機(jī)床數(shù)控技術(shù)第三章

機(jī)床數(shù)控技術(shù)第三章第1頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三章計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

第一節(jié)概述數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制指揮中心。它由程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）、可編程序控制器（PLC）、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置等組成的系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。機(jī)床的各個(gè)執(zhí)行部件在數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地按給定程序進(jìn)行零件的切削加工。CNC裝置的核心是計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，實(shí)現(xiàn)部分或全部控制功能。如圖3-1所示。

圖3-1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成

第2頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述

CNC系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，如圖3-2所示，硬件是軟件活動(dòng)的舞臺(tái)，軟件是整個(gè)裝置的靈魂，整個(gè)CNC系統(tǒng)的活動(dòng)均依靠軟件來(lái)指揮。軟件和硬件各有不同的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢；硬件處理速度快，但成本高。因此，在CNC系統(tǒng)中，數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)可依據(jù)其控制特性來(lái)合理確定軟硬件的比例?？墒箶?shù)控系統(tǒng)的性能和可靠性大大提高。圖3-2CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺(tái)第3頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述一、CNC系統(tǒng)的工作過(guò)程

1．輸入

2．譯碼處理3．?dāng)?shù)據(jù)處理(刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、半徑補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償、過(guò)象限及進(jìn)給方向的判斷、進(jìn)給速度換算、加減速控制及機(jī)床輔助功能處理等)4．插補(bǔ)運(yùn)算與位置控制5．輸入/輸出（I/O）處理6．顯示7．診斷第4頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述二、CNC系統(tǒng)的功能數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。1．基本功能（1）控制功能（2）準(zhǔn)備功能（3）插補(bǔ)功能（4）進(jìn)給功能（5）主軸功能（6）刀具功能（7）輔助功能（8）字符顯示功能（9）自診斷功能第5頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述2．選擇功能（1）補(bǔ)償功能（2）固定循環(huán)功能（3）圖形顯示功能（4）通信功能（5）人機(jī)對(duì)話編程功能第6頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一、單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)（一）單微處理器結(jié)構(gòu)

1．單微處理器的特點(diǎn)當(dāng)控制功能不太復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求不太高時(shí)，多采用單微處理器結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是通過(guò)一個(gè)CPU控制系統(tǒng)總線訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。以下三種CNC系統(tǒng)都屬于單CPU結(jié)構(gòu)：（1）只有一個(gè)CPU,采用集中控制、分時(shí)處理的方式完成各項(xiàng)控制任務(wù)。（2）雖然有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，但各微處理器組成主從結(jié)構(gòu)，其中只有一個(gè)CPU能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其它CPU不能夠控制和使用系統(tǒng)總線，只能接受主CPU的控制，作為一個(gè)智能部件工作，處于從屬地位。第7頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖3-3單CPU結(jié)構(gòu)CNC框圖

第8頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（二）多微處理器結(jié)構(gòu)多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)是指在CNC系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲(chǔ)器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的CNC系統(tǒng)大多采用多CPU結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨(dú)立執(zhí)行程序，它比單CPU結(jié)構(gòu)提高了計(jì)算機(jī)的處理速度。多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將軟件和硬件模塊形成一定的功能模塊。模塊間有明確的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，彼此間可以進(jìn)行信息交換。這樣可以形成模塊化結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，并且具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊。多CPU的CNC系統(tǒng)由于每個(gè)CPU分管各自的任務(wù)，形成若干個(gè)模塊，如果某個(gè)模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。并且插件模塊更換方便，可以使故障對(duì)系統(tǒng)的影響減少到最小程度，提高了可靠性。性能價(jià)格比高，適合于多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度的數(shù)控機(jī)床。

第9頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1．多微處理器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（1）性能價(jià)格比高采用多CPU完成各自特定的功能，適應(yīng)多軸控制、高精度、高進(jìn)給速度、高效率的控制要求，同時(shí)，因單個(gè)低規(guī)格CPU的價(jià)格較為便宜，因此其性能價(jià)格比較高。（2）模塊化結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的適應(yīng)性與擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試、維修方便。（3）具有很強(qiáng)的通信功能便于實(shí)現(xiàn)FMS、CIMS。2．多微處理器結(jié)構(gòu)的形式多微處理器CNC裝置一般采用兩種結(jié)構(gòu)形式，即緊耦合結(jié)構(gòu)和松耦合結(jié)構(gòu)。緊耦合結(jié)構(gòu)由各微處理器構(gòu)成處理部件，處理部件之間采取緊耦合方式，有集中的操作系統(tǒng)，共享資源；松耦合結(jié)構(gòu)由各微處理器構(gòu)成功能模塊，功能模塊之間采取松耦合方式，有多重操作系統(tǒng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。第10頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3．多CPUCNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)1）共享總線結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，只有主模塊有權(quán)控制系統(tǒng)總線，且在某一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊占有總線，如有多個(gè)主模塊同時(shí)請(qǐng)求使用總線會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)總線問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)的CNC結(jié)構(gòu)框圖

