數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用清華版3計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)ppt課件

1、第3章 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)從前的從前的NC安裝是由各種邏輯元件、記憶元件和邏輯電安裝是由各種邏輯元件、記憶元件和邏輯電路組成的，是一種固定接線的硬件構(gòu)造，由硬件來實(shí)路組成的，是一種固定接線的硬件構(gòu)造，由硬件來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，由于微型計(jì)算現(xiàn)數(shù)控功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，由于微型計(jì)算機(jī)機(jī)(以下簡稱微機(jī)以下簡稱微機(jī))集成度高、體積小、可靠性好且價集成度高、體積小、可靠性好且價錢低廉，很快被用于數(shù)控系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)錢低廉，很快被用于數(shù)控系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng)系統(tǒng))。計(jì)算機(jī)數(shù)控安裝可以是采用存儲程序的。計(jì)算機(jī)數(shù)控安裝可以是采用存儲程序的公用計(jì)算機(jī)，也可以采用通用計(jì)

2、算機(jī)加上接口電路板公用計(jì)算機(jī)，也可以采用通用計(jì)算機(jī)加上接口電路板組成。它由軟件來實(shí)現(xiàn)其部分或全部數(shù)控功能，具有組成。它由軟件來實(shí)現(xiàn)其部分或全部數(shù)控功能，具有良好的良好的“柔性，很容易經(jīng)過軟件來改動或擴(kuò)展其功柔性，很容易經(jīng)過軟件來改動或擴(kuò)展其功能，以順應(yīng)各類數(shù)控機(jī)床的特殊要求。采用了計(jì)算機(jī)能，以順應(yīng)各類數(shù)控機(jī)床的特殊要求。采用了計(jì)算機(jī)的數(shù)控機(jī)床，綜合了計(jì)算機(jī)、傳感器和丈量技術(shù)、自的數(shù)控機(jī)床，綜合了計(jì)算機(jī)、傳感器和丈量技術(shù)、自動控制和機(jī)械制造等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，為柔性制動控制和機(jī)械制造等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，為柔性制造系統(tǒng)造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的開展奠

3、的開展奠定了根底。定了根底。3.1 CNC系統(tǒng)的組成和計(jì)算機(jī)的功用3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成圖3.1是一個典型的CNC系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)由數(shù)控計(jì)算機(jī)、程序輸入/輸出安裝和機(jī)床控制安裝三部分組成。3.1.2 CNC系統(tǒng)中的計(jì)算 1. 計(jì)算機(jī)的作用 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主要是一種位置控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)接納工件加工程序后，識別程序所注明的加工方式和加工尺寸，根據(jù)這些數(shù)據(jù)插補(bǔ)出實(shí)際的刀具軌跡，然后將插補(bǔ)的結(jié)果，輸出到執(zhí)行部件，使刀具按軌跡加工出所需外形的工件來。 2. 計(jì)算機(jī)的任務(wù)過程 (1)工件加工程序的輸入、編輯和存儲。 (2)工件加工程序的譯碼處置。 (3)機(jī)床形狀的監(jiān)測。 (4)刀具補(bǔ)償。 (5)

4、插補(bǔ)計(jì)算。 (6)伺服控制。 (7)缺點(diǎn)診斷。 3. 計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)造 (1)單微處置器構(gòu)造。 (2)多微處置器構(gòu)造。 3.1.3 CNC系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)簡稱為可編程控制器簡稱為可編程控制器(PLC)。PLC誕生于誕生于1969年，最初運(yùn)用于汽車制造業(yè)的自動年，最初運(yùn)用于汽車制造業(yè)的自動消費(fèi)線等順序控制的場所。由于其性能優(yōu)越，消費(fèi)線等順序控制的場所。由于其性能優(yōu)越，可靠性高，現(xiàn)已取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯，大量可靠性高，現(xiàn)已取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯，大量運(yùn)用于各種機(jī)械和消費(fèi)過程的控制，成為工業(yè)運(yùn)用于各種

