D4數(shù)控系統(tǒng)原理

1、數(shù)控系統(tǒng)原理 數(shù)控系統(tǒng)原理數(shù)控系統(tǒng)概述基本概念1、 數(shù)控系統(tǒng)的基本概念 數(shù)控系統(tǒng)，就是利用數(shù)字化信息進(jìn)行控制的系統(tǒng)，被控制的對象可以是各種生產(chǎn)過程，在本書中討論的數(shù)控系統(tǒng)特指利用數(shù)字化信息對機(jī)床進(jìn)行控制的系統(tǒng)。1）數(shù)字化信息數(shù)字信息構(gòu)成的控制程序2）控制對象各種生產(chǎn)過程 數(shù)控系統(tǒng)組成框圖2、 數(shù)字控制的基本原理原理：首先將被加工零件的有關(guān)信息（幾何信息、工藝信息等）表示成數(shù)字控制裝置所能接受的指令信息，然后由數(shù)字控制裝置對指令信息和反饋信息進(jìn)行處理，計(jì)算出機(jī)床各坐標(biāo)運(yùn)動的控制信息，最后將控制信息轉(zhuǎn)換為機(jī)床各坐標(biāo)部件的實(shí)際運(yùn)動，加工出符合設(shè)計(jì)要求的零件。實(shí)質(zhì)：機(jī)床數(shù)字控制是一

2、種信息變換與處理的過程，其基本原理可以用“分解與合成”進(jìn)行概括。1）零件表面信息的分解 ；2）刀具軌跡信息的分解 ；3）基本曲線信息的分解 ；4）坐標(biāo)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn) ；5）刀具軌跡的合成 ；6）加工路徑的合成 ；3、 數(shù)控系統(tǒng)的分類1）按運(yùn)動軌跡分類Ø 點(diǎn)位數(shù)控系統(tǒng) 這種數(shù)控系統(tǒng)僅控制機(jī)床運(yùn)動部件從一點(diǎn)準(zhǔn)確地移動到另一點(diǎn)，在移動過程中不進(jìn)行加工，對移動部件的移動速度和運(yùn)動軌跡沒有嚴(yán)格要求。Ø 直線數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)除了控制機(jī)床運(yùn)動部件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動速度和運(yùn)動軌跡。Ø 輪廓數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)能對兩個(gè)以上機(jī)床坐標(biāo)軸

3、的移動速度和運(yùn)動軌跡同時(shí)進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，能夠進(jìn)行各種斜線、圓弧、曲線的加工。2）按伺服系統(tǒng)分類Ø 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 無檢測反饋，信號流程單向，結(jié)構(gòu)簡單，成本較底，調(diào)試簡單，精度、速度受到限制，執(zhí)行元件通常采用步進(jìn)電機(jī)。Ø 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 有檢測反饋，但不包含機(jī)械傳動元件的誤差，精度較高，穩(wěn)定性高，調(diào)試方便，執(zhí)行元件通常采用伺服電機(jī)。Ø 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 有檢測反饋，包含機(jī)械傳動元件誤差，精度高，穩(wěn)定性不易保證，調(diào)試復(fù)雜，執(zhí)行元件通常采用伺服電機(jī)。2）按功能水平分類Ø 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)通常采用8位CPU或單片機(jī)控制，分辨率一般為0.01mm，進(jìn)給速

4、度達(dá)68m/min，聯(lián)動軸數(shù)在3軸以下，具有簡單的CRT字符顯示或數(shù)碼管顯示功能。 Ø 普及型數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)通常采用16位的CPU，分辨率可達(dá)0.001mm，進(jìn)給速度達(dá)1024m/min，聯(lián)動軸數(shù)在4軸以下，具有平面線性圖形顯示功能。 Ø 高級型數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)通常采用32位的CPU，分辨率高達(dá)0.0001mm，進(jìn)給速度可達(dá)100m/min，聯(lián)動軸數(shù)在5軸以上，具有3維動態(tài)圖形顯示功能。 4、 機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展1）1952年，電子管數(shù)控系統(tǒng)，第一代 2）1959年，晶體管數(shù)控系統(tǒng)，第二代 3）1963年，集成電路數(shù)控系統(tǒng) ，第三代4）1970年，小

5、型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 第四代5）1974年，微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)， 第五代6）20世紀(jì)80年代， 基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，第六代1.2計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)1、 CNC系統(tǒng)的功能1）基本功能 Ø 控制功能 Ø G功能 Ø 插補(bǔ)功能 Ø 主軸功能 Ø M功能 Ø 刀具功能 Ø 補(bǔ)償功能 Ø 顯示功能 2）先進(jìn)功能 Ø 模擬加工功能 Ø 監(jiān)測和診斷功能 Ø 動力刀具和C軸功能 Ø 虛擬軸功能 Ø DXF圖形文件支持功能 Ø 循環(huán)加工功能 Ø 測量檢驗(yàn)功能 &

