第四章 数控系统.ppt

1、1,第四章 数控系统41概述,一、数控系统的发展 数控系统可以看成是一台专用计算机，由信息输入、计算及控制、和一些接口等组成。其中计算及控制部分是核心，相当于CPU。 数控系统按时间来划分可以分为两类五代： 第类：硬线数控（NC） 第一代：5259，5865；电子管、继电器、模拟电路。 第二代：5965，6572；晶体管、数字电路（分立元件）。 第三代：6570，7276；集成数字电路。 第类：软线数控（CNC） 第四代：7074，7682；内装小型计算机，中小规模集成电路。,2,第五代：,第五代：分6个阶段： 1.7479，82；微处理器NC，内装微处理器，字符显示、故障自诊断； 2.79；

2、超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口， 3.81; 人机对话, 动态图形显示, 实施软件精度补偿, 适应机床无人化要求 4.87; 32位CPU, 可控15轴, 分辨率, 0.0001mm, 进给速度24m/min, 可带 前馈控制的交流数字司服, 智能化系统. 5.91; 64位系统; 6.95; 微机开放式CNC系统.,3,开放式数控体系结构,开放式体系结构是相对于封闭式体系结构而言的 封闭式体系结构:由于大批量生产和保密的需要,不同的数控系统生产厂家自行设计其硬件和软件,这样的封闭式系统具有不同的硬件和软件模块,不同的编程语言,五花八门的人机界面,多种实时操作系统,非标准

3、化接口等,不仅给用户带来了使用上的复杂性,也给车间物流层的集成带来了很多困难. 为解决封闭式体系结构数控系统所存在的问题,各工业发达国家相继提出了向规范化,标准化方向发展,设计开放性体系结构数控系统的问题.,4,分布式控制,构造应该是透明的,可移植的. 可实现重构,编辑,以便实现一个系统多种用途. CNC,PLC,RC,CC 各模块相互独立,可以对各模块独立开发,补充,扩展. 有较好的通信和接口协议.,开放式体系结构的定义,开放式体系结构CNC的优点 向未来技术开放.可以采纳,吸收,和兼容新的软硬件资源. 标准化的人机界面和编程语言. 向用户特殊要求开放.可扩充自己的功能,融入自己的诀窍.,5

4、,二、数控系统的硬件结构,6,三、数控系统的软件结构,7,软件结构一例：直线数据转换过程,G01 Xe Ye F,XA1 YA1 FA1,XB0 YB0 XBA YBA XB1 YB1,LX LY L cos cos L,L% L1 X3 Y3 X2 Y2,X2 Y2 X1 Y1 X3 Y3,译码,刀补,速度,处理,插补,位置,控制,X3 Y3,电动机,X1 Y1,反馈,8,41插补原理,插补目的：实现G01、G02或G03指令以及加工其他曲线。 插补种类： 硬件插补 软件插补 脉冲增量插补 数字增量插补 粗插补 精插补,9,脉冲增量插补,这类插补方法的特点是：每次插补的结果仅产生一个行程增量

5、，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机，脉冲增量插补的实现方法简单，可以用硬件实现，也可以用软件实现。 脉冲增量插补常用的方法有： 1。数字脉冲乘法器法； 2。逐点比较法及其改进法； 3。数字积分法及其改进法。,10,一、逐点比较法,逐点比较法的基本思想是：走一步看一步；每走一步都要将加工点的瞬时坐标与给定轨迹相比较，决定下一步的走向。,（一）逐点比较法直线插补,有这样一条指令：G91 G01 Xe Ye,如右图所示加工第一象限直线段: 起点为原点O，终点为A（Xe，Ye），加工点为M（Xm，Ym）则点M相对于直线OA有三种情况:,利用比较OM和OA的斜率大小进行判别,通分,11,逐点比较法直线

6、插补,就是逐点比较法直线插补的偏差判别式,若Fi,j=0，表明M点在直线OA上（on the line）,若Fi,j0，表明M点在直线OA上方（above the line ）,若Fi,j0，表明M点在直线OA下方（under the line ）,M(Xi,Yj),若Fi,j0，应向+X方向走一步, Xi+1=Xi+1,若Fi,j0，应向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,12,逐点比较法直线插补2,综上所述，逐点比较法直线插补的的过程分四步： 1。偏差判别：判别Fi,j的正负号； 2。坐标进给：控制X或Y坐标进给一步； 3。新偏差计算： Fi+1，,j或Fi,，j+1 4。终点判别：执行

