控用可编程控制器以及开放式数控系统的结构和特点等内容。2.1 概 述 计算机数控系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数字控制功能。所以，CNC又称为存储程序数字控制或软件数字控制，它是由一台专用计算机来代替以前由机床控制单元（MCU）所实现的某些或全部硬件功能，也就是说，CNC是用一台计算机控制一台数控设备。 计算机数控系统是由硬件和软件两部分组成的。计算机数控系统本体称为硬件，而与之相对应的数控系统控制程序称为控制软件。硬件和软件的关系是非常密切，两者缺一不可的。没有硬件，软件就不能成立；没有软件，硬件便无法工作。因此高性能的数控系统必须具备高性能

10、的硬件和高性能的软件。2.1.1 CNC系统的组成 CNC系统是20世纪70年代发展起来的新型机床数控系统，它用一台计算机代替先前硬件数控所完成的功能。所以，它是一种包含计算机在内的数控系统。其原理是根据计算机存储的控制程序执行数控功能。数控系统分为点位控制和轮廓控制系统，点位控制系统比较简单（如钻、镗），轮廓控制系统比较复杂、功能齐全，有的还包括了点位控制功能的内容。这里主要介绍轮廓控制系统。 CNC数控系统由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元和速度控制单元等组成。 数控系统的核心是计算机数控装置。随着半导体技术、计算机和计算技术的发展，现代数控装置以微型计

11、算机数控装置（MNC）为主体，统称为CNC装置。使用微处理机和微型计算机后，使得CNC装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，其优越的性能价格比，推动了数控机床的发展。主 轴电 机机 床进 给电 机位置检测 器程序输入设备PLCCNC装置主轴控制单元速度控制单元输出设备CNC系统框图2.1.2 CNC系统的工作过程 CNC装置以存储程序方式工作，它的工作是在硬件支持下执行软件的全过程。 1输入 输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。输入的方式有阅读机纸带输入、键盘手动输入、磁盘输入、光盘输入、通信接口（串口）输入以及连接上级计算机的DNC（直接数控）接口输入。CNC装置在输入过

12、程中还要完成校验和代码转换等工作。输入的全部信息存放到CNC装置的内部存储器中。2译码 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）、加工速度（F代码）和其他的辅助信息（MST代码等）。CNC装置以按一个程序段为单位，根据一定的语言规则翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间，在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查等工作，发现错误立即报警。3数据处理数据处理包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。（1）刀具补偿分刀具长度补偿和刀具半径补偿两种。通常CNC装置的零件加工程序是以零件轮廓轨迹来编程的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀

13、具中心轨迹。现代CNC装置中，刀具补偿工作还包括程序段之间的自动转接和过切削判断。（2）速度计算是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。在有些CNC装置中，软件的自动加减速也是在这里处理。辅助功能如换刀、主轴启停、冷却液开停等大部分都是开关量信号，这里的主要工作是识别、存储、设标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部件执行这些动作。4插补 插补的任务是通过插补计算程序在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干

14、个插补周期后，插补加工完一个程序段，即完成从程序段起点到终点的“数据密化”工作。具体方法是，在一个插补周期内，计算出一个微小数据段的各坐标分量（如x，y），经过若干插补周期，可以计算出从起点到终点之间的若干个微小直线数据段。每个插补周期所计算出的微小直线段都应足够小，以保证轨迹精度。 目前在一般的CNC装置中，仅能对直线、圆弧和螺旋线进行插补计算。在一些专用的或较高档的CNC装置中还能完成对椭圆、抛物线、正弦线和一些特殊曲线的插补计算。插补计算实时性很强，要尽量缩短一次插补运算的时间，以便更好地处理其他工作，并使进给的最大速度得以提高。5位置控制 位置控制可以由软件来实现，也可以由硬件完成。它

15、的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。在位置控制中，还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。6I/O处理 I/O处理主要是处理CNC装置与机床之间的强电信号的输入。7显示 CNC装置的显示主要是为操作者提供方便，通常有零件加工程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等，高档CNC装置中还有刀具加工轨迹的静、动态图形显示以及在线编程时的图形显示等。8诊断 现代CNC装置都具有联机和脱机诊断能力。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。这种自诊断程序融合在各个部分中，随时检查

