第二部分 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

第二部分計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院2.1計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置2.2數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理本部分重要內(nèi)容第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院按美國(guó)電子工程協(xié)會(huì)（EIA）數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的定義，CNC（ComputerizedNumericalControl）系統(tǒng)是：用計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)完成數(shù)控要求的部分或全部功能，并配有接口電路、伺服驅(qū)動(dòng)的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2.1.1計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置硬件第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院CNC系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序或指令，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，形成理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，插補(bǔ)計(jì)算出的位置數(shù)據(jù)輸出到伺服單元，控制電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加工出所需零件。CNC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)值和邏輯運(yùn)算，對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，只要改變計(jì)算機(jī)中的控制軟件就能實(shí)現(xiàn)一種新的控制方式。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院輸入/輸出裝置（I/O）數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床電氣邏輯控制裝置一、數(shù)控系統(tǒng)的組成第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院CNC系統(tǒng)靈活可變，易于變化和擴(kuò)展CNC系統(tǒng)通用性強(qiáng)CNC系統(tǒng)可靠性強(qiáng)CNC系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)多功能、高復(fù)雜程序的控制CNC系統(tǒng)使用、維護(hù)方便第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置二、數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院三、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)類型1、常規(guī)CNC的硬件結(jié)構(gòu)總線式模塊化結(jié)構(gòu)的CNC以專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的CNC基于通用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的CNC第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院2、單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)1）單微處理器結(jié)構(gòu)

只有一個(gè)微處理器，以集中控制、分時(shí)處理各個(gè)任務(wù)。若CNC系統(tǒng)中有兩個(gè)以上的微處理器，其中只有一個(gè)能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院2）多微處理器結(jié)構(gòu)

（1）共享總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線把各個(gè)模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種數(shù)據(jù)和控制信息，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

（2）共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用多端口存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的互連和通信，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)。CNC管理模塊、CNC插補(bǔ)模塊、PLC模塊、命令與數(shù)據(jù)輸入輸出和顯示模塊、存儲(chǔ)器模塊第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院3、開(kāi)放式CNC結(jié)構(gòu)1）PC連接型CNC將現(xiàn)有CNC與PC用串行線相連而構(gòu)成。2）PC內(nèi)藏型CNCCNC內(nèi)部加裝PC，PC與CNC之間用專用總線連接。3）基于PC的可開(kāi)放CNC在通用PC的擴(kuò)展槽中加入專用CNC卡而組成。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院1、輸入數(shù)據(jù)處理程序2、插補(bǔ)運(yùn)算程序3、速度控制程序4、管理程序5、診斷程序一、CNC系統(tǒng)軟件的組成第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置2.1.2CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院二、CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)CNC軟件設(shè)計(jì)中常采用資源分時(shí)共享并行處理和資源重疊流水并行處理技術(shù)。前者適用于單微處理器系統(tǒng)，主要采用對(duì)CPU的分時(shí)共享來(lái)解決多任務(wù)的并行處理。后者適用于多微處理器系統(tǒng)，是指在一段時(shí)間間隔內(nèi)處理兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)，即時(shí)間重疊。由于兩種技術(shù)處理方式不同，相應(yīng)的CNC軟件也設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式。第一節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的輪廓控制主要問(wèn)題就是怎樣控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。無(wú)論是硬件數(shù)控（NC）系統(tǒng)，還是計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)或微機(jī)數(shù)控（MNC）系統(tǒng)，都必須有完成插補(bǔ)功能的部分，只是采取的方式不同而已。

第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理2.2插補(bǔ)原理第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理插補(bǔ)的任務(wù)是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在輪廓指令起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需時(shí)間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算精度又影響到數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。插補(bǔ)速度和插補(bǔ)精度是插補(bǔ)的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接決定了數(shù)控機(jī)床的精度和進(jìn)給速度。因此，插補(bǔ)算法是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制的核心。第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院2.2.1逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理基本原理：在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件的過(guò)程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對(duì)位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給，且只有一個(gè)方向的進(jìn)給。逐點(diǎn)比較法即可以作直線插補(bǔ)，又可以作圓弧插補(bǔ)。這種算法的特點(diǎn)是，運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此，在兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為廣泛。第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院ABOYXP0(x,y)P1P2圖中AB是需要插補(bǔ)的曲線，用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)前先要根據(jù)AB的形狀構(gòu)造一個(gè)函數(shù)F=F（x,y）

x,y為刀具的坐標(biāo)函數(shù)F的正負(fù)必須反映出刀具與曲線的相對(duì)位置關(guān)系，設(shè)這種關(guān)系為：F(x,y)>0

刀具在曲線上方F(x,y)=0

刀具在曲線上F(x,y)<0

刀具在曲線下方由于F(x,y)反映了刀具偏離曲線的情況，稱之為偏差函數(shù)

