《机床数控技术基础》课件-第5章

第5章计算机数控系统5.1概述

5.2CNC装置的硬件结构5.3CNC装置的软件结构5.4计算机数控中的可编程控制器(PLC)知识拓展本章小结

(1)CNC系统的概念和组成;

(2)CNC装置的工作流程、功能和特点;

(3)CNC装置的硬件结构组成和类型;

(4)CNC装置的软硬件界面关系、软件结构组成和类型;

(5)CNC系统控制软件的结构特点;

(6)刀具补偿原理、进给速度处理和加减速控制原理;

(7)插补的概念、方法和原理;

(8)PLC的组成、工作原理、分类以及在数控机床中的作用。

目前国内应用的数控系统有很多种,但国外引进的居多。市场占有率较大的有日本的FANUC系统、德国的SIEMENS系统,其次为法国的NUM系统、西班牙的FAGOR系统、日本的MITSUBISHI、美国的AUENBRADLEY系统,国产数控系统的典型代表是华中数控系统。简述FANUC系统、SIEMENS系统以及华中数控系统的系列类型有哪些。

5.1概述

5.1.1CNC系统的概念和组成根据ISO的定义:“数控系统是一种控制系统,它自动阅读输入载体上事先给定的数字,并将其译码,从而使机床移动和加工零件”。

数控系统是数控机床的控制指挥中心,它是由程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给伺服驱动装置等组成的系统。CNC装置是数控系统的核心。机床的各个执行部件在数控系统的统一指挥下,有条不紊地按给定程序进行零件的切削加工。CNC装置的核心是计算机,由计算机通过执行其存储器内的程序,实现部分或全部控制功能,如图5-1所示。图5-1计算机数控系统的组成

CNC装置由硬件和软件两大部分组成,如图5-2所示。硬件是软件活动的舞台,软件是整个装置的灵魂,整个CNC装置的活动均依靠软件来指挥。软件和硬件各有不同的特点,软件设计灵活,适应性强,但处理速度慢;硬件处理速度快,但成本高。因此,在CNC装置中,数控功能的实现可依据其控制特性来合理确定软硬件的比例,可使数控系统的性能和可靠性大大提高。图5-2CNC装置的系统平台

5.1.2CNC装置的工作流程

1.输入

输入CNC装置的有零件程序、控制参数、补偿数据等。常用的输入方式有键盘手动输入、通信接口RS232输入、连接上一级计算机的DNC接口输入以及通过网络通信方式输入。CNC装置在输入过程中还需完成程序校验和代码转换等工作,输入的全部信息存放在CNC装置的内部存储器中。

2.译码处理

译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理,每个程序段含有零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度信息(F代码)以及辅助指令(M、S、T代码)信息(如主轴启停、工件夹紧和松开、换刀、切削液开关等)。计算机通过译码程序识别这些代码符号,按照一定的规则翻译成计算机能够识别的(二进制)数据形式,并存放在指定的存储器内。

3.数据处理

数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。刀具半径补偿是指将零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。CNC装置通过对刀具半径的自动补偿来控制刀具中心轨迹,实现零件轮廓的加工,从而大大减轻了编程人员的工作量。

速度计算是将编程所给的刀具移动速度进行计算处理。编程所给的刀具移动速度是在各坐标方向上的合成速度,因此必须将合成速度转化为沿机床各坐标轴运动的分速度,控制机床切削加工。

辅助功能处理的主要工作是识别标志,在程序执行时发出信号,使机床运动部件执行相应动作,如主轴启停、换刀、工件夹紧与松开、冷却液开关等。

4.插补运算与位置控制

插补运算和位置控制是CNC系统的实时控制,一般在相应的中断服务程序中进行。插补程序在每个插补周期运行一次,它根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期加工完一个程序段,即从数据段的起点到终点,完成零件轮廓某一段曲线的加工。CNC装置一边插补,一边加工,具有很强的实时性。

位置控制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,根据其差值来控制进给电动机,进而控制机床工作台(或刀具)的位移,加工出所需要的零件。

5.输入/输出(I/O)处理

输入/输出处理主要是处理CNC装置和机床之间的来往信号输入、输出和控制。CNC装置和机床之间必须通过光电隔离电路进行隔离,确保CNC装置稳定运行。

6.显示

CNC装置显示主要是为操作者提供方便,通常应具有零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图形显示、报警显示等功能。

7.诊断

CNC装置利用内部自诊断程序可以进行故障诊断,主要有启动诊断和在线诊断。

启动诊断是指CNC装置每次从通电开始至进入正常的运行准备状态中,系统相应的内诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设等是否都正常。

在线诊断是指在系统处于正常运行状态中,由系统相应的内装诊断程序,通过定时中断扫描检查CNC装置本身及外设。只要系统不停电,在线诊断就持续进行。

5.1.3CNC装置的功能和特点

1.CNC装置的功能

数控系统有多种系列,性能各异,选购时应根据数控机床的类型、工艺性能、性价比、用途和加工精度综合考虑。CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必须具备的数控功能,选择功能是数控系统开发商根据用户实际要求提供的可选择的数控功能。

1)基本功能

(1)控制功能。

控制功能主要反映CNC装置能够控制和能同时(联动)控制的轴数。控制轴有移动轴和回转轴,有基本轴和附加轴。如数控车床至少需要两轴联动(X、Z),数控铣床、加工中心等需要具有3根或3根以上的控制轴。控制轴数越多,特别是联动轴数越多,CNC装置就越复杂,成本就越高,编程也越困难。

(2)准备功能。

准备功能(G功能)是指用来控制机床动作方式的功能,主要有基本移动、程序暂停、坐标平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环、基准点返回、米英制转换、绝对值与相对值转换等指令。ISO标准对G功能从G00到G99中的大部分指令进行了定义,部分可由数控系统制造商根据控制需要进行定义。G代码有模态(续效)和非模态(一次性)两类。

(3)插补功能。

插补功能是指CNC装置可以实现各种曲线轨迹插补运算的功能,如直线插补、圆弧插补和其他二次曲线的与多坐标高次曲线的插补。插补运算实时性很强,即CNC装置插补计算速度要能同时满足机床坐标轴对进给速度和分辨率的要求。它可用硬件或软件两种方式来实现,硬件插补方式比软件插补方式速度快,如日本FANUC公司就采用DDA硬件插补专用集成芯片。但目前由于微处理机的位数和频率的提高,大部分系统还是采用软件插补方式,并把插补功能划分为粗、精插补两步,以满足其实时性要求。软件每次插补一个小线段称为粗插补。根据粗插补结果,将小线段分成单个脉冲输出,称为精插补。