16、不正常的事件。脱机诊断是指系统不工作，但在运转条件下的诊断，一般的CNC装置配备有各种脱机诊断程序纸带，以检查存储器、外围设备、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远程通信方式进行，即把用户的CNC装置通过电话线与远程通信诊断中心的计算机相连，由诊断中心的计算机对CNC装置进行诊断、故障定位和修复。2.2 CNC系统的硬件体系结构 CNC装置由软件和硬件两大部分组成，硬件按其结构的不同通常分为单微处理器结构和多微处理器结构两种。单微处理器结构多用于早期的CNC装置或现有的经济型CNC装置中；而多微处理器结构则多用于高档的、全功能型的CNC装置中，可实现数控机床的高进给速度、高加工精度和复杂功能的要

17、求。本节主要讲述这两种硬件结构的特点和组成。1单微处理机CNC装置的结构 单微处理器的CNC装置内一般只有一个中央处理器（CPU），有的CNC装置内虽然有多个CPU，但只以一个CPU为核心，由它控制总线和访问主存储器，其他的CPU只是辅助的专用智能部件。因此，这种CNC装置也被归为单微处理机结构一类。 所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时处理数控的各个任务。 单微处理器的CNC装置由计算机部分、位置控制部分、数据输入/输出等各种接口及外围设备组成。 单微处理器结构的CNC装置中，不仅包括微型计算机系统的基本结构：微处理器和总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口

18、等，还包括数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、手动输入接口、穿孔机和纸带阅读机接口以及其他选件接口等。PLC（或PLC接口）纸带输入机接口穿孔机接口RS232 - C接口盒式磁带机接口选件接口CRT/MDT接口手动接口ROMRAMCPU位控单元主轴输出总线单微处理机结构2多微处理器CNC装置的结构 在多微处理机结构中，由两个或两个以上的微处理器来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理器共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，从而将在单微处理器的CNC装置中顺序完成的工作转变为多微

19、处理器并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。 多微处理机CNC装置与单微处理机的相比，具有如下特点。 （1）性能价格比高。 （2）良好的适应性和扩展性。 （3）可靠性高。 微处理机CNC装置采用模块化结构，使其具有可靠性高、扩展性好等特点。CNC装置中都包含有哪些模块，应根据CNC装置的功能及具体情况进行合理安装。在一般情况下，CNC装置应具有以下6种基本功能模块。 （1）CNC管理模块。 （2）CNC插补模块。 （3）PC模块。 （4）位置控制模块。 （5）输入/输出显示模块。 （6）存储器模块。 CRT/MDI操作面板图形显示模块（CPU）通讯模块（CPU）自动编程模块（

20、CPU）主存储器模块主轴控制模块位置控制模块（CPU）PC功能模块（CPU）CNC插补模块（CPU）I/O单元主轴放大器及电机伺服放大器及电机多CPU共享总线结构框图2.3 CNC系统的软件结构2.3.1 概述 CNC系统是一个多任务的实时控制系统，即应能对信息快速处理和响应。一个实时系统包括受控系统和控制系统两大部分。受控系统由硬件设备组成，如电动机及其驱动；控制系统（这里为CNC装置）由软件及其支持的硬件组成，共同完成数控功能。 在CNC装置中，数控的基本功能由多个功能模块执行。在许多情况下，某些功能模块必须同时运行，这是由具体的加工控制要求所决定的。如前所述，CNC系统软件分为管理软件和

21、控制软件两大部分，这两大部分经常是同时工作的。译码刀具补偿速度处理插补位置控制输入显示位控I/O诊断任务的并行处理2.3.2 CNC装置软件结构 CNC装置的软件是为完成CNC系统的各项功能而专门设计和编制的专用软件，也称为系统软件。不同的系统软件可使硬件相同的CNC装置具有不同的功能。CNC装置的系统软件包括两大部分：管理软件和控制软件。管理软件包括：输入、I/O处理、通信、显示、诊断和零件加工程序的编制管理等软件。控制软件包括：译码、刀具补偿、速度处理插补和位置控制等软件。CNC装置的软件结构，无论其硬件是单微处理机结构，还是多微处理机结构，都具有多任务并行处理和实时中断两个特点。 下面对

22、多任务并行处理和实时中断进行讲述，并用经济型数控系统软件结构举例说明。1多任务并行处理CNC装置管理输入控制I/O处理通讯显示位置控制诊断译码刀具补偿速度处理插补 CNC装置的软件任务分解 所谓并行处理是指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的工作。并行处理的最大优点是提高了运算速度。在CNC装置的软件结构中，主要采用两种并行处理方法：资源分时共享和资源重叠的流水处理。资源分时共享是使多个用户按时间顺序使用同一套设备；资源重叠的流水处理是使多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用同一套设备的几个部分。 两种并行处理方法：（1）资源分时共享并行处理（2）资源重叠流水并行

