第7章 数控系统.ppt

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1、第第7 7章章 数控系统数控系统l 数控系统（数控系统（Numerical Computer System）是）是指利用数字控制技术实现的自动控制系统。最初的数指利用数字控制技术实现的自动控制系统。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的，因而被称之为硬件控系统是由数字逻辑电路构成的，因而被称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是当前广泛使用的计算机数逐渐被淘汰，取而代之的是当前广泛使用的计算机数控系统（控系统（Computer Numerical Control，简称，简称CNC系统）。系统）。7.1 CNC系

2、统的总体结构及各部分功能系统的总体结构及各部分功能l7.1.1 CNC系统的总体结构系统的总体结构l 数控系统包括有输入输出装置、计算机数控装置、数控系统包括有输入输出装置、计算机数控装置、进给驱动装置、主轴控制单元和辅助控制装置和位置进给驱动装置、主轴控制单元和辅助控制装置和位置检测装置，这几部分之间通过检测装置，这几部分之间通过I/O接口互连。如图接口互连。如图7.1所示为机床微机数控系统的总体结构原理方框图。所示为机床微机数控系统的总体结构原理方框图。图图7.1 CNC数控系统结构原理方框图数控系统结构原理方框图7.1.2 数控系统各部分的功能数控系统各部分的功能l1.输入输出装置输入输

3、出装置l 输入输出装置是指能完成程序编辑、程序和数据输入输出装置是指能完成程序编辑、程序和数据输入、显示及打印等功能的设备，主要包括有键盘、输入、显示及打印等功能的设备，主要包括有键盘、操作面板、显示器、外部存储设备、编程机、串行通操作面板、显示器、外部存储设备、编程机、串行通信接口等。信接口等。l2.计算机数控装置计算机数控装置l 计算机数控装置是数控系统的核心，它的主要功计算机数控装置是数控系统的核心，它的主要功能是将输入装置传送的加工程序，经数控装置系统软能是将输入装置传送的加工程序，经数控装置系统软件进行译码、数值计算、插补运算和速度预处理，产件进行译码、数值计算、插补运算和速度预处理

4、，产生位置和速度指令以及辅助控制功能信息等，控制机生位置和速度指令以及辅助控制功能信息等，控制机床的各执行部件的运动。床的各执行部件的运动。l数控装置的功能有：数控装置的功能有：l（1）准备功能：（）准备功能：（2）控制功能：（）控制功能：（3）进给功能：）进给功能：（4）主轴转速功能：（）主轴转速功能：（5）刀具功能：）刀具功能：l（6）辅助功能：）辅助功能：l（7）插补功能：插补功能是指）插补功能：插补功能是指CNC装置可以实现各装置可以实现各种曲线轨迹插补运算的功能。种曲线轨迹插补运算的功能。l（8）补偿功能：（）补偿功能：（9）字符图形显示功能：）字符图形显示功能：l（10）通信功能：

5、（）通信功能：（11）自诊断功能：）自诊断功能：l（12）人机对话编程功能：）人机对话编程功能：l3.进给驱动装置进给驱动装置l4.主轴控制单元主轴控制单元l5.辅助控制装置辅助控制装置l6.位置检测装置位置检测装置7.2 CNC数控系统的硬件数控系统的硬件l7.2.1单微处理器结构单微处理器结构l 所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时处理数控的各个任务。单微处理器结构中控制，分时处理数控的各个任务。单微处理器结构数控装置的组成如图数控装置的组成如图7.2所示。所示。图图7.2 单微处理器结构数控装置的组成单微处理器结构数控装置的组成

6、1.CPU和总线和总线l CPU是是CNC装置的核心，由运算器及控制器两大装置的核心，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；部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算；控制器则将存储器中的程序指令进行译码，并向控制器则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。执行部件的反馈信息，从而决定下一步的命令操作。l 总线是总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，由地址总线、数据总线和控制总线三

