数控机床第3章.ppt
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0,第3章计算机数控装置,3.1概述3.2CNC装置的硬件结构3.3CNC装置的软件结构3.4典型数控功能原理及实现3.5国内外典型CNC系统简介,1,数控机床,机床本体,数控系统,外围技术,数控装置,伺服驱动装置,测量反馈装置,工具系统,编程技术,管理技术,3.1概述,2,3.1.1CNC系统功能CNC系统是一种位置(轨迹)控制系统,以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。
3.1.2CNC系统组成程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置及位置检测装置。
从外部特征来看,CNC系统是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成。
3.1概述,3,3.1概述,3.1.3CNC装置结构,4,4.1概述,3.1概述,5,3.1概述,6,总线型数控装置,3.1概述,7,总线型数控装置,3.1概述,8,CNC系统软件的组成CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统,该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
3.1概述,9,CNC装置的功能
(1)轴控制功能指CNC可控制的和同时控制的轴数。
同时控制轴数越多,CNC控制器就越复杂,多轴联动的零件程序编制也越困难。
(2)准备功能G功能,用来指令机床运动方式的功能。
(3)插补功能通过软件插补来实现刀具运动的轨迹。
CNC的插补功能实际上被分为粗插补和精插补,软件每次插补一个小线段数据称为粗插补;伺服接口根据粗插补的结果,将小线段分成单个脉冲输出,称为精插补。
插补算法:
逐点比较法、数字积分法(DDA)等。
插补功能:
直线插补(G01)、圆弧插补(G02、G03)等。
3.1概述,10,CNC装置的功能(4)进给功能F指令,mm/min,mm/r;速度可通过操作面板上的倍率0%200%开关进行调整。
(5)主轴功能S指令,r/min,指定主轴转速,有主轴转速倍率开关(6)辅助功能M代码,用来指令主轴的启、停和转向;切削液的开和关;刀库的启、停等。
(7)刀具功能和第二辅助功能刀具功能:
Txxxx指令,选择刀具;第二辅助功能:
Bxxx代码,指定工作台的分度。
3.1概述,11,CNC装置的功能(8)补偿功能刀具长度和半径自动补偿;丝杆螺距误差和反向间隙或热变形等补偿,提高加工精度。
(9)用户界面功能显示:
程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、编程、零件图形及表示实际切削过程的动态刀具轨迹等。
(10)诊断功能诊断程序一般包含在系统程序中,在系统运行过程中或停机时进行检查和诊断,以查找故障的原因和部位。
有的可以进行远程通信诊断。
(11)通信功能为适应FMS和CIMS等需求,CNC控制器具有RS232C通信接口或DNC接口,有的CNC还可与MAP(制造自动化协议)相连,接入工厂的通信网络,以进行数据高速传输。
3.1概述,12,CNC装置的功能(12)人机交互图形编程功能通过输入图形即可实现自动编程。
基本功能:
CNC的轴控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具及其补偿功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等,是数控必备。
选择功能:
补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能,以及人机交互图形编程功能等。
这些功能的有机组合,可以满足不同用户的要求。
3.1概述,13,CNC装置的功能基本功能:
CNC的轴控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具及其补偿功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等,是数控必备。
选择功能:
补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能,以及人机交互图形编程功能等。
这些功能的有机组合,可以满足不同用户的要求。
3.1概述,14,课后思考,1.CNC装置与CNC系统的区别在那里?