7、进给的总步数是否等于要求进给的总步数,13,逐点比较法直线插补3,例1：插补第一象限直线段OA，起点为坐标原点，终点为Xe=5，Ye=3,14,逐点比较法直线插补4,例1：插补第一象限直线段OA，起点为坐标原点，终点为Xe=5，Ye=3,15,逐点比较法直线插补4,以上讨论的是第一象限的直线插补问题，对其它象限的直线进行插补时，因为终点和加工点在同一象限内，Xi和Xe的符号相同， Yj和Ye的符号相同，所以它们的计算公式与计算程序与第一象限的一样，只是进给方向不同，归纳为：当Fi，j0，横着向外走；当Fi，j0，竖着向外走。,16,（二）逐点比较法圆弧插补,圆弧插补的逐点比较法语直线插补步骤一

8、样，流程图也一样，只是偏差判别函数Fi，j不同,M(Xi，Yj),若Fi,j=0，表明M点在圆弧上;,若Fi,j0，表明M点在圆弧内.,若Fi,j0，向-X方向走一步, Xi+1=Xi-1,若Fi,j0，应向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,若Fi,j0，表明M点在圆弧外;,以第一象限为例,17,（二）逐点比较法圆弧插补2,M(Xi，Yj),以第一象限为例,若Fi,j0，向-X方向走一步, i+1=Xi-1,若Fi,j0，应向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,终点判别：用X,Y方向应走的的总步数之和.,以上是第一象限的逆圆弧插补的问题, 顺圆及其它象限圆弧插补可以很容易推出来.计算公式

9、与计算程序是限一样的，只是进给方向不同。,18,逐点比较法圆弧插补例,例1：插补第一象限逆时针圆弧AB，起点坐标X0=6 ， Y0=0终点坐标为Xe=0 ， Ye=6,19,20,逐点比较法圆弧插补例,例2：插补第一象限逆时针圆弧AB，起点坐标X0=20 ， Y0=0终点坐标为Xe=0 ， Ye=20,21,逐点比较法圆弧插补例,22,逐点比较法特点,逐点比较法具有进给速度平稳，可以方便地实现直线、圆弧、抛物线等曲线的插补，插补精度较高，插补误差不超过一个脉冲当量；改进后的逐点比较法（最小偏差法）插补误差不超过半个脉冲当量。但是如果用硬件实现，逻辑部件较多，逻辑线路较复杂。宜用软件实现,23,

10、二、数字积分法,数字积分法是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补方法。 又叫DDA(Digital Differential Analyzer),(一)数字积分器的工作原理 设函数Y=f（t），如右图欲求出曲线下面t0到tn区间的面积一般应用下面的积分公式：,若把自变量的积分区间等分成许多有限的小区间t,这样,求积分面积就转化成求有限个小区间面积之和,即,24,数字积分器的工作原理,数学运算时, t一般取最小单位“1”,即一个脉冲周期,则,这样,函数的积分运算变成了变量的求和运算, 当所选取的积分间隔t足够小时这种替代所引起的误差将不超过许用值.,1.直线插补 设有一直线Oe, 起点为O,终

11、点坐标为e(xe,ye).假定vx,vy分别表示东点在x和y方向上的移动速度, 则在x和y方向上的移动距离微小增量x和y应为,x= vxt y= vyt,对于直线函数来说, vx和 vy是常数, 则下式成立,x= vxt=Kxet y= vyt =Kyet,25,数字积分器的工作原理,动点从原点走向终点的过程, 可以看作是各坐标每经过一个单位时间间隔t分别以增量Kxe和Kye同时累加的结果. 经过m次累加后, x和y分别都到达终点e(xe, ye), 则有下式,x=Kxe1 y=Kye1,因为m必须是整数, 所以K一定是小数. 同时应满足每次增量x或y不大于1, 以保证坐标轴上每次分配进给脉冲

12、不超过一个单位步距(脉冲当量), 即,26,数字积分器的工作原理,一般情况下, 若寄存器是n位,则xe及ye的最大允许寄存容量应为2n一1, 若取K=1/ 2n, 则,显然, 由上式决定的Kxe、Kye式小于1的，这样不仅决定了系数K,( K=1/ 2n) ，而且保证了x及y小于1的条件. 因此, 刀具从原点到达终点的累加次数m就有m=1/ K =1/ 2n= 2n,当K=1/ 2n时, 对二进制数来说, Kxe与xe的差别仅在于小数点的位置不同, 将xe 的小数点左移n位即为Kxe.因此, 在n位的内存中存放 xe,(xe为整数), 和存放Kxe的数字是相同的, 只是认为Kxe的小数点出现在

13、最高位数之前.,27,数字积分器的工作原理,当用软件实现DDA直线插补时, 只要在内存中开设几个单元, 分别存放xe及其累加值xe, ye及其累加值ye。将xe和ye赋一初始值，在每次插补循环过程中，进行以下求和运算,将运算结果的溢出脉冲x和y用来控制机床进给，就可走出所需直线的轨迹。,DDA插补器的关键部件是累加器和被积函数寄存器, 一般插补开始前，累加器先清零，被积函数寄存器分别寄存xe和 ye；插补开始后，每来一个脉冲t；被积函数寄存器里的内容就在相应的累加器中相加一次，相加后的溢出作为驱动相应坐标轴的进给脉冲x（或y ），而余数仍寄存在累加器中。当脉冲源发出的累加脉冲t数m正好等于被积