第11頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)2）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中，采用多端口存貯器來(lái)實(shí)現(xiàn)各CPU之間的互連和通信，每個(gè)端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問(wèn)。由多端控制邏輯電路解決訪問(wèn)沖突。如下圖所示。當(dāng)CNC系統(tǒng)功能復(fù)雜要求CPU數(shù)量增多時(shí)，會(huì)因爭(zhēng)用共享存儲(chǔ)器而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)的效率，其擴(kuò)展功能較為困難。

共享存儲(chǔ)器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖

第12頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4．多CPUCNC系統(tǒng)基本功能模塊（1）管理模塊該模塊是管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等功能。（2）插補(bǔ)模塊該模塊是在完成插補(bǔ)前，進(jìn)行零件程序的譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算、進(jìn)給速度處理等預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并給定各坐標(biāo)軸的位置值。（3）位置控制模塊對(duì)坐標(biāo)位置給定值與由位置檢測(cè)裝置測(cè)到的實(shí)際位置值進(jìn)行比較并獲得差值、進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、對(duì)伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數(shù)字量），去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。（4）PLC模塊零件程序的開(kāi)關(guān)量（S、M、T）和機(jī)床面板來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣設(shè)備的啟停，刀具交換，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。（5）數(shù)據(jù)輸入輸出模塊指零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作指令的輸入輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。（6）存儲(chǔ)器模塊是程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或是功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。第13頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)二、大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)從組成CNC系統(tǒng)的電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，有兩種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，即大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)1．大板式結(jié)構(gòu)大板式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是,一個(gè)系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。其他相關(guān)的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲(chǔ)器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統(tǒng)的核心部分。由此可見(jiàn)，大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價(jià)格低，有很高的性能／價(jià)格比，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)，大板結(jié)構(gòu)雖有上述優(yōu)點(diǎn)，但它的硬件功能不易變動(dòng)，不利于組織生產(chǎn)。2．功能模塊式結(jié)構(gòu)另外一種柔性比較高的結(jié)構(gòu)就是總線模塊化的開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制組成獨(dú)立微型計(jì)算機(jī)級(jí)的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。硬、軟件模塊形成一個(gè)特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此可以進(jìn)行信息交換。這種積木式組成CNC系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，試制周期短，調(diào)整維護(hù)方便，效率高。第14頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)三、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1．美國(guó)的NGC和OMAC計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)2．歐共體的OSACA計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)3．日本的OSEC計(jì)劃及其結(jié)構(gòu)第15頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門(mén)設(shè)計(jì)和編制的，是數(shù)控加工系統(tǒng)的一種專用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件（系統(tǒng)程序）。

在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的，即由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來(lái)完成。但是它們各有特點(diǎn)：硬件處理速度快，造價(jià)相對(duì)較高，適應(yīng)性差；軟件設(shè)計(jì)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，但是處理速度慢。因此，CNC系統(tǒng)中軟、硬件的分配比例是由性能價(jià)格比決定的。

CNC中三種典型的軟硬件功能界面

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第16頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、CNC軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1．CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性

CNC任務(wù)分解

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第17頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五CNC的任務(wù)并行處理關(guān)系需求

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第18頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

2.并行處理并行處理是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)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(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。并行處理分為“資源重復(fù)”法、

“時(shí)間重疊”法和“資源共享”法等并行處理方法。目前CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)中，廣泛使用“資源重復(fù)”的并行處理技術(shù)。如采用多CPU的體系結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的速度。而在CNC裝置的軟件中，主要采用“資源分時(shí)共享”和“時(shí)間重疊的流水處理”方法。1）資源分時(shí)共享并行處理方法

CPU分時(shí)共享的并行處理

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第19頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2）時(shí)間重疊流水并行處理方法當(dāng)CNC裝置在自動(dòng)加工工作方式時(shí)，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程將由零件程序輸入、插補(bǔ)準(zhǔn)備、插補(bǔ)、位置控制四個(gè)子過(guò)程組成。如果每個(gè)子過(guò)程的處理時(shí)間分別為Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，那么一個(gè)零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間將是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以順序方式處理每個(gè)零件的程序段，則第一個(gè)零件程序段處理完以后再處理第二個(gè)程序段，依次類推。圖（a）表示了這種順序處理時(shí)的時(shí)間空間關(guān)系。從圖中可以看出，兩個(gè)程序段的輸出之間將有一個(gè)時(shí)間為t的間隔。這種時(shí)間間隔反映在電動(dòng)機(jī)上就是電動(dòng)機(jī)的時(shí)停時(shí)轉(zhuǎn)，反映在刀具上就是刀具的時(shí)走時(shí)停，這種情況在加工工藝上是不允許的。消除這種間隔的方法是用時(shí)間重疊流水處理技術(shù)。采用流水處理后的時(shí)間空間關(guān)系如圖（b）所示。a)b)

