数控系统工作原理课件

数控技术概论及加工编程(2)版权所有，不得复制§1概述§2硬件数控系统§3计算机数控系统§4CNC系统的软件插补§5CNC系统的刀具补偿和加减速控制第二章数控系统工作原理§1概述1.机床数控系统的技术发展2.机床数控系统的分类按所用数控装置的构成方式硬线数控系统（NC）计算机数控系统（CNC）（软线）它的输入、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路不同。改变或增减控制、运算功能时，需改变硬件电路。通用性、灵活性差，制造周期长，成本高它的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能由系统软件来实现，不同功能的机床系统软件不同。修改或增减系统功能时，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。有较高灵活性，利于缩短制造周期，降低成本

按数控系统加工功能点位控制系统（PositioningControlSystem）直线控制系统（LineMotionControlSystem）轮廓控制系统（ContouringControlSystem）特点:只要求保证点与点之间的准确定位,即只控制行程的终点坐标值,而对点与点之间刀具所移动的轨迹不加控制.在移动过程中,刀具不进行切削,采用机床设定的最高进给速度进行定位运动,接近终点需要低速趋近。如:钻床、冲床特点:除了控制点与点之间的准确定位外,还要保证刀具在被控制的两点之间的运动轨迹是一条直线，且在运动过程中，刀具按给定的进给速度进行切削。如:车床、铣床、磨床特点:能同时对两个或两个以上坐标方向的联动进行连续控制,不仅要控制起点、终点坐标的准确性,而且对每瞬时的位移和速度进行严格的不间断的控制,具有这种控制系统的数控机床可以加工曲线和曲面.如:具有两坐标或两坐标以上联动的数控铣床、车床、磨床和加工中心。按功能水平分类高档中档低档项目低档中档高档分辨率1010.1进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数2～3轴2～4轴或3～5轴以上主CPU8位16位、32位、64位伺服系统步进电机开环直流及交流闭环伺服系统内装PC无有显示功能数码管有字符图形、人机对话、自诊断通信功能无DNC接口MAP接口分类界限§2硬件数控系统机床数控系统轮廓控制的主要问题，是怎样控制刀具或工件的运动轨迹。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标、曲线类型和走向，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，这个过程称为“插补”（Interpolation）。插补结果是输出运动轨迹的中间点坐标值，常用的插补计算方法有：逐点比较法和数字积分法。逐点比较法的程序流程如图。一个插补循环由偏差判别、进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍组成。各节拍功能：偏差判别进给偏差计算终点判别偏差判别进给偏差计算终点判别判别偏差函数的正负，以确定刀具相对于所加工曲线的位置根据上一节拍的判断结果确定刀具的进给方向。若偏差函数F(x,y)小于零，说明刀具在曲线下方（P0点）。请回答，为了让刀具向曲线靠近并朝曲线的终点运动，刀具应沿X轴或Y轴走一步？若偏差函数大于零呢？等于零？计算出刀具进给后在新位置上的偏差值，为下一插补循环做好准备判断刀具是否到达曲线的终点。若到达终点，则插补工作结束；若未到达，则返回到节拍1继续插补直线插补（linearinterpolation）即若加工点P在直线OA上方，则即若加工点P在直线OA下方，则即设某时刻刀具运动到P（Xi,Yi）偏差函数为Fi，则F的数值称为该点的“偏差值”①偏差函数OA是要加工的直线。起点坐标O为坐标原点，终点A坐标为。点P为任一加工点（刀具），若P点正好在直线OA上时，下式成立OYXAPF>0F<0②进给方向与偏差判别若点P在直线上或上方（F≥0）应向+X方向发一脉冲，使机床刀具向+X方向前进一步，以接近该直线；OYXA综上所述，在直线插补中，偏差函数与刀具位置的关系是F>0刀具在直线上方F=0刀具在直线上F<0刀具在直线下方OYXAPF>0F<0OYXA当点P在直线下方时(F＜0)，刀具向

+Y方向前进一步。③终点判别对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿X轴走一步，或沿Y轴走一步，因此插补数与刀具沿X、Y轴已走的总步数相等。这样可根据插补循环数i与刀具沿X、Y轴应进给的总步数N是否相等判断终点，即直线加工结束的条件为i=N④插补程序及举例0n,0Fi原地等待插补时钟F≥0？进给方向+x进给方向+yY插补结束NYN左图是逐点比较法直线插补流程图。n是插补循环数，Fi是第i个插补循环时偏差函数值。