数控原理4数控系统及插补原理.ppt

第4章 计算机数控系统,第一节 CNC系统的组成与功能 第二节 CNC系统的硬件结构 第三节 CNC系统的软件结构 第四节 逐点比较法插补原理与实现 第五节 数字积分法插补原理与实现 第六节 数据采样（数字增量）插补原理与实现 第七节 数控系统的刀具补偿,CNC系统和CNC装置 CNC系统：数控装置、 PLC 、伺服系统,第一节 CNC系统的组成与功能,CNC系统的组成,CNC装置硬件组成：CPU、存储器、I/O接口,程序输入/输出设备交换信息通道 通信设备交换信息通道 计算机数字控制装置各种信息处理 可编程控制器（PLC）开关量控制 主轴驱动装置控制主轴转速，实现主轴定位 进给驱动装置进给轴的速度、位置控制,CNC装置应该具备以下一些功能： (1)控制坐标轴运动/联动的功能。 (2)准备功能，也称G功能。 (3)插补功能。 (4)进给控制功能。 (5)主轴控制功能。 (6)辅助控制功能。 (7)选刀及工作台分度功能。 (8)固定循环功能。 (9)补偿功能。 (10)字符、图形显示功能。 (11)诊断功能。 (12)通信功能。 (13)在线自动编程功能。,核心功能,5,非核心功能,CNC系统的功能,基本功能 控制功能轴运动、联动轴 准备功能插补线形等（G功能：G00点定位；G01直线插补） 插补功能运行数据计算 进给功能进给速度控制（F100：100mm/min） 刀具功能刀具参数、换刀（T01：第1号刀） 主轴功能转速（S800：主轴转速为800r/min） 辅助功能起停、转向、冷却液通断、刀库起停等（M功能：M02程序结束；M05主轴停止） 字符显示功能人机对话的信息显示 自诊断功能查明故障，减少停机 安全功能通过PLC，控制限制各坐标在安全区内运动,选择功能 补偿功能刀具长度、半径补偿 固定循环功能如钻孔等可借助宏程序功能完成 通信功能如借助RS232串口等进入通信FMS通信网络 人机对话编程功能CAD/CAM功能,CNC装置的工作过程,一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置 二、 专用CNC装置与开放式CNC装置,第二节 CNC装置的硬件结构,CNC装置的硬件构成,CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。 各组成部分的作用如下： 中央处理单元(CPU) 它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。 存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。 位置控制 主要完成与伺服系统之间的信息交换。 输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。 MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。,CNC装置硬件构成,CPU,EPROM,RAM,输入 接口,输出 接口,MDI CRT 接口,位置 控制 接口,其它 接口,磁带或 磁盘机 接 口,总线,（一）单微处理器结构CNC装置,在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各项任务。 有的CNC装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。,一、单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置,单微处理机数控系统结构组成,图3-5 单微处理器CNC装置组成框图,1、 单微处理器CNC装置组成硬件的作用,1）微处理器 微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施： 采用协处理器； 由硬件完成一部分插补工作； 采用带有微处理器的PLC和CRT等智能部件。 经济型CNC装置常采用8位的微处理器芯片或采用单片机芯片(8位或16位)作为微处理器，一般CNC装置通常采用16位或32位微处理器芯片。现在的CNC装置都采用64位微处理器芯片。,2） 总线,总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。 (1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，采用单向线。 (2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。 (3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。