時(shí)間重疊流水處理

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第20頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3．實(shí)時(shí)中斷處理CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)時(shí)實(shí)時(shí)中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對(duì)象，每個(gè)程序段中有許多子程序，它們按照預(yù)定的順序反復(fù)執(zhí)行，各個(gè)步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，這就決定了中斷成為整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。CNC的中斷類型如下：（1）外部中斷

主要有紙帶光電閱讀機(jī)中斷、外部監(jiān)控中斷（如：緊急停、量?jī)x到位等）和鍵盤(pán)操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求很高，將它們放在較高的優(yōu)先級(jí)上，而鍵盤(pán)和操作面板的輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級(jí)上。在有些系統(tǒng)中，甚至用查詢的方式來(lái)處理它。（2）內(nèi)部定時(shí)中斷

主要有插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。在有些系統(tǒng)中將兩種定時(shí)中斷合二為一。但是在處理時(shí)，總是先處理位置控制，然后處理插補(bǔ)運(yùn)算。（3）硬件故障中斷

它是各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷。如存儲(chǔ)器出錯(cuò)，定時(shí)器出錯(cuò)，插補(bǔ)運(yùn)算超時(shí)等。（4）程序性中斷

它是程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。如：各種溢出，除零等。

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第21頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4、CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中斷結(jié)構(gòu)。在常規(guī)的CNC系統(tǒng)中，已有的結(jié)構(gòu)模式有中斷型結(jié)構(gòu)和前后臺(tái)型兩種結(jié)構(gòu)模式。

1．中斷型結(jié)構(gòu)模式中斷型軟件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種功能模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過(guò)各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的相互通訊來(lái)解決。一般在中斷型結(jié)構(gòu)模式的CNC軟件體系中，控制CRT顯示的模塊為低級(jí)中斷（0級(jí)中斷），只要系統(tǒng)中沒(méi)有其他中斷級(jí)別請(qǐng)求，總是執(zhí)行0級(jí)中斷，即系統(tǒng)進(jìn)行CRT顯示。其他程序模塊，如譯碼處理、刀具中心軌跡計(jì)算、鍵盤(pán)控制、I/O信號(hào)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、終點(diǎn)判別、伺服系統(tǒng)位置控制等處理，分別具有不同的中斷優(yōu)先級(jí)別。開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)程序首先進(jìn)入初始化程序，進(jìn)行初始化狀態(tài)的設(shè)置、ROM檢查等工作。初始化后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入0級(jí)中斷CRT顯示處理。此后系統(tǒng)就進(jìn)入各種中斷的處理，整個(gè)系統(tǒng)的管理是通過(guò)每個(gè)中斷服務(wù)程序之間的通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第22頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第23頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1級(jí)中斷各口處理轉(zhuǎn)換框圖

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第24頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第25頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2．前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式該結(jié)構(gòu)模式的CNC系統(tǒng)的軟件分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是指實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、伺服、機(jī)床監(jiān)控等實(shí)時(shí)功能。這些功能與機(jī)床的動(dòng)作直接相關(guān)。后臺(tái)程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，完成管理功能和輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理等非實(shí)時(shí)性任務(wù)，也叫背景程序，管理軟件和插補(bǔ)準(zhǔn)備在這里完成。后臺(tái)程序運(yùn)行中，實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入，與后臺(tái)程序相配合，共同完成零件加工任務(wù)。下圖所示為前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中，實(shí)時(shí)中斷程序與后臺(tái)程序的關(guān)系圖。這種前后臺(tái)型的軟件結(jié)構(gòu)一般適合單處理器集中式控制，對(duì)CPU的性能要求較高。程序啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，再進(jìn)入后臺(tái)程序環(huán)，同時(shí)開(kāi)放實(shí)時(shí)中斷程序，每隔一定的時(shí)間中斷發(fā)生一次，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，此時(shí)后臺(tái)程序停止運(yùn)行，實(shí)時(shí)中斷程序執(zhí)行后，再返回后臺(tái)程序。前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第26頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第27頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)三、CNC系統(tǒng)軟件的工作過(guò)程1．輸入