(4)进给功能。

进给功能反映了刀具进给速度,一般用F直接指令各轴的进给速度。

①切削进给速度。

②同步进给速度。

③快速进给速度。

④进给倍率。

(5)主轴功能。

(6)刀具功能。

(7)辅助功能。

(8)字符显示功能。．

(9)自诊断功能。

2)选择功能

(1)补偿功能。CNC装置可备有多种补偿功能,可以对加工过程中由于刀具磨损或更换以及机械传动的丝杠螺距误差和反向间隙所引起的加工误差予以补偿。

(2)固定循环功能。固定循环功能是指CNC装置为常见的加工工艺所编制的、可以多次循环加工的功能。

(3)图形显示功能。图形显示功能一般需要高分辨率的CRT、TFT显示器。

(4)通信功能。通信功能是指CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能。

(5)人机对话编程功能。人机对话编程功能不但有助于编制复杂零件的程序,而且可以使编程更加方便。

2.CNC装置的特点

(1)灵活性大。与硬逻辑数控装置相比,灵活性是CNC装置的主要特点。

(2)通用性强。在CNC装置中,硬件有多种通用的模块化结构,而且易于扩展,主要依靠软件变化来满足机床的各种不同要求。

(3)可靠性高。CNC装置的零件程序在加工前一次送入存储器,并经过检查后方可被调用,这就避免了在加工过程中由纸带输入机的故障产生的停机现象。

(4)可以实现丰富、复杂的功能。

CNC装置利用计算机的高度计算能力,实现许多复杂的数控功能,如高次曲线插补,动静态图形显示,多种补偿功能,数字伺服控制功能等。

(5)使用维修方便。CNC装置的诊断程序使维修非常方便。

(6)易于实现机电一体化。由于半导体集成电路技术的发展及先进的表面安装技术的采用,使CNC装置硬件结构尺寸大为缩小,容易组成数控加工自动线,如FMC、FMS、DNC和CIMS等。

5.2CNC装置的硬件结构

5.2.1CNC装置的硬件结构组成在CNC装置的专用计算机中,除了与普通计算机一样具有CPU、存储器、总线、输入/输出接口外,还有专门适用于数控机床各执行部件运动位置控制的位置控制器,如图5-3所示。图5-3CNC装置的硬件结构组成

5.2.2CNC装置的体系结构

目前,CNC装置大都采用微处理器,按其硬件结构中CPU的多少,可分为单微处理器结构和多微处理器结构;按CNC装置中各印制电路板的插接方式,可以分为大板式结构和功能模块式结构;还有基于PC的开放式数控系统结构。

单微处理机装置内的所有信息的处理工作都由一个CPU负责,它集中控制和管理整个系统资源,通过分时处理的方式来实现各种数控功能,它的优点是投资小,结构简单,易于实现。但系统功能受CPU的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。现在这种结构已被多微处理机系统的主从结构所取代。

1.主从结构

主从结构是指装置中只有一个CPU(通称主CPU),对整个装置的资源(装置内的存储器、总线)有控制权和使用权,而其他带有CPU的功能部件(通称为智能部件)则无权控制和使用装置资源,它只能接受主CPU的控制命令或数据,或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。只有一个CPU处于主导地位,其他CPU处于从属地位。

2.多主结构

多主结构是指装置中有两个或两个以上带CPU的功能部件对装置资源有控制权和使用权。功能部件之间采用紧耦合(即均挂靠在装置总线上,集中在一个机箱内),有集中的操纵系统,通过总线仲裁器(软件和硬件)来解决争用总线的一问题,通过公共存储器来交换装置内的信息。

3.分布式结构

分布式结构是指装置中有两个或两个以上带有CPU的功能模块,每个功能模块都有自己独立的运行环境(总线、存储器、操作系统等),功能模块间采用松耦合,即在空间上可以较为分散,各模块之间采用通信方式交换信息。

5.2.3单微处理器和多微处理器结构

1.单微处理器结构

1)单微处理器的特点

当控制功能不太复杂、实时性要求不太高时,多采用单微处理器结构,其特点是通过一个CPU控制系统总线访问主存储器。以下三种CNC装置都属于单CPU结构:

(1)只有一个CPU,采用集中控制、分时处理的方式完成各项控制任务。

(2)虽然有两个或两个以上的CPU,但各微处理器组成主从结构,其中只有一个CPU能够控制系统总线,占有总线资源;而其他CPU不能控制和使用系统总线,只能接受主CPU的控制,只能作为一个智能部件工作,处于从属地位。

(3)数据存储、插补运算、输入/输出控制、显示和诊断等所有数控功能均由一个CPU来完成,CPU不堪重负。因此,常采用增加协CPU的办法,由硬件分担精插补,增加带有CPU的PLC和CRT控制等智能部件,以减轻主CPU的负担,提高处理速度。

单CPU或主从CPU结构的CNC装置硬件结构如图5-4所示。

图5-4单CPU或主从CPU结构的CNC装置硬件结构

2)单CPU结构的形式

单CPU结构的CNC装置一般采用以下两种结构形式:

(1)专用型。

专用型CNC装置的硬件是由生产厂家专门设计和制造的,因此不具有通用性。

(2)通用型。

通用型CNC装置指的是采用工业标准计算机(如工业PC)构成的CNC装置。只要装入不同的控制软件,便可构成不同类型的CNC装置,无需专门设计硬件,因而通用性强,硬件故障维修方便。图5-5所示为以工业PC为技术平台的数控系统结构框图。图5-5-以工业PC为技术平台的数控系统结构框图

3)单微处理器结构的组成

单微处理器CNC装置的组成如图5-6所示。微处理器(CPU)通过总线与存储器(RAM、EPROM)、位置控制器、可编程序控制器(PLC)及I/O接口、MDI/CRT接口、通信接口等相连。图5-6单微处理器CNC装置的组成框图

(1)CPU和总线。

CPU是CNC装置的核心,由运算器及控制器两大部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算;控制器则是将存储器中的程序指令进行译码,并向CNC装置各部分顺序发出执行操作的控制信号,并且接收执行部件的反馈信息,从而决定下一步的命令操作。也就是说,CPU主要担负与数控有关的数据处理和实时控制任务。数据处理包括译码、刀补、速度处理。实时控制包括插补运算和位置控制以及对各种辅助功能的控制。

(2)存储器。

CNC装置的存储器包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)两类。

CNC装置一般采用EPROM。这种存储器的内容只能由CNC装置的生产厂家固化(写入),写入EPROM的信息即使断电也不会丢失,只能被CPU读出,不能写入新的内容。常用的EPROM有2716、2732、2764、27128、27256等。RAM中的信息既可以被CPU读出,也可以写入新的内容,但断电后信息也随之消失,具有备用电池的RAM方可保存信息。

(3)位置控制器。

位置控制器主要用来控制数控机床各进给坐标轴的位移量,需要时将插补运算所得的各坐标位移指令与实际检测的位置反馈信号进行比较,并结合补偿参数,适时地向各坐标伺服驱动控制单元发出位置进给指令,使伺服控制单元驱动伺服电动机运转。位置控制是一种同时具有位置控制和速度控制两种功能的反馈控制系统。CPU发出的位置指令值与位置检测值的差值就是位置误差,它反映的实际位置总是滞后于指令位置。位置误差经处理后作为速度控制量控制进给电动机旋转,使实际位置总是跟随指令位置的变化而变化。