1、偏差函數(shù)的構(gòu)建第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理一、插補(bǔ)原理第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院2、逐點(diǎn)比較法的程序流程偏差判別進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別偏差判別判別偏差函數(shù)的正負(fù)，以確定刀具相對(duì)于所加工曲線的位置進(jìn)給根據(jù)上一節(jié)拍的判斷結(jié)果確定刀具的進(jìn)給方向。進(jìn)給使刀具向曲線靠近并朝曲線的終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。偏差計(jì)算計(jì)算出刀具進(jìn)給后在新位置上的偏差值，為下一插補(bǔ)循環(huán)做好準(zhǔn)備終點(diǎn)判別判斷刀具是否到達(dá)曲線的終點(diǎn)。若到達(dá)終點(diǎn)，則插補(bǔ)工作結(jié)束；若未到達(dá)，則返回到節(jié)拍1繼續(xù)插補(bǔ)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)工作節(jié)拍組成。各節(jié)拍功能：第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院即若加工點(diǎn)P在直線OA上方，則即設(shè)某時(shí)刻刀具運(yùn)動(dòng)到P（Xi,Yi）偏差函數(shù)為Fi，則Fi的數(shù)值稱為該點(diǎn)的“偏差值”

1、偏差函數(shù)OA是要加工的直線。起點(diǎn)坐標(biāo)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)A坐標(biāo)為。點(diǎn)P為任一加工點(diǎn)（刀具），若P點(diǎn)正好在直線OA上時(shí)，下式成立XOYAPF>0F<0第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理二、逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)即若加工點(diǎn)P在直線OA下方，則－第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院綜上所述，在直線插補(bǔ)中，偏差函數(shù)與刀具位置的關(guān)系是F>0刀具在直線上方F=0刀具在直線上F<0刀具在直線下方OYXAPF>0F<0第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理2、偏差判別第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院3、進(jìn)給方向若點(diǎn)P在直線上或上方（F≥0）應(yīng)向+X方向前進(jìn)一步，以接近該直線；OYXAOYXA當(dāng)點(diǎn)P在直線下方時(shí)（F＜0），應(yīng)向+Y方向前進(jìn)一步。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院Fi+1=XeYi+1－Xi＋1Ye第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理4、新點(diǎn)的偏差計(jì)算當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)給到達(dá)新點(diǎn)后，其偏差值計(jì)算如下式：可見(jiàn)需做兩次乘法和一次減法，計(jì)算較為復(fù)雜，CPU負(fù)擔(dān)較重，通常采用遞推法簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程。第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院偏差情況

進(jìn)給方向偏差計(jì)算+X+Y當(dāng)偏差值Fi<0時(shí)，刀具從現(xiàn)加工點(diǎn)(Xi,Yi)向Y正向前進(jìn)一步，到達(dá)新加工點(diǎn)(Xi,Yi+1)則新加工點(diǎn)的偏差值為當(dāng)偏差值Fi≥0時(shí)，刀具從現(xiàn)加工點(diǎn)(Xi,Yi)向X正向前進(jìn)一步，到達(dá)新加工點(diǎn)(Xi+1,Yi)則新加工點(diǎn)的偏差值為Fi+1=XeYi+1－XiYe=Xe(Yi＋1)－XiYe=XeYi＋Xe－XiYe即Fi+1=Fi＋XeFi+1=XeYi－Xi＋1Ye=XeYi－(Xi+1)Ye=XeYi－XiYe－Ye即Fi+1=Fi－Ye第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院5、終點(diǎn)判別對(duì)于逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，每進(jìn)行一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)，刀具或者沿X軸走一步，或沿Y軸走一步，因此插補(bǔ)數(shù)與刀具沿X、Y軸已走的總步數(shù)相等。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理Σ＝︱

Xe︱

＋︱Ye︱不論哪個(gè)軸進(jìn)給一步，均從總步數(shù)中減1，當(dāng)總步數(shù)減到零時(shí)即表示已到達(dá)終點(diǎn)。第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院6、插補(bǔ)程序及舉例右圖是逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)流程圖。例：逐點(diǎn)比較法加工直線OA，并畫(huà)出插補(bǔ)軌跡。OYXA(5,3)第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理0n,0Fi原地等待插補(bǔ)時(shí)鐘F≥0？進(jìn)給方向+x進(jìn)給方向+yY插補(bǔ)結(jié)束NYN－第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四解：總步數(shù)N＝5＋3＝8脈沖偏差判別進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別012345678第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院12345678OA(5,3)YX插補(bǔ)軌跡第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院加工第一象限逆時(shí)針圓弧AB若點(diǎn)P（Xi,Yi）正好落在圓弧上，則有

若點(diǎn)P（Xi,Yi）

在圓弧外側(cè)，則有Rp>R第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理三、逐點(diǎn)比較法的第一象限逆圓弧插補(bǔ)⌒Xi2+Yi2=X02+Y02=R2Xi2+Yi2>X02+Y02=R2若點(diǎn)P（Xi,Yi）

