机床电气控制技模十数控装置结构与原理课件.ppt

数控机床电气控制,教材数控机床电气控制 ,授课教师：杨旭丽QQ：515530001,数控机床电气控制 教材数控机床电气控制 授课教师：杨旭丽,本课程教学手段,教师为辅以职业为核心,学生为主以行动为导向,康大机电工程系自动化教研室,本课程教学手段教师为辅学生为主康大机电工程系自动化教研室,课程定位,数控机床维修安全操作能力数控机床电气线路试验能力电气元件的识别能力典型机床电气线路分析能力典型数控装置应用能力数控机床的维修管理能力数控机床驱动装置分析能力CA6140车床故障排除能力具备自动控制系统分析能力 ,专业能力,方法能力,社会能力,获取信息的能力资料收集整理能力制定、实施工作计划的能力工艺文件理解能力工作交接能力检查、判断能力理论知识的运用能力独立分析的能力 ,沟通协调能力团队协作能力语言表达能力安全与自我保护能力基层生产组织能力责任心与职业道德 ,课程培养目标,康大机电工程系自动化教研室,课程定位数控机床维修安全操作能力专业能力方法能力社会能力获取,主 要 内 容,正在进行,康大机电工程系自动化教研室,主 要 内 容常用电动机及其应用数控机床常用低压电器电器控制,学习单元一,数控装置的硬件结构,康大机电工程系自动化教研室,学习单元一数控装置的硬件结构康大机电工程系自动化教研室,单元一数控装置的硬件结构,单元学习目标了解数控装置在数控机床中的作用和分类；了解数控装置的内部结构；理解数控装置的工作原理。单元学习内容 数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：一是完全由专用硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即NC；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC。由于NC本身的缺点，随着计算机技术的迅猛发展，现在NC已被CNC取代。计算机数控装置是由硬件和软件共同完成数控任务的。 数控系统的硬件结构，按CNC中各电路板的插接方式可分为大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数可分为单微处理器和多微处理器结构；按硬件的制造方式可分为专用型结构和通用计算机式结构；按CNC的开放程度可分为封闭式结构、PC嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。,康大机电工程系自动化教研室,单元一数控装置的硬件结构单元学习目标康大机电工程系自动化教,1、单微处理器结构2、多微处理器CNC 结构,目 录,康大机电工程系自动化教研室,目 录康大机电工程系自动化教研室,一、单微处理器结构（1）,单微处理器结构是指在CNC中只有一个微处理器（CPU）， CPU通过总线与存储器及各种接口相连接，采取集中控制，分时处理的工作方式，完成数控系统的各项任务。如存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等。某些CNC中虽然用了两个以上的CPU ，但能够控制系统总线的只有一个CPU ，它独占总线资源，其它的CPU只是附属的专用职能部件，它们不能控制总线，也不能访问主存储器。它们组成主从结构，故被归属于单微处理器结构中。单微处理器结构框图如图10.1所示，结构简单，容易实现。 单微处理器结构的CNC由微处理器和总线、存储器、位置控制部分、数据输入输出接口及外围设备等组成。,康大机电工程系自动化教研室,一、单微处理器结构（1） 单微处理器结构是指在CNC,一、单微处理器结构（2）,（） 微处理器主要完成信息处理，包括控制和运算两方面的任务。 控制任务根据系统要实现的功能而进行协调、组织、管理和指挥工作，即获取信息、处理信息、发出控制命令。主要包括对零件加工程序输入、输出的控制及机床加工现场状态信息的记忆控制；运算任务是完成一系列的数据处理工作，主要包括译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补计算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。,康大机电工程系自动化教研室,一、单微处理器结构（2） （） 微处理器主要完成信,一、单微处理器结构（3）,（） 存储器用于存放系统程序、用户程序和运行过程中的临时数据。 存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由厂家固化，只能读出不能写入，断电后，程序也不会丢失；加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在有后备电池的CMOS RAM 中，可以读出，也可以根据需要进行修改；运行中的临时数据存放在随机存储器RAM中，可以随时读出和写入，断电后信息丢失。 （） 位置控制部分包括位置单元和速度控制单元。 位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内位移量，控制伺服电机工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元，速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值控制伺服电机以恒定速度运转。