7、总线共传输线，由地址总线、数据总线和控制总线三总线组成。组成。2.存储器存储器l 存储器用于存储系统软件和零件加工程序等，并存储器用于存储系统软件和零件加工程序等，并将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。数控系统所用的存储器为随机存取存储器（读写存储数控系统所用的存储器为随机存取存储器（读写存储器）器）RAM和只读存储器和只读存储器EPROM两类。两类。l3.位置控制器位置控制器 l4.可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）l5.MDI/CRT接口接口 l6.I/O接口接口 l7.通信接口通信接口 7.2.2多微处理器结构多微处理器结

8、构l 多微处理器结构的数控装置是将数控机床的总任多微处理器结构的数控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。来控制。l1.多微处理器的结构特点多微处理器的结构特点l(1)性能价格比高。性能价格比高。l(2)采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。l(3)硬件易于组织规模生产。硬件易于组织规模生产。l(4)有很高的可靠性。有很高的可靠性。l2.多微处理器结构的组成多微处理器结构的组成l 由由CNC管理模块、管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、插补模块、位置控制模块、存储

9、器模块、存储器模块、PLC模块、数据输入模块、数据输入/输出及显示模块组输出及显示模块组成。功能模块的互连方式有共享总线结构和共享存储成。功能模块的互连方式有共享总线结构和共享存储器结构两种。器结构两种。3.多微处理器结构各功能模块的互连方式多微处理器结构各功能模块的互连方式l（1）共享存储器结构）共享存储器结构 l 这种结构是以存储器为中心组成的多微处理器这种结构是以存储器为中心组成的多微处理器CNC装置，如图装置，如图7.3所示。所示。图图7.3 多微处理器共享存储器的多微处理器共享存储器的CNC装置装置l（2）共享总线结构）共享总线结构l 这种结构是以系统总线为中心组成的多微处理器这种结

10、构是以系统总线为中心组成的多微处理器CNC装置，如图装置，如图7.4所示。所示。图图7.4 多微处理器共享总线结构的多微处理器共享总线结构的CNC装置装置7.3 CNC数控系统的软件功能及其实现数控系统的软件功能及其实现l 用软件代替硬件，元器件数量减少了，降低了成用软件代替硬件，元器件数量减少了，降低了成本，提高了可靠性。但一般情况下，软件执行的速度本，提高了可靠性。但一般情况下，软件执行的速度较慢，硬件执行速度较快，哪些控制功能由软件来完较慢，硬件执行速度较快，哪些控制功能由软件来完成，总的趋势是，能用软件完成的功能一般不用硬件成，总的趋势是，能用软件完成的功能一般不用硬件来完成。在来完成

11、。在CNC数控装置中，数控功能的实现方法大数控装置中，数控功能的实现方法大致分为三种情况，如图致分为三种情况，如图7.5所示。所示。图图7.5 三种典型软硬件界面三种典型软硬件界面7.3.1 数控系统的软件功能数控系统的软件功能l CNC系统软件功能可分为管理功能与控制功能两系统软件功能可分为管理功能与控制功能两种。管理功能包括信息的输入功能、种。管理功能包括信息的输入功能、I/O的处理功能、的处理功能、显示功能和诊断功能；控制功能包括译码、刀具补偿、显示功能和诊断功能；控制功能包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能。如图速度处理、插补运算和位置控制等功能。如图7.6所示。所示

12、。图图7.6 数控系统的软件功能数控系统的软件功能7.3.2 数控系统的软件功能的实现数控系统的软件功能的实现l 数控系统的各功能分别由不同的软件来实现。一数控系统的各功能分别由不同的软件来实现。一般数控系统软件主要由以下几部分组成：输入程序、般数控系统软件主要由以下几部分组成：输入程序、译码程序、数据处理程序、插补运算程序、伺服（位译码程序、数据处理程序、插补运算程序、伺服（位置）控制程序、输出程序、管理程序、诊断程序等。置）控制程序、输出程序、管理程序、诊断程序等。7.3.3 数控系统控制软件的结构特点数控系统控制软件的结构特点l CNC系统是一个专用的实时多任务计算机控制系系统是一个专用