CNC系統(tǒng)中的零件加工程序，一般是通過(guò)鍵盤(pán)、磁盤(pán)或U盤(pán)、DNC接口等方式輸入的。在軟件設(shè)計(jì)中，這些輸入方式大都采用中斷方式來(lái)完成，且每一種輸入法均有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在CNC系統(tǒng)中，無(wú)論采用哪一種輸入方法，其存儲(chǔ)過(guò)程總是要經(jīng)過(guò)零件程序的輸入，然后將輸入的零件程序先存放在緩沖器中，再經(jīng)緩沖器到達(dá)零件程序存儲(chǔ)器。2．譯碼譯碼就是將輸入的零件程序翻譯成本系統(tǒng)所能識(shí)別的語(yǔ)言，譯碼的結(jié)果存放在指定的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，通常稱為譯碼結(jié)果寄存器，譯碼程序的功能就是把程序段中各個(gè)數(shù)據(jù)根據(jù)其前后的字符地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中。譯碼可以在正式加工前一次性將整個(gè)程序翻譯完，并在譯碼過(guò)程中對(duì)程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查，若有語(yǔ)法錯(cuò)誤則報(bào)警，這種方式可稱之為編譯；另一種處理方式是在加工過(guò)程中進(jìn)行譯碼，即數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工控制時(shí)，利用空閑時(shí)間來(lái)對(duì)后面的程序段進(jìn)行譯碼，這種方式可稱之為解釋。3．?dāng)?shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理即預(yù)計(jì)算，通常包括刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具半徑補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距補(bǔ)償、過(guò)象限及進(jìn)給方向的判斷、進(jìn)給速度換算、加減速控制及機(jī)床輔助功能處理等。第28頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（1）進(jìn)給速度控制在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的速度是通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的速度計(jì)算是根據(jù)編程的F值來(lái)確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給脈沖頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走上一步，相應(yīng)的坐標(biāo)軸移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量δ

，進(jìn)給速度F(mm/min)與進(jìn)給脈沖頻率f的關(guān)系為兩軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度分別為式中FX、FY分別為X軸、Y軸的進(jìn)給速度（mm/min）;fx、fy

分別為X軸、Y軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率。合成的進(jìn)給速度為第29頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)在閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)中，由于采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，所以是根據(jù)編程的F值計(jì)算出每個(gè)采樣周期的輪廓步長(zhǎng)，而獲得進(jìn)給速度。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方式多用于以直流電機(jī)或交流電機(jī)作為執(zhí)行元件的閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，速度計(jì)算的任務(wù)是確定一個(gè)插補(bǔ)周期的輪廓步長(zhǎng)，即一個(gè)插補(bǔ)周期T內(nèi)的位移量。式中F—程編給出的合成進(jìn)給速度（mm/min）；

T—插補(bǔ)周期（ms）；ΔL—每個(gè)插補(bǔ)周期小直線段的長(zhǎng)度（μm）。以上給出的是穩(wěn)定狀態(tài)下的進(jìn)給速度處理關(guān)系。當(dāng)機(jī)床起動(dòng)、停止或加工過(guò)程中改變進(jìn)給速度時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行加減速處理。第30頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(2)加減速控制為了保證機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對(duì)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置的進(jìn)給脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制，即在機(jī)床加速起動(dòng)時(shí)，保證加在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸增大；而當(dāng)機(jī)床減速停止時(shí)，保證在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸減少。在CNC系統(tǒng)中，加減速控制多數(shù)采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。加減速控制可以在插補(bǔ)前進(jìn)行，稱之為前加減速控制；也可以在插補(bǔ)后進(jìn)行，稱為后加減速控制，如同3-20所示。圖3-20前加減速和后加減速控制第31頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)前加減速控制僅對(duì)編程指令速度F進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度，其缺點(diǎn)是需要預(yù)測(cè)減速點(diǎn)，而預(yù)測(cè)減速點(diǎn)的計(jì)算量較大；后加減速控制是對(duì)各軸分別進(jìn)行加減速控制，不需要預(yù)測(cè)減速點(diǎn)，由于對(duì)各坐標(biāo)軸分別進(jìn)行控制，實(shí)際各坐標(biāo)軸的合成位置可能不準(zhǔn)確，但這種影響只是在加減速過(guò)程中才存在，進(jìn)入勻速狀態(tài)時(shí)這種影響就沒(méi)有了。加減速實(shí)現(xiàn)的方式有線性加減速（勻加減速）、指數(shù)加減速和正弦曲線加減速方式，圖3-21為三種加減速方式的特性曲線。其中線性加減速方式常用于點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，指數(shù)和S曲線加減速方式常用于直線和輪廓控制系統(tǒng)中。

圖3-21加減速特性曲線a）線性加減速b）指數(shù)加減速c）S曲線加減速第32頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)(3)反向間隙及絲杠螺距補(bǔ)償位置精度是數(shù)控機(jī)床最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)反向間隙補(bǔ)償可提高數(shù)控機(jī)床的位置精度。在點(diǎn)位、直線控制系統(tǒng)中，位置精度中的定位精度影響工件的尺寸精度；在輪廓控制系統(tǒng)中，定位精度影響工件輪廓加工精度。反向間隙又稱失動(dòng)量，是由進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)鏈中的導(dǎo)軌副間隙、絲杠螺母副間隙及齒輪副齒隙、絲杠及傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)、壓縮變形以及其他構(gòu)件的彈性變形等因素綜合引起的。由于反向間隙的存在，當(dāng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向改變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)一定角度而工作臺(tái)不移動(dòng)的現(xiàn)象。反向間隙補(bǔ)償是在電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)多轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，消除間隙后才正式計(jì)算坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的值，即空走不計(jì)入坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