,康大机电工程系自动化教研室,一、单微处理器结构（3） （） 存储器用于存放系统,一、单微处理器结构（4）,（） 数据输入输出接口与外围设备是CNC与操作者之间交换信息的桥梁。例如，通过MDI方式或串行通信，可将工件加工程序送入CNC；通过CRT显示器，可以显示工件的加工程序和其它信息。 在单微处理器结构中，由于仅由一个微处理器进行集中控制，故其功能将受CPU字长、数据字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。,康大机电工程系自动化教研室,一、单微处理器结构（4） （） 数据输入输出接口,二、多微处理器CNC 结构（1）,多微处理器结构的CNC中有两个或两个以上的微处理器，各微处理器之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，或者各CPU构成独立部件，采用松耦合，有多层操作系统，有效地实现并行处理。 图10.2为多微处理器结构的CNC的组成框图。CNC的多CPU典型结构有共享总线型和共享存储器型。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（1） 多微处理器结构的C,二、多微处理器CNC 结构（2）,畅多微处理器CNC的基本功能模块多微处理器结构的CNC ，一般由基本功能模块组成，通过增加功能模块，可实现某些特殊功能。（ ） CNC管理模块。该模块管理和组织整个CNC各功能模块协调工作，如系统的初始化、中断管理、总线裁决、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。该模块还完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等插补前的预处理。（） CNC插补模块。该模块根据前面的编译指令和数据进行插补计算，按规定的插补类型通过插补计算为各个坐标提供位置给定值。（） 位置控制模块。插补后的坐标作为位置控制模块的给定值，而实际位置通过相应的传感器反馈给该模块，经过一定的控制算法，实现无超调、无滞后、高性能的位置闭环。（） PLC模块。零件程序中的开关功能和由机床传来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的起停、刀具交换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（2）畅多微处理器CNC的基本,二、多微处理器CNC 结构（3）,（） 操作面板监控和显示模块。零件程序、参数、各种操作命令和数据的输入（如软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输入、上位计算机输入等）、输出（如通过软盘、硬盘、键盘、各种开关量和模拟量的输出、打印机输出）、显示（如通过LED、CRT、LCD等） 所需要的各种接口电路。 （） 存储器模块。该模块作为程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。 畅共享总线结构 以系统总线为中心的多微处理器CNC，把组成CNC的各个功能部件划分为带有CPU或DMA器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块（如各种RAM、ROM模块、IO模块）两大类。所有主、从模块都插在配有总线插座的机柜内，共享标准系统总线。系统总线的作用是把各个模块有效地连接在一起。按照标准协议交换各种数据和控制信息，构成完整的系统，实现各种预定的功能。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（3） （） 操作面板监,二、多微处理器CNC 结构（4）,在系统中只有主模块有权控制和使用系统总线。同一时刻只能由一个主模块占有总线，通过仲裁电路裁决各主模块同时请求系统总线的竞争，按承担任务的重要程度预先安排好各主模块的优先级别或高低顺序。总线仲裁的目的就是在各主模块争用总线时，判别出各模块优先级的高低。支持多微处理器系统的总线都设计有总线仲裁机构，通常有串行方式和并行方式两种裁决方式。在串行总线裁决方式中，优先权的排列是按链接位置决定的。某个主模块只有在前面优先权更高的主模块不占用总线时，才可使用总线，同时通知其后优先权较低的主模块不得使用总线，图10.3为串行总线仲裁连线方式。在并行总线裁决方式中，要配置专用逻辑电路来解决主模块的判优问题，通常采用优先权编码方案，图10.4 为并行总线仲裁连线方式。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（4） 在系统中只有主模块,二、多微处理器CNC 结构（5）,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（5）康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（6）,各结构模块之间的通信主要依靠存储器来实现，大部分系统采用公共存储器方式。公共存储器直接插在系统总线上，供任意两个主模块交换信息，有总线使用权的主模块都能访问，使用公共存储器的通信双方都要占用系统总线。 