《数控原理与系统》第2章-计算机数控装置.ppt
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1、第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2.1 数控加工程序的输入 数控加工程序的输入,就是把已经编制好的数控加工程序,通过输入装置输入到数控系统中,供其存储和执行。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2.1.1输入装置输入装置 所编制的数控程序,可以写在纸上、存储在微机的磁盘中、制成穿孔纸带或记忆在大脑里。这些纸、磁盘、穿孔纸带等称为数控加工程序的外部存储介质。根据数控加工程序的外部存储介质不同,可以选用不同的输入装置输入程序。常用的输入装置有MDI键盘、纸带阅读机、串行通信接口、以太网接口等。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理1.MDI键盘 MDI键盘是手动数
2、据输入(Manual Dada InputMDI)键盘的简称,是数控系统中最常用的输入装置,用于手工输入不太复杂的零件程序。键盘有两种类型:编码键盘和非编码键盘。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 编码键盘本身除了按键以外,还包括产生键码的硬件电路。这种键盘每按下一键,键的识别由键盘的硬件逻辑自动提供被按键的ASC代码或其他编码,并能产生一个选通脉冲向CPU申请中断,CPU响应后将键的代码输入内存,通过译码执行该键的功能。此外,还有消除抖动、多键和串键的保护电路等。这种键盘使用方便,常用作微机键盘等。非编码键盘,其硬件上仅提供键盘的行和列的矩阵,其按键识别、译码等工作由软件来完成。
3、因此键盘结构简单,使用灵活,广泛应用于数控系统中。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 图示为4行4列非编码式键盘,其工作原理是采用逐行加低电平的办法,判断有无键钮按下。例如,当行1加低电平时可以判断4、5、6、7键钮是否按下,如果此时列1变成低电平,则表示键钮5按下,表2.2列出了按下的键钮和行、列信号的关系;如果各列都是高电平,则表示无键钮按下。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.1 非编码式键盘 键8765 V行0列0列2列1543210行1行2第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理0111101111010 1 1 11 1 0 11 0 1 1 “0
4、”行0,行1,行2,行3 列0,列1,列2,列3表2.1 按键一览表11101 1 1 0“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”“9”“A”“B”“C”“D”“E”“F”第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 图中,键盘信号与AT89C51单片机的P1口相连接,行03的信号由P1.0P1.3输出,而列03的信号由键盘反馈给单片机的P1.4P1.7输入,供单片机判断。在软件上,单片机是分二步进行查询的,即: (1)检测有无键钮按下。 (2)分析哪一个键钮按下。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 一般处理过程是,CPU先从P1口送出数据1111 0000,若无按键按下
5、,则从P1口读入的列信号全为1;若有按键按下,则按键的行列线接通,该列线输出为0,其余列仍为1,则表示有键钮按下。再逐行加低电平,如该行无按键按下,则列线全为1;如该行有按键按下,则对应的列线为0。例如,P1口输出1111 1101后,从P1口度入的数据为1101 1101,则表示按键5被按下了。根据以上的设计思想,软件程序流程图如图2.2所示。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.2 读键盘程序流程图 否否是去键分析是开始是否该行有键按下吗?各行都查完?输入列数据逐行加低电平有键按下吗?输入列数据使各行L1L6为低电平第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2.纸带阅读机
6、图 纸带阅读机是早期的数控系统所用的输入装置,用来读入以穿孔纸带为介质的零件程序。它采用光电转换技术,将纸带上记录的信息(有孔或无孔)转换成相应电信号,经过放大、整形后送入数控装置,转变为二进制加工程序代码。纸带阅读机用穿孔纸带记录程序信息,体积大,存储量小,在使用过程中纸带有磨损,可靠性低,已逐渐被淘汰。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理3.串行通信接口 现代数控系统都带有标准串行通信接口,能够方便地与微型计算机相连,进行点对点通信,实现零件程序、参数的传送。随着CADCAM、FMS及CIMS技术的发展,机床数控系统与计算机的通信显得越来越重要。第第2 2章章 CNC装置工作原
