数控第七章_精品文档.ppt

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数控原理与编程授课教师：

倪笑宇授课教师：

倪笑宇第七章第七章第七章第七章计算机数控装置计算机数控装置计算机数控装置计算机数控装置第七章计算机数控装置7.1概述一、CNC的组成CNC:

计算机数控系统组成：

由程序输入输出设备、计算机数控装置、可编程控制器、主轴驱动装置、进给驱动装置及位置检测装置组成。

（其中，数控装置是CNC系统的核心，其任务是完成数字信息处理和控制）专用型数控系统基于个人计算机（PC）型数控系统。

分类1.物理结构二、CNC的硬件体系结构（针对数控机床专门设计，FANUC，西门子）第七章计算机数控装置2.逻辑结构分类按数控装置中各电路板的插接方式：

大板式和功能模块式按微处理的个数：

单微处理器和多微处理器按硬件的制造方式：

专用型和通用型微处理器CPU是数控装置的核心。

负责程序译码、数据处理、插补运算、伺服控制、接收反馈等任务。

（1）单微处理器结构控制包括：

内部控制、程序的输入输出、加工现场状态信息的记忆控制等。

运算任务：

译码、刀具补偿计算、运动轨迹计算、插补运算、位置比较计算等。

存储器类型包括：

可擦可编程只读存储器（EPROM）（存放系统系统，由生产厂家固化，断电不丢失。

只读不写，可又生产厂家擦除后重新写入程序。

）单CPU是指整个数控装置中只有一个CPU，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NC功能。

第七章计算机数控装置

（2）多微处理器结构典型结构：

共享总线结构（多个CPU共同控制和使用总线，某一时刻只能有一个主模块占有总线，通过公共存储器解决多个主模块同时请求使用总线时产生的总线竞争问题。

）共享存储器结构（这种结构中，每个CPU都有自己的总线和存储器，CPU之间采用通信方式交换信息。

）工作特点：

数控装置的所有功能通过一个CPU进行集中控制，分时处理来实现。

后备电池的CMOSRAM（存放加工程序、机床参数、刀具参数等，可读可写，断电不丢失。

）RAM存储器（存放运算的中间结果，显示数据运行状态、标志信息等，可读可写，断电丢失。

）多CPU是指数控装置中有两个或两个以上的CPU，各CPU之间资源共享，有明确的分工，独立分管各自的任务，并行处理。

第七章计算机数控装置三、CNC系统软件结构（专用软件）系统软件管理软件：

输入输出，I10处理，显示，诊断控制软件：

译码、刀具补偿、速度控制、插补、位置控制CNC系统软件类似于计算机操作系统。

（CNC系统是典型的实时控制系统，数控装置的系统软件则可看做一个专用实时操作系统。

）软件特点：

并行处理，实时中断处理。

（1）并行处理含义：

系统在同一时间间隔或同一个时刻完成两个或两个以上任务处理的方法。

目的：

可以合理使用和调配CNC系统的资源，提高CNC系统的处理速度。

优点：

运行速度快。

第七章计算机数控装置

（2）实时中断处理中断类型外部中断（主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断、键盘操作面板输入中断）内部定时中断硬件故障中断程序性中断（主要有插补周期定时中断，位置采样定时中断）（它是各种硬件故障检测装置发出的中断）（它是程序中出现异常情况的报警中断）软件结构模式：

分为前后台型结构模式和中断型结构模式

（1）前后台型结构模式软件划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。

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。

）第七章计算机数控装置

（2）中断型结构模式含义：

除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理。

其管理功能靠的是程序之间的相互通信来实现。

整个软件就是一个大的中断管理系统。

结构特点：

其任务调度机制为抢占式优先调度，因此实时性好。

四、零件加工程序的处理过程数控加工是由数控装置根据零件程序控制机床自动完成的。

处理顺序：

每个加工程序段都是按照输入译码刀具补偿进给速度处理插补位置控制的顺序进行处理的。

各个步骤的主要功能：

（1）输入通过键盘等方式将零件程序输入到数控装置并完成无效代码的删除、代码校验和代码转换等功能）第七章计算机数控装置

（2）译码将指令代码翻译成机床能够识别的统一数据格式，以方便后续分析、计算。

（3）刀具补偿将编程轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹，以保证刀具在按中心轨迹移动时，不会对零件造成过切或少切。