在圓弧內(nèi)側(cè)，則有Rp<RXi2+Yi2<X02+Y02=R2RRpABF<0F>0XYOP第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理F=Xi2+Yi2-R2取偏差函數(shù)表達(dá)式為：RRpABF<0F>0XYOP其插補(bǔ)規(guī)則為：當(dāng)F>0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧外側(cè)，向－X進(jìn)給一步；當(dāng)F=0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧上，向－X進(jìn)給一步；當(dāng)F<0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)，向＋Y進(jìn)給一步；第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理采用遞推法簡(jiǎn)化新點(diǎn)偏差計(jì)算：若Fi≥0，刀具從現(xiàn)點(diǎn)(Xi,Yi)向-X進(jìn)給一步，到達(dá)新加工點(diǎn)(Xi+1＝Xi+1－1，Yi＋1＝Y(jié)i)則新點(diǎn)的偏差值為Fi+1=Xi+12＋Yi＋12＝R2=(Xi－1)2＋Yi2－R2即Fi+1=Fi－2Xi＋1若Fi<0，刀具+Y進(jìn)給一步，到達(dá)新加工點(diǎn)(Xi+1＝Xi，Yi＋1＝Y(jié)i+1)則新點(diǎn)的偏差值為Fi+1=Xi+12＋Yi＋12－R2=Xi2＋（Yi＋1）2－R2即Fi+1=Fi＋2Xi+1第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院終點(diǎn)判別對(duì)于逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，每進(jìn)行一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)，刀具或者沿X軸走一步，或沿Y軸走一步，因此插補(bǔ)數(shù)與刀具沿X、Y軸已走的總步數(shù)相等。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算原理Σ＝︱

Xe︱

＋︱Ye︱不論哪個(gè)軸進(jìn)給一步，均從總步數(shù)中減1，當(dāng)總步數(shù)減到零時(shí)即表示已到達(dá)終點(diǎn)。+Y－X偏差計(jì)算進(jìn)給方向偏差情況

第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院例：加工圖示逆圓弧AB，起點(diǎn)A(6,0)，B(0,6),試對(duì)其進(jìn)行插補(bǔ)，并畫(huà)出插補(bǔ)軌跡。AB(6,0)(0,6)0n,0Fi原地等待插補(bǔ)時(shí)鐘F≥0？進(jìn)給方向-x進(jìn)給方向+yY插補(bǔ)結(jié)束NYN插補(bǔ)流程圖見(jiàn)右第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期四機(jī)電工程學(xué)院脈沖個(gè)數(shù)偏差判別進(jìn)給方向偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別0F0=0X0=6Y0=0N=121F0=0-XF1=F0-2X0+1=0-2×6+1=-11X1=X0-1=6-1=5Y1=Y0=0N=N-1=12-1=11≠02F1=-11<0+YF2=F1+2Y1+1=-11+0+1=-10X2=X1=5Y2=Y1+1=1N=N-1=11-1=10≠03F2=-10<0+YF3=F2+2Y2+1=-10+2×1+1=-7X3=X2=5Y3=Y2+1=2N=N-1=10-1=9≠04F3=-7<0+YF4=F3+2Y3+1=-7+2×2+1=-2X4=X3=5Y4=Y3+1=3N=N-1=9-1=8≠05F4=-2<0+YF5=F4+2Y4+1=-2+2×3+1=-5X5=X4=5Y5=Y4+1=4N=N-1=8-1=7≠06F5=5>0-XF6=F5-2X5+1=5-2×5+1=-4X6=X5-1=5-1=4Y6=Y5=4N=N-1=7-1=6≠07F6=-4<0+YF7=F6+2Y6+1=-4+2×4+1=5X7=X6=4Y7=Y6+1=5N=N-1=6-1=5≠08F7=5>0-XF8=F7-2X7+1=5-2×4+1=-2X8=X7-1=4-1=3Y8=Y7=5N=N-1=5-1=4≠09F8=-2<0+YF9=F8+2Y8+1=-2+2×5+1=9X9=X8=3Y9=Y8+1=6N=N-1=4-1=3≠010F9=9>0-XF10=F9-2X9+1=9-2×3+1=4X10=X9-1=3-1=2Y10=Y9=6N=N-1=3-1=2≠011F10=+4>0-XF11=F10-2X10+1=4-2×2+1=1X11=X10-1=2-1=1Y11=Y10=6N=N-1=2-1=1≠012F11=1>0-XF12=F11-2X11+1=1-2×1+1=0X12=X11-1=1-1=0Y12=Y11=6N=N-1=1-1=0到終點(diǎn)解：總步數(shù)N＝5＋3＝8插補(bǔ)運(yùn)算