第3章数控加工的计算机控制系统

1、第章数控加工的计算机控制系统第章数控加工的计算机控制系统3.1 概述概述3.2 CNC系统的硬件结构系统的硬件结构3.3 CNC系统的软件结构系统的软件结构3.6 CNC系统的轨迹控制原理系统的轨迹控制原理3.1 概述概述数控系统（数控系统（NC）: 是早期的控制系统，将输入、是早期的控制系统，将输入、运算、插补和控制功能均采用数字逻辑电路实现的，运算、插补和控制功能均采用数字逻辑电路实现的，通常称为硬件数控系统通常称为硬件数控系统。计算机数控系统（计算机数控系统（CNC）: 主要由硬件和软件主要由硬件和软件两部分组成。通过系统软件和硬件之间的配合，合两部分组成。通过系统软件和硬件之间的配合，

2、合理的组织、管理数据信息的输入、处理、运算和输理的组织、管理数据信息的输入、处理、运算和输出，控制执行单元，使机床按照给定的要求对工件出，控制执行单元，使机床按照给定的要求对工件进行加工。进行加工。23.1.1 CNC3.1.1 CNC系统的组成系统的组成数控系统（数控系统（CNCCNC系统）系统）由数控程序、由数控程序、I/OI/O设备、数控装置（设备、数控装置（CNCCNC装装置）、可编程控制器（置）、可编程控制器（PLCPLC）、主轴驱动装置、进给伺服系统共）、主轴驱动装置、进给伺服系统共同组成的一个完整的系统，其核心是数控装置。同组成的一个完整的系统，其核心是数控装置。外部设备外部设备

3、 机床控制部分机床控制部分3.1.2 3.1.2 CNCCNC装置的主要功能有装置的主要功能有7 7、辅助功能、辅助功能 8 8、刀具管理功能、刀具管理功能 9 9、补偿功能、补偿功能 1010、人机对话功能、人机对话功能 1111、自诊断功能、自诊断功能 1212、通信功能、通信功能 1 1、控制功能、控制功能 2 2、准备功能、准备功能 3 3、固定循环功能、固定循环功能 4 4、插补功能、插补功能 5 5、进给功能、进给功能 6 6、主轴功能、主轴功能 1 1、控制功能、控制功能CNCCNC能能控制控制和能和能联动控制联动控制的进给轴数。的进给轴数。 CNCCNC的进给轴分类：的进给轴分

4、类：移动轴移动轴（X X、Y Y、Z Z）和和回转轴回转轴（A A、B B、C C）；）；附加轴附加轴（U U、V V、W W）。）。联动控制轴数越多，联动控制轴数越多，CNCCNC系统就越复杂，编程也越困系统就越复杂，编程也越困难。难。2 2、准备功能（、准备功能（G G功能）功能）指令机床动作方式的功能。如，指令机床动作方式的功能。如，G90,G00,G02,G90,G00,G02,3 3、固定循环功能、固定循环功能固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻固定循环功能是数控系统实现典型加工循环（如：钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能。丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功

5、能。4 4、插补功能、插补功能插补功能是数控系统实现零件轮廓插补功能是数控系统实现零件轮廓( (平面或空间平面或空间) )加工轨迹运加工轨迹运算的功能。算的功能。插补软件每次插补一个小线段的数据称为粗插补，插补软件每次插补一个小线段的数据称为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果将小线段分成单个脉冲的输出称伺服系统根据粗插补的结果将小线段分成单个脉冲的输出称为精插补为精插补5 5、辅助功能（、辅助功能（M M功能）功能）用于指令机床辅助操作的功能。用于指令机床辅助操作的功能。6 6、进给功能：进给速度的控制功能。、进给功能：进给速度的控制功能。进给速度：控制刀具相对工件的运动速度，单位为进给速度：控

6、制刀具相对工件的运动速度，单位为mm/min;mm/min;同步进给速度：实现切削速度和进给速度的同步，单同步进给速度：实现切削速度和进给速度的同步，单位为位为mm/r;mm/r;进给倍率（进给修调率）：人工实时修调预先给定的进给倍率（进给修调率）：人工实时修调预先给定的进给速度。进给速度。7 7、主轴功能：对主轴的控制功能。、主轴功能：对主轴的控制功能。主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能；主轴转速的控制功能；G97 S8000G97 S8000。恒线速度控制恒线速度控制刀具切削点的切削速度为恒速的刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能；控制功能；G96 S800G96 S800。主轴定向控制主

7、轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的主轴周向定位于特定位置控制的功能。功能。C C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。主轴周向任意位置控制的功能。主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速人工实时修调预先设定的主轴转速。8 8、刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和寿命的管、刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。理功能。刀具几何尺寸（半径和长度）刀具几何尺寸（半径和长度），供刀具补偿功能使，供刀具补偿功能使用；用；刀具寿命刀具寿命：时间寿命，当刀具寿命到期时，：时间寿命，当刀具寿命到期时，CNCCNC系统系统将提示用户更换刀具；将提示用户更换刀具；刀具号（刀具号（T T）

