第3章計算機數控(CNC)系統(tǒng)1-3

1、1一、一、CNCCNC系統(tǒng)系統(tǒng)的構成與功能的構成與功能 第第3 3章章 計算機數控計算機數控(CNC)(CNC)系統(tǒng)系統(tǒng)3.1 概述概述1. 1. 數字控制系統(tǒng)的任務：數字控制系統(tǒng)的任務： 1）使刀具與工件的相對）使刀具與工件的相對運動運動形成規(guī)定的幾何形成規(guī)定的幾何軌軌跡控制跡控制，即控制機床的成形運動；，即控制機床的成形運動； 2）與機床運動有關的能量流向的）與機床運動有關的能量流向的開關量控制；開關量控制； 3）實現(xiàn)通訊，并具有開放與重構特性。）實現(xiàn)通訊，并具有開放與重構特性。22. CNC2. CNC系統(tǒng)系統(tǒng)的組成的組成 1 1）CNCCNC系統(tǒng)：系統(tǒng)： 由輸入輸出設備、由輸入輸出設備

2、、CNCCNC裝置、裝置、PLCPLC、主軸驅動主軸驅動裝置、進給驅動裝置等組成。裝置、進給驅動裝置等組成。 2 2）CNCCNC控制器（系統(tǒng)）：控制器（系統(tǒng)）： 數控專用計算機數控專用計算機（計算機硬件數控系統(tǒng)軟（計算機硬件數控系統(tǒng)軟件數控專用件數控專用I/OI/O接口）接口）PLCPLC。作用：接受信息作用：接受信息計算處理計算處理發(fā)出控制命令發(fā)出控制命令3CNCCNC系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：輸入輸入輸出輸出裝置裝置主軸電動機主軸電動機MDIMDI面板面板操作面板操作面板強電輸入強電輸入伺服電動機伺服電動機位檢元件位檢元件機床電器機床電器計計算算機機數數控控裝裝置置檢測反饋裝置檢測反饋裝置CN

3、CCNC控制器控制器速度控制單元速度控制單元主軸控制單元主軸控制單元強電控制裝置強電控制裝置43. 3. CNCCNC控制器的工作過程控制器的工作過程 CNCCNC的工作過程，實際上就是一臺工業(yè)控制的工作過程，實際上就是一臺工業(yè)控制計算機執(zhí)行數控軟件的全過程計算機執(zhí)行數控軟件的全過程。 包括零件程序的輸入、譯碼、刀具補償、插補包括零件程序的輸入、譯碼、刀具補償、插補運算、進給速度處理、位置控制、運算、進給速度處理、位置控制、I/OI/O開關量處理、開關量處理、加工信息顯示及故障診斷等。加工信息顯示及故障診斷等。 CNCCNC控制器控制器5 1 1）零件程序的輸入）零件程序的輸入 CNCCNC系

4、統(tǒng)的輸入，包括零件程序和參數兩部分系統(tǒng)的輸入，包括零件程序和參數兩部分輸入。參數通過操作面板輸入；零件程序的輸入，輸入。參數通過操作面板輸入；零件程序的輸入，包括紙帶輸入、鍵盤輸入（包括紙帶輸入、鍵盤輸入（MDIMDImanual data manual data inputinput）和計算機通信輸入）和計算機通信輸入(DNC(DNC接口，接口，RS232C, RS232C, direct numerical control)direct numerical control)。 CNCCNC輸入工作方式，可一次全部輸入到輸入工作方式，可一次全部輸入到CNCCNC內內部程序存儲器中，加工時把一

5、個個程序段分別調部程序存儲器中，加工時把一個個程序段分別調出執(zhí)行，這稱為出執(zhí)行，這稱為存儲工作方式存儲工作方式； 另一種稱為另一種稱為NCNC工作方式工作方式，數控機床一邊輸入零，數控機床一邊輸入零件程序一邊加工，即機床在進行前一個程序段加件程序一邊加工，即機床在進行前一個程序段加工的同時，正在輸入后面的程序段。工的同時，正在輸入后面的程序段。62 2）譯碼處理）譯碼處理 譯碼處理，是將零件程序的一個程序段為單譯碼處理，是將零件程序的一個程序段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息( (如起如起點、終點、直線或圓弧等點、終點、直線或圓弧等) )、加工速度信

6、息、加工速度信息(F (F代代碼碼) )和其它輔助信息和其它輔助信息(M(M，S S，T T代碼等代碼等) )按照一定按照一定的語法規(guī)則解釋成計算機能夠識別的數據形式的語法規(guī)則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用區(qū)并以一定的數據格式存放在指定的內存專用區(qū)間。間。 在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查。查。73)3)刀具補償刀具補償 刀具補償包括長度補償和刀具半徑補償。為使刀具補償包括長度補償和刀具半徑補償。為使編制的零件程序與刀具尺寸無關，零件程序是以編制的零件程序與刀具尺寸無關，零件程序是以零件輪廓軌跡來編制的。零件

7、輪廓軌跡來編制的。 刀具補償的作用是根據不同刀具的尺寸把零件刀具補償的作用是根據不同刀具的尺寸把零件輪廓軌跡轉換成相應刀具中心的軌跡。輪廓軌跡轉換成相應刀具中心的軌跡。 現(xiàn)代現(xiàn)代CNCCNC刀具補償的工作還包括程序段之間的刀具補償的工作還包括程序段之間的自動轉接和過切判別功能。自動轉接和過切判別功能。4) 4) 進給速度處理進給速度處理 編程給定的刀具移動速度，是在各坐標的合成方編程給定的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理是根據合成速度來計算各運向上的速度。速度處理是根據合成速度來計算各運動坐標方向的分速度，為插補做準備。動坐標方向的分速度，為插補做準備。85 5）插補）插補

