數(shù)控技術(shù)課件-數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件

1第三章數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.3插補原理與算法3.4刀具補償原理3.5速度與加減速控制3.6數(shù)控機床參數(shù)數(shù)控技術(shù)2第三章數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.3插補原理與算法3.4刀具補償原理3.5速度與加減速控制3.6數(shù)控機床參數(shù)3CNC裝置是在硬件的支持下，通過執(zhí)行控制軟件來進(jìn)行工作的，其控制功能和特點在很大的程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)。根據(jù)機床控制、安裝要求和經(jīng)濟(jì)性要求不同、隨著電子技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)形式的CNC裝置，不同生產(chǎn)廠家的數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式也不盡相同。按照數(shù)控系統(tǒng)各部分的功能不同，CNC裝置一般可分為人機接口部分、運動控制部分、I/O控制（PLC）、加工程序的存儲、輸入輸出接口、數(shù)據(jù)通信接口等部分組成。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.1.1CNC裝置的硬件組成及連接43.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)4主軸電機伺服電機機床控制面板WindowsNT系統(tǒng)PCU50NC+PLC

驅(qū)動驅(qū)動模塊手輪I/O接口5CNC裝置的硬件組成及連接運動控制伺服驅(qū)動機床PLC電機程序輸入輸出接口鍵盤、顯示接口顯示器/編程鍵盤操作面板打孔機/紙帶閱讀機磁帶/磁盤U盤/網(wǎng)絡(luò)光柵CNC通信接口3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)I/O6編程鍵盤：用于程序編輯、參數(shù)設(shè)置、界面操作等。不產(chǎn)生機床運動，可用緩沖鍵盤。

操作面板：用于操作機床所有運動。所有按鈕接入PLC

，部分按鈕還有響應(yīng)指示燈，通過機床廠家的梯形圖實現(xiàn)機床的操作。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置的人機接口（HMI）7CNC裝置的硬件組成及連接運動控制伺服驅(qū)動機床PLC電機程序輸入輸出接口鍵盤、顯示接口顯示器/編程鍵盤操作面板打孔機/紙帶閱讀機磁帶/磁盤U盤/網(wǎng)絡(luò)光柵CNC通信接口3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)I/O8

早期的數(shù)控系統(tǒng)，只有簡單的I/O控制，主要實現(xiàn)主軸、冷卻等啟停，機床操作、運動限位等功能。隨著微機和PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC成為了數(shù)控系統(tǒng)必不可少的一個重要組成部分。數(shù)控系統(tǒng)的PLC有兩種形式，一種是嵌入式PLC，一種是獨立式PLC。

有關(guān)PLC原理及應(yīng)用，在第四章詳細(xì)介紹。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)I/O控制（PLC）9CNC裝置的硬件組成及連接運動控制伺服驅(qū)動機床PLC電機程序輸入輸出接口鍵盤、顯示接口顯示器/編程鍵盤操作面板打孔機/紙帶閱讀機磁帶/磁盤U盤/網(wǎng)絡(luò)光柵CNC通信接口3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)10

主軸電機的控制通常采樣模擬量作為速度的控制信號，部分主軸電機有位置反饋，用以實現(xiàn)主軸的準(zhǔn)?；蚵菁y加工功能等。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

運動控制一.主軸電機的控制DAC主軸伺服驅(qū)動器主軸電機CPU編碼器位置反饋CNC11二、進(jìn)給運動控制3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)1.步進(jìn)電機的控制脈沖輸出接口電路驅(qū)動器步進(jìn)電機CPU總線特點：1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低。2）扭矩較小3）分辨率低，精度不高。4）開環(huán)控制，容易產(chǎn)生“丟步”。

進(jìn)給運動控制是數(shù)控系統(tǒng)的核心，按照伺服系統(tǒng)以及接口不同，運動控制可分為脈沖位置控制、模擬量速度控制方式、數(shù)字量總線通信控制方式。123.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2.直流伺服電機的控制位置反饋伺服驅(qū)動器直流伺服電機CPU本地總線DAC測速發(fā)電機編碼器/光柵131）功率（扭矩）大、位置分辨率高。2）采用閉環(huán)控制，有控制理論支持，精度高。3）電刷易磨損，有“打火”現(xiàn)象，最高速度受到限制。4）模擬量控制信號抗干擾性不好，且有“漂移”現(xiàn)象。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

直流伺服數(shù)控系統(tǒng)的特點：143.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.交流伺服電機的控制位置反饋伺服驅(qū)動器交流伺服電機CPU本地總線DAC編碼器光柵測速發(fā)電機采用數(shù)模轉(zhuǎn)換；一個模擬接口只能連接一個驅(qū)動器；模擬接口只能傳送一種信息且只能單向傳遞；模擬接口的連接距離有限，且連接線很多。15位置反饋位置環(huán)PID控制器速度控制電流控制速度反饋電流反饋插補譯碼預(yù)處理加減速控制位置前饋位置指令刀具補償誤差補償速度前饋扭矩前饋伺服系統(tǒng)運動控制3.2.1數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊163.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)4.交流伺服電機的脈沖控制特點：1）接口簡單，成本低，抗干擾性能好，不漂移。2）解決了步進(jìn)電機的“丟步”問題，定位精度高。3）由于交流伺服電機的脈沖控制算法中存在“滯留脈沖”，動態(tài)運動控制精度較低。速度越高，跟蹤誤差越大。脈沖輸出接口電路交流伺服驅(qū)動器電機CPU滯留脈沖=接收的指令脈沖數(shù)–

電機旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)n=（滯留脈沖/電機每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）*位置環(huán)增益(r/s)173.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)5.總線式控制伺服驅(qū)動器伺服電機CPU本地總線現(xiàn)場總線接口編碼器光柵伺服驅(qū)動器PLC伺服電機18總線式數(shù)控系統(tǒng)的運動控制插補譯碼預(yù)處理加減速控制位置前饋位置指令刀具補償誤差補償位置反饋位置環(huán)PID控制器速度控制電流控制速度反饋電流反饋速度前饋扭矩前饋伺服系統(tǒng)3.2.1數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊193.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)4.總線式控制特點：1）總線式數(shù)控系統(tǒng)采用分布式計算和控制，使連接簡單及擴展靈活、方便。2）通過高可靠性和高實時性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信與協(xié)調(diào)，可以最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能，并盡可能地減輕PC主機的負(fù)擔(dān)，易于提高數(shù)控系統(tǒng)的性能。3）采用數(shù)字量、具有成本低、抗干擾性能好、不漂移的特點。4）現(xiàn)場總線式的數(shù)控系統(tǒng)代表著數(shù)控系統(tǒng)硬件未來的發(fā)展方向。203.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.1.2CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分類按總體安裝結(jié)構(gòu)分一體式

一體式，分離式213.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)一體式數(shù)控系統(tǒng)FANUC—OTD數(shù)控系統(tǒng)223.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

分離式機床控制面板NC+PLC233.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按印制電路板結(jié)構(gòu)分類大板式，模塊化大板式結(jié)構(gòu)243.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)253.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)26

單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置，由一個微處理器CPU通過數(shù)據(jù)地址總線與存儲器、PLC、位置控制器及各種接口相連，采用集中控制與分時處理的方式，完成數(shù)控各項任務(wù)。

