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数 控 技 术

辽阳职业技术学院. 数 控 技 术. 主讲教师：吴刚. 3 、数据采样的 CNC 系统加减速控制 加减速控制大多采样软件来实现，以便使系统的速度控制更为灵活方便。 加减速控制可以在插补前进行，称为前加减速控制； 也可以在插补后进行，称为后加减速控制。. （ 1 ）前加减速控制 是对编程的 F 指令值即合成速度进行控制。首先要计算出稳定速度 F s 和瞬时速度 F i 。 所谓稳定速度，就是系统处于恒定进给状态时，在一个插补周期内每插补一次的进给量。 实际上就是编程给定 F 值（ mm/min ）在每个插补周期 T （ ms ）的进给量。.

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  1. 辽阳职业技术学院 数 控 技 术 主讲教师：吴刚

  2. 3、数据采样的CNC系统加减速控制 • 加减速控制大多采样软件来实现，以便使系统的速度控制更为灵活方便。 • 加减速控制可以在插补前进行，称为前加减速控制； • 也可以在插补后进行，称为后加减速控制。 • （1）前加减速控制 • 是对编程的F指令值即合成速度进行控制。首先要计算出稳定速度Fs和瞬时速度Fi。 • 所谓稳定速度，就是系统处于恒定进给状态时，在一个插补周期内每插补一次的进给量。 • 实际上就是编程给定F值（mm/min）在每个插补周期T（ms）的进给量。

  3. 考虑调速方便，设置了快速和切削进给的倍率开关，其速度系数设为K（％），可得Fs的计算公式为：考虑调速方便，设置了快速和切削进给的倍率开关，其速度系数设为K（％），可得Fs的计算公式为： • 稳定速度计算结束后，要进行速度限制检查，如稳定速度超过由参数设定的最高速度，则取限制的最高速度为稳定速度。 • 瞬时速度就是系统每个插补周期的实际进给量。 • 当系统处于恒定进给状态时，瞬时速度Fi＝Fs； • 当系统处于加速状态时，瞬时速度Fi<Fs； • 当系统处于减速状态时，瞬时速度Fi>Fs；

  4. 1)线性加减速处理 • 当数控设备启动、停止或在加工中改变进给速度时，系统能进行自动加减速处理，这种处理常有指数、线性和s型等加减速。 • 线性加减速的处理过程： • 首先，把快速进给和加工进给的加减速率必须作为机床参数预先给予设定。 • 设进给设定F（mm/min），加速到F所需时间为t（ms），则加/减设定a可按下式计算：

  5. 加速时，系统每插补一次都要进行稳定设定、瞬时速度和加速处理。加速时，系统每插补一次都要进行稳定设定、瞬时速度和加速处理。 • 若给定稳定速度要作改变，当计算出的稳定速度Fs′大于原来的稳定速度Fs时，则要加速。 • 或者，给定的稳定速度Fs不变，而计算出的瞬时速度Fi<Fs，则也要加速。 • 每加速一次，瞬时速度为： Fi＋1＝Fi＋at • 新的瞬时速度Fi+1参加插补计算，对各坐标轴进行进给量的分配。如图。

  6. 减速时，系统每进行一次插补运算后，都要进行终点判断，也就是要计算出离终点的瞬时距离si。减速时，系统每进行一次插补运算后，都要进行终点判断，也就是要计算出离终点的瞬时距离si。 • 并按本程序段的减速标志，判别是否已到达减速区，若已到达，则要进行减速。 • 如图，如果稳定速度Fs和设定的加/减速度a已确定，可用下式计算出减速区域：

  7. 若本程序段要减速，即si≤s，则设置减速状态标志，并进行减速处理。每减速一次，瞬时设定为：若本程序段要减速，即si≤s，则设置减速状态标志，并进行减速处理。每减速一次，瞬时设定为： • Fi＋1＝Fi－at • 新的瞬时速度Fi+1参加插补计算，对各坐标轴进行进给量的分配。一直减速到新的稳定设定或减到零。 • 如果提前一段距离开始减速，则可按需要，把提前量Δs作为参数预先设置好，这样，减速区域s的计算式为：