2.查阅资料,了解CNC装置未来可能的发展方向和发展思路。
15,第3章计算机数控装置,3.1概述3.2CNC装置的硬件结构3.3CNC装置的软件结构3.4典型数控功能原理及实现3.5国内外典型CNC系统简介,16,3.2.1单微处理机结构和多微处理机结构,1、单微处理机结构整个CNC装置只有一个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。
主从结构,系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权,其它带CPU的功能部件,只能接受主CPU的控制命令或数据,或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。
即它是处于以从属地位的,故称之为主从结构。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,17,CPU主控制板,3.2CNC装置的硬件结构,18,2、多微处理机结构在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理机,CPU之间采用紧耦合,有集中的操作系统,通过总线仲裁器(由硬件和软件组成)来解决总线争用问题,通过公共存储器来进行信息交换。
特点:
能实现真正意义上的并行处理,处理速度快,可以实现较复杂的系统功能。
容错能力强,在某模块出了故障后,通过系统重组仍可断继续工作结构形式:
共享总线结构型、共享存储器结构型。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,19,共享存储器结构,4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,20,结构特征:
面向公共存储器来设计的,即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯,采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。
由于多端口存储器设计较复杂,而且对两个以上的主模块,会因争用存储器可能造成存储器传输信息的阻塞,所以这种结构一般采用双端口存储器(双端口RAM)。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,21,国外某数控系统硬件结构,4.2CNC系统的硬件结构,共享总线结构,3.2CNC装置的硬件结构,22,结构特征:
功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM,I/O模块),以系统总线为中心,所有的主、从模块都插在严格定义的标准系统总线上,采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,23,3.2.2大板式结构与功能模块式结构,1、大板式结构CNC装置由主电路板、图形控制板、PLC板、位置控制板、电源单元组成。
其它功能板为插在主电路大印刷板插槽内。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,24,2、功能模块式结构将CPU、存储器、输入输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板(硬件模块),相应的软件也是模块结构,固化在硬件模块中,软硬件模块形成一个功能模块。
将各功能模块插入控制单元母板构成CNC装置。
4.2CNC系统的硬件结构,3.2CNC装置的硬件结构,25,总线型数控装置,3.1概述,3.2.3数字化分布式结构,26,3.2.4基于运动控制卡的开放式数控系统开放式CNC的定义:
一个真正意义上开放式数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力,提供面向功能的动态重构工具,同时提供统一标准化的应用程序用户界面。
1)可互操作性(Interoperability):
不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上,不同模块之间保持平等的相互操作能力,协调工作。
2)可移植性(Portability):
不同的应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同的系统平台之上。
这一特征是解决CNC软件的公用问题。
3)可缩放性(Scalability):
增加和减少系统功能仅表现为特定模块单元的装载与卸载。
4)可相互替代性(Interchangeability):
不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可以相互替代。
CNC的开放性为:
提供标准化环境的基础平台,允许不同开发商的不同功能的软、硬件模块介入,以构成满足不同需求的CNC。
27,3.2.4基于运动控制卡的开放式数控系统PMAC-NC系统:
由美国DeltaTauDataSystemInc.生产。
按OMAC推出开放体系结构产品PMAC(ProgrammableMulti-AxisController)由PMAC构成的CNC系统包括:
可控制4轴的PMAC-Lite或4到8轴以上的PMAC-PC;双端口RAM和I/O接口选件;以及NC系统软件PMAC-NCforWindows,见图。
28,由PMAC构成的CNC系统包括:
可控制4轴的PMAC-Lite或4到8轴以上的PMAC-PC;双端口RAM和I/O接口选件;以及NC系统软件PMAC-NCforWindows,见图。
29,3.2.4基于运动控制卡的开放式数控系统,PMAC的CNC系统中:
PC机完成用户界面显示、人机交互、零件程序编辑、存储和网络接口等功能。
由Motorola数字信号处理芯片DSP5601构成的PMAC,具有强大的高速处理能力,可以完成所有数控的实时任务,如轮廓生成、插补、速度控制、伺服控制、马达相位折算、刀具半径和齿隙补偿、输入输出控制、多轴同步控制等。
在PMAC控制卡中包含了内装式PLC。
它在后台完成模拟/数字输入信号的监测、设置输出值、发送消息、监测运动参数、改变增益值、启动与停止操作系列的控制等。
PMAC提供了颇好的柔性,支持多种总线规范、CNC常用的执行电机类型和反馈检测单元,以及多种控制命令格式等。
开放式CNC的研究开发正方兴未艾,型式层出不穷。
30,课后思考,1.CNC装置的硬件结构的主要特点。
2.查阅资料,了解CNC装置硬件结构最新发展动态。
31,第3章计算机数控装置,3.1概述3.2CNC装置的硬件结构3.3CNC装置的软件结构3.4典型数控功能原理及实现3.5国内外典型CNC系统简介,32,4.3CNC系统的软件,数控系统功能界面的几种划分:
3.3CNC系统的软件结构,33,4.3CNC系统的软件,3.3CNC系统的软件结构,34,4.3CNC系统的软件,3.3.1CNC系统软件的组成与功能1.组成CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统,该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。
3.3CNC系统的软件结构,35,2.功能,位置控制插补运算状态显示PLC故障诊断,3.3CNC系统的软件结构,36,1.译码(Decode)将用文本格式(通常用ASCII码)表达的零件加工程序,以程序段为单位转换成后续程序(本例是指刀补处理程序)所要求的数据结构(格式)。
3.3.2CNC装置的数据转换流程,3.3CNC系统的软件结构,37,数据结构示例:
StructPROG_BUFFERcharbuf_state;/缓冲区状态,0空;1准备好。
intblock_num;/以BCD码的形式存放本程序段号。
doubleCOOR20;/存放尺寸指令的数值(m)。
intF,S;/F(mm/min)S(r/min)。
charG0;/以标志形式存放G指令。
charG1;charM0;/以标志形式存放M指令。
charM1;charT;/存放本段换刀的刀具号。
charD;/存放刀具补偿的刀具半径值。
;,3.3CNC系统的软件结构,38,以标志形式存放G指令示例,3.3CNC系统的软件结构,39,N06G90G41D11G01X200Y300F200;123456789-StructPROG_BUFFERcharbuf_state;0:
(开始);1(;)intblock_num;06(N06)doubleCOOR20;COOR1=200000;(X200)COOR2=300000;(Y300)intF,S;F=200;(F200)charG0;D5=0;(G90)D6,D7=0,1(G41)D1=1;(G01)charD;D=11(D11),3.3CNC系统的软件结构,40,刀补处理的主要工作:
根据G90/G91计算零件轮廓的终点坐标值。
根据R和G41/42,计算本段刀具中心轨迹的终点(Pe/Pe)坐标值。
根据本段与前段连接关系,进行段间连接处理。
2.刀补处理(计算刀具中心轨迹),Pe(200,300),X,R,P0(72,48),Pe”,Pe,G41,G42,Y,3.3CNC系统的软件结构,41,速度处理程序主要完成以下几步计算:
计算本段总位移量:
直线:
合成位移量L;园弧:
总角位移量。
计算每个插补周期内的合成进给量:
L=F*t/60(m),3.速度预处理,3.3CNC系统的软件结构,42,4.插补计算主要功能:
根据操作面板上“进给修调”开关的设定值,计算本次插补周期的实际合成位移量:
L1=L*修调值将L1按插补的线形(直线,园弧等)和本插补点所在的位置分解到各个进给轴,作为各轴的位置控制指令(X1、Y1)。
3.3CNC系统的软件结构,43,5.位置控制处理,3.3CNC系统的软件结构,44,位置控制完成以下几步计算:
(以两轴联动为例)计算新的位置指令坐标值:
X1新=X1旧+X1;Y1新=Y1旧+Y1;计算新的位置实际坐标值:
X2新=X2旧+X2;Y2新=Y2旧+Y2计算跟随误差(指令位置值实际位置值):
X3=X1新-X2新;Y3=Y1新-Y2新;计算速度指令值:
VX=f(X3);VY=f(Y3),f(.)是位置环的调节控制算法,具体的算法视具体系统而定。
这一步在有些系统中是采用硬件来实现的。
3.3CNC系统的软件结构,45,3.3.3CNC装置软件的特点和结构,1.CNC装置的软件系统特点1)多任务性与并行处理技术多任务性:
显示、译码、刀补、速度处理、插补处理、位置控制、并行处理:
系统在同一时间间隔或同一时刻内完成两个或两个以上任务处理。
并行处理的实现方式:
资源分时共享(单CPU)资源重叠流水处理(多CPU),3.3CNC系统的软件结构,46,位置控制,插补运算,背景程序,4ms,8ms,16ms,中断级别高,中断级别低,资源(CPU)分时共享图,3.3CNC系统的软件结构,47,资源分时共享(单CPU)在规定的时间长度(时间片)内,根据各任务实时性的要求,规定它们占用CPU的时间,使它们分时共享系统的资源。
资源分时共享技术的特征在任何一个时刻只有一个任务占用CPU;在一个时间片(如4ms或8ms)内,CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。