5、機(jī)械和消費(fèi)過程的控制，成為工業(yè)自動化的重要部件。自動化的重要部件。1. PLC在數(shù)控機(jī)床中的功用在數(shù)控機(jī)床中的功用 2. PLC的任務(wù)原理的任務(wù)原理3. PLC與與CNC功能系統(tǒng)的銜接功能系統(tǒng)的銜接(1)通用型通用型PLC (2)內(nèi)置式內(nèi)置式(集成式集成式) 3.1.4 機(jī)床控制I/O部件的實(shí)現(xiàn) CNC系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制及其形狀的檢測，需求由專門的機(jī)床控制I/O部件來完成。因此，與普通的I/O接口相比，具有以下幾個顯著特點(diǎn)： (1)可以在計(jì)算機(jī)與輸入/輸出安裝之間進(jìn)展必要的信息方式的轉(zhuǎn)換。 (2)可以輸入并可靠地傳送控制機(jī)床動作的相應(yīng)控制信息，同時應(yīng)具備阻斷或抑制干擾信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)的才干，

6、防止誤動作，添加可靠性。 1. 光電隔離電路 2. 信息轉(zhuǎn)換電路舉例3.2 數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)3.2.1 概述概述模塊之間的信息都可以經(jīng)過母板進(jìn)展交換。此外，每模塊之間的信息都可以經(jīng)過母板進(jìn)展交換。此外，每個模塊與外設(shè)或控制對象的聯(lián)絡(luò)是靠模塊另一端的銜個模塊與外設(shè)或控制對象的聯(lián)絡(luò)是靠模塊另一端的銜接插座引出各種控制信號，或從控制現(xiàn)場輸入信息。接插座引出各種控制信號，或從控制現(xiàn)場輸入信息。采用規(guī)范總線模塊化設(shè)計(jì)時，對每一模塊的設(shè)計(jì)規(guī)劃采用規(guī)范總線模塊化設(shè)計(jì)時，對每一模塊的設(shè)計(jì)規(guī)劃也有所規(guī)定，它主要是按照功能分布，將模塊上的電也有所規(guī)定，它主要是按照功能分布，將模塊上的電氣元件和電路作出合理安排

7、。普通的原那么是使每個氣元件和電路作出合理安排。普通的原那么是使每個模塊的總線接口與模塊的總線接口與I/O接口之間呈直線銜接，盡量使信接口之間呈直線銜接，盡量使信息傳輸途徑最短。這樣，一方面降低了總線信號和息傳輸途徑最短。這樣，一方面降低了總線信號和I/O信號之間的干擾，提高了可靠性，另一方面也便于缺信號之間的干擾，提高了可靠性，另一方面也便于缺點(diǎn)診斷和維修。數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)診斷和維修。數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。 (2) 通用性強(qiáng)，易于改良和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。通用性強(qiáng)，易于改良和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

8、(3) 有利于提高可靠性。有利于提高可靠性。 (4) 便于調(diào)試和維修。便于調(diào)試和維修。 (5) 降低了消費(fèi)本錢。降低了消費(fèi)本錢。 3.2.2 總線規(guī)范1. 總線構(gòu)造總線包括外部總線(如串行總線、并行總線)和內(nèi)部總線。這里所說的總線為內(nèi)部總線。所謂總線是指為多個功能部件效力的信息線。通常作為規(guī)范應(yīng)從它的物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性等四個方面詳細(xì)地向外界公布，以供用戶運(yùn)用。2. 常用的規(guī)范總線(1)S-100總線 (2)多總線(Multibus) (3)VME總線 (4)STD總線 3. 總線規(guī)范的選擇(1)根據(jù)CPU來選擇 (2)根據(jù)模塊的幾何尺寸來選擇 (3)根據(jù)總線的技術(shù)性能來選擇

