《机床数控技术 第2版》课件 第4章计算机数控装置

第4章计算机数控装置

计算机数控(ComputerNumberControl，CNC)装置是一种位置控制系统，简称CNC装置。其本质是对输入的零件加工程序数据段进行相应的处理，然后插补出理想的刀具运动轨迹，最后将插补结果通过伺服系统输出到执行部件，使刀具加工出所需要的零件。CNC装置主要由硬件和软件组成，通过系统软件配合系统硬件，合理地组织管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地工作。4.1

概

述

4.1.1数控系统的组成

现代数控系统，即CNC系统，是由输入/输出设备、数控装置和伺服系统组成，其核心是数控装置。4.1.2

数控装置的工作过程

1.输入

输入数控装置的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数等。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入数控装置的主要是零件加工程序和刀具补偿参数。2.译码

译码以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息(起点、终点、直线或圆弧等)，F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释(编译)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域。3.刀具补偿

刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。4.进给速度处理

数控加工程序给定刀具移动速度是在各个坐标轴上合成的运动速度，即F代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将合成的运动速度分解成各坐标轴进给运动速度，为插补时计算各进给坐标的行程量作准备；5.插补

零件加工程序段中的指令行程信息是有限的。如对于加工直线的程序段仅给定直线的起点和终点坐标；对于加工圆弧的程序段仅给定其起点和终点坐标，以及圆心坐标或圆弧半径。6.位置控制

位置控制装置位于伺服系统的位置环上，如下图所示。它的主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置值与实际反馈位置值进行比较，用其差值控制进给电动机运动。7.I/O处理

数控装置的I/O处理是CNC系统与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC系统中；另一方面是将CNC系统的输出命令(如换刀、主轴变速换挡、加切削液等)变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。8.显示

数控装置的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有LED显示器、CRT显示器和LCD显示器，一般位于机床的控制面板上。4.2

数控装置的硬件结构

随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，数控装置硬件模块及安装方式不断改进。从数控装置的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。从组成数控装置的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。

从数控装置使用的CPU及结构来分，数控装置的硬件结构一般分为单CPU和多CPU结构两大类。4.2.1

单CPU硬件结构

单CPU结构数控装置的基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控装置控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、PLC接口、主轴控制单元、速度控制单元、USB和RS232C接口以及其他接口等。

CPU主要完成控制和运算两方面的任务。CPU内部控制主要对零件加工程序的输入输出控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制等。

单CPU结构的数控装置通常采用总线结构。总线是微处理器赖以工作的物理导线，按其功能可以分为三组总线，即数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)。4.2.2多CPU硬件结构

多CPU硬件结构是指在数控装置中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。

现代的数控装置大多采用多CPU结构。在这种结构中，每个CPU完成系统中规定的一部分功能，独立执行程序，它与单CPU结构相比，提高了计算机的处理速度。

多CPU硬件结构可分为共享总线型和共享存储器型，通过共享总线或共享存储器，来实现各模块之间的互联和通信。1.共享总线结构

在这种结构的数控装置中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线，如有多个主模块同时请求使用总线会产生竞争总线问题。为了解决这一矛盾，系统设有总线仲裁电路。其结构框图如图所示。2.共享存储器结构

共享存储器结构通常采用多端口存储器来实现各CPU之间的连接与信息交换，由多端口控制逻辑电路解决访问冲突，其结构框图如图所示。在这种结构中各个主模块都有权控制使用系统存储器。即便是多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突。在各模块请求使用存储器时，由多端口的控制逻辑电路来控制。4.2.3

开放式数控装置

前述的数控装置是由厂商专门设计和制造的，其特点是专用性强，布局合理，是一种专用的封闭系统，但是没有通用性，硬件之间彼此不能交换。各个厂家的产品之间不能互换，与通用计算机不能兼容，并且维修、升级困难，费用较高。

虽然专用封闭式数控装置在很长时期内占领了国际市场，但是随着计算机技术的不断发展，人们对数控装置提出了新的要求，这种封闭式的专用系统严重制约着数控技术的发展。4.3数控装置的软件结构

数控装置的软件是为完成数控装置的各项功能而专门设计和编制的，是数控加工系统的一种专用软件，又称为系统软件(系统程序)。数控装置软件的管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的CNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各CNC装置软件在结构上和规模上差别较大，各厂家的软件互不兼容。现代数控机床的功能大都采用软件来实现，所以，CNC装置软件的设计及功能是CNC装置的关键。