支持这种系统结构的总线有：STD BUS（支持8位和16位字长），Multi Bus（I型可支持16位字长，型可支持32位字长），S100 BUS（可支持16位字长），BERSA BUS（可支持32位字长） 以及VME BUS（可支持32位字长） 等。制造厂为这类总线提供各种型号规格的OEM（Original Equipment manufacture）产品，包括主模块和从模块，由用户选用。 （） 分布式总线结构。如图10.5 所示，各微处理器之间均通过一条外部的通信链路连接在一起，它们相互之间的联系及对共享资源的使用都要通过网络技术来实现。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（6） 各结构模块之间的通,二、多微处理器CNC 结构（7）,（） 主从式总线结构。如图10.6所示，有一个微处理器称为主控微处理器，其它则称为从微处理器，各微处理器也都是完整独立的系统。只有主控微处理器能控制总线，并访问总线上的资源，主微处理器通过该总线对从微处理器进行控制、监视，并协调多微处理器系统的操作；从微处理器只能被动执行主微处理器发来的命令，或完成一些特定的功能，不可能与主微处理器一起进行系统的决策和规划等工作，一般不能访问系统总线上的资源。主、从微处理器的通信可以通过IO接口进行应答，也可以采用双端RAM技术进行，即通信的双方都通过自己的总线读写同一个存储器。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（7） （） 主从式总线,二、多微处理器CNC 结构（8）,（） 总线式多CPU 结构。如图10.7所示，有一条并行主总线连接着多个微处理器系统，每个CPU 可以直接访问所有系统资源，包括并行总线、总线上的系统存储器及IO接口；同时还允许自由独立地使用所有资源，诸如局部存储器、局部IO接口等。各微处理器从逻辑上分不出主从关系，为解决多个主CPU争用并行总线的问题，在这样的系统中有一个总线仲裁器，为各CPU分配了总线优先级别，每一时刻，只有总线优先级较高的CPU 可以使用并行主线。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（8） （） 总线式多C,二、多微处理器CNC 结构（9）,畅共享存储器结构,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（9） 畅共享存储器结构,二、多微处理器CNC 结构（10）,采用多端口存储器来实现各CPU 之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突。但这种方式由于同一时刻只能有一个微处理器对多端口存储器读写，所以功能复杂。当要求微处理器数量增多时，会因争用共享存储器而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此扩展功能很困难。图10.8 为采用多微处理器共享存储器的结构框图。,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（10） 采用多端口存储器,二、多微处理器CNC 结构（11）,思考与练习 10.1.1 数控系统有哪几部分组成？ 10.1.2 单微处理器数控系统有什么特点？ 10.1.3 数控系统的多微处理器有哪几种典型结构？,康大机电工程系自动化教研室,二、多微处理器CNC 结构（11）思考与练习康大机电工程系,学习单元二,数控装置的软件结构,康大机电工程系自动化教研室,学习单元二数控装置的软件结构康大机电工程系自动化教研室,单元二数控装置的软件结构,单元学习目标了解数控系统的软件结构及界面特点；理解数控系统中软件模块的工作特点。单元学习内容,康大机电工程系自动化教研室,单元二数控装置的软件结构单元学习目标康大机电工程系自动化教,1、数控装置的软件结构2、数控装置软件结构的特点,目 录,康大机电工程系自动化教研室,目 录康大机电工程系自动化教研室,一、数控装置的软件结构（1）,数控装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境。数控装置软件的结构取决于数控装置中软件和硬件的分工，也取决于软件本身所应完成的工作内容。数控装置软件是为实现数控装置各项功能而编制的专用软件，又称系统软件，分为管理软件和控制软件两大部分，如图10.9 所示。在系统软件的控制下，数控装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令，使机床进行工件的加工。,康大机电工程系自动化教研室,一、数控装置的软件结构（1） 数控装置由软件和硬件组,一、数控装置的软件结构（2）,同一般计算机系统一样，由于软件和硬件在逻辑上是等价的，所以在数控装置中，由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成，但软、硬件各有其不同特点。硬件处理速度较快，但价格贵，软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢，因此在数控装置中，软、硬件的分配比例通常由其性能价格比决定。 