1、數(shù)控機床,主講：任繼文,華東交通大學(xué)機制教研室,MP: 139 7910 7921,第3章 計算機數(shù)控系統(tǒng),3.1 概述 3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 3.4 CNC裝置的插補原理 3.5 刀具半徑補償原理,計算機數(shù)控（Computerized Numerical Control,簡稱CNC）,3.1 概 述,CNC系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)字控制的系統(tǒng)。,圖3-1 CNC系統(tǒng)的組成,裝置,核心,CNC裝置的工作過程,信息輸入,譯碼,刀具補償,速度處理,插補,位置控制,I/O處理,顯示,CNC裝置的工作過程,輸入信息：輸入CNC控制器有零件程序、機床參數(shù)和

2、補償數(shù)據(jù)。 機床參數(shù)和補償數(shù)據(jù)(除刀補外)一般在機床出廠或在安裝調(diào)試時已設(shè)定好，所以主要是零件程序和刀補數(shù)據(jù)的輸入。 程序輸入形式有光電閱讀機紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入和連接上級計算機的DNC接口輸入。 DNC（Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control）主要采用的通信結(jié)構(gòu)包括點對點結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 點對點結(jié)構(gòu)是利用數(shù)控機床提供的RS232串口，以一臺計算機對應(yīng)一臺或多臺數(shù)控機床實現(xiàn)通信； 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)是通過現(xiàn)場總線（工業(yè)數(shù)據(jù)總線 ），在具有串口的數(shù)控機床與控制器間設(shè)置轉(zhuǎn)換器，從而構(gòu)建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)； 局域網(wǎng)結(jié)

3、構(gòu)是將具有網(wǎng)絡(luò)接口的機床，如符合MAP（Manufacturing Automation Protocol）和以太網(wǎng)的DNC接口，直接接入工廠車間網(wǎng)絡(luò)。,CNC裝置的工作過程,譯碼：譯碼處理是將零件程序的一個程序段作為單位進行處理。譯碼處理將零件輪廓信息、進給速度F和其它輔助信息（M、S、T）解釋后，存放在指定的內(nèi)存專用域，在譯碼過程中還要完成對程序段的語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。 刀具補償：指刀具長度和刀具半徑補償。編程時零件程序以零件輪廓軌跡編程，與刀具尺寸無關(guān)。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進行。刀補的作用是將零件輪廓軌跡按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為刀具中心軌跡。 進給速度處理：數(shù)控加

4、工程序F代碼指令給定的刀具相對工件的移動速度，是在各坐標(biāo)合成運動方向上的速度。速度處理先按合成速度來計算各進給運動坐標(biāo)方向的分速度，為插補時計算各進給坐標(biāo)的行程量作準(zhǔn)備。速度控制程序根據(jù)給定各坐標(biāo)分速度值控制插補運算的頻率，以保證預(yù)定的進給速度。同時處理機床的最低和最高速度限制及自動加減速。,插補預(yù)處理,CNC裝置的工作過程,插補：要進行軌跡加工，CNC必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進行“數(shù)據(jù)點密化”工作，即插補。插補是在規(guī)定的周期（插補周期）內(nèi)，按指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，經(jīng)過若干插補周期，完成一個程序段加工。,CNC裝置的工作過程,位置控制：位置控制是處于伺服回路的位置

5、環(huán)上，其主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電機。,插補輸出指令,位置控制,速度控制,進給電機,測量反饋,位置控制原理圖,CNC裝置的工作過程,PLC控制：用來取代傳統(tǒng)機床強電的繼電器邏輯控制，實現(xiàn)各種開關(guān)量（S、M、T）的控制。如主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，換刀、工件的夾緊及松開、切削液的開關(guān)等。,CNC裝置的工作過程,I/O處理：主要指CNC與機床間電氣信號的輸入、輸出處理和控制。 進行電平轉(zhuǎn)換（數(shù)字信號 開關(guān)信號、模擬信號、脈沖信號） 功率放大。強、弱電轉(zhuǎn)換及功率匹配。 光電隔離。防止干擾信號（噪音）進入CNC，引起誤操作。,CNC裝置的工