8、 插補是指在一已知起點和終點坐標的曲線上進插補是指在一已知起點和終點坐標的曲線上進行行“數據點的密化數據點的密化”工作。工作。 插補點在每個插補周期運行一次，在每個插補插補點在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。數據段。 通常經過若干次插補周期后，插補完一個程序通常經過若干次插補周期后，插補完一個程序段的加工，即完成從該程序段起點到終點的段的加工，即完成從該程序段起點到終點的“數據數據點密化點密化”工作。工作。 一般一般CNCCNC能對直線、圓弧和螺旋進行插補計算，能對直線、圓弧和螺旋進行插補計算，在高

9、檔的在高檔的CNCCNC中還能對橢圓、拋物線、正弦線和一中還能對橢圓、拋物線、正弦線和一些專用曲線進行插補計算。些專用曲線進行插補計算。 96 6）位置控制）位置控制 位置控制的主要任務是在每個采樣周期內，將插位置控制的主要任務是在每個采樣周期內，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，根據根據差值控制進給伺服電機差值控制進給伺服電機。 在位置控制中，通常還要完成在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。以提高機床的定位精度。7

10、 7）I IO O處理處理 I IO O處理主要是處理處理主要是處理CNCCNC裝置與機床之間的強電裝置與機床之間的強電信號的輸入、輸出和控制信號的輸入、輸出和控制( (如換刀、換擋、冷卻如換刀、換擋、冷卻等等) )。 109 9）診斷）診斷 現(xiàn)代現(xiàn)代CNCCNC都具有聯(lián)機和脫機診斷的能力。都具有聯(lián)機和脫機診斷的能力。 所謂聯(lián)機診斷，指所謂聯(lián)機診斷，指CNCCNC工作時運行工作時運行CNCCNC中的自診中的自診斷程序，隨時檢查各個部件，故障時立即報警。斷程序，隨時檢查各個部件，故障時立即報警。 所謂脫機診斷，指所謂脫機診斷，指CNCCNC不工作時的診斷，通過運不工作時的診斷，通過運行專門的診斷

11、程序，檢查各個部件，及時消除故障，行專門的診斷程序，檢查各個部件，及時消除故障，還可實現(xiàn)遠程診斷。還可實現(xiàn)遠程診斷。8 8）顯示）顯示 CNCCNC的顯示主要有：零件程序的顯示，參數顯示，的顯示主要有：零件程序的顯示，參數顯示，刀具位置顯示，機床狀態(tài)顯示，報警顯示等。刀具位置顯示，機床狀態(tài)顯示，報警顯示等。 有些有些CNCCNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形顯示。形顯示。 11CNCCNC信息信息流程流程 124. 4. CNCCNC控制器的功能控制器的功能 通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁峭ǔ０ɑ竟δ芎瓦x擇功能?；竟δ苁荂NCCNC系統(tǒng)

12、必備的功能，選擇功能是供用戶根據機系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能。主要功能：床特點和用途進行選擇的功能。主要功能：1 1）軸控制功能）軸控制功能 指指CNCCNC能夠控制的以及能夠同時控制的軸數能夠控制的以及能夠同時控制的軸數（聯(lián)動軸數）?？刂戚S有移動軸和回轉軸，有基（聯(lián)動軸數）?？刂戚S有移動軸和回轉軸，有基本軸和附加軸。本軸和附加軸。 一般數控車床只需一般數控車床只需2 2根同時控制軸，雙刀架時根同時控制軸，雙刀架時有有4 4根控制軸。數控銑床、鏜床以及加工中心等根控制軸。數控銑床、鏜床以及加工中心等需要有需要有3 3根或根或3 3根以上的控制軸。根以上的控

13、制軸。 控制軸數越多，特別是同時控制軸數越多，控制軸數越多，特別是同時控制軸數越多， CNCCNC就越復雜，編制程序也越困難。就越復雜，編制程序也越困難。 132 2）準備功能）準備功能 準備功能也稱準備功能也稱G G功能，用來指令機床動作方式的功能，用來指令機床動作方式的功能，包括基本移動、平面選擇、坐標設定等指令。功能，包括基本移動、平面選擇、坐標設定等指令。它用指令它用指令G G和它后續(xù)的兩位數字表示。和它后續(xù)的兩位數字表示。 ISOISO標準中標準中推備功能從推備功能從G00G00至至G99G99共共100100種，數控系統(tǒng)可從中選種，數控系統(tǒng)可從中選用。用。3 3）插補功能）插補功能

14、 CNCCNC是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動的軌跡，是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動的軌跡，出于進給速度和分辨率的要求，出于進給速度和分辨率的要求，CNCCNC插補分為粗插插補分為粗插補和精插補。補和精插補。軟件每次插補一個小線段稱為粗插補；軟件每次插補一個小線段稱為粗插補；伺服接口根據粗插補的結果，將小線段分成單個脈伺服接口根據粗插補的結果，將小線段分成單個脈沖輸出，稱為精插補。沖輸出，稱為精插補。實現(xiàn)插補運算的方法有逐點實現(xiàn)插補運算的方法有逐點比較法，數字積分法等。比較法，數字積分法等。 144 4）進給功能）進給功能 進給功能用進給功能用“F”F”直接指令各軸的進給速度。直接指令各軸的進給速度