23、处理 显示诊断I/O处理输入插补准备键盘位控插补初始化中断优先级由高到低CNC装置各任务分时共享CPU的时间分配 (a)顺序处理资源重叠流水处理（b）流水处理2实时中断处理 CNC装置软件结构的另一特点是实时中断处理。CNC装置的多任务性和实时性决定了中断成为整个CNC系统不可缺少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。下面简要介绍CNC系统的中断类型和中断结构模式。（1）CNC系统的中断类型。 外部中断： 纸带光电阅读器中断、外部监控中断（如紧急停、量仪 到位等）和键盘 操作面板输入中断。 内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。 硬件故

24、障中断：硬件故障中断是各硬件故障检测装置发出的中断，硬 件故障如存储 器出错、定时器出错、插补运算超等。 程序性中断：程序性中断是程序中出现异常情况的报警中断，异常情 况如各种溢出、除零等。（2）CNC系统的中断结构模式。 前后台软件结构中的中断模式。 中断型软件结构中的中断模式。 （3）经济型数控系统软件结构。 监控程序。 数据处理程序。 加工程序。 前后台结构背景程序初始化实时中断程序开环CNC系统软件数据处理程序加工程序监控程序数制转换G功能数值计算函数运算尺寸变换M功能间隙补偿刀具补偿速度计算插补计算步进电动机控制编译程序键盘控制显示控制输入输出通信开环数控系统软件组成 经济型数控软件

25、结构常见的有两种：第一种是中断式结构，把插补安排在中断服务程序中，将准备工作放在后台程序中处理；第二种是流水式结构，按加工顺序安排软件流程。 中断式结构的整个程序以加工子程序为中心。主程序的主要任务是在执行了初始化程序之后调用加工子程序。在加工子程序中将插补分为直线、圆弧等处理模块，根据程序段的内容判别加工性质并分别处理。中断服务程序安排在插补程序中，中断一次输出一个脉冲，使步进电动机运行一步，因此中断周期决定了进给速度。 流水式结构软件的特点是按照加工流程安排软件的先后顺序。整个程序由系统初始化、显示、对步进电动机进给方向的判定、对步进电动机进行速度的判定、进给量变换为脉冲个数的换算、各种加

26、工类型的判别与处理等程序组成。 2.3.3 速度计算和加减速控制1进给速度计算 进给速度的计算因系统不同，方法有很大差别。在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制向步进电机输出脉冲的频率来实现的，速度计算的方法是根据编程的F值来确定该频率值。在半闭环和闭环系统中，采用数据采样方法进行插补加工，速度计算是根据编程的F值，将轮廓曲线分割为采样周期的轮廓步长。（1）开环系统进给速度的计算 在开环系统中，每输出一个脉冲，步进电机就转过一定的角度，驱动坐标轴进给一个脉冲对应的距离（称为脉冲当量），插补程序根据零件轮廓尺寸和编程进给速度的要求，向各个坐标轴分配脉冲，脉冲的频率决定了进给速度。进给速度F（mm

27、/min）与进给脉冲频率f的关系为F=f60 式中：脉冲当量，mm。则 60Ff 两轴联动时，各坐标轴速度为式中：ux、uyx轴、y轴方向的进给速度；fx、fyx轴、y轴方向的进给脉冲频率。合成速度（即进给速度）v为 ux=60fx 22xyvvvF 进给速度要求稳定，故要选择合适的插补算法（原理）以及采取稳速措施。（2）半闭环和闭环系统进给速度的计算 在半闭环和闭环系统中，速度计算的任务是一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。 直线插补。 首先求出刀补后一个直线段（程序段）在x和y坐标上的投影Lx和Ly 式中：、刀补后直线段终点坐标值； 刀补后直线段起点坐标值。 0 xeLxx0yeL

28、yy0 x0y、 exey、 速度处理接着计算直线段的方向余弦一个插补周期的步长为式中：F编程给出的合成速度，mm/min；t插补周期，ms；L每个插补周期小直线段的长度，m。各坐标轴在一个采样周期中的运动步长为 或cosxLLcosyLL160LF t coscos /60 xLFt sinsin /60yLFt coscos /60yLFt 圆弧插补。 由于采用的插补原理不同，插补算法不同，将算法步骤分配在速度计算中还是插补计算中也不相同。坐标轴在一个采样周期内的步长为:式中：R圆弧半径，mm； 、 圆心相对于第i-1点的坐标； 第i点和第i-1点连线与x轴的夹角（即圆弧上某点切线方向、进