6、作過程,顯示：包括零件程序、參數(shù)、刀具位置、機床狀態(tài)、報警信息等顯示,有的CNC還有刀具加工軌跡的靜動態(tài)圖形顯示。,CNC裝置的工作過程,CNC裝置硬件組成,PLC,硬件是CNC系統(tǒng)的基礎(chǔ)。,CNC裝置軟件組成,軟件是CNC系統(tǒng)的靈魂。,CNC軟硬件功能界面,軟硬件功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價格比,硬件處理速度快；軟件設(shè)計靈活,CNC裝置的功能,CNC系統(tǒng) 的功能,控制功能 準(zhǔn)備功能 插補功能 主軸功能 進給功能 輔助功能 刀具功能 字符顯示功能 自診斷功能,補償功能 固定循環(huán)功能 圖形顯示功能 通信功能 人機對話編程功能,基本功能,選擇功能,基本功能,控制功能:CNC能控制和能聯(lián)動控制的

7、進給軸數(shù)。 移動軸和回轉(zhuǎn)軸：X，Y，Z；A，B，C 基本軸和附加軸：U，V，W,1）二軸聯(lián)動 主要用于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床加工曲線柱面。,基本功能,2）二軸半聯(lián)動 主要用于三軸以上機床的控制，其中兩根軸可以聯(lián)動，而另外一根軸可以作周期勝進給,基本功能,3）三軸聯(lián)動 一般分為兩類，一類就是X 、Y 、 Z 三個直線坐標(biāo)軸聯(lián)動，比較多的用于數(shù)控銑床、加工中心等，,基本功能,3）三軸聯(lián)動 另一類是除了同時控制 X 、 Y 、 Z 中兩個直線坐標(biāo)外，還同時控制圍繞其中某一直線坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。如車削加工中心，它除了縱向（Z軸）、橫向（X軸）兩個直線坐標(biāo)軸聯(lián)動外，還需同時控制圍繞 Z 軸

8、旋轉(zhuǎn)的主軸（C軸）聯(lián)動。,車削中心C軸功能示意圖 (a)C軸定向時，在圓柱面或端面上銑槽; (b)C軸和Z軸聯(lián)動，在圓柱面上銑螺旋槽； (c)C軸和X軸聯(lián)動，在端面上銑螺旋槽; (d)C軸和X軸聯(lián)動，銑直線和平面,基本功能,4）四軸聯(lián)動 同時控制 X 、 Y 、 Z 三個直線坐標(biāo)軸與某一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸聯(lián)動，右圖所示為同時控制 x 、 Y 、 Z 三個直線坐標(biāo)軸與一個工作臺回轉(zhuǎn)軸聯(lián)動的數(shù)控機床。,基本功能,5）五軸聯(lián)動 除同時控制 X 、 Y 、 Z 三個直線坐標(biāo)軸聯(lián)動外，還同時控制圍繞這這些直線坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的 A 、 B 、 C 坐標(biāo)軸中的兩個坐標(biāo)軸，這時刀具可以被定在空間的任意方向。,基本功能,準(zhǔn)

9、備功能（G功能）:控制機床運動方式的功能。,基本功能,插補功能:數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓加工軌跡運算的功能。 一般CNC系統(tǒng)僅具有直線和園弧插補，而現(xiàn)在較為高檔的數(shù)控系統(tǒng)還具有拋物線、橢圓、極坐標(biāo)、正弦、螺旋線以及樣條曲線插補等功能。,基本功能,進給功能（F指令）:數(shù)控及機床進給速度的控制功能。 數(shù)控系統(tǒng)的進給速度的控制功能主要有以下三種形式： 進給速度：控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min。 同步進給速度：實現(xiàn)切削速度和進給速度的同步，單位為 mm/r 。 進給倍率：人工實時修調(diào)預(yù)先給定的進給速度。通過面板上的進給倍率修調(diào)開關(guān)在0-200%之間，對預(yù)先設(shè)定的進給速度進行實時修調(diào)。 主軸

10、功能（S指令）:主軸切削速度、周向位置控制功能。 主軸轉(zhuǎn)速：主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位：r/min。 恒線速度控制：刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能，單位：m/min。 主軸定向控制：主軸周向定位于特定位置控制的功能。 主軸倍率：人工實時修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。功能與進給修調(diào)率相同。,基本功能,輔助功能（M指令）:用于控制機床輔助操作的功能。 刀具管理功能（T指令）:用于選擇刀具。 字符圖形顯示功能：CRT顯示程序、參數(shù)、坐標(biāo)位置、故障信息等。 自診斷功能：CNC自動實現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能。,選擇功能,補償功能：包括以下幾種： 刀具半徑和長度補償功能：實現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中

