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CNC硬件組成與控制原理(1)

CNC硬件組成與控制原理(1)

作者:佚名來(lái)源:不詳錄入:Admin 更新時(shí)間：2008-7-26 20:46:02 點(diǎn)擊數(shù)：5

【字體：

】

CNC即計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(Computerized Numerical Control)的縮寫(xiě)，它是在硬線數(shù)控(NC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成早期NC機(jī)床數(shù)控裝置的所有功能，并用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了零件加工程序的存儲(chǔ)。

    小型計(jì)算機(jī)CNC系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)控系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置，即CNC裝置。它由硬件(數(shù)控系統(tǒng)本體器件)和軟件(系統(tǒng)控制程序如編譯、中斷、診斷、管理、刀補(bǔ)和插補(bǔ)等)組成。系統(tǒng)中的一種功能，可用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)。新一代的CNC系統(tǒng)，大都采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的絕大部分功能。要增加或更新系統(tǒng)功能時(shí)，則只需要更換控制軟件即可，因此，CNC系統(tǒng)較之NC系統(tǒng)具有更好的通用性和靈活性。

    (1) 微處理器CPU及其總線。它是CNC裝置的核心，由運(yùn)算器及控制器兩大部分組成。運(yùn)算器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)運(yùn)算；而控制器則是將存儲(chǔ)器中的程序指令進(jìn)行譯碼并向CNC裝置的各部分發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號(hào)，且根據(jù)所接收的反饋信息決定下一步的命令操作。總線則是由物理導(dǎo)線構(gòu)成的，分成數(shù)據(jù)線、地址線和控制線等三組。

    (2) 存儲(chǔ)器。它用以存放CNC裝置的數(shù)據(jù)、參數(shù)和程序。它包括存放系統(tǒng)控制軟件的只讀存儲(chǔ)器EPROM和存放中間運(yùn)算結(jié)果的隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM和存放零件加工程序信息的磁泡存儲(chǔ)器或帶后備電池的CMOS RAM。

    (3) MDI/CRT接口。MDI即手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入單元，CRT為顯示器。由數(shù)控操作面板上的鍵盤(pán)輸入、修改數(shù)控程序和設(shè)定加工數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)CRT顯示出來(lái)。CRT常用于顯示字符或圖形信息。

    (4) 輸入裝置(紙帶讀入和穿孔輸出接口)。光電閱讀機(jī)可將由其他紙帶鑿孔機(jī)所制作的紙帶上的程序信息讀入到CNC裝置中，可直接用于控制加工或?qū)⒊绦蜣D(zhuǎn)存到存儲(chǔ)器中。有的機(jī)床還備有穿孔輸出的紙帶鑿孔機(jī)，可將本機(jī)上編好的程序制成紙帶，用于其他數(shù)控系統(tǒng)中。紙帶輸入/輸出曾經(jīng)是數(shù)控機(jī)床和其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)交換信息的主要媒介。也有的機(jī)床采用磁帶機(jī)或磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等媒介，較之紙帶輸入/輸出更方便。

   (5) 數(shù)據(jù)輸入/輸出(I/O)接口。它是CNC裝置和機(jī)床驅(qū)動(dòng)部件之間來(lái)往傳遞信息的接口，主要用于接收機(jī)械操作面板上的各種開(kāi)關(guān)、按鈕以及機(jī)床上各行程限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)；或?qū)NC裝置發(fā)出的控制信號(hào)送到強(qiáng)電柜，以及將各工作狀態(tài)指示燈信號(hào)送到操作面板等。

    (6) 位置控制及主軸控制。它將插補(bǔ)運(yùn)算后的坐標(biāo)位置與位置檢測(cè)器測(cè)得的實(shí)際位置值進(jìn)行比較、放大后得到速度控制指令，去控制速度控制單元，驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)，修正進(jìn)給誤差，保證精度，主要在閉環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床上使用。

    (7) 可編程控制器(PLC)接口。它用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)床強(qiáng)電部分的繼電器控制，利用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)各種開(kāi)關(guān)量的控制。

    上述(1)、(2)、(3)、(4)幾部分和PC電腦的功用一樣，所以現(xiàn)代PC-NC數(shù)控系統(tǒng)是直接用通用PC機(jī)來(lái)取代這幾個(gè)組成部分的。

    當(dāng)操作者按下機(jī)床操作面板上的“循環(huán)啟動(dòng)”按鈕后，就向CNC裝置發(fā)出中斷請(qǐng)求。一旦CNC裝置所處狀態(tài)符合啟動(dòng)條件，則CNC裝置就響應(yīng)中斷，控制程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的中斷服務(wù)程序。進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，逐段計(jì)算出各軸的進(jìn)給速度、插補(bǔ)軌跡等，并將結(jié)果輸出到進(jìn)給伺服控制接口及其他輸出接口，控制工作臺(tái)(或刀具)的位移或其他輔助動(dòng)作。這樣機(jī)床就自動(dòng)地按照零件加工程序的要求進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)。

