機床數(shù)控技術(shù)第三章

機床數(shù)控技術(shù)第三章第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第三章計算機數(shù)控系統(tǒng)

第一節(jié)概述數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制指揮中心。它由程序、輸入輸出設(shè)備、計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）、可編程序控制器（PLC）、主軸驅(qū)動裝置和進給伺服驅(qū)動裝置等組成的系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。機床的各個執(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行零件的切削加工。CNC裝置的核心是計算機，由計算機通過執(zhí)行其存儲器內(nèi)的程序，實現(xiàn)部分或全部控制功能。如圖3-1所示。

圖3-1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

第2頁，共74頁，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，硬件是軟件活動的舞臺，軟件是整個裝置的靈魂，整個CNC系統(tǒng)的活動均依靠軟件來指揮。軟件和硬件各有不同的特點，軟件設(shè)計靈活，適應性強，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)控功能的實現(xiàn)可依據(jù)其控制特性來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)平臺第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述一、CNC系統(tǒng)的工作過程

1．輸入

2．譯碼處理3．數(shù)據(jù)處理(刀具長度補償、半徑補償、反向間隙補償、絲杠螺距補償、過象限及進給方向的判斷、進給速度換算、加減速控制及機床輔助功能處理等)4．插補運算與位置控制5．輸入/輸出（I/O）處理6．顯示7．診斷第4頁，共74頁，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)機床特點和用途進行選擇的功能。1．基本功能（1）控制功能（2）準備功能（3）插補功能（4）進給功能（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，共74頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述2．選擇功能（1）補償功能（2）固定循環(huán)功能（3）圖形顯示功能（4）通信功能（5）人機對話編程功能第6頁，共74頁，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．單微處理器的特點當控制功能不太復雜、實時性要求不太高時，多采用單微處理器結(jié)構(gòu)，其特點是通過一個CPU控制系統(tǒng)總線訪問主存儲器。以下三種CNC系統(tǒng)都屬于單CPU結(jié)構(gòu)：（1）只有一個CPU,采用集中控制、分時處理的方式完成各項控制任務。（2）雖然有兩個或兩個以上的CPU，但各微處理器組成主從結(jié)構(gòu)，其中只有一個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，作為一個智能部件工作，處于從屬地位。第7頁，共74頁，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，共74頁，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)中有兩個或兩個以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲器進行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。現(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CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨立執(zhí)行程序，它比單CPU結(jié)構(gòu)提高了計算機的處理速度。多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，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)標準的接口，彼此間可以進行信息交換。這樣可以形成模塊化結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計制造周期，并且具有良好的適應性和擴展性，結(jié)構(gòu)緊湊。多CPU的CNC系統(tǒng)由于每個CPU分管各自的任務，形成若干個模塊，如果某個模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。并且插件模塊更換方便，可以使故障對系統(tǒng)的影響減少到最小程度，提高了可靠性。性能價格比高，適合于多軸控制、高進給速度、高精度的數(shù)控機床。

第9頁，共74頁，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（1）性能價格比高采用多CPU完成各自特定的功能，適應多軸控制、高精度、高進給速度、高效率的控制要求，同時，因單個低規(guī)格CPU的價格較為便宜，因此其性能價格比較高。（2）模塊化結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的適應性與擴展性，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試、維修方便。（3）具有很強的通信功能便于實現(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)，可以有效地實現(xiàn)并行處理。第10頁，共74頁，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，且在某一時刻只能有一個主模塊占有總線，如有多個主模塊同時請求使用總線會產(chǎn)生競爭總線問題。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，共74頁，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）共享存儲器結(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中，采用多端口存貯器來實現(xiàn)各CPU之間的互連和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問。由多端控制邏輯電路解決訪問沖突。如下圖所示。當CNC系統(tǒng)功能復雜要求CPU數(shù)量增多時，會因爭用共享存儲器而造成信息傳輸?shù)淖枞?，降低系統(tǒng)的效率，其擴展功能較為困難。