11、心軌跡的功能，以及刀具磨損或更換時(刀具半徑變化)，可對刀具半徑或長度作相應(yīng)的補償。該功能由G指令實現(xiàn)。 傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。即事先測量出螺距誤差和反向間隙，并按要求輸入到CNC裝置相應(yīng)的儲存單元內(nèi)，在坐標(biāo)軸運行時，對螺距誤差進行補償；在坐標(biāo)軸反向時，對反向間隙進行補償。 非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術(shù)進行建模，利用模型實施在線補償。 固定循環(huán)功能：常見的、多次循環(huán)的加工工藝。,選擇功能,通信功能：CNC與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。 通常CNC系統(tǒng)都是具有RS232等串行接口，可與外

12、部計算機進行通訊，傳送零件加工程序； 高檔的系統(tǒng)備有DNC網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)上級計算機對設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)控機床的直接數(shù)控；或通過MAP(制造自動化協(xié)議)接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等大制造系統(tǒng)集成的要求； 人機對話功能：在CNC裝置中配有單色或彩色CRT，通過軟件可實現(xiàn)字符和圖形的顯示，以方便用戶的操作和使用。 菜單結(jié)構(gòu)的操作界面； 零件加工程序的編輯環(huán)境； 系統(tǒng)和機床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。,3.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu),按微處理器的個數(shù)可分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)； 按CNC裝置的開放程度可分為封閉式結(jié)構(gòu)、PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)、NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)

13、和軟件型開放式結(jié)構(gòu)。,單微處理器結(jié)構(gòu),單微處理器結(jié)構(gòu) 整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，采用總線結(jié)構(gòu)，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC功能。,結(jié)構(gòu)特點 結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。 其功能將受到CPU字長、數(shù)據(jù)尋址能力和運算速度等因素的限制。,初期的 CNC 系統(tǒng)和現(xiàn)有一些經(jīng)濟型 CNC 系統(tǒng)采用單微處理機結(jié)構(gòu)。,多微處理器結(jié)構(gòu),整個CNC裝置中有兩個或兩個以上CPU 主從結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中只有一個主CPU對系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán).其它帶CPU的功能部件，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的數(shù)據(jù)。 多主結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部

14、件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過公共存儲器進行交換信息。 分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環(huán)境。模塊之間采用松耦合，采用通訊方式交換信息。,多微處理器共享總線結(jié)構(gòu),圖3-7 多微處理器共享總線結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特征： 功能模塊分為帶有CPU的主模塊和不帶CPU的從模塊(RAM/ROM，I/O模塊)， 以系統(tǒng)總線為中心，所有的主、從模塊都插在嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線上， 采用總線仲裁電路來裁定多個模塊同時請求使用系統(tǒng)總線的競爭問題。,優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈活、成本相對較低、可靠性高。,多微處理

15、器共享存儲器結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特征： 面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口存儲器來實現(xiàn)各主模塊之間的 互連和通訊； 允許多個主模塊同時對多端口存儲器進行訪問(讀/寫)，不易發(fā)生沖突； 多端口存儲器設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不易超過兩個端口，當(dāng)多個模塊同時訪問多端口存儲器發(fā)生沖突時需采用多端口控制邏輯電路來解決。,開放式CNC結(jié)構(gòu),開放式CNC結(jié)構(gòu)：采用模塊化設(shè)計方法，用戶只需按需要選用各種數(shù)控功能模板，并將各功能模板插入PC擴展槽內(nèi)，就搭成了自己需要的CNC系統(tǒng)控制裝置。 特點：可以積木式組成CNC，設(shè)計簡單、有良好的適應(yīng)性和擴展性，試制周期短、調(diào)整維護方便、效率較高。 目前有三種形式： PC嵌入NC式（衍生

16、式） NC嵌入PC式（嵌入式） 全軟件型（擴展式）,PC嵌入NC式（衍生式）,這是數(shù)控系統(tǒng)制造商將多年來積累的數(shù)控軟件技術(shù)和當(dāng)今計算機豐富的軟件資源相結(jié)合開發(fā)的產(chǎn)品。 一方面是許多用戶對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)習(xí)慣使用；另一方面是控制器商不可能在短時間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)。因此，這是一種折衷方案：在他們專用CNC系統(tǒng)中增加與PC的接口，使其具有PC處理的柔性。 由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這種模式只具有部分的開放性，它不能實現(xiàn)NC內(nèi)核的開放。,NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)（PC+NC控制卡）,PC機作為系統(tǒng)的核心，將控制卡插入到PC的標(biāo)準(zhǔn)擴展槽中完成各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控功能