,3） 存储器,存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使断电，程序也不会丢失。常用的EPROM有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随机读写，但断电后信息随即消失。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修改并且断电后，信息仍保存。,4） PLC,PLC用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序实现M、S、T功能的控制。 PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC是CNC装置的一个部件，可以共享CNC装置的CPU，也可以配置单独的CPU。独立型PLC完全独立于CNC装置，本身具有完备的硬件（CPU、ROM、RAM等）和软件，可以独立完成规定的控制任务。,5） 位置控制模块,CNC装置中的位置控制模块与伺服驱动装置的速度控制单元、位置检测元件组成位置闭环控制系统。 位置环主要用于单个轴运动的位置控制。 轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。,6） I/O接口,对CNC装置来说,由机床向CNC传送的信号称为输入信号，由CNC装置向机床传送的信号称为输出信号。I/O接口的主要类型有： 开关信号接口 模拟信号接口 标准输入输出设备接口 串行通信接口,1） CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能都由它集中控制，分时处理。 2） 微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC装置； 3）结构简单，容易实现； 4）单微处理器因为只有一个微处理器进行集中控制，其功能将受微处理器字长、数据宽度，寻址能力和运算速度等因素限制。,2、单微处理器CNC装置的结构特点,3、（单微处理器）CNC装置的印刷电路板方式,1）大板结构 CNC装置由主板和辅助功能板（卡）组成 辅助功能板插在主板插槽内，受主板驱动 2）模块化结构 CNC装置由母板和功能模板组成 功能模板插在母板插槽内，由CNC控制板驱动其他功能模块,（二）多微处理器结构,多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。与单微处理器CNC装置相比，多微处理器CNC装置的运算速度有了很大提高，它更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。 多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式: 紧耦合结构：各微处理器构成处理部件，处理部件之间采取紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。 松耦合结构：由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采取松耦合方式，有多重操作系统，可以有效地实现并行处理。,多微处理器数控系统结构组成,1、多微处理器CNC装置的基本功能模块,模块化结构的多微处理器CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。 1）CNC管理模块 管理和组织整个CNC系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。 2）CNC插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。,3）位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。 4）存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。 5）PLC模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。 6）指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。,2、多微处理器 CNC装置的典型结构,1）共享总线结构 由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。 主模块，从模块，串行总线裁决，并行总线裁决。