第四章 計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)

第四章計算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置目錄4.1

CNC系統(tǒng)概述

一、CNC系統(tǒng)的組成二、CNC裝置的結(jié)構(gòu)三、CNC裝置的工作原理四、CNC裝置的特點五、CNC裝置的功能4.2

CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)一、單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)二、多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)三、開放式體系結(jié)構(gòu)4.3

CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)一、CNC裝置軟硬件的界限面二、CNC裝置控制軟件的特點三、CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)目錄4.4

CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理4.5

CNC裝置的刀具補(bǔ)償和加減速度控制一、刀具長度補(bǔ)償二、刀具半徑補(bǔ)償三、C功能刀具半徑補(bǔ)償四、CNC系統(tǒng)的進(jìn)給速度控制國內(nèi)外知名數(shù)控系統(tǒng)廠商介紹：SIEMENS德國西門子HEIDENHAIN

德國海德漢公司

FANUC日本富士通公司法那克MITSUBISHI日本三菱MAZAK日本山崎公司馬扎克TOSHIBA日本東芝A-B美國A-B公司HASS美國哈斯公司FAROG西班牙法格公司BoschRexroth德國博世﹡力士樂公司FIDIA意大利菲亞迪公司NUM法國施耐德NUM公司

國內(nèi)知名數(shù)控廠商有：廣州數(shù)控、武漢華中、上海開通、北京凱恩帝、北京凱奇、武漢華興、成都廣泰、深圳珊星、航天世紀(jì)星、沈陽飛陽等

4.1

CNC系統(tǒng)概述

CNC:計算機(jī)數(shù)字控制。

CNC系統(tǒng)：即計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。1、計算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的定義：教材中的定義見P127EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)的定義:“CNC是用一個存儲程序的計算機(jī)，按照存儲在計算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計算機(jī)之外的唯一裝置是接口”。

ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動和加工零件”。數(shù)控系統(tǒng)分為：輪廓控制和點位控制數(shù)控系統(tǒng)。

一、CNC系統(tǒng)的組成2、

CNC系統(tǒng)組成：如下圖圖4.1CNC系統(tǒng)的組成框圖二、

CNC裝置的結(jié)構(gòu)

硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)平臺

由CPU、存儲器、總線、外設(shè)等，如右圖所示。CNC裝置的組成：是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用軟件）兩大部分組成的。它是完成數(shù)字信息運算、處理和控制的計算機(jī)，是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

CNC系統(tǒng)的組成:由教材中的圖4.1知,是由程序輸入/輸出設(shè)備,計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)裝置,可編程控制器（PLC）、主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動裝置及位置檢測裝置等組成。CPUEPROMRAM輸入/輸出接口主軸控制通信接口MDI接口PLC接口CRT接口位置控制紙帶閱讀機(jī)接口CNC裝置的硬件組成CNC系統(tǒng)與CNC裝置的區(qū)別?1.CNC裝置的硬件組成2.CNC裝置的軟件組成：

CNC裝置的軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成。是一種用于零件加工、實時控制的專用計算機(jī)操作系統(tǒng),其模塊化結(jié)構(gòu)如下圖示。系

統(tǒng)初始化系統(tǒng)控制軟件程序管理編輯存儲錄放管理軟件控制軟件輸入程序輸出程序顯示程序診斷程序譯碼程序補(bǔ)償計算速度控制插補(bǔ)程序位控程序圖表.3CNC軟件的構(gòu)成

工作原理：

通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息（幾何信息和工藝信息），經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計算機(jī)的處理、運算，然后將各個坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大并驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動各軸運動。進(jìn)行實時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。工作過程：

1）輸入：輸入內(nèi)容——零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式——穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、鍵盤輸入、通訊接口輸入及連接上級計算機(jī)的DNC接口輸入。三、CNC裝置的工作原理2）譯碼：以一個程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計算以及輔助功能的處理等。4）插補(bǔ)：就是控制加工運動軌跡。插補(bǔ)就是在一條曲線的已知起點和終點之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)的密化工作”。5）位置控制：在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的電信號輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等的顯示。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯誤狀態(tài)。1、靈活性大2、通用性強(qiáng)3、可靠性高4、可以實現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能5、使用維修方便6、易于實現(xiàn)機(jī)電一體化四、CNC裝置的特點五、CNC裝置的功能（1）控制功能（控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)）（2）準(zhǔn)備功能（G功能）（3）插補(bǔ)功能（G01/G02/G03…）（4）固定循環(huán)加工功能（5）進(jìn)給功能（F）①切削進(jìn)給速度②同步進(jìn)給速度③快速進(jìn)給速度④進(jìn)給倍率（6）補(bǔ)償功能

①刀具長度、刀具半徑補(bǔ)償和刀尖圓弧的補(bǔ)償；

②工藝量的補(bǔ)償；（7）主軸功能：①主軸恒轉(zhuǎn)速功能；②主軸恒線速功能；③主軸正反轉(zhuǎn)功能；④主軸定向準(zhǔn)停(M19)功能；（8）輔助功能（M代碼）

①主軸的啟停；②冷卻液的開關(guān)；（9）字符圖形顯示功能；（10）程序編制功能手工編程、在線編程、自動編程；（11）輸入、輸出和通訊功能；（12）自診斷功能。4.2

CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖一、單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)單微處理機(jī)數(shù)控裝置的定義:是以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個任務(wù)。單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)：

微處理器、存儲器、總線、接口、位置控制單元、可編程控制器等。接口包括：I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器（PLC）、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)的接口，以及其它選件接口等。1）微處理器和總線微處理器：主要完成運算和控制二大任務(wù)；總線：CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括數(shù)據(jù)、地址和控制三組總線。2）存儲器

①只讀存儲器（ROM）：存放系統(tǒng)程序；②隨機(jī)存儲器（RAM）：存放運算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息；③CMOS

RAM（帶后備電池）或磁泡存儲器：存放加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)；3）位置控制單元●對數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運動的坐標(biāo)軸位置進(jìn)行控制（包括位置和速度控制）。（對主軸的控制一般只包括速度控制）●C軸位置控制：包括位置和速度控制；●刀庫位置控制（簡易位置控制）；●進(jìn)給軸位置控制的硬件：大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片、位置控制模板。4）MDI/CRT接口5）可編程控制器思考題：單微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的特點？（P135）二、多微處理器結(jié)構(gòu)(有多塊CPU)

系統(tǒng)總線CNC管理模塊（CPU）CNC插補(bǔ)模塊（CPU）主存儲器模塊PLC功能模塊（CPU）自動編程模塊（CPU）位置控制模塊（CPU）操作面板顯示模塊主軸控制模塊多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)框圖多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)總線CNC管理模塊（CPU）CNC插補(bǔ)模塊（CPU）主存儲器模塊PLC功能模塊（CPU）自動編程模塊（CPU）位置控制模塊（CPU）操作面板顯示模塊主軸控制模塊多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)框圖CNC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計多微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的功能模塊