絲杠螺距累計(jì)誤差是在絲杠制造和裝配過(guò)程中產(chǎn)生的，呈周期性的變化規(guī)律。位置誤差補(bǔ)償是通過(guò)對(duì)機(jī)床全行程的離線測(cè)量，得到定位誤差曲線，在誤差達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量的位置處設(shè)定正或負(fù)的補(bǔ)償值。當(dāng)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)，系統(tǒng)將坐標(biāo)值加或減一個(gè)脈沖當(dāng)量，從而將實(shí)際定位誤差控制在一定的精度范圍內(nèi)，位置誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)作為機(jī)床參數(shù)存入數(shù)控系統(tǒng)中。圖3-22所示為某數(shù)控機(jī)床一坐標(biāo)軸位置誤差補(bǔ)償前后的定位誤差曲線。第33頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖3-22定位誤差曲線

a)補(bǔ)償前b)補(bǔ)償后第34頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4．插補(bǔ)運(yùn)算插補(bǔ)運(yùn)算是CNC系統(tǒng)中最重要的計(jì)算工作之一。在實(shí)際的CNC系統(tǒng)中，常采用粗、精插補(bǔ)相結(jié)合的方法，即把插補(bǔ)功能分成軟件插補(bǔ)與硬件插補(bǔ)兩部分。數(shù)控系統(tǒng)控制軟件把刀具軌跡分割成若干段，而硬件電路再在各段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡在允許的誤差之內(nèi)，即軟件實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)，硬件實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)。5．輸出輸出控制主要完成伺服控制及M、S、T等輔助功能。伺服控制包括數(shù)控系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出模擬速度控制信號(hào)或一串脈沖指令，同時(shí)接受位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置控制。

S功能用于主軸轉(zhuǎn)速控制，數(shù)控系統(tǒng)將譯碼后的信息傳送給主軸控制系統(tǒng)，由主軸控制系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行控制。M、T功能主要涉及到開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，用PLC處理。數(shù)控系統(tǒng)只需將譯碼后的信息適時(shí)地傳送給PLC就可完成諸如主軸正、反轉(zhuǎn)、冷卻和潤(rùn)滑、刀庫(kù)選刀及機(jī)械手換刀、工作臺(tái)交換等控制。6．管理與診斷

CNC系統(tǒng)的管理軟件主要包括CPU管理與外設(shè)管理，如前、后臺(tái)程序的合理安排與協(xié)調(diào)工作，中斷服務(wù)程序之間的相互通信，控制面板與操作面板上各種信息的監(jiān)控等。第35頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大，而且在故障出現(xiàn)后，可以幫助用戶迅速查明故障的類型與部位，減少故障停機(jī)時(shí)間。在設(shè)計(jì)診斷程序時(shí)，診斷程序可以包括在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行檢查與診斷，也可以作為服務(wù)程序在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障發(fā)生停機(jī)后進(jìn)行診斷。第36頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理一、概述1．插補(bǔ)的基本概念所謂插補(bǔ)是指數(shù)據(jù)點(diǎn)密化的過(guò)程。在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)輸入有限坐標(biāo)點(diǎn)（例如起點(diǎn)、終點(diǎn)）的情況下，計(jì)算機(jī)根據(jù)線段的特征（直線、圓弧、橢圓等），運(yùn)用一定的算法，自動(dòng)地在有限坐標(biāo)點(diǎn)之間生成一系列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)地對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)線段的軌跡運(yùn)行，使機(jī)床加工出所要求的輪廓曲線。大多數(shù)CNC系統(tǒng)一般都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。對(duì)于非直線或圓弧組成的軌跡，可以用小段的直線或圓弧來(lái)擬合。只有在某些要求較高的系統(tǒng)中，才具有拋物線、螺旋線插補(bǔ)功能。對(duì)于輪廓控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，插補(bǔ)是最重要的計(jì)算任務(wù)，插補(bǔ)程序的運(yùn)行時(shí)間和計(jì)算精度影響著整個(gè)CNC系統(tǒng)的性能指標(biāo)，可以說(shuō)插補(bǔ)是整個(gè)CNC系統(tǒng)控制軟件的核心。目前普遍應(yīng)用的插補(bǔ)算法可分為兩大類：一類是基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)；另一類是數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。

第37頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理（一）基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱脈沖增量插補(bǔ)，這類插補(bǔ)算法是以脈沖形式輸出，每插補(bǔ)運(yùn)算一次，最多給每一軸一個(gè)進(jìn)給脈沖。把每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，每發(fā)出一個(gè)脈沖，工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位，也叫脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量是脈沖分配的基本單位。（二）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱時(shí)間增量插補(bǔ)，這類算法插補(bǔ)結(jié)果輸出的不是脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)。根據(jù)程編進(jìn)給速度，把輪廓曲線按插補(bǔ)周期將其分割為一系列微小直線段，然后將這些微小直線段對(duì)應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，以控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的進(jìn)給。插補(bǔ)計(jì)算是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的一項(xiàng)工作，為了提高計(jì)算速度，縮短計(jì)算時(shí)間，按以下三種結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行改進(jìn)。1.采用軟/硬件結(jié)合的兩級(jí)插補(bǔ)方案。2.