15、。(1) (1) 切削進給速度切削進給速度( (每分鐘進給量每分鐘進給量) ) ；(2) (2) 同步進給速度同步進給速度( (每轉進給量每轉進給量) ) ，指主軸每轉進，指主軸每轉進給量規(guī)定的送給速度，如給量規(guī)定的送給速度，如0.01mm/r0.01mm/r； (3) (3) 快速進給快速進給(G00)(G00)速度速度，可設定；，可設定；(4) (4) 進給倍率進給倍率，倍率在，倍率在0 0200200之間變化，每檔之間變化，每檔間隔間隔10%10%，車螺紋時無效。，車螺紋時無效。5 5）主軸功能）主軸功能 主軸功能就是指定主軸轉速的功能，用主軸功能就是指定主軸轉速的功能，用S S字母和它

16、字母和它后續(xù)的數值表示，有后續(xù)的數值表示，有S2S2位和位和S4S4位，多用位，多用S4S4位。位。S S的的單位是單位是r rminmin。面板設有主軸倍率開關。面板設有主軸倍率開關。 156 6）輔助功能）輔助功能 輔助功能用來規(guī)定主軸的起動、停止、轉向，輔助功能用來規(guī)定主軸的起動、停止、轉向，冷卻泵的接通和斷開，刀庫的起、停等。用冷卻泵的接通和斷開，刀庫的起、停等。用M M字字母和它后續(xù)的母和它后續(xù)的2 2位數值表示，位數值表示， ISOISO標準中輔助功能標準中輔助功能有有100100種。種。 7 7）刀具功能和第二輔助功能）刀具功能和第二輔助功能 刀具功能用來選擇刀具，用刀具功能用來

17、選擇刀具，用T T字母和它后續(xù)的字母和它后續(xù)的2 2位或位或4 4位數值表示。位數值表示。 第二輔助功能用來指定工作臺的分度，用第二輔助功能用來指定工作臺的分度，用B B字母字母和它后續(xù)的和它后續(xù)的3 3位數值表示。位數值表示。169 9）字符圖形顯示功能）字符圖形顯示功能 CNCCNC可配置單色或彩色可配置單色或彩色CRTCRT，通過軟件和接口實，通過軟件和接口實現(xiàn)字符和圖形的顯示?，F(xiàn)字符和圖形的顯示。 現(xiàn)代數控系統(tǒng)都采用現(xiàn)代數控系統(tǒng)都采用LCDLCD顯示器。顯示器。 8 8）補償功能）補償功能 CNCCNC采用補償功能，可把采用補償功能，可把刀具長度或直徑刀具長度或直徑( (銑刀直銑刀直徑

18、徑) )的相應補償量、絲杠的螺距誤差和反向間隙誤的相應補償量、絲杠的螺距誤差和反向間隙誤差的補償量差的補償量預先輸入預先輸入CNCCNC的存儲器，的存儲器，CNCCNC就能按補就能按補償量重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加償量重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的零件，消除加工誤差。工出符合要求的零件，消除加工誤差。17 CNCCNC裝置的控制功能、準備功能、插補功能、進裝置的控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、刀具功能、主軸功能、輔助功能、字符顯給功能、刀具功能、主軸功能、輔助功能、字符顯示功能、自診斷功能等是示功能、自診斷功能等是CNCCNC的基本功能。的基本功能

19、。1010）自診斷功能）自診斷功能 CNCCNC裝置中設置各種診斷程序，故障時報警。裝置中設置各種診斷程序，故障時報警。 1111）通信功能）通信功能 CNCCNC通常具有通常具有RS232CRS232C接口，有的還備有接口，有的還備有DNCDNC接接口，它設有緩沖存儲器，以口，它設有緩沖存儲器，以NCNC格式輸入，還可以格式輸入，還可以二進制格式輸入，進行高速傳輸。二進制格式輸入，進行高速傳輸。1212）人機交互編程功能）人機交互編程功能 復雜零件的復雜零件的NCNC程序是要通過通用計算機或自動程序是要通過通用計算機或自動編程機編制；有的編程機編制；有的CNCCNC具有根據藍圖直接編程的具有

20、根據藍圖直接編程的功能。功能。 18二、二、CNCCNC的硬件結構的硬件結構 CNCCNC硬件結構硬件結構按印制電路板的插接方式可以分為按印制電路板的插接方式可以分為大板結構和總線式模塊化結構大板結構和總線式模塊化結構；按按CNCCNC中微處理中微處理器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器結構；結構；按按CNCCNC硬件的制造方式，可以分為專用計硬件的制造方式，可以分為專用計算機型結構和工控計算機型結構。算機型結構和工控計算機型結構。1. 1.大板結構和模塊化結構大板結構和模塊化結構1 1）大板結構）大板結構 大板結構大板結構CNCCNC由電路主板

21、和相關子板構成，主由電路主板和相關子板構成，主板上裝有主板上裝有主CPUCPU和各軸的位置控制電路等系統(tǒng)主和各軸的位置控制電路等系統(tǒng)主要部件。主板是大印制電路板，其它小電路板插要部件。主板是大印制電路板，其它小電路板插在主板插槽內，結構類似于個人電腦的結構。在主板插槽內，結構類似于個人電腦的結構。19大板結構的大板結構的FANUC 0-TDFANUC 0-TD數控系統(tǒng)數控系統(tǒng) 202 2）總線式模塊化結構）總線式模塊化結構 整個整個CNCCNC按功能分為若干個模塊。硬件和軟件按功能分為若干個模塊。硬件和軟件的設計都采用模塊化結構，每一個功能模塊做成的設計都采用模塊化結構，每一個功能模塊做成尺寸

