1、第2章 數(shù) 控 系 統(tǒng),2.1 CNC裝置,CNC（ Computer Numerical Control的縮寫）即計算機數(shù)控。CNC是在早期硬件數(shù)控系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。早期的硬件數(shù)控（NC）系統(tǒng)的輸入、運算、插補、控制功能是由電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路組成的邏輯控制電路，不同機床的控制系統(tǒng)都需要專門設計邏輯電路，這種靠硬件邏輯電路控制的系統(tǒng)，其通用性、靈活性、功能性方面都較差。,2.1.1CNC裝置的結構,1.CNC系統(tǒng)及CNC裝置 1） CNC裝置 2）輸入輸出裝置 3）主軸驅動和進給伺服系統(tǒng),2.1.1CNC裝置的結構,1）控制功能 2）準備功能 3）插補功能和固定循環(huán)功能 4

2、）進給功能、進給速度的控制功能 5）主軸功能 6）輔助功能 7）刀具管理功能 8）補償功能 9）人機對話功能 10）自診斷功能 11）通訊功能,2.CNC裝置的功能,2.1.1CNC裝置的結構,2.1.2CNC裝置的工作過程,機床數(shù)控系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)。數(shù)控機床的任務是依照操作者的意愿完成所要加工零件。操作者根據(jù)被加工零件的尺寸要求、外形要求、表面指令要求編制零件加工程序。,CNC在工作過程中完成以下的任務,1.加工程序的輸入 2.數(shù)據(jù)的譯碼和計算 3.刀具補償計算 4.插補計算 5.位置控制處理,2.1.3CNC裝置的特點,1.靈活性 2.通用性 3.可靠性 4.易于實現(xiàn)許多復雜的功能

3、5.使用維修方便,2.2 CNC系統(tǒng)硬件,2.2.1CNC系統(tǒng)硬件結構與分類 1CNC系統(tǒng)的結構 隨著大規(guī)模集成電路技術和表面安裝技術的發(fā)展，CNC系統(tǒng)硬件模塊及安裝方式不斷改進。從CNC系統(tǒng)的總體安裝結構看，有整體式結構和分體式結構兩種。 2CNC 系統(tǒng)的分類 從 CNC 系統(tǒng)使用的微機及結構來分， CNC 系統(tǒng)的硬件結構一般分為單一微處理器和多微處理器結構兩大類。,2.2 CNC系統(tǒng)硬件,2.2.2 CNC系統(tǒng)中的微處理器 1單微處理器系統(tǒng)的組成和特點 單微處理器系統(tǒng)的CNC裝置的特點是整個CNC裝置中只有一個CPU，通過該CPU來集中管理和控制整個系統(tǒng)的資源（包括存儲器、總線），并通過分

4、時處理的方法，實現(xiàn)各種數(shù)控功能。有些CNC裝置中，雖然有兩個或兩個以上的CPU，但只有一個CPU對系統(tǒng)的資源擁有控制權和使用權，該CPU稱為主CPU，其它CPU（稱為從CPU）無權控制和使用系統(tǒng)資源，只能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)請求信號以獲取所需要的數(shù)據(jù)，從而完成某一輔助功能，該結構稱為主從結構，也可歸為單機結構。,3存儲器,圖 2-6 半導體存儲器的分類,4I/O接口（輸入/輸出接口）,二、多微處理器系統(tǒng)的組成,多微處理器系統(tǒng)的CNC裝置中有兩個或兩個以上帶CPU的功能部件可對系統(tǒng)資源（存儲器、總線）有控制權和使用權。它們又分為多主結構和分布式結構。多主結構是指帶CPU的

5、功能部件之間采用緊耦合方式聯(lián)結，有集中的操作系統(tǒng)用總線仲裁器解決總線爭用通過公共存儲器交換系統(tǒng)信息。,1多微處理器系統(tǒng)特點,（1）計算處理速度高 （2）可靠性高 （3）有良好的適應性和擴展性 （4）硬件易于組織規(guī)模生產,2. 多微處理器系統(tǒng)的基本功能模塊,（1) CNC管理模塊 （2）存儲器模塊 （3）CNC插補模塊 （4）位置控制模塊 （5）操作和控制數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊 （6） PLC模塊,3多微處理機CNC裝置的典型結構,（1）共享總線結構 （2）共享存儲器結構,2.3.1CNC系統(tǒng)軟件結構與分類,一、CNC系統(tǒng)軟硬件組合類型,1不用軟件插補器，插補完全由硬件完成的CNC系統(tǒng)； 2由軟