6、#216; 自適應(yīng)控制功能 2、 CNC系統(tǒng)的軟件構(gòu)成CNC系統(tǒng)的這些子軟件并不是完全獨(dú)立的，很多情況下它們必須交叉運(yùn)行。3、 CNC系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 從CNC系統(tǒng)的外部硬件構(gòu)成上看，一般可以分為鍵盤、顯示器、主機(jī)單元、控制單元和功率模塊幾個(gè)部分。從CNC系統(tǒng)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)上看， CNC系統(tǒng)的硬件構(gòu)成一般可分為單CPU結(jié)構(gòu)和多CPU結(jié)構(gòu)兩大類。 單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖 多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)是：CNC系統(tǒng)的所有功能都是通過一個(gè)CPU進(jìn)行集中控制、分時(shí)處理來實(shí)現(xiàn)的；該CPU通過總線與存儲器和各種接口電路相連。這種結(jié)構(gòu)簡單、易

7、于實(shí)現(xiàn)，但由于只有一個(gè)CPU，系統(tǒng)功能受到CPU字長、運(yùn)算頻率等因素的限制，難以滿足一些復(fù)雜功能的要求。 多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)模塊化，這樣縮短了設(shè)計(jì)制造周期，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。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)模塊出現(xiàn)了故障，其他模塊仍能正常工作，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，提高了可靠性。 4、 CNC系統(tǒng)的工作過程1.3現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)1）計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)就是使用一臺通用計(jì)算機(jī)直接控制和管理一群數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工或裝配的系統(tǒng)。早期的DNC系統(tǒng)，其中的數(shù)控機(jī)床不再帶有自己的數(shù)控裝置

8、，它們的插補(bǔ)和控制功能全部由中央計(jì)算機(jī)來完成，這種方式可靠性不高，已被淘汰?，F(xiàn)代的DNC系統(tǒng)中，各臺數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置全部保留，并與DNC系統(tǒng)的中央計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中處理和分級控制，使系統(tǒng)具有生產(chǎn)管理、作業(yè)調(diào)度、工況顯示、監(jiān)控和刀具壽命管理的能力，為FMS的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。因此現(xiàn)代的DNC系統(tǒng)又被稱為分布式數(shù)字控制系統(tǒng)。2）柔性制造系統(tǒng)（FMS） 帶有自動換刀裝置的數(shù)控加工中心是FMS的基本級別。其后出現(xiàn)的柔性制造單元（FMC）是較高的一個(gè)級別，它一般由一臺單元控制計(jì)算機(jī)、多臺加工中心和自動更換工件的托盤站或工業(yè)機(jī)器人組成。在多臺加工中心和FMC的基礎(chǔ)上，增加刀具和工件在加工設(shè)備和

9、倉儲之間的流通和自動化立體倉庫的存儲，以及工件檢測，并由高一級計(jì)算機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，這樣就構(gòu)成了FMS，它可以實(shí)現(xiàn)對多品種零件的全部機(jī)械加工或部件裝配。 3）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)是指將制造工廠全部生產(chǎn)經(jīng)營活動（市場需求、設(shè)計(jì)、制造、管理和銷售等）中所涉及的子系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)有機(jī)集成在一起的自動化系統(tǒng)。包括管理信息系統(tǒng)（MIS）、工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）、質(zhì)量保證系統(tǒng)（QAS）、制造自動化系統(tǒng)（MAS）、數(shù)據(jù)庫（DB）和通訊網(wǎng)絡(luò)（NET）。 CIMS示范工程2、數(shù)控機(jī)床與現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)的關(guān)系現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)的一個(gè)共同特點(diǎn)是都以

10、數(shù)控機(jī)床作為其基本組成單元和技術(shù)基礎(chǔ)。因此，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床必須具備有單元功能和通信功能。1）單元功能：單元功能是數(shù)控機(jī)床能夠作為一個(gè)獨(dú)立的機(jī)械制造單元而必須具備的功能，包括任務(wù)管理、托盤管理和刀具管理。2）通信功能 ：數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)中的制造執(zhí)行單元，對上需要與上級控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收控制信息和反饋現(xiàn)場情況；對下需要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器進(jìn)行通信，發(fā)出控制指令和接收反饋信號；中間要與其它制造單元進(jìn)行通信，進(jìn)行相互任務(wù)的協(xié)調(diào)。 第二章 數(shù)控加工程序輸入及預(yù)處理2.1數(shù)控加工程序輸入1、 數(shù)控加工程序的輸入方式1）鍵盤方式輸入· 鍵盤是數(shù)控機(jī)床上常用的人機(jī)對話輸入設(shè)備

11、，通過鍵盤可以向數(shù)控裝置輸入加工程序、機(jī)床參數(shù)和系統(tǒng)信息。 · 鍵盤分為全編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。· 鍵盤輸入方式要求操作者必須了解數(shù)控加工程序的編制規(guī)則，對操作者的專業(yè)性要求較高。為了降低對操作者的要求，已有數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家（德國HEIDENHAIN公司）開發(fā)了“對話式編程方法”。 2）存儲器方式輸入· 數(shù)控加工程序存放在內(nèi)部存儲器中，稱為內(nèi)存儲器方式；存放在外部存儲器中，稱為外存儲器方式。 · 內(nèi)存儲器，容量較小，只有幾百KB到幾個(gè)MB。· CF卡、U盤和移動硬盤等外存儲設(shè)備，存儲容量大、交換速度快，彌補(bǔ)了部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)內(nèi)部存儲器容量較