22、相同的印制電路板，相應功能模塊的控制軟尺寸相同的印制電路板，相應功能模塊的控制軟件固化在其中。件固化在其中。功能模塊通過有明確定義的標準功能模塊通過有明確定義的標準固定接口通訊、交換信息。固定接口通訊、交換信息。 常用的功能模板有常用的功能模板有CPUCPU控制板、位置控制板、控制板、位置控制板、I/OI/O板、板、PLCPLC板、存儲器板、圖形板和通信板等。板、存儲器板、圖形板和通信板等。FANUCFANUC系統(tǒng)系統(tǒng)1515系列就采用了模塊化結構。系列就采用了模塊化結構。 用戶根據需要選用各種控制單元母板及所需功能用戶根據需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，將各功能模板插入控制單元母板的

23、槽內，就模板，將各功能模板插入控制單元母板的槽內，就組成了自己需要的組成了自己需要的CNCCNC系統(tǒng)的控制裝置。系統(tǒng)的控制裝置。21模塊化結構的模塊化結構的FANUC 15FANUC 15數控系統(tǒng)數控系統(tǒng) 222. 2.單微處理器結構和多微處理器結構單微處理器結構和多微處理器結構1) 1) 單微處理器結構單微處理器結構 在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。其它集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。其它功能部件，如存儲器、各種接口、位置控制器等功能部件，如存儲器、各種接口、位置控制器等都需要通過總線與微處理器相連。

24、都需要通過總線與微處理器相連。2) 2) 多微處理器結構多微處理器結構 結構上結構上CNCCNC中有兩個或兩個以上的中有兩個或兩個以上的CPUCPU，每個每個CPUCPU通過數據總線或通信方式進行連接，共享系通過數據總線或通信方式進行連接，共享系統(tǒng)的公用存儲器與統(tǒng)的公用存儲器與I/OI/O接口，接口，每個每個CPUCPU分擔系統(tǒng)的分擔系統(tǒng)的一部分工作，這就是多微處理器系統(tǒng)。一部分工作，這就是多微處理器系統(tǒng)。 目前使用的多目前使用的多CPUCPU系統(tǒng)有主從式結構、總線式系統(tǒng)有主從式結構、總線式結構和分布式結構三種結構。結構和分布式結構三種結構。23單微處理器單微處理器結構結構CNCCNC24帶有

25、帶有4 4個個CPUCPU的數控系統(tǒng)的數控系統(tǒng)( (共享總線共享總線) )25 3. 3. 計算機型計算機型CNCCNC結構結構 專機數控的計算機是數控系統(tǒng)生產廠為其專機數控的計算機是數控系統(tǒng)生產廠為其CNCCNC系統(tǒng)專門設計的，結構較合理，性能價格比高，系統(tǒng)專門設計的，結構較合理，性能價格比高，一般有較大批量的規(guī)模生產。一般有較大批量的規(guī)模生產。 PCPC數控，考慮到可靠性，所用的計算機一般采數控，考慮到可靠性，所用的計算機一般采用工控機用工控機(IPC)(IPC)，其構成與個人計算機相似，開發(fā)，其構成與個人計算機相似，開發(fā)成本相對較低，常見于經濟型數控系統(tǒng)中。成本相對較低，常見于經濟型數控

26、系統(tǒng)中。PCPC型型CNCCNC的硬件結構有：的硬件結構有： 專用計算機數控裝置（簡稱專機數控）；專用計算機數控裝置（簡稱專機數控）； 通用計算機數控裝置（簡稱通用計算機數控裝置（簡稱PCPC數控）。數控）。264. 4.基于基于PCPC的開放式的開放式CNCCNC體系結構簡介體系結構簡介 2)2)基于基于PC(IPCPC(IPC和和PC)PC)的開放式的開放式CNCCNC體系硬件體系硬件 在計算機基本配置基礎上，在計算機基本配置基礎上，增加一塊運動控制增加一塊運動控制卡，和各種卡，和各種I/OI/O卡卡，實現(xiàn)機床的運動控制和輔助功，實現(xiàn)機床的運動控制和輔助功能控制，所用的處理器通常是能控制，

27、所用的處理器通常是DSP(DSP(數字信號處理數字信號處理) )類型，類型，常見類型：常見類型：PCPC直接數控：運動控制卡不帶直接數控：運動控制卡不帶CPUCPU嵌入式數控：運動控制卡帶一個或多個嵌入式數控：運動控制卡帶一個或多個CPUCPU1)1)開放式開放式CNCCNC體系特征：體系特征： 可互操作性，可移植性，可縮放性，可替代性?？苫ゲ僮餍?，可移植性，可縮放性，可替代性。27三、三、CNCCNC的軟件結構的軟件結構 1 1）軟件和硬件在邏輯上的等價性：）軟件和硬件在邏輯上的等價性：一個事件：一個事件：由硬件完成時，處理速度較快，專業(yè)性強，但由硬件完成時，處理速度較快，專業(yè)性強，但造價較

28、高；造價較高；由軟件完成時，設計靈活，適應性強，但處理由軟件完成時，設計靈活，適應性強，但處理通度較慢。通度較慢。1. CNC1. CNC的軟硬件界面的軟硬件界面 CNCCNC裝置是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件裝置是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運行提供了支持環(huán)境。的運行提供了支持環(huán)境。 軟、硬件的分配比例是由性價比決定的?，F(xiàn)代軟、硬件的分配比例是由性價比決定的?，F(xiàn)代CNCCNC中軟件和硬件的界面關系是不固定的。中軟件和硬件的界面關系是不固定的。282 2）三種典型）三種典型CNCCNC軟硬件界面：軟硬件界面： 292. CNC2. CNC軟件系統(tǒng)的多任務并行處理與實時中斷軟件系統(tǒng)的多任務

