計算機(jī)數(shù)控裝置

1、第三章 計算機(jī)數(shù)控裝置概述CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)CNC裝置的插補(bǔ)原理數(shù)控系統(tǒng)的速度控制刀具半徑補(bǔ)償原理3.1 概述一、CNC機(jī)床組成部分二、CNC裝置的組成三、CNC裝置的工作過程四、CNC裝置的功能五、CNC裝置的軟件和硬件的功能界面一、CNC機(jī)床組成部分CNC機(jī)床的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計算機(jī)，即數(shù)控制裝置。二、CNC裝置的組成從自動控制的角度來看，CNC裝置是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC裝置

2、是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。（一）CNC裝置的一般硬件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的一般硬件結(jié)構(gòu)：計算機(jī)基本系統(tǒng)顯示設(shè)備，計算機(jī)系統(tǒng)，輸入/輸出設(shè)備等。設(shè)備支持層人機(jī)控制，運(yùn)動控制，PMC，其他I/O設(shè)備層機(jī)床，機(jī)器人，測量機(jī)CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)：CPU，存儲器，總線、外設(shè)等是CNC裝置的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）CNC裝置軟件的功能性結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)：具有實(shí)時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)組成：管理軟件、控制軟件CNC軟件系統(tǒng)功能框圖（三）CNC硬件軟件的作用和相互關(guān)系CNC裝置的系統(tǒng)平臺（圖）軟件在硬件的支持下，合理組織管理整個系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。該平臺提供CNC裝置基本配置的必備

3、功能；在該平臺上可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行功能設(shè)計和開發(fā)。CNC裝置的組成和工作原理 CNC裝置的系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序 接口被控設(shè)備 機(jī) 床 機(jī)器人 測量機(jī) .三、CNC裝置的工作過程通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動各軸運(yùn)動。并進(jìn)行實(shí)時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。簡要工作過程：數(shù)控程序的輸入、存儲譯碼數(shù)據(jù)處理刀具補(bǔ)償、速度計算、逼近、插補(bǔ)、輔助信息處理位置控制在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的理論

4、位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。I/O處理顯示零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等診斷檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。CNC裝置的優(yōu)點(diǎn)靈活性和通用性功能的修改和擴(kuò)充、實(shí)用性方面功能豐富插補(bǔ)功能（二次曲線、樣條、空間曲面）補(bǔ)償功能（運(yùn)動精度、隨機(jī)、非線性）可靠性高使用維護(hù)方便易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化CNC裝置的功能基本功能控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具管理功能、補(bǔ)償功能、人機(jī)對話功能、自診斷功能、通信功能選擇功能3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)類型單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹多主結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件簡介CNC

5、裝置硬件結(jié)構(gòu)類型按印刷線路板的結(jié)構(gòu)分All-In-One式結(jié)構(gòu)多功能模塊式結(jié)構(gòu)按微處理器的個數(shù)分單處理器式多處理器式按制造方式分通用PC機(jī)結(jié)構(gòu)特殊用途結(jié)構(gòu)按開放程度分封閉式結(jié)構(gòu)PC插入NC結(jié)構(gòu)NC插入PC結(jié)構(gòu)基于軟件的開放式CNC裝置的硬件構(gòu)成 CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)接口MDI/CRT接口位置控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖單機(jī)（CPU）系統(tǒng)單CPU系統(tǒng)集中控制和管理系統(tǒng)資源分時處理優(yōu)點(diǎn)：投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：系統(tǒng)功能受CPU字長、數(shù)控寬度、尋址能力和運(yùn)算速度限制多機(jī)（CPU）系統(tǒng)多機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)多主結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)多通道結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)描述：主CPU對系統(tǒng)資源