共享存儲器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖

第12頁，共74頁，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)出錯識別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等功能。（2）插補模塊該模塊是在完成插補前，進行零件程序的譯碼、刀具補償、坐標位移量計算、進給速度處理等預處理，然后進行插補計算，并給定各坐標軸的位置值。（3）位置控制模塊對坐標位置給定值與由位置檢測裝置測到的實際位置值進行比較并獲得差值、進行自動加減速、回基準點、對伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數(shù)字量），去驅(qū)動進給電動機。（4）PLC模塊零件程序的開關(guān)量（S、M、T）和機床面板來的信號在這個模塊中進行邏輯處理，實現(xiàn)機床電氣設(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。（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）存儲器模塊是程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或是功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。第13頁，共74頁，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)特點來看，有兩種常見的結(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)的特點是,一個系統(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，大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價格低，有很高的性能／價格比，也便于機床的一體化設(shè)計，大板結(jié)構(gòu)雖有上述優(yōu)點，但它的硬件功能不易變動，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放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特點是將CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨立微型計算機級的硬件模塊，相應的軟件也是模塊結(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，成為工廠標準或工業(yè)標準，彼此可以進行信息交換。這種積木式組成CNC系統(tǒng)，使設(shè)計簡單，有良好的適應性和擴展性，試制周期短，調(diào)整維護方便，效率高。第14頁，共74頁，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、開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1．美國的NGC和OMAC計劃及其結(jié)構(gòu)2．歐共體的OSACA計劃及其結(jié)構(gòu)3．日本的OSEC計劃及其結(jié)構(gòu)第15頁，共74頁，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)的各項功能而專門設(shè)計和編制的，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的，即由硬件完成的工作原則上也可以由軟件來完成。但是它們各有特點：硬件處理速度快，造價相對較高，適應性差；軟件設(shè)計靈活、適應性強，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，共74頁，2023年，2月20日，星期五二、CNC軟件結(jié)構(gòu)特點

1．CNC系統(tǒng)的多任務性

CNC任務分解

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

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

2.并行處理并行處理是指計算機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。并行處理分為“資源重復”法、

“時間重疊”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”的并行處理技術(shù)。如采用多CPU的體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。而在CNC裝置的軟件中，主要采用“資源分時共享”和“時間重疊的流水處理”方法。1）資源分時共享并行處理方法

CPU分時共享的并行處理

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五2）時間重疊流水并行處理方法當CNC裝置在自動加工工作方式時，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程將由零件程序輸入、插補準備、插補、位置控制四個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，那么一個零件程序段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間將是t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。如果以順序方式處理每個零件的程序段，則第一個零件程序段處理完以后再處理第二個程序段，依次類推。圖（a）表示了這種順序處理時的時間空間關(guān)系。從圖中可以看出，兩個程序段的輸出之間將有一個時間為t的間隔。這種時間間隔反映在電動機上就是電動機的時停時轉(zhuǎn)，反映在刀具上就是刀具的時走時停，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間重疊流水處理技術(shù)。采用流水處理后的時間空間關(guān)系如圖（b）所示。a)b)

時間重疊流水處理

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3．實時中斷處理CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點時實時中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序段中有許多子程序，它們按照預定的順序反復執(zhí)行，各個步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序的實時性很強，這就決定了中斷成為整個系統(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中斷、外部監(jiān)控中斷（如：緊急停、量儀到位等）和鍵盤操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，將它們放在較高的優(yōu)先級上，而鍵盤和操作面板的輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。在有些系統(tǒng)中，甚至用查詢的方式來處理它。（2）內(nèi)部定時中斷

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

它是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。如存儲器出錯，定時器出錯，插補運算超時等。（4）程序性中斷