随着电子和计算机技术的发展，以“硬连接”构成的数控系统，逐渐过渡到以软件为主要标志的“软连接”数控时代。即用软件实现机床的逻辑控制、运动控制，因而具有较强的灵活性和适应性。,康大机电工程系自动化教研室,一、数控装置的软件结构（2） 同一般计算机系,一、数控装置的软件结构（3）,图10.10为三种典型数控装置的软、硬件界面关系。,康大机电工程系自动化教研室,一、数控装置的软件结构（3） 图10.10为三种典型,二、数控装置软件结构的特点（1）,数控装置是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中，融会了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中多任务并行处理、前后台型软件结构和中断软件结构三个特点又最为突出。 数控装置的多任务并行处理 数控装置软件一般包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件包括输入、IO 处理、显示、诊断等；而系统控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置补偿等。在许多情况下，数控装置的管理的控制工作必须同时进行，即所谓的并行处理。例如，加工控制时必须同步显示系统的有关状态，位置控制与IO 控制同步处理，并始终伴随着故障诊断功能；控制本身的插补、位置控制、预处理之间的并行处理。图10.11为并行任务处理图，双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（1） 数控装置是一个专用,二、数控装置软件结构的特点（2）,前后台型软件结构 数控装置软件可以设计成不同的结构形式，不同的软件结构对各任务的安排方式、管理方式也不同。常见的数控装置软件结构形式有前后台型软件结构和中断软件结构。前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器数控装置。在这种软件结构中，前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（2） 前后台型软件结,二、数控装置软件结构的特点（3）,处理、面板扫描及输出等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理等，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中实时中断程序不断插入。前后台程序相互配合完成加工任务。如图10.12 所示，程序启动后，运行完初始化程序即进入背景程序环，同时开放定时中断，每隔一固定时间间隔发生一次定时中断，执行一次中断服务程序。就这样，中断程序和背景程序有条不紊地协同工作。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（3）康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（4）,中断型软件结构 中断型软件结构没有前后之分，除了初始化程序外，根据各控制模块实时的要求不同，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。位置控制被安排在级别较高的中断程序中，其原因是刀具运动的实时性要求最高，数控装置必须提供及时的服务。CRT显示级别最低，在不发生其它中断的情况下才进行显示。 （） 中断程序的通信方式 为了进行系统管理，系统中断程序之间采取的通行方式有以下几种。 设置软件中断。第1、2、4 级设置成软件中断，第6级设置硬件中断，由时钟定时执行，每4中断一次。第6级中断请求两次后，第4级中断产生一次（第4级每8 产生一次）。第6级中断四次，第1，2级设置中断请求一次。这样便将第1、2、4、6级中断联系起来。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（4） 中断型软件结构,二、数控装置软件结构的特点（5）, 中断服务程序自身的链接。系统的第1级中断分为13个口，每一个口对应状态的一位，每一位对应处理一个任务，即第1级中断包括13个子任务。在执行第1 级中断各口的处理时，可以设置口状态字处理其它位的请求，如图10.13所示。如在8号口的处理程序中，可将2号口置1，这样8号口程序一旦执行完，即刻转入2号口处理。 设置标志。标志是各程序之间相互通信的有力工具。例如，第4级中断主要完成插补功能，每8ms中断一次。译码、刀具半径补偿等在第1级中断中进行。在第1级中断服务程序中，进行完译码和刀具半径补偿后即刻设置标志。是否开放插补中断程序取决于该标志的设置。在未设置译码、刀具半径完成标志时，数控装置跳过插补服务程序而继续往下执行。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（5） 中断服务程序自,二、数控装置软件结构的特点（6）,（） 典型中断的功能 第2级中断。主要功能是对机床控制台的输入信号（控制台送给NC 的控制开关信号和按钮信号）及NC键盘进行监控处理。其次是穿孔机操作处理，还有M、S、T、H强电信号处理和输出信号处理等。第2级中断的简化框图如图10.14 所示，程序段的增量以8ms为单位。