（4）进给速度处理根据编程进给速度确定脉冲源频率或者每次插补的位移增量，以保证各坐标方向运动的合成速度满足编程速度的要求。

（5）插补在已知曲线类型、起点、终点、进给速度的条件下，在曲线的起止点之间补足中间点的过程，即“数据点的密集化”过程。

（6）位置控制在每个插补周期内，将插补输出的指令位置与实际位置相比较，用他们的差值控制伺服驱动装置，带动刀具运动。

第七章计算机数控装置7.2数控加工程序的输入一、输入工作方式四种输入工作方式纸带工作方式存储器工作方式键盘工作方式DNC工作方式（通过纸带打孔的方式送给纸带机，再将程序送入数控系统。

）（通过存储器读入数控系统。

）（通过键盘手动输入程序，也就是MDI。

）（DNC直接数字控制的简称，通过串行接口与计算机相连，用计算机中存储的程序直接控制数控系统，一般用于复杂零件和程序的加工。

）二、数据的存放方式在数控装置的程序存储器中，可以存储多个零件程序，一般是按顺序存放的。

存放位置：

程序存储器7.3数控加工程序的预处理一、数控加工程序的译码1.代码识别（代码识别由软件完成）第七章计算机数控装置原理：

代码识别程序按顺序逐个读取程序符，与各个字码的内码相比较。

2.功能码译码原理：

功能码译码子程序将功能码后面的数字码进行代码转换，然后送到指定的译码结果缓冲器中。

如果字码位数不够，则认为程序出错。

3.译码结果缓冲器的格式不同的数控系统，其编程格式各不相同，译码结果缓冲器的格式设计应与程序格式相对应。

4.译码过程过程：

译码是把零件程序翻译成数控装置内部要求的数据格式，并存在结果缓冲器中，为后续处理做准备。

二、刀具半径补偿原理三、进给速度处理原理：

是根据译码结果缓冲器中F的数值进行相应的运算和处理，生成速度信息。

第七章计算机数控装置1.脉冲增量插补算法的速度处理脉冲增量插补的输出形式是脉冲，其输出频率与进给速度成正比。

频率越高，速度越快。

（通常使用步进电机做为执行机构）设进给速度为F（mm/min），脉冲频率为f（Hz），数控系统的脉冲当量为（mm/步），由此可推出脉冲频率与进给速度的关系：

2.数据采样插补算法的速度原理：

数据采样插补的输出是根据编程进给速度F计算出一个插补周期内合成速度方向上的位置增量。

设进给速度为F（mm/min），插补周期为T（ms），机床操作面板上的进给速度倍率为K，则一个插补周期内的位置增量L与进给速度的关系为：

只要在一个插补周期内完成上市所规定的位移增量，则可反推出进给速度。

第七章计算机数控装置7.4轮廓插补原理插补定义：

利用刀具所能产生的基本线型逼近，拟合零件所要求的轮廓线型，这种拟合方法叫做插补。

基本原理：

是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹类型，由数控系统实时计算出各个中间点的坐标。

插补结果：

输出运动轨迹的中间坐标值。

伺服驱动系统根据这些坐标值，控制各坐标轴的运动，继而加工出预定形状。

插补的分类：

脉冲增量插补法和数据采样插补法一、脉冲增量插补法主要适用于以步进电机为驱动元件的开环数控系统。

原理：

每次插补结束后，向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标轴一次仅产生一个脉冲当量的位移，利用一个个脉冲驱动，步进电动机完成加工。

特点：

运算简单，通常使用加法和移位就可以完成插补。

属于这种插补法的具体算法：

逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、数字脉冲乘法器法、最小偏差法等。

第七章计算机数控装置

（一）.逐点比较法基本原理：

每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，每进给一步都需要经过偏差计算，判断刀具点同规定加工轨迹之间的偏差，决定下一进给方向。