3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置

按裝置中微處理器的數(shù)量分一、單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置27單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置FPGACPURAM鍵盤/顯示接口串行通信接口數(shù)控面板LCD程序輸入/輸出接口I/O接口運動控制機床數(shù)據(jù)地址總線網(wǎng)絡(luò)接口編程鍵盤位置反饋伺服系統(tǒng)EEPROM接口Nandflash（硬盤）3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)28單CPU運動控制器的硬件實例滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的總體方案3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)29

隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理器的性能越來越強，價格越來越低，數(shù)控系統(tǒng)各部分功能模塊都開始采用自己的CUP，通過數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)共享技術(shù)，實現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調(diào)工作。大大提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能和可靠性。多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置，多采樣模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的靈活性和擴展性，且結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便?？偩€式數(shù)控系統(tǒng)是多CPU數(shù)控系統(tǒng)的典型代表。總線式數(shù)控系統(tǒng)通過復(fù)雜的現(xiàn)場總線協(xié)議，實現(xiàn)各模塊的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)共享以及同步控制。二、多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)30多微處理器數(shù)控系統(tǒng)的功能模塊1）CNC管理模塊2）CNC插補模塊3）PLC功能模塊

4）位置控制模塊

5）主軸控制模塊

6）操作面板控制及顯示模塊

7）主存儲器模塊3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)312.多微處理器數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式1）共享總線結(jié)構(gòu)2）共享存儲器結(jié)構(gòu)3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)CNC裝置32多微處理器共享存貯器CNC裝置33共享存儲器多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置a3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

主CPU（ARM9）鍵盤/顯示接口數(shù)控面板LCD雙端口RAM數(shù)據(jù)地址總線編程鍵盤運動控制模塊伺服系統(tǒng)PLCCPUI/O雙端口RAMCPU伺服系統(tǒng)串口CPU串口電氣柜操作臺34共享存儲器多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置b3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

主CPUHMI操作面板雙端口RAM數(shù)據(jù)地址總線運動控制模塊伺服系統(tǒng)PLCCPUI/O雙端口RAMCPU伺服系統(tǒng)串口電氣柜串口35

1）計算處理速度高。2）可靠性高。3）有良好的適應(yīng)性和擴展性。4）硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。3.多微處理器數(shù)控系統(tǒng)的特點3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)363.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線式數(shù)控系統(tǒng)4.多微處理器數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展37

現(xiàn)場總線式的數(shù)控系統(tǒng)的特點：1）

獨立式HMI(HumanMachineInterface)

常用的獨立式HMI采用通用（工業(yè)）PC，利用通用操作系統(tǒng)（如Windows、WinCE、Linux等）平臺，構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的HMI，通過串行通信、現(xiàn)場總線與NC系統(tǒng)相連。利用通用軟件平臺，軟件開發(fā)方便，并具有一定的開放性。便于和其它軟件連接（如CAM、網(wǎng)絡(luò)等）。

與NC的連線簡單，安裝方便。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)382）操作面板具有CPU機床的操作面板，按鈕多，很多按鈕需要響應(yīng)指示燈，對于很多安裝在電器箱中的數(shù)控系統(tǒng)來說，操作面板到NC（或PLC）的距離較遠(yuǎn)。為簡化連線，操作面板的按鈕和指示燈采用單片機控制，通過串行通信和NC相連。大大節(jié)約了連線成本，提高了運行的可靠性。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3）PLC采用獨立CPU嵌入式PLC采用系統(tǒng)CPU，通過分時軟件，實現(xiàn)I/O控制功能。結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但控制點數(shù)不宜過多，控制程序的執(zhí)行時間不宜過長，否則將影響數(shù)控系統(tǒng)的綜合性能。因此，對于高性能加工中心，PLC控制點數(shù)多，程序量大，PLC采用獨立的CPU，設(shè)計成獨立的PLC(模塊)，通過串行通信或雙端口RAM和系統(tǒng)CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而實現(xiàn)NC和PLC的協(xié)調(diào)工作。394）采用全數(shù)字化控制

各伺服驅(qū)動器和主軸驅(qū)動器采用全數(shù)字化控制，其CPU廣泛采用高速DSP，以保證位置控制、速度控制、矢量變換控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等復(fù)雜算法的實現(xiàn)；

原來返回數(shù)控系統(tǒng)的光柵量現(xiàn)在也反饋到伺服驅(qū)動器，在伺服驅(qū)動器中實現(xiàn)了閉環(huán)的控制，所有伺服參數(shù)(包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù))由數(shù)控系統(tǒng)HMI

設(shè)置管理，便于各軸伺服匹配。5）實時網(wǎng)絡(luò)接口各子系統(tǒng)一般自帶實時網(wǎng)絡(luò)接口，以免去重新加裝接口的麻煩?？偩€協(xié)議復(fù)雜，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)403.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按硬件的設(shè)計與制造方式傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)一、傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)硬件由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，具有很強的專用性；經(jīng)過長時間的使用和改進(jìn)，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠，目前占領(lǐng)著大量市場；為了保護(hù)各自的權(quán)益，CNC

具有不同的編程語言、非標(biāo)準(zhǔn)的人機接口、多種實時操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口等；CNC

系統(tǒng)的軟、硬件對用戶都是封閉的。上述缺陷造成了CNC

系統(tǒng)使用和維護(hù)的不便，也限制了數(shù)控系統(tǒng)的集成和進(jìn)一步發(fā)展。41

二、開放式CNC裝置3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)1.開放式CNC裝置的特點開放式數(shù)控系統(tǒng)采用通用計算機及其配套模塊組成，使CNC

系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化；便于系統(tǒng)的智能化（操作、編程等）、數(shù)據(jù)共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）和系統(tǒng)擴展(功能擴展、平臺擴展、重構(gòu))，以及系統(tǒng)的系列化、可兼容和升級換代?？纱蠓冉档拖到y(tǒng)的研制和制造費用，提高用戶設(shè)備和資源的利用率以及數(shù)控產(chǎn)品的市場競爭力，滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要。42

3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)PC嵌入NC型即在傳統(tǒng)的專用數(shù)控機床中嵌入PC技術(shù)，PC與CNC之間用專用總線連接。如FANUC公司的16i/18i/21i系統(tǒng)、Siemens840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)等NC嵌入PC型即運動控制器+PC型即在通用PC的擴展槽中插入運動控制卡，完全采用以PC為硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)。如華中數(shù)控、基于固高/DELTATAU運動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK

公司的MAZATROL640CNC。全軟件型NC

即完全采用PC的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC的全部功能處理全由PC進(jìn)行，并通過裝在PC擴展槽中的接口卡等進(jìn)行控制。美國MDSI

公司開發(fā)的OpenCNC

、德國PowerAutomation公司的PA8000NT。2.開放式CNC裝置的結(jié)構(gòu)形式43第三章數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.3插補原理與算法3.4刀具補償原理3.5速度與加減速控制3.6數(shù)控機床參數(shù)443.1CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)基本功能