(4)可编程序控制器(PLC)。

数控机床用PLC可分为“内装型”与“独立型”两种,用于数控机床的辅助功能和顺序控制。

(5)MDI/CRT接口。

MDI接口即手动数据输入接口,数据通过操作面板上的键盘输入。CRT接口是在CNC软件的配合下,在显示器上实现字符和图形的显示。

(6)I/O接口。

CNC装置与机床之间的信号通过I/O接口来传送。输入接口是指接收机床操作面板上的各种开关、按钮以及机床上的各种行程开关和温度、压力、电压等检测信号。因此,它分为开关量输入和模拟量输入两类接收电路,并由接收电路将输入信号转换成CNC装置能够接收的电信号。

(7)通信接口。

通信接口用来与外设进行信息传输,如上一级计算机、移动硬盘、可移动磁盘、录音机等。

2.多微处理器结构

多CPU结构的CNC装置是将数控机床的总任务划分为多个子任务,每个子任务均由一个独立的CPU来控制。

1)多微处理器结构的特点

(1)性能价格比高。

多微处理器采用多CPU完成各自特定的功能,适应多轴控制、高精度、高进给速度、高效率的控制要求,同时由于单个低规格CPU的价格较为便宜,因此其性能价格比较高。

(2)模块化结构。

模块化结构使处理器具有良好的适应性与扩展性,结构紧凑,调试、维修方便。

(3)通信功能强。

具有很强的通信功能,便于实现FMS、FA、CIMS。

2)多微处理器结构的形式

多微处理器的CNC装置一般采用两种结构形式,即紧耦合结构和松耦合结构。紧耦合结构由各微处理器构成处理部件,处理部件之间采取紧耦合方式,有集中的操作系统,共享资源。松耦合结构由各微处理器构成功能模块,功能模块之间采取松耦合方式,有多重操作系统,可以有效地实现并行处理。

3)多微处理器结构的组成

(1)组成。

多微处理器的CNC装置主要由CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、存储器模块、PLC模块、数据输入/输出及显示模块等。

①CNC管理模块。

②CNC插补模块。

③位置控制模块。

④存储器模块。

⑤PLC模块。

⑥操作控制数据输入、输出和显示模块。

②CNC插补模块。

CNC插补模块用于完成插补前的预处理,如对零件程序的译码、刀具半径的补偿、坐标位移量的计算及进给速度的处理等。此外还可进行插补计算,为各个坐标提供位置给定值。

(2)功能模块的互连方式。

多CPU的CNC装置的典型结构有共享总线和共享存储器两类结构。

①共享总线结构。

共享总线结构是以系统总线为中心组成多微处理器CNC装置,如图5-7所示。图5-7多微处理器共享总线结构框图

按照功能的不同可将系统划分为若干功能模块,带有CPU的模块称为主模块,不带CPU的称为从模块。所有的主、从模块都插在配有总线插座的机柜内。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起,按照要求交换各种数据和控制信息,实现各种预定的功能。

这种结构中只有主模块有权控制使用系统总线。由于有多个主模块,系统通过总线仲裁电路来解决多个主模块同时请求使用总线的矛盾。

共享总线结构的优点是系统配置灵活,结构简单,容易实现,造价低。不足之处是会引起竞争,使信息传输率降低;总线一旦出现故障,会影响全局。

②共享存储器结构。

共享存储器结构是以存储器为中心组成的多微处理器CNC装置,如图5-8所示。

它采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信,每个端口都配有一套数据、地址、控制线,以供端口访问,并由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时,往往会由于争用共享存储器而造成信息传输的阻塞,降低系统效率,因此这种结构功能扩展比较困难。图5-8多微处理器共享存储器结构框图

5.2.4大板式和功能模块式结构

1.大板式结构

大板式结构CNC系统的CNC装置可由主电路板、ROM/RAM板、PLC板、附加轴控制板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路板,其他电路是小印制电路板,它们插在大印制电路板上的插槽内,共同构成CNC装置,如图5-9所示。图5-9大板式结构示意图

FANUCCNC6MB就采用这种大板式结构,其框图如图5-10所示图5-10FANUCCNC6MB框图

2.功能模块式结构

在采用功能模式结构的CNC装置中,将整个CNC装置按功能划分为硬件模块和软件模块化结构。硬件和软件的设计都采用模块化设计方法,即每一个功能模块被做成尺寸相同的印制电路板(称为功能模板),相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成了一个所谓的交钥匙CNC系统产品系列,用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板,将各功能模板插入控制单元母板的槽内,就搭成了自己需要的CNC系统的控制装置。常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、图形板和通信板等。

例如,一种功能模块式结构的全功能型车床数控系统框图如图5-11所示,系统由CPU板、扩展存储器板、显示控制板、手轮接口板、键盘和录音机板、输入/输出接口板、强电输入板、伺服接口板和三块轴反馈板共11块板组成,连接各模块的总线可按需选用各种工业标准总线,如工业PC总线、STD总线等。FANUC系统15系列就采用了功能模块化式结构。

图5-11一种功能模块式全功能型车床数控系统框图

5.2.5-开放式数控系统结构

1.美国的NGC和OMAC计划及其结构

NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器,要求适用于各类机床的CNC控制和周边装置的过程控制,包括切削加工(钻、铣、磨等)、非切削加工(电加工、等离子弧、激光等)、测量及装配、复合加工等。

NGC计划已于1994年完成了斯勒三大汽车公司在NGC的指导下,联合提出了OMAC开发计划,并对系统框架、运动控制、人机接口、传感器接口、信息库管理和任调度提出了完整的结构规范。美国DELTATAU公司利用OMAC协议,采用PC+PMAC控制卡组成PMAC开放式CNC系统。PMAC卡上具有完整的NC控制功能和方便的调用接口,与PC采用双端口、总线、串行接口和中断等方式进行信息交换,只需在通用PC上进行简单的人机操作界面开发,即可形成各种用途的控制器,满足不同用户的需求。NGC系统结构如图5-12所示。规划研究,并已转入工业开发。美国通用、福特和克莱图5-12NGC系统体系结构

2.欧共体的OSACA计划及其结构

OSACA计划是针对欧盟的机床,其目标是使CNC系统开放,允许机床厂对系统作补充、扩展、修改、裁剪来适应不同需要,实现CNC的批量生产,增强数控系统和数控机床的市场竞争力。

目前,SIEMENS、FAGOR、NUM、Index等公司已有数控产品与OSACA部分兼容。OSACA系统平台结构如图5-13所示。图5-13OSACA系统平台结构

3.日本的OSEC计划及其结构

OSEC采用应用、控制和驱动三层功能结构,可实现零件造型、工艺规划(加工顺序、刀具轨迹、切削条件等)、机床控制处理(程序解释、操作模块控制、智能处理等)、刀具轨迹控制、顺序控制、轴控制等。

OSEC采用新的接口协议,它从CAD和生产管理开始,分为CAM和生产监控,综合成为任务调度,然后利用各种库进行解释,形成轴控制及PLC所需信息和数据,对机床的伺服和执行机构进行控制,可实现I/O口控制、信号处理控制、电动机控制以及电动机联动控制。OSEC开放系统的体系结构如图5-14所示。图5-14OSEC开放系统体系结构