7、理装置工作原理 在串行通信中,广泛应用的标准是RS232C标准。它是美国电子工业协会(EIA)颁布的数据通信推荐标淮。RS是推荐标准(Recommended Standard)的英文缩写,232C是标准号,该标推定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的连接信号的含义及其电压信号规范等参数。 其中DTE可以是计算机或数控系统,DCE一般指调制解调器(Modem)。可以构成远程通信系统。当两台计算机相距比较近时,可以省去电话线、调制解调器等中间环节,构成零Modem数据通信系统。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理微型计算机or数控系统Modem公共电话网电话线微型计算
8、机Modem电话线DTEDCEDTEDCERS-232C接口RS-232C接口图2.3 远程数据通信系统微型计算机or数控系统微型计算机DTEDTERS-232C接口图2.4 零Modem数据通信系统第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 RS一232C标准规定使用25根插针的DB型连接器,并定义了其中的21个插针的功能。在微机和数控系统中,RS-232C接口有25针和9针两种,实际只使用其中8针引脚,各引脚功能及对应关系也列于表2.2中。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.2 常用的RS-232C引脚及其功能 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 数控系统和
9、微型计算机串行通信时,根据其RS-232C接口所用连接器不同,有3种连接形式,如图2.5所示。图中实线必须连接,虚线的连接与否,可根据通信双方的传输控制(握手)方式而定。当采用RTS/CTS握手时,虚线必须连接;当采用同步字符XON/XOFF(11H/13H)握手时,虚线可以不连。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.5 RS-232C接口连接形式 1232 07645TxD132672 05425-pinShieldRxDDTRGNDDSRRTSCTS25-pin12345678RxD132672 0549-pinShieldTxDDTRGNDDSRRTSCTS25-pin1
10、325678RxD132654879-pinTxDDTRGNDDSRRTSCTS9-pin4第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 在异步串行传输中,以字符为单位进行传送,字符与字符之间没有固定的时间间隔要求。传输时,每个字符前都要有一位起始位。接着是该字符的5到8位数据位,依何种字符编码而定。随后是一位奇偶校验位(也可以没有奇偶校验位)。最后是1至2位的终止位。异步串行传输的格式如图2.6所示。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.6 异步串行传输的格式 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 由图2.6可以看出,起始位取低电平(逻辑“0”),终止位和空闲位取高
11、电平(逻辑“1”),这就保证起始位开始处有一个下降沿。接收端就是靠检测这个下降沿得知一个字符开始的。并以此沿作为采样后面各位的定时基准。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 在进行计算机与CNC控制器连线时,连接电缆一般要求是带屏蔽的双绞线电缆,计算机与数控系统之间的通信距离一般能达到30m,如果通信距离较长,可在计算机与数控机床的RS232C接头上分别加装远程驱动模块,此时通信距离可增加到110km。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 在计算机与数控机床之间进行串行通信时,需要在微机上运行专门的软件,如PCIN、Multi-DNC等,大多数CADCAM集成软件系统也都直
12、接提供传输模块。 在进行通信时,需要对这些软件和数控系统进行串行通信参数设置。这些参数包括:设备(RTS/CTS、XON/XOFF)、波特率(Baud Rate)、奇偶校验(Parity)、数据位(Data bits)和停止位(Stop bits)等。如西门子802S系列数控系统与计算机串行连接时,参考表2.3参数设置。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.3 RS-232C接口通信参数表 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 2.1.2 数控加工程序输入过程 通过输入装置输入到数控系统中的程序段, 一般先存放在MDI键盘缓冲器或零件程序缓冲器中, 然后再根据控制要求将