6、件插補器完成粗插補，由硬件插補器完成精插補的CNC系統(tǒng)； 3帶有完全用軟件實施的插補器的CNC系統(tǒng)。,二、CNC裝置軟件結構的特點,1多任務并行處理 (1) CNC系統(tǒng)的多任務性 (2) 并行處理 2實時中斷處理 （1）實時性 （2） CNC裝置的中斷類型 （3） CNC裝置中斷結構模式,2.3.2CNC系統(tǒng)軟件的功能特點,CNC系統(tǒng)軟件的功能 1、輸入 2、譯碼 3、預計算 4、插補計算 5、輸出 6、管理與診斷軟件,2.4數(shù)控插補原理,2.4.1數(shù)控插補原理 1插補的概念 在數(shù)控加工中，一般已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，如何使切削加工運動沿著預定軌跡移動呢？數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些信

7、息實時地計算出各個中間點的坐標，通常把這個過程稱為“插補”。,2.插補分類,1）基準脈沖插補 2）數(shù)據(jù)采樣插補 （1）采用軟/硬件結合的兩級插補方案。 （2）采用多CPU的分布式處理方案。 （3）采用單臺高性能微型計算機方案。,2.4.2數(shù)控插補方法 （逐點.積分.采樣）,一、逐點比較插補法 所謂逐點比較插補法，就是機床每走到一個坐標位置，都要和給定的軌跡上的坐標值比較一次，看實際加工點在給定軌跡的什么位置，判斷其偏差，然后決定下一步的走向，如果加工點走到圖形外面去了，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點在圖形里面，那么下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差。逐點比較法是以階梯折線來逼近直線和圓

8、弧的。最大偏差不超過一個脈沖當量，因此，只要把脈沖當量控制的足夠小，就能達到加工精度的要求。,（一）逐點比較法直線插補,1偏差計算公式 偏差計算是逐點比較法關鍵的一步。下面以第象限直線為例導出其偏差計算公式。,圖2-33直線插補過程,如圖2-33所示動點與直線位置關系。第一象限直線OE，起點O為坐標原點，用戶編程時，給出直線的終點坐標E（Xe，Ye），直線方程為 Xe Y Ye X 0 (2-1) 直線OE 為給定軌跡，P（X，Y）為動點坐標，動點與直線的位置關系有三種情況：動點在直線上方、直線上、直線下方。 （1） 若P1點在直線上方，則有： XeYXYe0 （2） 若P點在直線上，則有 ：

9、 XeYXYe0 （3）若P2點在直線下方，則有 ： XeYXYe0 因此，可以構造偏差函數(shù)為 ： FXe Y Ye X,對于第一象限直線，其偏差符號與進給方向的關系為： 當F0時，表示動點在OE上，如點P，可向X向進給，也可向Y向進給。 當 F0時，表示動點在OE上方，如點P1，應向X向進給。 當 F0時，表示動點在OE下方，如點P2，應向Y向進給 。,這里規(guī)定動點在直線上時，可歸入F0的情況一同考慮。插補工作從起點開始，走一步，算一步, 判別一次，再走一步，當沿兩個坐標方向走的步數(shù)分別等于Xe和Ye時，停止插補。下面將F的運算采用遞推算法予以簡化，動點Pi(Xi，Yi)的Fi值為： 若Fi

10、0，表明Pi(Xi，Yi)點在OE直線上方或在直線上，應沿X向走一步，假設坐標值的單位為脈沖當量，走步后新的坐標值為（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi , 新點偏差為：,即： (2-3),若Fi0，表明Pi（Xi，Yi）點在OE 的下方，應向Y方向進給一步，新點坐標值為(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi ,Yi+1Yi1，新點的偏差為： 即： (2-4),2終點判斷,在插補計算、進給的同時還要進行終點判別。常用終點判別方法有兩種，一種是設置一個長度計數(shù)器，從直線的起點走到終點，刀具沿X軸應走的步數(shù)為Xe，沿Y軸走的步數(shù)為Ye，計數(shù)器中存入X和Y兩坐標進給步數(shù)總和

11、XeYe，當X或Y坐標進給時，計數(shù)長度減一，當計數(shù)長度減到零時，即0時，停止插補，到達終點。另一種是如果在兩個軸上的插補數(shù)不一樣多，則將插補步數(shù)較大的周設為計數(shù)軸，步數(shù)值設為計數(shù)長度，當在技術軸上每進給一步計數(shù)長度減一，當0時，停止插補，到達終點。,3插補計算過程,1）偏差判別 根據(jù)偏差值確定刀具位置是在直線的上方（或線上），還是在直線的下方。 （2）坐標進給 根據(jù)判別的結果，決定控制哪個坐標（x或y）移動一步。 （3）偏差計算 計算出刀具移動后的新偏差，提供給下一步作判別依據(jù)。根據(jù)式（2-3）及式（2-4）來計算新加工點的偏差，使運算大大簡化。但是每一新加工點的偏差是由前一點偏差 推算出來的

