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开放式数控系统的概念及其体系结构。
教学实施手段
效果记录
课堂讲授
√
课堂讨论
现场示教
小结讲评
难
经济型数控系统软件的工作过程;
开放式数控系统的体系结构。
其它
教具
CAI,黑板
推
荐
参
考
书
陈德道主编.数控技术及应用.北京:
国防工业出版社,2009
董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2003
后
记
二、讲稿
第二节计算机数控系统
经济型数控系统,是相对标准型数控系统而言。
在不同的国家和不同的时期含义是不同的。
其目的是根据实际机床的使用要求,合理地简化系统,以降低产品成本。
在我国,把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。
目前,我国经济型CNC多数是以8位或16位单片机或者以8位或16位微处理器(简称MPU)为主构成的系统,进给驱动采用步进电动机,控制轴数为2~3轴,联动2轴。
经济型CNC是根据国内需要自行开发的。
主要用于功能简单的车、铣、钻、冲床等的控制,并大量用于旧机床改造。
它是属于低档数控系统的一种,在我国这类数控系统有一定批量的生产。
经济型数控系统功能适当,价格低廉,特别适合中小企业对原有机床进行数控化、自动化技术改造,以提高生产效率。
目前,我国经济型数控系统发展迅速,已研制了数十种经济型数控系统,应用较为普遍的是华中I型。
二、数控系统的硬件组成
任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成,硬件是软件运行的基础,而配置了软件的硬件才是具有控制功能的系统。
构成经济型CNC的基本硬件由MPU、存储器、输入/输出(I/O)接口电路组成。
这里主要介绍用MCS-51系列单片机构成的经济型数控系统。
单片计算机是在一片芯片上集成了CPU、ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定时器/计数器及各种I/O接口等构成了一个完整的数字处理系统。
单片机的主要特点是抗干扰性强,可靠性高,速度快,指令系统效率高,体积小,性能价格比高。
近年来,国外一些主要半导体制造厂相继生产了各种8位、16位单片机。
其中以Inte1公司的MCS系列单片机最为著名,目前已推出MCS-48、MCS-51、MCS-96三个系列。
MCS-48和MCS-51系列为8位单片机,MCS-96系列为16位单片机。
在国内的经济型数控系统中多数使用MCS-51系列单片机。
1.MCS-51系列单片机的基本特性
MCS-51系列包含三个产品:
8031、8051、8751。
三者的引脚完全兼容,仅在结构上有些差异。
即内部不含ROM的8031、内部含ROM的8051和内部含EPROM的8751。
通常所说的MCS-51单片机是该系列的简称。
MCS-51系列单片机的基本特性如下(以8051为例):
①CPU为8位;
②片内有时钟振荡器;
③具有4KBROM和128RAM;
④具有21个特殊功能寄存器;
⑤具有4个8位I/O端口,32根I/O线;
⑥具有16根地址线(与I/O线共用),可直接寻址64KB(64KB外部程序存储器,64KB外部数据存储器);
⑦具有两个16位定时/计数器;
(8)可有5个中断源,两级优先权的向量中断结构;
⑨具有一个全双工串行I/O口;
⑩具有位寻址能力,适于逻辑运算。
2.MCS-51单片机常用系统扩展芯片
(1)程序存储器(ROM)
主要是紫外线擦抹的可编程只读存储器EPROM。
通常采用标准芯片,如2716(2KB×
8)、2732(4KB×
8)、2764(8KB×
8)、27128(16KB×
8)、27256(32KB×
8)和27512(64KB×
8)。
(2)数据存储器(RAM)
1)静态RAM无需刷新,但功耗大成本高。
目前常用的静态RAM是6116(2KB×
8)和6264(8KB×
8)和62256(32KB×
8)等;
2)动态RAM功耗小、成本低,但需刷新。
常用的动态RAM有2164A(64KB×
1)和41464(64KB×
4)。
一般控制系统多采用静态RAM。
(3)I/O扩展集成芯片
I/O扩展芯片可分为两种类型。
1)专用I/O扩展芯片这类芯片专用于扩展I/O口,如8255。
8255是一种常用的8位并行输入/输出接口芯片,使用方便灵活,通用性强。
8255内部具有三个可编程选择其工作方式的通道A、B和C,用于与外围设备接口。