例：逐点法加工直线OA，并画出插补轨迹OYXA(5,3)解：插补运算过程见表脉冲个数偏差判别进给方向偏差计算终点判别0E=81+XE=E-1=8-1=7≠02+YE=E-1=7-1=6≠03+XE=E-1=6-1=5≠04+YE=E-1=5-1=4≠05+XE=E-1=4-1=3≠06+XE=E-1=3-1=2≠07+YE=E-1=2-1=1≠08+XE=E-1=1-1=0到终点圆弧插补（circularinterpolation）加工第一象限逆时针圆弧若点正好落在圆弧上，则有ABP若点在圆弧外侧，则有Rp>RP若点在圆弧内侧，则有Rp<RP上面各式可分别写成：在圆弧上在圆弧外侧在圆弧内侧逐点比较法圆弧插补的偏差判别式定义为：RRpABF<0F>0XYOP若点在圆弧外侧或圆弧上，即满足F≥0的条件时，应向X轴发出一负方向脉冲（-△X），向圆内走一步；若点P在圆弧内侧呢？PRRpABF<0F>0XYOP应向Y轴发出一正向脉冲（+△Y），向圆弧外走一步。P设点在圆弧外侧或圆弧上，(F≥0)可计算出新加工点偏差为P设点在圆弧内侧，(F<0)可计算出新加工点偏差为且且和直线插补一样，除偏差计算外，还要进行终点判别，方法与前同。例：加工图示逆圆弧AB，起点A(6,0)，B(0,6),试对其进行插补，并画出插补轨迹。AB(6,0)(0,6)0n,0Fi原地等待插补时钟F≥0？进给方向-x进给方向+yY插补结束NYN插补流程图见右ABXYO圆弧插补轨迹图(6,0)(0,6)2.数字积分法利用数字积分的方法，计算刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具沿着所加工的轨迹运动数字积分原理△tYt数字积分(DDA)直线插补①原理yxoE(7,4)例：右图下，若要使从O点到E点的插补过程进给脉冲均匀，就必须使分配给x,y方向的单位增量成正比。设需要在t=10秒内使加工到达终点E，则每单位时间间隔△t内，x和y的增量分别为△x’=xe/10=0.7△y’=ye/10=0.4上述例子实际上是累加运算过程（积分）DigitalDifferentialAnalyzer(数字微分分析器)从直线起点到终点的过程，可以看作是各坐标轴每经过一个单位时间间隔△t，分别以增量kxe,kye同时累加的过程。据此，可以作出直线插补器。设要加工一条直线OE，Vx，Vy表示刀具在x，y方向的移动速度VXoE(xe,ye)VVyVx刀具在x，y方向上移动距离的微小增量为：假定进给速度V是均匀的(V为常数)，对于直线函数，Vx、Vy亦为常数，即代入上式得②终点判别经计算，刀具从原点到达终点的累加次数m=2n因此，可以设置一个位数为n的终点计数器Re来记录累加次数。插补前将其清零，插补运算开始后，每进行一次加法运算，Re就加1，当记满2n数时，停止运算，插补完成。工作过程为：每发一个插补脉冲（即来一个△t），使kxe，kye向各自的累加器里累加一次，累加的结果有无溢出脉冲△x(或△y)，取决于累加器的容量2n和kxe，kye的大小。③举例例：要插补所示直线轨迹OA，起点坐标为O(0,0)，终点坐标为A(5,3),若被积函数寄存器Rx、Ry和余数寄存器Rax、Ray以及终点计数器Re均为三位二进制寄存器。请写出插补过程、画出DDA直线插补轨迹。课堂练习！yxoA(5,3)注：插补前Rax、Ray、Re为零，Rx、Ry分别存放xe=5，ye=3，且始终保持不变累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始状态1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出310141015101610171018101DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始状态1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出31011110110011011⊿y溢出41015101610171018101DDA直线插补过程累加次数X积分器Y积分器终点计数器Re备注RxRax⊿xRyRay⊿y0101000011000000初始状态1101101011011001一次累加21010101011110010⊿x溢出31011110110011011⊿y溢出41011001011100100⊿x溢出51010011011111101⊿x溢出61011100110101110⊿y溢出71010111011101111⊿x溢出810100010110001000⊿x、

⊿y同时溢出，插补结束DDA直线插补过程A（5，3）XYODDA直线插补轨迹图§3计算机数控系统1、基本概念按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员会的定义，CNC（ComputerizedNumericalControl）系统是：用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。CNC系统根据输入的程序或指令，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需零件。CNC系统中的计算机主要用来进行数值和逻辑运算，对机床进行实时控制，只要改变计算机中的控制软件就能实现一种新的控制方式。2.数控系统的特点CNC系统灵活可变，易于变化和扩展CNC系统通用性强CNC系统可靠性强CNC系统易于实现多功能、高复杂程序的控制CNC系统使用、维护方便3.