5.3CNC装置的软件结构

CNC数控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,是数控加工的一种专用软件,又称为系统软件(系统程序),其管理作用类似于计算机操作系统的功能。不同的CNC装置功能和控制方案也不同,因而各系统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,系统软件的设计及功能是CNC系统的关键。

5.3.1CNC装置软件、硬件的界面

软件结构取决于CNC装置中软件和硬件的分工,也取决于软件本身的工作性质。硬件为软件运行提供了支持环境。软件和硬件在逻辑上是等价的,由硬件能完成的工作原则上也可以由软件完成。硬件处理速度快,但造价高;软件设计灵活,适应性强,但处理速度慢。因此CNC装置中,软硬件的分工是由性能/价格比决定的。

在现代CNC装置中,软件和硬件的界面关系是不固定的。早期的NC装置中,数控系统的全部功能都由硬件来实现,随着计算机技术的发展,计算机参与了数控系统的工作,构成了计算机数控(CNC)系统,由软件完成数控工作。随着产品的不同、功能要求的不同,软件和硬件的界面是不一样的。图5-15为三种典型CNC装置的软硬件界面关系。图5-15-三种典型的软硬件界面关系

5.3.2系统软件的组成及结构类型

CNC系统是一个专用的实时多任务系统。CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中。因此,它的系统软件包括管理和控制两大部分。系统的管理部分包括输入、I/O处理、通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序,控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。

5.3.3CNC系统控制软件的结构特点和中断结构模式

无论何种类型的结构,CNC装置的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断处理的特点。

1.多任务并行处理

1)CNC装置的多任务性

数控加工时,CNC装置要完成许多任务。在多数情况下,管理和控制的某些工作必须同时进行。

例如,为使操作人员能及时地了解CNC装置的工作状态,管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。当在插补加工运行时,管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时,其本身的一些处理模块也必须同时运行。例如,为了保证加工过程的连续性,即刀具在各程序之间不停刀,译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行,而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。

图5-16给出了CNC装置的软件任务分解图,反映了它的多任务性。图5-17表示了软件任务的并行处理关系,其中双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。图5-16CNC装置软件任务分解图5-17软件任务的并行处理

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。并行处理的优点能提高运行速度。

并行处理分为“资源重复”并行处理方法、“时间重叠”并行处理方法和“资源共享”并行处理方法。

(1)资源分时共享并行处理。

在单CPU的CNC装置中,主要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。各任务何时占用CPU及各任务占用CPU时间的长短,则要解决的是两个时间分配问题。在CNC装置中,各任务占用CPU用循环轮流和中断优先相结合的办法来解决。图5-18是一个典型的CNC装置各任务分享CPU的时间分配图。图5-18CNC装置分享CPU的时间分配

(2)资源重复流水并行处理。

当CNC装置在自动加工工作方式时,其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、Δt4,那么一个零件程序段的数据转换时间将是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以顺序方式处理每个零件程序段,则第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段,依此类推。图5-19(a)显示了这种顺序处理时的时间空间关系。从图中可以看出,两个程序段的输出之间有一个时间为t的间隔。这种时间间隔反映在电机上就是电机的时转时停,反映在刀具上就是刀具的时走时停,这种情况在加工工艺上是不允许的。图5-19资源重叠流水并处理

2.多重实时中断处理

CNC系统软件结构的另一个特点是多重实时中断处理。CNC系统程序以零件加工为对象,每个程序有许多子程序(子过程),它们按预定的顺序反复执行,各步骤间关系十分密切,有许多子程序实时性很强,这就决定了中断成为整个系统不可少的重要组成部分。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。

CNC系统的中断有四种类型。

(1)外部中断。

外部中断主要有纸带光电阅读机中断,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。前两种中断的实时性要求很高,因此将它们放在较高的优先级上,而键盘和操作面板输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中,甚至用查询的方式来处理它。

(2)内部定时中断。

内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断两种。在有些系统中,这两种定时中断合二为一。但在处理时,总是先处理位置控制,然后处理插补运算。

(3)硬件故障中断。

硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出的中断,如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。

(4)程序性中断。

程序性中断是指程序中出现的异常情况的报警中断,如各种溢出和除零等。

3.CNC系统中断的结构模式

1)前后台软件结构中的中断模式

在前后台软件结构中,前台程序是一个中断服务程序,用于完成全部的实时功能。后台(背景)程序是一个循环运行程序,管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行时,实时中断程序不断插入,与后台程序相配合共同完成零件加工任务。图5-20是前、后台软件结构中,实时中断程序与背景程序的关系图。图5-20前、后台型软件结构

2)中断型软件结构中的中断模式

中断型软件结构的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讯来解决。表5-1所示为某CNC系统各级中断的主要功能。该中断优先级共7级,其中0级为最低优先级,实际上是初始化程序;1级为主控程序,当没有其他中断时,该程序循环执行;7级为最高级。除了第4级为硬件中断(完成报警功能)之外,其余均为软件中断。

(1)0级中断程序。

0级中断程序是初始化程序,是为整个系统的正常工作做准备的。主要完成:①清除RAM工作区;②设置有关参数和偏移数据;③初始化有关电路芯片。

(2)1级中断程序。

1级中断程序是主控程序,即背景程序。当没有其他中断时,1级程序始终循环运行。主要完成:①CRT显示控制;②ROM奇偶校验。

(3)2级中断服务程序。

2级中断服务程序主要工作是对系统所处的各种工作方式进行处理,包括:①自动方式;②MDI方式;③点动增量方式;④手动连续进给或手轮方式;⑤示教方式;⑥编辑方式。

(4)3级中断服务程序。

3级中断服务程序主要完成:①I/O映像处理,用于PLC开关量信号的控制;②键盘扫描和处理;③M、S、T处理,将辅助功能,如主轴正、反转(M03、M04),切削液的开、关(M08、M09),主轴转速(S指令),换刀(M06及T指令)等控制信号输出,以控制机床动作。

(5)4级中断程序。

当数控系统硬件出现故障时,由系统诊断程序进行检测,并将出错信息以指示灯或CRT显示出来。

(6)5级中断服务程序。

5级中断服务程序主要完成:①插补运算;②坐标位置修正;③间隙补偿;④加减速控制。

(7)6级中断服务程序。

6级中断服务程序是一种软件定时方法。通过这种定时,可以实现2级和3级的16ms定时中断,并使其相隔8ms。当2级或3级中断还没有返回时,不再发出中断请求信号。

(8)7级中断服务程序。

当纸带通过光电阅读机输入时,光电阅读机每读到纸带上一排孔的信息,立即向数控系统发出一个中断请求信号,要求处理所读到的一个字符。

以上是一个典型的单微处理器数控系统的软件结构,该系统的位置控制由硬件处理。当位置控制用软件来处理时,则位置控制程序应安排在插补程序同一级或更高级的中断服务程序中。