1）CNC管理模塊:系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯識別和處理、系統(tǒng)軟、硬件診斷；

2）存儲器模塊:

3）CNC插補(bǔ)模塊:譯碼、刀具補(bǔ)償計算、坐標(biāo)位移量的計算和進(jìn)結(jié)速度處理等插補(bǔ)前的預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計算；

4）位置控制模塊:插補(bǔ)后的坐標(biāo)位置給定值與位置檢測器測得的位置實際值進(jìn)行比較，進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點，伺服系統(tǒng)滯后量的濫視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓，去控制進(jìn)給電動機(jī)。

5）數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示模塊:

6）PLC模塊:零件加工程序中的輔助功能和從機(jī)床來的信號在PLC模塊中作邏輯處理，實現(xiàn)各功能與操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟、停、刀具交換、轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運轉(zhuǎn)時間的計數(shù)等。多微處理機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)特點：P136多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)互連方式有：總線互連、環(huán)型互連和交叉開關(guān)互連；通常采用總線互連方式；總線互連方式的典型結(jié)構(gòu)又分為:共享總線型、共享存儲器型及混合型結(jié)構(gòu)。1.共享總線結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：各功能模塊有主模塊（帶有CPU）和從模塊（不帶CPU）仲裁：總線仲裁方式有串行方式和并行方式；串行總線仲裁方式：優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定。并行總線仲裁方式：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案。

模塊之間的通訊：公共存儲器

總線類型：

STDbus（支持8位和16位字長）

Multibus（Ⅰ型支持16位字長，Ⅱ型支持32位字長）

S-100bus（可支持16位字長）

VERSAbus（可支持32位字長）

VMEbus（可支持32位字長）多微處理機(jī)共享總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)配置靈活、擴(kuò)展模塊容易，由于是無源總線，所以造價低。缺點：會引起“競爭”，信息傳輸率較低，總線一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)受影響。系統(tǒng)總線CNC管理模塊（CPU）CNC插補(bǔ)模塊（CPU）主存儲器模塊PLC功能模塊（CPU）自動編程模塊（CPU）位置控制模塊（CPU）操作面板顯示模塊主軸控制模塊圖4.5多微處理機(jī)共享總線結(jié)構(gòu)框圖多微處理機(jī)共享總線結(jié)構(gòu)如下圖所示。VS圖4.6GE公司的MTC1的CNC裝置共享存儲器結(jié)構(gòu)框圖(16K)EPROM(16K)EPROM(56K)EPROM(2K)EAM(26K)RAM(2K)EAM512K512K(CRT)CPU2鍵盤(中央)CPU1(插補(bǔ))CPU3串口和收發(fā)器CRTCCRT

字符發(fā)生器并行接口反饋脈沖處理反饋信號適配器機(jī)床接口模擬量接口RS232CXYZCW2.共享存儲器結(jié)構(gòu)采用多端口存貯器來實現(xiàn)與CPU之間的互連和通信。圖4.6.1雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖

圖4.6.2多CPU共享存儲器框圖端口1存儲控制邏輯地址和數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存儲器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制（CPU4）插補(bǔ)(CPU3)端口2中斷控制從機(jī)床來的控制信號至機(jī)床的控制信號共享存儲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點：

(如上圖)這種結(jié)構(gòu)的多微處理機(jī)，采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理機(jī)之間的互連和通信，由多端口控制邏輯電路解決了訪問沖突的問題。但由于同一時刻只能允許一個微處理機(jī)對多端口存儲器進(jìn)行讀或?qū)?，所以功能?fù)雜，而且要求增加微處理機(jī)數(shù)量時，會因爭用共享存儲器而造成信息傳送的阻塞，降低系統(tǒng)效率，這種結(jié)構(gòu)擴(kuò)展較困難。3.共享總線和共享存儲器結(jié)構(gòu)（混合型）多微處理機(jī)CNC裝置采用共享總線和共享存儲器的混合型結(jié)構(gòu)能較好地完成并行多任務(wù)實時處理的數(shù)控功能。

FANUC11

CNC裝置是為柔性制造系統(tǒng)(FMS)所用數(shù)控機(jī)床設(shè)計的，除能實現(xiàn)多坐標(biāo)控制外，還能實現(xiàn)在線(后臺)自動編程、加工過程和程編零件的圖形顯示以及與主機(jī)的通訊等。系統(tǒng)有公用的存儲器，各自的CPU還有自己的存儲器。按功能，可劃分基本的數(shù)控部分，會話式自動編程部分，CRT圖形顯示部分和可編程控制器PLC(也叫PMC：可編程機(jī)床控制器)等。

功能模塊包括如下部分：

1)主處理單元完成基本的數(shù)控任務(wù)及系統(tǒng)管理，主CPU為68000，16位處理器。

2)圖形顯示單元完成數(shù)控加工的圖形顯示(CPU為8086)和在線的人機(jī)對話自動編程（CPU為8086

＋8087）。

3)總線仲裁控制器(BAC)

對請求總線使用權(quán)的CPU進(jìn)行裁決，按優(yōu)先級分配總線使用權(quán)、以及產(chǎn)生信號，使沒有得到總線控制權(quán)的CPU處于等待狀態(tài)。此外，BAC還具有位操作、并行DMA(直接存儲器存取)控制和串行DMA控制等特殊功能。

4)接口SSU

這是系統(tǒng)支持單元，它是CNC裝置與機(jī)床和機(jī)器人等設(shè)備的接口。功能部件有位置控制芯片(MD87103)，其輸出接坐標(biāo)鈾的進(jìn)結(jié)驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置，位置控制芯片的輸入為插補(bǔ)來的速度指令和位置測量元件的反饋信號；用于傳送高速信號的高速I/O口；2ms的插補(bǔ)定時器。

5)操作板控制器OPC用于和各種操作外設(shè)相連。主要包括：鍵盤信號的接收和驅(qū)動；CRT的控制接口；手搖脈沖發(fā)生器接口；用于和紙帶閱讀機(jī)、穿孔機(jī)等外設(shè)相連的RS232C接口和20mA電流回路接口；操作開關(guān)和顯示接口。

6)輸入輸出控制器IOC它接收和傳送可編程控制器PMC和機(jī)床開關(guān)控制的按鈕、限位開關(guān)、繼電器等之間的信號。PMC的CPU為68000(16位微處理器)。

7)存儲器該系統(tǒng)有多種存儲器，除主存儲器外，各CPU都有各自的存儲器。大容量磁泡存儲器可達(dá)4MB，可存儲4kM紙帶的零件程序。PMC的ROM為128kB。順序邏輯程序可達(dá)16000步。系統(tǒng)控制程序ROM容量為256kB。圖4.7FUNUC11的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖(共享總線和共享存儲器型結(jié)構(gòu))鍵盤紙帶機(jī)手搖盤PMC68000CAP8086+8087ROMRAM主CPU68000SSURS232RS232位控位控位控IOCBACROMRAMROMRAMRAMROM圖形顯示8087OPCCRT機(jī)床I/O坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸主軸其中OPC–操作控制器；BAC–總線仲裁控制器；IOC–