其中,通道C可在“方式”字控制下分成两个4位通道,分别与数据通道A和B配合输出控制信号(包括外设选通信号和中断申请信号)和输入外设状态信号。
通道C具有按位置位/复位功能。
三种工作方式为:
方式0—基本输入/输出;
方式1—选通的输入/输出;
方式2—双向数据传送(只有通道A可工作在此方式)。
2)I/O扩展复合芯片这类芯片除能扩展I/O口外,还能通过它再扩展其它外围功能电路,如8155。
8155内部有256字节的静态RAM,两个8位并行I/O口(PA口和PB口)和一个6位并行I/O口(PC口)。
其中两个8位并行I/O口可工作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。
PC口可编程为输入或输出或作为PA口和PB口的控制信号线。
8155设置有一个14位二进制减法定时器/计数器,可用来定时或对外部事件计数。
8155具有多路转换的地址和数据总线,即地址/数据总线复用。
(4)其它功能芯片MCS-51还可使用下列具有各种专用功能的外围芯片:
可编程中断控制器8259、可编程键盘/显示控制器8279、可编程通用定时器8253、可编程通信控制器8251等。
图2-448031组成的CNC系统
3.单片机构成的经济型数控装置硬件框图
用8031单片机组成CNC系统,其数控装置硬件框图如图2-44所示。
该系统按模块化设计,它主要由主控制系统板、CRT控制板、键盘操作板和存储控制板等组成。
若采用LED显示,LED控制板、键盘操作板可由一块键盘/显示操作板代替,经济型数控系统常采用这种形式。
系统主控制板以8031为控制器,板上包含内存为8~16KB的RAM(供用户输入和调试加工程序用);
内存为16KB的EPROM。
由图2-44可知,系统中的RAM与EPROM及编程I/O扩展芯片的数据线和低8
位地址线在8031地址锁存信号输出端ALE及地址锁存器控制下,公用一组8031的8位总线(PO口),而高8位地址及片选信号,则由8031的另一组8位总线(P2口)结合译码器提供。
因8031的外部ROM由PSEN信号选通,外部RAM和扩展I/O端口由W/R信号选通,所以RAM与EPROM的地址可以重复。
8031的P1口输出环形分配脉冲信号(软件环形分配)或输出控制指令经环形分配器输出的环形分配脉冲信号(硬件环形分配),经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电动机8031的P3口在其第二功能情况下,可完成回转刀架、主轴脉冲发生器(光电编码器)信号及外部中断控制等工作。
可编程的I/O扩展芯片在监控程序控制下扫描键盘(或键盘/LED数码显示控制板),并输出组合逻辑信号,以控制主轴电动机的速度转换。
CRT控制系统是以视频控制器为主芯片的扩展电路。
其中还包括有8KB的静态RAM(存放被显示的字形和图形,称显示存储器)、8KB的EPROM(存放汉字,同计数器组成“字符发生器”)、锁存器及其他缓冲器和逻辑电路。
三、数控系统的软件组成
数控软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。
软件和硬件的结合,形成一个具有特定功能的计算机控制系统,使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据计算、插补和伺服控制等工作。
经济型数控系统软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软件、误差补偿软件等。
(一)监控与操作程序
监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。
它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。
1.系统的初始化
开机或人工复位后,数控系统要进行必要的初始化处理。
例如,设置系统硬件,包括中央处理器(CPU)或微处理器(MPU)及其可编程I/O芯片的工作状态;
设置中断方式;
对系统变量赋于初值;
初始化输出端口的内容以使机床处于正确的初始工作状态以及系统硬件部件的自检。
初始化程序框图如图2-45所示。
图2-45初始化程序框图
2.命令处理循环
在完成初始化工作以后,程序进入命令处理循环。
在这个循环过程中,程序扫描键盘或操作面板输入的操作命令,对命令进行识别分析,然后,根据识别分析的结
图2-46键盘扫描中断方式程序框图图2-478279键盘处理程序框图
果转向相应的处理程序模块。
