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CNC硬件組成與控制原理(1)

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CNC即計算機數控系統(tǒng)(Computerized Numerical Control)的縮寫，它是在硬線數控(NC)系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，由一臺計算機完成早期NC機床數控裝置的所有功能，并用存儲器實現了零件加工程序的存儲。

    小型計算機CNC系統(tǒng)構成。數控系統(tǒng)的核心是計算機數字控制裝置，即CNC裝置。它由硬件(數控系統(tǒng)本體器件)和軟件(系統(tǒng)控制程序如編譯、中斷、診斷、管理、刀補和插補等)組成。系統(tǒng)中的一種功能，可用硬件電路實現，也可用軟件實現。新一代的CNC系統(tǒng)，大都采用軟件來實現數控系統(tǒng)的絕大部分功能。要增加或更新系統(tǒng)功能時，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，由運算器及控制器兩大部分組成。運算器負責數據運算；而控制器則是將存儲器中的程序指令進行譯碼并向CNC裝置的各部分發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，且根據所接收的反饋信息決定下一步的命令操作�？偩€則是由物理導線構成的，分成數據線、地址線和控制線等三組。

    (2) 存儲器。它用以存放CNC裝置的數據、參數和程序。它包括存放系統(tǒng)控制軟件的只讀存儲器EPROM和存放中間運算結果的隨機讀寫存儲器RAM和存放零件加工程序信息的磁泡存儲器或帶后備電池的CMOS RAM。

    (3) MDI/CRT接口。MDI即手動數據輸入單元，CRT為顯示器。由數控操作面板上的鍵盤輸入、修改數控程序和設定加工數據，同時通過CRT顯示出來。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)。光電閱讀機可將由其他紙帶鑿孔機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將程序轉存到存儲器中。有的機床還備有穿孔輸出的紙帶鑿孔機，可將本機上編好的程序制成紙帶，用于其他數控系統(tǒng)中。紙帶輸入/輸出曾經是數控機床和其他計算機控制系統(tǒng)交換信息的主要媒介。也有的機床采用磁帶機或磁盤驅動器等媒介，較之紙帶輸入/輸出更方便。

   (5) 數據輸入/輸出(I/O)接口。它是CNC裝置和機床驅動部件之間來往傳遞信息的接口，主要用于接收機械操作面板上的各種開關、按鈕以及機床上各行程限位開關等信號；或將CNC裝置發(fā)出的控制信號送到強電柜，以及將各工作狀態(tài)指示燈信號送到操作面板等。

    (6) 位置控制及主軸控制。它將插補運算后的坐標位置與位置檢測器測得的實際位置值進行比較、放大后得到速度控制指令，去控制速度控制單元，驅動進給電機，修正進給誤差，保證精度，主要在閉環(huán)或半閉環(huán)數控機床上使用。

    (7) 可編程控制器(PLC)接口。它用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床強電部分的繼電器控制，利用邏輯運算實現各種開關量的控制。

    上述(1)、(2)、(3)、(4)幾部分和PC電腦的功用一樣，所以現代PC-NC數控系統(tǒng)是直接用通用PC機來取代這幾個組成部分的。

    當操作者按下機床操作面板上的“循環(huán)啟動”按鈕后，就向CNC裝置發(fā)出中斷請求。一旦CNC裝置所處狀態(tài)符合啟動條件，則CNC裝置就響應中斷，控制程序轉入相應的控制機床運動的中斷服務程序。進行插補運算，逐段計算出各軸的進給速度、插補軌跡等，并將結果輸出到進給伺服控制接口及其他輸出接口，控制工作臺(或刀具)的位移或其他輔助動作。這樣機床就自動地按照零件加工程序的要求進行切削運動。

1.2.2  CNC系統(tǒng)的軟件結構

    CNC系統(tǒng)軟件是為實現CNC系統(tǒng)各項功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件，存放在計算機EPROM中。各種CNC系統(tǒng)的功能設置和控制方案各不相同，它們的系統(tǒng)軟件在結構和規(guī)模上差別很大，但是一般都包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。

    1．輸入數據處理程序

    它接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數據進行譯碼、數據處理，并按規(guī)定的格式存放。有的系統(tǒng)還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。

    (1) 輸入程序。它主要有兩個任務，一個任務是從光電閱讀機或鍵盤輸入零件加工程序，并將其存放在零件程序存儲器中；另一任務是從零件程序存儲器中把零件程序逐段往外調出，送入緩沖區(qū)，以便譯碼時使用。

    (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。在計算機作插補運算與控制操作前，這些信息必須翻譯成計算機內部能識別的語言，譯碼程序就承擔著此項任務。

    (3) 數據處理程序。它一般包括刀具半徑補償計算、速度計算和輔助功能的處理等。刀具半徑補償計算是把零件輪廓軌跡轉化為刀具中心軌跡。速度計算是解決該加工數據段以什么樣的速度運動。此外，諸如換刀、主軸啟停和切削液開停等輔助功能也在此程序中處理。

    2．插補計算程序

    CNC系統(tǒng)根據零件加工程序中提供的數據，如線段軌跡的種類、起點和終點坐標等進行運算。根據運算結果，分別向各坐標軸發(fā)出進給脈沖。進給脈沖通過伺服系統(tǒng)驅動工作臺或刀具作相應的運動，完成程序規(guī)定的加工任務。

    CNC系統(tǒng)的工作方式是一邊進行插補運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以插補運算的快慢直接影響機床的進給速度，因此要盡可能地縮短運算時間，這是插補運算程序的關鍵。

    3．速度控制程序

    速度控制程序根據給定的速度值控制插補運算的頻率，以保證預定的進給速度。在速度變化較大時，需要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成驅動系統(tǒng)失步。

   4．管理程序

    管理程序負責對數據輸入、數據處理和插補運算等為加工過程服務的各種程序進行調度管理。管理程序還要對由面板命令、時鐘信號和故障信號等引起的中斷進行處理。有的管理程序可以使多道程序并行工作，如在插補運算與速度控制的空閑時間進行數據輸入處理，即調用各種功能子程序，完成下一數據段的讀入、譯碼和數據處理工作，并且保證在數據段加工過程中將下一數據段準備完畢，一旦本數據段加工完畢，就立即開始下一數據段的插補加工。

    5．診斷程序

    診斷程序的功能是在程序運行中及時發(fā)現系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也可以在運行前或故障發(fā)生后，檢查系統(tǒng)各主要部件(如CPU、存儲器、接口、開關和伺服系統(tǒng)等)的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。

    在整體結構上，CNC系統(tǒng)軟件可有前后臺型和中斷型兩種不同的處理方式。

    前后臺型結構是將整個CNC系統(tǒng)軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序為實時中斷程序，承擔了幾乎全部實時任務，實現插補、位置控制，即數控機床開關邏輯控制等實時功能。后臺程序又稱背景程序，實現零件程序的輸入、預處理和管理等各項任務。通常情況下是在背景程序控制中，需要實時加工等操作時就調用前臺程序，前臺程序完成或強行中斷后，即返回背景程序控制狀態(tài)。

    中斷型結構將CNC的各功能模塊分別安排在不同級別的中斷程序中，無前、后臺之分。但中斷程序有不同的中斷級別，級別高的可以打斷級別低的中斷程序，系統(tǒng)通過各級中斷服務程序間的通信來進行處理。

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