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)字化信息對機床進行控制的系統(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行處理，計算出機床各坐標運動的控制信息，最后將控制信息轉(zhuǎn)換為機床各坐標部件的實際運動，加工出符合設(shè)計要求的零件。實質(zhì)：機床數(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）坐標運動的實現(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）按運動軌跡分類Ø 點位數(shù)控系統(tǒng) 這種數(shù)控系統(tǒng)僅控制機床運動部件從一點準確地移動到另一點，在移動過程中不進行加工，對移動部件的移動速度和運動軌跡沒有嚴格要求。Ø 直線數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)除了控制機床運動部件從一點到另一點的準確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和運動軌跡。Ø 輪廓數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)能對兩個以上機床坐標軸

3、的移動速度和運動軌跡同時進行連續(xù)相關(guān)的控制，能夠進行各種斜線、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電機。Ø 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 有檢測反饋，但不包含機械傳動元件的誤差，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。Ø 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 有檢測反饋，包含機械傳動元件誤差，精度高，穩(wěn)定性不易保證，調(diào)試復雜，執(zhí)行元件通常采用伺服電機。2）按功能水平分類Ø 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)通常采用8位CPU或單片機控制，分辨率一般為0.01mm，進給速

4、度達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0.001mm，進給速度達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0.0001mm，進給速度可達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、型計算機數(shù)控系統(tǒng) 第四代5）1974年，微型計算機數(shù)控系統(tǒng)， 第五代6）20世紀80年代， 基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，第六代1.2計算機數(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 插補功能 Ø 主軸功能 Ø M功能 Ø 刀具功能 Ø 補償功能 Ø 顯示功能 2）先進功能 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 測量檢驗功能 &

6、#216; 自適應控制功能 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立的，很多情況下它們必須交叉運行。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、主機單元、控制單元和功率模塊幾個部分。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)的特點是：CNC系統(tǒng)的所有功能都是通過一個CPU進行集中控制、分時處理來實現(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、于實現(xiàn)，但由于只有一個CPU，系統(tǒng)功能受到CPU字長、運算頻率等因素的限制，難以滿足一些復雜功能的要求。 多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)模塊化，這樣縮短了設(shè)計制造周期，具有良好的適應性和擴展性。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)代機械制造系統(tǒng)1）計算機直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）計算機直接數(shù)控系統(tǒng)就是使用一臺通用計算機直接控制和管理一群數(shù)控機床進行零件加工或裝配的系統(tǒng)。早期的DNC系統(tǒng)，其中的數(shù)控機床不再帶有自己的數(shù)控裝置

8、，它們的插補和控制功能全部由中央計算機來完成，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)控機床的數(shù)控裝置全部保留，并與DNC系統(tǒng)的中央計算機組成計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(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）是較高的一個級別，它一般由一臺單元控制計算機、多臺加工中心和自動更換工件的托盤站或工業(yè)機器人組成。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，并由高一級計算機對整個系統(tǒng)進行控制和管理，這樣就構(gòu)成了FMS，它可以實現(xiàn)對多品種零件的全部機械加工或部件裝配。 3）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） 計算機集成制造系統(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、制造、管理和銷售等）中所涉及的子系統(tǒng)通過計算機和網(wǎng)絡(luò)有機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)控機床與現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的關(guān)系現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的一個共同特點是都以

10、數(shù)控機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)控機床能夠作為一個獨立的機械制造單元而必須具備的功能，包括任務管理、托盤管理和刀具管理。2）通信功能 ：數(shù)控機床作為現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)中的制造執(zhí)行單元，對上需要與上級控制計算機進行通信，接收控制信息和反饋現(xiàn)場情況；對下需要與執(zhí)行機構(gòu)和傳感器進行通信，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行通信，進行相互任務的協(xié)調(diào)。 第二章 數(shù)控加工程序輸入及預處理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)控機床上常用的人機對話輸入設(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，彌補了部分數(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)一般都配置了標準通信接口，使數(shù)控系統(tǒng)可以與其他計算機或外部設(shè)備之間進行信息交換。 · 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· 譯碼就是將標準代碼編寫的數(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)化成能夠控制機床運動的專門信息后，存放到相應的譯碼結(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)置相應的標志并轉(zhuǎn)存。· 如果是字母碼，則進一步判斷該碼的具體功能，然后設(shè)置代碼標志并轉(zhuǎn)入相應的處理。代碼識別流程圖2）代碼翻譯· 代碼識別為各功能代碼設(shè)立了一個特征標志，對各功能碼的相應處理由代碼