经济型数控一般采用两种键盘处理方式,一种是键盘扫描中断方式,其程序框图如图2-46所示;
一种是采用专用可编程键盘显示芯片8279管理方式,其程序框图如图2-47所示。
3.零件加工程序的输入程序
经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐段输入的。
输人的数据经数据处理程序将输入的十进制数与指令转换为BCD码存于规定的缓冲区,即源程序区。
输入程序的任务是将输入的源程序顺序读入并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单元,同时将坐标值BCD码转换成二进制数码(即十翻二处理)。
以后的解释工作就是以这些存储单元的内容为依据的。
目前,一般加工程序都是按字地址程序格式编制的。
由于每个程序段的功能字(如G、M、F、S、T等)和尺寸字(如X、Y、Z、U、V、W、I、J、K等)的主要数据按固定格式顺序存放,所以不要保留字符。
输入程序中应设置一个地址指针。
每读完一个程序段,必须把当前指针压人堆栈,以备下段程序读入时使用。
输入程序框图如图2-48所示。
图2-49编辑修改程序框图图2-48零件加工程序的输入程序框图
4.零件加工程序的编辑修改程序
编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。
它与键盘输入通常成为一体,既可用来从键盘输入新的零件加工程序,也可用来对已输入的零件加工程序进行编辑和修改。
当按下检索命令键或在系统开关预置编辑方式下进入编辑修改程序,进入编辑修改状态后,检索需编辑修改的程序,对该程序中的指令和数据进行必要的删除或插入等编辑修改工作。
编辑修改程序框图如图2-49所示。
5.指令分析和执行
数控系统要对输入指令进行识别,识别指令功能并执行相应操作。
如M辅助功能主要涉及主轴启停、切削液的开关、工件松卡等动作以及控制加工暂停和加工结束;
S功能是主轴转速功能,控制主轴的转速;
T功能是刀具功能,控制换刀等动作;
G准备功能,规定着各种运动方式。
G功能种类很多,处理较复杂。
G功能分析程序通常采用中断矢量法。
中断矢量法就是经过G功能分析后,将相应的G功能处理子程序的地址写入中断程序矢量的单元中,在加工过程中由速度处理程序设置的定时时钟发出中断信号,每中断一次,相应的G功能作为中断服务程序就执行一次。
G功能分析程序框图如图2-50所示。
图2-50G功能分析程序框图
6.系统诊断程序
该程序检测CNC系统各个硬件功能的正确性,指示可能存在故障的位置和性质,辅助维修人员确定故障部件,缩短系统维修时间,提高系统的可靠性。
不同的数控系统,其诊断功能和诊断程序可能差别很大,但诊断原理基本是相同的,就是用软件对数控系统中某一环节或某一预设状态进行检验,发现非正常情况,给出错误信息。
下面介绍常用的诊断程序。
(1)定时/计数器的诊断
数控系统中,定时/计数器往往是必不可少的,如经济型数控系统对步进电动机的控制,多数采用定时中断功能。
由于定时/计数器的定时功能诊断不需外部条件,而计数功能的诊断需从外部引入脉冲源,所以,一般诊断程序只诊断其定时功能。
定时功能诊断的基本方法是:
让被诊断的计数器工作,如能正常送出,就可诊断为基本无故障。
(2)中断功能的诊断
CNC系统往往有多个中断源,实际中不可能对每个中断进行诊断,一般选一个中断最频繁的中断源进行诊断。
其基本方法是:
先打开中断,并在中断子程序中进行一段操作通知诊断程序,则可根据此操作是否发生来判断中断是否发生;
再关闭该中断源,看中断是否还能发生。
这样可判断中断是否正常。
(3)ROM区的诊断
利用累加和的方法来诊断固化在ROM区的系统控制程序的故障。
在控制程序固化到ROM中时,将控制程序的每个字节累加(不考虑高字节进位),得出“累加和”(一个字节),将累加和取补后也固化到ROM中。
诊断时,若累加和为零,则说明ROM完好,否则认为有错。
此时,系统便停止工作,并给出报警信号和出错内容。
(4)RAM区的诊断
开机时,对每个要检查的单元先写入一个常数,如55H,并读出检查是否是55H,若是,再对每个单元写入AAH,然后,读出检查是否是AAH,这两个检查中若有一个不对,则表明RAM区有错。
写入55H和AAH是通过逻辑0和1对每位进行检查。
(5)键盘诊断
经济型数控系统多数采用键盘方式输人零件加工程序或控制指令,若有一键失灵,将导致操作者元法对数控系统进行控制或进行程序输入。
所以键盘诊断是很重要的,其基本方法是:
在系统键盘管理程序中加入使按键发声子程序,当有键按下时,发出标识声音,每当按下键时若听到该标识声,表明无故障,否则键出故障。