控制功能、準(zhǔn)備功能、插補功能和固定循環(huán)功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具管理功能、補償功能、人機對話功能、自診斷功能、通信功能等工作過程3.2.1數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊453.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控裝置控制軟件模塊管理軟件模塊運動控制工作循環(huán)控制G功能處理監(jiān)控診斷中斷控制PLC處理系統(tǒng)初始化加工程序編輯鍵盤及顯示系統(tǒng)程序調(diào)度機床參數(shù)梯形圖編輯通信功能文件管理軟件功能模塊463.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)工作循環(huán)控制手動按鈕手動返回參考點手輪手動譯碼預(yù)處理運動控制MDI自動段執(zhí)行控制PLC運動控制插補刀補1.控制軟件模塊473.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)運動控制位置控制位置反饋加減速控制監(jiān)控診斷伺服優(yōu)化伺服特性測試I/O監(jiān)控測試系統(tǒng)自檢診斷機床狀態(tài)診斷PLC處理I/O狀態(tài)刷新NC通信模塊梯形圖執(zhí)行48中斷控制中斷允許控制中斷級別控制中斷向量中斷嵌套

中斷程序有固定的程序入口地址（中斷向量），通過特定的硬件觸發(fā)，自動跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷入口，每個中斷程序相當(dāng)與一個獨立運行的程序線程。主控程序可通過中斷允許標(biāo)志來控制中斷的響應(yīng)與否。主程序低級中斷高級中斷3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)493.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)初始化硬件初始化機床參數(shù)讀入系統(tǒng)變量初始化參數(shù)傳遞硬件檢測系統(tǒng)程序調(diào)度系統(tǒng)節(jié)拍控制中斷管理界面切換任務(wù)管理共享數(shù)據(jù)傳遞2.管理軟件模塊503.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)機床參數(shù)軸參數(shù)伺服參數(shù)通道參數(shù)控制參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)補償參數(shù)網(wǎng)絡(luò)通信軟件模塊間數(shù)據(jù)通信多CPU模塊通信通信功能串行通信513.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)輸入輸出文件管理打開關(guān)閉刪除備份梯形圖編輯梯形圖編輯譯碼檢查傳送備份文本編輯器加工程序編輯CAM軟件接口程序檢查運動軌跡模擬52資源分時共享CPU時間分配圖資源分時共享：假定CNC軟件功能僅分為三個任務(wù)：插補控制、加減速運算和位置顯示。任務(wù)的優(yōu)先級為：插補控制的最高，加減速運算的其次，位置顯示的最低。系統(tǒng)規(guī)定：插補控制每4ms執(zhí)行一次，加減速運算每8ms執(zhí)行—次，兩個任務(wù)都由定時中斷激活，當(dāng)插補控制和加減速運算都不執(zhí)行時便執(zhí)行位置顯示。3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)多任務(wù)的并行處理1）在任一個時刻只有—個任務(wù)占用CPU；2）從一個時間片(如8ms或16ms)來看，CPU并行執(zhí)行了三個任務(wù)。并發(fā)處理和流水處理：3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)當(dāng)各任務(wù)間關(guān)聯(lián)程度不高時,將這些任務(wù)分別安排一個CPU，讓其同時執(zhí)行。當(dāng)各任務(wù)間關(guān)聯(lián)程度較高時，即一個任務(wù)的輸出是另一任務(wù)的輸入時，采用資源重疊的流水線的工作方式處理。531譯碼處理、2刀補處理、3速度處理543.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.2.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)形式的不同，CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)也有多種形式。對與多CPU結(jié)構(gòu)的CNC裝置，不同模塊其軟件結(jié)構(gòu)有很大差別。對于獨立HMI部分，由于其承擔(dān)了大量、繁瑣的信息顯示、參數(shù)管理、文件管理、文本輸入等實時性要求不高的工作，通常采用多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺（可以是非實時操作系統(tǒng)），用高級語言編程，應(yīng)用面向?qū)ο蟮哪K化程序結(jié)構(gòu)。具有一定的開放性。如：NUM1050的HMI，采用WindowsXP操作系統(tǒng)，可同時運行HMI程序和其它應(yīng)用程序（如CAM軟件，機床廠家開發(fā)的在線測量、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋?，具有較好的開放性。

西門子840D，采用WindowsPE/NT操作系統(tǒng)，工作中不能運行其它Windows程序，用戶可使用VB實現(xiàn)二次開發(fā)，設(shè)計特殊的控制程序。55

對于實時性要求較高的NC部分或集中控制的單微處理器CNC裝置，通常采用前后臺式軟件結(jié)構(gòu)。程序的主循環(huán)為前臺程序，用于實現(xiàn)各軟件模塊的控制和調(diào)度、以及低實時軟件模塊的分時按節(jié)拍運行。實時性要求高的軟件部分（如插補、運動控制等）作為后臺中斷程序，根據(jù)前臺控制程序的控制標(biāo)志，通過定時中斷或硬件中斷來啟動，進(jìn)而實現(xiàn)高實時性控制。前臺程序循環(huán)運行，根據(jù)操作指令和加工程序的執(zhí)行情況，通過設(shè)定控制標(biāo)志來實現(xiàn)對前臺程序的調(diào)度和控制。3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)前后臺式軟件結(jié)構(gòu)56

前后臺型結(jié)構(gòu)程序運行關(guān)系圖3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)后臺前臺57

定時中斷為前臺程序提供系統(tǒng)節(jié)拍（每次中斷其值+1），主循環(huán)前臺程序可根據(jù)系統(tǒng)節(jié)拍變量的值，來控制不同實時性要求的軟件模塊的調(diào)度，使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化控制。3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)定時中斷Step=Step+1返回OldStep=StepStep=OldStep？YN高速處理程序軟件模塊1Step=2？軟件模塊2NYStep=N？軟件模塊NOldStep=1583.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)同級多任務(wù)的分時處理

對于實時性要求相近的N個軟件模塊，每個軟件模塊間隔N個系統(tǒng)（定時）周期執(zhí)行一次。每個時間節(jié)拍（Step改變一次），執(zhí)行1個軟件模塊，使整個系統(tǒng)周期程序的執(zhí)行時間較短，保證了高實時性程序的可靠運行。Step=N？模塊0模塊1模塊N-101N-159

中斷型結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)軟件，各功能模塊安排成不同優(yōu)先級別的中斷，整個控制軟件是一個大的多重中斷系統(tǒng)。20世紀(jì)80-90年代初的CNC系統(tǒng)軟件大多采用這種結(jié)構(gòu)。中斷型結(jié)構(gòu)模式3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)60第三章數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.3插補原理與算法3.4刀具補償原理3.5速度與加減速控制3.6數(shù)控機床參數(shù)插補譯碼預(yù)處理加減速控制位置前饋位置指令刀具補償誤差補償位置反饋位置環(huán)PID控制器速度控制電流控制速度反饋電流反饋速度前饋扭矩前饋伺服系統(tǒng)3.3插補原理與算法3.3.1插補的概念一、插補的作用二、插補的概念沿著規(guī)定的輪廓、在輪廓的起點和終點之間確定若干個中間點的方法。即“插入”“補上”運動中間點的坐標(biāo)。實質(zhì)上是完成“數(shù)據(jù)點的密化”工作。插補精度和插補速度直接決定了數(shù)控系統(tǒng)的控制精度和控制速度，所以插補程序是CNC系統(tǒng)控制軟件的核心。理解插補：數(shù)控機床刀具軌跡不是連續(xù)的，因為它是數(shù)字量。插補分直線插補和曲線插補:直線和圓弧是構(gòu)成工件輪廓的基本線條，大多數(shù)CNC系統(tǒng)都具有直線和圓弧的插補功能。高檔CNC系統(tǒng)還具有拋物線、螺旋線等插補功能。3.3插補原理與算法三、插補算法：實現(xiàn)插補的具體計算方法