6、（系統(tǒng)存儲器、系統(tǒng)總線）有控制和使用權(quán)。其他帶有CPU的功能部件（智能部件）無權(quán)控制和使用系統(tǒng)資源，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需數(shù)據(jù)。多主結(jié)構(gòu)描述：系統(tǒng)有兩個或兩個以上的帶CPU的功能部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。采用緊耦合，均掛在系統(tǒng)總線上，集中在一個機(jī)箱內(nèi)。有集中的操作系統(tǒng)通過總線仲裁器解決總線爭用問題通過公共存儲器進(jìn)行信息交換。分布式結(jié)構(gòu)描述：有兩個或兩個以上的帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境（系統(tǒng)總線、存儲器、操作系統(tǒng)）；模塊間采用松耦合，在空間上可以較為分散各模塊間采用通信方式交換信息。單CPU或主從結(jié)構(gòu)的功能介紹模塊化設(shè)

7、計含義：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干種具有獨(dú)立功能的單元模塊。每個模塊配上相應(yīng)的驅(qū)動程序，按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，組成一個完整的控制系統(tǒng)。條件：總線標(biāo)準(zhǔn)化CNC裝置設(shè)計：歸結(jié)為功能模塊的合理選用單CPU或主從結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)單CPU或主從結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)1、計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線（無源母板）2、顯示模塊（顯示卡）3、輸入/輸出模塊（多功能卡）4、電子盤（存儲模塊）5、設(shè)備輔助控制接口模塊6、位置控制模塊計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線計算機(jī)主板系統(tǒng)總線（母板）電子盤（存儲模塊）存放內(nèi)容：系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)配置參數(shù)，零件程序非易失性讀寫存儲單元抗電磁干

8、擾能力較磁性存儲器強(qiáng)設(shè)備輔助控制接口模塊作用：信號轉(zhuǎn)換：電平轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換，功率匹配阻斷干擾位置控制模塊作用：連接CNC裝置與伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程：將x、y、z等，經(jīng)調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出速度控制指令D/A轉(zhuǎn)換，輸出速度指令電壓給速度控制單元閉環(huán)與半閉環(huán)控制時，回收實(shí)際位置信號和實(shí)際速度信號，以供位置和速度閉環(huán)控制運(yùn)算使用。多主結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件簡介特點(diǎn)：并行處理，速度快，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能容錯能力強(qiáng)，出故障后，通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作分類：共享總線結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)混合型結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)描述：以系統(tǒng)總線為中心。所有主從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上。任一時刻只能允許一個主模塊占用總線，由總

9、線仲裁電路來裁定競爭問題。結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高?？偩€是系統(tǒng)的“瓶頸”，一旦總線出現(xiàn)故障，將使整個系統(tǒng)受影響。總線使用需經(jīng)仲裁，信息傳輸率降低。共享存儲器結(jié)構(gòu)描述：公共存儲器，采用多端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通信同一時刻只能允許一個主模塊對多端口存儲器進(jìn)行訪問（讀/寫），由多端口控制邏輯解決訪問沖突問題。一般采用雙端口存儲器。3.3 CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)3.3.1 CNC裝置軟件和硬件的功能界面3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程3.3.3 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)3.3.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)模式3.3.5 華中I型數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)舉例3.3.1 CNC裝置軟件和

10、硬件的功能界面3.3.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程1、譯碼（解釋）功能：把用ASC碼編寫的零件加工程序，以程序段為單位翻譯成數(shù)控系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式；存放到譯碼緩沖區(qū)中，準(zhǔn)備為后續(xù)程序使用。為保證機(jī)床的連續(xù)加工，譯碼需超前。緩沖區(qū)填滿，譯碼程序進(jìn)入休眠，當(dāng)緩沖區(qū)有若干置空，系統(tǒng)再次激活譯碼程序，按此方式重復(fù)進(jìn)行，直到整個加工程序解釋完畢。2、刀補(bǔ)處理（計算刀具中心軌跡）功能：將零件輪廓變換成刀具中心軌跡工作：計算零件輪廓終點(diǎn)坐標(biāo)值（ G90/G91 ）計算本段刀補(bǔ)后刀具中心軌跡終點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行段間連續(xù)處理3、速度預(yù)處理（插補(bǔ)預(yù)處理）功能：根據(jù)加工程序給定F，計算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動量，供插補(bǔ)程