17、，一般用PC機處理各種非實時任務(wù)，由硬件擴展卡處理實時任務(wù)。 這種運動控制卡通常選用高速DSP或運動控制芯片作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨使用。它開放的函數(shù)庫可以在Windows、DOS和Linux平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。如美國PMAC卡 以PC為基礎(chǔ)的CNC控制器是目前研究的主流。,軟件型開放式結(jié)構(gòu),一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。能提供給用戶最大的選擇和靈活性。CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部IO之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。 此類系統(tǒng)運行在通用的非實時windows操作系統(tǒng)平臺上,系統(tǒng)的實時性處理便成為一

18、難點。故此類系統(tǒng)還處于研究和實驗階段,尚未成熟。,3.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu),CNC系統(tǒng)軟件功能 CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程 CNC軟件結(jié)構(gòu)模式,CNC系統(tǒng)軟件功能,CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程,CNC系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。（演示）,譯碼,譯碼任務(wù)是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序（刀補程序）所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式），然后送到譯碼緩沖區(qū)。（演示）,刀補,刀補處理任務(wù)是根據(jù)輪廓軌跡及刀補信息計算刀具軌跡

19、。 其主要工作如下： 根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值。 根據(jù)刀具半徑R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點（Pe/Pe）坐標(biāo)值。 根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進行段間連接處理。（C刀補） 處理數(shù)據(jù)存放在刀補緩沖區(qū),速度預(yù)處理,主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量，供插補程序使用。 速度處理程序主要完成以下幾步計算： 計算本段總位移量： 直線：合成位移量L； 園?。嚎偨俏灰屏?。 該數(shù)據(jù)供插補程序判斷加減速起點和終點之用。 計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量： L= Ft/60 （m） 式中：F-進給速度值（mm/min）；t-數(shù)控系統(tǒng)的插補周期（ms）

20、 數(shù)據(jù)結(jié)果存放在插補緩沖區(qū)。,插補計算,主要功能：根據(jù)速度預(yù)處理計算的每個插補周期的合成進給量，計算每個插補周期的各個進給軸的進給分量。 計算插補周期的實際合成位移量： L1=L*修調(diào)值（倍率） 分解L1 （X1、Y1） 將L1按插補的線形（直線，園弧等）分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指令（X1、Y1）。 經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。,位置控制,其主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電機。,f（）,插補輸出 X1Y1,指令位置 X1新Y1新,跟隨誤差 X3Y3,X2新Y2新 實際位置,反饋位置增量 X2

21、、Y2,X1舊Y1舊,X2舊Y2舊,速度指令 VX、VY,位置控制轉(zhuǎn)換流程,+,+,+,+,+,位置控制完成以下幾步計算： 計算新的位置指令坐標(biāo)值： X1新= X1舊+X1；Y1新= Y1舊 +Y1； 計算新的位置實際坐標(biāo)值： X2新= X2舊+X2；Y2新= Y2舊 +Y2 計算跟隨誤差(指令位置值-實際位置值)： X3= X1新- X2新； Y3= Y1新- Y2新； 計算速度指令值： VX=f(X3)； VY=f(Y3) 注：f( )是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，VX、VY送給伺服驅(qū)動單元，控制電機運行，實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制。,CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點,一、多任務(wù)性與并行處理技術(shù) CNC控制

22、要求的多任務(wù)性 CNC的任務(wù)通?？煞譃閮纱箢悾汗芾砣蝿?wù)和控制任務(wù)。 管理任務(wù)主要承擔(dān)系統(tǒng)資源管理和系統(tǒng)各子任務(wù)的調(diào)度，負責(zé)系統(tǒng)的程序管理、顯示、診斷等子任務(wù)； 控制任務(wù)主要完成CNC的基本功能：譯碼、刀具補償、速度預(yù)處理、插補運算、位置控制等任務(wù)。 CNC系統(tǒng)在工作中這些任務(wù)不是順序執(zhí)行的，而往往需要多任務(wù)并行處理。 控制任務(wù)與管理任務(wù)并行：如當(dāng)機床正在加工時(執(zhí)行控制任務(wù))，CRT要實時顯示加工狀態(tài)(管理任務(wù))。 管理任務(wù)并行：如當(dāng)用戶將程序送入系統(tǒng)時，CRT上便實時顯示輸入的內(nèi)容； 控制任務(wù)并行：如為了保證加工的連續(xù)性，刀具補償、速度處理、插補運算以及位置控制必須同時不間斷執(zhí)行。,CNC系

23、統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點,二、實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制 1、強實時性任務(wù)，如故障中斷、插補運算、位置控制等。 2、弱實時性任務(wù)，如CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動態(tài)顯示等。 3、多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法有： 循環(huán)調(diào)度法（簡單循環(huán)、時間片輪換）； 優(yōu)先調(diào)度法（搶占式優(yōu)先調(diào)度法、非搶占式優(yōu)先調(diào)度法）。 演示,基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù),并行處理是指軟件系統(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。采用并行處理技術(shù)的目的是為了提高CNC系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的處理速度。 1、資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)，即單CPU） 其方法是：在一定的時間長度（