四、常見插補算法分類：

插補算法的好壞，直接影響系統(tǒng)的控制速度和零件的加工精度。人們不斷探求計算速度快、穩(wěn)定性好、精度高的插補算法。脈沖增量插補法

數(shù)字增量插補法逐點比較法數(shù)字積分法最小偏差法目標(biāo)點跟蹤法單步追綜法（用于開環(huán)系統(tǒng)）（用于閉環(huán)系統(tǒng)）時間分割法擴展DDA法角度逼近插補法3.3插補原理與算法

該插補為行程標(biāo)量插補，常用于開環(huán)系統(tǒng)。每次插補結(jié)束產(chǎn)生一個行程增量，以脈沖的方式輸出。一個脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸移動量叫做脈沖當(dāng)量，通常用δ

表示。普通精度機床δ=0.01mm，較精密機床取δ=1um或0.5um。2.數(shù)字增量插補算法

該插補為時間標(biāo)量插補，分兩步進(jìn)行。首先計算出插補周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的增量值，稱為粗插補；然后再跟據(jù)采樣得到的實際位置增量計算跟隨誤差，得到速度指令輸出給伺服驅(qū)動系統(tǒng)，稱為精插補。適用于閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。1.脈沖增量插補算法3.3插補原理與算法

數(shù)字增量插補算法中，粗插補由軟件完成，精插補可以由軟件，也可以由硬件完成。

精插補由硬件完成：如日本FANUC公司的FANUC－3、6，見圖4－1

粗、精插補由軟件完成：如美國Allen-Bradley(A-B公司)的9/260，見圖4－23.3插補原理與算法3.3.2脈沖增量插補算法特點：

行程標(biāo)量插補

每次插補的結(jié)果僅產(chǎn)生一個單位的行程增量（一個脈沖當(dāng)量）。在計算過程中，不斷向各個坐標(biāo)軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖。以脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機。其基本思想是：用折線來逼近曲線（包括直線）。

插補速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)

進(jìn)給速度難以提高，當(dāng)脈沖當(dāng)量為10μm時，采用該插補算法所能獲得最高進(jìn)給速度是4～5m/min。

脈沖增量插補算法的實現(xiàn)方法較簡單

常用于開環(huán)系統(tǒng)。3.3插補原理與算法一、逐點比較法基本思路：當(dāng)?shù)毒甙匆蟮能壽E移動時，每走一步都要與規(guī)定的軌跡比較，根據(jù)比較的結(jié)果決定下一步的移動方向，使刀具向減小偏差的方向并趨向終點移動。特點：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，速度變化小，調(diào)節(jié)方便。(0,0)XY(1,0)(1,1)(2,1)(2,2)(3,2)(0,0)XY(1,0)(1,1)(2,1)(2,2)(3,2)3.3插補原理與算法

插補原理:

設(shè)P點為直線上一點,則公式:Yi/Xi=Ye/Xe成立,

動點P與直線的位置關(guān)系:

動點P在直線上F=01.逐點比較法直線插補算法A(Xe,Ye)(0,0)XYP(Xi,Yi)F<0F>0F=0

根據(jù)偏差函數(shù)F的計算值，可確定加工點相對于直線的位置，然后，讓動點P沿減小誤差的方向進(jìn)給一步。動點P在直線上方F>0動點P在直線下方F<0當(dāng)F≥0+X向進(jìn)一步；當(dāng)F<0+Y向進(jìn)一步定義偏差函數(shù)(偏差判別式)：3.3插補原理與算法

Fi+1,i=xeyi-(xi+1)ye=Fi,i-ye

向+Y向進(jìn)給一步：yi+1=yi+1

Fi,i+1=xe(yi+1)

-xiye=Fi,i+xe

④終點判別：判別是否到達(dá)終點，未到達(dá)則返回①，繼續(xù)插補；到終點則停止。①偏差判別：根據(jù)偏差函數(shù)值判別加工點相對直線的位置。②坐標(biāo)進(jìn)給：沿減小誤差的方向進(jìn)給一步。③偏差計算：計算新加工點相對直線的位置。P(xi,

yi)P(xi+1,yi)遞推算法：向+X向進(jìn)給一步：xi+1=xi+1

插補的步驟：A(xe,ye)(0,0)XY3.3插補原理與算法逐點比較法直線插補步驟：（每進(jìn)一步需要四個節(jié)拍）

1.偏差判別：根據(jù)刀具當(dāng)前位置，確定進(jìn)給方向。

2.坐標(biāo)進(jìn)給：使加工點向給定軌跡趨進(jìn)，即向減少誤差方向移動。

3.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)。

4.終點判別：判斷是否到達(dá)終點，若到達(dá)，結(jié)束插補；否則，繼續(xù)以上四個步驟。插補結(jié)束插補開始偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點判別YN3.3插補原理與算法

直線插補程序設(shè)計

(第一象限直線插補的流程框圖）開始初始化:Xe,Ye,n,F=0F≥0?+X向走一步F=F-Yen=n-1F=F+Xe+Y向走一步n=0?結(jié)束NYNY偏差判別偏差計算坐標(biāo)進(jìn)給終點判別3.3插補原理與算法XYYO(0,0)A(3,2)(1,1)(2,1)(2,2)(1,0)

起點偏差：F0,0=0

總步數(shù)：n=3+2=5

脈沖數(shù)

偏差判別

坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點判別起點F0,0=0n=51F0,0=0＋△XF1,0=F0,0-Ye=-2n=5-1=42F1,0=-2<0＋△YF1,1=F1,0+Xe=1n=4-1=33F1,1=1>0＋△XF2,1=F1,1-Ye=-1n=3-1=24F2,1=-1<0＋△YF2,2=F2,1+Xe=2n=2-1=15F2,2=2>0＋△XF3,2=F2,2-Ye=0n=1-1=0插補運算過程例4-1：加工第一象限直線OA3.3插補原理與算法例4-2

加工第一象限直線OE，如圖3-5所示，起點為坐標(biāo)原點，終點坐標(biāo)為E（4，3）。試用逐點比較法對該段直線進(jìn)行插補，并畫出插補軌跡。直線插補軌跡過程實例3.3插補原理與算法直線插補運算過程3.3插補原理與算法

用L1、L2、L3、L4分別表示第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限的直線。為適用于四個象限直線插補，插補運算時用∣X∣，∣Y∣代替X，Y，偏差符號確定可將其轉(zhuǎn)化到第一象限，動點與直線的位置關(guān)系按第一象限判別方式進(jìn)行判別。這樣，靠近Y軸區(qū)域偏差大于零，靠近X軸區(qū)域偏差小于零。F≥0時，進(jìn)給都是沿X軸，不管是＋X向還是－X向，X的絕對值增大；F<0時，進(jìn)給都是沿Y軸，不論＋Y向還是－Y向，Y的絕對值增大。四個象限直線的偏差符號和插補進(jìn)給方向如圖所示。四個象限直線插補的算法3.3插補原理與算法