8、管理功能）管理功能：用于标识刀库中的刀具和自用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。动选择加工刀具。9 9、补偿功能、补偿功能刀具半径和长度补偿功能：刀具半径和长度补偿功能：实现按零件轮廓编制的程实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。序控制刀具中心轨迹的功能。传动链误差：传动链误差：包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。功能。非线性误差补偿功能：非线性误差补偿功能：对诸如热变形、静态弹性变形、对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等，采用AIAI、专家系统等新技术进行建模，利

9、用模型实施在线、专家系统等新技术进行建模，利用模型实施在线补偿。补偿。1010、人机对话功能、人机对话功能在在CNCCNC装置中这类功能有：装置中这类功能有：菜单结构操作界面；菜单结构操作界面；零件加工程序的编辑环境；零件加工程序的编辑环境；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。修改画面等。1111、自诊断功能：、自诊断功能：CNCCNC自动实现故障预报和故障定位自动实现故障预报和故障定位的功能。的功能。开机自诊断；开机自诊断；在线自诊断；在线自诊断；离线自诊断；离线自诊断；远程通讯诊断。远程通讯诊断。为了防止故障的发生或在发生故障

10、后可迅速查明故为了防止故障的发生或在发生故障后可迅速查明故障的类型和部位以减少停机时间障的类型和部位以减少停机时间 。1212、通讯功能：、通讯功能：NCNC与外界进行信息和数据交换的功能与外界进行信息和数据交换的功能RS232CRS232C接口，可传送零件加工程序；接口，可传送零件加工程序；DNCDNC接口，可实现直接数控；接口，可实现直接数控；MAP(MAP(制造自动化协议制造自动化协议) )模块；模块；网卡：适应网卡：适应FMSFMS、CIMSCIMS、IMSIMS等制造系统集成的要求。等制造系统集成的要求。3.2 CNC装置的硬件结构装置的硬件结构 CNC装置的硬件结构的分类装置的硬件

11、结构的分类按微处理器的个数分为：按微处理器的个数分为：单微处理器结构单微处理器结构和和多微处理器结构多微处理器结构3.2.1单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置装置 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，在单微处理器结构中，只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等显示等功能进行集中控制和分时处理。功能进行集中控制和分时处理。 单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置组成装置组成 早期的早期的CNC系统和现在一些经济型系统和现在一些经济型CNC系统都系统都采用单微处理器结构。采用单微处理器结构。单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装

12、置组成框图装置组成框图3.2.2多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置装置 多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以上微装置中有两个或两个以上微处理器，它多采用模块化结构，每个微处理器分管各自处理器，它多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。多微处理器多微处理器CNC装置一般有下面几种功能模块组成装置一般有下面几种功能模块组成。CNC管理模块管理模块位置控制模块位置控制模块CNC插补模块插补模块存储器模块存储器模块操作面板监控和显示模块操作面板监控和显示模块PLC模块模块如果如果CNC装置需要扩

13、展功能，还可以增加相应的模块。装置需要扩展功能，还可以增加相应的模块。 多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置典型结构装置典型结构 共享总线结构共享总线结构动态存储器动态存储器DRAMDRAM模块模块FROM/SRAM FROM/SRAM 模块模块系统系统ROMROM主轴控主轴控制模块制模块轴控轴控制模块制模块PMCPMC控制控制模块模块系统主系统主CPUCPU显示控显示控制模块制模块轴控制模块轴控制模块1 1 系统主系统主CPUCPU（安装在系统主板上）（安装在系统主板上） 为为3232位位/64/64位微处理器，新系统为奔腾位微处理器，新系统为奔腾CPUCPU。 2 2 动态存储器动态

14、存储器DRAMDRAM模块模块 系统运行时用来装载系统文件和用户文件。系统运行时用来装载系统文件和用户文件。 3 FROM/SRAM3 FROM/SRAM模块模块 闪存闪存FROMFROM用来存储系统文件和用户文件（系统梯形图和宏用来存储系统文件和用户文件（系统梯形图和宏控制程序）。静态存储器控制程序）。静态存储器SRAMSRAM用来存储用户文件。用来存储用户文件。 4 4 系统系统ROM ROM 用来装载系统引导文件。用来装载系统引导文件。 5 PMC5 PMC控制模块控制模块 6 6 显示控制模块显示控制模块 实现显示装置的视频信号和文字信息显示控制。实现显示装置的视频信号和文字信息显示控