11、序使用。計算步驟：計算本段總位移量計算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成進(jìn)給量L4、插補(bǔ)計算插補(bǔ)程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期定時運(yùn)行功能：根據(jù)“進(jìn)給修調(diào)”設(shè)定值，計算本次插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量L1；將L1按插補(bǔ)的線型和本插補(bǔ)點(diǎn)所在位置分解到各個進(jìn)給軸xi， yi 5、位置控制處理3.3.3 CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點(diǎn)一、多任務(wù)性與并行處理技術(shù)二、實(shí)時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制一、多任務(wù)性與并行處理技術(shù)CNC裝置需要多任務(wù)并行處理管理任務(wù)：資源管理，子任務(wù)調(diào)度控制任務(wù)：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度預(yù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)并行處理：軟件系統(tǒng)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理的方法。

12、以提高CNC裝置資源的利用率和系統(tǒng)的處理速度。資源分時共享（單CPU），并發(fā)處理和流水處理（多CPU）1、資源分時共享方法：在一定的時間長度（時間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時性要求程度，規(guī)定其占用CPU的時間，使它們按規(guī)定順序和規(guī)則分時共享系統(tǒng)資源。需解決：任務(wù)優(yōu)先級分配問題時間片分配問題規(guī)則：循環(huán)調(diào)度、優(yōu)先搶占調(diào)度相結(jié)合1、資源分時共享2、并發(fā)處理和流水處理并發(fā)處理：任務(wù)間關(guān)聯(lián)程度不高每項(xiàng)任務(wù)分別安排一個CPU，讓其同時執(zhí)行流水處理：任務(wù)間關(guān)聯(lián)程度較高，一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入利用重復(fù)的資源（CPU），將一個大任務(wù)分成若干個彼此關(guān)聯(lián)的子任務(wù)按一定順序安排每個資源執(zhí)行一個子任務(wù)2、并發(fā)處理

13、和流水處理流水處理：以資源重復(fù)的代價換得時間上的重疊二、實(shí)時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制實(shí)時性：指某任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格的時間要求，即必須在系統(tǒng)的規(guī)定時間內(nèi)完成，否則將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤和系統(tǒng)故障。實(shí)時性任務(wù)的分類實(shí)時突發(fā)性任務(wù)實(shí)時周期性任務(wù)弱實(shí)時性任務(wù)優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制功能：優(yōu)先調(diào)度：優(yōu)先級高的任務(wù)優(yōu)先得以滿足；搶占方式：優(yōu)先級高的任務(wù)可搶占優(yōu)先級低的任務(wù)占用的資源。實(shí)現(xiàn)：硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)硬件提供支持中斷功能的芯片和電路軟件完成對硬件芯片的初始化、任務(wù)優(yōu)先級定義方式、任務(wù)切換處理（斷點(diǎn)的保護(hù)與恢復(fù)、中斷向量的保存與恢復(fù)等）同時還采用時間片輪換調(diào)度和非搶占優(yōu)先調(diào)度3.3.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)模式一、前后

14、臺型結(jié)構(gòu)模式二、中斷型結(jié)構(gòu)模式三、基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式一、前后臺型結(jié)構(gòu)模式二、中斷型結(jié)構(gòu)模式三、基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式PTOS功能：任務(wù)管理多種實(shí)時任務(wù)調(diào)度機(jī)制任務(wù)間的通信機(jī)制基于PTOS結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)：弱化功能模塊間的耦合關(guān)系系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性好減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量3.4 CNC裝置的插補(bǔ)原理定義：插補(bǔ)：根據(jù)給定進(jìn)給速度和給定輪廓線的要求，在輪廓的已知點(diǎn)之間，確定一些中間點(diǎn)。利用少量的輸入數(shù)據(jù)，精確的獲得編程軌跡。插補(bǔ)算法：插補(bǔ)的具體實(shí)現(xiàn)算法。插補(bǔ)算法評價指標(biāo)穩(wěn)定性插補(bǔ)運(yùn)算過程中，舍入誤差和計算誤差不隨迭代次數(shù)的增加而累積。精度逼進(jìn)誤差、計算誤差、圓整誤差合成速度均勻性實(shí)際速度