輸入輸出控制器；

CAP–

自動編程單元；SSU–

系統(tǒng)支持單元；PMC–

可編程機(jī)床控制器共享存儲器的多CPUCNC裝置還采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理機(jī)之間的互聯(lián)和通訊。由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突。圖4.13是一個雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖。它配有兩套數(shù)據(jù)、地址和控制線，可供兩個端口訪問，訪問優(yōu)先權(quán)預(yù)先安排好。兩個端口同時訪問時，由內(nèi)部硬件裁決其中一個端口優(yōu)先訪問。圖4.14是多微處理器共享存儲器采用多端口結(jié)構(gòu)的框圖。圖4.13雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖

圖4.14多CPU共享存儲器框圖端口1存儲控制邏輯地址和數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存儲器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制（CPU4）插補(bǔ)(CPU3)端口2中斷控制從機(jī)床來的控制信號至機(jī)床的控制信號三、開放式數(shù)控裝置（OPENCNC）的體系結(jié)構(gòu)1.開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生產(chǎn)生的原因：當(dāng)今的CNC控制器是個黑匣子，封閉保密，制造廠和用戶不能把特殊加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能等放進(jìn)去。所以用戶要求透明，因此需要開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。

現(xiàn)代CNC技術(shù)（核心為CNC控制器和驅(qū)動技術(shù)）及結(jié)構(gòu)為專用的軟硬件，遠(yuǎn)落后于PC的主流技術(shù)。升級困難，各廠家產(chǎn)品不兼容，成本高。

用戶界面不靈活，網(wǎng)絡(luò)功能弱，系統(tǒng)維護(hù)費用昂貴。

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的需求，需要一種靈活（功能可組、可擴(kuò)展、可添加）的開放式數(shù)控系統(tǒng)，打破當(dāng)前的“封閉式的”數(shù)控系統(tǒng)。體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。

1）

開放式CNC的含義：

開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化(用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊)，而且對實時性和可靠性要求很高。其特點：

①可移植性：在保持應(yīng)用模塊功能的情況下，不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平臺上。

②可擴(kuò)展性：不同的模塊能運行于一個平臺，而不出現(xiàn)沖突。

③互操作性：模塊在一起工作時，表現(xiàn)為相互協(xié)調(diào)，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。

④可維護(hù)性：用戶修方便。

⑤統(tǒng)一的人機(jī)界面。

2）開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：3種

①基于PC的CNC系統(tǒng)（軟數(shù)控：SoftCNC）：以PC機(jī)為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要解決實時性的問題。運動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo)軸電機(jī)，全方位開放。

②PC嵌入式:把一塊多軸運動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，運動卡運行以坐標(biāo)軸運動為主的實時控制（作為數(shù)控功能運行）,PC作為人機(jī)接口平臺。易實現(xiàn)，研究單位和高校用。

③PC+CNC

（融合系統(tǒng)）：專業(yè)廠家認(rèn)為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性。而現(xiàn)今PC的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的；另外，CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上的不同，對維修和可靠性也不利。故采取了：增加一塊PC板，提供鍵盤，使PC與CNC

聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_放，提高人機(jī)界面的功能。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）目前的做法。

2.開放式數(shù)控裝置特點：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和互換性的特征；允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成構(gòu)造，應(yīng)該是可移植的和透明的。3.開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點:向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗；向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達(dá)到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品?？蓽p少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強(qiáng)市場供應(yīng)能力和競爭能力。4.開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫

5.開放式數(shù)控裝置的發(fā)展趨勢

1）在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)、先進(jìn)、適銷的經(jīng)濟(jì)、合理的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

2）主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率（高速）高自動化加工的需求。

3）網(wǎng)絡(luò)化。一、CNC裝置軟硬件界面4.3

CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)三種典型CNC裝置軟硬件界面紙帶輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)位控紙帶輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備插補(bǔ)位控速控電機(jī)測量第一種第三種第二種硬件硬件軟件硬件硬件軟件軟件硬件硬件外設(shè)外設(shè)機(jī)床機(jī)床機(jī)床二、CNC裝置控制軟件的特點

CNC軟件系統(tǒng)是一個專用的實時多任務(wù)計算機(jī)控制系統(tǒng)。其中多任務(wù)并行處理和實時中斷處理兩項技術(shù)的運用是CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)的特點。CNC系統(tǒng)軟件的組成：（功能:管理和控制）

管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序?？刂撇糠郑鹤g碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。

1.多任務(wù)并行處理

是指計算機(jī)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。多數(shù)情況下，CNC系統(tǒng)的管理和控制工作必須同時進(jìn)行。CNC裝置管理控制輸入顯示位控診斷I/O插補(bǔ)位控譯碼刀補(bǔ)速度處理輸入I/O處理顯示診斷通訊譯碼刀具補(bǔ)償速度處理位置控制插補(bǔ)

CNC裝置軟件任務(wù)分解框圖軟件任務(wù)的并行處理

2.實時中斷處理

CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點是實時中斷處理。

CNC系統(tǒng)的中斷類型

1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。

2）內(nèi)部定時中斷：插補(bǔ)周期定時中斷和位置采樣定時中斷。

3）硬件故障中斷：各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。

4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。

這種模型的特點是前臺程序是一個實時中斷服務(wù)程序，完成全部實時功能(如插補(bǔ)和位置控制)。后臺程序(背景程序)是一個循環(huán)程序，它包括管理軟件和插補(bǔ)準(zhǔn)備程序。后臺程序運行時實時中斷程序不斷插入，與后臺程序相互配合，共同完成零件加工任務(wù)。右圖是這種結(jié)構(gòu)的前后臺程序關(guān)系圖。背景程序初始化實施中斷程序

這種模式的特點是除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來解決。三、CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)1.前后臺型軟件結(jié)構(gòu)

2.中斷型軟件結(jié)構(gòu)

4.4CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理1、插補(bǔ)的基本概念（1）分辨率：是數(shù)控機(jī)床的最小設(shè)定單位，在數(shù)控機(jī)床中，刀具或工件的最小位移量是機(jī)床坐標(biāo)軸運動的一個分辨單位，由檢測裝置辨識，稱為分辨率(閉環(huán)系統(tǒng))，或稱為脈沖當(dāng)量(開環(huán)系統(tǒng))。一、概述