29、并行處理與實時中斷零件程序輸入輸出零件程序輸入輸出人機界面人機界面診斷診斷 通信通信 管理軟件管理軟件 CNCCNC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 譯碼譯碼 刀具補償刀具補償控制軟件控制軟件 速度控制速度控制 插補運算插補運算 位置控制位置控制 1 1）CNCCNC系統(tǒng)軟件的多任務性：系統(tǒng)軟件的多任務性：302 2）并行處理與實時中斷處理）并行處理與實時中斷處理 (1) CNC(1) CNC多任務并行處理需求多任務并行處理需求 31(2)(2)并行處理并行處理 并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上的工作。常用有隔內完成兩種或兩種以上的工作。常

30、用有資源重資源重復、時間重疊、資源分時共享復、時間重疊、資源分時共享等方法。等方法。 時間重疊時間重疊32單單CPUCPU分時資源共享分時資源共享33 (3)(3)實時中斷處理實時中斷處理 CNCCNC系統(tǒng)軟件的另一個重要特征是實時中斷處系統(tǒng)軟件的另一個重要特征是實時中斷處理。理。 CNCCNC系統(tǒng)的多任務性和實時性決定了系統(tǒng)系統(tǒng)的多任務性和實時性決定了系統(tǒng)中中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，中斷中斷結構決定了系統(tǒng)軟件的結構。結構決定了系統(tǒng)軟件的結構。中斷類型：中斷類型： 外部中斷外部中斷外部設備中斷；外部設備中斷；內部中斷內部中斷位置采樣定時、插補

31、周期中斷；位置采樣定時、插補周期中斷；硬件故障中斷硬件故障中斷硬件故障中斷；硬件故障中斷；程序性中斷程序性中斷執(zhí)行程序時的各種溢出，除零等。執(zhí)行程序時的各種溢出，除零等。343. CNC3. CNC的軟件結構的軟件結構 CNCCNC的軟件結構取決于系統(tǒng)的中斷結構模式，的軟件結構取決于系統(tǒng)的中斷結構模式，常見有兩種：常見有兩種： 1 1）中斷型結構模式）中斷型結構模式 特點是除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的特點是除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務分別安排在不同級別的中斷服務程序中。各種任務分別安排在不同級別的中斷服務程序中。 整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)，其管理的功整個軟件就是一個大的

32、中斷系統(tǒng)，其管理的功能主要通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。能主要通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。 2 2）前后臺型結構模式）前后臺型結構模式 特點是特點是前臺程序前臺程序是一個中斷服務程序，它幾乎承是一個中斷服務程序，它幾乎承擔了全部實時功能擔了全部實時功能( (如插補和位置控制如插補和位置控制) )。而管理軟。而管理軟件和插補準備則在背景程序中完成。件和插補準備則在背景程序中完成。 35 背景程序背景程序循環(huán)運行，循環(huán)運行，前臺程序前臺程序實時中斷執(zhí)行，實時中斷執(zhí)行，如圖所示，共同完成零件加工任務。如圖所示，共同完成零件加工任務。背景程序背景程序( (后臺后臺) ) 前臺程序前臺

33、程序36 華中華中HNCHNCFANUCFANUCSIEMENSSIEMENS四、常見數控系統(tǒng)四、常見數控系統(tǒng)373.23.2 CNCCNC的軌跡控制原理的軌跡控制原理 數控機床最突出的優(yōu)點是：可以根據編程，數控機床最突出的優(yōu)點是：可以根據編程，加工出較為復雜的曲線，比如圓、拋物線等。加工出較為復雜的曲線，比如圓、拋物線等。 為什么數控機床能加工出這些曲線？怎樣把為什么數控機床能加工出這些曲線？怎樣把單個的坐標運動組合成理想曲線呢？這就是插補單個的坐標運動組合成理想曲線呢？這就是插補所解決的問題！所解決的問題！ 插補是一種運算程序，經過運算，判斷出每插補是一種運算程序，經過運算，判斷出每一步應

34、進哪一個坐標，進多少，以此來完成數據一步應進哪一個坐標，進多少，以此來完成數據點的密化工作。點的密化工作。381. 1. 插補要解決的問題：插補要解決的問題：n 讓單獨的坐標分別運動合成理想的軌跡；讓單獨的坐標分別運動合成理想的軌跡；n 幾個坐標同時進，還是每次進一個；幾個坐標同時進，還是每次進一個；n 判斷進給哪一個坐標使下一步誤差更小；判斷進給哪一個坐標使下一步誤差更?。籲 進給多少；進給多少； n 如果同時進給，各個坐標進給的比例是多少；如果同時進給，各個坐標進給的比例是多少； 同時，還要解決選用什么樣的實際軌跡合成后與同時，還要解決選用什么樣的實際軌跡合成后與理想軌跡誤差最小。理想軌跡

35、誤差最小。 插補協(xié)調坐標運動，通過坐標的簡單運動組合插補協(xié)調坐標運動，通過坐標的簡單運動組合和分段協(xié)調成的簡單曲線和分段協(xié)調成的簡單曲線( (直線和圓弧直線和圓弧) )來擬合實際來擬合實際復雜輪廓曲線。復雜輪廓曲線。 392. 2. 插補方法的分類插補方法的分類插補算法歸納為兩類：插補算法歸納為兩類： “一次插補法一次插補法”，即脈沖增量插補，基特點：，即脈沖增量插補，基特點： 常用的有常用的有逐點比較法和數字積分法。逐點比較法和數字積分法。這類算法，這類算法，每插補運算一次，最多給每一軸進給一個脈沖，每插補運算一次，最多給每一軸進給一個脈沖，進給速度受到限制，過去的硬件數控系統(tǒng)常采用。進給速