5.3.4刀具补偿原理

CNC系统通过控制刀架的参考点实现加工轨迹,但在实际加工中,是使用刀尖或刀刃完成切削任务的。这样就需要在刀架参考点与刀具切削点之间进行位置偏置,从而使数控系统的控制对象由刀架参考点变换到刀尖或刀刃,这种变换过程就称之为刀具补偿。

刀具补偿一般分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。对于不同类型的数控机床和刀具,需要刀具补偿的类型也不一样,如图5-21所示。图5-21不同刀具的补偿类型

1.刀具长度补偿

刀具长度补偿一般应用在数控车床、数控钻床、加工中心等数控机床中。图示为某数控车床刀具结构图,图中P为理论刀尖,S为刀头圆弧圆心,Rs为刀头5半径22,所F为刀架参考点。

在刀具补偿中,实质是实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架参考点之间的转换,即图中的F与S之间的转换。但在实际应用中,由于不能直接测量F与S两点之间的距离,因此只能测得理论刀尖P与刀架参考点F之间的距离。图5-22数控车床刀具结构参数

为计算刀具补偿,现假设刀头半径Rs=0,这样可采用刀具长度测量装置测出理论刀尖点P的相对参考点XPF和ZPF,并存入刀具参数中,得到

式中,XP、ZP为理论刀尖P点的坐标;X、Z为刀架参考点F的坐标。

由此很容易写出刀具长度补偿的计算公式为

式中,理论刀尖P的坐标(XP,ZP)实际上就是加工零件轨迹点的坐标,该坐标在数控加工程序中获得。经过这样的补偿后,能通过控制刀架参考点F来实现零件轮廓轨迹。

对于数控钻床,钻床的刀具是钻头,其补偿只有一个坐标方向需要补偿,所以其长度补偿比较简单,只要在Z轴方向进行长度补偿即可,根据式(5-2)有

式中,XP、ZP为数控加工程序中编制的钻孔的坐标值;ZPF为钻头长度;X、Z为补偿后钻头坐标值。

2.刀具半径补偿

在数控机床上使用圆弧刀具或铣刀加工零件时,加工程序的编制可以有两种方法,一种是按零件轮廓编程,另一种是按刀具中心(圆心)轨迹编程。按刀具中心轨迹编程需要求出零件轮廓的等距线,这需要大量的数学计算,工作量较大。对于特殊曲面,这种工作更是不可想象的困难。

数控系统执行用户程序时,在执行到含有G41或G42指令的程序段时,就会启动自动补偿程序对加工过程进行补偿。在刀具半径补偿过程中,一般分为如下三个步骤:

1)刀具半径补偿的建立

刀具由起刀点接近工件,因为建立了刀具补偿,所以本段程序执行后,刀具中心轨迹的终点不在下一段程序轮廓的起点,而是在法线方向上偏移一个刀具半径的距离。偏移的左右方向决定于G41或G42,如图5-23所示。图5-23刀具半径补偿的建立与撤销

2)刀具半径补偿的进行

刀具半径补偿一旦建立后,刀具半径补偿的状态就一直保持到刀具半径补偿撤销。在刀具半径补偿进行期间,刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个指定的刀具半径距离。

3)刀具半径补偿的撤销

当零件的轮廓加工完成后,刀具离开工件,回到起刀点。在回到起刀点的过程中,CNC系统会根据用户程序中的G40(撤消刀具半径补偿)指令取消刀具半径补偿,使刀具中心回到起刀点。

(1)B功能刀具半径补偿。

B功能刀具半径补偿为基本的刀具半径补偿,它仅根据本程序段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿,计算刀具中心的运动轨迹。而程序段之间的连接处理则需要编程人员在编程时进行处理,即在零件的外拐角处必须人为地编制出附加圆弧加工程序段,才能实现尖角过渡,这种方法会使刀具在拐角处停顿,工艺性差。

(2)C功能刀具半径补偿。

B功能刀具半径补偿在实现过程中,一般采用读一段、计算一段、再走一段的数据流控制方式,根本无法考虑到两个轮廓之间刀具中心轨迹的转接问题,而这些都要由编程员来解决。要彻底解决上述问题,只有在CNC系统中开发一种新的刀具半径补偿功能。C功能刀具半径补偿功能就是适应这种需求应运而生的。

图5-24所示是三种数控系统的工作流程的比较。图5-24(a)是普通NC系统的工作方式,编程轨迹作为输入数据送到工作寄存区AS后,由运算器进行刀具半径补偿运算,再将运算结果送到输出寄存区OS,直接作为伺服系统的控制信号。图5-24(b)是改进后的普通NC系统的工作方式,与图5-24(a)相比,增加了一组数据输入缓冲寄存区BS,节省了数据读入时间。AS中存放着正在加工的程序段信息,而BS已经存放了下一段所要加工的程序段信息。图5-24(c)是CNC系统采用的C功能刀具半径补偿方法的原理框图。与前两种方法不同的是CNC系统内部设置了一个刀具半径补偿缓冲区CS,零件程序的输入参数在BS、CS和AS区内的存放格式是完全一样的。图5-24三种数控系统的工作流程

一般的CNC系统中能控制加工的轨迹只有直线和圆弧,前后两段编程轨迹间共有四种连接形式,即直线与直线连接、直线与圆弧连接、圆弧与直线连接、圆弧与圆弧连接。根据两段程序轨迹交接处在工件侧的角度α的不同,直线过渡的刀具半径补偿分为以下三类转接过渡方式:

①180°≤α<360°,缩短型;

②90°≤α<180°,伸长型

③0°≤α<90°,插入型。

α角称为转接角,其变化范围为0°≤α<360°。α角规定为两个相邻轮廓(直线或圆弧)段交点处在工件侧的夹角,如图5-25所示。图5-25-转接角定义示意图

在这三个步骤中,C功能刀具半径补偿的情况也各不相同。

·刀具半径补偿的建立。

如图5-26所示,分别为缩短型(如图5-26(a)所示)、伸长型(如图5-26(b)所示)和插入型(如图5-26(c)所示)三种情况。第一个运动轨迹为圆弧时不允许进行刀具半径补偿操作。图5-26刀具半径补偿的建立

·刀具半径补偿的进行。

如图5-27所示,分别为缩短型(如图5-27(a)所示)、伸长型(如图5-27(b)所示)和插入型(如图5-27(c)所示)三种情况。图5-27刀具半径补偿的进行

·刀具半径补偿的撤销。

如图5-28所示,分别为缩短型(如图5-28(a)所示)、伸长型(如图5-28(b)所示)和插入型(如图5-28(c)所示)三种情况。第二个运动轨迹为圆弧时不允许进行刀具半径补偿的撤销操作。在这里需要特别说明的是,圆弧轮廓上一般不允许进行刀具半径补偿的建立与撤销。图5-28刀具半径补偿的撤销

5.3.5-进给速度处理和加减速控制

1.进给速度的计算

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,坐标轴的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,速度计算的方法根据程编的F值来确定该频率值。