插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。刀具沿什么路線進(jìn)給，是由數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所使用的插補(bǔ)方法決定的，并且插補(bǔ)方法直接影響加工質(zhì)量（插補(bǔ)計算中的運行速度和精度）。（2）插補(bǔ)：數(shù)控加工中，刀具的運動軌跡在微觀上是由小線段構(gòu)成的折線，并組成基本廓形曲線（直線、圓弧等），對工件的輪廓曲線進(jìn)行擬合逼近，這種擬合方法就是“插補(bǔ)”。插補(bǔ)的實質(zhì)：數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息（起點和終點）和進(jìn)給速度的要求，計算出刀具一系列加工點（中間點）的坐標(biāo)值，完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作（數(shù)據(jù)的密化過程）。

yx

121727ABABYX44插補(bǔ)加工:刀具的軌跡為折線;左圖為直線插補(bǔ);右圖為圓弧插補(bǔ)插補(bǔ)有二層意思：

一是用小線段逼近曲線而產(chǎn)生基本線型（如：產(chǎn)生直線、圓弧等）；

二是用基本線型擬合實際輪廓曲線。

插補(bǔ)運算具有實時性，直接影響刀具的運動。每個中間點計算所需時間（插補(bǔ)計算的速度）直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點坐標(biāo)值的計算精度又影響到數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，因此，插補(bǔ)算法是整個數(shù)控系統(tǒng)控制的核心。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)運算的裝置或程序稱為插補(bǔ)器，有三類：１）硬件插補(bǔ)器；２）軟件插補(bǔ)器；３）軟硬件結(jié)合插補(bǔ)器?，F(xiàn)代數(shù)控中，由軟件完成粗插補(bǔ)，硬件（也可以是軟件）完成精插補(bǔ)。如：零件加工中直線插補(bǔ)過程：AB

…N10G00X12Y24;N20G01X17Y27F100;

yx

012241727橙色為刀具加工的軌跡。此種插補(bǔ)方法是X或Y方向的步進(jìn)電機(jī)帶動刀具每次移動一個脈沖當(dāng)量。AB(x、y后的數(shù)值單位為脈沖當(dāng)量，0.001mm)2、插補(bǔ)方法的分類

１）脈沖增量插補(bǔ)(基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ))２）數(shù)字增量插補(bǔ)(數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ))逐點比較法數(shù)字積分法直線函數(shù)法擴(kuò)展DDA法二階遞歸算法

3.各種插補(bǔ)方法的特點：1）脈沖增量插補(bǔ)（基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)）特點

特點：每次插補(bǔ)運算結(jié)束后僅向一個運動坐標(biāo)軸輸出一個控制脈沖，此坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量或行程的增量，驅(qū)動坐標(biāo)軸運動。主要用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)中。

2）數(shù)字增量插補(bǔ)（數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)）特點

特點：插補(bǔ)運算分二步完成。第一步是粗插補(bǔ)，即在給定曲線的起點與終點之間插入若干個點，用若干條微小直線段來逼近給定曲線，粗插補(bǔ)在每個插補(bǔ)周期內(nèi)計算一次；第二步是精插補(bǔ)，它是在每一次粗插補(bǔ)計算出的每一條微小直線段上再做“數(shù)據(jù)點的密化”工作，這一步相當(dāng)于對直線進(jìn)行脈沖增量插補(bǔ)。插補(bǔ)過程是先算出各個坐標(biāo)軸的進(jìn)給量（一個插補(bǔ)周期的進(jìn)給增量），并作為指令發(fā)送給伺服驅(qū)動裝置，該裝置按伺服檢測采樣周期采集實際位移，并反饋給插補(bǔ)器與進(jìn)給指令進(jìn)行比較，有差值則運動，無差值則停止，從而完成閉環(huán)控制。主要用于閉環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控加工對插補(bǔ)算法的要求是:1.實時性要強(qiáng);(插補(bǔ)計算時的速度必須比刀具運動的速度要快)2.算法要簡單;(因為加減法快,乘除法慢,這是插補(bǔ)偏差函數(shù)不采用復(fù)雜方程式的原因)3.誤差要小;(插補(bǔ)后,刀具的軌跡與零件輪廓的誤差要小)4.速度均勻性要好;(被加工的表面質(zhì)量才會符合要求)

二、脈沖增量插補(bǔ)(基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ))

1.逐點比較法

早期數(shù)控機(jī)床上廣泛采用的方法，又稱迭代法、醉步法，適用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。(1)插補(bǔ)原理原理：每次僅向一個坐標(biāo)軸輸出一個進(jìn)給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，判斷偏差點的瞬時坐標(biāo)與加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向。每個插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算和終點判別四個步驟組成(一個插補(bǔ)循環(huán)由四個節(jié)拍構(gòu)成)。

(2)逐點比較法直線插補(bǔ)方法YXF<0F>0Pi(Xi,Yi)

EO1）構(gòu)建偏差函數(shù)及偏差判別依據(jù)

對于第一象限直線OE上任一點Pi(Xi,Yi)有:Xi/Yi

=Xe/Ye

則該點的偏差函數(shù)Fi可表示為

Fi=YiXe-XiYe若Fi=0，表示加工點位于直線上；若Fi>0，表示加工點位于直線上方；若Fi<0，表示加工點位于直線下方。2）偏差計算及坐標(biāo)進(jìn)給將上式計算變成加減法運算，故采用偏差函數(shù)的遞推式（迭代式）,既由前一點結(jié)果計算后一點。由Fi

=YiXe-XiYe若Fi>=0，規(guī)定（只能）向+X方向走一步(一個脈沖當(dāng)量)

則,Xi+1

=Xi+1

Fi+1=

YiXe–(Xi+1)Ye=Fi

-Ye(Xe,Ye)若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步(一個脈沖當(dāng)量)，則有

Yi+1=Yi

+1Fi+1=

(Yi+1)Xe-XiYe=Fi

+Xe3）終點判別方法直線插補(bǔ)的終點判別可采用二種方法：①判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：N=Xe+Ye

；②先選XeYe中的大值，然后判斷該值插補(bǔ)或進(jìn)給的步數(shù)。(3)逐點比較法直線插補(bǔ)舉例

設(shè)加工第一象限直線OA，終點坐標(biāo)Xe=6,Ye=4，試用逐點比較法對該直線進(jìn)行插補(bǔ)計算，并繪制插補(bǔ)軌跡。插補(bǔ)從直線起點O開始，點在直線上，故F0=0。終點判別：進(jìn)給總步數(shù)N=6+4=10，將其存入終點判別倒計數(shù)器中，每進(jìn)給一步減1，若N=0，則停止插補(bǔ)；構(gòu)建偏差函數(shù)，步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點判別（計數(shù)器）0

