计算机数控装置

1、第三章 计算机数控装置概述CNC装置的硬件结构CNC装置的软件结构CNC装置的插补原理数控系统的速度控制刀具半径补偿原理3.1 概述一、CNC机床组成部分二、CNC装置的组成三、CNC装置的工作过程四、CNC装置的功能五、CNC装置的软件和硬件的功能界面一、CNC机床组成部分CNC机床的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数控制装置。二、CNC装置的组成从自动控制的角度来看，CNC装置是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。从外部特征来看，CNC装置

2、是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。（一）CNC装置的一般硬件结构CNC系统的一般硬件结构：计算机基本系统显示设备，计算机系统，输入/输出设备等。设备支持层人机控制，运动控制，PMC，其他I/O设备层机床，机器人，测量机CNC装置的硬件结构：CPU，存储器，总线、外设等是CNC装置的物质基础（二）CNC装置软件的功能性结构实质：具有实时性和多任务性的专用操作系统组成：管理软件、控制软件CNC软件系统功能框图（三）CNC硬件软件的作用和相互关系CNC装置的系统平台（图）软件在硬件的支持下，合理组织管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能。该平台提供CNC装置基本配置的必备

3、功能；在该平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。CNC装置的组成和工作原理 CNC装置的系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .三、CNC装置的工作过程通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。简要工作过程：数控程序的输入、存储译码数据处理刀具补偿、速度计算、逼近、插补、辅助信息处理位置控制在每个采样周期内，将插补计算出的理论

4、位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电机。I/O处理显示零件程序、参数、刀具位置、机床状态等诊断检查一切不正常的程序、操作和其他错误状态。CNC装置的优点灵活性和通用性功能的修改和扩充、实用性方面功能丰富插补功能（二次曲线、样条、空间曲面）补偿功能（运动精度、随机、非线性）可靠性高使用维护方便易于实现机电一体化CNC装置的功能基本功能控制功能、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能选择功能3.2 CNC装置的硬件结构CNC装置硬件结构类型单机或主从结构模块的功能介绍多主结构的CNC装置硬件简介CNC

5、装置硬件结构类型按印刷线路板的结构分All-In-One式结构多功能模块式结构按微处理器的个数分单处理器式多处理器式按制造方式分通用PC机结构特殊用途结构按开放程度分封闭式结构PC插入NC结构NC插入PC结构基于软件的开放式CNC装置的硬件构成 CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线单微处理器硬件结构图单机（CPU）系统单CPU系统集中控制和管理系统资源分时处理优点：投资小，结构简单，易于实现缺点：系统功能受CPU字长、数控宽度、寻址能力和运算速度限制多机（CPU）系统多机系统结构主从结构多主结构分布式结构多通道结构主从结构描述：主CPU对系统资源

6、（系统存储器、系统总线）有控制和使用权。其他带有CPU的功能部件（智能部件）无权控制和使用系统资源，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需数据。多主结构描述：系统有两个或两个以上的带CPU的功能部件对系统资源有控制或使用权。采用紧耦合，均挂在系统总线上，集中在一个机箱内。有集中的操作系统通过总线仲裁器解决总线争用问题通过公共存储器进行信息交换。分布式结构描述：有两个或两个以上的带有CPU的功能模块，每个功能模块有自己独立的运行环境（系统总线、存储器、操作系统）；模块间采用松耦合，在空间上可以较为分散各模块间采用通信方式交换信息。单CPU或主从结构的功能介绍模块化设

7、计含义：将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块。每个模块配上相应的驱动程序，按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，组成一个完整的控制系统。条件：总线标准化CNC装置设计：归结为功能模块的合理选用单CPU或主从结构的CNC装置硬件结构单CPU或主从结构的CNC装置硬件结构1、计算机主板和系统总线（无源母板）2、显示模块（显示卡）3、输入/输出模块（多功能卡）4、电子盘（存储模块）5、设备辅助控制接口模块6、位置控制模块计算机主板和系统总线计算机主板系统总线（母板）电子盘（存储模块）存放内容：系统软件，系统固有数据，系统配置参数，零件程序非易失性读写存储单元抗电磁干