,2) 共享存储器结构,在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，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问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。下图为共享存储器结构框图。,3、多微处理器结构的特点,为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代CNC装置多采用多微处理器结构，其主要特点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。 多微处理器结构的CNC装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力,能很方便地进入FMS、CIMS。 能够进行多种语言显示。,二、专用CNC装置与开放式CNC装置,1 传统数控系统存在的问题 2 国外对开放式数控系统的研究 3 开放式数控系统应具有的特征 4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 5 开放式数控系统一例,(一)CNC装置必须开放化 专用型CNC装置采用封闭式的体系结构。其系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计的，与其他系统的同类型功能板相互不能通用；其系统软件的结构也是专用的，系统软件的细节对外不公开，不能提供给用户。 由于CNC装置的封闭性，机床制造厂家几乎不可能自主地组成、配备所需要的CNC装置，CNC装置功能的增加和修改必须得有CNC装置开发人员的介入。机床制造厂家更不能根据自身的需要开发适合自己应用领域的部件或引用第三厂商生产的部件。最终用户在使用、维护CNC装置时也同样会面临这个问题。,开放式数控装置,1 传统数控系统存在的问题 专用软硬件的封闭性，各数控系统厂商的产品不兼容 系统功能固定，用户无法重新定义和扩展 缺乏与其他设备的互联和网络互联通道，不利于企业的网络化和信息化 人机界面不灵活,开放式数控装置,2 国外对开放式数控系统的研究 美国：1981 NGC 计划，1991 SOSAS 标准 1994 OMAC 计划 (OPEN MODULAR ARCHITECTURE CONTROL) 欧洲：1992 OSAC 计划 (OPENSYSYTEM ARCHITECTURE FOR CONTROLS WITHIN AUTOMATION SYSYTEM) 日本: OSEC 计划 (OPENSYSTEM ENVIROMENT FOR CONTROLLER) 中国：2000年 “新一代开放式数控系统平台”研究计划,开放式数控装置,3 开放式数控系统应具有的特征 模块化： 功能，体系结构 标准化 平台无关性 可再开发 适应网络操作方式,二、专用CNC装置与开放式CNC装置,(二) 开放式CNC装置的组成方式 基于PC的CNC装置 PC+NC形式的CNC装置 软件型,基于PC的 数控装置的硬件构成,NC+PC 的复合式结构 PC+NC 的递阶式结构 PC+I/O 的软件化结构 PC+功率接口的集成化结构 PC+实时网络的分布式结构,1 PC 化数控系统的体系构架：,1 PC 化数控系统的体系构架： NC+PC 的复合式结构,Nc+Pc复合式结构又称专用数控加Pc前端的结构，是一种由专用数控装 置与通用PC相结合构成的双平台复合结构。这类结构的组成框图如图6-l所示。,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+NC 的递阶式结构(PMAC视频）,PC+NC的递阶式结构是以PC为基础，在其上扩展各类数控模块所形成的一种PC数控系统的典型结构。与NC+PC结构不同，PC+Nc结构的重心在PC，组成系统所需的其他模块将根据被控对象的要求灵活确定，因而具有良好的开放性。,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+I/O 的软件化结构,PC+IO软件化结构的基本思想是，采用功能更强大的PC硬件平台和更有效的实时程序设计技术，将PC+NC系统中NC部分的控制功能(由单片机和DSP加硬件完成的进给轴运动控制、主轴运动控制、开关量控制等)纳入到Pc平台中，由PC的主CPU来完成，从而减小PC数控系统的硬件规模，使PC数控的硬件系统仅为PC硬件平台+少量的I0接口，形成PC+IO替代PC+NC的软件化数控系统结构。