  8. 2）终点判别处理 • 在前加减速处理中，每次插补运算后，系统都要按求出的各轴插补进给量来计算刀具中心离开本程序段终点的距离si，并以此进行终点判别和检查本程序段是否已到达减速区并开始减速。 • 对于直线插补，si的计算可应用公式： • 设直线终点P坐标为（xe,ye），x为长轴，其加工点A(xi,yi)也就已知，则瞬时加工点A离终点P距离si为：

  9. 对于圆弧插补，si的计算应按圆弧所对应的圆心角小于及大于π两种情况进行分别处理，如图。对于圆弧插补，si的计算应按圆弧所对应的圆心角小于及大于π两种情况进行分别处理，如图。 • 小于π时，瞬时加工点离圆弧终点的直线距离越来越小，以MP为基准，A点离终点的距离为： • 大于π时，设A电为圆弧AP的起点，B点为离终点P的弧长所对应的圆心角等于π时的分界点，C点则为小于π圆心角的某一瞬时点。

  10. 瞬时点离圆弧终点的距离si的变化规律是： • 当瞬时加工点由A到B点时，si越来越大，直到它等于直径； • 当加工点越过分界点B后，si越小。 • 在这种情况下的终点判别，首先应判别si的变化趋势，若si变大，则不进行终点判别处理直到越过分界点； • 若si变小再进行终点判别处理。 • 过程如下图所示。

  11. （2）后加减速控制 • 放在插补后各坐标轴的加减速控制为后加减速控制。 • 这种加减速控制是对各运动坐标轴进行分别控制， • 因此，可利用实际进给滞后于插补运算进给这一特点，在减速控制时，只要运算终点到就进行减速处理，经适当延迟就能平稳地到达程序终点，无需预测减速点。 • 后加减速控制的规律实际上与前加减速一样，通常有直线和指数规律的加减速控制。 • 直线加减速控制使机床起动时，速度按一定斜率的直线下降，如图。

  12. 指数加减速控制目标是把机械设备起动或停止时的速度突变，变成随时间按指数规律上升和下降。指数加减速控制目标是把机械设备起动或停止时的速度突变，变成随时间按指数规律上升和下降。 • 指数加减速度与时间的关系为： • 加速时 v(t)=vc(1-e-1/T) • 匀速时 v(t)=vc • 减速时 v(t)=vce-1/T • 式中T为加减速时间参数；vc为稳定速度；v(t)为被控的输出速度。

  13. 根据闭环、半闭环数控系统的控制方式，可用如图所示的算法原理图来实现指数加减速控制。根据闭环、半闭环数控系统的控制方式，可用如图所示的算法原理图来实现指数加减速控制。 • 图中t表示采样周期，其作用是每个采样周期进行一次加减速运算，对输出速度进行控制。 • 误差寄存器E将每个采样周期的输入速度vc与输出速度v之差进行累加， • 累加结果一方面保存在误差寄存器中，另一方面与1/T相乘，乘积作为当前采样周期加减速控制的输出速度v。同时v又反馈到输入端，准备下一采样周期到来。

  14. 前加减速控制的优点是不会影响实际插补输出的位置精度，而需要进行预测减速点的计算，花费CPU时间；前加减速控制的优点是不会影响实际插补输出的位置精度，而需要进行预测减速点的计算，花费CPU时间； • 后加减速控制的优点则是无需预测减速点，简化了计算，但在加减速过程中会参数实际的位置误差，这当然仅仅是局部的。

  15. 第四章 计算机数控系统 • 第二节 CNC的轨迹控制原理 第一节 概述 • 第三节 刀具位置补偿和半径补偿 • 第四节 进给速度和加减速控制 • 第五节 CNC的输入输出与通信功能

  16. 第五节CNC的输入输出与通信功能 • 一、 CNC与外部设备间数据传送要求 • 二、 数据通信与网络通信基础 • 三、 CNC应用的数据通信与网络通信接口

  17. 一、CNC与外部设备间数据传送要求 CNC机床若要运行，必须要有被加工零件程序指令信号及相关数据作为输入，并以此有相应的数据与信息的输出，从而控制机床执行件工作。 通常与CNC进行数据传送和信息通信的设备有： • CNC机床在单机运行中常用的数据输入输出设备； • CNC机床在自动化生产系统中的通信； • CNC机床在网络化生产中的通信。