数控系统的硬件结构输入/输出设备（I/O）中央处理单元（CPU）总线（BUS）存储器（ROM、RAM）I/O接口输入/输出设备（I/O）通常配置的I/O设备主要有：纸带阅读机、键盘、操作控制面板、显示器、纸带穿孔机、外部存储设备中央处理单元（CPU）是CNC系统的核心与“头脑”，主要具备的功能：可进行算术、逻辑运算可保存少量数据能对指令进行译码并执行规定动作能和存储器、外设交换数据提供整个系统所需的定时和控制可响应其他部件发来的脉冲请求算术、逻辑部件CPU内部结构所包含的部分：累加器和通用寄存器组程序计数器、指令寄存器、译码器时序和控制部件总线（BUS）在CNC系统中内部各部件之间传输信息的通路CPU芯片内部采用三总线结构：数据总线DB（DataBus）地址总线AB（AddressBus）控制总线CB（ControlBus）CPU与外界传送数据的通道确定传输数据的存放地址管理、控制信号的传送存储器（ROM、RAM）存放CNC系统控制软件、零件程序、原始数据、参数、运算中间结果和处理后的结果的器件和设备。一般分为内、外存储器存储器内存储器外存储器磁泡存储器半导体存储器穿孔纸带磁带磁盘随机存取存储器RAM只读存储器ROM硬磁盘软磁盘PROMEPROM4.数控系统的工作过程译码速度计算插补输入运动轨迹计算I/O处理将标准数控代码翻译成CNC系统能识别的代码形式将工件轮廓的轨迹转换成CNC系统认定的轨迹解决加工运动的速度刀具偏置刀具长度补偿5.数控系统的主要功能固定循环功能补偿功能图形显示功能通信功能人机对话编程功能控制功能准备功能插补功能进给功能主轴功能辅助功能刀具功能字符显示功能基本功能：选择功能：系统基本配置的功能用户可根据实际要求选择的功能满足用于操作和机床控制要求的方法和手段6.数控系统的软件CNC软件结构类型前后台型结构中断型结构：前台程序(以一定周期定时发生)：后台程序(循环执行的主程序)：中断服务程序、实现插补、位控等实时功能输入译码、数据处理等功能整个软件是个大中断系统，各种功能子程序均被安排在级别不同的中断服务程序中CNC典型的软件结构软件总体结构结构方式为中断型结构,主CPU为8086。中断优先级结构0级1级中断7级6级5级3级2级优先级主要功能中断源0初始化开机后进入1CRT显示，ROM校验硬件，主程序2工作方式选择16ms3PLC控制16ms4报警硬件5插补运算8ms6软件定时2ms7纸带阅读机硬件随机各级中断功能由0级转入CRT显示ROM校验1级程序框图2级方式选择MDI方式STEP方式JOG方式EDIT方式TAPE方式公共程序复位2级程序框图各级程序框图例（仅举两级）CNC系统的软件插补§4插补算法分两类：脉冲增量插补数字增量插补数字增量的DDA插补算法直线插补算法:粗插补+精插补多由硬件完成粗插补的任务：根据程编给出的进给速度(合成速度),计算出8ms中各坐标的位移△x，△y，△z圆弧插补基本思想：满足精度要求前提下,用弦进给代替弧进给xexyezeo△x=ftcos△y=ftcos△z=ftcos每8ms的合成进给量1.B(Basic)刀具半径补偿§5CNC系统的刀具补偿和加减速控制概念左刀补、右刀补执行过程分三步建立进行撤消G41G42外轮廓加工内轮廓加工2.刀补计算CNC系统的刀补是按零件轮廓尺寸和刀具运动的方向指令及采用的刀具半径值，由计算机自动完成。刀具半径补偿计算，对于直线轮廓控制是计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值，对于圆弧轮廓而言，是算出刀补后圆弧的起点和终点坐标值及刀具补偿后的圆弧半径值。直线段刀具补偿计算求A’坐标:YA’(,)OO’XA(,)圆弧段刀具补偿计算求B’坐标:OYXA’(,)A(,)B’(,)B(,)Rr3.C功能刀具半径补偿C(Complete)功能刀具补偿概念C刀具补偿的设计思想缓冲寄存器：BS存放再下一个程序段刀补缓冲区：CS存放下一个的程序段工作寄存器：AS存放正在加工的程序段输出寄存器：OS存放进给伺服系统的控制信息ASOSNCASOSBS改进NCCSASOSBSCNCABC外轮廓加工内轮廓加工转接轮廓加工A’B’C”C’刀具4.程序段间转接情况分析转接方式：直线与直线直线与圆弧圆弧与圆弧据前后两段轨迹的连接方式分为据前后两段轨迹的矢量夹角和刀补方向分为缩短型伸长型插入型转接类型：直线与直线转接缩短型转接：OBADCFJKGYX伸长型转接：OKCJBDAFYGX插入型转接：JBCC’DOFKXYAG类型的判断主要依据大小表3-10程编轨迹的连接刀具补偿方向sinɑ≥0cosɑ≥0象限转接类型对应图号G41G01/G41G01G4111Ⅰ缩短3-37a)10Ⅱ3-37b)00Ⅲ插入3-37d)01Ⅳ伸长3-37c)G42G01/G42G01G4211Ⅰ伸长3-38a)10Ⅱ插入3-38d)00Ⅲ缩短3-38c)01Ⅳ3-38b)注：1和0分别代表“是”和“否”①刀具半径矢量的计算OBADCFJKJBCC’DOFKA转接矢量：图中刀具半径矢量，及从直线转接交点A指向刀具中心轨迹交点的矢量，(插入型)5.转接矢量的计算刀具半径矢量:在加工中,始终垂直于程编轨迹,大小等于刀具半径值,方向指向刀具中心的一个矢量。②转接交点矢量的计算OBADCF