12、小的不足。3）通信方式輸入· 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都配置了標(biāo)準(zhǔn)通信接口，使數(shù)控系統(tǒng)可以與其他計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備之間進(jìn)行信息交換。 · 串行通信接口RS-232C，· 以太網(wǎng)絡(luò)接口Ethernet，· 現(xiàn)場總線接口Profibus。2、 數(shù)控加工程序的存儲· 按輸入代碼的先后次序直接存儲· 按先后次序轉(zhuǎn)換成內(nèi)碼后存放· 內(nèi)碼的使用可加快譯碼的速度· 數(shù)控加工程序存儲舉例： N05 G90 G01 X203 Y-17 F46 M03 LF常用數(shù)控加工代碼及對應(yīng)內(nèi)碼數(shù)控加工程序存儲器內(nèi)碼存儲情況表2.2數(shù)控加工程序的

13、譯碼與診斷1、 數(shù)控加工程序的譯碼· 譯碼就是將標(biāo)準(zhǔn)代碼編寫的數(shù)控加工程序翻譯成數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部易于處理的形式，也就是將數(shù)控加工程序存儲器中存儲的內(nèi)碼轉(zhuǎn)化成能夠控制機(jī)床運(yùn)動的專門信息后，存放到相應(yīng)的譯碼結(jié)果緩沖存儲單元中。 1）代碼識別· 代碼識別是通過軟件將數(shù)控加工程序緩沖器或MDI緩沖器中的內(nèi)碼讀出，并判斷該數(shù)據(jù)的屬性。· 如果是數(shù)字碼，即設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志并轉(zhuǎn)存。· 如果是字母碼，則進(jìn)一步判斷該碼的具體功能，然后設(shè)置代碼標(biāo)志并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理。代碼識別流程圖2）代碼翻譯· 代碼識別為各功能代碼設(shè)立了一個(gè)特征標(biāo)志，對各功能碼的相應(yīng)處理由代碼

14、翻譯來完成。每一個(gè)程序段的譯碼結(jié)果存放在相應(yīng)的譯碼結(jié)果緩沖器內(nèi)。 譯碼結(jié)果緩沖器的存儲格式v 由于有些代碼的功能屬性相同或相近，它們不可能出現(xiàn)在同一個(gè)程序段中，也就是說這些代碼具有互斥性。v 將G代碼、M代碼按功能屬性分組，每一組代碼只需要設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存單元，并以特征字來區(qū)分本組中的不同代碼。常用G代碼分組常用M代碼分組2、 數(shù)控加工程序的診斷· 數(shù)控加工程序的診斷是指在譯碼過程中，對不規(guī)范的指令格式進(jìn)行檢查并提示操作者修改的功能。診斷一般包括語法錯誤診斷和邏輯錯誤診斷兩種類型。語法錯誤是指程序段格式或程序字格式不規(guī)范的錯誤；邏輯錯誤是指整個(gè)程序或一個(gè)程序段中功能代碼之

15、間相互排斥、互相矛盾的錯誤。1）語法錯誤Ø 程序段的第一個(gè)代碼不是N代碼；Ø N代碼后的數(shù)值超過了數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的取值范圍；Ø 在程序中出現(xiàn)了系統(tǒng)沒有約定的字母代碼；Ø 坐標(biāo)代碼后的數(shù)值超越了機(jī)床的行程范圍；Ø S、F、T代碼后的數(shù)值超過了系統(tǒng)約定的范圍；Ø 出現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)中沒有定義的G代碼；Ø 出現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)中沒有定義的M代碼。2）邏輯錯誤Ø 在同一個(gè)程序段中先后出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上同組的G代碼；Ø 在同一個(gè)程序段中先后出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上同組的G代碼；Ø 在同一個(gè)程序段中先后出現(xiàn)相互矛盾的尺寸代碼

16、；Ø 在同一個(gè)程序段中超量出現(xiàn)M代碼。譯碼與診斷流程圖2.3刀具補(bǔ)償原理1、 刀具補(bǔ)償在數(shù)控加工中的意義· 數(shù)控加工編程一般是按照零件的輪廓進(jìn)行的，而數(shù)控系統(tǒng)通常是通過控制刀具特殊的中心點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)加工軌跡的，二者并不統(tǒng)一，需要計(jì)算它們之間的偏差量，以滿足加工的要求。由數(shù)控系統(tǒng)自動將工件輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)刀具中心軌跡數(shù)據(jù)，這個(gè)過程就稱之為刀具補(bǔ)償。· 在零件加工過程中，若采用刀具補(bǔ)償功能，可以大大簡化加工程序的編寫工作，提高程序的利用效率，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：Ø 由于刀具磨損、更換等原因引起的刀具尺寸變化不必重新編寫程序，只需修改相應(yīng)的刀具補(bǔ)償

17、參數(shù)即可。Ø 當(dāng)被加工零件在同一機(jī)床上經(jīng)歷粗加工、半精加工、精加工多道工序時(shí)，不必編寫三種加工程序，可將各工序預(yù)留的加工余量加入刀具補(bǔ)償參數(shù)即可。· 刀具補(bǔ)償一般分為刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償?shù)毒唛L度補(bǔ)償示意圖刀具半徑補(bǔ)償示意圖2、 刀具補(bǔ)償?shù)挠?jì)算1）刀具長度補(bǔ)償計(jì)算Ø 加工前預(yù)先分別測得裝在刀架上的刀具長度在X和Z方向的分量，即x刀偏和z刀偏。XP、ZP是被加工零件輪廓軌跡的坐標(biāo)，零件輪廓軌跡經(jīng)過補(bǔ)償后，通過控制刀架參考點(diǎn)R來實(shí)現(xiàn)加工。刀具長度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式如下： XR=XP- x ZR=ZP- zB刀補(bǔ)示意圖 2）刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算（1）刀具半徑補(bǔ)償?shù)?/p>

