第三章计算机数控系统

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江西旅游商贸职业学院JIANG XI LV SHANG XUE YUAN

机械工程系

数控原理与编程

第三章计算机数控系统

第一节、概述

第二节、MNC系统的构成

第三节、CNC的硬件结构

第四节、 CNC系统软件

第五节、运动轨迹的插补原理

第六节、辅助功能与ＰＬＣ

第七节、进给运动的误差补偿

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第一节概述

一、基本概念：

1 NC 硬件数控 :即由硬件电路来完成插补的数控动作，出现的年代： 1952~19652 CNC 计算机数字控制 : 由硬件和软件共同完成数控的功能，具有柔性。 1974 年以后

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二、构成及各部分的功能：1 、构成

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1 ）输入装置 : 完成程序 ,参数等信息的输入 MDI 信息载体2) 输出装置 : 完成打印 ,穿孔显示等3) 通信线路 : 实现串行通讯及网络功能4)CNC: 完成与外围设备联系 ,控制系统各部分功能5)PLC: 完成机床的顺序控制 ,换刀 ,APC 等6) 主轴单元 : 接受 CNC 的指令 ,控制主轴电机的转速及旋

向7) 速度单元 : 接收 CNC 的指令 ,控制各伺服轴的动作

2 、各部分的功能

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第二节、 MNC 系统的构成

一、概念 : 采用微处理器构成的数控装置称为 MNC二、组成 : 中央单元 (CPU)

总线 BUS

存储器 (RAM, ROM)

I/O 接口电路 PLC 主轴单元速度控制单元等

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三、各部分介绍 :

1 CPU; BUSCPU: 由运算器、控制器、内部寄存器构成衡量 CPU 的两个因素 : 1 ）位数 2 ）速度作用 : 对系统内部工件及操作进行统一控制 , 按照程序中指令的要求进行各种运算 , 使系统成为一个有机整体 .

BUS: 总线 , 信息公共通路的总称物理导线分为 : 地址总线 (DB) 数据总线 (AB) 控制总线 (CB)

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2 存储器 : 作用 : ① 存放系统软件 , 零件程序参数等 ② 存储运算的中间结果分类 :

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RAM( 随机存储器 )

既可读入也可写出 , 用来存放 ① 程序 ② 参数 ③中间结果①② 均应保持。

ROM:

只读存储器，存放系统软件又分为 : EPROM 、 E2 ROM 、闪存。

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3 I/O 接口电路 :

功能 : 外设不能直接与存储器进行通讯 , 需要通过 CPU 对 I/O 接口的读写操作来完成外设与存储器之间的信息交换

（ 1 ）系统的 I/O 接口：系统的接口常采用串行接口 , 其定义 : 通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传输是在单根线上完成的 . 每次以一个二进制“ 0”“1” 为最小单位进行传输 .优点 : 价格便宜 , 简化通讯设备 , 可通过电话线进行长距离传输缺点 : 传输速度慢 .协议 : 为保证数据传输正确 , 通讯双方遵循某种约定的规程 ( 异步通讯规程 ) 以一帧作为一个数据传输单位

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每一帧包含 : 起始位 , 数据位 , 奇偶校验停止位格式如下 : 信号无传输 : 表明线路上无数据传输起使传输 : 发送方任意时刻将线路上的逻辑 1 状态拉至 0,

发出一个空号 . 表明线路上发送方要传输数据 , 将接受方受到空信号开始准备与发送方同步 , 并希望收到随后的数据 . 数据传输 : 表示一个字符或一个代码等奇偶校验 : 保证每一帧传输的正确性停止位 : 可选择 1,1.5,2, 保证每帧传输时间相等及同步波特率 : 每秒传输的二进制位数 : 300,600,1200,2400,4800,9600

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9针接口 RS232 25针接口

DCD 载波检测 1. 保护地

RXD 接受数据 2.TXDTXD 发送数据 3.RXD DTC 数据终端就绪 4.RTS信号地 SGD 5.CTSDSR 数据设备就绪 6.DS

RRTS 请求发送 7.SGDCTS 清除发送 8.DCDRI 指令结束 20.DTR

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常用的硬件连接：加入图片 PC--------------CNC 保护地 -------------1 2---------------------2 3---------------------3 5---------------------7

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（ 2 ）机床的 I/O 通道：微机与机床的连接电路：

a I/O 电路的功能特点：① 传送信息可靠。 ② 进行信息的转换、 D/A—A/D 。 ③ 抗干扰性。b I/O 控制器构成： I/O 接口、光电隔离、信息转换等组成、

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典型接口 ① 输入电路：

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② 输出装置：继电器输出电路：适用于速度要求不高，但负载电流较大的场合