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,步进电动机转过一定的角度,驱动坐标轴进给一个脉冲对应的距离(称为脉冲当量)。插补程序根据零件的轮廓尺寸和程编进给速度的要求,向各个坐标轴分配脉冲。脉冲的频率决定进给速度。进给速度F(单位为mm/min)与进给脉冲频率f的关系为

式中:δ———脉冲当量,单位为mm。

2)半闭环和闭环系统速度的计算

在半闭环和闭环系统中,速度计算的任务是确定一个采样周期的轮廓步长和各坐标轴的进给步长。

直线插补时,首先要求出刀补后一个直线段(程序段)在X和Y轴上的投影Lx和Ly,见图5-29。图5-29速度处理图5-30速度计算图

2.进给速度的控制

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,可用软件或软件接口硬件配合实现进给速度控制。常用的方法有计时法、时钟中断法及v/ΔL积分法等。

1)程序计时法

采用程序计时法控制速度时,要计算每次插补运算占用的时间。由各种进给速度要求的进给脉冲间隔时间减去插补运算时间,得到每次插补运算后的等待时间,用空运转循环对这段等待时间计时。

点位直线运动的速度分为升速段、恒速段、降速段等几个阶段。速度控制过程可用图5-31所示的框图描述。图5-31速度控制

2)时钟中断法

时钟中断法只要求一种时钟频率,用软件控制每个时钟周期内的插补次数,以达到进给速度控制的目的,其速度要求用每分钟毫米数直接给定。该方法适合用于脉冲增量插补原理。

设F是以mm/min为单位的给定速度。为了换算出每个时钟周期应插补的次数(即发出的进给脉冲数),要选定一个适当的时钟频率,选择的原则是满足最高插补进给速度要求,并考虑到计算机换算的方便,取一个特殊F值(如F=256mm/min)对应的频率。该频率对给定的速度每个时钟周期插补一次。当以0.01mm为脉冲当量时,有

故取时钟频率为427Hz。这样对F=256mm/min的进给速度,恰好每次时钟中断时做一次插补运算。

根据给定速度换算的结果F整和F余进行给定速度的控制。以图5-32为例,第一个时钟中断来到时,F整即是本次时钟周期中应插补的次数,插补427次(即用427Hz频率插补),得到512mm/min的速度。图5-32F=600mm/min经换算后的形式

同时F余没有丢掉,否则将使实际速度减小(512mm/min<600mm/min)。F余在本次时钟周期保留,并在下次时钟中断到来时,做累加运算。若有溢出时,应多做一次插补运算,并保留累加运算的余数,经427次插补(即用427Hz频率插补)得到88mm/min的速度。进给速度为F整和F余两个速度合在一起,即512+88=600mm/min。

3)v/ΔL积分器方法

DDA插补方法中,速度F代码是用进给速度数(FRN)给定的。将FRN作为与坐标积分器串联的速度积分器的被积函数,使用经计算得到的累加频率,可产生适当的速度积分器溢出频率。将它作为坐标积分器的累加频率,就能使DDA插补器输出的合成速度保持恒定。

在插补器接口中(即第二级插补器)设置一个v积分器和一个1/ΔL积分器,串联后构成v/ΔL积分器(见图5-33),其输出作为坐标积分器的积分命令,这样就可以达到合成速度恒定的控制要求。图中±1控制部分在每次升降速时钟tn来到时,对v积分器的被积函数做一次“加1(或“减1”)运算,以达到升(或降)速的目的。在升降速过程中,因为v积分器中的被积函数是按线性规律变化的,故其溢出脉冲频率也按线规律变化,使1/ΔL积分器和各坐标积分器的溢出频率也线性上升或下降,但各坐标积分器溢出频率的比值仍与恒速时一样,因此没有运动误差。图5-33带v/ΔL积分器的DDA直线插补器

在速度控制中,应先算出v和1/ΔL积分器的被积函数。在升降速时,可根据速度变化量ΔF计算升降速的次数ΔNi,即按升降速时钟频率对v积分器的被积函数加或减“1”的次数,达到

规定的速度值时,停止加或减速。

3.采用数据采样插补法的CNC装置加减速控制

在CNC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———程编指令速度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,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,而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,并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序终点。后加减速的缺点是,由于它对各运动坐标轴分别进行控制,实际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)前加减速控制进行加减速控制时,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,零件程序段中的速度命令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,系统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为

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vi=vg,当系统处于加速(或减速)状态时,vi<vg(或vi>vg)。

(1)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。现以线性加减速说明其计算方法。

加减速率分为快速进给和切削进给速度两种,它们必须由机床参数预先设定好。设进给速度为F(mm/min),加速到F所需要的时间为t(ms),则加/减速度a的计算公式为

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。当计算的稳定速度v'g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。图5-34是加速处理框图。图5-34加速处理框图图5-35-减速处理框图

(2)终点判别处理。

在每次插补运算结束后,系统都要根据要求给出各轴的插补进给量,来计算刀具中心离开本程序段起点的距离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减速。

直线插补时Si的计算应用公式为

计算出各坐标分量值,取其长轴(如X轴),则瞬时点A离终点P的距离Si为

式中:α——X轴(长轴)与直线的夹角,见图5-36所示。图5-36直线插补终点判别图5-37圆弧插补终点判别

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两种。

(1)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成随时间按指数规律上升或下降,如图5-38所示。指数加减速的速度与时间关系为图5-38指数加减速

图5-39是指数加减控制算法的原理图。其中Δt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vc与输出速度(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输出v,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。图5-39指数加减速控制原理

上述过程可以用迭代公式来实现,即

式中,Ei、vi分别为第i个采样周期时,误差寄存器E中的值和输出速度值,且迭代初值v0、E0为零。

(2)直线加减速控制算法。

直线加减速控制的目的是使机床在启动或停止时,速度沿一定斜率的直线上升或下降,如图5-40所示,速度变化曲线是OABC。图5-40直线加减速

直线加减速控制过程如下:

①加速过程。如果输入速度vc与输出速度vi-1之差大于一个常值KL,即vc-vi-1,则使输出速度增加KL值,即

式中:KL——加减速的速度阶跃因子。

②加速过渡过程。

如果输入速度vc

大于输出速度vi,但其差值小于KL,则改变输出速度,使其与输入速度相等,即vi=vc

。经过这个过程后,系统进入稳定速度状态。

③匀速过程。

在匀速过程中,保持输出速度不变,即vi=vi-1,但此时的输出vi不一定等于vc。

④减速过渡过程。

如果输入速度vc

小于输出速度vi-1,但其差值小于KL,则改变输出速度,使其减小到与输入速度相等,即vi=vc

。

⑤减速过程。

如果输入速度vc

小于输出速度vi-1,且差值大于KL,即vi-1-vc

>KL时,改变输出速度,使其减小KL值,即vi=vi-1-KL。

5.3.6数控插补原理

1.插补的基本概念

在数控机床中,机床的移动部件(刀具或工件)是一步一步移动的,移动部件所能够移动的最小位移量叫机床的脉动当量。脉动当量是机床移动部件一步所移动的距离,也叫机床的最小分辨率。