1.2.2  CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

    CNC系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專(zhuān)用軟件，也叫控制軟件，存放在計(jì)算機(jī)EPROM中。各種CNC系統(tǒng)的功能設(shè)置和控制方案各不相同，它們的系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上差別很大，但是一般都包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。

    1．輸入數(shù)據(jù)處理程序

    它接收輸入的零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼、數(shù)據(jù)處理，并按規(guī)定的格式存放。有的系統(tǒng)還要進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，或?yàn)椴逖a(bǔ)運(yùn)算和速度控制等進(jìn)行預(yù)計(jì)算。

    (1) 輸入程序。它主要有兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)任務(wù)是從光電閱讀機(jī)或鍵盤(pán)輸入零件加工程序，并將其存放在零件程序存儲(chǔ)器中；另一任務(wù)是從零件程序存儲(chǔ)器中把零件程序逐段往外調(diào)出，送入緩沖區(qū)，以便譯碼時(shí)使用。

    (2) 譯碼程序。在輸入的零件加工程序中含有零件的輪廓信息、加工速度和其他輔助功能信息。在計(jì)算機(jī)作插補(bǔ)運(yùn)算與控制操作前，這些信息必須翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的語(yǔ)言，譯碼程序就承擔(dān)著此項(xiàng)任務(wù)。

    (3) 數(shù)據(jù)處理程序。它一般包括刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算、速度計(jì)算和輔助功能的處理等。刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化為刀具中心軌跡。速度計(jì)算是解決該加工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運(yùn)動(dòng)。此外，諸如換刀、主軸啟停和切削液開(kāi)停等輔助功能也在此程序中處理。

    2．插補(bǔ)計(jì)算程序

    CNC系統(tǒng)根據(jù)零件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如線段軌跡的種類(lèi)、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)等進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，分別向各坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖。進(jìn)給脈沖通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或刀具作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完成程序規(guī)定的加工任務(wù)。

    CNC系統(tǒng)的工作方式是一邊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，一邊進(jìn)行加工，是一種典型的實(shí)時(shí)控制方式，所以插補(bǔ)運(yùn)算的快慢直接影響機(jī)床的進(jìn)給速度，因此要盡可能地縮短運(yùn)算時(shí)間，這是插補(bǔ)運(yùn)算程序的關(guān)鍵。

    3．速度控制程序

    速度控制程序根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證預(yù)定的進(jìn)給速度。在速度變化較大時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，以避免因速度突變而造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失步。

   4．管理程序

    管理程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和插補(bǔ)運(yùn)算等為加工過(guò)程服務(wù)的各種程序進(jìn)行調(diào)度管理。管理程序還要對(duì)由面板命令、時(shí)鐘信號(hào)和故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。有的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插補(bǔ)運(yùn)算與速度控制的空閑時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入處理，即調(diào)用各種功能子程序，完成下一數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理工作，并且保證在數(shù)據(jù)段加工過(guò)程中將下一數(shù)據(jù)段準(zhǔn)備完畢，一旦本數(shù)據(jù)段加工完畢，就立即開(kāi)始下一數(shù)據(jù)段的插補(bǔ)加工。

    5．診斷程序

    診斷程序的功能是在程序運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類(lèi)型。也可以在運(yùn)行前或故障發(fā)生后，檢查系統(tǒng)各主要部件(如CPU、存儲(chǔ)器、接口、開(kāi)關(guān)和伺服系統(tǒng)等)的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。

    在整體結(jié)構(gòu)上，CNC系統(tǒng)軟件可有前后臺(tái)型和中斷型兩種不同的處理方式。

    前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)是將整個(gè)CNC系統(tǒng)軟件分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)了幾乎全部實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、位置控制，即數(shù)控機(jī)床開(kāi)關(guān)邏輯控制等實(shí)時(shí)功能。后臺(tái)程序又稱背景程序，實(shí)現(xiàn)零件程序的輸入、預(yù)處理和管理等各項(xiàng)任務(wù)。通常情況下是在背景程序控制中，需要實(shí)時(shí)加工等操作時(shí)就調(diào)用前臺(tái)程序，前臺(tái)程序完成或強(qiáng)行中斷后，即返回背景程序控制狀態(tài)。

    中斷型結(jié)構(gòu)將CNC的各功能模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷程序中，無(wú)前、后臺(tái)之分。但中斷程序有不同的中斷級(jí)別，級(jí)別高的可以打斷級(jí)別低的中斷程序，系統(tǒng)通過(guò)各級(jí)中斷服務(wù)程序間的通信來(lái)進(jìn)行處理。

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