F0=0（坐標(biāo)原點）∑=101F0=0+XF1=F0-ye=0-4=-4∑=10-1=92F1<0+YF2=F1+xe=-4+6=2∑=9-1=83F2>0+XF3=F2-ye=2-4=-2∑=8-1=74F3<0+YF4=F3+xe=-2+6=4∑=7-1=65F4>0+XF5=F4-ye=4-4=0∑=6-1=56F5=0+XF6=F5-ye=0-4=-4∑=5-1=47F6<0+YF7=F6+xe=-4+6=2∑=4-1=38F7>0+XF8=F7-ye=2-4=-2∑=3-1=29F8<0+YF9=F8+xe=-2+6=4∑=2-1=110F9>0+XF10=F9-ye=4-4=0∑=1-1=0逐點比較法直線插補(bǔ)過程:OA98754321610YX若Fi>=0，應(yīng)向+X方向走一步,則有

Xi+1=Xi+1Fi+1=XeYi

–Ye(Xi+1)=Fi-Ye若Fi<0，應(yīng)向+Y方向走一步，則有

Yi+1=Yi+1Fi+1=Xe(Yi+1)-YeXi=Fi+Xe步進(jìn)電機(jī)的運動軌跡

插補(bǔ)算法--逐點比較法小結(jié):

逐點比較法的計算過程:每一個插補(bǔ)循環(huán)（每進(jìn)刀一次）由偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算和終點判別四個步驟組成(一個插補(bǔ)循環(huán)包含四個節(jié)拍)。逐點比較法可以實現(xiàn)直線插補(bǔ)，還可以實現(xiàn)圓弧插補(bǔ)及其它曲線插補(bǔ)。特點：運算直觀，插補(bǔ)誤差不大于一個脈沖當(dāng)量，脈沖輸出均勻，調(diào)節(jié)方便?；仡櫍簲?shù)控加工對插補(bǔ)算法的要求是:1.實時性要強(qiáng);(插補(bǔ)計算時的速度必須比刀具運動的速度要快)2.算法要簡單;(因為加減法快,乘除法慢,這是插補(bǔ)偏差函數(shù)不采用復(fù)雜方程式的原因)3.誤差要小;(插補(bǔ)后,刀具的軌跡與零件輪廓的誤差要小)4.速度均勻性要好;(被加工的表面質(zhì)量才會符合要求)不能實現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動。逐點比較法基本上符合以上四點要求，缺點是：(4)逐點比較法圓弧插補(bǔ)方法1）偏差函數(shù)構(gòu)造設(shè)圓弧上任意加工點Pi（Xi，Yi），因，則偏差函數(shù)Fi可表示為若Fi=0，表示加工點位于圓上；若Fi>0，表示加工點位于圓外；若Fi<0，表示加工點位于圓內(nèi)。XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<02）偏差函數(shù)的迭代式

①逆圓插補(bǔ)若F≥0，規(guī)定向-X方向走一步（見圖便知）若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步；②順圓插補(bǔ)若Fi≥0，規(guī)定向-Y方向走一步；若Fi<0，規(guī)定向+x方向走一步；3）終點判別①判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：

②分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)；XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0(5)逐點比較法圓弧插補(bǔ)舉例設(shè)第一象限逆時針圓弧AB，起點A（4，0），終點B（0，4），試用逐點比較法進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，并繪制插補(bǔ)軌跡。逆圓插補(bǔ)若F≥0，規(guī)定向-X方向走一步；若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步；1）偏差函數(shù)：2）插補(bǔ)步數(shù)：N=4+4=8XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給

偏差計算坐標(biāo)計算終點判別起點

F0=0x0=4,y0=0Σ=4+4=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=0-2*4+1=-7x1=x0-1=3y1=y0=0Σ=8-1=72F1<0+yF2=F1+2y1+1=-7+2*0+1=-6x2=x1=3y2=y1+1=1Σ=7-1=63F2<0+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=2Σ=54F3<0+yF4=F3+2y3+1=2x4=3,y4=3Σ=45F4>0-xF5=F4-2x4+1=-3x5=2,

y5=3Σ=36F5<0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,

y6=4Σ=27F6>0-xF7=F6-2x6+1=1x7=1,

y7=4Σ=18F7<0-xF8=F7-2x7+1=0x8=0,

y8=4Σ=0ABYX44逐點比較法逆圓弧插補(bǔ)：3）計算插補(bǔ)過程；4）畫出插補(bǔ)軌跡。思考題:1)逐點比較法插補(bǔ)計算中，起點與終點坐標(biāo)值的單位是什么?逐點比較法插補(bǔ)誤差為什么不會大于1個脈沖當(dāng)量？2)逐點比較法屬于數(shù)控加工插補(bǔ)中的一種算法，它是否能實現(xiàn)坐標(biāo)軸的聯(lián)動?為什么?（我們將這種插補(bǔ)方法叫做4方向逐點比較法：即刀具每次進(jìn)給方向只能是+X、-X、+Y、-Y之一）3）若逐點比較法直線插補(bǔ)中，起點為（3，2）、終點為（8，6），試問：插補(bǔ)的總步數(shù)是多少？插補(bǔ)偏差函數(shù)怎樣建立？

(6)逐點比較法的象限處理1）分別處理法四個象限的直線插補(bǔ)，共有4組計算公式，對于4個象限的逆時針圓弧插補(bǔ)和4個象限的順時針圓弧插補(bǔ)，共有8組計算公式。2）坐標(biāo)變換法

用第一象限逆圓插補(bǔ)的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限逆圓和第二、四象限順圓插補(bǔ)的偏差計算，用第一象限順圓插補(bǔ)的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限順圓和第二、四象限逆圓插補(bǔ)的偏差計算。順圓逆圓F≥0F<0F≥0F<0F≥0F<0F≥0F≥0

F<0F<0思考題：教材P173：8、9作業(yè):

教材P173：10、11預(yù)習(xí)教材P152~1622.數(shù)字積分法(DDA法)Δty=f(t)ti-1tiOt數(shù)字積分原理y利用數(shù)字積分的方法，獲得刀具沿各坐標(biāo)軸的位移量，從而使刀具沿著所加工的曲線運動。（1）特點:運算速度快，脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動。所以DDA插補(bǔ)算法是目前廣泛使用的一種插補(bǔ)方法。

（2）原理：如右圖示，從時間0到t，求函數(shù)y=f(t)的積分，就是求曲線所包圍的面積，它的積分公式為：…（1）

如果將0~t的時間劃分成時間間隔為Δt的有限區(qū)間，當(dāng)Δt足夠小時，可得近似公式：Δty=f(t)ti-1tiOt數(shù)字積分原理y式中：yi-1為t=ti-1時f(t)的值。公式（2）說明：積分可以用數(shù)的累加來近似代替，其幾何意義就是用一系列小矩形面積之和來近似表示函數(shù)f(t)曲線下面的面積。如果將Δt取一個足夠小的值，即一個脈沖周期的時間，便可以滿足我們所需要的精度，令最小時間Δt=1個單位，則（2）式可以簡化為：