9、 3.2.3 總線功能模塊模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)CNC系統(tǒng)時，選擇總線功能模塊是其主要系統(tǒng)時，選擇總線功能模塊是其主要義務(wù)。模塊選擇恰當(dāng)，將會得到性價比更高的系統(tǒng)。義務(wù)。模塊選擇恰當(dāng)，將會得到性價比更高的系統(tǒng)。以下分別表達(dá)主要模塊的選擇。以下分別表達(dá)主要模塊的選擇。1. CPU模塊模塊CPU模塊主要由微處置器、內(nèi)部存儲器和時鐘電路等模塊主要由微處置器、內(nèi)部存儲器和時鐘電路等組成。組成。2. 存儲器模塊存儲器模塊存儲器模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)存的擴(kuò)展。存儲器模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)存的擴(kuò)展。 3. I/O模塊模塊I/O模塊的種類較多，主要有數(shù)字量模塊的種類較多，主要有數(shù)字量I/O、模擬量、模擬量I/O、工業(yè)用

10、工業(yè)用I/O等模塊和外部設(shè)備控制器等。等模塊和外部設(shè)備控制器等。4. 公用功能模塊公用功能模塊(1) 中斷控制器中斷控制器 (2) 定時定時/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 (3) 時鐘模塊時鐘模塊 (4) 掉電處置模塊掉電處置模塊 (5) 伺服控制模塊伺服控制模塊 3.3 CNC系統(tǒng)中的插補(bǔ)運(yùn)算3.3.1 概述概述1. 脈沖增量插補(bǔ)法脈沖增量插補(bǔ)法 脈沖增量插補(bǔ)法適用于以步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動脈沖增量插補(bǔ)法適用于以步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。這類插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。這類插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是每個插補(bǔ)周期只產(chǎn)生一個行程增量。在整個插每個插補(bǔ)周期只產(chǎn)生一個行程增量。在整個插補(bǔ)過程中，計(jì)算機(jī)不斷輸出

11、驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)旋補(bǔ)過程中，計(jì)算機(jī)不斷輸出驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖序列。轉(zhuǎn)的脈沖序列。 2. 數(shù)字增量插補(bǔ)法數(shù)字增量插補(bǔ)法(數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法)這種插補(bǔ)方法與脈沖增量插補(bǔ)法不同，它的插這種插補(bǔ)方法與脈沖增量插補(bǔ)法不同，它的插補(bǔ)周期不隨進(jìn)給速度而變化。每次插補(bǔ)計(jì)算所補(bǔ)周期不隨進(jìn)給速度而變化。每次插補(bǔ)計(jì)算所輸出的，是這個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給增量數(shù)據(jù)，輸出的，是這個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給增量數(shù)據(jù)，可以控制一段間隔的進(jìn)給?？梢钥刂埔欢伍g隔的進(jìn)給。 3.3.2 脈沖增量插補(bǔ)法 在普通的在普通的CNC程序中，逐點(diǎn)比較法得到了廣泛的運(yùn)用。程序中，逐點(diǎn)比較法得到了廣泛的運(yùn)用。以下引見逐點(diǎn)比較法的計(jì)算過程，從中可

12、以了解到軟以下引見逐點(diǎn)比較法的計(jì)算過程，從中可以了解到軟件插補(bǔ)的根本思緒。件插補(bǔ)的根本思緒。1. 逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法的根本想法是：刀具在按照要求的軌跡運(yùn)逐點(diǎn)比較法的根本想法是：刀具在按照要求的軌跡運(yùn)動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，根據(jù)比動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，根據(jù)比較結(jié)果，決議下一步的挪動方向，使刀具更接近規(guī)定較結(jié)果，決議下一步的挪動方向，使刀具更接近規(guī)定的軌跡。的軌跡。 (1)直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)(2)圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ) 2. 數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法簡稱為數(shù)字積分插補(bǔ)法簡稱為DDA(Digital Differential Analyzer)