15、制。 7 7 主轴控制模块主轴控制模块 实现模拟量主轴和串行数字主轴控制。实现模拟量主轴和串行数字主轴控制。 8 8 轴、轴、3/43/4轴控制模块轴控制模块 只有一个微处理器，采用集中只有一个微处理器，采用集中控制，分时处理各项任务；控制，分时处理各项任务；结构简单，容易实现；结构简单，容易实现；处理器通过总线与各个控制单处理器通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换；元相连，完成信息交换；由于只用一个微处理器来集中由于只用一个微处理器来集中控制，其功能受到微处理器字控制，其功能受到微处理器字长、数据宽度、寻址功能和运长、数据宽度、寻址功能和运算速度等因素限制；由于插补算速度等因素限制；由于

16、插补等功能由软件来实现，因此数等功能由软件来实现，因此数控功能的实现与处理速度成为控功能的实现与处理速度成为一对矛盾。一对矛盾。采用模块化结构，具有比较好采用模块化结构，具有比较好的扩展性；的扩展性；运算速度快，性能价格比高；运算速度快，性能价格比高；提供多种可供选择的功能，配提供多种可供选择的功能，配置多种控制软件，以适应多种置多种控制软件，以适应多种机床的控制；机床的控制；具有很强的通信能力，以便进具有很强的通信能力，以便进入入FMS、CIMS。特点比较：特点比较：单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置装置多微处理器结构的多微处理器结构的CNC装置装置3.3 CNC系统的软件结构系统的

17、软件结构 合理确定合理确定CNCCNC装置软件硬件的功能分担就是所装置软件硬件的功能分担就是所谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。谓的软件和硬件的功能界面划分的概念。 在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价在信息处理方面，软件与硬件在逻辑上是等价的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用的，即硬件能完成的功能从理论上讲也可以用软件来完成。软件来完成。 硬件和软件在实现各种功能时的特点硬件和软件在实现各种功能时的特点: : 硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。制的功能困难。 软件设计灵活，适应性强，但处理速度软件设计灵活，适应性强，但处理速度

18、相对较慢。相对较慢。 功能界面划分的准则：系统的性能价格比功能界面划分的准则：系统的性能价格比3.3.1 CNC装置软件结构的特点装置软件结构的特点 数控系统是一个实时多任务计算机控制系统。数控系统是一个实时多任务计算机控制系统。 特点： 1 1、多任务并行处理；、多任务并行处理； 2 2、多重实时中断。、多重实时中断。1、多任务并行处理、多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性装置的多任务性输入输入显示显示控制控制诊断诊断I/O插补插补位控位控 译译 码码 刀刀 补补速度处理速度处理任务的并行处理关系任务的并行处理关系 并行处理并行处理 并行处理并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完

19、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相同的工作。成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。 优点：是提高了运行速度。优点：是提高了运行速度。 并行处理的方法并行处理的方法：资源重复、资源共享和时间重叠。：资源重复、资源共享和时间重叠。 资源共享资源共享：根据根据“分时共享分时共享”的原则，使多个用户按时的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。间顺序使用同一套设备。 时间重叠时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。2. 实时中断处理

20、实时中断处理 实时性使任务的执行有严格的时间要求，即任务必须在规实时性使任务的执行有严格的时间要求，即任务必须在规定时间完成，否则导致执行结果错误或系统故障。所谓中定时间完成，否则导致执行结果错误或系统故障。所谓中断是计算机响应外部事件的一种处理技术，特点是能按任断是计算机响应外部事件的一种处理技术，特点是能按任务的重要程度和轻重缓急进行响应务的重要程度和轻重缓急进行响应（1）CNC系统的中断类型系统的中断类型 1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入中断。盘操作面板输入中断。 2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样

21、定时中）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。断。 3）硬件故障中断）硬件故障中断:种硬件故障检测装置发出的中断。种硬件故障检测装置发出的中断。 4）程序性中断）程序性中断:程序中出现的异常情况的报警中断。程序中出现的异常情况的报警中断。 4.3 CNCCNC系统的软件系统的软件分类：分类：前后台型结构前后台型结构 前台程序前台程序: :主要完成主要完成插补运算插补运算、位置控制位置控制、故障诊故障诊断断等等实时性很强实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。的任务，它是一个实时中断服务程序。 后台程序后台程序( (背景程序背景程序):):完成完成显示、程序编辑管理、显示、程序编

22、辑管理、系统输入系统输入/ /输出、插补预处理（译码、刀补处理、速输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理度预处理) )等等弱实时性弱实时性的任务，它是一个循环运行的的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。CNC装置两种典型的软件结构装置两种典型的软件结构 中断型软件结构中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分，其特点是除了初中断型软件结构没有前后台之分，其特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排始化程