…（2）…（3）

公式（3）的求和可用數(shù)字積分器來累加實現(xiàn)，數(shù)字積分器可用硬件實現(xiàn),也可以用軟件來實現(xiàn)。見下頁框圖數(shù)字積分器如右圖示(見P152)。1)被積函數(shù)寄存器（用JV表示）用于存放函數(shù)值f(t);2)累加器(又稱余數(shù)寄存器，用JR表示)用于存放函數(shù)的累加值；并令:累加器的容量為一個單位面積,即：一個輸出脈沖容量，并置初始值為零;3)每當(dāng)Δt（一次插補(bǔ)所需時間）插補(bǔ)脈沖信號出現(xiàn)一次,便將被積函數(shù)寄存器中的函數(shù)值f(t)送累加器里累加一次;4)當(dāng)累加器的累加求和超過了一個單位面積時,便會產(chǎn)生一個溢出脈沖△S（刀具移動一次）;5)當(dāng)累加次數(shù)m等于累加器的容量時（為2n）,所產(chǎn)生的溢出脈沖總數(shù)（m△S

）也正好等于所求的總面積，即所求積分值

Δt被積函數(shù)寄存器累加器

Δf(t)數(shù)字積分器原理圖△S溢出一個脈沖JVJR當(dāng)前積分值=溢出脈沖數(shù)+余數(shù)此時刀具也正好到達(dá)終點。

（3）DDA法直線插補(bǔ)數(shù)字積分器的組成及插補(bǔ)加工原理溢出一個脈沖JR△S溢出一個脈沖JRJV△S溢出一個脈沖JRΔt被積函數(shù)寄存器累加器

Δf(t)數(shù)字積分器原理圖JV△S溢出一個脈沖JR（4）DDA法直線插補(bǔ)方法（P152）1）原理：直線OA，刀具移動速度為V（勻速），在X、Y軸上的速度分量為VX和VY，位移分量為△X、△Y，△t為一次插補(bǔ)所需時間，則：又：由圖知：則：2）表達(dá)式：刀具在X、Y方向位移的積分形式及累加形式為：A(Xe,Ye)VxVyVOYX△X△YLm—為累加次數(shù)，當(dāng)累加m次后正好到達(dá)終點A…(1)因此，位移是速度對時間的積分。3）簡化公式:取單位時間Δt=1，經(jīng)過m次累加后，有此式為刀具移動軌跡的插補(bǔ)公式，是一個積分形式的累加公式,與教材式（4-18）形式上相同，也說明X、Y的插補(bǔ)過程是一個累加的過程,可用積分器來實現(xiàn)插補(bǔ)，故叫數(shù)字積分法。另：經(jīng)過m次累加后，刀具到達(dá)終點A時X=Xe，Y=Ye，則（2）式為

X=KmXe=XeY=KmYe=Ye由以上結(jié)果知，等式兩邊若要相等，只有：km=1，k=1/m；m是累加次數(shù)，是整數(shù)，可用一個二進(jìn)制寄存器來存放，即：取m=2n,n為二進(jìn)制積分累加器的位數(shù)，m的取值范圍是：0~2n-1，共計有2n個數(shù)。由k=1/m=1/2n，于是(2)式變?yōu)椋骸?2)…..(3)上式積分器的累加過程中，當(dāng)累加和超過累加器的容量（一個單位面積）時，便會溢出一個脈沖，實際上就是控制刀具移動一個脈沖當(dāng)量，完成一次插補(bǔ)加工。當(dāng)兩個坐標(biāo)方向X、Y同時插補(bǔ)時，用溢出的脈沖控制機(jī)床進(jìn)給，

經(jīng)過m次累加后(m=2n)，便到達(dá)加工終點A,則

4）結(jié)論：直線插補(bǔ)從起點走向終點的過程，可以看作是各坐標(biāo)軸每經(jīng)過一個單位時間間隔，分別以增量kxe（xe

/

2n

）及kye

（ye/

2n

）同時累加的過程。累加的結(jié)果為：由（3）式中的二個公式知，直線插補(bǔ)的二個累加公式可以由兩個數(shù)字積分器代替（X積分器及Y積分器，即教材P152圖4.24中左、右二個數(shù)字積分器）；兩個被積函數(shù)寄存器分別用JVX和JVY表示，其函數(shù)分別為常數(shù)Xe和Ye；n位累加器的最大存數(shù)為2n-1，當(dāng)累加數(shù)等于或大于2n時，便會發(fā)生溢出，而余數(shù)仍存放在累加器中，這種關(guān)系可以表示為：當(dāng)前積分值=溢出脈沖數(shù)+余數(shù)所以，X、Y累加器又叫X、Y余數(shù)寄存器，分別用JRX、JRY表示。ΔtX被積函數(shù)寄存器X累加器

Δf(t)X數(shù)字積分器示意圖△x溢出一個脈沖,X軸進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量JRXJVX當(dāng)X、Y兩個積分累加器同步累加時，用溢出的脈沖分別控制機(jī)床的X、Y軸進(jìn)給，便加工出直線輪廓。5)終點判別：累加次數(shù)m=2n

，即插補(bǔ)次數(shù)是否等于2n可作為DDA法直線插補(bǔ)判別終點的依據(jù)（n為二進(jìn)制積分器的位數(shù)）。

6）DDA法直線插補(bǔ)舉例插補(bǔ)第一象限直線OA，起點為O（0，0），終點為A（5，3）。取被積函數(shù)寄存器分別為JVX、JVY，余數(shù)寄存器分別為JRX、JRY，終點計數(shù)器為JE，均為三位二進(jìn)制寄存器。

累加次數(shù)m

X積分器

Y積分器

終點計數(shù)器JE備注

JVX(Xe)JRX溢出△XJvy(Ye)JRy溢出△Y0101(5)000011(3)000111初始狀態(tài)1101101011011111第一次迭代21010101011110110X溢出31011110110011101Y溢出41011001011100100X溢出51010011011111011X溢出61011100110101010Y溢出71010111011101001X溢出810100010110001000X,Y溢出A(5,3)XY作業(yè)：教材P17312、13（5）DDA法圓弧插補(bǔ)方法（P154）1）DDA法逆圓弧插補(bǔ)的積分表達(dá)式：令：則：積分式與DDN直線插補(bǔ)類似，但圓弧插補(bǔ)時，是對切削點的動點坐標(biāo)Xi與Yi的數(shù)值分別進(jìn)行累加，并且坐標(biāo)值正好互換。VVyVxPABRXYO因故2)DDN法圓弧插補(bǔ)與直線插補(bǔ)的區(qū)別：①直線插補(bǔ)時被積函數(shù)寄存器中的值是直線的終點坐標(biāo)值，是常量；而圓弧插補(bǔ)時，是動點的坐標(biāo)，是變量；②圓弧插補(bǔ)中，X被寄函數(shù)寄存器存放動點坐標(biāo)Yi,Y被寄函數(shù)寄存器存放動點Xi，坐標(biāo)軸的對應(yīng)關(guān)系正好相反；③Xi