12、，并且一直遞推下去，這樣就要知道開始加工時那一點的偏差是多少。當開始加工時，我們是以人工方式將刀具移到加工起點，這一點當然沒有偏差，所以開始加工點的 F0。 （4）終點判別 在計算偏差的同時，還要進行一次終點比較，以確定是否到達了終點。若已經到達，就不再進行運算，并發(fā)出停機或轉換新程序段的信號。,逐點比較法直線插補流程,例2-1 加工第一象限直線OE，如圖2-35所示，起點為坐標原點O(0,0)，終點坐標為E（5,3）。,圖2-35直線插補軌跡過程實例,初始點O(0,0)，終點（5,3），應用遞推公式（2-3）、（2-4）進行偏差計算。 終點判斷：XeYe=5+3=8，插補需要七個循環(huán)。,直線

13、插補運算過程,4四象限插補,四象限直線偏差符號和進給方向,5四象限直線插補計算公式及進給方向,（二）圓弧插補原理,1. 圓弧插補偏差計算公式 在圓弧加工過程中，可用動點到圓心的距離來描述刀具位置與被加工圓弧之間關系。如圖2-39所示為圓弧插補過程，設圓弧圓心在坐標原點，已知圓弧起點A（Xa，Ya），終點B（Xb，Yb），圓弧半徑為R。,加工點可能在三種情況出現(xiàn)，即圓弧上、圓弧外、圓弧內。當動點P（Xi，Yi）位于圓弧上時有： X2Y2R2=0 P點在圓弧外側時，則OP大于圓弧半徑R，即 X2Y2R20 P點在圓弧內側時，則OP小于圓弧半徑R，即 X2Y2R20,用F表示P點的偏差值，定義圓弧偏

14、差函數(shù)判別式為 （2-5） 當動點落在圓弧上時，一般約定將其和F0一并考慮。 圖2-40a中AB為第一象限順圓弧SR1，若F0時，動點在圓弧上或圓弧外，向Y向進給，計算出新點的偏差；若F0，表明動點在圓內，向X向進給，計算出新一點的偏差，如此走一步，算一步，直至終點。,a) 順圓弧 b) 逆圓弧 圖2-40 第一象限順、逆圓弧,2終點判斷,圓弧插補終點判別：將X、Y軸走的步數(shù)總和存入一個計數(shù)器，XbXaYbYa，每走一步減一，當0發(fā)出停止信號。,3插補計算過程,例3-2 現(xiàn)欲加工第一象限順圓弧AB，如圖2-42所示，試用逐點比較法進行插補。,圖2-42 圓弧插補實例,4. 四個象限中圓弧插補,

15、二、數(shù)值積分法,數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析法DDA(Digital Differential Analyzer)，是在數(shù)字積分器的基礎上建立起來的一種插補算法。數(shù)字積分法的優(yōu)點是，易于實現(xiàn)多坐標聯(lián)動，較容易地實現(xiàn)二次曲線、高次曲線的插補，并具有運算速度快，應用廣泛等特點。,如圖2-45所示，設有一函數(shù)Yf(t)，求此函數(shù)在t0tn區(qū)間的積分，就是求出此函數(shù)曲線與橫坐標t在區(qū)間（t0，tn）所圍成的面積。如果將橫坐標區(qū)間段劃分為間隔為t的很多小區(qū)間，當t取足夠小時，此面積可近似地視為曲線下許多小矩形面積之和。,圖2-45 函數(shù)Y=f(t)的積分,三、數(shù)據(jù)采樣插補法,（一） 數(shù)據(jù)采樣法原理 數(shù)據(jù)采

16、樣插補又稱為時間分割法，與基準脈沖插補法不同，數(shù)據(jù)采樣插補法得出的不是進給脈沖，而是用二進制表示的進給量。這種方法是根據(jù)程編進給速度F，將給定輪廓曲線按插補周期T（某一單位時間間隔）分割為插補進給段（輪廓步長），即用一系列首尾相連的微小線段來逼近給定曲線。每經過一個插補周期就進行一次插補計算，算出下一個插補點，即算出插補周期內各坐標軸的進給量，如等，得出下一個插補點的指令位置。,(二) 直線函數(shù)法,圖2-57 直線插補原理,(三) 擴展DDA數(shù)據(jù)采樣插補,1 .擴展DDA直線插補 2. 擴展DDA圓弧插補,2.5 可編程控制器PLC,2.5.1可編程控制器結構與工作方式 在傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)中，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由導線將電氣元連接起來實現(xiàn)的，我們把這樣的控制系統(tǒng)稱之為“硬接線”程序控制系統(tǒng)。在這種接線控制系統(tǒng)中，控制功能的改變必須通過修改控制器件和接線來實現(xiàn)。而可編程控制系統(tǒng)是通過修改PLC的程序來完成?？删幊炭刂葡到y(tǒng)也稱之為“軟接線”程序控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與微型計算機控制系統(tǒng)基本相似，它是由硬件和軟件兩大部分組成。PLC實質上是一種用于工業(yè)控制的專用計算機，但對硬件各部分的定義及工作過程則與PC有很大差異。,一、可編程控制器的結構,二、可編程控制器工作方式,實際上，PLC掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其他工作，整個工作過程分為自診斷、通訊