23、序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。间的相互通信来解决。 例如例如FANUC-7M系统的系统软件就采用了这种结系统的系统软件就采用了这种结构，除了初始化程序，功能子程序分为构，除了初始化程序，功能子程序分为8级中断服务程级中断服务程序。序。二十世纪二十世纪80809090年代初的年代初的CNCCNC系统大多采用这种结构。系统大多采用这种结构。初始化初始化中断管理系统（软件中断管理

24、系统（软件+ +硬件）硬件）0 0级级中中断断服服务务程程序序1 1级级中中断断服服务务程程序序2 2级级中中断断服服务务程程序序n级级中中断断服服务务程程序序除了初始化程序之除了初始化程序之外，整个系统软件外，整个系统软件的各个任务模块分的各个任务模块分别安排在不同级别别安排在不同级别的中断服务程序中，的中断服务程序中，然后由中断管理系然后由中断管理系统（由硬件和软件统（由硬件和软件组成）对各级中断组成）对各级中断服务程序实施调度服务程序实施调度管理。管理。2 2、中断型结构模式、中断型结构模式 FANUC 7M FANUC 7M 系统软件结构系统软件结构7级中断级别最高，级中断级别最高，0

25、级中断级别最低。级中断级别最低。表中，控制被按排在级别最高，因为刀具运动实时性要求最表中，控制被按排在级别最高，因为刀具运动实时性要求最高，高，CRT最低。最低。插补原理 1. 插补的定义插补的定义 根据给定轨迹方程（直线、圆弧或高次函数）和已知点坐标（起点、终点、圆心坐标）计算刀具的一系列加工点的坐标的过程。A(10,5)OXYOA(Xe,Ye)M(Xi,Yi)XY“数据点的密化数据点的密化”插补是整个CNC系统控制软件的核心 插补对数控机床必须是实时的插补运算速度直接影响到系统的控制速度插补计算精度又影响到整个CNC系统的精度 硬件插补、软件插补、软硬件插补硬件插补、软件插补、软硬件插补脉

26、冲增量插补法脉冲增量插补法 数字增量插补数字增量插补法法逐点比较法逐点比较法 数字积分法数字积分法 时间分割法时间分割法扩展扩展DDA法法插补原理1. 1. 逐点比较法逐点比较法 l 基本原理：被控对象按给定轨迹运动时，每走一步（一个脉冲当量）都要与规定的轨迹比较，根据比较的结果（偏差）决定下一步运动方向（朝逼近给定轨迹方向）。l 特点：运算直观，插补误差最大值 ，输出脉冲均匀 XYO 脉冲增量插补脉冲增量插补 进给方向判别进给方向判别当F0，则沿+X方向进给一步当F0F0时；当M在OA下方，即F0eiieFX YX Y0eiieYYXXieieFX YX Y0ieieYYXX当当Fi 0 新

27、新加工点坐标为加工点坐标为: Xi+1= Xi +1, Yi+1=Yi 新新偏差为偏差为: Fi+1=XeYi-(Xi +1) Yi = Fi-Ye当当Fi0 新新加工点坐标为加工点坐标为: Xi+1= Xi, Yi+1=Yi+1 新偏差为新偏差为: Fi+1=Xe (Yi+1) - Xi Ye Fi+Xe终点判别方法：终点判别方法：u 设置减法计数器设置减法计数器(XeX ，Ye Y; 或或Xe+ Ye ; u max(Xe, Ye) )，进给一步减，进给一步减1，直至减到，直至减到0为止为止偏差判别函数的递推形式偏差判别函数的递推形式 设当前切削点设当前切削点M(Xi,Yi)的偏差为的偏差

28、为 F=Fi,i=XeYi-XiYe 插补结束插补结束插补开始插补开始偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别YN插补步骤插补步骤 设欲加工第一象限直线设欲加工第一象限直线OEOE，起点在原点，终点坐标，起点在原点，终点坐标XeXe=5=5，YeYe=4=4，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。例题例题插补计算过程插补计算过程 插补轨迹插补轨迹 四个象限直四个象限直线插补计算线插补计算对于第一象限直线对于第一象限直线OA，终点坐标，终点坐标Xe=6 ,Ye=4，插补从直线起点，插补从直线起点O开始，开始，故故F0=0 。终点判别是判断进给总步数。终点判别是判断进给总步数N=6+4=10，将其存入终点判别计数器，将其存入终点判别计数器中，每进给一步减中，每进给一步减1，若，若N=0，则停止，则停止插补。插补。 步数步数判别判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0 0 F F0 0=0=0=10=101 1F=0F=0+X+XF F1 1=F=F0 0-Y-Ye e=0-4=-4=0-4=-4=10-1=9=10-1=92 2F0F0F0+X+XF F3 3=F=F2 2-Y-Ye e=2-4=-2=2-4=-2=8-1=7=8-1=74 4F0F0F0+X+XF F5 5=F=F4 4-