四個象限的直線插補規(guī)律F≥0F<0L2F≥0F<0L3F≥0F<0L4F≥0F<0L1OYx

按照以上的插補規(guī)律，可編制出逐點比較法直線插補的程序。下面是編制的演示程序。用︱X︱和︱Y︱代替X和Y，四個象限插補計算統(tǒng)一起來；不同象限的坐標(biāo)進(jìn)給方向由坐標(biāo)值的符號來確定。3.3插補原理與算法四象限直線插補流程圖開始初始化|Xe|，|Ye|∑＝|Xe|＋|Ye|F≥0F←F－∣Ye∣沿Xe向走一步∑=0F←F＋∣Xe∣沿Ye向走一步結(jié)束∑＝∑-1YN3.3插補原理與算法

第一象限的結(jié)論適用于其他象限，具體進(jìn)給脈沖分配方向及沿哪個軸分配。其規(guī)律如圖四個象限的直線插補（教材介紹的方法）3.3插補原理與算法2.逐點比較法圓弧插補算法

插補原理:

設(shè)P點為圓弧AB上一點

動點P與圓弧的位置關(guān)系:

動點P在圓弧上F=0

動點P在圓弧外側(cè)F>0

動點P在圓弧內(nèi)側(cè)F<0

根據(jù)偏差函數(shù)F的計算值，可確定加工點相對于圓弧的位置，然后，讓動點P沿減小誤差的方向進(jìn)給一步。B(xe,ye)A(x0,y0)RYXOP(xi,yi)RpF=0F<0F>0偏差函數(shù):F=(xi2

+yi2)

–R2當(dāng)F≥0-X向進(jìn)一步；當(dāng)F<0+Y向進(jìn)一步3.3插補原理與算法①偏差判別：根據(jù)偏差函數(shù)值判別加工點相對圓弧的位置。②坐標(biāo)進(jìn)給：沿減小誤差的方向進(jìn)給一步。③偏差計算：計算新加工點相對圓弧的位置。遞推算法：向-X向進(jìn)給一步：xi+1=xi-1

Fi+1,i=(xi-1)2+yi2-R2=Fi,i–2xi+1

向+Y向進(jìn)給一步：yi+1=yi+1Fi,i+1=xi2+(yi+1)2-R2=Fi,i+2yi+1④終點判別：判別是否到達(dá)終點，未到達(dá)則返回①，繼續(xù)插補；到終點則停止。

插補的步驟：B(xe,ye)A(x0,y0)RYXOP(xi,yi)P(xi+1,yi)3.3插補原理與算法

CF≥0YYF≥0BF<0F<0SR1NR1AXDOOXa)順圓弧b)逆圓弧

第一象限順、逆圓弧3.3插補原理與算法例4-3：逆時針(G03)加工第一象限圓弧AB脈沖數(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F0,0=0,X0=5，Y0=0n=101F0,0=0-△XF1,0=F0,0-2X0+1=-9，X1=5-1

n=10-1=92F1,0=-9<0＋△YF1,1=F1,0+2Y0+1=-8，Y1=0+1n=9-1=8……………9F3,5=4>0-△XF4,5=F3,5-2X3+1=1，X4=2-1

n=1-1=010F4,5=1>0-△XF5,5=F4,5-2X4+1=0，X5=1-1

n=0插補運算過程XYOB(0,5)A(5,0)

起點偏差：F0,0=0

總步數(shù)：n=︱xB-xA︱+︱yB-yA︱=5+5=103.3插補原理與算法例4-4

現(xiàn)欲加工第一象限順圓弧AB，如圖3-11所示，起點A（0，4），終點B（4，0），試用逐點比較法進(jìn)行插補。3.3插補原理與算法數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology3.3插補原理與算法

程序設(shè)計

（第一象限逆圓弧插補流程框圖）開始初始化:X,Y,n,F=0F≥0?

-X向走一步F=F-2X+1X=X-1n=n-1F=F+2Y+1Y=Y+1+Y向走一步n=0?結(jié)束NYNY偏差判別偏差計算坐標(biāo)進(jìn)給終點判別3.3插補原理與算法

四個象限中的圓弧插補如果插補計算都用坐標(biāo)的絕對值，將進(jìn)給方向另做處理，四個象限插補公式可以統(tǒng)一起來，當(dāng)對第一象限順圓插補時，將X軸正向進(jìn)給改為X軸負(fù)向進(jìn)給，則走出的是第二象限逆圓，若將X軸沿負(fù)向、Y軸沿正向進(jìn)給，則走出的是第三象限順圓。用SR1、SR2、SR3、SR4分別表示第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限的順時針圓弧，用NR1、NR2、NR3、NR4分別表示第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限的逆時針圓弧，四個象限圓弧的進(jìn)給方向表示下圖中。3.3插補原理與算法

YYNR2NR1SR2SR1

OO

XXNR3NR4SR3SR4

a)逆圓弧b)順圓弧四個象限圓弧進(jìn)給方向3.3插補原理與算法

四象限圓弧插補計算表

3.3插補原理與算法

根據(jù)以上分析，可編制出逐點比較法圓弧插補的程序。下面是逐點比較法圓弧插補的演示程序

四個象限圓弧插補規(guī)律F≥0F<0F≥0F<0F<0F≥0F≥0F<0OYxF≥0F<0F<0F≥0F≥0F<0F≥0F<0

各象限順、逆圓弧的插補都可采用第一象限逆圓弧的插補計算公式；不同象限的坐標(biāo)進(jìn)給方向由圓弧所在象限及其走向來確定。3.3插補原理與算法數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology圓弧過象限圓弧的起點和終點不在同一象限內(nèi)。若坐標(biāo)采用絕對值進(jìn)行插補運算，應(yīng)先進(jìn)行過象限判斷:CAyBOX

當(dāng)X＝0或Y＝0時過象限。需將圓弧AC分成兩段圓弧AB

和BC，到X＝0時，進(jìn)行處理，對應(yīng)調(diào)用順圓2和順圓1的插補程序。若用帶符號的坐標(biāo)值進(jìn)行插補計算，在插補的同時，比較動點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)的代數(shù)值，若兩者相等，插補結(jié)束，其計算過程見下表。3.3插補原理與算法教材上各象限插補規(guī)律如圖

NR為逆圓弧，

SR為順圓弧，

F>=0及F<0為判據(jù)3.3插補原理與算法

自動過象限程序包括象限邊界處理，過象限判別及數(shù)據(jù)處理等象限邊界處理：判別數(shù)值“0”的符號。對于逆時針圓?。℅03）其規(guī)律（G02則相反）為：圓弧插補的自動過象限程序設(shè)計如果X0為“0”，那么X0的符號與Y0的符號相反如果Xe為“0”，那么Xe的符號與Ye的符號相反如果Y0為“0”，那么Y0的符號與X0的符號相反如果Ye為“0”，那么Ye的符號與Xe的符號相反過象限判據(jù)3.3插補原理與算法3.逐點比較法的進(jìn)給速度