3.3CNC系统的软件结构,48,各任务占用CPU时间示意图,3.3CNC系统的软件结构,49,资源分时共享技术的特征,在任何一个时刻只有一个任务占用CPU;在一个时间片(如8ms或16ms)内,CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。
资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义,即从微观上来看,各个任务还是逐一执行的。
3.3CNC系统的软件结构,50,流水处理技术示意图,时间,t+t,t,空间,3,3,3,2,2,2,输出,CPU1,CPU2,CPU3,并行处理,3.3CNC系统的软件结构,51,资源重叠流水处理(多CPU)流水处理技术是利用重复的资源(CPU),将一个大的任务分成若干个子任务,这些小任务是彼此关系的,然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务,就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。
资源重叠流水处理的特征流水处理在任何时刻(流水处理除开始和结束外)均有两个或两个以上的任务在并发执行。
流水处理的关键是时间重叠,3.3CNC系统的软件结构,52,并发处理和流水处理的特征,在任何时刻(流水处理除开始和结束外)均有两个或两个以上的任务在并发执行。
并发处理和流水处理的关键是时间重叠,是以资源重复的代价换得时间上的重叠,或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。
3.3CNC系统的软件结构,53,实时性和优先抢占调度机制,实时性任务的定义和分类实时性定义:
任务的执行有严格时间要求(任务必须规定时间内完成或响应),否则将导致执行结果错误或系统故障的特性。
实时性任务分类:
强实时性任务:
实时突发性任务;实时周期性任务弱实时性任务,3.3CNC系统的软件结构,54,强实时性任务,实时突发性任务:
任务的发生具有随机性和突发性,是一种异步中断事件。
主要包括故障中断(急停,机械限位、硬件故障等)、机床PLC中断、硬件(按键)操作中断等。
实时周期性任务:
任务是精确地按一定时间间隔发生的。
主要包括插补运算、位置控制等任务。
为保证加工精度和加工过程的连续性,这类任务处理的实时性是关键。
在任务的执行过程中,除系统故障外,不允许被其它任何任务中断。
3.3CNC系统的软件结构,55,弱实时性任务,这类任务的实时性要求相对较弱,只需要保证在某一段时间内得以运行即可。
在系统设计时,它们或被安排在背景程序中,或根据重要性将其设置成不同的优先级(级别较低),再由系统调度程序对它们进行合理的调度。
这类任务主要包括:
CRT显示、零件程序的编辑、加工状态的动态显示、加工轨迹的静态模拟仿真及动态显示等。
3.3CNC系统的软件结构,56,抢占式优先调度机制,多任务系统的任务调度方法:
循环调度法简单循环调度法时间片轮换调度法优先调度法抢占式优先调度法非抢占式优先调度法,3.3CNC系统的软件结构,57,抢占式优先调度机制功能,抢占方式:
在CPU正在执行某任务时,若另一优先级更高的任务请求执行,CPU将立即终止正在执行的任务,转而响应优先级高任务的请求优先调度:
在CPU空闲时,当同时有多个任务请求执行时,优先级高的任务将优先得到满足。
3.3CNC系统的软件结构,58,CNC系统中采用的任务调度机制,抢占式优先调度;时间片轮换调度;非抢占式优先调度。
3.3CNC系统的软件结构,结构模式:
指系统软件的组织管理方式,即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。
结构模式的功能:
组织和协调各个任务的执行,使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系,以满足CNC系统的各种控制要求,59,前后台程序运行关系图,3.3CNC系统的软件结构,前后台型结构模式,60,中断型结构模式,3.3CNC系统的软件结构,中断型软件系统结构图,1,n,2,61,基于实时操作系统的结构模式,实时操作系统(简称RTOS,RealTimeOperatingSystem)是操作系统的一个重要分支,它除了具有通用操作系统的功能外,还具有任务管理、多种实时任务调度机制(如优先级抢占调度、时间片轮转调度等)、任务间的通信机制(如邮箱、消息队列、信号灯等)等功能。
3.3CNC系统的软件结构,基于实时操作系统软件结构图,62,课后思考,1.CNC装置的软件结构主要有哪些?
2.查阅资料,了解CNC装置未来可能扩展的软件功能。
63,第3章计算机数控装置,3.1概述3.2CNC装置的硬件结构3.3CNC装置的软件结构3.4典型数控功能原理及实现3.5国内外典型CNC系统简介,64,3.4典型数控功能原理及实现,3.4.1机床的控制功能需求3.4.2插补功能3.4.3补偿功能3.4.4PLC功能3.4.5故障诊断功能,65,3.4.1机床的控制功能需求,用户需求功能概述自动加工控制功能程序(译码、解释、刀补、插补、运动控制)【GF】主轴【S】换刀【TD】辅助【M】手动操作功能【用途:
调试、对刀】点动手摇回零干预(修调、暂停),3.4典型数控功能原理及实现,66,3.4.1机床的控制功能需求,用户需求功能概述刀具管理功能寿命管理刀库管理程序/文件管理功能故障监控/诊断通信/数据交换(网络、RS232)人机对话、交互,3.4典型数控功能原理及实现,67,3.4.1机床的控制功能需求,用户需求的技术分类管理功能工艺数据管理刀具文件程序管理系统配置管理控制功能运动控制I/O控制,交互功能人机界面操作界面故障诊断,3.4典型数控功能原理及实现,68,3.4.1机床的控制功能需求,基本控制功能运动控制单轴运动控制(点位、速度)多轴联动控制(路径、比例)运动控制用什么语言?