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（6） （） 典型中断的,二、数控装置软件结构的特点（7）, 第4级中断。该级中断最重要的功能是完成插补计算。系统中采用“时间分割法”插补，即将程序段的增量以8ms为单位，划分为许多小段，每次插补进给一小段。一次插补处理可以分4个阶段，即速度计算、插补计算、终点判别、进给量变换。第4级中断简化框图如图10.15所示。 设置标志，在下一次第4级中段时，先根据标志进行下一程序段的第4级预处理（将轨迹参数搬到插补的参数区等）；进行速度处理，根据所设的标志，将本次插补的轴向进给量，作为本次总的轴向进给量；插补预处理，是将由第1级中断计算出的并已存于“输入存储器”的本程序段刀具运动的中心轨迹等参数及一些轨迹线型（G01，G02）标志，搬入参数区。一般，对于有插补要求的程序段，都要先进行插补预处理。 进给量换算处理。进给量换算包括进给量公英制换算和进给量的指数加减处理。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（7） 第4级中断。该,二、数控装置软件结构的特点（8）, 第6级中断。本级中断主要完成位置控制、4ms定时计时和存储器奇偶校验工作。该典型数控系统中，位置控制是软件和硬件配合下完成的。软件部分的任务是在第6级中断中，定时地从“实际位置计数器”中回收实际位置值，然后将位置指令值与实际位置值之间的差值换算成速度指令值，送给硬件的“速度指令寄存器”，去控制电动机的运转4ms定时计时。具体办法是：对4ms进行计数，每隔8ms定时地产生一次第 级和第 级软件中断请求。每隔16ms定时地产生一次第 级和第 级软件中断请求。以4ms为时间基准，对4ms进行累加计算，和数就是数控装置使用的时间，这就是计时功能。 存储器奇偶校验，其方法依ROM和RAM而有所不同，通过读、写奇偶校验的方法，来判断RAM是否出错，如果出错，先使伺服系统停止工作，并报警；然后，对出错的区域进行写和读全0，全1试验，找出出错的地址和出错的状态，并将出错范围、出错地址和出错状态在显示器上显示。ROM的奇偶校验以一块ROM为单位，通过求该块ROM的累加和的方法实现。若出错，则使伺服系统停止工作，点亮报警灯，找出出错的位置，并在显示器上显示出该ROM在印制板上的安装位置。第6级中断简化框图如图10.16所示。,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（8） 第6级中断。本,二、数控装置软件结构的特点（9）,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（9）康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（10）,思考与练习 10.2.1 数控装置系统软件结构的特点是什么？ 10.2.2 数控装置系统软、硬件界面有哪几种形式？ 10.2.3 数控系统的功能由硬件和软件实现各有什么特点？,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（10）思考与练习康大机电工程系,二、数控装置软件结构的特点（11）,康大机电工程系自动化教研室,二、数控装置软件结构的特点（11）康大机电工程系自动化教研,学习单元三,数控装置的信息处理,康大机电工程系自动化教研室,学习单元三数控装置的信息处理康大机电工程系自动化教研室,单元学习目标了解数控装置控制软件的基本任务；理解零件程序的输入、数据处理、插补计算的要求和原理。单元学习内容 使用数控机床加工，必须编制好零件加工程序，而零件程序的解释与具体执行，则要由系统程序来完成。 数控装置的控制软件主要完成以下基本任务。 （） 系统管理。 （） 操作指令的处理。 （） 零件程序的输入、解释与执行。 （） 系统状态显示。 （） 手动数据输入（MDI）。 （） 故障报警和诊断,单元三数控装置的信息处理（1）,康大机电工程系自动化教研室,单元学习目标单元三数控装置的信息处理（1）康大机电工程系,单元三数控装置的信息处理（2）,其中，核心任务是控制零件程序的执行。一个零件程序的执行首先要输入数控系统，然后经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行数控装置输出的指令，驱动机床完成加工。整个过程可以用图10.17 表示。,康大机电工程系自动化教研室,单元三数控装置的信息处理（2） 其中，核心任务是控,1、零件程序的输入2、数据处理3、插补计算,目 录,康大机电工程系自动化教研室,目 录康大机电工程系自动化教研室,一、零件程序的输入,零件程序的输入一般通过MDI 键盘或通信方式进行，大都采用中断方式。 数控装置的接口接收到一个字符后就向CPU 发出中断信号，激活中断服务程序，每读入一个字符，先进行奇偶校验，检查读入字符的正确性；再进行语句检查，即检查该字符是不是程序字的信息，最后才把输入的字符存入零件程序缓冲区。 输入一段完整的程序后还要进行语法检查，即检查各个字是否符合程序段格式；字的顺序对不对，需要的信息是否完整等。通过了这些检查，才把此程序段输入到零件程序存储器。零件程序的输入过程如图10.18 所示。