18、分類及過程在兩個(gè)輪廓的交界處，刀具中心軌跡的規(guī)劃就出現(xiàn)了兩種不同的類型，即所謂的B刀具半徑補(bǔ)償和C刀具半徑補(bǔ)償。Ø B刀補(bǔ)在輪廓間的過渡都是以圓弧形式進(jìn)行的。Ø B刀補(bǔ)輪廓工藝性差，因?yàn)樵谕廨喞庸r(shí)，由于輪廓尖角處始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差；在內(nèi)輪廓尖角加工時(shí)，編程人員必須在零件輪廓中插入一個(gè)半徑大于刀具半徑的圓弧，這樣才能避免產(chǎn)生過切。Ø C刀補(bǔ)的最大特點(diǎn)是采用直線作為輪廓間過渡的形式，因此它的尖角加工工藝性好，在內(nèi)輪廓加工時(shí)可以自動判別，避免產(chǎn)生過切。 C刀補(bǔ)示意圖 Ø 刀具半徑補(bǔ)償過程：刀具半徑補(bǔ)償建立、刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行、刀具半徑補(bǔ)償撤

19、消。 （2）刀具半徑補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)接過渡類型Ø 轉(zhuǎn)接方式四種:直線接直線、直線接圓弧、圓弧接直線、圓弧接圓弧。 Ø 過渡方式可以分為三種類型:ü 當(dāng)0°90°時(shí)，刀具半徑補(bǔ)償在此處的轉(zhuǎn)接方式為插入型。ü 當(dāng)90°180°時(shí)，刀具半徑補(bǔ)償在此處的轉(zhuǎn)接方式為伸長型。 ü 當(dāng)180° 360°時(shí)，刀具半徑補(bǔ)償在此處的轉(zhuǎn)接方式為縮短型。 刀具半徑補(bǔ)償建立時(shí)的轉(zhuǎn)接過渡類型刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行時(shí)的轉(zhuǎn)接過渡類型 （1）刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行時(shí)的轉(zhuǎn)接過渡類型 （2）刀具半徑補(bǔ)償撤銷時(shí)的轉(zhuǎn)接過渡類型（3）方向矢量和刀具

20、半徑矢量 Ø 方向矢量 ü 直線X軸正方向的單位矢量為i，Y軸正方向的單位矢量為j，則該直線的方向矢量ld及其在X軸、Y軸上的投影分量分別為ü 圓弧對于圓弧而言，其走向有順逆之分，故圓弧的方向矢量也分順圓弧和逆圓弧兩種情況。圓弧半徑為R，則圓弧的方向矢量在X軸、Y軸上的投影分量分別為 若規(guī)定 則圓弧上任意一點(diǎn)的方向矢量及投影分量為Ø 刀具半徑矢量 刀具半徑矢量是指在加工過程中始終垂直于工件的編程輪廓，大小等于刀具半徑值，方向指向刀具中心的一個(gè)矢量，用rd表示。根據(jù)刀具相對于工件位置的不同，刀具半徑矢量也有所不同。左刀補(bǔ) 右刀補(bǔ)（4）刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算 這里

21、所闡述的計(jì)算是指利用前面提到的矢量法，計(jì)算出刀具半徑補(bǔ)償過程中刀具中心軌跡在各個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)處的坐標(biāo)值。 Ø 縮短型ü 刀具半徑補(bǔ)償建立ü 刀具半徑補(bǔ)償撤銷刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行 直線l1與l2共線 直線l1與l2相交Ø 伸長型ü 刀具半徑補(bǔ)償建立刀具半徑補(bǔ)償撤銷刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行Ø 插入型ü 刀具半徑補(bǔ)償建立刀具半徑補(bǔ)償撤銷ü 刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行以一個(gè)零件的加工為例，完整地描述刀具半徑補(bǔ)償從建立、進(jìn)行到撤銷的全過程。如圖2-28所示，設(shè)零件加工表面輪廓為ABCD，起刀點(diǎn)在Q點(diǎn)，采用G42右刀補(bǔ)，刀具加工中心軌跡用點(diǎn)劃線表示。其中

22、，QA1為刀具半徑補(bǔ)償建立階段，A2Q為刀具半徑補(bǔ)償撤銷階段，其余分別經(jīng)過了伸長型、插入型、縮短型和插入型的刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行階段。 2.4其他預(yù)處理1、 進(jìn)給速度的處理進(jìn)給速度處理就是根據(jù)譯碼緩沖器中F的數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和處理，生成數(shù)控系統(tǒng)可以控制的速度信息。· 脈沖增量插補(bǔ)算法的速度處理 脈沖增量插補(bǔ)的輸出形式是脈沖，其脈沖輸出頻率與進(jìn)給速度成正比。因此可通過控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率即觸發(fā)計(jì)算的脈沖源的頻率來控制進(jìn)給速度。設(shè)編程進(jìn)給速度為F（mm/min），觸發(fā)脈沖源的頻率為f（Hz），數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為（mm/步），由此可推得觸發(fā)脈沖源的頻率與進(jìn)給速度的關(guān)系為：f=F/