13、法。它利用數(shù)字積分法，確定三刀具沿各法。它利用數(shù)字積分法，確定三刀具沿各坐標(biāo)軸的位移，使得刀具沿著所加工的曲線進(jìn)給。坐標(biāo)軸的位移，使得刀具沿著所加工的曲線進(jìn)給。(1)直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)(2)圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)(3)速度分析速度分析3.3.3 數(shù)字增量插補(bǔ)法(數(shù)據(jù)采樣法)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法的計(jì)算過程比較復(fù)雜，有時要用到浮數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法的計(jì)算過程比較復(fù)雜，有時要用到浮點(diǎn)運(yùn)算，插補(bǔ)占用點(diǎn)運(yùn)算，插補(bǔ)占用CPU的時間長。但是，由于在每個的時間長。但是，由于在每個插補(bǔ)循環(huán)中發(fā)出的指令位移增量大，使得這種插補(bǔ)方插補(bǔ)循環(huán)中發(fā)出的指令位移增量大，使得這種插補(bǔ)方法的進(jìn)給速度比脈沖增量插補(bǔ)法的進(jìn)給速度高出很多。法的進(jìn)給速度

14、比脈沖增量插補(bǔ)法的進(jìn)給速度高出很多。以下簡單引見數(shù)據(jù)采樣法中的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。以下簡單引見數(shù)據(jù)采樣法中的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。1. 直線插補(bǔ)法直線插補(bǔ)法2. 圓弧插補(bǔ)法圓弧插補(bǔ)法 3. 插補(bǔ)周期的選取插補(bǔ)周期的選取(1)插補(bǔ)誤差插補(bǔ)誤差 (2)插補(bǔ)周期與插補(bǔ)運(yùn)算時間的關(guān)系插補(bǔ)周期與插補(bǔ)運(yùn)算時間的關(guān)系(3)插補(bǔ)周期與位置反響采樣周期的關(guān)系插補(bǔ)周期與位置反響采樣周期的關(guān)系(4)與存放器長度的關(guān)系與存放器長度的關(guān)系3.4 CNC系統(tǒng)的控制軟件CNC系統(tǒng)的控制軟件是一系列完成各種各樣功系統(tǒng)的控制軟件是一系列完成各種各樣功能的程序集合。設(shè)計(jì)這些程序的目的是為了充能的程序集合。設(shè)計(jì)這些程序的目的是為了充

15、分發(fā)揚(yáng)和完善計(jì)算機(jī)的硬件功能，使軟件和硬分發(fā)揚(yáng)和完善計(jì)算機(jī)的硬件功能，使軟件和硬件結(jié)合，構(gòu)成一個具有規(guī)定功能的計(jì)算機(jī)控制件結(jié)合，構(gòu)成一個具有規(guī)定功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。因此，了解控制軟件的功能和實(shí)現(xiàn)方法系統(tǒng)。因此，了解控制軟件的功能和實(shí)現(xiàn)方法對掌握對掌握CNC系統(tǒng)的任務(wù)原理是至關(guān)重要的。系統(tǒng)的任務(wù)原理是至關(guān)重要的。3.4.1 CNC控制軟件的組成 圖3.28所示為典型的CNC系統(tǒng)控制軟件組成方式。一個CNC系統(tǒng)控制軟件主要由以下部分組成： 系統(tǒng)總控程序； 工件加工程序的輸入和輸出管理； 工件加工程序的編輯； 機(jī)床手動調(diào)整的控制； 工件加工程序的解釋和執(zhí)行； 插補(bǔ)運(yùn)算； 伺服系統(tǒng)； 系統(tǒng)自檢。3.