,康大机电工程系自动化教研室,一、零件程序的输入 零件程序的输入一般通过MDI 键盘,二、数据处理,零件程序输入后，插补程序是不能直接应用的，必须对加工程序进行预处理，得出插补程序所需要的数据信息和控制信息。数据处理，主要包括译码、运动轨迹计算和速度计算。 译码是把零件程序中的各种信息转为数控装置系统所能识别的专门信息，存放在指定的内存专用空间。译码处理的过程如图10.19 所示。 运动轨迹计算是将工作轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹（通过刀具补偿实现）；速度计算主要解决加工运动的速度问题。,数控装置在处理数据过程中，有很多程序是并存的。数控装置中各种信息的存储与传递（即交换）是通过各种缓冲寄存区实现的。,康大机电工程系自动化教研室,二、数据处理 零件程序输入后，插补程序是不能直接应用,三、插补计算（1）,数控系统的主要任务是对机床运动轨迹的控制，一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程，由数控系统实时地计算出各个中间点的坐标，即通过数控系统的计算“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。插补的结果是输出运动轨迹的中间坐标值，机床的伺服驱动系统根据这些坐标值控制各坐标轴协调运动，加工出预定的几何形状。 插补工作可以用硬件或软件实现。早期的硬件数控系统（NC），采用硬件的逻辑电路来实现插补，而计算机数控系统中，一般由软件来完成。 软件插补法可分为脉冲增量插补法和数据采样插补法两类。,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（1） 数控系统的主要任务是对机,三、插补计算（2）,（一） 脉冲增量插补法 脉冲增量插补法把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，驱动各坐标轴运动。每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，即脉冲当量。由于输出脉冲的最大速度取决于执行一次运算所需的时间，因此，进给速率受到一定限制，所以适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。 、逐点比较法直线插补 逐点比较法的基本原理是控制对象每走一步都要和规定的轨迹进行比较，根据比较结果决定下一步移动的方向，向误差最小的方向移动。逐点比较法是以阶梯折线来逼近运动轨迹的。 如 图10.20所示，加工轨迹为第一象限直线OA，起点坐标O 为坐标原点，终点坐标为A（X，），点M（X，Y）为加工点（动点）。若M在直线OA 上，则有： XYXY 若M 点在直线OA 的上方，有： XYXY,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（2） （一） 脉冲增量插补法康大机电工,三、插补计算（3）,若M 点在直线OA 的下方，有： XYXY所以，越小，M点越逼近直线。因此，可用作为判别函数，判断动点和直线的相对位置。对于待加工的第一象限直线OA，在X，Y方向只能向X，Y方向运动，并应向使最小的方向走步。所以 当，向X 方向移动一步； 当，向Y 方向移动一步； 当，向X 方向、Y 方向或X， Y 同时运动的三个方向中，选择使最小的方向移动。,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（3）若M 点在直线OA 的下方，有：康大机电,三、插补计算（4）,直线插补的终点判别可采用两种办法，一是设置两个减法计数器，在加工前，分别存入终点坐标值X ，Y 。X 或Y 方向上每走一步，就在相应的计数器中减，直到两个计数器中的数都减为零时，停止插补；二是设置一个计数器，存入X 和Y 坐标进给的步数总和N，即N X Y ，每走一步，计数器减，直到N 为止。 逐点比较法直线插补的计算，需要以下4个步骤。 （） 偏差计算。计算值，作为偏差判别的依据。 （） 偏差判别。根据值确定动点和直线的相对位置，决定下一步进给的方向。 （） 坐标进给。根据判别结果，向相应的方向移动一步。 （） 终点判别。根据计数器的内容是否为判别是否到达终点。对于其它象限的直线，插补过程类似，区别仅仅是坐标的移动方向不同。 、逐点比较法圆弧插补 逐点比较法圆弧插补的原理与直线插补相同，先判断动点与圆弧的相对位置，然后决定进给方向，最后判别是否到达终点。详细过程不再赘述。,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（4） 直线插补的终点判别可采用两种办法,三、插补计算（5）,（二） 数据采样插补法 数据采样插补是用小段直线来逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，可达到很高的进给速度，适用于闭环数控系统。 数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期执行一次插补运算，计算出下一个插补点（动点）坐标，从而计算出下一周期各个坐标的进给量，进而得出下一插补点的位置。计算机定时对坐标的实际位置进行采样，采样数据与指令位置进行比较，得出位置误差，再根据位置误差对伺服系统进行控制，达到消除误差，使实际位置跟随指令位置的目的。