清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章

清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章2024/3/12清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章第3章計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)從前的NC裝置是由各種邏輯元件、記憶元件和邏輯電路組成的，是一種固定接線的硬件結(jié)構(gòu)，由硬件來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由于微型計(jì)算機(jī)(以下簡稱微機(jī))集成度高、體積小、可靠性好且價(jià)格低廉，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))。計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置可以是采用存儲程序的專用計(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，具有良好的“柔性”，很容易通過軟件來改變或擴(kuò)展其功能，以適應(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)、傳感器和測量技術(shù)、自動控制和機(jī)械制造等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，為柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.1CNC系統(tǒng)的組成和計(jì)算機(jī)的功用3.1.1CNC系統(tǒng)的組成圖3.1是一個(gè)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/輸出裝置和機(jī)床控制裝置三部分組成。3清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.1.2CNC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)接收工件加工程序后，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)出理論的刀具軌跡，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形狀的工件來。2.計(jì)算機(jī)的工作過程(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理。(3)機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)測。(4)刀具補(bǔ)償。(5)插補(bǔ)計(jì)算。(6)伺服控制。(7)故障診斷。3.計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)(1)單微處理器結(jié)構(gòu)。(2)多微處理器結(jié)構(gòu)。4清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.1.3CNC系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)簡稱為可編程控制器(PLC)。PLC誕生于1969年，最初應(yīng)用于汽車制造業(yè)的自動生產(chǎn)線等順序控制的場合。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，大量應(yīng)用于各種機(jī)械和生產(chǎn)過程的控制，成為工業(yè)自動化的重要部件。1.PLC在數(shù)控機(jī)床中的功用2.PLC的工作原理3.PLC與CNC功能系統(tǒng)的連接(1) 通用型PLC(2) 內(nèi)置式(集成式)5清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章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)床的控制及其狀態(tài)的檢測，需要由專門的機(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(gè)顯著特點(diǎn)：(1)能夠在計(jì)算機(jī)與輸入/輸出裝置之間進(jìn)行必要的信息形式的轉(zhuǎn)換。(2)能夠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(shí)應(yīng)具備阻斷或抑制干擾信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)的能力，防止誤動作，增加可靠性。1.光電隔離電路2.信息轉(zhuǎn)換電路舉例6清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.2數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)3.2.1概述模塊之間的信息都可以通過母板進(jìn)行交換。此外，每個(gè)模塊與外設(shè)或控制對象的聯(lián)系是靠模塊另一端的連接插座引出各種控制信號，或從控制現(xiàn)場輸入信息。采用標(biāo)準(zhǔn)總線模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，對每一模塊的設(shè)計(jì)布局也有所規(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。一般的原則是使每個(gè)模塊的總線接口與I/O接口之間呈直線連接，盡量使信息傳輸路徑最短。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，另一方面也便于故障診斷和維修。數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)有下列優(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。(2) 通用性強(qiáng)，易于改進(jìn)和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。(3) 有利于提高可靠性。(4) 便于調(diào)試和維修。(5) 降低了生產(chǎn)成本。7清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.2.2總線標(biāo)準(zhǔn)1.總線結(jié)構(gòu)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(gè)功能部件服務(wù)的信息線。通常作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從它的物理特性、功能特性、電氣特性、時(shí)間特性等四個(gè)方面詳細(xì)地向外界公布，以供用戶使用。2.常用的標(biāo)準(zhǔn)總線(1)S-100總線(2)多總線(Multibus)(3)VME總線(4)STD總線3.