,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+功率接口的集成化结构,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+功率接口的集成化结构,根据PC+I/O结构的思想，如果进一步将数控系统底层的所有信息处理和控制功能(包括伺服驱动器中的控制功能)纳入到PC平台中，由PC的主CPU来完成，则PC数控系统的外部硬件规模将减至最小，即只剩下与执行装置连接的功率接口，由此形成PC+功率接口的高度集成化的PC数控系统结构。 在集成化数控系统中，所有数控功能全部由软件来实现，彻底消除了各子系统的冗余硬件及连接各子系统的硬件接口和通信线路，并有效简化软件接口和软件结构。因此，集成化PC数控系统中“集成”的含义，不仅仅是一般意义下的信息集成，而是从硬件、软件到信息的全面集成。,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+实时网络的分布式结构,基于PC的 数控装置的硬件构成,1 PC 化数控系统的体系构架： PC+实时网络的分布式结构,分布式结构系统的基本思想是将组成数控系统的下层子系统(如数字式伺服系统、主轴驱动系统、PLc等)，通过以光缆等为介质的实时网络与Pc数控装置连接起来，组成一完整的高性能数控系统。这类系统的典型结构如图65所示。图中，各进给轴驱动器和主轴驱动器均为全数字化结构，其控制核心广泛采用高速DsP，以实现位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂控制算法。另外，一般要求各子系统自身带有实时网络接口，以免去用户加装网络接口的麻烦。由于这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通信和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，并减轻Pc主机的负担，易于使整个数控系统具有较高的性能。同时，由于采用一根光缆即可实现控制器与所有执行装置问的连接，因而非常有利于构成复杂大系统，以解决重大装备和复杂系统的控制问题。此外，分布式结构非常有利于数控系统的扩展，例如，要为数控系统增加两个坐标轴控制功能，只需将驱动器接人已有网络即可，不必增加接口卡和相应的连线。,基于PC的 数控装置的硬件构成,2 PC 数控装置的硬件平台-PC 机硬件结构：,基于PC的 数控装置的硬件构成,3 PC 数控装置的总体结构： 考虑PC机种类及接口总线,基于PC的 数控装置的硬件构成,3 PC 数控装置的总体结构： 考虑PC机种类及接口总线,基于PC的 数控装置的硬件构成,3 PC 数控装置的总体结构： 考虑PC机种类及接口总线,基于PC的 数控装置的硬件构成,3 PC 数控装置的总体结构： 考虑PC机种类及接口总线,图7-8 母板背板的基于PC104的数控装置,基于PC的 数控装置的硬件构成,3 PC 数控装置的总体结构： 考虑PC机种类及接口总线,基于PC的 数控装置的硬件构成,4 针对PC机不同总线设计数控接口的例： ISA总线,进给轴速度指令：模拟电压 主轴速度指令：模拟电压 限位、零点信号：数字电平 反馈信号：鉴向、倍频、计数,基于PC的 数控装置的硬件构成,针对PC机不同总线设计数控接口的例： ISA总线,进给轴速度指令：模拟电压 主轴速度指令：模拟电压 限位、零点信号：数字电平 反馈信号：鉴向、倍频、计数,基于PC的 数控装置的硬件构成,针对PC机不同总线设计数控接口的例：42p166 PCI总线,进给轴速度指令：脉冲 主轴速度指令：模拟电压 限位、零点信号：数字电平 反馈信号：鉴向、倍频、计数,基于PC的 数控装置的硬件构成,针对PC机不同总线设计数控接口的例：42p166 PCI总线,进给轴速度指令：脉冲 主轴速度指令：模拟电压 限位、零点信号：数字电平 反馈信号：鉴向、倍频、计数,基于PC的 数控装置的硬件构成,4 针对PC机不同总线设计数控接口的例： USB,基于PC的 数控装置的硬件构成,针对PC机不同总线设计数控接口的例： USB,进给轴速度指令：脉冲 主轴速度指令：模拟电压 反馈信号：鉴向、倍频、计数,基于PC的 数控装置的硬件构成,4 针对PC机不同总线设计数控接口的例： USB,进给轴速度指令：无线 反馈信号：无线,基于PC的 数控装置的硬件构成,4 针对PC机不同总线设计数控接口的例： USB,进给轴速度指令：无线 反馈信号：无线,基于PC的 数控装置的硬件构成,开放式数控装置,4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 （1）形式：PC+NC, PC+I/O, PC+软件 （2）特点： 软件化系统内核，柔性和开放性 CNC 装置与驱动器和PLC连接的发展方向 是现场总线 