第三章 计算机数控装置

第三章计算机数控装置第一节概述一、CNC装置软件的功能结构如图3-2所示。

二、CNC装置的功能控制功能（轴数）、准备功能、插补功能和固定循环功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具管理功能、补偿功能、人机对话功能、自诊断功能、通信功能。

第二节CNC装置的硬件结构一、概述1、单机系统；采用分时处理来实现各种数控功能2、多机系统：有两个或两个以上CPU有一个主CPU有控制和使用系统存储器和系统总结权，其它CPU只能接受主CPU的控制命令或数据二、功能：如图3-5所示1、特点：采用模块化结构，良好的适应性和扩展性、结构紧凑、更换方便2、模块之间的通信a、共享总线：图3-14特点：易实现、经济、效率低b、共享存贮器：图3-15特点：避免防冲突、但扩展较困难三、各模块的作用1、计算机主板和系统总线主板：对输入到CNC装置中的各种数据、信息，进行相应的算术和逻辑运算，CPU芯片及其外围芯片，内存单元、通信接口、软、硬驱动器接口。

系统总线：如图3-7所示，有数据总线、地址总线、控制总线。

2、显示模块：VGA、SVGA3、输入/输出模块（多功能卡）通信接口，RS2324、电子盘（存储模块）作用：如存放系统程序、零件加工程序。

通常采用电子存储器件，即半导体存储器件。

5、设备辅助控制接口模块：如图3-9所示CNC对设备控制：1、轨迹控制：坐标轴的速度和位置；2、顺序控制：对设备动作。

交换的信息：1、开关量信号：行程开关；2、模拟量信号：传感器；3、脉冲量信号。

输入：状态信息→数字信息→计算机输出：满足各种有关执行元件的输入要求。

功率放大（功率匹配）、电气隔离PLC的定义：是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。

6、位置控制模块作用：接受CNC插补运算后输出的位置控制命令，经调节运算输出速度控制指令，然后进行相应的变换后（D/A转换），输出速度指令电压给速度控制单元，去控制伺服电机运行，对于闭环控制或半闭环控制，它还要回收实际位置信号和实际速度信号。

a、开环位置控制模块：如图3-11所示b、闭环位置控制模块：如图3-12所示第三节 CNC 装置的软件结构 一、CNC 装置的多任务并行处理1、CNC 装置的任务2、任务并行处理二、前后台型软件结构：适用于单微处理器CNC 装置1、前台程序：全部实时功能，如位置控制、插补等、实时中断程序2、后台程序：完成准备工作和管理工作，如转入、译码、插补准备、又称为背景程序（弱实时性），如图3-21所示，早期的CNC 装置大都采用这种结构。

三、中断型软件结构，控制程序安排成为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，如图3-22所示。

如FANC7M 系统中断级别 主要功能 中断源 0 控制CRT 显示 硬件 1 译码、刀轨计算、显示处理 软件 2 键盘监控、I/O 信号处理 硬件 3 外部操作面 硬件 4 插补计算、终点判断 软件5 阅读机中断 硬件或软件6 位置控制 硬件7 测试 硬件第四节 CNC 装置的插补原理插补：机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程，叫插补。

一、插补方法的分类： 1． 脉冲增量插补每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量，以一个脉冲的方式输出给步进电机即用折线来逼近曲线。

如逐点、最小偏差、数字积分等，用于采用步进电机驱动的数控系统。

2. 数字增量插补 插补程序的一定时间间隔定时运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移量，即用直线段来逼近曲线。

如数字积分法，时间分割法，用于交直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环系统。

二、逐点较法：（脉冲增量法）它是按照刀具实际位置与规定圆形的位置偏差，引导刀具跟踪规定圆形。

它有四个工作节拍：a 、偏差判别：按刀具的实际位置与规定圆形的位置偏差，确定进给方向。

b 、进给：沿减小偏差的方向进给一步，以向规定圆形靠拢。

c 、偏差计算：计算刀具在新位置上对规定圆的偏差，作为下一步偏差判别的依据。

d 、终点判别：若末到终点，回到a ，若到终点，发运算完成的信号。

问题的关键是选取什么作为能正确反应偏离位置情况的偏差，以及如何进行偏差计算。

（一）圆弧插补：1、加工偏差公式：可以用加工点到圆心的距离和圆弧的半径相比较来反映加工偏差。

设要加工的圆弧在第一象限，逆时针走向半径为R ，起点()00,y x ，终点()e e y x ,，如图所示：0)设动点为（x,y ）当动点在圆弧上时，则有：()()202022y x y x+-+=0取判别函数，令： F=()()22022y x y x +-+根据动点所在区域不同，有下列三种情况： 当F>0，动点在圆弧的外面； 当F<0，动点在圆弧的里面； 当F=0时，动点在圆弧上。

据F=0和F>0合并在一起考虑，按下面规定，就可以实现第一象限逆时针方向的圆弧插补。

a 、插补的()00,y x 开始，第一个脉冲向-X 方向发出；b 、每发出一个脉冲后，计算判别函数F ，并经如下判断。

当F 0≥，下一个脉冲发向-X 当F<0，下一个脉冲发向+yc 、插补进行到e e y y x x ==,时停止 2、偏差计算和插补框图：设：已知动点()j i y x ,的下值为Fi,j ，判别函数应为：()202022,y x y x F j i j i +-+=a 、当向-x 方向进给一步时，11-=+i i x x ，1+j y =j y()()22022,11y x y x F j i j i +-+-=+()20202212y x y x x j i i +-++-=12,,1+-=∴+i j i j i x F Fb 、当向+y 方向移动一步时，i i x x =+1，11+=+j j y y()()2020221,1y x y x F j i j i +-++=+12,1,++=∴+j j i j i y F F由此得出结论：新加工点上的偏差判别式j i F ,1+或1,+j i F 是由前一点判别式j i F ,而来的，还要利用前一点的坐标值i x 或j y ，且i x j y 在插补过程中是变化的。