29、给速度方向与x轴夹角）； 速度计算 11cos /6060iiidiF tJxFtJR11sin /6060iiidiF tIyFtIR1iI1iJ i 步长分配系数（也叫速度系数），它与圆弧上一点的I、J值的乘积，可以确定下一插补周期的进给步长。 还可表示为式中： 进给速率表示的速度代码，直线插补时， 。 ddRN160dFtRNFFRRNFFL2进给速度控制进给速度与加工精度、表面粗糙度和生产率有密切关系。要求进给速度稳定，有一定的调速范围。在CNC装置中，可用软件或软件与接口硬件配合来实现进给速度控制。 （1）程序计时法。 （2）时钟中断法。 3数据采样系统的CNC装置加减速控制 在CN

30、C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，必须对进给电机进行加减速控制。加减速控制多数采用软件来实现，这样给系统带来很大的灵活性。加减速控制可以在插补前进行，也可以在插补后进行。在插补前进行的加减速控制称为前加减速控制；在插补后进行的加减速控制称为后加减速控制。 前加减速控制是对合成速度编程指令速度F进行控制，所以它的优点是不影响实际插补输出的位置精度。前加减速控制的缺点是需要预测减速点，而这个减速点要根据实际刀具位置与程序段终点之间的距离来确定，这种预测工作需要完成的计算量较大。 后加减速控制是对各运动轴分别进行加减速控制，不需要预测减速点，在插补输出为零时开始减速，

31、并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序段终点。后加减速控制的缺点是，由于它对各运动坐标轴分别进行控制，实际的各坐标轴的合成位置就可能不准确。但这种影响仅在加减速过程中才会有，当系统进入匀速状态时，这种影响就不存在了。（1）前加减速控制 进行前加减速控制，首先要计算出稳定速度和瞬时速度。所谓稳定速度，就是系统处于稳定进给状态时，每插补一次（一个插补周期）的进给量。在数据采样系统中，零件加工程序段中速度命令（或快速进给）的F值（mm/min）需要转换成每个插补周期的进给量。另外，为了调速方便，设置了快速和切削进给两种倍率开关。稳定速度的计算公式如下式中： 稳定速度，mm/min；T插补周期，ms；F编程

32、指令速度，mm/min；K速度系数，它包括快速倍率、切削进给倍率等。g60 100TKFv vg 稳定速度计算完之后，进行速度限制检查，如果稳定速度超过由参数设定的最高速度，则取限制的最高速度为稳定速度。 所谓瞬时速度，即系统在每个插补周期的进给量。当系统处于稳定进给状态时，瞬时速度vivg ；当系统处于加速（或减速）状态时，vivg（或vivg） 。 线性加减速处理 当机床启动、停止或在切削加工中改变进给速度时，系统自动进行加减速处理，常用的有指数加减速、线性加减速和钟形加减速等。现以线性加减速为例说明其计算方法。 加减速率分为快速进给和切削进给两种，它们必须由机床参数预先设定好。设进给速度

33、为F（mm/min），加速到F所需要的时间为t（ms），则加减速度am/（ms）2可按下式计算 加速时，系统每插补一次都要进行稳定速度、瞬时速度和加减速处理。当计算出的稳定速度vg大于原来的稳定速度vg时，则要加速。每加速一次，瞬时速率为 新的瞬时速度vi+1参加插补计算，对各坐标轴进行分配。21.67 10Fat1iivvaT 加速处理框图 减速时，系统每进行一次插补计算，都要进行终点判别，计算出离开终点的瞬时距离Si，并根据本程序的减速标志，检查是否已到达减速区域S，若已到达，则开始减速。当稳定速度vg和设定的加减速度a确定后，减速区域S可由下式求得 若本程序段要减速，其SiS，则设置减速

34、状态标志，开始减速处理。每减速一次，瞬时速度为 vi+1=vi-aT2g2vSa 新的瞬时速度vi+1参加插补运算，对各坐标轴进行分配。一直减速到新的稳定速度或减速到0。若要提前一段距离开始减速，将提前量S作为参数预先设置好，由下式计算22gvSSa置减速状态标志vi+1=vi-aT出口计算减速区域S=vg2/2a+S是减速状态Si=S入口计算离终点瞬时距离SiNN 减速处理框图 终点判别处理在每次插补运算结束后，系统都要根据求出的各轴的插补进给量来计算刀具中心离开本程序段终点的距离Si，然后进行终点判别。在即将到达终点时，设置相应的标志。若本程序段要减速，则还需要检查是否已到达减速区域并开始

