計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)2 1. 微處理器數(shù)控系統(tǒng)，內(nèi)裝微處理器，字符顯示、故障自診斷。第五代：分6個(gè)階段： 2. 超大規(guī)模集成電路，大容量存儲(chǔ)器，有可編程和遙控接口。 3. , 動(dòng)態(tài)圖形顯示, 實(shí)施軟件精度補(bǔ)償, 適應(yīng)于機(jī)床的無(wú)人化要求。 4. 32位CPU, 可控15軸, 分辨率達(dá) 0. 1m, 進(jìn)給速度24m/min, 可帶前饋控制的交流數(shù)字伺服, 智能化系統(tǒng)。 5. 64位系統(tǒng)。 6. 微機(jī)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)3二、數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成二、數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成 圖3-1 數(shù)孔系統(tǒng)的硬件組成框圖計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)4 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件由微型機(jī)、外部設(shè)備、位置控制

2、和位置檢測(cè)、輸入輸出接口和操作面板組成。 (一) 微型機(jī) 微型機(jī)是CNC裝置的核心, 主要由微處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出通道及聯(lián)系這三者的總線(xiàn)（數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)）等組成。 微處理器是微型算機(jī)中的運(yùn)算器及控制部件，它是微型機(jī)的核心，稱(chēng)為中央處理單元（CPU）。 內(nèi)存儲(chǔ)器（內(nèi)存）是微型機(jī)存放程序和數(shù)據(jù)的部件，它與CPU直接交換信息，內(nèi)存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)5 （二）外部設(shè)備 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的外部設(shè)備包括人機(jī)通信設(shè)備，輸入、輸出設(shè)備和外存儲(chǔ)器等。 輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、紙帶輸入機(jī)（光電閱讀機(jī)）。 輸出設(shè)備有打印機(jī)、記錄儀、數(shù)碼顯示管和CRT顯示器、

3、紙帶穿孔機(jī)。（三）輸入、輸出通道（又稱(chēng)接口） 輸入、輸出通道是微型機(jī)與機(jī)床之間的聯(lián)系通道，通過(guò)它微型機(jī)向機(jī)床發(fā)送控制命令，并從機(jī)床上讀取加工信息。（四）操作面板 它是操作人員用來(lái)與微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行“對(duì)話(huà)”的設(shè)備。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)6 三、數(shù)控系統(tǒng)軟件 數(shù)控系統(tǒng)軟件是根據(jù)機(jī)床零件加工的實(shí)際需要而編寫(xiě)的控制程序?？刂栖浖话阌幸韵聨讉€(gè)部分組成： （一）初始化程序 初始化是在數(shù)控裝置合上電源以后，自動(dòng)地對(duì)各有關(guān)接口設(shè)置工作狀態(tài)，對(duì)有關(guān)寄存器、存儲(chǔ)單元設(shè)置常數(shù)或清零。 （二）輸入數(shù)據(jù)處理程序 輸入數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑤斎氲牧慵庸こ绦蛴脴?biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯、處理成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語(yǔ)言。它具有

4、輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理三種功能。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)7 (1) 輸入。向CNC裝置輸入零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。 （2）譯碼。將零件的輪廓信息和其他的輔助信息等翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的語(yǔ)言。在譯碼過(guò)程中，還要完成對(duì)程序段的語(yǔ)法檢查，如發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤便立即報(bào)警。 （3）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)8 （三）插補(bǔ)運(yùn)算及位置控制程序 插補(bǔ)的任務(wù)是通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算程序在已知有限信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作，即在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插入一些中間點(diǎn)。 （四）速度控制程序 速度控制程序的目的就是控制脈沖分配的速度，即根據(jù)給定的速度代碼，控制插補(bǔ)

5、運(yùn)算的頻率，以保證各軸按預(yù)定的速度運(yùn)行。 位置控制程序的主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)，進(jìn)而控制工作臺(tái)或刀具的位移。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)9 （五）系統(tǒng)管理程序 為數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過(guò)程服務(wù)的各個(gè)程序均由系統(tǒng)管理程序進(jìn)行調(diào)度，因此他是實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。 （六）診斷程序 診斷是指CNC系統(tǒng)利用內(nèi)裝診斷程序進(jìn)行自診斷，主要有啟動(dòng)診斷和在線(xiàn)診斷兩種。 啟動(dòng)診斷是指CNC系統(tǒng)在每次從通電至正常運(yùn)行狀態(tài)前，診斷程序通過(guò)掃描自動(dòng)檢查系統(tǒng)硬件、軟件及有關(guān)外設(shè)是否正常 在線(xiàn)診斷程序是指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)中，診斷程序在線(xiàn)掃描檢查