较强的网络操作功能,发展方向：标准的软件化开放式的控制器,开放式数控装置,4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 (2)特点：CNC与驱动器、PLC和I/O连接的发展方向是现场总线,表7-1 各种现场总线及其应用场合和主要参数,SECOS总线：应用,开放式数控装置,4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 (2)特点：CNC与驱动器、PLC和I/O连接的发展方向是现场总线,开放式数控装置,4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 (2)特点：CNC与驱动器、PLC和I/O连接的发展方向是现场总线,SECOS总线：,SECOS总线：应用 5p194,开放式数控装置,4 目前开放式数控系统的形式 和所具有的特点 (2)特点：CNC与驱动器、PLC和I/O连接的发展方向是现场总线,开放式数控装置,基于Linux的开放式结构数控系统：系统的组成,开放式数控装置,5 开放式数控系统一例 25p159,基于Linux的开放式结构数控系统：系统的组成,开放式数控装置,5 开放式数控系统一例 25p159,一、CNC装置的控制流程 二、CNC装置的多任务并行处理 三、CNC装置软件的结构,第三节 CNC装置的软件结构,一、CNC装置的基本控制流程,数控加工需要的各种控制指令、参数及加工数据通过输入设备送人CNC装置的存储器中。加工时再从存储器中调出进行译码。译码后分成两路：低速辅助信息(主要用于实现M、S、T功能)通过PLC处理，输出；高速轨迹信息通过预处理(包括刀具补偿处理和进给速度处理)，插补和位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的协同移动。,数控软件的数据转换流程,数控软件的功能,1、信息输入,数控加工所需要的零件加工程序通常从键盘、光电阅读机或通信接口输入。由输入程序来完成。输入程序主要任务： 1）从键盘或光电阅读机将零件加工程序输人到零件程序存储器中； 2）将零件程序存储器中的零件加工程序送入缓冲器中，以便进行后续处理。,零件加工程序的存取,零件加工程序在零件程序存储器中按段连续存放，段与段之间、程序与程序之间不留任何空间。每个程序段中有几个单元用来存放该段的顺序号、字数、字符数等信息，为取数、显示、编辑提供方便。 在零件程序存储器中还设有零件程序目录表和存、取程序的指针，该指针始终指向下一步应该存人或取出的单元。 目录表一般由零件加工程序名称、在零件程序存储器中存放的起始地址和终止地址等三部分组成。在调用或编辑零件加工程序时，根据调用命令中指定的程序名查阅目录表。查不到则给出错误信息。查到则将该零件加工程序的起始地址和终止地址取出，存放在指定单元，然后逐 段取出，直到将该零件加工程序取完为止。,2、译码,译码即是将零件加工程序转换为CNC装置能够接受的代码： 将零件加工程序按程序段划分 解释每个程序段中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线还是圆弧等)、速度信息(F代码)和其他辅助信息(M、S、T代码)等 存储解释后生成的目标代码在指定的存储区 检查程序段语法，错误报警。 总是以程序段为单位进行,3、预处理,预处理是插补运算前的预备处理。 1）刀具补偿处理：将零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 刀具长度补偿 刀具半径补偿 2）进给速度处理： 根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方向的分速度。 根据机床允许的最低速度和最高速度进行限速处理。,4、插补,插补即是在已知起点和终点的曲线上插入、补充一些中间点，进行数据点的密化。 插补算法应能满足数控机床在实时控制中快速性和精确性的双重要求 目前常用的插补算法有两种： 脉冲增量法：脉冲形式输出 数字增量法：数字量形式输出。,5、位置控制,在闭环(半闭环)的CNC系统中，位置控制由CNC装置中的位置控制软件来完成。 伺服控制系统还包括有速度环和电流环。 在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等。,6、IO处理 IO处理即是利用PLC程序对CNC装置与机床之间的信号输入、输出进行逻辑处理和控制。 7、显示 现代CNC装置多采用CRT或LCD作为显示工具。 显示零件加工程序、参数、刀具位置、机床状态、故障信息、加工轨迹的静态和动态图形。,8、诊断,起动诊断是指从系统通电至进入正常的运行准备状态一段时间内，CNC装置内部诊断程序自动执行的诊断。 