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晶体管输出电路：

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③ 光电隔离的作用：

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一、分类： 1 、按微处理器分类；单微处理器：只有一个 CPU 、采用集中控制分时方法处理数控的

各个任务。缺点：① 不易进行功能的扩展和提高。 ② 处理速度低、数控功能差。多 CPU ：单 CPU 的弥补：增加浮点协处理器、 8086+8087硬件分担插补采用全智能化的 CRT 、 PLC 部件。

。两个及两个以上的 CPU 组成的 CNC 称为多微处理机系统。。模块分为带 CPU 的主模块和不带 CPU 的从模块。。特点： 1 、性能价格比高 2 、采用模块化结构，良好的适应性和扩展性 3 、硬件易于组织规模生产。 4 、可靠性高。

第三节、CNC

的硬件结

构

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多 CPU 结构分类：共存储器以存储器为中心，各模块工作时，通过优先接受使用请求，使用完成要撤消，释放存储器。共总线以总线为中心，各模块工作时，仅有一个模块可占用总线，多个请求时由总线仲裁器来裁决。

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2 、按照电路板结构分：

1 ）大板结构：主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成 CNC 装置， FANUC-C,0 等 2 ）模块化结构：控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化特点：各功能块功能独立，便于开发同一功能的系列产品，维修维护方便

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二、典型数控系统的硬件结构：

1 、 fanuc-6M系统的硬件介绍

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2 、 SIN840C系统的硬件结构：

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一组成与功能：

CNC 系统软件：管理软件程序的输入输出显示通信

控制软件译码刀具补偿速度处理插补运算位置控制等

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各程序简介：

1 输入程序： ①把零件程序经缓冲器到存储 ②把存储的程序读入缓冲器

记录垂直校验：每个程序数必须有偶数行代码否则以空格代替水平奇偶：每行代码中 1 的个数必须为偶数（ ISO ）或奇数（ EIA ）

第四节、 CNC 系统软件

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各程序简介：

2译码程序：进行代码的识别，及功能代码的解译 ① 代码识别是指将读入代码按内部码地址的不同进行处理 ② 功能处理是指将代码识别的结果按功能再分类，转入相应的功能程序例如： N50 G90G01 X106.Y-60.F46M05;

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3 数据处理：对功能代码进行预处理任务：①刀具半径补偿，速度计算，辅助功能的处理其中：刀具半径补偿：将零件的轮轨迹转化为刀具中心的轨迹。速度代码：确定加工数据数的速度。辅助加工的处理：指顺序程序的处理，设置接口信号。数据的处理为插补程序做准备，称为预计算。

各程序简介：

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4 插补计算程序：作用是对加工轨迹的细化。早期：全部由硬件来完成，由硬件来实施完成速度及位置的分配。现在：软件插补 +硬件插补由软件完成粗插补，将整个轨迹分成几个大段，再由硬件执行各段的细化。

5 伺服控制软件：作用：将位置指令（周期内 4ms ）转化为速度指令。原理：①系统 4ms计算一次指令值 Dc 读一次 Df值 ② 通过计数器计算出△ D=Dc-Df, ③ （ ΔD*Kd ） /4 s 为速度。

各程序简介：

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6 输出程序：将数据处理、插补、伺服处理的结果输出至对应的接口电路7管理程序：管理：数据的输入、处理及切削加工处理主板、时钟信号、故障信号管理为主程序，执行周期较长，实时程序靠中断完成

8诊断程序：对系统内的软件，硬件进行诊断，对故障做出相应的报警提示例如：编程、超程、伺服、 PLC 等

各程序简介：

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二、 CNC 软件的特点：

1多任务并行处理：多个任务，多个程序共用运行。

2多重实时中断处理：理解 P90图：

中断是指终止现行程序转去执行另一程序。待另一程序处理完毕后、再继续执行原程序，

多重中断：按中断的级别排队。实时：是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应。并完成响应和处理。

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三、典型数控软件的工作过程：见中断优先级

（ 1 ）开机后，系统首先进入初始化程序。进行硬、软件初始状态的设置。随后进入中断第一级，进行 CRT显示及 ROM检查。

（ 2 ） PLC 控制能够检测出机床选择的操作方式，处理完成后转入机床的方式处理方式： JOG STOP HANDLE 进行工件原点及对刀。 MDI 可进行机床参数、刀具参数和数控程序的处理。选择 “ MEM〃按循环启动按钮则自动运行零件程序。

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第五节、运动轨迹的插补原理一、插补的概念：理解插补的前提：数控机床刀具轨迹不是连续的，因为它是数字量