36、度受到限制，過去的硬件數控系統(tǒng)常采用。“二次插補法二次插補法”，即數據采樣插補，即數據采樣插補， 基特點：基特點： 插補分粗插補和精插補兩部分。常用的有插補分粗插補和精插補兩部分。常用的有時間時間分割法和擴展數字積分器法分割法和擴展數字積分器法，這類算法，這類算法在每個插在每個插補運算周期里輸出的不是單個脈沖，而是線段。補運算周期里輸出的不是單個脈沖，而是線段。因而能顯著提高進給速度，應用廣泛。因而能顯著提高進給速度，應用廣泛。403. 3. 逐點比較插補法逐點比較插補法 數控機床的進給運動，如果每次只在一個坐數控機床的進給運動，如果每次只在一個坐標方向進給一小步，怎樣進給誤差最??？標方向進給

37、一小步，怎樣進給誤差最?。?先計算每次坐標進給后的位置與理想位置（輪先計算每次坐標進給后的位置與理想位置（輪廓）的誤差，然后，根據誤差，選擇一個減小廓）的誤差，然后，根據誤差，選擇一個減小誤差的坐標方向進給，這樣就有利于減小誤差，誤差的坐標方向進給，這樣就有利于減小誤差，然后依次進給到終點。然后依次進給到終點。 逐點比較思想：走一步，看一步，決策一步。逐點比較思想：走一步，看一步，決策一步。又稱代數運算法、醉步法。又稱代數運算法、醉步法。41逐點比較算法解決兩件事：逐點比較算法解決兩件事： 用最簡捷的方式逐點計算單坐標進給后的位用最簡捷的方式逐點計算單坐標進給后的位置誤差；置誤差； 比較誤差，

38、判定進給坐標。比較誤差，判定進給坐標。第一步：偏差判別第一步：偏差判別第二步：坐標進給第二步：坐標進給第三步：偏差計算第三步：偏差計算第四步：終點判別第四步：終點判別 逐點比較法控制機床作出一個坐標進給包含逐點比較法控制機床作出一個坐標進給包含四個節(jié)拍：四個節(jié)拍：420 xy：yxyxyxeeee即eiejjiyxxy)y,F(x：令令1 1）逐點比較直線插補）逐點比較直線插補偏差判別偏差判別第一象限直線第一象限直線OAOA的方程為：的方程為：則：插補動點則：插補動點P P位于直線上方，下方和直線上：位于直線上方，下方和直線上： 對于對于直線上方直線上方的點，有：的點，有： F( F(xi,y

39、j) ) 0 0 對于對于直線上直線上的點，的點， 有：有： F( F(xi,yj) ) =0 =0 對于對于直線下方直線下方的點，有：的點，有： F( F(xi,yj) ) 0 0 A(xe,ye) P(xi,yj) P(x,yP(x,y) ) P”(xi,yj) O(0,0)43方向進給一步方向進給一步則作則作方向進給一步方向進給一步則作則作方向進給一步方向進給一步則作則作x0,Fy0,Fx0,Fji,ji,ji,坐標進給：坐標進給： 為了逼近直線，顯然當：為了逼近直線，顯然當： y A(xe,ye) P P P P”O(jiān)(0,0) xejieiejjiiiyFyxxyFxx, 11 ) 1

40、(1ejieiejjiiixFyxxyFyy,1,1 ) 1(1偏差計算：偏差計算： 沿沿X X走一步走一步 沿沿+Y+Y走一步走一步eiejjiyxxy,F44直線插補歸納：直線插補歸納： 當當Fi,j00時，沿時，沿+X+X方向走一步，計算方向走一步，計算: : Fi1,j=Fi-Ye； N=N-1 當當Fi,j0 0時，沿時，沿+Y+Y方向走一步，計算方向走一步，計算: : Fi, j1=Fi+Xe； N= N-1終點判別：終點判別： 有二種方法：有二種方法：一是一是：取終點坐標大者作為結束標志取終點坐標大者作為結束標志N N，每在該坐，每在該坐標上走一步標上走一步N-1N-1，等于零時

41、，插補結束。，等于零時，插補結束。二是二是：取終點坐標和作為結束標志取終點坐標和作為結束標志N N，即，即N=N=Xe+YeXe+Ye，每走一步每走一步N-1N-1，直到，直到N=0N=0時為止時為止。45直直線線插插補補軟軟件件流流程程圖圖46例例1 1 設終點坐標為設終點坐標為A(5,3)A(5,3)，脈沖當量為，脈沖當量為xxyy1 1，試給出加工直線試給出加工直線OAOA的逐點比較插補運算表，并畫的逐點比較插補運算表，并畫出插補軌跡圖。出插補軌跡圖。解：解：N=N=XeXeYeYe8 8序號序號工作節(jié)拍工作節(jié)拍偏差判別偏差判別 坐標進給坐標進給偏差計算偏差計算終點判別終點判別起點起點F