采用逐點比較插補算法,每次插補計算都有脈沖發(fā)出,不是向X坐標(biāo)發(fā)脈沖就是向Y坐標(biāo)發(fā)脈沖。設(shè)發(fā)向X、Y坐標(biāo)脈沖的頻率分別為fx和fy,則沿X、Y坐標(biāo)的

當(dāng)沿著某一坐標(biāo)進(jìn)給時，其脈沖頻率為fx+fy,

進(jìn)給速度最大值為

Vc＝60δ(fx+fy)

進(jìn)給速度的變化范圍為(1－0.707)VC合成進(jìn)給速度為

V＝√Vx2+Vy2＝60δ√fx2+fy2

最高進(jìn)給速度與最低進(jìn)給速度之比1：1.414進(jìn)給分速度分別為：Vx=60δfx

Vy=60δfy

其中δ為脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)3.3插補原理與算法

又稱數(shù)字微分分析法DDA(DigitaldifferentialAnalyzer)優(yōu)點：數(shù)字積分器具有運算速度快，脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)空間直線的插補，能夠插補出各種平面函數(shù)曲線。缺點：速度調(diào)節(jié)不夠方便，插補精度需要采取一定措施才能滿足。1.數(shù)字積分插補基本原理若取為最小基本單位“1”則有矩形公式累加求和運算可用數(shù)字積分來實現(xiàn)。二、數(shù)字積分法OtXt0t1t2ti-1ti

tnXi-1XiX=f(t)3.3插補原理與算法

函數(shù)的積分運算變成了變量的累加運算，如果δ足夠小時，則累加求和運算代替積分運算所引入的誤差可以不超過所允許的誤差。JV：被積函數(shù)寄存器JR：累加寄存器(又稱余數(shù)寄存器)QJ：全加器（與門）

每隔△t

時間發(fā)一脈沖，與門打開一次，函數(shù)值與累加器里的值累加一次，一般設(shè)余數(shù)寄存器JR的容量作為一個單位面積值，累加值超過一個單位面積，即產(chǎn)生一個溢出脈沖?！鱰(JV)+(JR)△S數(shù)字積分器的工作原理積分值=溢出脈沖總數(shù)3.3插補原理與算法2.數(shù)字積分直線插補動點沿X,Y坐標(biāo)移動的速度為Vx，Vy,移動的微小增量為動點沿OE勻速移動，V，Vx，Vy,均為常數(shù)。直線積分插補近似表達(dá)式設(shè)經(jīng)過m次累加，X,Y到達(dá)終點，則有3.3插補原理與算法

若取t為每發(fā)一個脈沖的時間間隔，即t=1,則

選擇k時應(yīng)使每次增量△x和△y均小于1，以使在各坐標(biāo)軸每次分配進(jìn)給脈沖時不超過一個脈沖（即每次增量只移動一個脈沖當(dāng)量），即Xe及Ye的最大允許值，受到寄存器容量限制，設(shè)寄存器的位數(shù)為N，則Xe及Ye的最大允許值為：2N-1

1=kmmk1=3.3插補原理與算法若要滿足則若取則由于m為累加次數(shù)注：設(shè)t=11=kmNm2=????=====D==D=miemiemiemiekyyykxxx1111Nk2/1=??====miNeemiNeeyyxx11223.3插補原理與算法實現(xiàn)直線插補的積分器X軸被積函數(shù)寄存器（Xe）X軸積分累加器Y軸積分累加器Y軸被積函數(shù)寄存器（Ye）X軸溢出脈沖Y軸溢出脈沖插補控制脈沖被積函數(shù)寄存器的函數(shù)值本應(yīng)為xe/2N和ye/2N，但從累加溢出原理來說，存放xe和ye僅相當(dāng)于小數(shù)點左移N位，其插補結(jié)果等效。3.3插補原理與算法例4-5

設(shè)有一直線OE，起點坐標(biāo)O(0，0)，終點坐標(biāo)為E（4，3），累加器和寄存器的位數(shù)為3位，其最大可寄存數(shù)值為7（J≥8時溢出）。若用二進(jìn)制計算，起點坐標(biāo)O（000，000），終點坐標(biāo)E（100，011），J≥1000時溢出。試采用DDA法對其進(jìn)行插補。X函數(shù)寄存器JVX與門X累加器JRXY函數(shù)寄存器JVY與門Y累加器JRY△tΔxΔY運算過程3.3插補原理與算法3.3插補原理與算法3.數(shù)字積分圓弧插補由相似三角形得：移動的微小增量為第一象限逆圓弧積分插補近似表達(dá)式OXYA(X0,Y0)B(Xe,Ye)M(Xi,Yi)VVxVyXiYiR3.3插補原理與算法X軸被積函數(shù)寄存器（Yi）X軸積分累加器Y軸積分累加器Y軸被積函數(shù)寄存器（Xi）X軸溢出脈沖Y軸溢出脈沖插補控制脈沖

+1數(shù)字積分圓弧插補框圖-13.3插補原理與算法統(tǒng)計進(jìn)給脈沖總數(shù)判別終點；

直線插補

圓弧插補統(tǒng)計累加次數(shù)判別終點；X、Y方向插補時分別對Xe,

Ye(終點坐標(biāo)值)累加；X、Y方向插補時分別對Yi和Xi(動點坐標(biāo)值)累加，且關(guān)系相反；X、Y方向進(jìn)給(發(fā)進(jìn)給脈沖)后，被積函數(shù)寄存器Jx、Jy內(nèi)容(Xe,Ye)不變；X、Y方向進(jìn)給（發(fā)進(jìn)給脈沖）后，被積函數(shù)寄存器Jx、Jy內(nèi)容(Yi,Xi)必須修正，即當(dāng)X方向發(fā)脈沖時，Y軸被積函數(shù)寄存器Jy內(nèi)容(Xi)減1（∵NR1）,當(dāng)Y方向發(fā)脈沖時，X軸被積函數(shù)寄存器Jx內(nèi)容(Yi)加1。數(shù)字積分直線插補與圓弧插補的主要區(qū)別3.3插補原理與算法例4-6

設(shè)有第一象限逆圓AB，如圖所示，起點A（5，0），終點B（0，5），所選寄存器位數(shù)n=3。若用二進(jìn)制計算，起點坐標(biāo)A（101，000），終點坐標(biāo)B（000，101），試用DDA法對此圓弧進(jìn)行插補。OXYA(5,0)B(0,5)余數(shù)寄存器容量至少3位，故累加至2N=8，將有脈沖溢出。終點判別總步數(shù)為:|Xe-X0|+|Ye-Y0|=103.3插補原理與算法數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology積分運算

積分修正

坐標(biāo)計算

終點判別

脈沖個數(shù)