1 沿着规定的轮廓、在轮廓的起点和终点之间一定的算法进行数据点密化、即“插入〃“补上〃运动中间点的坐标。通常把这个过程称为插补。分直线插补和曲线插补，

2 软、硬件插补：（ 1 ）硬件（数字）电路来完成插补；（ 2 ）由软件来完成插补功能称为软件插补。（ 3 ）软 +硬

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二、逐点比较插补法：逐点即每一个脉冲当量为一个点。用于没有反馈的开环系统。1 概念：是一种逐点计算、判别偏差，并纠正逼近理论轨迹的一种方法。在插补过程中，每走一步要完成以下四节拍。

（ 1 ）偏差判别：判别当前点偏离理论点的位置。

（ 2 ）进给控制：确定进给坐标及进给方向，并产生移动。（ 3 ）新偏差计算：进给后到达新位置，计算出新的偏差作为下一次判别的依据。

（ 4 ）终点判别：查询是否到达终点。

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2. 在Ⅰ相限直线插补的基本原理（ 1 ）偏差的判别 OE 为理论轨迹：N” 、 N’ 为动点：当 N 在 OE 上时：Yi/Xi=Ye/Xe 即 XeYi-XiYe=0当 N” 在 OE 上方时：Yi/Xi＞ Ye/Xe 即 XeYi-XiYe＞ 0令 F=XeYi-XiYe则：当 F=0 时，在直线上当 F＞ 0 时， N （ Xi ， Yi ）在 OE

上方当 F＜ 0 时， N （ Xi ， Yi ）在 OE

下方

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（ 2)坐标进给当 Fm≥0 时，向 X走一步。当 Fm＜ 0 时，向 Y走一步

（ 3 ）新偏差计算Fm≥0 ，时下一点：Ym+1=Xm+1Ym+1=Ym新偏差： Fm+1=Ym+1×Xe-Xm+1×Ye =YmXe- （ Xm+1 ） Ye =FM-Ye当 Fm＜时， F 下一点 Xm+1=XmYm+1=Ym+1Fm+1=Fm+Xe

（ 4 ）终点判别：根据刀具沿 X 、 Y 轴所走的总步数判别是否达到终点

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第六节、辅助功能与ＰＬＣ

一概念：以微处理器为基础的通用型自动控制装置，它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑 ,顺序，计时，计数和算术运算等功能。

二作用： 1 开关量的控制 2闭环过程控制 3多级控制系统 4 控制机器人类型 5 组合数字控制

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三ＣＮＣ中的ＰＬＣ：

ＣＮＣ的工作包括：ＮＣ位置控制、ＰＬＣ顺序控制

ＣＮＣ中的ＰＬＣ介于ＣＮＣ与ＭＴ之间，其分类；

1 内装式：指ＰＬＣ内含在ＣＮＣ装置内，从属于ＣＮＣ装置，并与ＣＮＣ装置集于一体，内装式既可以单独使用一个ＣＰＵ，也可与ＣＮＣ共同一个ＣＰＵ。例如ＦＡＮＵＣ系统

2独立式ＰＬＣ：　通用ＰＬＣ完全独立于ＣＮＣ装置，具备完备的软件和硬件，能够独立完成ＣＮＣ系统所要求的控制任务。例如：ＳＩＥＭＥＮＳ　ＳＩＮ８４０Ｃ

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1 、Ｍ、Ｓ、Ｔ的实现：Ｍ代码：便于理解指令的执行过程段前辅助功能：Ｉ：０３，０４段后辅助功能：Ａ：０５，０９段内辅助功能：Ｃ：Ｍ０６执行：当ＣＮＣ译码另件程序遇到指令时，将内码送入Ｆ１５１例：ＭＯ 7　Ｆ１５１０００００１１１

四、 PLC 在数控机床控制的基本功能

2 Ｓ实现：早期ＰＬＣ实现Ｓ功能，现在由数控实现Ｓ主轴3 Ｔ功能：由ＰＬＣ实现选刀与换刀控制，换刀有固定换刀和随机换刀两种１）固定换刀：刀具从哪来还放到哪去，刀具号与刀套号位置是固定的刀具交换后，旧刀还方回原位２）随机换刀：取刀与还刀与刀套号无关，换刀时从刀库取走新刀后，刀库不动，旧刀方回原处。修改刀套表数据须有刀具管理数据：刀套表

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一进给运动的误差来源 :1齿隙或间隙 :2螺距误差 :3热变行误差 :等 :

二误差补偿方法 :1 、齿隙 . 间隙的补偿方法有： 1 ）程序补偿 2 ）参数补偿2 螺距补偿：通过检测 ,找出在全行程各点的误差分布 , 将误差分布以参数的形式输入系统来进行补偿 .3热变形误差：（列表法）在不同的温度时测出定位误差曲线，存入表格，在运行中根据检测位置和该温度下该位置的偏差量来确定坐标点的修正量。

第七节、进给运动的误差补

偿

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