23、60· 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法的速度處理 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)的輸出是根據(jù)編程進(jìn)給速度計(jì)算出的一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)合成速度方向上的位置增量。設(shè)編程進(jìn)給速度為F（mm/min），插補(bǔ)周期為Ts（ms），機(jī)床操作面板上的進(jìn)給速度倍率為K，則在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的位置增量L（mm）為：L=KFTs/（60×1000）只要在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)完成上式所規(guī)定的位置增量，就可以實(shí)現(xiàn)所需要的進(jìn)給速度。 · 加/減速處理 加/減速控制可以放在插補(bǔ)前進(jìn)行，也可以放在插補(bǔ)后進(jìn)行，放在插補(bǔ)前的加/減速控制稱為前加/減速控制，放在插補(bǔ)后的加/減速控制稱為后加/減速控制。ü 前加/減速控制：優(yōu)點(diǎn)是不會影響實(shí)

24、際插補(bǔ)輸出的位置精度，缺點(diǎn)是需要預(yù)測減速點(diǎn)。ü 后加/減速控制：優(yōu)點(diǎn)是不需要專門預(yù)測減速點(diǎn)，缺點(diǎn)是由于它是對各軸分別進(jìn)行控制，所以在加/減速控制后合成位置就可能不準(zhǔn)確。前加/減速控制后加/減速控制2、 工件零點(diǎn)的處理在編制數(shù)控加工程序時(shí)，一般會根據(jù)工件輪廓的特點(diǎn)選擇合適的位置作為工件零點(diǎn)，而不會選擇機(jī)床零點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)作為工件編程零點(diǎn)。但數(shù)控系統(tǒng)工作時(shí)，總是以機(jī)床零點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)作為坐標(biāo)計(jì)量基準(zhǔn)，因此數(shù)控系統(tǒng)必須能自動完成工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中一般采用G54G57和G500五條指令來完成上述功能，當(dāng)工件裝夾到機(jī)床上后測出偏移量，通過操作面板輸入到規(guī)

25、定的偏置寄存器（G54G57）中，用G54G57來設(shè)置工件零點(diǎn)偏置，用G500來撤銷所設(shè)置的零點(diǎn)偏置。當(dāng)系統(tǒng)譯碼到G54G57中的一個(gè)指令時(shí)，自動調(diào)用對應(yīng)偏置寄存器中的坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。如坐標(biāo)值為0，則表示在機(jī)床坐標(biāo)系中的當(dāng)前位置就是工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)；如坐標(biāo)值不為0，表示工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)相對于所選擇的當(dāng)前位置有一定距離，其值就是偏置寄存器中的數(shù)值。 工件零點(diǎn)偏置的處理流程圖3、絕對坐標(biāo)與增量坐標(biāo)的處理 數(shù)控系統(tǒng)一般都以G90、G91來表示絕對坐標(biāo)編程方式和增量坐標(biāo)編程方式。所謂絕對坐標(biāo)編程方式，是指描述零件輪廓段的坐標(biāo)值均采用絕對坐標(biāo)值，即各輪廓段的終點(diǎn)坐標(biāo)值都是相對于工件坐標(biāo)系零點(diǎn)的數(shù)值。所謂

26、增量坐標(biāo)編程方式，是指描述零件輪廓段的坐標(biāo)值均采用增量坐標(biāo)值，即各輪廓段的終點(diǎn)坐標(biāo)值都是相對于該輪廓段起點(diǎn)的數(shù)值。盡管編程方式不同，但在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部必須都轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)能識別的坐標(biāo)信息進(jìn)行處理。絕對編程與增量編程的處理流程圖第三章 輪廓插補(bǔ)原理3.1概述1、 插補(bǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中的地位數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置內(nèi)部后，經(jīng)過譯碼、診斷等預(yù)處理，接下來就是要生成控制刀具與工件相對運(yùn)動的信息，控制機(jī)床的坐標(biāo)軸運(yùn)動出零件的輪廓軌跡。對于平行于坐標(biāo)軸的簡單軌跡，數(shù)控裝置很容易進(jìn)行控制，但對于復(fù)雜的曲線輪廓，只能控制刀具通過折線運(yùn)動去逼近將要加工的曲線輪廓。顯然這些折線連接而成的軌跡并不是光滑的曲線，為

27、了使擬合曲線盡可能滿足輪廓的精度要求，必然要求折線的長度盡可能的短，也就是折線之間的連接點(diǎn)盡可能的多，而這些連接點(diǎn)的坐標(biāo)就是通過插補(bǔ)計(jì)算得來的。由此可見，插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)中最重要的核心技術(shù)，它將數(shù)控曲線分解為控制機(jī)床運(yùn)動所需的最小運(yùn)動量，這一過程必須沿給定的曲線進(jìn)行大量坐標(biāo)點(diǎn)的密化，不但要保證很高的質(zhì)量，而且要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，因此具有相當(dāng)?shù)碾y度。 Ø 早期的硬件數(shù)控系統(tǒng)中，插補(bǔ)過程是由專門的數(shù)字邏輯電路完成的，硬件插補(bǔ)的速度快，但電路復(fù)雜，并且調(diào)整和修改都相當(dāng)困難，缺乏柔性。Ø 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，既可全部由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由軟、硬件結(jié)合完成，早期軟件插補(bǔ)的速度要慢一些，但調(diào)