采用多CPU的分布式處理方案。3.采用單臺(tái)高性能微型計(jì)算機(jī)方案。第38頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理二、典型插補(bǔ)方法的工作原理

1．逐點(diǎn)比較法加工右圖所示圓弧AB，如果刀具在起始點(diǎn)A，假設(shè)讓刀具先從A點(diǎn)沿－Y方向走一步，刀具處在圓內(nèi)1點(diǎn)。為使刀具逼近圓弧，同時(shí)又向終點(diǎn)移動(dòng)，需沿＋X方向走一步，刀具到達(dá)2點(diǎn)，仍位于圓弧內(nèi)，需再沿＋X方向走一步，到達(dá)圓弧外3點(diǎn)，然后再沿－Y方向走一步，如此繼續(xù)移動(dòng)，走到終點(diǎn)。第39頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理加工右圖所示直線OE也一樣，先從O點(diǎn)沿＋X向進(jìn)給一步，刀具到達(dá)直線下方的1點(diǎn)，為逼近直線，第二步應(yīng)沿＋Y方向移動(dòng)，到達(dá)直線上方的2點(diǎn)，再沿＋X向進(jìn)給，直到終點(diǎn)。所謂逐點(diǎn)比較法，就是每走一步都要和給定軌跡比較一次，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向并趨向終點(diǎn)移動(dòng)，刀具所走的軌跡應(yīng)該和給定軌跡非常相“象”。第40頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理2.插補(bǔ)原理

一般來(lái)說(shuō)，逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)過(guò)程可按以下四個(gè)步驟進(jìn)行：偏差判別：根據(jù)刀具當(dāng)前位置，確定進(jìn)給方向。坐標(biāo)進(jìn)給：使加工點(diǎn)向給定軌跡趨進(jìn)，即向減少誤差方向移動(dòng)。偏差計(jì)算：計(jì)算新加工點(diǎn)與給定軌跡之間的偏差，作為下一步判別依據(jù)。終點(diǎn)判別：判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，若到達(dá)，結(jié)束插補(bǔ)；否則，繼續(xù)以上四個(gè)步驟（如右圖所示）。第41頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理3.直線插補(bǔ)

圖3-29所示第一象限直線OE，起點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，用戶編程時(shí)，給出直線的終點(diǎn)坐標(biāo)E（Xe，Ye），直線方程為

XeY－XYe＝0(3-1)

直線OE

為給定軌跡，P（X，Y）為動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，動(dòng)點(diǎn)與直線的位置關(guān)系有三種情況：動(dòng)點(diǎn)在直線上方、直線上、直線下方。第42頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理對(duì)于第一象限直線，其偏差符號(hào)與進(jìn)給方向的關(guān)系為

F＝0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE上，如點(diǎn)P，可向＋X向進(jìn)給，也可向＋Y向進(jìn)給。

F>0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE上方，如點(diǎn)P1，應(yīng)向＋X向進(jìn)給。

F<0時(shí)，表示動(dòng)點(diǎn)在OE下方，如點(diǎn)P2，應(yīng)向＋Y向進(jìn)給。這里規(guī)定動(dòng)點(diǎn)在直線上時(shí)，可歸入F>0的情況一同考慮。插補(bǔ)工作從起點(diǎn)開(kāi)始，走一步，算一步,判別一次，再走一步，當(dāng)沿兩個(gè)坐標(biāo)方向走的步數(shù)分別等于Xe和Ye時(shí)，停止插補(bǔ)。下面將F的運(yùn)算采用遞推算法予以簡(jiǎn)化，動(dòng)點(diǎn)Pi(Xi，Yi)的Fi值為第43頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理

若Fi≥0，表明Pi(Xi，Yi)點(diǎn)在OE直線上方或在直線上，應(yīng)沿＋X向走一步，假設(shè)坐標(biāo)值的單位為脈沖當(dāng)量，走步后新的坐標(biāo)值為（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi,新點(diǎn)偏差為即