13、其传送到零件程序存储器中, 或者直接送译码执行。 零件程序输入过程如图2.7所示。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.7 零件程序输入过程 译码处理零件程序缓冲器MDI缓冲器阅读机串行通信口上位计算机 穿孔纸带零件程序存储器MDI键盘零件程序第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 事实上,零件程序缓冲器和零件程序存储器都是CNC装置内部存储器的一部分,只是两者的作用和规模不同而已。零件程序缓冲器规模较小,只能存放一个或几个程序数据段,主要用作输入装置和CNC之间的速度匹配,它是零件程序输入通路的重要组成部分。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 1. 输入工
14、作方式 在自动译码执行零件程序时, 根据译码程序段的来源不同, 有如图所示的四种工作方式。 DNC计算机零件程序缓冲器译码处理(d)(c)MDI键盘MDI缓冲器译码处理(b)零件程序存储器零件程序缓冲器译码处理(a)译码处理零件程序存储器零件程序缓冲器纸带 图2.8 输入工作方式 (a) 纸带工作方式; (b) 存储器工作方式; (c) 键盘工作方式; (d) DNC工作方式 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 1) 纸带工作方式 在此工作方式下, 按下“启动”按钮后纸带机开始工作, 一边将纸带上的零件程序逐段读到零件程序缓冲器中, 一边从缓冲器中读出, 连续自动译码执行, 直到程
15、序结束。 2) 存储器工作方式 这是最常用的一种工作方式, 工作时用键盘命令调出零件存储器中指定的零件程序, 逐段装入零件程序缓冲器中供译码执行, 直到程序结束。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理3) DNC工作方式 D N C 是 直 接 数 字 控 制 ( D i r e c t Numerical Control)的简称, 即通过RS-232C串行接口与上位微型计算机相连, 用微机中的零件程序直接控制机床的加工过程, 一般用于有较长程序的复杂零件和模具的加工。 4) 键盘工作方式 键盘工作方式又叫MDA方式或MDI方式 , M D A 是 手 动 数 据 输 入 自 动 执
16、 行(Manual Data input Automatic)的英文缩写,可以直接用键盘输入程序段,并立即执行。通常用于机床的调整。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 2. 零件程序的存储编码 在穿孔纸带或数控装置的内部存储器中,零件程序的字母、数字和各种符号是以二进制代码来表示的,这种二进制代码称为零件程序的编码。零件程序编码又可分为外码和内码。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理(1)外码 外码是零件程序的外部存储编码,纪录在纸带等介质上。国际上制定了ISO和EIA两种标准格式(见附录1)。(2)内码 内码是零件程序在数控装置内部的存储代码。为简化后续程序的处理,在C
17、NC内部应以统一的编码格式存放,而不应再分ISO码和EIA码。通常可按照ASC代码格式存放,也可以根据情况,由CNC研制者自行定义内码格式。 表2.4所示为某数控系统的内码表,与ISO码和EIA码有意义对应关系。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.4 常用数控代码及其内码 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 例如零件程序段:N05 G90 G01 X106 Y-60 F46 M05 LF 如图2.9所示,假设该程序段采用ISO代码记录在穿孔纸带上,输入CNC装置后存储在以2000H单元为首地址的内存缓冲区中。根据表2.4中外码与内码之间的对应关系,可将该程序段转换成
18、内码存储在零件程序缓冲器中,存储内容如表2.5所示。这一转换和存储过程是由输入中断服务软件来完成的。在此过程中,还要删除无效代码,并进行代码校验。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.9 穿孔纸带 NX10G09G501 0Y-6 0 F 4 6 M0 5 LF6第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.5 零件程序的存储信息 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2.2 数控加工程序的预处理 数控加工程序输入到缓冲器后,下一步的任务就是数据预处理,为后续的插补运算工作做好一切准备。这其中主要包括:数控加工程序的译码、运动轨迹的刀补计算和速度处理三个部分。第第2
19、 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2.2.1 数控加工程序的译码 虽然要执行的零件程序的程序段已经转换成了内码形式存储在零件程序缓冲器中, 但还不便于后续软件的处理计算, 这主要表现在如下几个方面: (1) 书写格式不统一, 如N10 G01 X106 Y-64 F46 LF程序段也可以写成N10 G01 Y-64 X106 F46 LF的形式。(2) 各坐标值是BCD码形式, 不便于刀补和插补计算。(3) 仅含有本段程序信息, 不包括历史数据, 对后续程序的处理不利。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 因此,在进行刀具补偿计算和其他处理之前,必须先对其进行译码。所谓译码,