例如,被加工零件的廓形是直线OE(见图5-41)。在数控机床加工加工该零件廓形时,可以让刀具(以后讨论中都假定工件不动,刀具动)沿图中实折线O→A'→A→B'→B→C'→C→D'→D→E'→E进给,也可以让刀具沿图中虚线O→A″→A→B″→B→C″→C→D″→D→E″→E进给,或其他进给路线。刀具沿什么的折线进给,由机床的数据系统决定。绝大多数机器零件的轮廓都由直线和圆弧构成,因此数据系统必须满足机床加工直线和圆弧的基本要求。图5-41插补轨迹

2.插补方法的分类

根据插补所采用的原理和计算方法的不同,可有许多插补方法,目前应用的插补方法分为基准脉冲插补法和数据采样插补法两大类。

1)基准脉冲插补法

基准脉冲插补法又称脉冲增量插补法或行程标量插补法。这种插补方法的特点是每次插补结束后,数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列。

2)数据采样插补方法

数据采样插补方法又称为数据增量插补方法或时间标量插补方法。这类插补方法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲,而是标准二进制字。插补运算分两步完成:第一步为粗插补,在给定起点和终点的曲线上插入若干个点,即用若干条微小直线段来逼近给定曲线,每一条微小直线段的长度ΔL都相等,且与给定进给速度有关。粗插补在每个插补周期T中计算一次,每个微小直线段的长度ΔL与进给速度F和插补周期T成正比例关系,即ΔL=F·T。第二步为精插补,它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。

3.逐点比较法

逐点比较法的原理是,计算机在控制加工过程中,能逐点地计算和判别加工偏差,以控制坐标进给,并按规定图形加工出所需要的工件,其进给是步进式的。逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧曲线的,插补误差小于一个脉冲当量,因而只需将脉冲当量(即每走一步的距离)取得足够小就可达到加工精度的要求。逐点比较法既可做直线插补,又可做圆弧插补。

1)直线插补

(1)逐点比较法直线插补原理。

如图5-42所示,以第一象限的直线OA为例,终点A坐标为(Xe,Ye),起点为加工原点。m(Xm,Ym)为加工动点,若m在OA直线上,则有

取图5-42逐点比较法直线插补原理

作为直线插补的偏差判别式,则有:

若Fm=0,表明m点在OA直线上;

若Fm>0,表明m点在OA直线上方的m'处;

若Fm<0,表明m点在OA直线下方的m″处。

从上述过程可以看出,逐点比较法中每走一步都要完成四项内容:

①偏差判别。判别偏差符号,确定加工点是在要求的图形外还是图形内。

②坐标进给。根据偏差情况,确定控制X坐标(或Y坐标)进给一步,使加工点向规定图形靠拢,以缩小偏差。

③偏差计算。计算进给一步后加工点与要求图形的新偏差,作为下一步偏差判别的依据。

④终点判别。根据这一步的进给结果,判定是否到达终点。如果未到终点,继续插补;如果已到终点,停止插补。

图5-43不同象限直线的逐点比较插补

当Fm<0时,为了逼近圆弧,应向+Y方向走一步,坐标值为

则有

(2)终点判别。

若已到达终点,则停止插补;若未到达终点,则重复上述过程。终点判断常用的方法有如下两种:一种是用X、Y方向应走总步数之和Σ来判断,每进给一步,均进行Σ-1计算,至Σ=0时停止插补;另一种方法是用圆弧末端来选取,如末端离Y(X)轴近,则选取X(Y)的坐标值作为Σ,只要在该坐标方向进给一步,则进行Σ-1计算,判断Σ是否为零。若Σ=0,则停止插补;若Σ≠0,则继续插补。

例如,第一象限逆时针走向的圆弧AB︵,起点为A(5,0),终点为B(0,5),如图5-45所示,其插补运算见表5-3。图5-45-圆弧插补轨迹

(3)四个象限的圆弧插补计算。

如图5-46所示,用SRl、SR2、SR3、SR4分别表示第一、第二、第三、第四象限的顺圆弧,用NRl、NR2、NR3、NR4分别表示第一、第二、第三、第四象限的逆圆弧。图5-46

圆弧所在的象限不同,顺序不同,则插补公式和进给方向也不同,共有八种情况。表5-4列出了八种圆弧插补的偏差计算公式和进给方向,其中Xm、Ym、Xm+1、Ym+1都是动点坐标的绝对值。

3)逐点比较法的软件实现方法

在CNC系统中,用软件实现逐点比较法插补是很方便的。第一象限直线插补流程如图5-47所示,第一象限逆圆插补流程如图5-48所示。图5-47第一象限直线插补流程图5-48第一象限逆圆插补流程

4.数字积分法

数字积分法又称数字微分分析器(DDA,DigitalDifferentialAnalyzer),DDA运算速度快,脉冲分配均匀,容易实现多坐标联动,故在数控系统中得到广泛应用。如图5-49所示,函数Y=f(x)求积分的运算就是求此函数曲线所包围的面积。图5-49DDA法的原理

动点从原点O出发走向终点A的过程,可看做是X坐标轴和Y坐标轴每隔一个单位时间Δt,分别以增量KXe及KYe同时对两个累加器累加的过程。当累加值超过一个坐标单位(脉冲当量)时产生溢出,溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量,从而走出给定直线OA。

可见,若累加器的位数为n,则从直线起点到终点的整个插补过程中要进行2n次累加。由于K=1/2n(n为寄存器的位数),对于存放于寄存器中的二进制数来说,KXe(或KYe)与Xe(或Ye)是相同的,可以看做前者小数点在最高位之前,而后者的小数点在最低位之后。因此,可以用Xe直接对X轴累加器进行累加,用Ye直接对Y轴的累加器进行累加。

平面直线的插补运算框图如图5-50所示,每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器组成。在被积函数寄存器中存放终点坐标值,每隔一个时间间隔Δt,将被积函数的值向各自的累加器中累加。X轴的累加器溢出的脉冲驱动X轴走步,Y轴累加器溢出脉冲驱动Y轴走步。图5-50平面直线插补运算框图

例如当n=4时,对第一象限的直线OA进行DDA插补,O、A坐标分别为(0,0)、(10,6),插补计算过程见表5-5,插补轨迹如图5-51所示。图5-51数字积分法直线插补轨迹

2)圆弧插补

如图5-52所示,以第一象限逆圆为例讨论数字积分法圆弧插补原理。图5-52数字积分法圆插补

坐标方向的位移增量为

可得出第一象限逆圆加工时数字积分法插补表达式为

DDA圆弧插补具有下面一些特点:

(1)X轴被积函数寄存器累加得到的溢出脉冲作为Y轴的进给脉冲,而Y轴被积函数寄存器累加得到的溢出脉冲则作为X轴的进给脉冲。

(2)X、Y轴坐标被积函数寄存器分别存放圆弧的起点坐标X0和Y0。每发出一个进给脉冲后,必须将被积函数寄存器内的坐标值加以修正。

数字积分法圆弧插补计算过程对于不同象限、圆弧的不同走向都是相同的,只是溢出脉冲的进给方向为正或为负,以及被积函数JVX(Xi),JVY(Yi)是进行“加1”修正或“减1”修正有所不同而已,具体情况见表5-6。