14、翻譯來完成。每一個程序段的譯碼結(jié)果存放在相應的譯碼結(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)置一個獨立的內(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；邏輯錯誤是指整個程序或一個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 坐標代碼后的數(shù)值超越了機床的行程范圍；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 在同一個程序段中先后出現(xiàn)兩個或兩個以上同組的G代碼；Ø 在同一個程序段中先后出現(xiàn)兩個或兩個以上同組的G代碼；Ø 在同一個程序段中先后出現(xiàn)相互矛盾的尺寸代碼

16、；Ø 在同一個程序段中超量出現(xiàn)M代碼。譯碼與診斷流程圖2.3刀具補償原理1、 刀具補償在數(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行的，而數(shù)控系統(tǒng)通常是通過控制刀具特殊的中心點來實現(xiàn)加工軌跡的，二者并不統(tǒng)一，需要計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)換成相應刀具中心軌跡數(shù)據(jù)，這個過程就稱之為刀具補償。· 在零件加工過程中，若采用刀具補償功能，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，只需修改相應的刀具補償

17、參數(shù)即可。Ø 當被加工零件在同一機床上經(jīng)歷粗加工、半精加工、精加工多道工序時，不必編寫三種加工程序，可將各工序預留的加工余量加入刀具補償參數(shù)即可。· 刀具補償一般分為刀具長度補償和刀具半徑補償?shù)毒唛L度補償示意圖刀具半徑補償示意圖2、 刀具補償?shù)挠嬎?）刀具長度補償計算Ø 加工前預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，零件輪廓軌跡經(jīng)過補償后，通過控制刀架參考點R來實現(xiàn)加工。刀具長度補償?shù)挠嬎愎饺缦拢?XR=XP- x ZR=ZP- zB刀補示意圖 2）刀具半徑補償計算（1）刀具半徑補償?shù)?/p>

18、分類及過程在兩個輪廓的交界處，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刀具半徑補償和C刀具半徑補償。Ø B刀補在輪廓間的過渡都是以圓弧形式進行的。Ø B刀補輪廓工藝性差，因為在外輪廓加工時，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，編程人員必須在零件輪廓中插入一個半徑大于刀具半徑的圓弧，這樣才能避免產(chǎn)生過切。Ø C刀補的最大特點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)輪廓加工時可以自動判別，避免產(chǎn)生過切。 C刀補示意圖 Ø 刀具半徑補償過程：刀具半徑補償建立、刀具半徑補償進行、刀具半徑補償撤

19、消。 （2）刀具半徑補償?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0°90°時，刀具半徑補償在此處的轉(zhuǎn)接方式為插入型。ü 當90°180°時，刀具半徑補償在此處的轉(zhuǎn)接方式為伸長型。 ü 當180° 360°時，刀具半徑補償在此處的轉(zhuǎn)接方式為縮短型。 刀具半徑補償建立時的轉(zhuǎn)接過渡類型刀具半徑補償進行時的轉(zhuǎn)接過渡類型 （1）刀具半徑補償進行時的轉(zhuǎn)接過渡類型 （2）刀具半徑補償撤銷時的轉(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 右刀補（4）刀具半徑補償計算 這里

21、所闡述的計算是指利用前面提到的矢量法，計算出刀具半徑補償過程中刀具中心軌跡在各個轉(zhuǎn)接點處的坐標值。 Ø 縮短型ü 刀具半徑補償建立ü 刀具半徑補償撤銷刀具半徑補償進行 直線l1與l2共線 直線l1與l2相交Ø 伸長型ü 刀具半徑補償建立刀具半徑補償撤銷刀具半徑補償進行Ø 插入型ü 刀具半徑補償建立刀具半徑補償撤銷ü 刀具半徑補償進行以一個零件的加工為例，完整地描述刀具半徑補償從建立、進行到撤銷的全過程。如圖2-28所示，設(shè)零件加工表面輪廓為ABCD，起刀點在Q點，采用G42右刀補，刀具加工中心軌跡用點劃線表示。其中