28、整很方便，而目前計(jì)算機(jī)的速度提高很快，具備了軟件實(shí)現(xiàn)高速、高精度插補(bǔ)的能力。 Ø 絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。2、 常用的插補(bǔ)方法1）脈沖增量插補(bǔ)算法 脈沖增量插補(bǔ)算法適用于以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。這類插補(bǔ)方法是通過向各個(gè)運(yùn)動軸分配脈沖，控制機(jī)床坐標(biāo)軸作相互協(xié)調(diào)的運(yùn)動，從而加工出一定形狀零件輪廓。特點(diǎn)是每個(gè)插補(bǔ)周期只產(chǎn)生一個(gè)脈沖，在整個(gè)插補(bǔ)過程中，計(jì)算機(jī)不斷輸出驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖序列。相對于每一個(gè)脈沖，機(jī)床移動部件所產(chǎn)生的位移稱之為脈沖當(dāng)量，一般用或BLU表示。對于普通數(shù)控機(jī)床，一般取 =0.01mm，比較精密的數(shù)控機(jī)床可取 =0.005mm、

29、0.0025mm或0.001mm等。這種插補(bǔ)方法比較簡單，通常用加法和移位就可以完成插補(bǔ)。因此，比較容易用硬件來實(shí)現(xiàn)，而且用硬件實(shí)現(xiàn)的脈沖插補(bǔ)運(yùn)算的速度很快。隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度的提高，現(xiàn)在大多數(shù)用軟件來完成這類運(yùn)算。屬于脈沖增量插補(bǔ)的具體算法有：數(shù)字脈沖乘法器法、逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、最小偏差法等。脈沖增量插補(bǔ)算法一般適用于中等精度（如0.01mm）和中等速度（1-3m/min）的數(shù)控系統(tǒng)，因?yàn)槊}沖增量插補(bǔ)的精度和速度之間存在制約關(guān)系。脈沖增量插補(bǔ)的精度不小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，而進(jìn)給速度主要取決于計(jì)算機(jī)所能輸出的驅(qū)動脈沖頻率和步進(jìn)電機(jī)所能響應(yīng)的最高頻率。由于每產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給脈沖都必須進(jìn)行一次插補(bǔ)

30、運(yùn)算，因而插補(bǔ)周期要隨進(jìn)給速度而變化。進(jìn)給速度越高，插補(bǔ)周期越短，但插補(bǔ)周期不能短于每次插補(bǔ)運(yùn)算所需的計(jì)算時(shí)間，因此進(jìn)給速度不能太高。例如：完成某脈沖增量插補(bǔ)算法需要40s，系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.001mm，那么單個(gè)坐標(biāo)軸的最高運(yùn)動速度只能到1.5m/min，當(dāng)要求控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸時(shí)，所合成的速度還將進(jìn)一步降低。如果需要將單個(gè)坐標(biāo)軸的最高運(yùn)動速度提高到15m/min，那么在同樣的脈沖增量插補(bǔ)算法下，必須將脈沖當(dāng)量增加到0.01mm。由此可見，這種制約關(guān)系限制了脈沖增量插補(bǔ)的精度和速度的提高。 2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)與脈沖增量插補(bǔ)方法不同，它的插補(bǔ)周期不隨進(jìn)給速度變化，而是由系統(tǒng)

31、硬件決定的固定時(shí)間，在這個(gè)固定時(shí)間內(nèi)根據(jù)編程的進(jìn)給速度計(jì)算得到一系列首尾相連的微小直線段，用這些直線段來逼近給定曲線，所以這種算法也稱時(shí)間分割法。由于每次插補(bǔ)計(jì)算輸出的是一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的位置增量數(shù)據(jù)，而不是每個(gè)脈沖都需要插補(bǔ)計(jì)算，所以容易獲得高的進(jìn)給速度，普遍的都在10m/min以上，很多都能夠達(dá)到30m/min、60m/min，甚至高達(dá)100m/min，也就是說插補(bǔ)周期不再限制運(yùn)行速度的提高。但加工輪廓的精度卻和插補(bǔ)周期有關(guān)系，插補(bǔ)周期越長，輸出的微小直線段的長度就越長，擬合的輪廓誤差就越大。根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度不同，系統(tǒng)的插補(bǔ)時(shí)間選用12ms、10.24ms、8ms、4ms、2ms等等，對

32、于運(yùn)行速度更快的計(jì)算機(jī)，甚至選用0.1ms的插補(bǔ)周期，插補(bǔ)精度能達(dá)到納米級。 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法適用于直流或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件的半閉環(huán)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)除了定時(shí)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算獲得理論的進(jìn)給增量外，還要定時(shí)地對位置反饋電路作數(shù)據(jù)采樣，將采樣得到的數(shù)據(jù)與插補(bǔ)計(jì)算出來的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到實(shí)際的位置控制信息，再送往伺服電機(jī)的驅(qū)動單元，控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在一個(gè)采樣周期中，電機(jī)作恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)輸出的是數(shù)字量，因此可以直接控制數(shù)字伺服系統(tǒng)等數(shù)字式執(zhí)行裝置。若采用模擬式伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行裝置，則數(shù)控裝置內(nèi)應(yīng)含有數(shù)字化位置控制模塊，該模塊產(chǎn)生實(shí)際位置控制信息，并經(jīng)D/A