下图给出了不同时期和不同产品中的三种典型的数控装置软、硬件功能界面。4.3.1

数控装置的软件结构特点

1.数控装置的多任务性数控装置多任务性表现在它的管理软件必须完成系统管理和系统控制两大任务。其中系统管理软件包括输入、I/O处理、通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等程序。数控装置的任务分解如图所示。2.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成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。

并行处理分为“资源重复”法、“资源分时共享”法和“时间重叠流水处理”法等。目前，在CNC装置的硬件结构中，广泛使用“资源重复”的并行处理技术，如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度。而在CNC装置的软件中，主要采用“资源分时共享”法和“时间重叠流水处理”法。3.实时中断处理CNC装置系统软件结构的另一个特点是实时中断处理。CNC装置系统程序以零件加工为对象，每个程序段中有许多子程序，它们按照预定的顺序反复执行，各个步骤间关系十分密切，有许多子程序的实时性很强，这就决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分。CNC装置系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断型式决定了软件结构。其中断类型如下。(1)外部中断。(2)内部定时中断。(3)硬件故障中断。(4)程序性中断。4.3.2

数控装置的软件结构模式

CNC装置的软件结构决定于系统采用的中断结构。在常规的CNC装置中，有中断型和前后台型两种结构模式。1.中断型结构模式

中断型结构模式的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能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实现。2.前后台型结构模式

该结构模式的软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实时中断服务程序，实现插补、伺服、机床监控等实时功能，这些功能与机床的动作直接相关。后台程序是一个循环运行程序，完成管理功能和输入、译码、数据处理等非实时性任务，也叫背景程序，管理软件和插补准备在这里完成。4.4

数控装置的可编程逻辑控制器

4.4.1数控机床中PLC实现的功能

可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，即能控制开关量，也能控制模拟量。1.M、S、T功能M、S、T功能可以由数控加工程序来指定，也可以在机床的操作面板上进行控制。PLC根据不同的M功能，可控制主轴的正转、反转和停止，主轴准停，冷却液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。2.机床外部开关量信号控制功能

机床的开关量有各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等，将各开关量信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。3.输出信号控制功能PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。4.伺服控制功能

通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。5.报警处理功能PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置位，数控系统便发出报警信号或显示报警文本以方便故障诊断。6.其它介质输入装置互联控制

有些数控机床用计算机软盘读入数控加工程序，通过控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数和刀具补偿等数据的传输。4.4.2PLC在数控机床上的应用

1.数控机床用PLC

数控机床用PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型(built-intype)PLC，另一类是I/O信号接口技术规范、I/O点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型(stand-alonetype)PLC。（1）内装型PLC有如下特点：1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般作为一种基本的或可选择的功能提供给用户。2)内装型PLC的性能指标(如：I/O点数，程序最大步数，每步执行时间、程序扫描周期、功能指令数目等)是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。3)在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC系统共用CPU，也可以单独使用一个CPU。4)采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级的控制功能。（2）独立型PLC独立型PLC有如下特点：1)独立型PLC具有如下基本的功能结构：CPU及其控制电路、系统程序存储器、用户程序存储器、I/O接口电路、与编程机等外部设备通信的接口和电源等。2)独立型PLC一般采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印制电路板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。3)独立型PLC的输入/输出点数可以通过I/O模块或插板的增减灵活配置。2.典型数控机床用PLC的指令系统PLC是专为工业自动控制而开发的装置，不同厂家的产品采用的编程语言不同，这些编程语言有梯形图、语句表、控制系统流程图等。日本的FANUC公司、三菱公司、富士公司等所生产的PLC产品，都采用梯形图编程。在用编程器向PLC输入程序时，一般编程器都采用编码表输入，大型编程器也可用梯形图直接输入。（1）基本指令基本指令共12条，指令及处理内容见表4-1。（2）功能指令数控机床所用PLC的指令必须满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求。表4-3列出了35种功能指令和处理内容。指令格式中各部分内容说明如下。(1)控制条件。控制条件的数量和意义随功能指令的不同而变化。(2)指令。功能指令的种类见表4-3。(3)参数。功能指令不同于基本指令，可以处理各种数据，也就是说数据或存有数据的地址可作为功能指令的参数，参数的数目和含义随指令的不同而不同。(4)输出。功能指令的执行情况可用一位“1”和“0”表示时，把它输出到Wl继电器，Wl继电器的地址可随意确定。但有些功能指令不用Wl，如MOVE、COM、JMP等。(5)需要处理的数据。4.5