插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的整数倍。对于直线插补，动点在一个插补周期内运动的直线段与给定直线重合。对于圆弧插补，动点在一个插补周期内运动的直线段以弦线（或切线、割线）逼近圆弧。数据采样插补的具体算法有多种，如时间分割法、扩展DDA法、双DDA法等，本书不做详细介绍。,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（5） （二） 数据采样插补法康大机电工,三、插补计算（6）,思考与练习 10.3.1 零件加工程序输入的过程是怎样的？ 10.3.1 数控系统的数据处理包括哪几个方面？ 10.3.3 何谓插补？ 有哪两大类插补算法？,康大机电工程系自动化教研室,三、插补计算（6）思考与练习康大机电工程系自动化教研室,学习单元四,数控装置的通信,康大机电工程系自动化教研室,学习单元四数控装置的通信康大机电工程系自动化教研室,单元四数控装置的通信,单元学习目标掌握数控装置异步串行通信接口和网络通信接口定义；掌握数控装置异步串行通信和网络通信的实现单元学习内容 随着CAD、CAM、CIMS计算机集成制造系统）等技术的发展，机床数控装置与计算机的通信显得越来越重要。现代数控装置一般具有与上级计算机或DNC（分布式数控系统）计算机直接通信或连入工厂局域网进行网络通信的功能。数控装置常用的通信接口有异步串行通信接口RS 232和网络通信接口。,康大机电工程系自动化教研室,单元四数控装置的通信单元学习目标康大机电工程系自动化教研室,1、异步串行通信接口2、网络通信接口,目 录,康大机电工程系自动化教研室,目 录康大机电工程系自动化教研室,一、异步串行通信接口（1）,异步串行通信接口在数控装置中应用非常广泛，主要实现一台计算机与一台数控机床连接进行信息的交换。 在串行通信中，广泛使用的接口标准是RS 232C标准。它是美国电子工业协会在1969年公布的数据通信标准。RS是推荐标准的英文缩写，232C是标准号，该标准定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的连接信号的含义及其电压信号规范等。 RS232C 串行信息格式如图10.21所示，其中停止位可以是1位、15位或2位。传送的波特率可为9600、4800bs、2400bs、1200b、600bs、300bs、150bs、110bs、75bs、50bs。波特率是每秒所传送的数据位数。,康大机电工程系自动化教研室,一、异步串行通信接口（1） 异步串行通信接口在数控装,一、异步串行通信接口（2）,RS 232C共有25条线，大多采用DB 25 型25 针的连接器，常用信号的作用如表10.1所示。 RS 232电平与TTL 逻辑电平不同，逻辑0 电平规定为5 15 之间，逻辑1 电平为515之间。因此，RS 232C 与TTL 电路连接必须经过电平转换。常用的电平转换芯片有MC1488（发送端）和MC1489（接收端）。 异步串行通信的特点是：安装、调试简单方便，软硬件投资少，最大传输距离不超过15，通信速率不超过20KBs。,康大机电工程系自动化教研室,一、异步串行通信接口（2） RS 232C共有25,一、异步串行通信接口（3）,康大机电工程系自动化教研室,一、异步串行通信接口（3）康大机电工程系自动化教研室,二、网络通信接口（1）,随着机械制造业的发展和竞争的激烈，对生产自动化提出更高的要求，生产要有极高的灵活性并能充分利用制造设备资源。因此将计算机和数控设备通过工业局域网连接在一个信息系统中，构成柔性制造系统（FMS）或计算机集成制造系统（CIMS）。联网时应能保证高速和可靠地传送数据和程序，因此一般采用同步串行传送方式，在数控装置中设有专用的通信微处理器接口来完成通信任务。其通信协议都采用以ISO开放式互联系统参考模型的 层结构为基础的有关协议，或IEEE802局域网络有关协议。近年来制造自动化协议MAP 已很快成为应用于工厂自动化的标准工业局域网的协议。 从计算机网络技术看，计算机网络是通过通信线路并根据一定的通信协议互联起来的。数控装置可以看作是一台具有特殊功能的专用计算机。计算机的互联是为了交换信息，共享资源。工厂范围内应用的主要是局域网络，通常它有距离限制（几千米），较高的传输速率，较低的误码率和可以采用各种传输介质。,康大机电工程系自动化教研室,二、网络通信接口（1） 随着机械制造业的发展和竞争的,二、网络通信接口（2）,一台计算机同时与多台数控机床进行信息交换，通常需以下硬件：网线（双绞线RJ45 水晶头）、交换机（或集线器）、带网卡的计算机。所需软件为支持网络的专业DNC 软件包，如DNC MAX 或EXTREMEDNC等。 这类通信方式的优点是：管理计算机的数量少（通常使用一台管理计算机的最多可以同时与256台数控机床进行通信），通信内容（一般指NC程序和参数）便于管理，操作简便（加工程序传输的操作只需在数控机床端进行，而管理机端完全是自动的）。在硬件方面可以实现热插拔而且通信距离较远。思考与练习 10.4.1 串行通信的特点是什么？ 10.4.2 RS232接口标准是什么？,康大机电工程系自动化教研室,二、网络通信接口（2） 一台计算机同时与多台数控机床,