33、轉(zhuǎn)換變成模擬量對模擬伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。對于以高性能的步進(jìn)電機(jī)和脈沖控制式數(shù)字伺服系統(tǒng)等為執(zhí)行裝置的數(shù)控系統(tǒng)，還需采用混合插補(bǔ)算法，這種插補(bǔ)方法包含兩級插補(bǔ)過程。第一級采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法，將被插補(bǔ)曲線分解為微小直線段；第二級采用脈沖增量插補(bǔ)算法，進(jìn)一步將微小直線段分解為各坐標(biāo)軸的進(jìn)給脈沖。為保證兩級插補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行，第二級直線插補(bǔ)的完成時(shí)間應(yīng)等于第一級插補(bǔ)的插補(bǔ)周期。3.2逐點(diǎn)比較法Ø 逐點(diǎn)比較法的基本思想是：刀具在按照要求的軌跡運(yùn)動時(shí)，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，根據(jù)比較結(jié)果，決定下一步的移動方向，使刀具更接近規(guī)定的軌跡。Ø 逐點(diǎn)比較法既可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)，也可實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)

34、。 Ø 特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于1個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻且速度變化較小，但是不易實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動插補(bǔ)。Ø 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)過程中每進(jìn)給一步都要經(jīng)過以下四個(gè)節(jié)拍：ü 偏差判別；ü 坐標(biāo)進(jìn)給；ü 偏差計(jì)算；ü 終點(diǎn)判別。1、逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)Ø 用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)時(shí)，首先把被加工線段AB的長度單位換算成脈沖數(shù)值，所以出現(xiàn)的數(shù)字均應(yīng)是脈沖數(shù)量值，而不是長度值。Ø 刀具點(diǎn)M與斜線AB之間的位置關(guān)系就有如下三種情況：ü M點(diǎn)在AB線的上方ü M點(diǎn)在AB線的上ü M點(diǎn)在AB線的下方ü

35、; 設(shè)偏差函數(shù)位置關(guān)系可表示成：（1）F0，刀具點(diǎn)M在直線AB的上方；（2）F=0，刀具點(diǎn)M在直線AB上；（3）F0，刀具點(diǎn)M在直線AB的下方。ü F0，刀具向+X方向進(jìn)給一步。 ü F0，刀具向+Y方向進(jìn)給一步。 直線插補(bǔ)常用的終點(diǎn)判別方法有兩種：終點(diǎn)坐標(biāo)法、總步長法。 四象限直線插補(bǔ)的進(jìn)給方向例：加工第一象限直線AB，起點(diǎn)坐標(biāo)為A（1，1），終點(diǎn)坐標(biāo)為B（5，6），試用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)該直線，并畫出插補(bǔ)軌跡。解：總步數(shù)n=9插補(bǔ)理論簡介在CNC數(shù)控機(jī)床上，各種輪廓加工都是通過插補(bǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，插補(bǔ)計(jì)算的任務(wù)就是對輪廓線的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間再密集的計(jì)算出有限個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，刀具沿著這些

36、坐標(biāo)點(diǎn)移動，來逼近理論輪廓。插補(bǔ)方法可分兩大類：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。脈沖增量插補(bǔ)是控制單個(gè)脈沖輸出規(guī)律的插補(bǔ)方法。每輸入一個(gè)脈沖，移動部件都要相應(yīng)的移動一定距離，這個(gè)距離成為脈沖當(dāng)量。因此，脈沖增量插補(bǔ)也叫做行程標(biāo)量插補(bǔ)。如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法。根據(jù)加工精度的不同，脈沖當(dāng)量可取0.010.001mm。移動部件的移動速度與脈沖當(dāng)量和脈沖輸出頻率有關(guān)，由于脈沖輸出頻率最高為幾萬Hz，因此，當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.001mm時(shí)，最高移動速度也只有2m/min。脈沖增量插補(bǔ)通常用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)字增量插補(bǔ)法（也稱數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法）是在規(guī)定的時(shí)間（稱作插補(bǔ)時(shí)間）內(nèi)，計(jì)算出各坐標(biāo)方向的增量值（X，Y

37、，Z），刀具所在的坐標(biāo)位置及其它一些需要的值。這些數(shù)據(jù)嚴(yán)格的限制在一個(gè)插補(bǔ)時(shí)間內(nèi)（如8ms）計(jì)算完畢，送給伺服系統(tǒng)，再由伺服系統(tǒng)控制移動部件運(yùn)動。移動部件也必須在下一個(gè)插補(bǔ)時(shí)間內(nèi)走完插補(bǔ)計(jì)算給出的行程，因此數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)也稱作時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)。由于數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)是用數(shù)值量控制機(jī)床運(yùn)動，因此，機(jī)床各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度與插補(bǔ)運(yùn)算給出的數(shù)值量和插補(bǔ)時(shí)間有關(guān)。根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和加工精度不同，有些系統(tǒng)的插補(bǔ)時(shí)間選用，12ms、10.24ms、8ms，對于運(yùn)行速度較快的計(jì)算機(jī)有的已選2ms?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度已超過15m/min，達(dá)到30m/min，有些已到60m/min. 數(shù)據(jù)采樣法適用于直流伺服電機(jī)和交