若Fi<0，表明Pi（Xi，Yi）點(diǎn)在OE

的下方，應(yīng)向＋Y方向進(jìn)給一步，新點(diǎn)坐標(biāo)值為(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi,Yi+1＝Y(jié)i＋1，新點(diǎn)的偏差為第44頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理即(3-4)開(kāi)始加工時(shí)，將刀具移到起點(diǎn)，刀具正好處于直線上，偏差為零，即F＝0，根據(jù)這一點(diǎn)偏差可求出新一點(diǎn)偏差，隨著加工的進(jìn)行，每一新加工點(diǎn)的偏差都可由前一點(diǎn)偏差和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。在插補(bǔ)計(jì)算、進(jìn)給的同時(shí)還要進(jìn)行終點(diǎn)判別。常用終點(diǎn)判別方法，是設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，從直線的起點(diǎn)走到終點(diǎn)，刀具沿X軸應(yīng)走的步數(shù)為Xe，沿Y軸走的步數(shù)為Ye，計(jì)數(shù)器中存入X和Y兩坐標(biāo)進(jìn)給步數(shù)總和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，當(dāng)X或Y坐標(biāo)進(jìn)給時(shí)，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度減一，當(dāng)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度減到零時(shí)，即∑＝0時(shí)，停止插補(bǔ)，到達(dá)終點(diǎn)。第45頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理例3-1加工第一象限直線OE，如圖3-30所示，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為E（4，3）。試用逐點(diǎn)比較法對(duì)該段直線進(jìn)行插補(bǔ)，并畫(huà)出插補(bǔ)軌跡。第46頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理序號(hào)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別1F0=0+△xF1=F0-Ye=0-3=-3∑1＝

∑0-1=7-1=62F1=-3<0+△YF2=F1+Xe=-3+4=1∑2＝

∑1-1=6-1=53F2=1>0+△XF3=F2-Ye=

1-3=-2∑3＝

∑2-1=5-1=44F3=-2<0+△YF4=F3+Xe=

-2+4=2∑4＝

∑3-1=4-1=35F4=2>0+△XF5=F4-Ye=

2-3=-1∑5＝

∑4-1=3-1=26F5=-1<0+△YF6=F5+Xe=

-1+4=3∑6＝

∑5-1=2-1=17F6=3>0+△XF7=F6-Ye=

3-3=0∑7＝

∑6-1=1-1=0第47頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理

3.逐點(diǎn)比較法進(jìn)行第1象限逆圓弧插補(bǔ)

在圓弧加工過(guò)程中，可用動(dòng)點(diǎn)到圓心的距離來(lái)描述刀具位置與被加工圓弧之間關(guān)系。設(shè)圓弧圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，已知圓弧起點(diǎn)A（Xa，Ya），終點(diǎn)E（Xe，Ye），圓弧半徑為R。加工點(diǎn)可能在三種情況出現(xiàn)，即圓弧上、圓弧外、圓弧內(nèi)。當(dāng)動(dòng)點(diǎn)P（X，Y）位于圓弧上時(shí)有

X2＋Y2－R2=0P點(diǎn)在圓弧外側(cè)時(shí)，則OP大于圓弧半徑R，即

X2＋Y2－R2>0P點(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)時(shí)，則OP小于圓弧半徑R，即

X2＋Y2－R2<0

用F表示P點(diǎn)的偏差值，定義圓弧偏差函數(shù)判別式為

當(dāng)動(dòng)點(diǎn)落在圓弧上時(shí)，一般約定將其和F>0一并考慮。第48頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理1.動(dòng)點(diǎn)在圓弧外,F>0,向-x

走一步；2.動(dòng)點(diǎn)在圓弧內(nèi),F<0,向+y

走一步；3.動(dòng)點(diǎn)在圓弧上,F=0,向-x

走一步。A(x0,y0)E(xe,ye)Piy第49頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五由于偏差計(jì)算公式中有平方值計(jì)算，下面采用遞推公式給予簡(jiǎn)化，對(duì)第一象限逆圓，F(xiàn)i≥0，動(dòng)點(diǎn)Pi(Xi，Yi)應(yīng)向－X向進(jìn)給，新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi＋1,Yi＋1)，且Xi＋1＝Xi－1，Yi＋1＝Y(jié)i，則新點(diǎn)的偏差值為故：第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第50頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理若Fi<0，動(dòng)點(diǎn)Pi(Xi，Yi)應(yīng)向+Y向進(jìn)給，新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi＋1,Yi＋1)，且Xi＋1＝Xi，Yi＋1＝Y(jié)i+1，則新點(diǎn)的偏差值為故：進(jìn)給后新點(diǎn)的偏差計(jì)算公式除與前一點(diǎn)偏差值有關(guān)外，還與動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值隨著插補(bǔ)的進(jìn)行是變化的，所以在圓弧插補(bǔ)的同時(shí)，還必須修正新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)。圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別：將X、Y軸走的步數(shù)總和存入一個(gè)計(jì)數(shù)器，∑＝∣Xe－Xa∣＋∣Ye－Ya∣，每走一步∑減一，當(dāng)∑＝0發(fā)出停止信號(hào)。第51頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五初始化起點(diǎn)(x0,y0)終點(diǎn)(xe,ye)

F=0F≥0？+Y方向走一步-X方向走一步F=F+2Y+1Y=Y+1F=F-2X+1X=X-1插補(bǔ)完?EndNYNY第52頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理