22、，QA1為刀具半徑補償建立階段，A2Q為刀具半徑補償撤銷階段，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償進行階段。 2.4其他預處理1、 進給速度的處理進給速度處理就是根據(jù)譯碼緩沖器中F的數(shù)值，進行相應的運算和處理，生成數(shù)控系統(tǒng)可以控制的速度信息。· 脈沖增量插補算法的速度處理 脈沖增量插補的輸出形式是脈沖，其脈沖輸出頻率與進給速度成正比。因此可通過控制插補運算的頻率即觸發(fā)計算的脈沖源的頻率來控制進給速度。設(shè)編程進給速度為F（mm/min），觸發(fā)脈沖源的頻率為f（Hz），數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當量為（mm/步），由此可推得觸發(fā)脈沖源的頻率與進給速度的關(guān)系為：f=F/

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

24、際插補輸出的位置精度，缺點是需要預測減速點。ü 后加/減速控制：優(yōu)點是不需要專門預測減速點，缺點是由于它是對各軸分別進行控制，所以在加/減速控制后合成位置就可能不準確。前加/減速控制后加/減速控制2、 工件零點的處理在編制數(shù)控加工程序時，一般會根據(jù)工件輪廓的特點選擇合適的位置作為工件零點，而不會選擇機床零點或機床參考點作為工件編程零點。但數(shù)控系統(tǒng)工作時，總是以機床零點或機床參考點作為坐標計量基準，因此數(shù)控系統(tǒng)必須能自動完成工件坐標系與機床坐標系之間的轉(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，當工件裝夾到機床上后測出偏移量，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)置工件零點偏置，用G500來撤銷所設(shè)置的零點偏置。當系統(tǒng)譯碼到G54G57中的一個指令時，自動調(diào)用對應偏置寄存器中的坐標值進行計算。如坐標值為0，則表示在機床坐標系中的當前位置就是工件坐標系的零點；如坐標值不為0，表示工件坐標系的零點相對于所選擇的當前位置有一定距離，其值就是偏置寄存器中的數(shù)值。 工件零點偏置的處理流程圖3、絕對坐標與增量坐標的處理 數(shù)控系統(tǒng)一般都以G90、G91來表示絕對坐標編程方式和增量坐標編程方式。所謂絕對坐標編程方式，是指描述零件輪廓段的坐標值均采用絕對坐標值，即各輪廓段的終點坐標值都是相對于工件坐標系零點的數(shù)值。所謂

26、增量坐標編程方式，是指描述零件輪廓段的坐標值均采用增量坐標值，即各輪廓段的終點坐標值都是相對于該輪廓段起點的數(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)能識別的坐標信息進行處理。絕對編程與增量編程的處理流程圖第三章 輪廓插補原理3.1概述1、 插補在數(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、診斷等預處理，接下來就是要生成控制刀具與工件相對運動的信息，控制機床的坐標軸運動出零件的輪廓軌跡。對于平行于坐標軸的簡單軌跡，數(shù)控裝置很容易進行控制，但對于復雜的曲線輪廓，只能控制刀具通過折線運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盡可能的多，而這些連接點的坐標就是通過插補計算得來的。由此可見，插補是數(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床運動所需的最小運動量，這一過程必須沿給定的曲線進行大量坐標點的密化，不但要保證很高的質(zhì)量，而且要在極短的時間內(nèi)完成，因此具有相當?shù)碾y度。 Ø 早期的硬件數(shù)控系統(tǒng)中，插補過程是由專門的數(shù)字邏輯電路完成的，硬件插補的速度快，但電路復雜，并且調(diào)整和修改都相當困難，缺乏柔性。Ø 計算機數(shù)控系統(tǒng)中，既可全部由軟件實現(xiàn)，也可由軟、硬件結(jié)合完成，早期軟件插補的速度要慢一些，但調(diào)

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

29、0.0025mm或0.001mm等。這種插補方法比較簡單，通常用加法和移位就可以完成插補。因此，比較容易用硬件來實現(xiàn)，而且用硬件實現(xiàn)的脈沖插補運算的速度很快。隨著計算機的運算速度的提高，現(xiàn)在大多數(shù)用軟件來完成這類運算。屬于脈沖增量插補的具體算法有：數(shù)字脈沖乘法器法、逐點比較法、數(shù)字積分法、最小偏差法等。脈沖增量插補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)，因為脈沖增量插補的精度和速度之間存在制約關(guān)系。脈沖增量插補的精度不小于一個脈沖當量，而進給速度主要取決于計算機所能輸出的驅(qū)動脈沖頻率和步進電機所能響應的最高頻率。由于每產(chǎn)生一個進給脈沖都必須進行一次插補