框图：实例：设欲加工第I 象限逆时针走向圆弧QZ ，起点坐标()0,6Q 终点坐标()6,0Z 半径R=6，用通点比较法将其插补出来。

407<-=Fy ∆+ 31,5212=+==-=++=y y x y F F 8=∑502<-=Fy ∆+ 41,5512=+===++=y y x y F F 7=∑605>=F x ∆- 4,4412==-=+-=y x x F F 6=∑其他象限的圆弧插补公式如表3-2所示：（二）直线插补1、加工偏差公式设有第I 象限直线，以原点为起点（0，0），终点坐标为()e e y x ,。

建立直线方程应为，设动点为（x,y ）eey x y x =取判别函数x y y x F e e -=a 、当0>F 时，即x y y x e e >ee x y x y =，区域在直上方，向+x 方向发送一个脉冲； b 、当F=0时，动点在直线上，向+x 方向发送一个脉冲（此时也可向+y 方向发送一个脉冲）。

c 、当F<0时，动点在直线下方，向+y 方向发送脉冲。

2、偏差计算和插补框图：设动点为()j i y x ,，在该点的偏差值Fi,j 可用下式计算：e i e j j i y x x y F -=,a 、 当：0≥F 时，沿+x 方向走一步， 11+=+i i x x ，j j y y =+1()e i e j e i e j j i y x x y y x x y F 11,1+-=-=++e j i j i y F F -=∴+,,1b 、当F<0时，沿+y 方向走一步，i i x x =+1，11+=+j j y y e j i j i x F F +=+,1,框图如图所示：例：设欲加工直线OZ ，终点坐标为：5=e x ，3=e y 终点坐标为：加工计算过程如下表所示：其他象限的直线插补公式如表3-1所示：三、逐点较法的稳速控制。

插补速度：是指插补运算的输出的指令脉冲，控制机床各个坐标的合成速度，它与进给脉冲源的频率，插补方法及程序段的几何尺寸等因素有关。

同一个工件选定所需要的进给速度之后，在加工过程中，希望插补速度恒定不变，以保证零件的粗糙度和精度，并延长刀具的寿命。

（一）插补速度的分析： 1、直线插补的合成速度设：进给脉冲源的频率为MF f ，则向X 方向发出的指令脉冲频率为：Tx f x =x 方向输出的指令脉冲；T 分频器的周期 x 方向的线速度：δx x f v = δ脉冲当量 y 方向的线速度：δy y f v = δ脉冲当量合成速度：22y x V V V +=按照逐点比较法插补的特点：每来一个脉冲X 向走一步或Y 向走一步。

y x MF f f f +=两边同乘δ得 MF y x v v v =+ （MF v 脉冲源速度）当沿轴向移动时，0=y f （或0=x f ），其合成速度用z v 表示 有MF z v v =ααsin cos 122+=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛==vv v v v v v v v v v v y x y x z MF 又 22cos yx x +=α，22sin yx y +=αyx y x v v MF ++=22MFv v 和α关系如图所示：1.0α讨论：当 0=α或90时，1max=MFv v ，即轴向速度等于脉冲源速度；当45=α时，707.0max=MFv v ，说明在脉冲源不变的情况下，直线插补的合成速度不是常数。

它随α角而变化，其变化范围为：()MF v v 1~707.0= 2、圆弧插补的合成速度：MFv v 和α关系曲线同直线插补，其α角是圆心到动点连线与X 轴间的夹角。

二）逐点比较法的稳速控制在沿轴向运动时，每来二个进给脉冲，沿轴向即合成速度方向走2步；沿45度方向运动时，每来2个脉冲，X 向和Y 向各走一步，合成速度方向仅走1.414步。

沿轴向运动速度快，而沿45=α 方向运动速度慢。

如果没法使沿轴向运动时脉冲源频率低一些，而沿45度方向运动时脉冲源频率高些，则可使合成速度趋于一致。

有两个方法即：1/2分频法；1/3分频法。

现看一看1/2分频法：每当从走X 方向转为走Y 向时，N=1即 MF MF f f 2'= 其余：走X 向或走Y 向，令N=2即 'MF f MF f =直线插补：当45<α时，一个程序共走(x+y)步y x ≥，不会出现y 向连走2步由走X 向转为走Y 向共有Y 次，每一步脉冲所需要的时间周期MF MF T f 2121= 其余X 向的X 步，每一步脉冲所需要的时间周期为：MF MFT f =1 则一个程序需要的时间T 为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=y x T xT T y T MF MF MF 2121一个程序所走的距离，即直线长度L 为：δ22y x L +=合成速度：MF T y x y x T L V δ⋅++==2122 MFT v δαα⋅+=sin 21cos 1 所以合成速度与脉冲源速度之比为：()450sin 21cos 1≤≤+=αααMFv v亦可写成：()y x y x y x v v MF≥++=2122 直线插补：当9045≤≤α同样有：()y x y x y x v v MF≤++=2122 根据（a ）(b),可画出MFv v 曲线：手稿图3-20第七节 可编程控制器 一．概述（一） 可编程控制器概念可编程控制器（Programmable Logic Controller)简称PLC 。