例3-2現(xiàn)欲加工第1象限逆圓弧AE,如圖3-29所示，起點(diǎn)A(6,0)，終點(diǎn)E(0,6),試用逐點(diǎn)比較法對(duì)該段圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，并畫(huà)出刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。第53頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理序號(hào)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)F0=0X0=6,Y0=0∑0=121F0=0-△XF1=0-2×6+1=-11X1=5,Y1=0∑1＝∑0-1=12-1=112F1=-11<0+△YF2=-11+2×0+1=-10X2=5,Y2=1∑2＝∑1-1=11-1=103F2=-10<0+△YF3=-10+2×1+1=-7X3=5,Y3=2∑3＝∑2-1=10-1=94F3=-7<0+△YF4=-7+2×2+1=-2X4=5,Y4=3∑4＝∑3-1=9-1=85F4=-2<0+△YF5=-2+2×3+1=5X5=5,Y5=4∑5＝

∑4-1=8-1=76F5=5>0-△XF6=5-2×5+1=-4X6=4,Y6=4∑6＝

∑5-1=7-1=67F6=-4<0+△YF7=-4+2×4+1=5X7=4,Y7=5∑7＝

∑6-1=6-1=58F7=5>0-△XF8=5-2×4+1=-2X8=3,Y8=5∑8＝

∑7-1=5-1=49F8=-2<0+△YF9=-2+2×5+1=9X9=3,Y9=6∑9＝

∑8-1=4-1=310F9=9>0-△XF10=9-2×3+1=4X10=2,Y10=6∑10＝

∑9-1=3-1=211F10=4>0-△XF11=4-2×2+1=1X11=1,Y11=6∑11＝

∑10-1=2-1=112F11=1>0-△

XF12=1-2×1+1=0X12=0,Y12=6∑12＝

∑11-1=1-1=0第54頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2數(shù)據(jù)采樣法（一）數(shù)據(jù)采樣法原理數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱為時(shí)間分割法，與基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法不同，數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法得出的不是進(jìn)給脈沖，而是用二進(jìn)制表示的進(jìn)給量。這種方法是根據(jù)程編進(jìn)給速度F，將給定輪廓曲線按插補(bǔ)周期T（某一單位時(shí)間間隔）分割為插補(bǔ)進(jìn)給段（輪廓步長(zhǎng)），即用一系列首尾相連的微小線段來(lái)逼近給定曲線。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，算出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，即算出插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量，如等，得出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的指令位置。插補(bǔ)周期越長(zhǎng)，插補(bǔ)計(jì)算誤差越大，插補(bǔ)周期應(yīng)盡量選得小一些。CNC系統(tǒng)在進(jìn)行輪廓插補(bǔ)控制時(shí)，除完成插補(bǔ)計(jì)算外，數(shù)控裝置還必須處理一些其它任務(wù)，如顯示、監(jiān)控、位置采樣及控制等。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第55頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

因此，插補(bǔ)周期應(yīng)大于插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間和其它實(shí)時(shí)任務(wù)所需時(shí)間之和。插補(bǔ)周期大約在8ms左右。采樣是指由時(shí)間上連續(xù)信號(hào)取出不連續(xù)信號(hào)，對(duì)時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)進(jìn)行采樣，就是通過(guò)一個(gè)采樣開(kāi)關(guān)K（這個(gè)開(kāi)關(guān)K每隔一定的周期TC閉合一次）后，在采樣開(kāi)關(guān)的輸出端形成一連串的脈沖信號(hào)。這種把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成時(shí)間上離散的脈沖系列的過(guò)程稱為采樣過(guò)程，周期TC叫采樣周期。計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)坐標(biāo)的實(shí)際位置進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)與指令位置進(jìn)行比較，得出位置誤差用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，使實(shí)際位置跟隨指令位置。對(duì)于給定的某個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，插補(bǔ)周期T和采樣周期TC是固定的，通常T≥TC，一般要求T是TC的整數(shù)倍。對(duì)于直線插補(bǔ)，不會(huì)造成軌跡誤差。在圓弧插補(bǔ)中，會(huì)帶來(lái)軌跡誤差。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第56頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五如圖3-33所示，用弦線逼近圓弧，其最大徑向誤差er為

(3-26)式中R—被插補(bǔ)圓弧半徑（mm）；

—角步距，在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)逼近弦所對(duì)應(yīng)的圓心角。將式(3-26)中的用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，得

(3-27)第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第57頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

設(shè)T為插補(bǔ)周期，F(xiàn)為進(jìn)給速度，則輪廓步長(zhǎng)為(3-28)用輪廓步長(zhǎng)代替弦長(zhǎng)，有(3-29)將(3-29)代入式（3-27）,得(3-30)可見(jiàn)，圓弧插補(bǔ)過(guò)程中，用弦線逼近圓弧時(shí)，插補(bǔ)誤差er與程編進(jìn)給速度F的平方、插補(bǔ)周期T的平方成正比，與圓弧半徑R成反比。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第58頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖3-33弦線逼近圓弧圖3-34數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ)第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第59頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.