6、CNC系統(tǒng)本身以及各外設(shè)。只要系統(tǒng)不停電，在線(xiàn)診斷就不會(huì)停止。 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)10四、微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）較高的維修性和高可靠性；（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；（3）控制的實(shí)時(shí)性；（4）較完善的輸入輸出通道；（5）較豐富的軟件；（6）適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和運(yùn)動(dòng)精度。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)11 插補(bǔ)原理插補(bǔ)原理 插補(bǔ)是指在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線(xiàn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。 目前常用的插補(bǔ)方法有：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)兩類(lèi)。一、脈沖脈沖插補(bǔ) 脈沖增量插補(bǔ)為行程增量插補(bǔ)。其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束僅產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出，每插補(bǔ)運(yùn)算一次，最多給每一軸一個(gè)進(jìn)給脈沖。脈沖增量插補(bǔ)算法主要應(yīng)用在開(kāi)環(huán)數(shù)控系

7、統(tǒng)中。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)12脈沖增量插補(bǔ)常用的方法有：1. 逐點(diǎn)比較法及其改進(jìn)法；2. 數(shù)字積分法及其改進(jìn)法；3. 數(shù)字脈沖乘法器法。（一）逐點(diǎn)比較法 其基本思想是：走一步看一步；每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與給定軌跡相比較，決定下一步的走向。 它是以折線(xiàn)來(lái)逼近直線(xiàn)或圓弧曲線(xiàn)的。 1. 逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)(1) 直線(xiàn)插補(bǔ)的原理計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)13 如下圖所示加工第一象限直線(xiàn)段: 起點(diǎn)為原點(diǎn)O，終點(diǎn)為A（Xe，Ye），加工點(diǎn)為m（Xm，Ym）則點(diǎn)m相對(duì)于直線(xiàn)OA有如圖所示的三種情況。eXmXeYmXeXmYeXeYmXmY eYmXeXmYmF 令令， 作為直線(xiàn)插補(bǔ)的偏差判別式： 若Fm=0

8、，表明m點(diǎn)在直線(xiàn)OA上； 若Fm0，表明m點(diǎn)在直線(xiàn)OA上方;若Fm0，表明m點(diǎn)在直線(xiàn)OA下方。A(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO圖3-2 直線(xiàn)插補(bǔ)的原理圖計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)14 若Fm0，應(yīng)向+X方向走一步，新形成的坐標(biāo)為： 若Fm0，應(yīng)向+Y方向走一步,新形成的坐標(biāo)為：Xm+1=Xm+1， Ym+1=YmA(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO圖4-2 直線(xiàn)插補(bǔ)的原理圖eYmFeYmXeXmYmF 111新偏差為：Xm+1=Xm， Ym+1=Ym+1eXmFmF 1新偏差為：計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)15 綜上所述，逐點(diǎn)比較直線(xiàn)插補(bǔ)分四步： 1) 偏差判別：判別Fm的正負(fù)號(hào)； 2) 坐標(biāo)進(jìn)

9、給：控制X或Y坐標(biāo)進(jìn)給一步； 3) 新偏差計(jì)算： Fm+1； 4) 終點(diǎn)判別：執(zhí)行進(jìn)給的步數(shù)是否等于要求進(jìn)給的總步數(shù)。開(kāi)始Xe，YeX=0，Y=0，F(xiàn)m=0Jm=Xe+YeFm0+X向走一步+Y向走一步Fm+1= Fm-YeXm+1= Xm +1Fm+1= Fm+XeYm+1= Ym +1Jm= Jm -1Jm =0結(jié)束YYNN 圖3-3 直線(xiàn)插補(bǔ)的框圖計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)16 例1：插補(bǔ)第一象限直線(xiàn)段OA，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為Xe=5，Ye=3OAYX 圖3-4 直線(xiàn)OA的插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)17序號(hào)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給新偏差計(jì)算終點(diǎn)判別1F0=0+ XF1=F0-Ye=0-3=-3J

10、1= J0-1=8-1=72F10+ XF3=F2-Ye=2-3=-1J3= J2-1=6-1=55F40+ XF5=F4-Ye=4-3=1J5= J4-1=4-1=36F50+ XF6=F5-Ye=1-3=-2J6= J5-1=3-1=27F60+ XF8=F7-Ye=3-3=0J8= J7-1=1-1=0得得，時(shí)時(shí)，時(shí)時(shí)，解解：根根據(jù)據(jù)式式8350000011 JF)FXFF()FYFF(YXXYFmemmmemmememm4F30+ YF4=F3+Xe=-1+5=+4J4= J3-1=5-1=4計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)18OAYX 圖3-4 直線(xiàn)OA的插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)19（2）不