它是程序中出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。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，共74頁，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)的特點是除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，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程序之間的相互通訊來解決。一般在中斷型結(jié)構(gòu)模式的CNC軟件體系中，控制CRT顯示的模塊為低級中斷（0級中斷），只要系統(tǒng)中沒有其他中斷級別請求，總是執(zhí)行0級中斷，即系統(tǒng)進行CRT顯示。其他程序模塊，如譯碼處理、刀具中心軌跡計算、鍵盤控制、I/O信號處理、插補運算、終點判別、伺服系統(tǒng)位置控制等處理，分別具有不同的中斷優(yōu)先級別。開機后，系統(tǒng)程序首先進入初始化程序，進行初始化狀態(tài)的設(shè)置、ROM檢查等工作。初始化后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入0級中斷CRT顯示處理。此后系統(tǒng)就進入各種中斷的處理，整個系統(tǒng)的管理是通過每個中斷服務程序之間的通信方式來實現(xiàn)的。第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第22頁，共74頁，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，共74頁，2023年，2月20日，星期五1級中斷各口處理轉(zhuǎn)換框圖

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

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第26頁，共74頁，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，共74頁，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)軟件的工作過程1．輸入

CNC系統(tǒng)中的零件加工程序，一般是通過鍵盤、磁盤或U盤、DNC接口等方式輸入的。在軟件設(shè)計中，這些輸入方式大都采用中斷方式來完成，且每一種輸入法均有一個相對應的中斷服務程序。在CNC系統(tǒng)中，無論采用哪一種輸入方法，其存儲過程總是要經(jīng)過零件程序的輸入，然后將輸入的零件程序先存放在緩沖器中，再經(jīng)緩沖器到達零件程序存儲器。2．譯碼譯碼就是將輸入的零件程序翻譯成本系統(tǒng)所能識別的語言，譯碼的結(jié)果存放在指定的存儲區(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數(shù)據(jù)根據(jù)其前后的字符地址送到相應的緩沖寄存器中。譯碼可以在正式加工前一次性將整個程序翻譯完，并在譯碼過程中對程序進行語法檢查，若有語法錯誤則報警，這種方式可稱之為編譯；另一種處理方式是在加工過程中進行譯碼，即數(shù)控系統(tǒng)進行加工控制時，利用空閑時間來對后面的程序段進行譯碼，這種方式可稱之為解釋。3．數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理即預計算，通常包括刀具長度補償、刀具半徑補償、反向間隙補償、絲杠螺距補償、過象限及進給方向的判斷、進給速度換算、加減速控制及機床輔助功能處理等。第28頁，共74頁，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）進給速度控制在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標軸運動的速度是通過控制步進電動機的進給脈沖頻率來實現(xiàn)的。開環(huán)系統(tǒng)的速度計算是根據(jù)編程的F值來確定步進電動機進給脈沖頻率，步進電動機走上一步，相應的坐標軸移動一個脈沖當量δ

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

分別為X軸、Y軸步進電動機的進給脈沖頻率。合成的進給速度為第29頁，共74頁，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)采樣插補法進行插補計算，所以是根據(jù)編程的F值計算出每個采樣周期的輪廓步長，而獲得進給速度。數(shù)據(jù)采樣插補方式多用于以直流電機或交流電機作為執(zhí)行元件的閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，速度計算的任務是確定一個插補周期的輪廓步長，即一個插補周期T內(nèi)的位移量。式中F—程編給出的合成進給速度（mm/min）；

T—插補周期（ms）；ΔL—每個插補周期小直線段的長度（μm）。以上給出的是穩(wěn)定狀態(tài)下的進給速度處理關(guān)系。當機床起動、停止或加工過程中改變進給速度時，系統(tǒng)應自動進行加減速處理。第30頁，共74頁，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床在啟動或停止時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對傳送給伺服驅(qū)動裝置的進給脈沖頻率或電壓進行加減速控制，即在機床加速起動時，保證加在驅(qū)動電動機上的進給脈沖頻率或電壓逐漸增大；而當機床減速停止時，保證在驅(qū)動電動機上的進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)采用軟件來實現(xiàn)。加減速控制可以在插補前進行，稱之為前加減速控制；也可以在插補后進行，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，共74頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)前加減速控制僅對編程指令速度F進行控制，其優(yōu)點是不會影響實際插補輸出的位置精度，其缺點是需要預測減速點，而預測減速點的計算量較大；后加減速控制是對各軸分別進行加減速控制，不需要預測減速點，由于對各坐標軸分別進行控制，實際各坐標軸的合成位置可能不準確，但這種影響只是在加減速過程中才存在，進入勻速狀態(tài)時這種影響就沒有了。加減速實現(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，共74頁，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償位置精度是數(shù)控機床最重要的一項指標，通過反向間隙補償可提高數(shù)控機床的位置精度。在點位、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。反向間隙又稱失動量，是由進給機械傳動鏈中的導軌副間隙、絲杠螺母副間隙及齒輪副齒隙、絲杠及傳動軸的扭轉(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，當進給電動機轉(zhuǎn)向改變時，會出現(xiàn)電動機空轉(zhuǎn)一定角度而工作臺不移動的現(xiàn)象。反向間隙補償是在電動機改變轉(zhuǎn)向時，讓電動機多轉(zhuǎn)動一個角度，消除間隙后才正式計算坐標運動的值，即空走不計入坐標運動。