  18. 1、CNC机床在单机运行中常用的数据输入输出设备1、CNC机床在单机运行中常用的数据输入输出设备 • 如用于输入的光电纸带阅读机、零件加工程序的编程机或计算机、可编程控制器的编程机或计算机、数据调整用的手摇脉冲发生器、方便操作机床用的外部机床控制面板或遥控面板等。 • 用于输出的有纸带穿孔机、打印和穿复校设备、CRT等显示设备、进给驱动和主轴驱动线路等。 • 进给和主轴驱动这两部分与CNC在同一机柜或相邻机柜内，通过内部连线相连，不设输入输出接口。 • 在开放式CNC的发展中，朝着标准化反向发展，采样现场总线。 • 所有这些与CNC连接的输入输出设备，其数据传输速率一般不会超过9600bit/s，连接距离约30-50mm。

  19. 2、CNC机床在自动化生产系统中的通信 • CNC作为FMS结构中的基础单元层次，用作设备层或工作站层的控制时，可以是群控（DNC）、FMS的有机组成部分。 • 它除了与数据输入输出设备相连外，还要与上级计算机或DNC计算机直接通信或通过工厂局部网络相连，具有网络通信功能。 • 以CNC为基础的自动化直至系统，信息传送量很大，远远超过CNC单机运行的数据量，且传输速率高而距离远。

  20. 3、CNC机床在网络化生产中的通信 • 新的制造模式包括敏捷制造、虚拟企业、网络化生产等。 • 网络化生产中，网络包括因特网(Internet)、企业网(Intranet)或称局域网就成为必不可少的手段。 • 作为制造底层加工单元的CNC机床应是诸网络的一个通信点。

  21. 所谓基带传输即是按数据波的原样而不包含有任何调制进行传输，这是数字通信中最基本的数据传输方式。所谓基带传输即是按数据波的原样而不包含有任何调制进行传输，这是数字通信中最基本的数据传输方式。 • 这种传输方式可以达到较高的数据传输速率(1-10Mbit/s)，但其传输距离一般不超过25km。 二、数据通信与网络通信基础 1、通信系统的构成 CNC是一个专用的计算机系统，它与其他设备的网络通信可以是基带传输，也可以是载波传输、宽带网传输等。

  22. 宽带网传输可传输语言、图像等信息，它与基带网的主要区别是传输速率高，可达400M bit/s，并可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。 • 载波传输是采用数字信号对数据波原样进行调制后实行传输，其构成如图。

  23. 上述是单向通信方式，或称单工方式。 如果通信双方需要随时交流信息，则要求双向通信。这时通信双方都要有发送设备和接收设备，信源兼为收信者。 若共用一个传输媒介，采用时间（或频率）分割的办法来共享，成为半双工方式。 半双工或单工方式是基带网中相连的工作方式。 通信系统除了完成信息传递之外，还必须进行信息的交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，直至构成复杂的通信系统。

  24. 2、数据传输方式 • 设备间的数据传送可采用串行或并行方式。 • 如图为数据的并行输入与输出。 • 并行传送时，传送每一位要一条信号线。

  25. 如图为数据的串行输入与输出。 • 单向的串行传送只要一条信号线，对于相距较远的设备间的数据传送比较经济。 • 但是串行接口需要有一定的逻辑把机内的并行数据转换成串行信号后再传送出去，接受时反过来。 • 能实现这种转换功能的常用芯片有Intel 8251A、Motolora MC6850、6852等。

  26. 串行通信有两种数据传送方法，即异步串行数据传输和同步串行数据传输。串行通信有两种数据传送方法，即异步串行数据传输和同步串行数据传输。 • 即有两种对发送和接收双方共同遵守的统一约定，包括定时、控制、格式化和数据表示方法等，这种约定称通信规程(procedure)或通信协议(protocol)。所以这两种传输方法也称两种传输协议，即异步协议和同步协议。

  27. 所谓同步传送，就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据。所谓同步传送，就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据。 • 异步传送有称起止同步方式，它并不要求收发两端在传送代码的每一位时都同步，仅要求在其实位和停止位能同步。 • 异步传送比较简单易行，但速度不高；同步协议的传输速率高，但接口结构复杂，用于高速大容量数据传送。