在线诊断也称后台诊断(BackgroundDiagnostics)，是指通过CNC装置内装诊断程序在准备和循环运行状态期间，对CNC装置本身及与其连接的外部设备、伺服系统等执行的自动诊断。包括输入数据、程序错误的检测；操作差错的检测；与伺服系统、电动机有关的故障检测；超程检测；电路板间连接故障的检测；机内超温检测；动态RAM的电池电压监测等。 离线诊断多在CNC装置因故障停机后进行。离线诊断一般由经过专门训练的人员，借助于模拟操作面板、测试用的计算机、逻辑分析仪以及专用的工程师面板、便携式测试仪器等，对CNC装置进行检查，以便查明故障原因，精确确定故障部位。,9、通信功能,作为分布式数控系统、柔性制造系统设备层控制器，为适应CNC装置与上级主计算机或单元控制器间的大量数据交换的需要，要求CNC装置： 具有一般的串行通信功能 具有网络通信功能,二、CNC装置的多任务并行处理,CNC装置的系统软件必须完成管理和控制两项任务。,第三节 二、CNC装置的多任务并行处理,并行处理指CNC装置同时进行管理和控制的某些工作 例如： 在加工过程中，显示任务与控制任务必须同时执行 控制软件的运行中，其本身的各项处理任务也需要同时执行 译码、刀具补偿、和速度处理任务需和插补任务同时执行 插补任务又需和位置控制任务同时进行,双箭头表示任务之间有并行处理关系,多任务并行处理的实现 （1） 资源分时共享,各任务占用CPU时间示意图,（2） 时间重叠流水处理 时间重叠流水处理示意图,第三节 三、CNC装置的软件结构,常见的CNC装置软件结构： 前后台式软件结构 中断式软件结构, 前后台式软件结构,前后台式软件结构适合于采用集中控制的单微处理器结构的CNC装置。 前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控等。 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，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序,CNC系统软件的结构分类,前后台型结构 前台：实时性要求强的模块，如插补、伺服控制、机床I/O控制，异常情况处理等。 后台：背景程序、加工程序的输入/输出程序、加工程序的编制、译码、数据处理、系统状态显示、管理调度等。它是程序的主体结构。,前后台型结构模式 前后台程序的运行关系,前后台式软件在运行过程中的调度管理功能由背景程序完成。 背景程序通过设置标志来达到对实时中断程序的管理和控制。,中断式软件结构,中断式软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，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。调度管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。 适用于多微处理器结构的功能分布式CNC装置。,中断型结构的数控软件系统,例：FUNUC 7系统,西门子经济型CNC解决方案,SINUMERIK 802D: 用于标准立式加工中心或车床（最多4个坐标轴）,SINUMERIK 802D 系统简介,CNC的控制流程,第四节 逐点比较法插补原理与实现,插补的基本概念,加工程序段给出轮廓的起点、终点坐标和轮廓的曲线方程，数控系统实时计算，插入、补上中间坐标,这一数据的密化工作称为插补(Interpolation)。（可看作是拟合的相反过程） 插补的输出是轮廓的中间坐标值，运动轴伺服驱动系统根据这些坐标值控制坐标轴的位置形成运动轨迹。,插补程序是CNC系统控制软件的核心 中间点计算所占用的时间直接影响系统的控制速度 中间点的计算精度将影响零件的加工精度 不管采用何种方式进行插补，插补轨迹只能是折线。,插补算法的种类,按插补原理 （插补算法）,脉冲增量插补（基准脉冲插补） 数字增量插补（数据采样插补）,插补的实现：硬件插补（粗插补）、软件插补（精插补）。,插补概述,插补的分类（按照原理分类） 基准脉冲插补又称脉冲增量插补，以脉冲形式输出，每个脉冲代表了机床移动部件的最小位移。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动。脉冲序列的频率代表了移动部件的速度，脉冲的数量代表了机床部件的位移量。 逐点比较法 直线插补 圆弧插补 数字积分法 直线插补 圆弧插补 比较积分法等。,数据采样插补又称时间标量插补，根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期分割成一系列微小直线段（粗插补），然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给（精插补），精插补采用脉冲增量插补。