35、减速。直线插补时Si的计算应用公式如下1iixxx1iiyyy 计算其各坐标分量值，取其长轴（如x轴），则瞬时点A离终点P的距离Si为式中：x轴（长轴）与直线的夹角。1|cosiiSxx直线插补终点判别 圆弧插补时Si的计算分圆弧所对应圆心角小于和大于两种情况。 小于 时，瞬时点离圆弧终点的直线距离越来越小，A（x，y）为顺圆插补时圆弧上某一瞬时点，P（x，y）为圆弧的终点；AM为A点在x方向上离终点的距离，|AM|=|x-xi|；MP为A点在y方向上离终点的距离，|MP|=|y-yi|，|AP|=Si。以MP为基准，则A点离终点的距离为 大于时，设A点为圆弧AD的起点，B点为离终点的弧长所对

36、应的圆心角等于时的分界点，C点为插补到离终点的弧长所对应的圆心角小于的某一瞬时点。显然，此时瞬时点离圆弧终点的距离Si的变化规律是：当从圆弧起点A开始插补到B点时，Si越来越大，直到Si等于直径；当插补越过分界点B后，Si越来越小。为此，计算Si时首先要判别Si的变化趋势。Si若是变大，则不进行终点判别处理，直到越过分界点；若Si变小，再进行终点判别处理。圆弧插补终点判别11|coscosiiSMPyy（2）后加减速控制 后加减速常用的有指数加减速和直线加减速，下面介绍指数加减速控制算法。 指数加减速控制的目的是将启动或停止时的速度突变，变成随时间按指数规律上升或下降。指数加减速的速度与时间的

37、关系为后加减速常用的有指数加减速和直线加减速，下面介绍指数加减速控制算法。 指数加减速控制的目的是将启动或停止时的速度突变，变成随时间按指数规律上升或下降。指数加减速的速度与时间的关系为 加速时： 匀速时： 减速时： 式中：T时间常数；vc稳定速度。 1c( )(1e )Tv tvc( )v tv1c( )eTv tv 指数加减速 其中t表示采样周期，它在算法中的作用是对加减速运算进行控制，即每个采样周期进行一次加减运算。误差寄存器E的作用是对每个采样周期的输入速度v与输出速度vc之差（vc-v）进行累加；累加结果一方面保存在误差寄存器中，另一方面与1/T相乘，乘积作为当前采样周期加减速控制的

38、输出v0。同时v又反馈到输入端，准备下一个采样周期重复以上过程。 上述过程可以用迭代公式来实现：其中：E、vi分别为第i个采样周期误差寄存器中的值和输出速度值，且迭代初值v0、E为0。误差寄存器E1/Tvcv 指数加减速控制算法的原理1c0()iikkEvvt1iivET2.3.4 插补程序、位置控制和故障诊断 1插补程序 插补计算程序是实时性很强的程序，它的任务是在轮廓轨迹经过刀补处理，得到已知起点和终点的刀具中心轨迹曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据进给速度计算的微小直线段，算出一个微小直线的各坐标分量x和y。经过若干个插补周期，可以计算出从

39、起点到终点之间的若干个微小直线数据段（x1，y1），（x2，y2），（xn，yn），每个插补周期所计算出的微小直线数据段都足够小，与逼近轮廓的误差在允许范围内，以保证轨迹的精度。 由于插补原理的不同，插补算法也不同，即计算x和y的方法不同。好的插补算法应该具有逼近高精度和计算速度快两个特点。目前，CNC装置以软件的数据采样插补为主要方法，随着计算机技术和数控技术的发展，插补方法会在软硬件结合上得到更大的发展。2位置控制 位置控制处在伺服系统的位置环上。这部分工作可以由软件来完成，也可以由硬件完成。位置控制软件主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制

40、电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。插补位置控制速度控制电机测量位置控制 3故障诊断 完善的诊断程序是现代CNC装置的特点之一。为了保证系统有较高的利用率，除了重视提高系统的可靠性外，还要有良好的维修功能，即故障诊断能力。随着CNC装置的发展，诊断功能越来越强，诊断软件越来越完善，形成了一套完整的诊断系统。 CNC装置的故障诊断利用装置中的计算机进行，通过软件来实现。诊断程序可包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障部位；还可以通信诊断，由通信