X+JX

?X

Y+JY

?Y

進(jìn)給方向

X-2n

?X

Y-2n

?Y

JX+1

?JX

JY-1

?JY

NX

NY

0

0

0

0

5

1

0+0=0

0+5=5

2

0+0=0

5+5=10

+Y

10-8=2

0+1=1

5

1

3

0+1=1

2+5=7

4

1+1=2

7+5=12

+Y

12-8=4

1+1=2

5

2

5

2+2=4

4+5=9

+Y

9-8=1

2+1=3

5

3

6

4+3=7

1+5=6

7

7+3=10

6+5=11

-X,+Y

10-8=2

11-8=3

3+1=4

5-1=4

1

4

8

2+4=6

3+4=7

9

6+4=10

7+4=11

-X,+Y

10-8=2

11-8=3

4+1=5

4-1=3

2

5

10

2+5=7

11

7+5=12

-X

12-8=4

5

3-1=2

3

12

4+5=9

-X

9-8=1

5

2-1=1

4

13

1+5=6

14

6+5=11

-X

11-8=3

5

1-1=0

5

3.3插補原理與算法數(shù)字控制及裝備技術(shù)研究所

InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology4.數(shù)字積分法合成進(jìn)給速度假設(shè)脈沖當(dāng)量為(mm/脈沖),可求得X和Y方向進(jìn)給速度(mm/min)合成進(jìn)給速度為

式中L—被插補直線長度，;若插補圓弧，L應(yīng)為圓弧半徑R。Vg—脈沖源速度進(jìn)給速度V與L成正比。直線短，進(jìn)給慢，直線長，進(jìn)給快。

數(shù)字積分法的特點:脈沖源每產(chǎn)生一個脈沖，作一次累加計算,但不一定產(chǎn)生進(jìn)給。若脈沖源頻率為fg（Hz），插補直線的終點坐標(biāo)為E（Xe，Ye），則X，Y方向的平均進(jìn)給頻率fx，fy為3.3插補原理與算法5.改善插補速度的措施（左移規(guī)格化處理）6.提高插補精度的措施（半加載）左移規(guī)格化處理的結(jié)果使寄存器中的數(shù)值變化范圍變小，可能的最小數(shù)為可能的最大數(shù)為由此得到的合成速度的最小值和最大值分別為3.3插補原理與算法例4-5

加工第一象限順圓AB，如圖3-27，起點A（0，5），終點B（0，5）選用寄存器位數(shù)n=3，經(jīng)過“半加載”處理后，試用DDA法進(jìn)行插補計算。3.3插補原理與算法3.3插補原理與算法3.3插補原理與算法7.用軟件實現(xiàn)數(shù)字積分插補演示程序插補開始m0JXXe,X0JYYe,Y0XX+JX

X/2N1X方向進(jìn)給XX-2NYY+JY

Y/2N1Y方向進(jìn)給YY-2Nmm+1m=2N插補結(jié)束NYNYNY3.3插補原理與算法3.3.3數(shù)字增量插補（數(shù)據(jù)采樣插補法）伺服電機工作臺速度控制單元傳動機構(gòu)位置控制檢測反饋插補器

用于閉環(huán)和半閉環(huán)位置采樣控制系統(tǒng)（主要包括三項內(nèi)容：插補，反饋采樣及控制）。

插補就是選擇合適的插補周期，計算出插補周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的移動增量（粗插補）；而把移動增量轉(zhuǎn)化為跟隨誤差和速度指令等將是反饋采樣及控制的任務(wù)（精插補）。3.3插補原理與算法常用時間分割插補算法——把加工一段直線或圓弧的整段時間分為許多相等的時間間隔，該單位時間間隔T稱為插補周期。插補周期T內(nèi)的合成進(jìn)給量f稱為一次插補進(jìn)給量。根據(jù)進(jìn)給速度F，將給定輪廓曲線按插補周期T分割為插補進(jìn)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(jìn)行一次插補計算，算出下一個插補點。若進(jìn)給速度F的單位取mm/min，插補周期T的單位取ms，插補進(jìn)給量的單位取μm，則一次插補進(jìn)給量：例：ＦＡＮＵＣ７Ｍ系統(tǒng)設(shè)F為程序編制中給定的速度指令（單位為mm/min)；插補周期T為８ｍｓ；f為一個插補周期的進(jìn)給量(單位為μm);則一、數(shù)字增量插補的原理100060x1000FTf=3.3插補原理與算法1、插補周期T與插補運算時間的關(guān)系插補周期T必須大于插補運算時間與完成其它實時任務(wù)（插補及位置誤差計算、顯示、監(jiān)控、I/O處理）所需時間之和，一般為8－10ms，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已縮短到2-4ms.2、插補周期T與位置反饋采樣周期的關(guān)系

采樣周期TC：數(shù)控系統(tǒng)每隔一定的周期TC對實際位置進(jìn)行采樣，把時間上連續(xù)的信號轉(zhuǎn)變成時間上離散的脈沖信號。

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，插補周期T與位置反饋采樣周期可以相同，也可以不同。通常T≥TC，一般要求T是TC的整數(shù)倍。大約在8ms左右。二、插補周期的選擇3.3插補原理與算法3、插補周期與精度、速度的關(guān)系在直線插補中，插補所形成的每個直線段與給定的直線重合，不會造成軌跡誤差。在圓弧插補時，一般用內(nèi)接弦線或內(nèi)外均差弦線來逼近圓弧，這種逼近必然會造成軌跡誤差。最大半徑誤差eR與步距角δ的關(guān)系

eR=R(1-cos(δ/2)）最大徑向誤差：

eR=(FT)2/8R當(dāng)給定R、f和eR，則應(yīng)有

T=(8ReR)1/2/FfYOReRR

在插補周期及圓弧半徑給定時，為保證加工精度，必須對加工速度限制；在誤差和圓弧半徑給定時，插補周期短對于獲得高的加工速度有利。3.3插補原理與算法三、直線插補算法

1.直線插補算法原理刀具直線移動速度為F，設(shè)插補周期為T，則插補周期的進(jìn)給步長為直線段長度：

X，Y軸的位移增量分別為

插補第i點的動點坐標(biāo)為Xi-1A(Xe,Ye)OXiYi-1YiMi-1MiΔXiΔYiXY3.3插補原理與算法

2.實用直線插補算法

數(shù)字增量插補算法分兩布：插補準(zhǔn)備，插補計算(1)進(jìn)給速率法(2)方向余弦法1(4)直接函數(shù)法(2)方向余弦法2(5)一次計算法3.3插補原理與算法四、圓弧插補算法PA(Xi,Yi)B(Xi+1,Yi+1)EXYFHMαδΦiΦi+1CDO基本思路：在滿足精度要求的前提下，用弦線逼近圓弧。1.直接函數(shù)法（弦線法）計算過程：?Li＝FT3.3插補原理與算法因為OA⊥AP(AP為圓弧切線)所以△AOC∽△PAG則∠AOC＝∠GAP＝因為∠PAB+∠OAM=900所以∠PAB＝∠AOM=∠AOB＝設(shè)＝∠GAB＝∠GAP＋∠PAB＝△MOD中將DH=Xi，OC＝Y(jié)i，HM＝