38、流伺服電機(jī)的閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法是我國數(shù)控機(jī)床和線切割機(jī)應(yīng)用很廣的一種插補(bǔ)運(yùn)算方法。它的特點(diǎn)是加工每走一步，就進(jìn)行一次偏差計(jì)算和偏差判別，即比較到達(dá)的新位置和理想線段上對應(yīng)點(diǎn)的理想位置坐標(biāo)之間的偏差程度，然后根據(jù)偏差大小確定下一步的走向。采用這種方法，既能加工直線輪廓，又能加工圓弧曲線輪廓。插補(bǔ)加工一般按偏差判別、進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別等4步進(jìn)行，現(xiàn)以直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)為例說明逐點(diǎn)比較法的工作原理。1.直線插補(bǔ)原理(1) 偏差判別 如圖2.1，設(shè)被加工的直線OP在第一象限，A、A和A為處在等高線上的3個(gè)加工點(diǎn)，當(dāng)加工點(diǎn)A偏離到OP的上邊A時(shí)，有>；當(dāng)偏離到

39、OP的下邊A時(shí)，有<；當(dāng)加工點(diǎn)A落在直線OP上時(shí)，有： tan=由此可得直線OP的方程式： F= Yi XeYe Xi=0式中 F表示偏差，根據(jù)F可以判斷加工點(diǎn)A偏離直線OP的情況，也就是當(dāng)： F>0時(shí)，A點(diǎn)在直線的上邊，為了減少誤差應(yīng)給X方向走一步； F<0時(shí)，A點(diǎn)在直線的下邊，加工時(shí)應(yīng)給Y方向走一步； F=0時(shí)，A點(diǎn)在直線上，加工時(shí)應(yīng)給X方向走一步。 圖2.1直線插補(bǔ)偏差判別 圖2.2直線插補(bǔ)(2) 進(jìn)給 知道偏差F就可以決定加工的進(jìn)給方向。例如當(dāng)加工的一個(gè)點(diǎn)A1在直線OP的上邊時(shí)，為了使其加工時(shí)不偏離直線太遠(yuǎn)，它應(yīng)象X方向走一步，即進(jìn)給為X+1（見圖2.2）。而在到達(dá)A

40、2點(diǎn)后，如在進(jìn)給應(yīng)是Y方向，即進(jìn)給Y+1。也就是當(dāng)加工點(diǎn)位置已知時(shí)，根據(jù)偏差F就可以決定進(jìn)給方向，即 F0，沿X方向的進(jìn)給為XX+1； F<0時(shí)，沿Y方向的進(jìn)給為YY+1(3) 偏差計(jì)算 加工時(shí)每走一步要作一次偏差計(jì)算，由此得出F后，再確定進(jìn)給方向。為了插補(bǔ)運(yùn)算方便，偏差計(jì)算可用下述方法導(dǎo)出的簡便公式進(jìn)行。設(shè)直線OP的終點(diǎn)坐標(biāo)為Xe、Ye，點(diǎn)A1的坐標(biāo)為X1、Y1，由此可計(jì)算出A1點(diǎn)的偏差： F= Y1Xe YeX1如果F1>0，進(jìn)給應(yīng)是向X方向走一步到達(dá)A2點(diǎn)。這時(shí)A2的坐標(biāo)為X2=X1+1、Y2=Y1、因而A2點(diǎn)的偏差為： F2 =Y2Xe-YeX2 =Y1Xe-Ye（X1+1

41、） =（Y1Xe-YeX1）-Ye =F1-Ye由于F2<0（A2點(diǎn)在直線下邊），應(yīng)向Y方向進(jìn)給，因而可求得A3點(diǎn)的偏差如下： F3=Y3Xe-YeX3 =（Y2+1）Xe-YeX2 =（Y2Xe-YeX2）+Xe =F2+Xe根據(jù)以上的結(jié)論，可歸納出第一象限的直線L1的加工計(jì)算公式和進(jìn)給方向如表2.1所示?；谶@樣的方法不難推出第2、3、4象限的直線偏差計(jì)算的公式，如圖2.3和表2.2所示由此可見，逐點(diǎn)計(jì)算偏差的方法，可把F= YA Xe Ye XA的運(yùn)算公式化為FF±Xe或FF±Ye的簡單計(jì)算，進(jìn)給方向可根據(jù)F值的正負(fù)確定。只要根據(jù)表2-2，對不同象限的直線加工，采用不同的計(jì)算公式和進(jìn)給就可以了。偏差符號F0F<0偏差計(jì)算FF-YFF+X進(jìn)給+X+Y表2.1表2.2線 型F0F<0進(jìn) 給偏差計(jì)算進(jìn) 給偏差計(jì)算L1L3+X-XFF-Y+Y-YFF+XL2L4+Y-YFF-X+X-XFF+Y 圖2.3不同象限偏差與進(jìn)給的關(guān)系 2.4 終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)方向用X方向計(jì)數(shù)Gx，還是采用Y方向計(jì)數(shù)Gy？為保證不漏步，應(yīng)選用Xe和Ye中的較大者的坐標(biāo)值作判終計(jì)數(shù)值。一般是以45°