30、運算，因而插補周期要隨進給速度而變化。進給速度越高，插補周期越短，但插補周期不能短于每次插補運算所需的計算時間，因此進給速度不能太高。例如：完成某脈沖增量插補算法需要40s，系統(tǒng)脈沖當量為0.001mm，那么單個坐標軸的最高運動速度只能到1.5m/min，當要求控制兩個或兩個以上坐標軸時，所合成的速度還將進一步降低。如果需要將單個坐標軸的最高運動速度提高到15m/min，那么在同樣的脈沖增量插補算法下，必須將脈沖當量增加到0.01mm。由此可見，這種制約關(guān)系限制了脈沖增量插補的精度和速度的提高。 2）數(shù)據(jù)采樣插補算法 數(shù)據(jù)采樣插補與脈沖增量插補方法不同，它的插補周期不隨進給速度變化，而是由系統(tǒng)

31、硬件決定的固定時間，在這個固定時間內(nèi)根據(jù)編程的進給速度計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間分割法。由于每次插補計算輸出的是一個插補周期內(nèi)的位置增量數(shù)據(jù)，而不是每個脈沖都需要插補計算，所以容易獲得高的進給速度，普遍的都在10m/min以上，很多都能夠達到30m/min、60m/min，甚至高達100m/min，也就是說插補周期不再限制運行速度的提高。但加工輪廓的精度卻和插補周期有關(guān)系，插補周期越長，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)計算機的運行速度不同，系統(tǒng)的插補時間選用12ms、10.24ms、8ms、4ms、2ms等等，對

32、于運行速度更快的計算機，甚至選用0.1ms的插補周期，插補精度能達到納米級。 數(shù)據(jù)采樣插補算法適用于直流或交流伺服電機作為驅(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)，計算機除了定時進行插補運算獲得理論的進給增量外，還要定時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)與插補計算出來的理論數(shù)據(jù)進行比較，得到實際的位置控制信息，再送往伺服電機的驅(qū)動單元，控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，在一個采樣周期中，電機作恒速運轉(zhuǎn)。由于數(shù)據(jù)采樣插補輸出的是數(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)應含有數(shù)字化位置控制模塊，該模塊產(chǎn)生實際位置控制信息，并經(jīng)D/A

33、轉(zhuǎn)換變成模擬量對模擬伺服系統(tǒng)進行控制。對于以高性能的步進電機和脈沖控制式數(shù)字伺服系統(tǒng)等為執(zhí)行裝置的數(shù)控系統(tǒng)，還需采用混合插補算法，這種插補方法包含兩級插補過程。第一級采用數(shù)據(jù)采樣插補算法，將被插補曲線分解為微小直線段；第二級采用脈沖增量插補算法，進一步將微小直線段分解為各坐標軸的進給脈沖。為保證兩級插補協(xié)調(diào)運行，第二級直線插補的完成時間應等于第一級插補的插補周期。3.2逐點比較法Ø 逐點比較法的基本思想是：刀具在按照要求的軌跡運動時，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 逐點比較法既可實現(xiàn)直線插補，也可實現(xiàn)圓弧插補

34、。 Ø 特點是運算直觀，插補誤差小于1個脈沖當量，輸出脈沖均勻且速度變化較小，但是不易實現(xiàn)兩坐標以上的聯(lián)動插補。Ø 逐點比較法插補過程中每進給一步都要經(jīng)過以下四個節(jié)拍：ü 偏差判別；ü 坐標進給；ü 偏差計算；ü 終點判別。1、逐點比較法直線插補Ø 用逐點比較法插補時，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)字均應是脈沖數(shù)量值，而不是長度值。Ø 刀具點M與斜線AB之間的位置關(guān)系就有如下三種情況：ü M點在AB線的上方ü M點在AB線的上ü M點在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M在直線AB的上方；（2）F=0，刀具點M在直線AB上；（3）F0，刀具點M在直線AB的下方。ü F0，刀具向+X方向進給一步。 ü F0，刀具向+Y方向進給一步。 直線插補常用的終點判別方法有兩種：終點坐標法、總步長法。 四象限直線插補的進給方向例：加工第一象限直線AB，起點坐標為A（1，1），終點坐標為B（5，6），試用逐點比較法插補該直線，并畫出插補軌跡。解：總步數(shù)n=9插補理論簡介在CNC數(shù)控機床上，各種輪廓加工都是通過插補計算實現(xiàn)的，插補計算的任務就是對輪廓線的起點到終點之間再密集的計算出有限個坐標點，刀具沿著這些