24、通常稱為時間片）內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)各任務(wù)的實時性要求程度，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們按規(guī)定順序分時共享系統(tǒng)的資源。 采用“資源分時共享”并行處理技術(shù)的CNC系統(tǒng)中，首先要解決各任務(wù)占用CPU（資源）時間的分配問題。包括：其一是各任務(wù)何時占用CPU，即任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。其二是各任務(wù)占用CPU的時間長度，時間片的分配問題。 一般地，在單CPU的CNC系統(tǒng)中，通常采用循環(huán)調(diào)度和優(yōu)先搶占調(diào)度相結(jié)合的方法來解決上述問題的。,基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)（單CPU）,資源（CPU）分時共享圖（動畫演示）,基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)（多CPU）,2、并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)，即多CPU） 根

25、據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)： 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行，這些宏處理方式稱為并發(fā)處理； 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。,程序數(shù)據(jù)輸出時間間隔：t=t1+t2+t3,程序數(shù)據(jù)輸出時間間隔：t3,插補準(zhǔn)備,插補計算,位置控制,CNC軟件結(jié)構(gòu)模式,前后臺型結(jié)構(gòu)模式 中斷型結(jié)構(gòu)模式 基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,所謂結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機制、任務(wù)間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式要解決的問題是如何組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使

26、之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求。,前后臺型結(jié)構(gòu)模式,后臺程序,PLC控制,監(jiān)控和急停,前臺程序,演示,特點： 任務(wù)調(diào)度機制: 優(yōu)先搶占調(diào)度和順序循環(huán)調(diào)度。前臺程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序循環(huán)調(diào)度。 實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先級等級、也無搶占機制。 該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。,中斷型結(jié)構(gòu)模式,這種結(jié)構(gòu)是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。,中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

27、圖,中斷型結(jié)構(gòu)特點,任務(wù)調(diào)度機制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。 實時性好。由于中斷級別較多，強實時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷服務(wù)程序中。 模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護和擴充。 二十世紀(jì)8090年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。,基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System RTOS）是操作系統(tǒng)的一個重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實時任務(wù)調(diào)度機制（如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間的通信機制（如郵箱、消息隊列、信號燈等）等功能。,基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點,弱化功能模塊間的耦合關(guān)系 CN

28、C各功能模塊之間在邏輯上存在著耦合關(guān)系，在時間上存在著時序配合關(guān)系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結(jié)構(gòu)模式中，需用許多全局變量標(biāo)志和判斷、分支結(jié)構(gòu)，致使各模塊間的關(guān)系復(fù)雜。在本模式中，設(shè)計者只須考慮模塊自身功能的實現(xiàn)，然后按規(guī)則掛到實時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。 系統(tǒng)的開放性和可維護性好 從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機制，一旦開發(fā)完畢，系統(tǒng)將是完全封閉的（對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此），若想對系統(tǒng)進行功能擴充和修改將是困難的。在本模式中，系統(tǒng)功能的擴充或修改，只須將編寫好的任務(wù)模塊掛到實時操作系統(tǒng)上（按要求

29、進行編譯）即可。因而，采用該模式開發(fā)的CNC系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護性。 減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量 在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核（任務(wù)管理、調(diào)度、通信機制）的設(shè)計開發(fā)的往往是很復(fù)雜的而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)為內(nèi)核時，即可大大減少系統(tǒng)的開發(fā)工作量和開發(fā)周期。,基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)CNC系統(tǒng)的方法,在商品化的實時操作系統(tǒng)下開發(fā)CNC系統(tǒng)。 將通用PC機操作系統(tǒng)（DOS、WINDOWS）擴充擴展成實時操作系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)CNC系統(tǒng)軟件。,3.4 CNC裝置的插補原理,插補(Interpolation)：插補就是根據(jù)零件的輪廓尺寸，結(jié)合精度和工藝等方面的要求，在已知的這些