5.数据采样插补

随着数控技术的发展,以直流伺服特别是交流伺服为驱动元件的计算机闭环数字控制系统已成为数控的主流。采用这类伺服系统的数控系统,一般采用数据采样插补法。

数据采样插补法是指根据编程的进给速度,将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段,即轮廓步长。在每一插补周期中,插补程序被调用一次,为下一进给周期计算出各坐标轴应该行进的增长段(而不是单个脉冲)ΔX或ΔY等,然后再计算出相应插补点(动点)位置的坐标值。数据采样插补的核心问题是计算出插补周期的瞬时进给量。

对于直线插补,用插补所形成的步长子线段逼近给定直线,与给定直线重合。在圆弧插补时,用切线、弦线和割线逼近圆弧,常用的是弦线或割线。

圆弧插补常用弦线逼近的方法,如图5-53所示。图5-53用弦线逼近圆弧

可以看出,在圆弧插补时,插补周期l分别与精度eR、半径R和速度F有关。如果以弦线误差作为最大允许的半径误差,要得到尽可能大的速度,则插补周期要尽可能小;当eR给定时,小半径比大半径的插补周期小。但插补周期的选择要受计算机运算速度的限制,插补周期应大于插补运算时间与完成其他实时任务所需时间之和。

时间分割插补法是典型的数据采样插补方法。下面介绍时间分割法直线插补原理和时间分割法圆弧插补原理。

时间分割法是指每隔时间t(ms)进行一次插补计算,即先通过速度计算,按进给速度F(mm/min)计算t(ms)时间内的合成进给量f,然后进行插补计算,并送出t(ms)时间内各轴的进给量。合成进给量f为

1)时间分割法直线插补法原理

如图5-54所示,设要求刀具在XOY平面内做直线运动,直线起点为坐标原点O,终点为A(Xe,Ye)。当刀具从O移动到A点时,X轴与Y轴移动的增量分别为Xe和Ye。设需加工直线与X轴的夹角为α,Om为已计算出的一次插补进给量f,则有

而

式中:ΔX———X轴插补进给量;

ΔY———Y轴插补进给量。图5-54时间分割法直线插补

2)时间分割法圆弧插补原理

时间分割法圆弧插补是用一段等长度的弦去逼近实际的圆弧,每一插补周期内插补一段弦,再由前一个插补点的坐标和圆弧半径,计算由前一插补点到后一插补点两坐标轴的进给量ΔX、ΔY。

如图5-55所示的第一象限顺时针圆弧,设刀具由A点移动到B点,A(X=,Y=)为圆上某一点,B(X=,Y=)为下一插补点。AP为A点的切线,AB为本次插补的合成进给量。AB==,M为AB之中点,则有图5-55-时间分割法圆弧插补

间分割插补法用弦线逼近圆弧,因此插补误差主要为半径的绝对误差。由于插补周期是固定的,该误差取决于进给速度和圆弧半径,见式(5-31)。为此,当加工圆弧半径确定后,为了使径向误差不超过允许值,必须对进给速度有一个限制。

5.4计算机数控中的可编程控制器(PLC)

5.4.1PLC的概念及其在工业中的应用可编程控制器(简称PLC)是以微处理器技术为基础,综合了计算机技术、自动化技术和通信技术的一种新型工业控制装置。PLC以其可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便这三大特点,在工业自动化领域得到了广泛的应用,现已成为实现工业自动化的强有力工具,适用于电力、纺织、机械、钢铁、造纸、食品、化学等各种工业部门。

1)PLC在开关量控制系统中的应用

PLC在开关量控制系统中的应用是可编程控制器最基本的控制功能,可用来取代继电器控制装置,如机床电气控制;还可以用来取代顺序控制和程序控制,如高炉上料系统、电梯控制、电厂物料输送系统等。可见,它既可用于单机控制,又可用于多机群控及自动化生产线的控制。

2)PLC在模拟量控制系统中的应用

通过数/模(D/A)和模/数(A/D)转换模块,可编程控制器可以对模拟量进行采集和控制,如温度监控系统。现今各可编程控制器制造厂商相继推出了各种智能模块,如PID控制模块、位置控制模块、高速计数模块等。通过这些模块的使用,PLC不仅可以完成传统的顺序控制的功能,而且可以实现过程控制,如PLC的PID调节控制,已经广泛用于锅炉、冷冻、反应堆、水处理器、酿酒等。位置控制模块的使用,使得可编程控制器能够用于机械加工的行程控制。

3)PLC在分级分布式控制系统中的应用

在分布式控制系统中,PLC作为单元控制器,在现场对输入/输出数据进行处理,实现实时控制。通过加入通信模块,PLC与上级计算机之间、其他的PLC之间可以实现信息的交互,使整个系统协调工作。如在FMS生产线中就经常采用具有通信模块的PLC来实现各个单元的控制功能。

5.4.2PLC在数控机床中的应用

1.PLC在数控机床中所起的作用

在机床的数控系统中,控制部分可分为数字控制和顺序控制两大部分。数字控制部分控制刀具轨迹,而顺序控制部分控制辅助机械动作。这种辅助机械动作控制通常称为强电控制,它以主轴转速S、刀具选择T和辅助机能M为代码信息送入数控系统,经系统的识别、处理,转换成与辅助机械动作对应的控制信号,使执行环节作相应的开关动作。

在机床电器控制中,PLC顺序控制的任务随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大差别,主要可以归纳为如下几方面:

(1)机床主轴的启停、正反转控制、主轴转速的控制、倍率的选择。

(2)机床冷却、润滑系统的接通和断开。

(3)机床刀库的启停和刀具的选择、更换。

(4)机床卡盘的夹紧、松开。

(5)机床自动门的打开、闭合。

(6)机床尾座和套筒的起停、前进、后退控制。

(7)机床排屑等辅助装置的控制。

2.数控机床用PLC的分类

数控机床用PLC可以分为内装型(Built-inType)PLC和独立型(Stand-aloneType)PLC两类。

1)内装型PLC

内装型PLC从属于CNC装置,PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC的输入/输出信号则通过CNC的输入/输出接口电路实现信号传送,如图5-56所示。图5-56具有内装型PLC的CNC机床系统框图

内装型PLC有如下特点:

(1)内装型PLC实际上是CNC装置带有PLC的功能,一般作为一种基本的或可选择的功能提供给用户。它的性能指标如输入/输出点数、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。内装型PLC的硬件和软件部分是与CNC系统其他功能一起统一设计制造的。因此,它的硬、软件整体结构紧凑,功能的针对性强,技术指标也较合理、实用,尤其适用于单机数控设备的应用场合。

(2)在系统的具体结构上,内装型PLC可与CNC共用CPU,也