36、坐標點移動，來逼近理論輪廓。插補方法可分兩大類：脈沖增量插補和數(shù)據(jù)采樣插補。脈沖增量插補是控制單個脈沖輸出規(guī)律的插補方法。每輸入一個脈沖，移動部件都要相應的移動一定距離，這個距離成為脈沖當量。因此，脈沖增量插補也叫做行程標量插補。如逐點比較法、數(shù)字積分法。根據(jù)加工精度的不同，脈沖當量可取0.010.001mm。移動部件的移動速度與脈沖當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，當脈沖當量為0.001mm時，最高移動速度也只有2m/min。脈沖增量插補通常用于步進電機控制系統(tǒng)。數(shù)字增量插補法（也稱數(shù)據(jù)采樣插補法）是在規(guī)定的時間（稱作插補時間）內(nèi)，計算出各坐標方向的增量值（X，Y

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

38、流伺服電機的閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。插補原理逐點比較法逐點比較法是我國數(shù)控機床和線切割機應用很廣的一種插補運算方法。它的特點是加工每走一步，就進行一次偏差計算和偏差判別，即比較到達的新位置和理想線段上對應點的理想位置坐標之間的偏差程度，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。插補加工一般按偏差判別、進給、偏差計算和終點判別等4步進行，現(xiàn)以直線插補和圓弧插補為例說明逐點比較法的工作原理。1.直線插補原理(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個加工點，當加工點A偏離到OP的上邊A時，有>；當偏離到

39、OP的下邊A時，有<；當加工點A落在直線OP上時，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A偏離直線OP的情況，也就是當： F>0時，A點在直線的上邊，為了減少誤差應給X方向走一步； F<0時，A點在直線的下邊，加工時應給Y方向走一步； F=0時，A點在直線上，加工時應給X方向走一步。 圖2.1直線插補偏差判別 圖2.2直線插補(2) 進給 知道偏差F就可以決定加工的進給方向。例如當加工的一個點A1在直線OP的上邊時，為了使其加工時不偏離直線太遠，它應象X方向走一步，即進給為X+1（見圖2.2）。而在到達A

40、2點后，如在進給應是Y方向，即進給Y+1。也就是當加工點位置已知時，根據(jù)偏差F就可以決定進給方向，即 F0，沿X方向的進給為XX+1； F<0時，沿Y方向的進給為YY+1(3) 偏差計算 加工時每走一步要作一次偏差計算，由此得出F后，再確定進給方向。為了插補運算方便，偏差計算可用下述方法導出的簡便公式進行。設(shè)直線OP的終點坐標為Xe、Ye，點A1的坐標為X1、Y1，由此可計算出A1點的偏差： F= Y1Xe YeX1如果F1>0，進給應是向X方向走一步到達A2點。這時A2的坐標為X2=X1+1、Y2=Y1、因而A2點的偏差為： F2 =Y2Xe-YeX2 =Y1Xe-Ye（X1+1

41、） =（Y1Xe-YeX1）-Ye =F1-Ye由于F2<0（A2點在直線下邊），應向Y方向進給，因而可求得A3點的偏差如下： 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的加工計算公式和進給方向如表2.1所示?；谶@樣的方法不難推出第2、3、4象限的直線偏差計算的公式，如圖2.3和表2.2所示由此可見，逐點計算偏差的方法，可把F= YA Xe Ye XA的運算公式化為FF±Xe或FF±Ye的簡單計算，進給方向可根據(jù)F值的正負確定。只要根據(jù)表2-2，對不同象限的直線加工，采用不同的計算公式和進給就可以了。偏差符號F0F<0偏差計算FF-YFF+X進給+X+Y表2.1表2.2線 型F0F<0進 給偏差計算進 給偏差計算L1L3+X-XFF-Y+Y-YFF+XL2L4+Y-YFF-X+X-XFF+Y 圖2.3不同象限偏差與進給的關(guān)系 2.4 終點判別計數(shù)方向用X方向計數(shù)Gx，還是采用Y方向計數(shù)Gy？為保證不漏步，應選用Xe和Ye中的較大者的坐標值作判終計數(shù)值。一般是以45°