30、特征點之間插入一些中間點的過程。換言之，就是數(shù)據(jù)點的密化過程。 插補算法：在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的各種算法。 由于中間點計算時間和精度直接影響系統(tǒng)的控制速度及精度，故插補算法對CNC系統(tǒng)性能至關(guān)重要，是整個CNC控制軟件的核心。 大多數(shù)CNC系統(tǒng)一般都具有直線和圓弧插補功能，對于非直線或圓弧組成的軌跡，可以用小段的直線或圓弧來擬合。只有某些要求較高的系統(tǒng)，才具有拋物線、螺旋線等插補功能。,一、 插補的概念,例如，假設(shè)插補算法需20條執(zhí)行指令，CPU時鐘為5MHz，那么計算一個脈沖當(dāng)量所需時間大約為4s，當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.1m時，可以達到的極限速度是1.5m/min，當(dāng)然也可損失精度來

31、提高速度,如精度為1m時，速度為15m/min,脈沖增量插補 數(shù)字增量插補,二、分類,脈沖增量插補,方法：每次插補結(jié)束僅向各運動坐標(biāo)軸輸出一個控制脈沖，各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量。脈沖序列的頻率代表坐標(biāo)運動的速度，而脈沖的數(shù)量代表運動位移的大小。 特點：脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較簡單，適合于速度較低、精度較低的CNC系統(tǒng)，如開環(huán)系統(tǒng)。 常用的算法：逐點比較法；數(shù)字積分法（DDA）,數(shù)字增量插補,方法：根據(jù)編程的進給速度將輪廓曲線分割為每個插補周期的進給微小直線段，以此來逼近輪廓曲線。每段微小直線段長度LFT。然后輸出這些微小直線段對應(yīng)坐標(biāo)軸的位置增量數(shù)據(jù)（如X，Y），用以控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標(biāo)軸進給

32、。 特點：數(shù)控裝置產(chǎn)生的不是單個脈沖，而是數(shù)字量。主要應(yīng)用于閉環(huán)和半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 常用的算法：數(shù)字積分法(DDA)、二階近似DDA插補法、雙DDA插補法、時間分割法等。,一、逐點比較法,基本思想：每次僅向一個坐標(biāo)軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，判斷偏差點的瞬時坐標(biāo)同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數(shù)計算和終點判別四個步驟組成。 特點：運算直觀，插補誤差不大于一個脈沖當(dāng)量，脈沖輸出均勻，調(diào)節(jié)方便。,實際軌跡,理想軌跡,A（5，3）,X,5,1、逐點比較法直線插補（象限）,Fi0 在直線上方，+X向輸出一步; Fi0 在

33、直線上， +X向輸出一步; Fi0 在直線下方，+Y向輸出一步,偏差函數(shù): Fi = Xe Yi - Ye Xi,實際軌跡,理想軌跡, ,+X +X +Y,逐點比較法直線插補的計算步驟：,偏差判別 坐標(biāo)進給 偏差計算（遞推法） 終點判別,+X進給：,+Y進給：,判斷插補或進給的總步數(shù)。 初始化 =xe+ye，X、Y每進一步， -1，直到0。 分別判斷各坐標(biāo)軸的進給步數(shù)。 初始化x=xe、 y=ye，X、Y每進一步，分別 x-1、y-1，直到x0和y0 僅判斷進給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進給步數(shù)。,Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi Ye(Xi +1)=Fi -Ye,Yi+1 = Yi

34、+1 Fi+1 = XeYi1 YeXi=Fi +Xe,Fi = Xe Yi - Ye Xi,Fi0， +X向輸出一步;,Fi0， +Y向輸出一步,圖 3-22 第一象限逐點比較法 直線插補的運算流程,例1：設(shè)象限直線段OA，A（5，3），寫出插補計算步驟；并繪出插補軌跡。 解：初始化： xe5；ye3；F0=0; 總步數(shù)=xe+ye=8,A（5，3）,O,Y,X,3,5,四象限步進方向,四象限逐點比較法直線插補的運算流程,偏差函數(shù)F計算相同，此時其終點坐標(biāo)和加工坐標(biāo)均取絕對值。 坐標(biāo)進給方向視具體象限不同。,不同象限直線插補處理：,注：對于起點不在原點的直線，可以采用坐標(biāo)平移的方法使其起點在

35、原點。,2、逐點比較法圓弧插補（象限逆圓）,Fi0 在圓外， -X向輸出一步 Fi0 在圓上， -X向輸出一步 Fi0 在圓內(nèi)， +Y向輸出一步,圓弧: Fi = Xi2 +Yi2 R2,(XA，YA),(Xe，Ye),偏差判別、坐標(biāo)進給、偏差計算、坐標(biāo)計算,Fi0，-X向輸出一步,Fi0，+Y向輸出一步,終點判別,判斷J=xe-xA+ye-yA?,圖3-26 逐點比較法象限逆圓圓弧插補流程,例2：設(shè)象限逆時針圓弧AB，A（5，1），B（1，5），圓心為（0，0）。寫出插補計算的步驟；并繪出插補軌跡。 解：初始化： X=X0=5;Y=Y0=1;F0=0 總步數(shù)=5-1+1-5=8,序號 偏差判