14、函数寄存器的容量2n时，溢出的脉冲个数等于以脉冲当量为最小单位的终点坐标，刀具运行到终点。,28,数字积分器的工作原理,据此可以构成直线插补器,被积函数寄存器Rx(xe),x积分累加器Rax,y积分累加器Ray,被积函数寄存器Ry(ye),x,y,t,累加控制脉冲,29,数字积分器直线插补例,当n=4, 对第一象限的直线OA(0,0; 9,5)进行DDA插补.,30,圆弧插补,以第一象限逆时针圆弧插补为例. 设刀具沿圆弧AB移动, 半径为R, 刀具且像速度为v, 动点P (xi,yi). 有如下关系.,因为R是常数,v也是常数, 故K也是常数.,xi= vxit=-Kyit yi= vyit=

15、Kxit,K=1/2n, n为累加器及寄存器的位数,31,圆弧插补补器,据此可以构成DDA圆弧插补器插补器,被积函数寄存器Rx(yi),x积分累加器Rax,y积分累加器Ray,被积函数寄存器Ry(xi),-x,y,t,累加控制脉冲,32,圆弧插补,DDA圆弧插补与DDA直线插补有所不同, 在直线插补时, 被积函数寄存器的数值为常数(xe,ye); 而在圆弧插补时, Rx中存的是y坐标的瞬时值, Ry中存的是x坐标的瞬时值,所以当Rax, Ray有溢出时, 需要及时修正Rx, Ry中的yi 和xi值.,当n=4, 对第一象限的逆时针圆弧AB(10,0; 0,10)进行DDA插补.,33,数字积分

16、器直线插补例,34,数字增量插补,特征: 在CNC系统中, 采用时间分割算法, 它是把加工一段轨迹的整段时间分成许多相等的时间间隔. 这种时间间隔称为插补周期. 这种插补分两步完成, 第一步为粗插补, 每个插补周期运算一次,把加工轨迹分成微小的直线段; 每一微小直线段长度L相等; 第二步为精插补, 它是在每一段微小直线段上再做点的密化工作.这一步实际上是对微小直线段进行脉冲增量插补.,粗插补时间分割插补 两个问题 一是插补周期T的选择 二是插补周期T内各坐标增量的计算,插补周期T的选择 1）插补周期T必须大于插补运算所占用的CPU时间Tcpu。 2）插补周期应是采样周期的整数倍。 3）因L=T

17、F，在保证（1）的前提下，尽可能减小插补周期，以便在误差允许 的范围内增大进给速度。,35,数字增量插补,合成进给量fT fT =L=TF/60， 式中fT =L, 合成进给量, 即为微直线段长度(m)， F进给速度(mm/min) T插补周期(ms),直线插补的算法 目的: 根据给定的进给速度F和终点坐标值Xe, Ye, Ze, 计算出各坐标在一个插补周期中的位移量. X, Y, Z,算法, 由图可以得到如下关系,36,数字增量插补,于是有,设插补后的剩余量为Xr, Yr, Zr, 显然,初始值为,经过第 i 次插补后的剩余量为,37,数字增量插补,当,时,即为本程序的最后一段插补运算,对每

18、个微小直线段L进行精插补时,可以用软件,也可以用硬件. 多用DDA法 采用增量坐标OA1, A1 A2, , An-1 An,38,圆弧粗插补,主要是坐标增量, xi, yi的算法,39,4-3 刀具补偿原理,1. 刀具补偿的建立 刀具从起刀点接近工件, 根据G41或G42指令a)b),在原来程序轨迹的基础上伸长或缩短一个刀具半径值,2. 刀具补偿的进行 一旦建立,一直维持, 直到撤销G40为止.,3. 刀具补偿的撤销 刀具撤离工件,刀具中心轨迹也要比程序轨迹伸长或缩短一个半径值.,40,刀具半径补偿计算,1. 直线刀具半径补偿计算 已知O1, A点的坐标, 求出A1的坐标,2. 圆弧刀具半径补偿计算 已知A, B, A1点的坐标, 求出B1的坐标,R,r,r,41,B、C刀具半径补偿,一般的刀补功能(B刀补)只能计算出直线或圆弧终点的刀具中心值.,使用B刀补时,编程人员必须事先估计刀具补偿后间断点和交叉点的情况,并进行人工处理,采用直线或圆弧过渡， 直接有数控系统求出刀具中心轨迹交点的刀具半径补偿方法称为C功能刀具补偿，简称C刀补。,C刀补在过去由于计算机运算