  28. 3、通信中的差错检查 • 任何的信息传输系统，由于种种原因，会有误码产生。通常用误码率Pc来表示。计算机通信的平均误码率要求低于10-9。 • 差错检验有多种方法，如奇偶校验，用于异步串行传输协议；循环冗余校验用于同步协议。

  29. 4、网络与网络拓朴 • 计算机网络是通过通信线路并按一定的通信协议互连起来的各独立自主计算机的集合。 • 影响计算机网络性能的主要因素有网络拓朴结构、信号形式、访问控制方式和传输介质。 • 网络拓朴结构是指网络节点的互联形式。常见如图。

  30. 5、介质访问控制方式 • 在网络拓朴结构中，网上设备必须共享传输线路。这就存在同一时间内有数个设备同时争用传输介质的问题，为解决此问题而需要某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，实现设备之间交换数据。 • 网络通信中介质的访问可以是随机的，也可以是受控的。随机访问方式中常用的争用总线技术为CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）。 • 在受控访问方式中则常用令牌传递总线（token－passing bus）、令牌环（token－ring），或称标记总线、标记环。

  31. 6、通信中的数据交换 • 在计算机网络中，通信的基本交换方式可分两类，即线路交换与存储转发交换。存储转发交换又可分为报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。

  32. 7、开放系统互连（Open System Interconnection- OSI）参考模型 • 如图，此模型把开放系统的通信功能划分为七个层次，每一层的功能是独立的，每一层都利用其下一层所提供的服务，且也为其上一层提供服务，而与其他层的具体实况无关。

  33. 8、企业网络 • 一个完整的企业网络一般为跨地区网络。 • 对于一个制造企业，采用TOP/MAP/Fieldbus的网络结构，几乎可以覆盖企业从生产加工到办公管理的各个领域。 • TOP/MAP/Fieldbus的网络结构如图所示。

  34. MAP(Manufacturing Automation Protocol)的介质访问控制方式为令牌总线的宽带LAN，其规范是以ISO/OSI参考模型为基础的，符合IEEE802.4标准，所有智能化设备可以通过一个统一的接口与该网络连接，以解决不同控制系统与计算机系统之间的信息交换问题。 • TOP(Technical and office protocol)对计算机局域网进一步开发而形成，适合于办公自动化，其基本思想是始终保持和MAP规范相兼容，并尽可能有机地与MAP相互补充与集成。 • Fieldbus是80年代中期在国际上发展起来的、应用于生产现场的开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

  35. 这是OSI参考模型的第I层（物理层）提供有关同步和比特流在物媒体上的标准协议。这是OSI参考模型的第I层（物理层）提供有关同步和比特流在物媒体上的标准协议。 • 它在机械特性方面规定适用一个25根插针（DB-25）的标准连接器。并对此连接器的机械尺寸及每根针排列的位置作了明确规定。 三、CNC应用的数据通信与网络通信接口 1、CNC与外部设备的数据通信接口 CNC用于连接输入输出设备、外部机床控制面板或通用手摇脉冲发生器的接口是EIA-232-D即RS-232C及其变形。

  36. 在电气特性方面，它的电气连接如图所示。

  37. EIA-232-D的功能特性，也就是规定了各条信号线的功能分配，如图所示。EIA-232-D的功能特性，也就是规定了各条信号线的功能分配，如图所示。

  38. EIA-232-D的规程特性规定了DTE与DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系与操作过程。如图所示。EIA-232-D的规程特性规定了DTE与DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系与操作过程。如图所示。

  39. 2、CNC的网络通信接口 • 作为FMC的CNC是一台具有特殊功能的计算机，CNC和各种系统中的设备、计算机通过LAN联网，构成FMS、CIMS或远程通信网络。联网时应能保证高速并可靠地传送数据和程序， • 在这种情况下一般采用同步串行传输方式，在CNC内部应设有专用的通信微处理机的通信接口，担负网络通信的任务。 • 其通信协议都采用OSI参考模型的七层结构为基础的有关协议，或IEEE802局部网络有关协议。

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