42、0=0N=81F0=0+XF1=0-3=-3N=72F10+XF3=2-3=-1N=54F30+XF5=4-3=1N=36F50+XF6=1-3=-2N=27F60+XF8=3-3=0N=0 x x進給時：進給時： F Fi i1=1=F Fi i-Y-Ye ey y進給時：進給時：F Fi i1 1= =F Fi i+ +X Xe e47直線插補軌跡圖直線插補軌跡圖A(5,3)A(5,3)O(0,0)O(0,0)X XY Y48X Y 2 2）逐點比較圓弧插補）逐點比較圓弧插補偏差判別偏差判別 設第一象限逆圓設第一象限逆圓ABAB弧，弧，圓心為原點，圓弧起點坐圓心為原點，圓弧起點坐標標(X(

43、X0 0,Y,Y0 0) )和終點坐標和終點坐標( (XeXe,Ye),Ye)如圖。如圖。 設圓弧上任一點坐標為設圓弧上任一點坐標為( (X Xi i,Y,Yi i) )，則下式成立：，則下式成立：選擇判別函數選擇判別函數F F為為0)()(2222oojiyxyx)()(2222oojiyxyxF B(xe,ye) P P P P” A(xo,yo)49 根據動點根據動點P P所在區(qū)域不同，所在區(qū)域不同，有下列三種情況：有下列三種情況： F0F0 , ,動點動點PP在圓弧外在圓弧外 F=0F=0 , ,動點動點P P在圓弧上在圓弧上 F0F0-X2F10+Y3F20+Y4F30+Y6F50-

44、X8F70-X56圓圓弧弧插插補補軟軟件件流流程程圖圖573 3）逐點比較插補的象限處理）逐點比較插補的象限處理四象限直線插補：四象限直線插補： 前面研究的直線插補運算公式，只適用于第前面研究的直線插補運算公式，只適用于第1 1象限的直線，對于第象限的直線，對于第2 2，3 3，4 4象限，由于控制方象限，由于控制方向不同，偏差函數有所不同。向不同，偏差函數有所不同。線線型型Fi,j0進給進給方向方向Fi,j0進給進給方向方向偏差計算偏差計算L1+X+YL2+Y-XL3-X-YL4-Y+Xeji,j1,ii1iyFF1xxx,exFF1yyy,ji,1ji,j1j58四象限圓弧插補：四象限圓弧

45、插補： 前述為第前述為第1 1象限的逆圓插補計算，對于第象限的逆圓插補計算，對于第2 2，3 3，4 4象限，由于圓弧方向和控制方向不同，偏差函象限，由于圓弧方向和控制方向不同，偏差函數有所不同，歸納計有數有所不同，歸納計有8 8種情況。種情況。線線型型Fi,j0進給進給方向方向Fi,j0進給進給方向方向偏差計算偏差計算R1-X+YR2-Y+XR3-Y-XR4+X+Y12xFF1xxx,iji,j1,ii1i12yFF1yyy,iji,1ji,j1j59線線型型Fi,j0進給進給方向方向Fi,j0進給進給方向方向偏差計算偏差計算R5+X-YR6+Y-XR7+Y+XR8-X-Y12xFF1xxx

46、,iji,j1,ii1i12yFF1yyy,iji,1ji,j1j四象限圓弧插補：四象限圓弧插補：603.33.3 CNCCNC的刀補控制原理的刀補控制原理1 1、刀具補償：、刀具補償： 是是補償補償實際加工時所用的刀具與編程時使用實際加工時所用的刀具與編程時使用的理想刀具或對刀時使用的基準刀具之間的的理想刀具或對刀時使用的基準刀具之間的偏差值偏差值，保證加工零件符合圖紙要求的一種，保證加工零件符合圖紙要求的一種處理方法。處理方法。一、刀具補償的概念一、刀具補償的概念2 2、刀具補償的意義：、刀具補償的意義：1) 1) 編程是對編程是對“點點”的控制，的控制，實際實際刀具刀具( (尖尖) )有

47、尺寸；有尺寸；2) 2) 編程時可以按刀尖或刀架編程時可以按刀尖或刀架( (具具) )中心編制；中心編制；3) 3) 刀具磨損、換刀帶來加工輪廓的失真；刀具磨損、換刀帶來加工輪廓的失真；4) 4) 粗加工時加工余量通過修改偏置參數實現(xiàn)。粗加工時加工余量通過修改偏置參數實現(xiàn)。61刀具補償刀具補償刀具的幾何補償刀具的幾何補償 （T TXXXXXXXX實現(xiàn)）實現(xiàn)）刀具刀具( (尖尖) )圓弧半徑補償圓弧半徑補償 （G41G41、G42G42實現(xiàn)）實現(xiàn)）幾何位置補償幾何位置補償磨損補償磨損補償二、刀具補償的種類二、刀具補償的種類3 3、刀補的任務：、刀補的任務： 1) 1) 銑刀和圓頭車刀：銑刀和圓頭

48、車刀：根據編程軌跡和刀具半根據編程軌跡和刀具半徑計算刀具中心軌跡；徑計算刀具中心軌跡； 2) 2) 尖頭車刀：尖頭車刀：根據刀尖軌跡與刀架中心基準根據刀尖軌跡與刀架中心基準點之間的偏差計算刀架中心基準點的軌跡。點之間的偏差計算刀架中心基準點的軌跡。62三、刀具的幾何補償三、刀具的幾何補償1 1、幾何位置補償、幾何位置補償 1 1）含義：）含義： 刀具幾何位置補償刀具幾何位置補償是用于補償各刀具安裝好是用于補償各刀具安裝好后，其刀位點（如刀尖）與編程時理想刀具或后，其刀位點（如刀尖）與編程時理想刀具或基準刀具刀位點的位置偏移基準刀具刀位點的位置偏移。 在車床上，通常是在所用的多把車刀中選定在車床