I/O控制开关量模拟量脉冲量数字量I/O(逻辑)控制用什么语言?
3.4典型数控功能原理及实现,69,3.4.2插补功能,G92X0Z0G91G01Z-100F200G01X100,3.4典型数控功能原理及实现,70,功能对用G代码(或其它语言)表达的加工任务进行解释、分析、计算,分解为伺服系统可以接收的动作指令,驱动执行部件按特定的规律运动,完成加工任务。
程序,数控装置,伺服系统,位移指令,速度指令,XY,FxFy,插补问题的描述,3.4典型数控功能原理及实现,71,插补的基本概念,插补:
零件轮廓线型已知点,进给速度、刀具参数、进给方向等,计算出中间点坐标值。
插补的实质:
“数据密化”。
刀具或工件的移动轨迹是小线段构成的折线,用折线逼近轮廓线型。
有插补拟合误差,但脉冲当量小(pm、m级),插补拟合误差在加工误差范围内。
脉冲当量:
刀具或工件能移动的最小位移量。
3.4典型数控功能原理及实现,72,插补问题的输入-已知,直线G92X0Y0G01X10Y5F500,Pe(10,5),圆弧:
G92X-10Y30G01X0Y30F500G02X30Y0I0J-30,Ps(0,0),Pe(30,0),Ps(0,30),3.4典型数控功能原理及实现,73,插补问题的输出-输出量的接收者与执行者,输出指令接收者-伺服驱动单元,输出指令执行者-伺服电机,3.4典型数控功能原理及实现,74,插补问题的输出-隐含限制输出量的形式:
脉冲(电压电流)运动的最小设定单位具有不可再分性,电机,电机,x,y,o,3.4典型数控功能原理及实现,75,插补问题描述/定义已知(输入)G代码程序描述零件轮廓或刀位轨迹的直线、圆弧起点、终点-直线起点、终点、圆心、方向-圆弧进给速度求解(输出)进给伺服系统可以接收的指令各轴的增量或速度(x,y)隐含的限定条件指令控制的运动方向限制(有限自由度)指令控制的运动部件的位移量存在一个最小单位(最小设定单位),3.4典型数控功能原理及实现,76,直线插补问题图解,起点(0,0),终点(10,5),G92X0Y0G01X10Y5F500,问题描述:
如何协调并控制两个坐标轴X,Y的运动,使得刀具能相对工件从起点沿直线运动到终点.,3.4典型数控功能原理及实现,77,圆弧插补问题图解,起点(0,30),G92X-10Y30G01X0Y30F500G02X30Y0I0J30,问题描述:
如何协调并控制两个坐标轴X,Y的运动,使得刀具能相对工件从起点沿圆弧运动到终点.,终点(30,0),3.4典型数控功能原理及实现,78,3.4.2.1插补方法的分类,插补器:
数控装置中完成插补运算工作的装置或程序。
硬件插补器插补器分类软件插补器及软硬件结合插补器,3.4典型数控功能原理及实现,79,早期NC数控系统:
用硬件插补器,由逻辑电路组成特点:
速度快,灵活性差,结构复杂,成本高。
CNC数控系统:
软件插补器,由微处理器组成,由计算机程序完成各种插补功能;特点:
结构简单,灵活易变,速度较慢。
现代CNC数控系统:
软件插补或软、硬件插补结合的方法,由软件完成粗插补,硬件完成精插补。
3.4典型数控功能原理及实现,粗插补用软件方法,将加工轨迹分割为线段,精插补用硬件插补器,将粗插补分割的线段进一步密化数据点。
80,CNC系统一般都有直线插补、圆弧插补两种基本功能。
一些高档CNC系统,已出现螺旋线、抛物线、渐开线、正弦线、样条曲线和球面螺旋线插补等功能。
根据数控系统输出到伺服驱动装置信号不同,插补方法可归纳为两大类:
1基准脉冲插补(或称脉冲增量插补、行程标量插补等),2数据采样插补(或称数据增量插补、时间标量插补等),3.4典型数控功能原理及实现,81,1基准脉冲插补(脉冲增量插补、行程标量插补)特点:
数控装置向各坐标轴输出一个基准脉冲序列,驱动进给
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