典型数控系统简介

国内使用的数控系统品牌较多，如日本FANUC系统、MITSUBISHI（三菱）系统、MAZAK（马扎克）系统、OKUMA（大隈）系统、DASEN（大森）

系统；德国SIEMENS系统、HEIDENHAIN（海德汉）系统；美国HAAS（哈斯）系统；西班牙FAGOR（法格）系统；国内广州GSK系统、华中HNC系统、北京KND系统等。其中使用量最多的是FANUC与SIEMENS系统。4.5.1FANUC公司的主要数控系统

1．FANUC0系列FANUC的0系列产品自1985年开发成功以来，使用Intel80386芯片，1988年以后的产品改用Intel80486DX2。FANUC0系列有A、B、C、D四种系列产品，目前在国内使用最多的是普及型FANUC0-D和全功能型FANUC0-C两个系列。其中0-C系统采用了多CPU方式进行分散处理，已实现了高速连续的切削。2．FANUC0i系列FANUC0i系列目前在国内已成为主流产品，各机床生产厂家已大量采用。系统的结构为模块化结构，其集成度比0系列产品更高。系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。3．FANUC16i／18i／21i系列FANUCl6i／18i／21i系列产品比0i系统体积进一步缩小，将液晶显示器与CNC控制部分合为一体，实现了超小型化和超薄型化。4.5.2SIEMENS公司的主要数控系统

1．SINUMERIK802系列SINUMERIK802系列主要包括802S、802C和802D等。802S／C用于车床、铣床等，可控3个进给轴和1个主轴。2．SINUMERIK810系列SINUMERIK810系列主要是810D，810D是840D的简化版，最多可控6轴，分为M、T、G型，其中M型用于铣床、镗床及加工中心，T型用于车床，G型用于磨床。3．SINUMERIK840系列SINUMERIK840系列主要有840C、840D等，其中840D系统是20世纪90年代中期设计的数控系统。系统采用32位微处理器，可完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制，最多可控制31个进给轴和主轴。4.6CNC装置的插补原理

所谓插补是指数据点密化的过程。在对数控系统输入有限坐标点(例如起点、终点)的情况下，计算机根据线段的特征(直线、圆弧、椭圆等)，运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，使机床加工出所要求的轮廓曲线。4.6.1基准脉冲插补

基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补。该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其特点是每次插补的结束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。1.逐点比较法插补

逐点比较法又称代数运算法或醉步法，是早期数控机床开环系统中广泛采用的一种插补方法，可实现直线插补、圆弧插补，也可用于其他非圆二次曲线（如椭圆、抛物线和双曲线等）的插补。2.数字积分法插补（1）数字积分法的基本原理数字积分法又称数字微分分析法(DigitalDifferentialAnalyzer，DDA)。这种插补方法可以实现一次、二次、甚至高次曲线的插补，也可以实现多坐标联动控制。只要输入不多的几个数据，就能加工出圆弧等形状较为复杂的轮廓曲线。作直线插补时，脉冲分配也较均匀。（2）DDA直线插补1)DDA直线插补原理动点从原点走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每经过一个单位时间间隔

，分别以增量

、

同时累加的过程。据此可以作出直线插补原理图，如图所示。2)DDA直线插补软件流程用DDA进行插补时，x和y两坐标可同时进给，即可同时送出

、

脉冲，同时每累加一次，要进行一次终点判断。软件流程如图所示。（3）DDA圆弧插补1)DDA圆弧插补原理仿照直线插补的方法也用两个积分器来实现圆弧插补，如图所示。3)不同象限的脉冲分配不同象限的顺圆、逆圆的DDA插补运算过程和原理框图与第一象限逆圆基本一致。各种情况下的脉冲分配方向及

修正见表4-11。4.6.2

数据采样插补

数据采样插补又称为数据增量插补、时间分割法或时间标量插补。