41、诊断中心运行诊断程序，指示操作者进行某些试运行从而进行诊断。2.4 数控用可编程控制器 自从美国DEC公司于1969年研制出世界上第一台可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以来，它前后经历了形成期（19701974）成熟期（19731978年）发展（19771984）3个阶段的发展。随着技术的进步，它在原PLC的基础上，与先进的微机控制技术相结合而发展成一种崭新的工业控制器，其控制功能已远远超出逻辑控制的范畴，因而又被命名为可编程序控制器（Programmable Controller，PC）。但为了区别于个人计算机（Personal Comp

42、uter，PC），其简称仍沿用PLC。 国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器的国际标准草案，对PLC定义如下：“可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程，可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”2.4.1 可编程控制器的性能指标 选用可编程控制器时，应根据机床的控制要求，来考虑PLC相应的各项性能指标。通常PLC主要有下述几项性能指标

43、。（1）输入/输出（I/O）接点数。 （2）所用CPU和处理速度。 （3）存储器类型和容量。 （4）指令与功能。 （5）编程语言。 2.4.2 可编程控制器的类型 可编程控制器按其I/O接点数的多少、存储器容量的大小、指令多少及其功能的强弱，大致可分为微、小、中、大等几类。所谓大小的界限是相对的，不同的时期划分的标准也会有所不同。按数控机床CNC系统中所用的结构，PLC又分为内装型和独立型两类。1按I/O总点数分类（1）微型PLC。I/O总点数为20128点。（2）小型PLC。I/O总点数为128512点。（3）中型PLC。I/O总点数为5121024点。（4）大型PLC。I/O总点数为102

44、58192点。（5）超大型PLC。I/O总点数大于8192点。2按机床CNC系统中所用PLC的结构分类（1）内装型PLC。内装型PLC是指PLC包含在CNC系统中，它从属于CNC系统，与其装于一体，成为集成化不可分割的一部分。内装型PLC与一般的工业控制PLC相比，有其特殊之处。因此，在数控机床的研究开发和生产中，又作为一个独立的分支。PLCNC接口电路I/OMDI/CRT面板机床操作面板强电电路主轴驱动单元伺服驱动单元辅助动作换刀动作冷却、排屑主轴电动机伺服电动机CNCPLC 内装型PLC与CNC机床的关系（2）独立型PLC。机床用独立型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内，它的CP

45、U、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通信等均设计成独立的模块。独立型PLC，主要用于FMS、CIMS形式中的CNC机床，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。 NCPLCI/OMDI/CRT面板机床操作面板强电电路主轴驱动单元伺服驱动单元辅助动作换刀动作冷却、排屑主轴电动机伺服电动机I/OI/O接 口 电 路接 口 电 路接 口 电 路PLC装置独立型PLC与CNC机床的关系2.4.3 可编程控制器的结构PLC的结构包括硬件和软件两大部分。（1）CPU （2）存储器（3）输入/输出模块 （4）编程器 电源CPU编程器电池内存RAMEPROM用户程序EPR

46、OM系统程序总线输入/输出模块现场输入/输出图2-21 PLC结构框图2.4.4 PLC用户控制程序的编制方法 由于PLC的硬件结构不同，功能也不尽相同，因此控制程序的编制方法也不同。具体编程时，应根据所选用的PLC编程手册进行，这里介绍两种最常用的编程法。1梯形图支路1支路2支路3梯级1梯级2ABCAA1.01.2120.11.3120.11.41.5120.2AEFPLC的梯形图 用梯形图（Ladder Diagram，LD）编程与传统的继电器电路图的设计相似，用电路元件符号来表示控制任务直观易理解。该接点梯形图由表示常开接点、常闭接点和继电器线圈的相应符号及地址构成，它们按一定的逻辑关系

47、（如图中的并联为“或”关系，串联为“与”关系）组成了一个顺序控制程序。 梯形图两边的母线与继电器电路相似，但它不同于继电器电路。这两条母线没有电源，当控制接点全部接通时，并没有电流在梯形图中流过；在分析梯形图工作状态时，沿用了继电器电路分析的方法，流过梯形图的“电流”是一种虚拟电流。可见，梯形图只描述了电路工作的顺序和逻辑关系。2语句表 语句表也称指令表（Instruction List，IL）。用指令语句编程时，要理解每条指令的功能和用法。每一个语句含有一个操作码和一个操作数部分。操作码表示要执行的功能类型，操作数表示到哪里去操作，它由地址码和参数组成，若采用指令语句：RDA1.0ORR11