CD＝1.直線函數(shù)法（弦線法）

計算公式推導(dǎo)3.3插補原理與算法上式中，sinα

和cosα

都是未知數(shù)，難以用簡單方法求解，采用近似計算2.直線函數(shù)法（弦線法）

計算公式推導(dǎo)PA(Xi,Yi)B(Xi+1,Yi+1)EXYFHMαδΦiΦi+1CDO3.3插補原理與算法原理：將DDA的切向逼近改變?yōu)楦罹€逼近，提高插補精度。具體還是計算一個插補周期T內(nèi)，輪廓步長L的坐標(biāo)分量?Xi和?Yi由下圖經(jīng)過推導(dǎo)可得：BAi’CXYMHQOAiAi-12.擴展DDA插補算法其中：FRN—進(jìn)給速率數(shù)特點：計算簡單，速度快，精度高。新加工點Ai’的坐標(biāo)位置3.3插補原理與算法123第三章數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件3.1CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)3.3插補原理與算法3.4

刀具補償原理3.5速度與加減速控制3.6數(shù)控機床參數(shù)3.4.1刀具補償?shù)幕靖拍钜弧⑹裁词堑毒哐a償將被加工零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換為刀具中心軌跡的過程。刀具半徑補償由于刀具半徑的存在，零件輪廓軌跡與刀具中心軌跡不重合，為了加工出符合圖紙要求的零件輪廓，必須進(jìn)行刀具半徑偏移。加工外輪廓時應(yīng)向外偏移一個刀具半徑，加工內(nèi)輪廓時應(yīng)向輪廓內(nèi)偏移一個刀具半徑，這種偏移叫做刀具半徑補償。刀具長度補償對刀具長度差額的補償.3.4刀具補償原理二、為什么要進(jìn)行刀具補償在銑床上用半徑為r的刀具加工外形輪廓為A的工件時，刀具中心沿著與輪廓A距離為r的軌跡B移動。因控制系統(tǒng)控制的是刀具中心的運動軌跡，而刀具總有一定的半徑，如輪廓銑削加工：為刀具中心沿所需軌跡運動，需要有刀具半徑補償功能。加工中心：一個重要組成部分就是自動換刀裝置，在一次加工中使用多把長度不同的刀具，需要有刀具長度補償功能。AB刀具rr3.4刀具補償原理三、刀具補償?shù)墓τ檬箶?shù)控程序與刀具形狀和刀具尺寸盡量無關(guān)，可大大簡化編程在編制加工程序時，可以按零件實際輪廓編程，加工前測量實際的刀具半徑、長度等，作為刀具補償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，就可以加工出合乎尺寸要求的零件輪廓?？梢詽M足加工工藝等其他一些要求可以通過逐次改變刀具半徑補償值大小的辦法，調(diào)整每次進(jìn)給量，以達(dá)到利用同一程序?qū)崿F(xiàn)粗、精加工循環(huán)?？梢岳眯?shù)點后的值，控制輪廓尺寸的公差精度。因刀具磨損、重磨而使刀具尺寸變化時，若仍用原程序，勢必造成加工誤差，利用刀具補償可以解決這個問題。3.4刀具補償原理3.4.2刀具補償原理刀具補償一般分為刀具長度補償和刀具半徑補償。一、刀具長度補償數(shù)控車床:

數(shù)控裝置控制的是刀架參考點的位置，實際切削時是利用刀尖來完成，刀具長度補償是用來實現(xiàn)刀尖軌跡與刀架參考點之間的轉(zhuǎn)換。圖示P為刀尖，Q為刀架參考點，假設(shè)刀尖圓弧半徑為零。利用刀具長度測量裝置測出刀尖點相對于刀架參考點的坐標(biāo)xpq，zpq，存入刀補內(nèi)存表中。編程時以刀尖點P來編程，設(shè)刀尖P點坐標(biāo)為xp，zp，補償后刀架參考點Q（xq，zq）為：3.4刀具補償原理加工中心常用刀具長度補償：首先將刀具裝入刀柄，再用對刀儀測出每個刀具前端到刀柄基準(zhǔn)面的距離，然后將此值按刀具號碼輸入到控制裝置的刀補內(nèi)存表中，進(jìn)行補償計算。刀具長度補償是用來實現(xiàn)刀尖軌跡與刀柄基準(zhǔn)點之間的轉(zhuǎn)換。數(shù)控立式鏜銑床和數(shù)控鉆床：因刀具磨損、重磨等而使長度發(fā)生改變時，不必修改程序中的坐標(biāo)值，可通過刀具長度補償，伸長或縮短一個偏置量來補償其尺寸的變化，以保證加工精度。刀具長度補償原理比較簡單，由G43、G44及H（D）代碼指定。3.4刀具補償原理

二、刀具半徑補償

ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓ABCD）前進(jìn)方向的左側(cè)時，稱為左刀補，用G41表示。反之，當(dāng)?shù)毒咛幱谳喞斑M(jìn)方向的右側(cè)時稱為右刀補，用G42表示。G40為取消刀具補償指令。刀補撤銷刀補建立刀補進(jìn)行BCADOyxa)G41左刀補b)G42右刀補xyODCBA刀補建立刀補進(jìn)行刀補撤銷3.4刀具補償原理刀具半徑補償過程(分三個步驟)：

（1）刀補建立刀具從起刀點接近工件，在原來的程序軌跡基礎(chǔ)上伸長或縮短一個刀具半徑值，即刀具中心從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡距離一個刀具半徑值。在該段中，動作指令只能用G00或G01。

（2）刀補進(jìn)行刀具補償進(jìn)行期間，刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個刀具半徑的距離。在此狀態(tài)下，G00、G01、G02、G03都可使用。

（3）刀補撤銷刀具撤離工件，返回原點。即刀具中心軌跡從與編程軌跡相距一個刀具半徑值過渡到與編程軌跡重合。此時也只能用G00、G01。

注意：刀具半徑補償只能在指定的二維平面內(nèi)進(jìn)行。用G17指定XY平面，用G18指定ZX平面，用G19指定YZ平面。3.4刀具補償原理3.4.3刀具半徑補償算法根據(jù)零件尺寸和刀具半徑值計算出刀具中心軌跡。對于一般的CNC裝置，所能實現(xiàn)的輪廓僅限于直線和圓弧。刀具半徑補償分B功能刀補與C功能刀補。一、B功能刀補計算

B功能刀補能根據(jù)本段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀具半徑補償，不能解決程序段之間的過渡問題，編程人員必須先估計刀補后可能出現(xiàn)的間斷點和交叉點等情況，進(jìn)行人為處理。

直線刀具補償計算對直線而言，刀具補償后的軌跡是與原直線平行的直線，只需要計算出刀具中心軌跡的起點和終點坐標(biāo)值。3.4刀具補償原理

被加工直線段的起點在坐標(biāo)原點，終點坐標(biāo)為A。已知上一程序段加工完后，刀具中心在O′點，刀具半徑為r，現(xiàn)要計算刀具右補償后直線段O′A′的終點坐標(biāo)A′。設(shè)刀具補償矢量AA′的投影坐標(biāo)為?X?Y,則3.4刀具補償原理

此式為，是在增量編程下推導(dǎo)出的。對于絕對值編程，仍可應(yīng)用此公式計算，所不同的是應(yīng)為絕對坐標(biāo)。直線刀補計算公式3.4刀具補償原理

圓弧刀具半徑補償計算對于圓弧而言，刀具補償后的刀具中心軌跡是一個與圓弧同心的一段圓弧。只需計算刀補后圓弧的起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)值被加工圓弧的圓心坐標(biāo)在坐標(biāo)原點O，圓弧半