(二)步进电动机控制软件
微机控制步进电动机的驱动系统,不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件,还很容易用程序实现步进电动机升降速控制等功能。
1.软件环形分配
用软件完成环形分配的优点是线路简单,成本低,可以灵活地改变步进电动机的控制方案,而驱动功率放大功能仍由硬件完成。
图2-51为单片机直接带动三相步进电动机的接口方式。
单片机凹的低三位为输出位,分别控制步进电动机U、V、W三相绕组通断。
用软件进行环形分配,就是用软件改变P1口低三位的输出值,来控制二相绕组的通电顺序和方式。
如单三拍方式通电顺序为U→V→W→U…,所以只需依次向P1口输出如下控制字:
001(OlH)U相通电
010(02H)V相通电
100(04H)W相通电
同时,在两控制字间应加人软件延时来保证一定的时间间隔,以此控制步进电动机速度。
假如要求时间间隔为lms控制步进电动机三相三拍正转的程序框图。
如图2-52所示。
如要控制步进电动机反转,只需将输出的控制字按U→W→V→U…通电顺序输出即可。
2.微机控制步进电动机的升降速方法
生产实际中,要求步进电动机不仅运转快,而且要求能快速起动、停止。
但由于步进电动
图2-51软件环形分配器步进电动机控制图2-52三相三拍正转程序框图
机本身特性的限制,如果起动时脉冲频率较高,步进电动机转子在最初一些节拍不能转够相应的转角,则产生“丢步”,严重时步进电动机根本不会启动,而停止转动时会产生“过冲”。
原因是步进电动机的响应频率比较低,限制了步进电动机的最高启动频率。
因此,微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制,使脉冲频率开始时较低,步进电动机不“丢步”地启动,然后逐渐升高到较高的连续运行频率。
同理,在要求停止转动时,为防止“过冲”,使脉冲频率逐渐降到零。
微机实现升降频控制,可采用均匀地改变步进脉冲间隔的方法,进行升降速控制。
如步进电动机以400Hz的频率起动,要求从第20个脉冲开始进入1500Hz恒速运行,以10μs延时为基础,可求出:
起动时每个脉冲周期:
μs/400~250×
10μs,时间常数=250;
恒速时每个脉冲周期:
μs/1500~66×
10μs,时间常数=66;
起动过程中相邻脉冲周期差:
(250-66)/2O~9×
10μs,变化间隔=9。
计算结果表明,起动时第一个脉冲周期为250×
10μs,以后每个脉冲周期减少9×
10μs。
在第20个脉冲后,脉冲周期可减少到660×
10μs,对应脉冲频率约为150OHz。
根据以上分析可编制具体的加减速程序。
综上所述,微机对步进电动机的控制,也就是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔,而其间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。
因此,可以方便地用软件来控制步进电动机的运行,实现步进电动机不丢步地快速起动、停止。
(三)数控机床误差及其软件补偿
数控机床的加工误差是必然存在的,但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚,就可以在编程中正确地引人修正量,调整进给脉冲,达到减少和消除部分误差的作用,这就是误差的软件偿。
1.编程误差
编程误差由三部分组成:
(1)逼近误差
逼近误差是用近似计算法逼近零件轮廓时产生的误差(又称一次逼近误差),它出现在用直线或圆弧去逼近零件轮廓的情况。
即用近似方程式拟合列表曲线时,方程式所表示的形状与零件原始轮廓之间存在的差值。
(2)插补误差
它表示插补加工出的线段(例如直线、圆弧等)与理论线段的误差,这项误差与数控系统的插补功能即插补算法及某些参数有关。
(3)圆整误差
编制零件加工程序时,要根据设计图样的几何尺寸要求,将尺寸参数转换成控制脉冲数,转换计算的最小单位是脉冲当量。
这种零件几何参数计算时圆整到一个脉冲当量而引起的误差称为圆整误差。
圆整误差的大小决定于脉冲当量。
一般不会超过脉冲当量的一半。
编程误差一般情况下取零件加工允许误差的0.l~0.15倍。
为减小编程误差,可以通过减小插补间隙或增加机床分辨率来达到,一般不需要专门的软件补偿。
2.间隙误差
数控机床机械传动部件间存在一定的问隙,由此产生的加工误差称为间隙误差。
机械传动间隙通常有:
丝杠轴承轴向间隙;
丝杠螺母副之间的传动间隙;
联轴节的扭转间隙;