48、20.1AND,NOTB1.2ANDC1.3WRTR1120.1RDE1.4AND,NOTF1.5WRTR2120.2 其中RD、OR、AND、NOT、WRT为指令语句的操作码，其含义分别为读、或、与、非、写，而A、1.0、R1、120.1、B、1.2为操作数。这种编程方法紧凑、系统化，但比较抽象，有时先用梯形图表达，然后写成相应的指令语句输入。对于简易编程器，可以通过键盘输入语句表，将用户程序送入PLC；但对图形编程器，则可直接用梯形图编程。2.4.5 PLC的工作过程和程序执行特点1PLC的工作过程 PLC的基本工作方式是对用户程序的循环扫描并顺序执行。所谓扫描与顺序执行是说，只要PLC接

49、通电源，CPU就对用户存储器的程序进行扫描，即从第一条用户程序开始，顺序执行，直到用户程序的最后一条，形成一个扫描周期，周而复始。用梯形图形象地说就是从上至下，从左至右，逐行扫描执行梯形图所描述的逻辑功能。每扫描一个周期，CPU进行输入点状态采集、用户程序逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行。当有编程器接入PLC时，CPU还要对编程器的在线输入信号进行响应，并更新显示。CPU还要对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用的定时器进行复位。完成自检后，CPU又从首地址重新开始扫描运行。 PLC对用户程序的扫描执行过程可分为3个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。输入采样阶段是以扫描方式，顺序

50、读取所有输入端的开关状态，并存入映像寄存器中。接着转入程序执行阶段，即按梯形图逻辑从左至右，从上至下，对每条指令进行扫描，并从输入映像区读入相应输入状态，进行逻辑运算。运算结果送入输出映像寄存器。当指令全部执行完毕，即进入输出刷新状态。此时，CPU将输出映像寄存器的状态转至输出锁存电路，再驱动相应的输出继电器线圈接通或断开，实现了对外界执行元件的控制。 值得注意的是，在输入状态扫描采样完成后，进入后两个阶段时，若输入信号状态发生了变化，如原先是接通，现在断开了，这时输入映像区的状态并不会发生变化。这种新状态只能在下一轮输入采样阶段才能被读入输入映像区。2PLC程序执行的特点 PLC程序执行与继

51、电器电路不同，需引起程序设计师的特别注意。 由于PLC要求很强的抗干扰措施，所以其输入/输出电路接入了多种抗干扰电路或滤波电路，引入了执行程序的时滞现象。又由于执行程序是按工作周期顺序进行等原因，也使输入输出间的响应发生了时滞现象。对一般的工业控制，这种时滞是允许的。但对某些设备的某些信号若要作快速响应时，这一些PLC就应采用高速响应的输入/输出模块，或将用户顺序程序分为快速响应的高级程序和一般响应的低级程序两类。另外，由于PLC采用循环扫描和顺序执行程序方式，这和继电器电路执行方式大不相同，致使PLC和继电器处理某些电路时，会有不同的运行结果，这在梯形图设计时要特别注意。否则，设计出的梯形图

52、，用继电器逻辑分析看似可行，但一经过PLC执行就会出现问题。2.5 开放式数控系统的结构与特点 传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，存在很多问题。 开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型的数控系统，开发周期大大缩短。 要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的

53、标准。国际上一些工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规范，使得控制系统软硬件与供应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面风格和可维护性以取得产品的柔性、降低产品成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时间。2.5.1 开放式数控系统所具有的主要特点1软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本2数控系统与驱动和数字I/O（PLC的I/O）连接的发展方向是现场总线3网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求2.5.2 开放式结构数控系统应用1系统组成 该系统是一个基于标准PC硬件平台和Linux与RTLinux结合的软

54、件平台之上，设备驱动层采用现场总线互联、与外部网络或Intranet采用Internet联接，形成一个可重构配置的纯软件化结合多媒体和网络技术的高档开放式结构数控系统平台。 该平台数控系统运行于没有运动控制卡的标准PC硬件平台上，软件平台采用Linux和RTLinux结合，一些时间性要求严格的任务，如运动规划、加减速控制、插补、现场总线通信、PLC等，由RTLinux实现，而其他一些时间性不强的任务在Linux中实现。 基于标准PC的控制器与驱动设备和外围I/O的连接采用磁隔离的高速RS-422标准现场总线，该总线每通道的通信速率为12 Mbps时，采用普通双绞线通信距离可达100 m。主机端