20、就是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成统一的数据格式,并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 具体来讲,译码就是从零件程序缓冲器(或MDI缓冲器)中逐个读入字符,识别出文字码和数字码,根据文字码所代表的功能确定目标地址,将数字码进行代码转换(BCD二进制等)后,送到相应的译码结果缓冲器单元中,并进行语法检查和错误诊断。可见,译码工作主要包括代码识别和功能代码的解释两大部分。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理1. 代码识别 在CNC系统中, 代码识别由软件完成。 代码识别程序按顺序逐个读取字符, 与各个文字码的内码相比较。 若
21、相等, 则说明输入了该字符, 于是系统设置相应标志或将字符转给相应的译码处理子程序; 如果不是内码表中规定的文字码, 则说明程序有错, 于是系统置出错标志并返回主程序。 代码识别程序的流程图如图2.10所示。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.10 代码识别程序流程图 返回LF段结束,置译码完成标志出错标志?20H字符无法识别,置出错标志20H10H首字符不是功能码,置出错标志13HY代码译码子程序12HX代码译码子程序11HG代码译码子程序10HN代码译码子程序查内码表?从零件缓冲器读取一个字符译码开始第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理2. 功能码的译码 功能码
22、译码子程序将功能码后续的数字码进行代码转换, 然后送到该功能码指定的译码结果缓冲器单元中。 如果数字码位数不够, 则认为程序出错, 并置出错标志。 例如, N代码译码子程序的流程图如图2.11所示。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.11 N代码译码子程序流程图 数字个数少于2位,置出错标志位数加一:i1i出口10Hi2?将压缩BCD码存到N代码指定的单元将已读出的2个数字码拼成1个压缩BCD码暂存该数字码查内码表?从零件缓冲器读取一个字符N位数清零:0i入口10HNYY第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理3. 译码结果缓冲器的格式 不同的CNC系统, 其编程格式各
23、不相同, 译码结果缓冲器的格式设计应与零件程序格式相对应。 对于某一个具体的CNC系统来讲, 译码结果缓冲器的规模和格式是固定不变的, 它含有所有功能码信息; 各个功能码所占字节数视系统的精度、 加工行程和码值范围而定; 各功能码的数据格式根据后续软件的处理需要而定。 某典型CNC系统的译码结果缓冲器格式如表2.6所示。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.6 译码结果缓冲器格式 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理 表中,一般功能码只占一个单元,而对于用二进制数表示的各坐标值等则要占用两个单元。另外,考虑到某些G代码、M代码不能同时出现在同一个程序段中,如G00、G
24、01、G02、G03和G33,是不可能同时在同一个程序段中出现的,否则编程出错。因此,没有必要为每一个G代码(或M代码)准备一个单元。可将它们分GA、GB、GC四组,把互斥的G代码(或M代码)归为一组,如表2.8所示。这样不仅能缩小缓冲区的容量,还能查出编程错误。除G代码和M代码需要分组外,其余的功能代码均只有种格式,它的地址在内存中是可以指定的。第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理表2.7 常用G代码、 M代码的分组 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理4. 译码过程 图2.12是零件程序译码过程示意图, 这里假设译码结果缓冲器的起始地址是4000H。 译码软件首先从零件
25、程序缓冲器中读入一个字符, 判断出该字符是该程序段的第一个功能码N, 设标志后接着读取下一个字符, 判断是数字码0。 第第2 2章章 CNC装置工作原理装置工作原理图2.12 零件程序译码过程示意图 程序ISO码N(4EH)0(30H)5(35H)G(47H)9(39H)0(30H)G(47H)0(30H)1(B1H)X(D8H)1(B1H)0(30H)6(36H)Y(59H)-(2DH)6(36H)0(30H)F(C6H)4(B4H)6(36H)M(4DH)0(30H)5(35H)LF(0AH)内存地址2000H2001H2002H2003H2004H2005H2006H2007H2008H
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