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CNC数控系统的硬件结构组成

时间:2020-05-27 22:47 点击次数:

CNC系统的硬件结构

一.单微处理机结构

这种结构只有1个微处理机,采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的CNC装虽有2个以上的微处理机,但其中只有1个微处理机能够控制系统总线,占有总线资源,而其他微处理机成为专用的智能部件,不能控制系统总线,不能访问主存储器,它们组成主从结构(如FNUC—6系统)。这类结构也属于单微机结构。

在这种中微机结构中,所有的数控功能和管理功能都由1个微机来完成,因此CNC装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。

 

二.CNC系统软件的组成与功能

下图所示为CNC系统软件的组成。CNC系统软件可分为管理软件与控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出,显示,诊断和通信功能软件:控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运兑和位置控制等功能软件。

CNC系统软件的组成

1.输入程序

输入程序的功能有两个:一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器;二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。

2.译码程序

在输入的零件加工程序中,含有零件的轮廓信息(线型,起点、终点坐标值)、工艺要求的加工速度及其他辅助信息(换刀、冷却液开/关等)。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前,需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式,并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间,即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中逐个读入字符,先识别出其中的文字码和数字码,然后根据文字码所代表的功能,将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。

3.数据处理程序

数据处理程序有三个任务,即刀具半径补偿,速度计算(即根据合成速度算出各轴的分速度)以及辅助功能的处理等。

刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹:速度计算确定加工数据段的运动速度,开环系统根据给定进给速度F计算出频率f,而闭环、半闭环系统则根据F算出位移量(△L);辅助功能处理足指换刀,主轴启动、停止,冷却液开、停等辅助功能的处理(即M,S,T功能的传送及其先后顺序的处理)。

数据处理是为了减轻插补丁作及速度控制程序的负担,提高系统的实时处理能力,故也称为预计算。下面将着重介绍刀具半径补偿,速度处理将在插补计算程序中的预计算部分介绍,辅助功能的处理将在后面的相关内容中介绍。

(1)刀具半径补偿的概念

在连续进行轮廓加工过程中,由于刀具总有一定的半径[例如铣刀的半径或线切割机的钥丝(或铜丝)半径等],所以刀具中心运动轨迹并不等于加工零件的轮廓。如下图所示,在进行内轮廓加工时,要使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值,而在进行外轮廓加工时,要使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移即称为刀具半径补偿。

刀具半径补偿的概念

为了分析问题方便ISO标准规定,当刀具中心轨迹在编程轨迹(零件轮廓)前进方向的左边时,称为左刀补,用G41指令代码表示,图中所示零件轮廓内部的虚线轨迹。反之,当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时,称右刀补,用G42表示,如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。当不需要进行刀补时,用G40表示。G41,G42和G40均属于模态代码,一旦执行便一直有效,直到同组其他代码出现后才被取消。

(2)C功能刀具半径补偿

①C刀具半径补偿的原理及计算硬件数控机床常用的刀具半径补偿方法,其主要特点是在程序段转换时(如折线或直线与圆弧不相切时)采用圆弧过渡。这种方法在拐角处铣刀刃与工件间的接触产生一停顿时间,工艺性不好,不适合3坐标以上的刀具半径补偿。理想的过渡形式应是直线过渡形式。可见,这种刀补方法追免了刀具在尖角处的停顿现象。计算机数控的刀具半径补偿一般都采用直线过渡的方法,在系统程序中有一个刀具半径补偿子程序,需要时可调用之。

 

4.插补计算程序

插补计算是CNC系统中最重要的计算工作之一。NC装置中采用的是硬件电路(即插补器)来实现各种轨迹的插补。为了在软件系统中计算所需的插补轨迹,这些数字电路必须由计算机的程序来模拟。计算机由若干条指令来实现插补工作,但执行每条指令都需要花费一定的时间,而过去小型或微型计算机的计算速度都+能满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。在实际的CNC系统中,常采用数据采样的插补方法,将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分,控制软件把刀具轨迹分割成若干段,而硬件电路再在段的起点和终点之间进行数据的“密化”,使刀具轨迹控制在允许的误差之内。即软件实现粗插补,硬件实现细插补。

 

5.伺服(位置)控制软件

伺服位置控制软件的主要功能是对插补值进行处理(取全值或取其半值),计算出位置的命令值,同时读一次实际的反馈值,然后计算出命令值与反馈值间的差值(称为位置跟随误差),再乘上增益系数,并加上补偿景从而得到速度命令值。

 

6.输出程序

输出程序的功能有如下几项:

(1)进行伺服控制,如上所述。

(2)反向间隙补偿处理反向间隙值由程序预置。若某一轴由正向变成负向运动,则在反向前输出Q个正向脉冲;反之,若由负向变成正向运动,则在反向前输出Q个负向脉冲(Q为反向间隙,因实际情况而异)。

(3)进行丝杠螺距误差补偿(方法见后面相关内容)

(4)M,S,T辅助功能的输出M,S,T代码大多是开/关量控制,由机床强电执行。

 

7.管理程序

当一个数据段开始插补加工时,管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理,调用各功能子程序,准备好下一段数据。一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行调度。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故陣信号等引起的中断进行处理。

 

8、诊断程序

完善的诊断程序可以防止故障的发生或扩大,在故障出现后,还可以迅速查明故陣的类型和部位,减少故障停机时间。

诊断分多种情况,有启动诊断、在线诊断、停机诊断、远程通信诊断等。

 


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