55、为PCI总线卡，有4个通道（实际现只用两个通道一个通道连接机床操作面板，另一通道连接设备及I/O），设备端接口通过DSP芯片转换成标准的电动机控制信号。每个通道的控制节点可达32个，每个节点可控制一根轴（通过通信协议中的广播同步信号使各轴间实现同步联动）或一组模拟接口（测量接口，系统监控传感器接口等）或一组PLC I/O（最多可达256点），PLC的总点数可达2048点。2系统主要特点（1）控制器具有动态地自动识别系统接口卡的功能，系统可重配置以满足不同加工工艺的机床和设备的数控要求，驱动电动机可配数字伺服、模拟伺服和步进电动机。（2）网络功能。通过Internet（价格昂贵，缺乏广泛的支持M

56、AP协议）实现数控系统与车间网络或Intranet/Internet的互联，利用TCP/IP协议开放数控系统的内部数据，实现与生产管理系统和外部网络的高速双向数据交流。具有常规DNC功能（采用百兆网其速率比传统速率为112 Kbps的232接口DNC快将近1000倍）、生产数据和机床操作数据的管理功能、远程故障诊断和监视功能。（3）系统除具有标准的并口、串口（RS-232）、PS2（键盘、鼠标口）、USB接口、Internet接口外，还配有高速现场总线接口（RS-422）、PCMCIA IC Memory Card（Flash ATA）接口、红外无线接口（配刀具检测传感器）。（4）显示屏幕采用

57、12.1英寸TFT-LCD。采用统一用户操作界面风格，通过水平和垂直两排共18个动态软按键满足不同加工工艺机床的操作要求，用户可通过配置工具对动态软按键进行定义。垂直软按键可根据水平软按键的功能选择而改变，垂直菜单可以多页。（5）将多媒体技术应用于机床的操作、使用、培训和故障诊断，提高机床的易用性和易维护性，降低使用成本。多媒体技术提供使用操作帮助、在线教程、故障和机床维护向导。（6）具有三维动态加工仿真功能，利用OpenGL技术提供三维加工仿真功能和加工过程刀具轨迹动态显示。（7）具有Nurbs插补和Look ahead自适应功能，实现任意曲线、曲面的高速插补。输出电动机控制脉冲频率最高可达

58、4 MHz（采用直接数字合成DDS IC实现），当分辨率为0.1 m时，快进速度可达24 m/s（如有需要可输出更高的频率），适合于高速、高精度加工。（8）伺服更新可达500 s（控制6轴，PIII以上CPU），PLC扫描时间小于2 ms。（9）PLC编程符合国际电工委员会IEC-61131-3规范，提供梯形图和语句表编程。（10）采用高可靠性的工控单板机（SBC），加强软硬件可靠性措施，保证数控系统的平均无故障时间（MTBF）达到20000小时。（11）符合欧洲电磁兼容标准（Directive 89/336/EEC）4级要求。（12）数控系统本身的价格（不包括伺服驱动和电动机）可为现有同功能

59、的普及型和高档数控系统的1/2。数控技术及其应用数控技术及其应用第二章第二章 计算机数控系统计算机数控系统第三章 数控技术轨迹 控制原理 在数控机床中，机床移动部件（刀具或工件）的最小位移量是一个脉冲当量，移动部件的运动是以一个脉冲当量步进移动的，因此实际加工轨迹是折线而不是光滑曲线。也就是说，移动部件不能严格按照所要加工的工件轮廓形状运动，只能用折线近似地逼近所要加工的零件轮廓。 本章将简要介绍数控技术中轨迹控制的基本原理。3.1 概 述 所谓插补就是机床数控系统依照一定的方法确定刀具运动轨迹的过程。一般地，可以从加工零件图样上知道加工轮廓的有限坐标点（直线的起点和终点，圆弧的起点、终点、圆

60、心和半径）。数控系统在输入这些有限坐标点的情况下，根据所要加工轮廓的特征、刀具参数、进给速度和进给方向等要求，运用一定的算法，自动在轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个轮廓的轨迹运行，这就是插补完成的任务。 机床数控系统中完成插补工作的装置叫插补器，有硬件插补器和软件插补器两种。硬件插补器由数字电路构成，运算速度快但灵活性差，用在早期的数控系统中。软件插补器利用微处理器通过编写程序就可完成不同的插补任务，这种插补器结构简单、灵活易变，但运算速度较慢。现代数控系统大多采用软件插补或软、硬插补相结合的方法。尽管插补器结构不同，但插补的运算原理基