49、上，通常是在所用的多把車刀中選定一把車刀作基準車刀，對刀編程主要是以該車一把車刀作基準車刀，對刀編程主要是以該車刀為準。刀為準。632 2）幾何位置補償圖示結構：）幾何位置補償圖示結構：XmXm, ,ZmZm：磨損補償量磨損補償量64 主要是針對某把車主要是針對某把車刀而言，刀而言，當某把車刀當某把車刀批量加工一批零件后，批量加工一批零件后，刀具自然磨損后而導刀具自然磨損后而導致刀尖位置尺寸的改致刀尖位置尺寸的改變，變，此即為該刀具需此即為該刀具需要的磨損補償。要的磨損補償。 2 2、磨損補償、磨損補償3 3、刀具幾何補償的合成、刀具幾何補償的合成 若設定的刀具若設定的刀具幾何位置補償幾何位置

50、補償和和磨損補償磨損補償都有效存都有效存在時，實際幾何補償將是這兩者的在時，實際幾何補償將是這兩者的矢量和。矢量和。 X=X= Xj+Xj+ XmXm、 Z=Z= Zj+Zj+ ZmZmXmXm, ,ZmZm：磨損補償量磨損補償量65 刀具的幾何補償是通過引用程序中使用的刀具的幾何補償是通過引用程序中使用的TxxxxTxxxx來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。 T T x x x x x x x x 當前刀具號當前刀具號 刀補地址號刀補地址號4 4、刀具幾何補償的實現(xiàn)、刀具幾何補償的實現(xiàn)過程：過程：1 1）將某把車刀的幾何偏置和磨損補償值存入相）將某把車刀的幾何偏置和磨損補償值存入相應的刀補地址中。應的刀補

51、地址中。2 2）程序執(zhí)行）程序執(zhí)行 TxxxxTxxxx指令時，調用刀偏參數，換指令時，調用刀偏參數，換刀并驅動刀架拖板進行相應的位置調整。刀并驅動刀架拖板進行相應的位置調整。注：注：T XX 00T XX 00取消幾何補償。取消幾何補償。66程程編編輪輪廓廓實際輪廓實際輪廓2 2、刀具半徑對零件輪廓的影響、刀具半徑對零件輪廓的影響銑削刀具：銑削刀具：使工件的實使工件的實際輪廓比程編輪廓小一際輪廓比程編輪廓小一個刀具半徑。個刀具半徑。圓弧頭車刀：圓弧頭車刀：在加工錐在加工錐面或圓弧面時，會造成面或圓弧面時，會造成過切或欠切。過切或欠切。四、刀具半徑補償基本功能四、刀具半徑補償基本功能1 1、刀

52、具半徑補償、刀具半徑補償 根據按零件輪廓編制的程序和預先設定的刀具根據按零件輪廓編制的程序和預先設定的刀具半徑偏置參數，半徑偏置參數，CNCCNC裝置能實時自動生成刀具中裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。67圓頭車刀造成的圓頭車刀造成的正錐欠切正錐欠切A A零件輪廓零件輪廓B B不補償實際輪廓不補償實際輪廓C C刀補后假想刀尖輪廓刀補后假想刀尖輪廓A A假想刀尖假想刀尖B B刀具中心刀具中心683 3、刀具半徑補償對銑削帶來的新問題、刀具半徑補償對銑削帶來的新問題在兩輪廓段轉接尖角過渡時，在兩輪廓段轉接尖角過渡時，外輪廓產生間斷，外輪廓

53、產生間斷， 內輪廓產生過切；內輪廓產生過切；在間斷、交接過切的輪廓需要人工處理；在間斷、交接過切的輪廓需要人工處理；間斷間斷的的B B刀補刀補處理處理69C C刀補：在兩輪廓轉接刀補：在兩輪廓轉接尖角過渡處尖角過渡處通過伸長、通過伸長、縮短、插入刀具中心縮短、插入刀具中心軌跡，實現(xiàn)軌跡，實現(xiàn)刀具中心刀具中心軌跡直線過渡的軌跡直線過渡的刀補刀補方法方法。ABC”CBAG41G42編程軌跡編程軌跡CO刀具刀具刀具刀具刀具中心軌跡刀具中心軌跡4 4、刀具半徑補償分類：、刀具半徑補償分類：B B刀補：在兩輪廓轉刀補：在兩輪廓轉接尖角過渡處接尖角過渡處人工插人工插入入圓弧的刀補方法；圓弧的刀補方法；間斷

54、的間斷的B B刀刀補處理補處理705 5、刀具半徑補償執(zhí)行及計算、刀具半徑補償執(zhí)行及計算1 1）刀具半徑補償執(zhí)行過程）刀具半徑補償執(zhí)行過程起刀點起刀點起刀點起刀點G41G41G42G42 根據根據ISOISO規(guī)定，當刀具中心軌跡在程序規(guī)定的規(guī)定，當刀具中心軌跡在程序規(guī)定的前進前進方向的右邊時稱為右刀補方向的右邊時稱為右刀補，用用G42G42表示表示；反之稱為反之稱為左刀補，用左刀補，用G41G41表示表示。71刀補建立刀補建立即刀具以起刀點接近工件，由刀補方向即刀具以起刀點接近工件，由刀補方向G41/G42G41/G42決決定刀具中心軌跡在原來的編程軌跡基礎上是伸長定刀具中心軌跡在原來的編程軌跡基礎上是伸長還是縮短一個刀具半徑值。還是縮短一個刀具半徑值。刀補進行刀補進行一旦刀補建立則一直維持，直至被取消。在刀補一旦刀補建立