總線標(biāo)準(zhǔn)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8清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.2.3總線功能模塊模塊化設(shè)計(jì)CNC系統(tǒng)時(shí)，選擇總線功能模塊是其主要任務(wù)。模塊選擇恰當(dāng)，將會得到性價(jià)比更高的系統(tǒng)。以下分別敘述主要模塊的選擇。1.CPU模塊CPU模塊主要由微處理器、內(nèi)部存儲器和時(shí)鐘電路等組成。2.存儲器模塊存儲器模塊主要用于系統(tǒng)內(nèi)存的擴(kuò)充。3.I/O模塊I/O模塊的種類較多，主要有數(shù)字量I/O、模擬量I/O、工業(yè)用I/O等模塊和外部設(shè)備控制器等。4.專用功能模塊(1) 中斷控制器(2) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器(3) 時(shí)鐘模塊(4) 掉電處理模塊(5) 伺服控制模塊9清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.3CNC系統(tǒng)中的插補(bǔ)運(yùn)算3.3.1概述1.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(gè)插補(bǔ)周期只產(chǎn)生一個(gè)行程增量。在整個(gè)插補(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。2.數(shù)字增量插補(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(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給增量數(shù)據(jù)，可以控制一段距離的進(jìn)給。10清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.3.2脈沖增量插補(bǔ)法在普通的CNC程序中，逐點(diǎn)比較法得到了廣泛的應(yīng)用。以下介紹逐點(diǎn)比較法的計(jì)算過程，從中可以了解到軟件插補(bǔ)的基本思路。1.逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法的基本想法是：刀具在按照要求的軌跡運(yùn)動時(shí)，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，決定下一步的移動方向，使刀具更接近規(guī)定的軌跡。(1)直線插補(bǔ)(2)圓弧插補(bǔ)2.數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法簡稱為DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)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。(1)直線插補(bǔ)(2)圓弧插補(bǔ)(3)速度分析11清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章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(shí)要用到浮點(diǎn)運(yùn)算，插補(bǔ)占用CPU的時(shí)間長。但是，由于在每個(gè)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。以下簡單介紹數(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2.圓弧插補(bǔ)法3.插補(bǔ)周期的選取(1)插補(bǔ)誤差(2)插補(bǔ)周期與插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間的關(guān)系(3)插補(bǔ)周期與位置反饋采樣周期的關(guān)系(4)與寄存器長度的關(guān)系12清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.4CNC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能的程序集合。設(shè)計(jì)這些程序的目的是為了充分發(fā)揮和完善計(jì)算機(jī)的硬件功能，使軟件和硬件結(jié)合，形成一個(gè)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)方法對掌握CNC系統(tǒng)的工作原理是至關(guān)重要的。13清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.4.1CNC控制軟件的組成圖3.28所示為典型的CNC系統(tǒng)控制軟件組成形式。一個(gè)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。14清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.4.2CNC控制軟件的結(jié)構(gòu)本節(jié)中將討論如何將控制軟件中的程序模塊組合到一起，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，或者說軟件的結(jié)構(gòu)，主要有前后臺型和中斷驅(qū)動型兩種。下面分別予以介紹。1.前后臺型如圖3.31所示為一個(gè)典型的前后臺結(jié)構(gòu)的CNC控制程序的框圖。

2.中斷驅(qū)動型這種結(jié)構(gòu)的控制程序?qū)嵸|(zhì)上是一個(gè)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)狀態(tài)的改變等操作，都是通過識別不同的中斷并執(zhí)行對應(yīng)的中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)的。15清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第3章3.5習(xí)題(1) 試述CNC系統(tǒng)的基本組成部分及各部分完成的主要功能。(2) 數(shù)控計(jì)算機(jī)一般連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)控裝置由哪兩部分組成？各自的功能是什么？(4) 數(shù)控計(jì)算機(jī)在CNC系統(tǒng)中的主要作用是什么？(5) 對零件加工程序作譯碼處理的作用是什么？(6) 說明CNC裝置的單微處理器結(jié)構(gòu)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？(8) 多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控計(jì)算機(jī)有何特點(diǎn)？應(yīng)用于什么場合？(9) CNC系統(tǒng)中的PLC完成哪些功能？CNC與PLC是怎樣連接的？(10) 說明數(shù)控計(jì)算機(jī)的I/O接口的功能、作用、基本組成部分以及對它的特殊要求。(11) 光電耦合電路的作用是什么？說明常用的