向误差减小的方向移动，周而复始，直到插补至终点。

特点：

既可以作直线插补，也可以作圆弧插补。

运算直观，误差小于一个脉冲当量。

输出脉冲均匀，而且输出脉冲速度变化小，调节方便。

这种插补法要经历四个步骤：

偏差判断、坐标进给、偏差计算、终点判别。

第七章计算机数控装置1.逐点比较法直线插补设加工的轨迹为第一象限中的一条直线，坐标起点，终点坐标为。

（1）偏差判别假设刀具瞬时加工点为，如图所示，直线的斜率为，而直线的斜率为，点的瞬时位置有三种可能：

若点落在直线上，则、重合，它们的斜率相等，有，即若点落在直线上方，则的斜率大于的斜率，有，即若点落在直线下方，则的斜率小于的斜率，有，即通过上述分析，构造偏差函数，用F表示P点的偏差函数为：

第七章计算机数控装置

（2）坐标进给算法规定：

当F=0时，P点在直线OE上，刀具向+X方向前进一步。

当F0时，P点在直线OE上方，刀具向+X方向前进一步（可以使P点更接近直线OE）当F0时，P点在直线OE下方，刀具向+Y方向前进一步（可以使P点更接近直线OE）（3）偏差计算刀具每走一步，将刀具新的坐标值代入中,求出新的值，与零比较（等于0，大于0或小于0），以确定下一步的进给方向，这样周而复始，直到终点。

上述公式，每次求F，都要有乘积运算，导致运算不方便，速度慢，所以我们采用递推公式，进行偏差计算。

第七章计算机数控装置当时，P点向+X方向进给一步，即动点沿+X方向移动到新加工点的偏差其中，所以将它们代入，当时，加工点P向+Y方向进给一步，同理可得上面两个公式就是第一象限直线插补偏差的递推公式，即每进给一步，新加工点的偏差可以用前一加工点的偏差推算出来。

从式中可以看出，偏差计算只用到了终点坐标值，不必计算每一个加工点的坐标值，且只有加法和减法计算，形式简单。

第七章计算机数控装置（4）终点判别判别方法一般有两种第一种，根据X、Y两坐标所要走的总步数N来判断，即每走一步X或Y，均进行N-1计算，当N减到零时，到达终点，停止插补。

第一种，比较和，取大者为N，当沿该方向进给一步时，进行N-1计算，直至N=0，停止插补。

注意：

以上两种判别方法，均用绝对值进行计算。

通常使用第一种方法。

第七章计算机数控装置2.逐点比较法圆弧插补我们以第一象限逆圆弧为例讨论圆弧插补法。

设需要加工第一象限逆时针圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，起点，终点，圆弧半径为R，设瞬时加工点。

（1）偏差判断（M点落下的位置有三种可能）若M在圆上，则，即若M在圆内，则，即若M在圆外，则，即从而构造偏差判别函数F=0，点在圆上；F0，点在圆外；F0，点在圆内。

（2）坐标进给若0，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿-X方向进给一步。

若0，为了逼近圆弧，应沿+Y方向进给一步。

第七章计算机数控装置（3）偏差计算当0时，加工点M应沿-X方向进给一步到M+1点，其坐标值为新加工点的偏差为当0时，加工点M应沿+Y方向进给一步到M+1点，其坐标值为新加工点的偏差为（4）终点判别第一种：

圆弧插补可采用终点坐标与加工点坐标相比较的方法。

若，则X向到达终点；若，则Y向到达终点；若两个坐标同时到达终点，则插补完成。

第二种：

用X、Y方向应走总步数之和N计算每走一步N-1，直至N=0停止插补。

第七章计算机数控装置1.数字积分法

（1）数字积分法基本原理定义：

利用数字积分运算求插补曲线所包围的面积S，从而计算出刀具沿各坐标的进给量，实现插补。

特点：

运算速度快，脉冲分配均匀。

基本原理：

从几何意义上讲，函数Y=f（t）的积分运算就是求出此函数曲线与横坐标所围出的面积。

当取t=单位“1”时，上式可表示为将其推广到数控系统的轮廓插补中，则有第七章计算机数控装置

（2）数字积分法直线插补加工直线OE，起点O为坐标原点，终点，刀具进给速度在两个坐标轴上的速度分量为，那么刀具在X、Y方向上的位移增量分别为根据相似三角形原理，得（K为比例系数）所以那么经过m次的插补后，加工点到达取t=“1”单位，则第七章计算