、

Yi在積分過程中，產(chǎn)生進(jìn)給脈沖△X、△Y時，不但要進(jìn)行坐標(biāo)的移動（插補(bǔ)），還要對相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行加1或減1的修改（見①）；④DDN直線插補(bǔ)的終點判別是由m=2n,

即插補(bǔ)總次數(shù)來決定，而DDA圓弧插補(bǔ)的終點判別要有二個計數(shù)器，哪個坐標(biāo)先到終點，哪個坐標(biāo)就停止積分。另一個坐標(biāo)繼續(xù)積分，直至到達(dá)終點為止。YX次序

X積分器X終點計數(shù)器

Y積分器Y終點計數(shù)器備注JVX（Yi）

JRX

xJVY（Xi）

JRY

Y000000001011010000101初始值100000001011011010101200000100001011010101100溢出，修正Yi300100101011011110100400101001001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001011000111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000110111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000結(jié)束A(5,0)B(0,5)3)DDA法圓弧插補(bǔ)舉例:

第1象限圓弧逆時針插補(bǔ),兩端點為(5,0)和B(0,5),計算插補(bǔ)過程，畫出插補(bǔ)軌跡。+1-1+1-1從圖中看出，DDN法是用切線逼近圓弧。+1+1+14）DDA法圓弧插補(bǔ)及直線插補(bǔ)中，脈沖溢出太慢，進(jìn)給效率太低的問題左移規(guī)格化：從上例知，DDN法圓弧插補(bǔ)中，每發(fā)出一個插補(bǔ)脈沖信號Δt，不一定會有溢出，即刀具沒有移動，進(jìn)給效率降低。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)最高位為1時，稱為規(guī)格化數(shù)，為0時，稱為非規(guī)格化數(shù)。左移規(guī)格化就是當(dāng)被積函數(shù)太小時，可將被積函數(shù)寄存器中的數(shù)值（二進(jìn)制數(shù)Xi、Yi）同時左移，使兩個方向的脈沖分配速度擴(kuò)大同樣倍數(shù)而二者的比值不變，但進(jìn)給溢出脈沖會提前出現(xiàn)，這樣可提高加工效率，同時還會使進(jìn)給脈沖變得比較均勻。因此，直線插補(bǔ)時，可將X、Y被積函數(shù)寄存器中的數(shù)同時左移，直至其中某個數(shù)的最高位為1時為止。但是，左移后，函數(shù)值擴(kuò)大了，為了保持脈沖數(shù)不變，就要減少累加次數(shù)。圓弧插補(bǔ)時，左移后的次高位為1.見P157(5)逐點比較法與DDA法比較：從以上二例子可以看出，1）DDA法每發(fā)出一個脈沖，不一定會有溢出，即刀具可能沒有進(jìn)給，影響插補(bǔ)速度，但經(jīng)過“左移規(guī)格化”以后可以使脈沖分配比較均勻，且提高插補(bǔ)速度(P156)；2）DDA法有時發(fā)出一個脈沖，同時會有兩個方向的溢出，即刀具同時向X、Y軸進(jìn)給，可以實現(xiàn)二軸聯(lián)動。3）逐點比較法插補(bǔ)計算較慢,因為每個插補(bǔ)周期有四個節(jié)拍,且在某一時刻發(fā)出一個脈沖只能向一個坐標(biāo)軸進(jìn)給,不能實現(xiàn)二軸聯(lián)動；4）逐點比較法和DDA法的插補(bǔ)誤差一般不大于一個脈沖當(dāng)量的值。5）逐點比較法圓弧插補(bǔ)軌跡是圓弧周圍的折線；DDA法圓弧插補(bǔ)軌跡是圓弧的切線。6）逐點比較法和DDA法都是脈沖增量插補(bǔ)法，主要用于以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。如：開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床、針式打印機(jī)、電腦繪圖儀、機(jī)器人等設(shè)備都采用逐點比較法和DDA法為步進(jìn)電機(jī)提供插補(bǔ)算法。三、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)

（適用于半閉環(huán)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)）

１、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)原理

根據(jù)編程進(jìn)給速度F及輪廓起點與終點坐標(biāo)值，將加工輪廓按插補(bǔ)周期T（單位時間間隔）分割為插補(bǔ)進(jìn)給的微小線段（輪廓步長），用一系列首尾相連的微小線段來逼近給定輪廓，每經(jīng)過一個插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計算，得出下一個插補(bǔ)點的位置，邊計算，邊加工，直至完成插補(bǔ)加工。檢測裝置定時對坐標(biāo)的實際位置進(jìn)行采樣，并與理論位置進(jìn)行比較，得出位置誤差，然后，在下一采樣周期內(nèi)對位置進(jìn)行修正（采樣周期≦插補(bǔ)周期）。

插補(bǔ)周期T的確定：既不能太長，也不能太短。現(xiàn)代CNC系統(tǒng)中，插補(bǔ)周期一般為２～４ms，有的已達(dá)到零點幾毫秒（插補(bǔ)周期應(yīng)是位置反饋檢測采樣周期的整數(shù)倍）。

插補(bǔ)周期越長，插補(bǔ)計算誤差越大。因此，插補(bǔ)周期應(yīng)盡量選得小一些。但是，CNC系統(tǒng)在進(jìn)行輪廓插補(bǔ)控制時，除完成插補(bǔ)計算外，數(shù)控裝置還必須處理一些其他任務(wù)，如顯示、監(jiān)控、位置采樣及控制等。因此，插補(bǔ)周期應(yīng)大于插補(bǔ)運算時間和其他實時任務(wù)所需時間之和。數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)的誤差：

直線插補(bǔ)時，插補(bǔ)所形成的每段小直線與給定直線重合，不會造成軌跡誤差。

圓弧插補(bǔ)時，是用弦線或割線來逼近圓弧，會造成軌跡誤差，如圖4.29所示。

圖4.29圓弧插補(bǔ)的徑向誤差

如圖4.29(a)所示，用弦線逼近圓弧時，可推導(dǎo)出

半徑誤差為

當(dāng)采用內(nèi)外均差（era=eri

）的割線逼近圓弧時，半徑誤差更小，是內(nèi)接弦的一半；但由于內(nèi)外均差割線逼近時，插補(bǔ)計算復(fù)雜，很少應(yīng)用。由上面分析可知：圓弧插補(bǔ)時的半徑誤差er與圓弧半徑r成反比，與插補(bǔ)周期T和進(jìn)給速度F的平方成正比。圖4.29