13、的实时多任务计算机控制系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件许多先统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件许多先进技术，其中最突出的特点是多任务并行处理和多重进技术，其中最突出的特点是多任务并行处理和多重实时中断。实时中断。7.4 插补原理插补原理l 插补就是沿着规定的轮廓，在轮廓的起点和终点插补就是沿着规定的轮廓，在轮廓的起点和终点之间按一定算法进行数据点的密化。在数控加工中，之间按一定算法进行数据点的密化。在数控加工中，根据给定的信息进行某种预定的数学计算，不断向各根据给定的信息进行某种预定的数学计算，不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机个坐标轴发出相互协调的进给脉冲

14、或数据，使被控机械部件按指定的路线移动，完成整个曲线的轨迹运行，械部件按指定的路线移动，完成整个曲线的轨迹运行，以满足加工精度的要求，这就是插补。以满足加工精度的要求，这就是插补。l 目前，插补算法有很多种，归纳为两大类：脉冲目前，插补算法有很多种，归纳为两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。增量插补和数据采样插补。7.4.1脉冲增量插补脉冲增量插补l 脉冲增量插补脉冲增量插补就是通过向各个运动轴分配脉冲，就是通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。每个脉冲通过步进电动机驱动形状零件轮廓的算法。每个

15、脉冲通过步进电动机驱动装置使步进电动机转过一个固定的角度（称为步距角）装置使步进电动机转过一个固定的角度（称为步距角），相应地使机床移动部分（刀架或工作台）产生一个，相应地使机床移动部分（刀架或工作台）产生一个单位的行程增量（单位的行程增量（脉冲当量脉冲当量一个脉冲所对应的机一个脉冲所对应的机床机械运动机构所产生的位移量）。床机械运动机构所产生的位移量）。1.逐点比较法逐点比较法l 逐点比较法逐点比较法是通过逐点地比较刀具与所需插补曲是通过逐点地比较刀具与所需插补曲线之间的相对位置，确定刀具的进给方向，进而加工线之间的相对位置，确定刀具的进给方向，进而加工出工件轮廓的插补方法。刀具每走一步都要

16、将加工点出工件轮廓的插补方法。刀具每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。在逐点比较法中，每进给一然后决定下一步的走向。在逐点比较法中，每进给一步都要经过四个节拍，如图步都要经过四个节拍，如图7.7所示。所示。图图7.7 逐点比较法工作流程图逐点比较法工作流程图（1）逐点比较法第）逐点比较法第I象限直线插补象限直线插补l 偏差函数值的判别偏差函数值的判别 如图如图7.8 所示，假设动所示，假设动点点 T正好处于直线正好处于直线OE上，则有下式成立：上，则有下式成立：l即即 XeYiXiYe图图7.8

17、刀具与直线之间的位置关系刀具与直线之间的位置关系（1）逐点比较法第）逐点比较法第I象限直线插补象限直线插补l假设动点处于假设动点处于 OE的上的上方，则直线方，则直线 OT的斜率的斜率大于直线大于直线OE的斜率，的斜率，从而有从而有 l l即即 XeYiXiYe图图7.8 刀具与直线之间的位置关系刀具与直线之间的位置关系（1）逐点比较法第）逐点比较法第I象限直线插补象限直线插补l设点设点T处于直线处于直线OE的下的下方，则有下式成立方，则有下式成立l l即即 XeYiXiYe 图图7.8 刀具与直线之间的位置关系刀具与直线之间的位置关系l 由以上关系式可以看出，（由以上关系式可以看出，（XeY

18、iXiYe）的符号反映）的符号反映了动点了动点T与直线与直线OE之间的偏离情况。为此取偏差函数之间的偏离情况。为此取偏差函数为为l FXe Yi-Xi Yel当当 F0时，动点时，动点 在直线在直线 OE上；上；l当当 F0时，动点时，动点 在直线在直线 OE上方的区域；上方的区域；l当当 F0时，动点时，动点 在直线在直线OE下方的区域。下方的区域。坐标进给坐标进给 以图以图7.9为例。为例。图图7.9 直线插补轨迹直线插补轨迹l 由式由式FXe Yi-Xi Ye可以看出，每次求时要作可以看出，每次求时要作乘法和减法运算，而这在使用硬件或汇编语言软件实乘法和减法运算，而这在使用硬件或汇编语言