数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准2进制数。 数据采样插补方法很多，但都包括： 直线插补 圆弧插补,插补算法的种类,脉冲增量插补算法,脉冲增量插补为行程（空间）标量插补。特点是每次插补决定出运动一个脉冲行程增量的坐标轴，以脉冲的方式输出控制指令。脉冲增量插补算法主要应用在开环数控系统，中等速度或中等精度要求的数控系统中。 一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量，通常用表示。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定。 脉冲当量值越小，数控机床的加工精度就越高，对数控系统的计算能力的要求也越高。 （普通数控机床为0.001mm，简易数控机床一般为0.01mm）。采用脉冲增量插补算法的CNC系统，其坐标轴进给速度受插补程序运行时间的限制。,插补算法的种类,数字增量插补(数据采样插补)算法,数字增量插补为时间标量插补，特点是每次插补计算出插补周期内各坐标轴X,Y等的位置增量数值，以数字（二进制编码）的形式输出控制指令。数字增量插补算法主要应用在闭环数控系统中 数字增量插补算法适用于交、直流伺服电动机驱动的闭环(或半闭环)位置采样控制系统。插补周期和位置采样周期可以相等，也可以不相等。若不相等，则插补周期应是采样周期的整数倍。,插补算法的种类,逐点比较法 通过比较刀具与所加工零件轮廓曲线的相对位置，确定刀具的运动方向，即每走一步都要将加工的瞬时坐标同规定的零件轮廓相比较，判断一下偏差。如果加工点走到零件轮廓外面去了，那么下一步刀具就要向零件轮廓里面走，反之亦然。 通过偏差计算判断实际轨迹点与理想轨迹的偏差，由比较结果决策移动方向，每次插补仅向一个坐标轴输出进给脉冲。每走一步要做四项工作：,脉冲增量插补算法,偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别,逐点比较法,脉冲增量插补算法,逐点比较法又称区域判别法或醉步式近似法。 原理：每次插补某坐标方向走一步，每走一步都要和规定的轨迹比较，根据比较的结果决定下一步的移动方向。 作用：逐点比较法可以实现直线和圆弧插补。 特点：运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便。 应用对象：两坐标开环CNC系统,逐点比较法的插补过程，每走一步要进行以下四个节拍，具体如下：,逐点比较法,插补流程, 偏差判别：根据偏差值确定刀具相对加工曲线的位置。 坐标进给： 根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐标进给一步，以接近曲线。 偏差计算： 计算新加工点相对曲线的偏差，作为下一步偏差判别的依据。 终点判别： 判断是否到达终点，未到达终点则返回第一步，继续插补，到终点，则停止本程序段的插补。,插补流程,图 逐点比较法工作循环图,直线插补：判断实际轨迹点在直线的上方还是下方 圆弧插补：判断实际轨迹点在圆内还是圆外,逐点比较法,逐点比较法的特点是: 运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，而且输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便。,逐点比较法插补,逐点比较法插补： 以阶梯折线来逼近直线和圆弧等曲线的方法 。 直线插补已知条件： 平面直线 第象限 起点在原点（0，0） 直线插补分类： 四方向插补（平行于坐标方向进给） 八方向插补（除平行于坐标方向进给，还可45°方向进给）,四方向直线插补,如果动点在直线OE 上，直线方程为： 定义 为偏差判别式 动点三个位置： 在直线上方（F0） 在直线下方（F0） 与直线重合（F=0）,直线插补过程,偏差的简化计算,根据进给方向，可简化如下： F0 +x 动点坐标：xn+1=xn + 1 yn+1=yn Fn+1 = yn+1xe - xn+1ye = ynxe - (xn + 1) ye = ynxe - xn ye - ye = Fn - ye F0 +y 动点坐标：xn+1=xn yn+1=yn + 1 Fn+1 = yn+1xe - xn+1ye = (yn + 1) xe - xn ye = ynxe - xn ye + xe = Fn + xe,直线插补进给方向,四方向直线插补实例,例2-1： 加工第象限直线，起点为坐标原点，终点坐标（6，4），试进行插补计算并画出走步轨迹图。