圓弧插補(bǔ)的徑向誤差

2.時間分割法插補(bǔ)1)原理：把要加工的直線或圓弧所需的總時間細(xì)分為許多相等的時間間隔（所以叫時間分割法），每經(jīng)過一個單位時間就進(jìn)行一次插補(bǔ)，計算出各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量，邊計算，邊加工，直至加工終點。圖4.30時間分割法直線插補(bǔ)首先根據(jù)加工指令中的進(jìn)給速度計算出一個插補(bǔ)周期的輪廓步長l（距離=速度*時間），即以插補(bǔ)周期為時間單位，將加工過程分割成許多個單位時間內(nèi)的進(jìn)給過程（單位時間內(nèi)移動的路程就等于速度），因此輪廓步長l

與速度f相等，這些輪廓步長的總和便是要加工的輪廓曲線。2)插補(bǔ)計算的主要任務(wù)：就是計算出下一個插補(bǔ)點的坐標(biāo)，從而計算出速度f在各個坐標(biāo)軸的分量，進(jìn)而可以得到下一個插補(bǔ)周期內(nèi)各個坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給量。3)插補(bǔ)后誤差的修正：在進(jìn)給過程中,對實際位置進(jìn)行采樣（所以又叫數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)），與插補(bǔ)計算的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，得出位置誤差，此位置誤差將在下一個采樣周期內(nèi)修正。采樣周期可以等于插補(bǔ)周期，也可以小于插補(bǔ)周期。

１）時間分割法直線插補(bǔ)方法

如圖4.30所示，直線起點在坐標(biāo)原點O

，終點為A（xe,ye

），根據(jù)編程進(jìn)給速度F

和插補(bǔ)周期T，可計算出每個插補(bǔ)周期的進(jìn)給量f

和進(jìn)給步長l

:l＝f＝FT

各坐標(biāo)軸的插補(bǔ)進(jìn)給量為

插補(bǔ)迭代式：

L結(jié)論：時間分割法直線插補(bǔ)時，二軸會聯(lián)動，各坐標(biāo)軸的進(jìn)給軌跡與直線輪廓軌跡重合，沒有插補(bǔ)誤差。圖4.30時間分割法直線插補(bǔ)圖4.30時間分割法直線插補(bǔ)L2)時間分割法圓弧插補(bǔ)方法(弦線法：弦線逼近圓弧)上式中，和都是未知數(shù)，難以用簡單方法求解，采用近似計算，用和cos450

來取代，則

PA(Xi,Yi)B(Xi+1,Yi+1)EXYFHMαδΦiΦi+1CDO弦線法比DDN切線法誤差更小些插補(bǔ)迭代式：３.擴(kuò)展DDA

法插補(bǔ)

擴(kuò)展DDA

法也是典型的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法。它是在數(shù)字積分原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。擴(kuò)展DDA

算法在處理圓弧插補(bǔ)時，不是直接應(yīng)用數(shù)字積分，而是對數(shù)字積分做了改進(jìn)。在圓弧插補(bǔ)中，將數(shù)字積分法用切線逼近圓弧的方法改進(jìn)為割線逼近，減小了逼近誤差。

１）擴(kuò)展DDA法直線插補(bǔ)

如圖4.33所示，設(shè)要加工直線為OA，起點在坐標(biāo)原點O，終點為A（xe,ye

），vX與vY

分別為速度v在X和Y坐標(biāo)的速度分量。具體推導(dǎo)見教材P161

。

圖4.33擴(kuò)展DDA法直線插補(bǔ)2）擴(kuò)展DDA法圓弧插補(bǔ)(割線法)

將DDA法的切線逼近圓弧改變?yōu)楦罹€逼近，所以叫擴(kuò)展DDN法。如圖順圓插補(bǔ)。若按DDN法切線逼近圓?。≒154），其Ai-1Ai的長度為步進(jìn)量：l=f=FT,經(jīng)推導(dǎo)

Ai點的坐標(biāo)增量為：通過Ai-1和Ai的中點B作OB連線，并作垂直O(jiān)B的垂線BC，由此確定插補(bǔ)線段為過Ai點，且平行于BC到新的加工點Ai’，且Ai-1Ai’=

Ai-1Ai新加工點Ai’（在圓外）的坐標(biāo)位置：BAi’CXYMHQOAiAi-1其中：割線法特點：誤差更小，精度更高。圓弧插補(bǔ)各種方法小結(jié)：插補(bǔ)方法插補(bǔ)軌跡插補(bǔ)誤差備注逐點比較法圓弧的折線不大于1個脈沖當(dāng)量P150圖4.18DDA法圓弧的切線不大于1個脈沖當(dāng)量P156圖4.28時間分割法圓弧的弦線式（4-49）P159圖4.31擴(kuò)展DDA法圓弧的割線式（4-49）的一半P162圖4.34作業(yè)：P173題4.134.5

CNC裝置的刀具補(bǔ)償和加減速控制

一、刀具長度補(bǔ)償定義：是用來實現(xiàn)刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉(zhuǎn)換。如數(shù)控車床的車刀的長度補(bǔ)償。二、刀具半徑補(bǔ)償1.刀具半徑補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒?)B刀補(bǔ)這種方法的特點是刀具中心軌跡的線段間連接都是以圓弧進(jìn)行的。B刀補(bǔ)采用的方法是：在確定刀具中心軌跡時，采用的是讀一段，算一段，再走一段的處理方法。這樣，就無法預(yù)計到由于刀具半徑所造成的下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響。2)C刀補(bǔ)這種方法的特點是相鄰兩段輪廓的刀具中心軌跡之間用折線進(jìn)行連接。C刀補(bǔ)采用的方法是：一次對兩線段進(jìn)行處理，即先預(yù)處理本段，然后根據(jù)下一段的方向來確定其刀具中心軌跡的段間過渡狀態(tài)，從而完成了本段的刀補(bǔ)運算處理，然后再從程序段緩沖器再讀一段，用于計算第二段的刀補(bǔ)軌跡，以后按照這種方法進(jìn)行下去，直至程序結(jié)束為止。

2.B功能刀具半徑補(bǔ)償計算

1)直線加工時刀具半徑補(bǔ)償：VSVSYXA(x,y)A’(x’,y’)?y?xOO’arKB功能直線半徑刀補(bǔ)刀具的軌跡O’A’為一平行于加工直線OA的平行線,計算出O’A’的坐標(biāo)即可2)圓弧加工時刀具半徑補(bǔ)償：YO

B功能圓弧刀具半徑補(bǔ)償rXA′(x0′,Y0′)B′(xe′,Y

e′)B(Xe,,ye)A(X0,,Y0)KRΔXΔYαα刀具軌跡的計算:計算刀具中心軌跡(圓弧)的起點,終點坐標(biāo)和半徑即可.3)B功能刀補(bǔ)刀具中心軌跡的連接方式

是在零件的拐角處,通過附加圓弧進(jìn)行過渡

VSVSB刀補(bǔ)的交叉點和間斷點A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’B功能刀具半徑補(bǔ)償在處理被加工輪廓二程序段的尖角過渡時,刀具中心在運動,而刀具相對于工件不運動,會