19、软件实现插补时不大方便，还会增加运算的时间。因此，为现插补时不大方便，还会增加运算的时间。因此，为了简化运算，通常采用递推法，即每进给一步后新加了简化运算，通常采用递推法，即每进给一步后新加工点的加工偏差值通过前一点的偏差递推算出。工点的加工偏差值通过前一点的偏差递推算出。l 现假设第次插补后动点坐标为现假设第次插补后动点坐标为T（i，i），），偏差函数为偏差函数为l ieiiel 若若i，则向（）方向进给一步，新的动，则向（）方向进给一步，新的动点坐标值为点坐标值为l i+1ii+1il新的偏差函数为新的偏差函数为l i+1ei+1i+1el i一一ieel il所以所以 i+1i （71）

20、l 同样，若，则向（）方向进给一步，同样，若，则向（）方向进给一步，新的动点坐标值为新的动点坐标值为l i+1i，i+1i+1l所以所以 i+1ie （72）l 根据式（根据式（71）和（）和（72）可以看出，采用递推）可以看出，采用递推算法后，偏差函数的计算只与终点坐标值算法后，偏差函数的计算只与终点坐标值，e有关，而不涉及动点坐标有关，而不涉及动点坐标i，i的值，且不需要进行的值，且不需要进行乘法运算，新动点的偏差函数可由上一个动点的偏差乘法运算，新动点的偏差函数可由上一个动点的偏差函数值递推出来（减函数值递推出来（减Y或加或加e）。因此，该算法相）。因此，该算法相当简单，易于实现。当简单

21、，易于实现。终点判别终点判别 l 终点坐标法是刀具每进给一步，就将动点坐标与终点坐标法是刀具每进给一步，就将动点坐标与终点坐标进行比较，即判别终点坐标进行比较，即判别ie？和？和i？是否成立，若等式成立，插补结束，否则继续。？是否成立，若等式成立，插补结束，否则继续。l 总步长法是根据刀具沿、总步长法是根据刀具沿、Y轴所走的总步数判断轴所走的总步数判断终点。从直线的起点（图终点。从直线的起点（图7.9）移动到终点，刀具）移动到终点，刀具沿轴应走的步数为沿轴应走的步数为e，沿轴应走的步数为，沿轴应走的步数为e，沿，沿，两坐标轴应走的总步数，两坐标轴应走的总步数为为l 十十 l 刀具每进给一步，就

22、执行刀具每进给一步，就执行1，即从总步数中，即从总步数中减去减去1，这样当总步数为，这样当总步数为0时即表示已到达终点，插补结时即表示已到达终点，插补结束。束。7.5 可编程序控制器可编程序控制器l 可编程序控制器可编程序控制器PC（Programmable Controller），它是一种数字运算电子系统，专为工），它是一种数字运算电子系统，专为工业环境下运行而设计。可编程序控制器定义为：它采业环境下运行而设计。可编程序控制器定义为：它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，控制、定时、计数

23、和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。为了与个人计算机的机械或生产过程。为了与个人计算机PC(Personal Computer)相区别，仍采用旧称相区别，仍采用旧称PLC(Programmable Logic Controller)，以下采用，以下采用PLC这一简称。这一简称。7.5.1 PLC的结构的结构l PLC实际上是一种工业控制用的专用计算机，它实际上是一种工业控制用的专用计算机，它与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统与微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分

24、组成。两大部分组成。l 1PLC的硬件结构的硬件结构l （1）中央处理单元）中央处理单元CPU（2）存储器（）存储器（3）输入输）输入输出（出（I/O）模块（）模块（4）编程器（）编程器（5）电源）电源l 2PLC的软件系统的软件系统l PLC的软件系统包括系统软件和用户应用软件。的软件系统包括系统软件和用户应用软件。l 系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各种功能软件等。种功能软件等。l l用户应用软件是用户根据现场控制的需要，采用用户应用软件是用户根据现场控制的需要，采用PLC程序语言编写的逻辑处理软件，由用户用编程器输入程序语言编写的逻辑处理软件，由用户用编程器输入到到PLC内存。内存。7.5.2 PLC的特点的特点l1可靠性高可靠性高l2编程简单，使用方便编程简单，使用方便l3灵活性好灵活性好l4直接驱动负载能力强直接驱动负载能力强l5网络通信网络通信