8、扰能力较磁性存储器强设备辅助控制接口模块作用：信号转换：电平转换，数模转换，数字脉冲转换，功率匹配阻断干扰位置控制模块作用：连接CNC装置与伺服系统转换过程：将x、y、z等，经调节运算输出速度控制指令D/A转换，输出速度指令电压给速度控制单元闭环与半闭环控制时，回收实际位置信号和实际速度信号，以供位置和速度闭环控制运算使用。多主结构的CNC装置硬件简介特点：并行处理，速度快，可实现复杂功能容错能力强，出故障后，通过系统重组仍可继续工作分类：共享总线结构共享存储器结构混合型结构共享总线结构描述：以系统总线为中心。所有主从模块都插在严格定义的标准系统总线上。任一时刻只能允许一个主模块占用总线，由总

9、线仲裁电路来裁定竞争问题。结构简单、系统组配灵活、成本相对较低、可靠性高。总线是系统的“瓶颈”，一旦总线出现故障，将使整个系统受影响。总线使用需经仲裁，信息传输率降低。共享存储器结构描述：公共存储器，采用多端口来实现各主模块之间的互连和通信同一时刻只能允许一个主模块对多端口存储器进行访问（读/写），由多端口控制逻辑解决访问冲突问题。一般采用双端口存储器。3.3 CNC装置软件结构3.3.1 CNC装置软件和硬件的功能界面3.3.2 CNC装置的数据转换流程3.3.3 CNC装置的软件系统特点3.3.4 CNC装置的软件结构模式3.3.5 华中I型数控系统软件结构举例3.3.1 CNC装置软件和

10、硬件的功能界面3.3.2 CNC装置的数据转换流程1、译码（解释）功能：把用ASC码编写的零件加工程序，以程序段为单位翻译成数控系统要求的数据格式；存放到译码缓冲区中，准备为后续程序使用。为保证机床的连续加工，译码需超前。缓冲区填满，译码程序进入休眠，当缓冲区有若干置空，系统再次激活译码程序，按此方式重复进行，直到整个加工程序解释完毕。2、刀补处理（计算刀具中心轨迹）功能：将零件轮廓变换成刀具中心轨迹工作：计算零件轮廓终点坐标值（ G90/G91 ）计算本段刀补后刀具中心轨迹终点坐标值进行段间连续处理3、速度预处理（插补预处理）功能：根据加工程序给定F，计算每个插补周期内的合成移动量，供插补程

11、序使用。计算步骤：计算本段总位移量计算每个插补周期内的合成进给量L4、插补计算插补程序以系统规定的插补周期定时运行功能：根据“进给修调”设定值，计算本次插补周期的实际合成位移量L1；将L1按插补的线型和本插补点所在位置分解到各个进给轴xi， yi 5、位置控制处理3.3.3 CNC装置的软件系统特点一、多任务性与并行处理技术二、实时性和优先抢占调度机制一、多任务性与并行处理技术CNC装置需要多任务并行处理管理任务：资源管理，子任务调度控制任务：译码、刀具补偿、速度预处理、插补运算、位置控制基于并行处理的多任务调度技术并行处理：软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。

12、以提高CNC装置资源的利用率和系统的处理速度。资源分时共享（单CPU），并发处理和流水处理（多CPU）1、资源分时共享方法：在一定的时间长度（时间片）内，根据各任务的实时性要求程度，规定其占用CPU的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享系统资源。需解决：任务优先级分配问题时间片分配问题规则：循环调度、优先抢占调度相结合1、资源分时共享2、并发处理和流水处理并发处理：任务间关联程度不高每项任务分别安排一个CPU，让其同时执行流水处理：任务间关联程度较高，一个任务的输出是另一个任务的输入利用重复的资源（CPU），将一个大任务分成若干个彼此关联的子任务按一定顺序安排每个资源执行一个子任务2、并发处理