36、別 坐標(biāo)進給 偏差計算 坐標(biāo)計算 終點判別 0 F00 X0=5,Y0=1 =8 F0=0 -X F1=F0-2X0+1=-9 X1=4,Y1=1 =8-1=7 F10 -X F5=F4-2X4+1=-1 X5=3,Y5=4 =3 F50 -X F7=F6-2X6+1=3 X7=2,Y7=5 =1 F70 -X F8=F7-2X7+1=0 X8=1,Y8=5 =0,A（5，1）,O,Y,X,5,5,B（1，5）,四象限圓弧插補,思考：象限順時針圓弧插補,推導(dǎo)偏差函數(shù)計算式。,不同象限的圓弧插補，進給方向不同。其遵循原則： 圓外圓內(nèi)圓外 注意：插補第一步要向圓心靠攏！ 不同象限的圓弧插補偏差函數(shù)

37、(遞推式)計算式不同 圓弧插補由于在不同象限使用的公式不同，便存在一個過象限使用公式的切換的問題，如何在過象限時即能順利而均勻、連續(xù)切換，算法又簡單，是一個值得討論的題目。 通常將插補計算坐標(biāo)系的原點選在被插補圓弧的圓心上。,作業(yè),設(shè)象限順時針圓弧AB，A（5，5），B（7，1），圓心為（0，0） 。采用逐點比較法進行插補。要求： （1）給出偏差函數(shù)計算式； （2）寫出插補計算步驟； （3）繪出插補軌跡。,二、數(shù)字積分法（DDA ，Digital Differential Analyzer ）,1. DDA直線插補 （1）原理：積分的過程可以用微小量的累加近似：,由右圖所示,則,X、Y方向的位

38、移 （積分形式）,（累加形式）,其中，m為累加次數(shù)，用N位計數(shù)器表示，m=02N-1，共2N 次。 令t =1,到終點時，mK =1，則K =1/m=1/2N。,則,結(jié)論：直線插補從始點走向終點的過程，可以看作是各坐標(biāo)軸每經(jīng)過一個單位時間間隔，分別以增量kxe（xe / 2N ）及k ye（ye / 2N ）同時累加的過程。經(jīng)過m=02N 后累加的結(jié)果為：,（2）DDA直線插補：以Xe/2N 、ye/2N 作為被積函數(shù)同時進行積分（累加），設(shè)累加器為N位數(shù)，當(dāng)累加值大于2N -1時，便發(fā)生溢出，而余數(shù)仍存放在累加器中。 累加值=積分值=溢出脈沖數(shù)代表的值+余數(shù) 當(dāng)兩個積分累加器根據(jù)插補時鐘脈沖

39、同步累加時，用這些溢出脈沖數(shù)（最終X坐標(biāo)Xe個脈沖、Y坐標(biāo)ye個脈沖）分別控制相應(yīng)坐標(biāo)軸運動，加工出要求的直線。 （3）終點判別 累加次數(shù)、即插補循環(huán)數(shù)是否等于2N可作為DDA直線插補判別終點的依據(jù)。 （4）組成：二坐標(biāo)DDA直線插補器包括X積分器和Y積分器，每個積分器都由被積函數(shù)寄存器JX和累加器JX（余數(shù)寄存器）組成。X被積函數(shù)寄存器存Xe， Y被積函數(shù)寄存器存ye。 注：對于一個二進制數(shù)來說，實現(xiàn)Xe/2N 、ye/2N是很容易的。即Xe、ye數(shù)字不變，只要把小數(shù)點左移N位即可，所以一個N位寄存器存放Xe、ye和存放Xe/2N 、ye/2N 的數(shù)字是相同的，只是后者的小數(shù)點出現(xiàn)在最高位數(shù)

40、N前面，其它無差異。,DDA直線 插補算法,同時進行,2.DDA法直線插補舉例 插補第一象限直線OE，起點為O（0，0），終點為E（5，3）。取被積函數(shù)寄存器分別為JX、JY，余數(shù)寄存器分別為JX、Jy，終點計數(shù)器為，均為三位二進制寄存器。,E(5,3),X,Y,O(0,0),2、數(shù)字積分圓弧插補（象限逆圓）,由,令,則,圓弧插補時，是對切削點的即時坐標(biāo)Xi與Yi的數(shù)值分別進行累加,其特點是： 初始值為起點坐標(biāo)值(Jx=yA,Jy=xA); X被積函數(shù)寄存器存Yi ,Y被積函數(shù)寄存器存Xi，為動點坐標(biāo)；在積分過程中，溢出分別產(chǎn)生進給脈沖-X、Y，同時要對相應(yīng)動點坐標(biāo)Xi 、Yi進行加1或減1的