絲杠螺距累計誤差是在絲杠制造和裝配過程中產(chǎn)生的，呈周期性的變化規(guī)律。位置誤差補償是通過對機床全行程的離線測量，得到定位誤差曲線，在誤差達到一個脈沖當量的位置處設(shè)定正或負的補償值。當機床坐標軸運動到該位置時，系統(tǒng)將坐標值加或減一個脈沖當量，從而將實際定位誤差控制在一定的精度范圍內(nèi)，位置誤差補償數(shù)據(jù)作為機床參數(shù)存入數(shù)控系統(tǒng)中。圖3-22所示為某數(shù)控機床一坐標軸位置誤差補償前后的定位誤差曲線。第33頁，共74頁，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)補償前b)補償后第34頁，共74頁，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．插補運算插補運算是CNC系統(tǒng)中最重要的計算工作之一。在實際的CNC系統(tǒng)中，常采用粗、精插補相結(jié)合的方法，即把插補功能分成軟件插補與硬件插補兩部分。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和終點之間進行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀具軌跡在允許的誤差之內(nèi)，即軟件實現(xiàn)粗插補，硬件實現(xiàn)精插補。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)動裝置發(fā)出模擬速度控制信號或一串脈沖指令，同時接受位置反饋信號，實現(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)對主軸進行控制。M、T功能主要涉及到開關(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地傳送給PLC就可完成諸如主軸正、反轉(zhuǎn)、冷卻和潤滑、刀庫選刀及機械手換刀、工作臺交換等控制。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、后臺程序的合理安排與協(xié)調(diào)工作，中斷服務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，共74頁，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，減少故障停機時間。在設(shè)計診斷程序時，診斷程序可以包括在系統(tǒng)運行過程中進行檢查與診斷，也可以作為服務程序在系統(tǒng)運行前或故障發(fā)生停機后進行診斷。第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理一、概述1．插補的基本概念所謂插補是指數(shù)據(jù)點密化的過程。在對數(shù)控系統(tǒng)輸入有限坐標點（例如起點、終點）的情況下，計算機根據(jù)線段的特征（直線、圓弧、橢圓等），運用一定的算法，自動地在有限坐標點之間生成一系列的坐標數(shù)據(jù)，從而自動地對各坐標軸進行脈沖分配，完成整個線段的軌跡運行，使機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功能。對于非直線或圓弧組成的軌跡，可以用小段的直線或圓弧來擬合。只有在某些要求較高的系統(tǒng)中，才具有拋物線、螺旋線插補功能。對于輪廓控制系統(tǒng)來說，插補是最重要的計算任務，插補程序的運行時間和計算精度影響著整個CNC系統(tǒng)的性能指標，可以說插補是整個CNC系統(tǒng)控制軟件的核心。目前普遍應用的插補算法可分為兩大類：一類是基準脈沖插補；另一類是數(shù)據(jù)采樣插補。