13、和流水处理流水处理：以资源重复的代价换得时间上的重叠二、实时性和优先抢占调度机制实时性：指某任务的执行有严格的时间要求，即必须在系统的规定时间内完成，否则将导致执行结果错误和系统故障。实时性任务的分类实时突发性任务实时周期性任务弱实时性任务优先抢占调度机制功能：优先调度：优先级高的任务优先得以满足；抢占方式：优先级高的任务可抢占优先级低的任务占用的资源。实现：硬件和软件共同实现硬件提供支持中断功能的芯片和电路软件完成对硬件芯片的初始化、任务优先级定义方式、任务切换处理（断点的保护与恢复、中断向量的保存与恢复等）同时还采用时间片轮换调度和非抢占优先调度3.3.4 CNC装置的软件结构模式一、前后

14、台型结构模式二、中断型结构模式三、基于实时操作系统的结构模式一、前后台型结构模式二、中断型结构模式三、基于实时操作系统的结构模式PTOS功能：任务管理多种实时任务调度机制任务间的通信机制基于PTOS结构模式的优点：弱化功能模块间的耦合关系系统的开放性和可维护性好减少系统开发的工作量3.4 CNC装置的插补原理定义：插补：根据给定进给速度和给定轮廓线的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点。利用少量的输入数据，精确的获得编程轨迹。插补算法：插补的具体实现算法。插补算法评价指标稳定性插补运算过程中，舍入误差和计算误差不随迭代次数的增加而累积。精度逼进误差、计算误差、圆整误差合成速度均匀性实际速度

15、与给定的进给速度的符合程度简单，便于编程插补方法分类脉冲增量插补（行程标量插补）数字增量插补（时间标量插补）脉冲增量插补特点：每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量（一个脉冲当量）插补速度与进给速度密切相关算法简单步进电机驱动的开环系统数字增量插补特点：按插补周期进行插补，每个周期根据进给速度计算出各坐标轴在下一周期内的位移增量（数字量）用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼进曲线（包括直线）插补运算速度与进给速度无严格关系实现算法复杂脉冲增量插补逐点比较法每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。以折线逼近直线与圆弧，最大偏差不超过一

16、个最小设定单位。根据偏差控制进给轴进给，逼近给定轮廓，缩小偏差。逐点比较法直线插补原理逐点比较法直线插补终点判别：X、Y两方向所走的步数与终点坐标相等时，停止插补插补计算过程（4节拍）位置判断坐标进给偏差计算终点判别逐点比较法直线插补不同象限的直线插补计算逐点比较法直线插补例：加工OA直线，A（5，3），终点计数值J=xe+ye=5+3=8，加工过程的运算节拍如下：逐点比较法直线插补NO位置判别坐标进给偏差计算终点判别1F00=0+xF10=F00-ye=0-3=-3J=8-1=72F10=-30+xF21=F11-ye=2-3=-1J=6-1=54F21=-10+xF32=F22-ye=4-

17、3=1J=4-1=36F32=10+xF42=F32-ye=1-3=-2J=3-1=27F42=-20+xF53=F43-ye=3-3=0J=1-1=0直线插补程序实现逐点比较法圆弧插补原理逐点比较法圆弧插补终点判别用x，y坐标所要走的总步数来判别，令 J=|xe-x0|+|ye-y0|，每走一步则J减1，直至J=0，到达终点，停止插补。插补过程位置判别、坐标进给、偏差计算、终点判别四个象限圆弧插补计算公式圆弧插补程序实现数字增量插补法得到：不是进给脉冲，而是用二进制表示的进给量。算法：根据程编进给速度F，将给定轮廓曲线按插补周期T分割为插补进给段，即用一系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选得小一些。插补周期的选择插补周期与精度、速度的关系插补周期与插补运算时间的关系插补周期与位置控制周期的关系L时间分割法直线插补时间分割法圆弧插补3.5 数控系统的速度控制一、必要性惯性：速度不能突变突变：产生冲击、振荡、超程、失步二、评价指标1、保证轨迹精度、位置精度2、升