16、4.2 CNC控制軟件的構(gòu)造 本節(jié)中將討論如何將控制軟件中的程序模塊組合到一同，構(gòu)成整體的控制軟件的方式。CNC系統(tǒng)控制軟件的構(gòu)成方式，或者說軟件的構(gòu)造，主要有前后臺型和中斷驅(qū)動型兩種。下面分別予以引見。 1. 前后臺型 如圖3.31所示為一個典型的前后臺構(gòu)造的CNC控制程序的框圖。 2. 中斷驅(qū)動型 這種構(gòu)造的控制程序本質(zhì)上是一個多重中斷系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)中插補(bǔ)、進(jìn)給、程序的輸入/輸出和顯示、操作面板開關(guān)形狀的改動等操作，都是經(jīng)過識別不同的中斷并執(zhí)行對應(yīng)的中斷效力程序來實(shí)現(xiàn)的。3.5 習(xí) 題 (1)試述試述CNC系統(tǒng)的根本組成部分及各部分完成的主要功能。系統(tǒng)的根本組成部分及各部分完成的主要功能

17、。 (2)數(shù)控計(jì)算機(jī)普通銜接了哪些輸入輸出設(shè)備？這些設(shè)備各完成什么功能？數(shù)控計(jì)算機(jī)普通銜接了哪些輸入輸出設(shè)備？這些設(shè)備各完成什么功能？ (3)機(jī)床數(shù)控安裝由哪兩部分組成？各自的功能是什么？機(jī)床數(shù)控安裝由哪兩部分組成？各自的功能是什么？ (4)數(shù)控計(jì)算機(jī)在數(shù)控計(jì)算機(jī)在CNC系統(tǒng)中的主要作用是什么？系統(tǒng)中的主要作用是什么？ (5)對零件加工程序作譯碼處置的作用是什么？對零件加工程序作譯碼處置的作用是什么？ (6)闡明闡明CNC安裝的單微處置器構(gòu)造的組成部分及其各部分的功能。安裝的單微處置器構(gòu)造的組成部分及其各部分的功能。 (7)系統(tǒng)的控制程序放在哪種存儲器中，理由是什么？系統(tǒng)的控制程序放在哪種存儲

18、器中，理由是什么？ (8)多微處置器構(gòu)造的數(shù)控計(jì)算機(jī)有何特點(diǎn)？運(yùn)用于什么場所？多微處置器構(gòu)造的數(shù)控計(jì)算機(jī)有何特點(diǎn)？運(yùn)用于什么場所？ (9)CNC系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的PLC完成哪些功能？完成哪些功能？CNC與與PLC是怎樣銜接的？是怎樣銜接的？ (10) 闡明數(shù)控計(jì)算機(jī)的闡明數(shù)控計(jì)算機(jī)的I/O接口的功能、作用、根本組成部分以及對它的特接口的功能、作用、根本組成部分以及對它的特殊要求。殊要求。 (11) 光電耦合電路的作用是什么？闡明常用的光電隔離器件的任務(wù)原理。光電耦合電路的作用是什么？闡明常用的光電隔離器件的任務(wù)原理。 (12) 在數(shù)控計(jì)算機(jī)中，機(jī)床控制在數(shù)控計(jì)算機(jī)中，機(jī)床控制I/O部件中為什么要進(jìn)展部件中為什么要進(jìn)展D/A和和A/D轉(zhuǎn)換？轉(zhuǎn)換？ (13) 試列舉提高數(shù)控計(jì)算機(jī)可靠性的措施。試列舉提高數(shù)控計(jì)算機(jī)可靠性的措施。 (14) 為什么數(shù)控系統(tǒng)要采用模塊化設(shè)計(jì)？為什么數(shù)控系統(tǒng)要采用模塊化設(shè)計(jì)？ (15) 闡明數(shù)控計(jì)算機(jī)的總線的構(gòu)成和各部分的功能。闡明數(shù)控計(jì)算機(jī)的總線的構(gòu)成和各部分的功能。3.5 習(xí) 題 (16) 在模塊化設(shè)計(jì)中，常用的規(guī)范總線有幾種？各適用于什么場所？如何在模塊化設(shè)計(jì)中，常用的規(guī)范總線有幾種？各適用于什么場所？如何選