齿轮传动的齿侧间隙等。
间隙对误差的影响,主要是在运动换向时发生。
其软件补偿处理的过程是:
先将各个间隙值变换成指令脉冲数M,然后在零件加工程序中判别进给方向的指令转向后
,给出M个额外的进给指令脉冲,再执行正常的程序。
这样的补偿处理方法,对于点位和轮廓控制都适用。
但对于大型机床,其间隙大小随工件的重量或间隙的位置改变而改变,这时就会出现补偿不完全的情况。
四、经济型数控机床影响定位精度的因素和提高定位精度的措施
1.影响定位精度的因素
机床的定位精度受到机床电气或机械装置以及机床使用过程中的负载变化、振动、热变形等因素的影响,其中主要影响因素有:
(1)步进电动机的误差
1)步进电动机的步距角误差;
2)步进电动机的动态误差,步进电动机单步运行时有明显的振荡,产生20%~30%步距角的超调量;
3)步进电动机的起停误差,在步进电动机起动和停止的过渡过程中,电动机的转动滞后于控制脉冲而产生的误差;
4)步进电动机失步产生的误差。
(2)机械传动部分的误差
1)齿轮副或同步带传动副的传动误差及传动间隙;
2)滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙;
3)导轨副的误差;
4)机械传动部件的受力变形;
5)机械进给部件的热变形。
以上各种因素中,某些固定不变的或按确定规律变化的因素引起的定位误差属于系统性误差,如丝杠的螺距误差、导轨的形位误差等。
某些因素引起的定位误差属于随机性误差,如摩擦力变动的影响、轴承游隙的变化量以及接触变形等。
传动系统中的各种间隙、传动件的弹性变形量等,则综合形成反向运动时的失动量。
2.提高系统定位精度的措施
减小随机性误差比较困难,一般只能通过全面提高进给传动系统各部分的精度和配合质量,增强刚度,以及减少摩擦系数并使摩擦系数稳定不变来改善。
对于系统性误差则比较容易采取措施减小或消除。
而且,系统性误差所占比重较大,有时甚至占总误差的90%,因此应首先减少系统性误差。
通常采用以下两种方法:
1)从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差
在许多情况下,可以根据误差的变化规律分析找出产生误差的根源,然后采取对应措施进行减小或消除。
如由于轴的安装偏心、齿轮的制造和安装产生的齿轮传动误差,就可采取有效措施减小或消除。
图2-53定位误差补偿点的确定
2)采用误差补偿的方法提高定位精度
在CNC机床上可采用软件方式进行定位误差补偿。
其方法是,相对机床绝对原点(机床零点)实测出机床坐标轴的定位误差曲线,如图2-53所示。
将该曲线以单位补偿脉冲当量进行分割
,各分割点为目标补偿点。
将补偿点的位置数据列成表存入计算机,当运动部件移动经过补偿点时,补偿相应脉冲。
在定位误差为正处,进行减脉冲补偿,而在定位脉冲为负处进行加脉冲补偿。
经这样补偿后,坐标轴全长上定位误差不大于2个补偿脉冲当量,即士1个补偿脉冲当量。
为了适应现代化生产系统进步和发展的要求,克服封闭式数控系统所暴露出来的弊端,人们提出了数控系统开放化的要求。
由于PC已经成为微型计算机的事实标准,其开放的体系结构和丰富的软硬件资源,成为现代开放式数控系统的重要基础。
本节主要介绍基于PC的开放式数控系统的特点、硬软件体系结构、工作原理和典型实例。
(一)、开放式数控系统
1、开放式数控系统的提出
数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。
传统数控系统采用封闭式的体系结构,即便是计算机数控系统(CNC),其CNC装置也是采用专用计算机系统为基础。
虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构,可以获得高性能(如多轴联动的高速高精度控制)、强大补偿功能、图形功能、故障诊断功能以及通信功能等。
但由于技术保密和降低成本等原因,各数控系统生产厂商通常自己设计数控系统的硬件和软件体系结构,不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软硬件模块、编程语言、人-机界面都不相同,世界各大数控厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通信协议等方面实施技术垄断、市场垄断、甚至技术服务垄断,数控系统用户无法对购买的数控系统进行功能扩展、系统维护以及升级换代,数控系统的维护、维修以及人员培训等全
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