15、與給定的進(jìn)給速度的符合程度簡單，便于編程插補(bǔ)方法分類脈沖增量插補(bǔ)（行程標(biāo)量插補(bǔ)）數(shù)字增量插補(bǔ)（時間標(biāo)量插補(bǔ)）脈沖增量插補(bǔ)特點(diǎn)：每次插補(bǔ)的結(jié)果僅產(chǎn)生一個單位的行程增量（一個脈沖當(dāng)量）插補(bǔ)速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)算法簡單步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)數(shù)字增量插補(bǔ)特點(diǎn)：按插補(bǔ)周期進(jìn)行插補(bǔ)，每個周期根據(jù)進(jìn)給速度計算出各坐標(biāo)軸在下一周期內(nèi)的位移增量（數(shù)字量）用直線段（內(nèi)接弦線，內(nèi)外均差弦線，切線）來逼進(jìn)曲線（包括直線）插補(bǔ)運(yùn)算速度與進(jìn)給速度無嚴(yán)格關(guān)系實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜脈沖增量插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法每走一步控制系統(tǒng)都要將加工點(diǎn)與給定的圖形軌跡相比較，以決定下一步進(jìn)給的方向，使之逼近加工軌跡。以折線逼近直線與圓弧，最大偏差不超過一

16、個最小設(shè)定單位。根據(jù)偏差控制進(jìn)給軸進(jìn)給，逼近給定輪廓，縮小偏差。逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)終點(diǎn)判別：X、Y兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)相等時，停止插補(bǔ)插補(bǔ)計算過程（4節(jié)拍）位置判斷坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點(diǎn)判別逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)不同象限的直線插補(bǔ)計算逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)例：加工OA直線，A（5，3），終點(diǎn)計數(shù)值J=xe+ye=5+3=8，加工過程的運(yùn)算節(jié)拍如下：逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)NO位置判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點(diǎn)判別1F00=0+xF10=F00-ye=0-3=-3J=8-1=72F10=-30+xF21=F11-ye=2-3=-1J=6-1=54F21=-10+xF32=F22-ye=4-

17、3=1J=4-1=36F32=10+xF42=F32-ye=1-3=-2J=3-1=27F42=-20+xF53=F43-ye=3-3=0J=1-1=0直線插補(bǔ)程序?qū)崿F(xiàn)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別用x，y坐標(biāo)所要走的總步數(shù)來判別，令 J=|xe-x0|+|ye-y0|，每走一步則J減1，直至J=0，到達(dá)終點(diǎn)，停止插補(bǔ)。插補(bǔ)過程位置判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算、終點(diǎn)判別四個象限圓弧插補(bǔ)計算公式圓弧插補(bǔ)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字增量插補(bǔ)法得到：不是進(jìn)給脈沖，而是用二進(jìn)制表示的進(jìn)給量。算法：根據(jù)程編進(jìn)給速度F，將給定輪廓曲線按插補(bǔ)周期T分割為插補(bǔ)進(jìn)給段，即用一系列首尾相連的微小線段來逼近給定曲線。插補(bǔ)周期越長，插補(bǔ)計算誤差越大，插補(bǔ)周期應(yīng)盡量選得小一些。插補(bǔ)周期的選擇插補(bǔ)周期與精度、速度的關(guān)系插補(bǔ)周期與插補(bǔ)運(yùn)算時間的關(guān)系插補(bǔ)周期與位置控制周期的關(guān)系L時間分割法直線插補(bǔ)時間分割法圓弧插補(bǔ)3.5 數(shù)控系統(tǒng)的速度控制一、必要性慣性：速度不能突變突變：產(chǎn)生沖擊、振蕩、超程、失步二、評價指標(biāo)1、保證軌跡精度、位置精度2、升