,解： 分析：由终点坐标（6，4），得：Xe=6，Ye=4，插补过程如下表。,直线插补过程,直线插补过程,直线插补走步轨迹图,作 业 1,加工第1象限直线，起点为坐标原点，终点坐标为（3，4），试进行插补计算并画出走步轨迹图。 思考题 第、象限直线进给规律如何？,八方向直线插补,八方向直线插补是四方向直线插补的改进。 不仅在+x，+y，-x，-y四个方向进给，而且在对角线+x +y，-x +y，+x -y，-x -y四个方向进给。 每次进给时，有走单步或走双步的选择，先走单步算偏差Fn1，再走双步算偏差Fn2 ，比较其绝对值，选择小的作为实际进给方式。 计算时，先判断直线终点落在几区。如落在2区，可能的进给方向有+x+y或+y；如落在5区，可能的进给方向有-x-y或-x，区域的边界线就是可能的进给方向。,八方向直线插补分区,八方向直线插进给,八方向直线插补实例111,例2-2： 加工第象限直线，起点为原点，终点（5，9），用总和判别法进行终点判别，用八方向逐点比较法进行插补，列表计算并画出走步轨迹图。,解： 分析：由终点坐标 （5，9）得： X=5，Y=9 ，XY，终点位于2区，应先走+y，然后走+y+x。=5+9=14，偏差计算公式如下：,八方向直线插补过程,八方向直线插补过程,八方向直线插补走步轨迹图,(5，9),X,Y,0,E,八方向逐点比较法应注意的问题,用坐标绝对值进行计算 进给方向正负由专门程序处理 每次计算两组偏差，取绝对值较小的作为进给依据 总和判终法按：单步时减一；双步时减二。,作 业 2,加工第象限直线，起点为原点，终点（5，3），用总和判别法进行终点判别，八方向逐点比较法插补，列表计算并画出走步轨迹图。 思考题 八方向直线插补误差最大为多少？与四方向直线插补相比有何优势。 第、象限八方向直线插补任何计算？,逐点比较法圆弧插补,设加工第象限逆圆，圆心在原点，半径为R。当动点m在圆弧上时，满足圆方程，即： 令偏差判别式为：,四方向圆弧插补偏差判别,偏差的三种情况： F0 动点在圆弧外 F=0 动点在圆弧上 F0 -x 方向进给 F=0 -x 方向进给 F0 +y 方向进给,圆弧插补偏差简化计算,第象限逆圆，可简化如下： F0时，y不变，x减1 F0时，x不变，y加1 F0 -x Fn+1 = (xn - 1)2 + yn2 - (x02 + y02) = Fn - 2 xn + 1 F0 +y Fn+1 = xn 2 + (yn+1)2 - (x02 + y02) = Fn + 2 yn + 1,圆弧插补偏差简化计算,第象限顺圆，可简化如下： F0 -y Fn+1 = Fn - 2 yn + 1 F0 +x Fn+1 = Fn + 2 xn + 1,第象限逆圆插补实例,例2-3： 加工第象限逆圆弧，起点坐标为（4，0），终点坐标为（0，4），试进行插补计算并画出走步轨迹图。,解： 分析：由起点坐标（4，0），得：R=4，插补过程如下表。,第象限逆圆插补过程,圆弧插补走步轨迹图,圆弧插补进给方向,作 业 3,如第象限逆圆弧，起点为（4，3），终点为（0，5），试进行插补运算，并画出插补走步图。（提示：圆弧半径要先计算，其他算法不变） 思考题 当加工的圆弧小于或大于1/4圆弧时，如何进行插补计算？ （提示：大于1/4圆弧时就存在过象限，换公式，换进给方向！）,八方向圆弧插补,第一象限共分四种情况： 1区逆圆弧 1区顺圆弧 2区逆圆弧 2区顺圆弧,逐点比较法小结,直线插补 圆弧插补 改进方法,第五节 数字积分法插补原理与实现,数字积分法又称数字微分分析法（DDA，Digital Differential Analyzer），具有运算速度快、脉冲分配均匀、易实现多坐标联动、应用广泛等优点。 动点从原点出发走向终点的过程，可看作各坐标轴每隔一个单位时间，分别以增量形式对两个累加器累加的过程。当累加值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出，溢出的脉冲用来驱动伺服系统进给一个脉冲当量的位移，从而走出给定曲线。,数字积分法插补原理,设有一函数 x = f( t )，该函数在t0tn区间内的积分，即求函数曲线与横坐标在区间(t0， tn)所围成的面积。此面积可表示为：,直线插补原理,取t 为基本单位时间“1”（相当于一个脉冲周期的时间），则上式简化为：,如第象限直线OA，其终点A (xe，ye)，该直线方程为：,直线插补原理,写成对时间 t 的参量方程为： 对时间 t 求微分： 对上式进行积分：,直线插补原理000,把上式积分写成累加的形式： 若经过m次累加后x和y分别到达终点（xe，ye）有：,动点从原点出发走向终点的过程，可看作是各坐标轴每隔一个单位时间t，分别以增量K xe和Kye同时对两个累加器进行累加的过程。,因