第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理（一）基準脈沖插補基準脈沖插補又稱脈沖增量插補，這類插補算法是以脈沖形式輸出，每插補運算一次，最多給每一軸一個進給脈沖。把每次插補運算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動工作臺運動，每發(fā)出一個脈沖，工作臺移動一個基本長度單位，也叫脈沖當量，脈沖當量是脈沖分配的基本單位。（二）數(shù)據(jù)采樣插補數(shù)據(jù)采樣插補又稱時間增量插補，這類算法插補結(jié)果輸出的不是脈沖，而是標準二進制數(shù)。根據(jù)程編進給速度，把輪廓曲線按插補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應的位置增量數(shù)據(jù)進行輸出，以控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標軸的進給。插補計算是計算機數(shù)控系統(tǒng)中實時性很強的一項工作，為了提高計算速度，縮短計算時間，按以下三種結(jié)構(gòu)方式進行改進。1.采用軟/硬件結(jié)合的兩級插補方案。2.

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

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

一般來說，逐點比較法插補過程可按以下四個步驟進行：偏差判別：根據(jù)刀具當前位置，確定進給方向。坐標進給：使加工點向給定軌跡趨進，即向減少誤差方向移動。偏差計算：計算新加工點與給定軌跡之間的偏差，作為下一步判別依據(jù)。終點判別：判斷是否到達終點，若到達，結(jié)束插補；否則，繼續(xù)以上四個步驟（如右圖所示）。第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理3.直線插補

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

XeY－XYe＝0(3-1)

直線OE

為給定軌跡，P（X，Y）為動點坐標，動點與直線的位置關(guān)系有三種情況：動點在直線上方、直線上、直線下方。第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理對于第一象限直線，其偏差符號與進給方向的關(guān)系為

F＝0時，表示動點在OE上，如點P，可向＋X向進給，也可向＋Y向進給。

F>0時，表示動點在OE上方，如點P1，應向＋X向進給。

F<0時，表示動點在OE下方，如點P2，應向＋Y向進給。這里規(guī)定動點在直線上時，可歸入F>0的情況一同考慮。插補工作從起點開始，走一步，算一步,判別一次，再走一步，當沿兩個坐標方向走的步數(shù)分別等于Xe和Ye時，停止插補。下面將F的運算采用遞推算法予以簡化，動點Pi(Xi，Yi)的Fi值為第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理

若Fi≥0，表明Pi(Xi，Yi)點在OE直線上方或在直線上，應沿＋X向走一步，假設(shè)坐標值的單位為脈沖當量，走步后新的坐標值為（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi,新點偏差為即

若Fi<0，表明Pi（Xi，Yi）點在OE

的下方，應向＋Y方向進給一步，新點坐標值為(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi,Yi+1＝Y(jié)i＋1，新點的偏差為第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理即(3-4)開始加工時，將刀具移到起點，刀具正好處于直線上，偏差為零，即F＝0，根據(jù)這一點偏差可求出新一點偏差，隨著加工的進行，每一新加工點的偏差都可由前一點偏差和終點坐標相加或相減得到。在插補計算、進給的同時還要進行終點判別。常用終點判別方法，是設(shè)置一個長度計數(shù)器，從直線的起點走到終點，刀具沿X軸應走的步數(shù)為Xe，沿Y軸走的步數(shù)為Ye，計數(shù)器中存入X和Y兩坐標進給步數(shù)總和∑＝∣Xe∣＋∣Ye∣，當X或Y坐標進給時，計數(shù)長度減一，當計數(shù)長度減到零時，即∑＝0時，停止插補，到達終點。第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理例3-1加工第一象限直線OE，如圖3-30所示，起點為坐標原點，終點坐標為E（4，3）。試用逐點比較法對該段直線進行插補，并畫出插補軌跡。第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理序號偏差判別坐標進給偏差計算終點判別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，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理

3.逐點比較法進行第1象限逆圓弧插補

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

X2＋Y2－R2=0P點在圓弧外側(cè)時，則OP大于圓弧半徑R，即

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

X2＋Y2－R2<0

用F表示P點的偏差值，定義圓弧偏差函數(shù)判別式為

當動點落在圓弧上時，一般約定將其和F>0一并考慮。第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理1.動點在圓弧外,F>0,向-x