41、修改； 2）DDA圓弧插補的終點判別要有二個計數(shù)器， 計數(shù)器的初始值為零，即：x=0,y=0, 到終點時計數(shù)器值為：x=|xA-xB|,y=|YA-YB| 哪個坐標(biāo)終點到了，哪個坐標(biāo)停止積分迭代，當(dāng)兩個坐標(biāo)終點都到達，插補結(jié)束。,DDA圓弧插補算法,被積函數(shù)寄存器,累加器（余數(shù)寄存器）,計數(shù)器,同步進行,溢出,溢出,X插補終點判別,Y插補終點判別,插補終點判別,余數(shù),修正動點坐標(biāo),計數(shù),余數(shù),修正動點坐標(biāo),計數(shù),累加,累加,Y,X,DDA 圓 弧 插 補 舉 例,A（5，0）,B（0，5）,插補第一象限逆圓AB，起點為A（5，0）， 終點為B（0，5）。,其它象限的順圓、逆圓的DDA插補計算過

42、程與第一象限逆圓插補基本一致，不同點在于控制各坐標(biāo)軸的x 、y進給脈沖走向不同，據(jù)此重新修正累加器中的數(shù)值。,推廣,練習(xí),設(shè)象限順時針圓弧AB，A（0，7），B（7，0）。采用數(shù)字積分法（積分累加器位數(shù)n=3）進行插補。要求寫出計算步驟并繪出插補軌跡。,3.5 刀具半徑補償原理,1、什么是刀具半徑補償功能？ (Tool Radius Compensation Offset),用戶編程時，為了簡便總是按零件輪廓編制程序，而數(shù)控機床加工控制的是刀具中心的軌跡，當(dāng)使用圓形刀具（如銑刀、圓頭車刀等）進行加工時，刀具軌跡與輪廓軌跡不一致，需要調(diào)用刀具半徑補償指令進行半徑補償，即根據(jù)按零件輪廓編制的程序和

43、預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，數(shù)控裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能.,2、刀具半徑補償功能的主要用途,刀具半徑補償，由于刀具的磨損或因換刀引起的刀具半徑的變化，也不必重新編程，只須修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可。 減少粗、精加工程序編制的工作量。由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時，均要為精加工工序預(yù)留加工余量。加工余量的預(yù)留可通過修改偏置參數(shù)實現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個程序。,3.刀具半徑補償?shù)墓ぷ鬟^程,刀補建立 刀補進行 刀補撤銷。,4. 刀具半徑補償?shù)某Ｓ梅椒?B刀具補償（一般刀補） C刀具補償,B刀具補償,B刀補：采用逐段對輪廓線型進行刀補，不考慮下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響

44、。 存在問題：刀補后兩個程序段間的刀具中心軌跡會出現(xiàn)間斷點A、B（加工外輪廓）和交叉點C（加工內(nèi)輪廓） 特點：需要程序員預(yù)先作出相應(yīng)處理（段間圓弧過渡）。如： 遇到間斷點，可增加一個半徑為刀具半徑的過渡圓弧AB， 遇到交叉點，可增加一個半徑大于或等于刀具半徑的過渡圓弧AB，以避免過切。,B刀具補償,存在的問題： 當(dāng)遇到加工外輪廓尖角時，由于刀刀具中心通過過渡圓弧，使輪廓尖角處始終處處于切削狀態(tài)，尖角加工的工藝性就比較差。要求的尖角往往會被加工成小圓角。 在內(nèi)輪廓加工時，需由程序員人為為地編進一個輔助加工的過渡圓?。ˋB弧線），并且還要求這個過渡圓弧的半徑必須大于刀具的半徑，否則就會因刀具干涉而產(chǎn)生過切，使零件報廢。,C刀具補償,C刀補:就是由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)和實際輪廓完全一樣的編程軌跡，直接算出刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接交點C點和C點，如圖3-27所示，然后再對原來的編程軌跡作伸長或縮短的修正。 特點:段間采用直線過渡，因此，該刀補法的尖角性工藝性較B刀補的要好，其次在內(nèi)輪廓加工時，它可實現(xiàn)過切（干涉）自動預(yù)報，從而避免過切的產(chǎn)生。