走一步；2.動點在圓弧內(nèi),F<0,向+y

走一步；3.動點在圓弧上,F=0,向-x

走一步。A(x0,y0)E(xe,ye)Piy第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五由于偏差計算公式中有平方值計算，下面采用遞推公式給予簡化，對第一象限逆圓，F(xiàn)i≥0，動點Pi(Xi，Yi)應向－X向進給，新的動點坐標為(Xi＋1,Yi＋1)，且Xi＋1＝Xi－1，Yi＋1＝Y(jié)i，則新點的偏差值為故：第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理若Fi<0，動點Pi(Xi，Yi)應向+Y向進給，新的動點坐標為(Xi＋1,Yi＋1)，且Xi＋1＝Xi，Yi＋1＝Y(jié)i+1，則新點的偏差值為故：進給后新點的偏差計算公式除與前一點偏差值有關(guān)外，還與動點坐標有關(guān)，動點坐標值隨著插補的進行是變化的，所以在圓弧插補的同時，還必須修正新的動點坐標。圓弧插補終點判別：將X、Y軸走的步數(shù)總和存入一個計數(shù)器，∑＝∣Xe－Xa∣＋∣Ye－Ya∣，每走一步∑減一，當∑＝0發(fā)出停止信號。第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五初始化起點(x0,y0)終點(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插補完?EndNYNY第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理

例3-2現(xiàn)欲加工第1象限逆圓弧AE,如圖3-29所示，起點A(6,0)，終點E(0,6),試用逐點比較法對該段圓弧進行插補，并畫出刀具運動軌跡。第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理序號偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判別起點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，共74頁，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)采樣插補又稱為時間分割法，與基準脈沖插補法不同，數(shù)據(jù)采樣插補法得出的不是進給脈沖，而是用二進制表示的進給量。這種方法是根據(jù)程編進給速度F，將給定輪廓曲線按插補周期T（某一單位時間間隔）分割為插補進給段（輪廓步長），即用一系列首尾相連的微小線段來逼近給定曲線。每經(jīng)過一個插補周期就進行一次插補計算，算出下一個插補點，即算出插補周期內(nèi)各坐標軸的進給量，如等，得出下一個插補點的指令位置。插補周期越長，插補計算誤差越大，插補周期應盡量選得小一些。CNC系統(tǒng)在進行輪廓插補控制時，除完成插補計算外，數(shù)控裝置還必須處理一些其它任務，如顯示、監(jiān)控、位置采樣及控制等。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五

因此，插補周期應大于插補運算時間和其它實時任務所需時間之和。插補周期大約在8ms左右。采樣是指由時間上連續(xù)信號取出不連續(xù)信號，對時間上連續(xù)的信號進行采樣，就是通過一個采樣開關(guān)K（這個開關(guān)K每隔一定的周期TC閉合一次）后，在采樣開關(guān)的輸出端形成一連串的脈沖信號。這種把時間上連續(xù)的信號轉(zhuǎn)變成時間上離散的脈沖系列的過程稱為采樣過程，周期TC叫采樣周期。計算機定時對坐標的實際位置進行采樣，采樣數(shù)據(jù)與指令位置進行比較，得出位置誤差用來控制電動機，使實際位置跟隨指令位置。對于給定的某個數(shù)控系統(tǒng)，插補周期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。對于直線插補，不會造成軌跡誤差。在圓弧插補中，會帶來軌跡誤差。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理第56頁，共74頁，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—被插補圓弧半徑（mm）；

—角步距，在一個插補周期內(nèi)逼近弦所對應的圓心角。將式(3-26)中的用冪級數(shù)展開，得

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

設(shè)T為插補周期，F(xiàn)為進給速度，則輪廓步長為(3-28)用輪廓步長代替弦長，有(3-29)將(3-29)代入式（3-27）,得(3-30)可見，圓弧插補過程中，用弦線逼近圓弧時，插補誤差er與程編進給速度F的平方、插補周期T的平方成正比，與圓弧半徑R成反比。第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理第58頁，共74頁，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)采樣法直線插補第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補原理第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.