11、同象限的直線(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算L1Fm0, +XFm 0, +YY圖3-5 不同象限的直線(xiàn)插補(bǔ)原理圖偏差計(jì)算公式：Fm0時(shí)Fm+1=Fm-YeFm0時(shí)Fm+1=Fm+XeL2Fm0, +YFm 0, -XL3Fm0, -XFm 0, -YL4Fm0, -YFm 0, +XX計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)20 2. 2.逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)的逐點(diǎn)比較法與直線(xiàn)插補(bǔ)步驟一樣，流程圖也一樣，只是偏差判別函數(shù)Fm不同。22222RmymxRmRmF 若Fm=0，表明m點(diǎn)在圓弧上;若Fm0，表明m點(diǎn)在圓弧外;m(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm圖3-6 圓弧插補(bǔ)的原理圖（1）

12、插補(bǔ)原理計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)21若Fm0，應(yīng)向+Y方向走一步, Ym+1=Ym+1, Xm+1=Xm12221211 mXmFRmYmXmFm(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm圖3-6 圓弧插補(bǔ)的原理圖12221211 mYmFRmYmXmF 終點(diǎn)判別：用X, Y方向應(yīng)走的總步數(shù)之和JM。pYeYpXeXMJ 每走一步減1，直至減為0即至終點(diǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)22 例2：插補(bǔ)第一象限逆時(shí)針圓弧AB，起點(diǎn)坐標(biāo)X0=6 ， Y0=0終點(diǎn)坐標(biāo)為Xe=0 ， Ye=6。OBYXA圖3-7 例2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)23序號(hào)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給新偏差終點(diǎn)判別01 23 45678910

13、1112計(jì)算坐標(biāo)F0=0-X1112001 XFFJ1=J0-1=11X1=5, Y1=0F10+YJ2=J1-1=101012112 YFFX2=5, Y2=1F20+YJ3=J2-1=9X3=5, Y3=2712223 YFFF30+YJ4=J3-1=8X4=5, Y4=3212334 YFFF40-XJ6=J5-1=6X6=4, Y6=4412556 XFFF60-XJ8=J7-1=4X8=3, Y8=5212778 XFFF80-XJ10=J9-1=2X10=2, Y10=64129910 XFFF100-XJ11=J10-1=1X11=1, Y11=6112101011 XFFF11

14、0-XJ12=J11-1=0X12=0, Y12=6012111112 XFFF0=0X0=6, Y0=0J0=12計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)24OBXYA圖3-7 例2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)25YFm0, -YFm 0, +X 圖3-8 順圓插補(bǔ)原理圖Fm0, +XFm 0, +YFm0, +YFm 0, -XXFm0, -XFm 0, -Y計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)26YFm0, -XFm 0, +Y 圖3-9 逆圓插補(bǔ)原理圖Fm0, -YFm 0, -XFm0, +XFm 0, -YXFm0, +YFm 0, +X計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)27 3. 3.逐點(diǎn)比較法特點(diǎn)逐點(diǎn)比較法特點(diǎn) 進(jìn)給速度平穩(wěn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)直

15、線(xiàn)、圓弧、拋物線(xiàn)等曲線(xiàn)的插補(bǔ)；插補(bǔ)精度較高，插補(bǔ)誤差不超過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量；改進(jìn)后的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)誤差不超過(guò)半個(gè)脈沖當(dāng)量。(二) 數(shù)字積分法 數(shù)字積分法又稱(chēng)數(shù)字微分分析法DDA ，是在數(shù)字積分器的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種插補(bǔ)算法。其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，較容易地實(shí)現(xiàn)二次曲線(xiàn)、高次曲線(xiàn)的插補(bǔ)，并具有運(yùn)算速度快、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)28 設(shè)函數(shù)Y=f（t），如下圖求出曲線(xiàn)下面t0到tn區(qū)間的面積，一般應(yīng)用下面的積分公式： 1. 數(shù)字積分器的工作原理圖3-10 數(shù)字積分插補(bǔ)原理圖Ot2t1titi+1tntYY1Y2YiYi+1YnY=f(t)t nttYdtS0 若把自變量的積分區(qū)間等分

16、成許多有限的小區(qū)間t，這樣,求積分面積就轉(zhuǎn)化成求有限個(gè)小區(qū)間面積之和，即 1010nitiyniiSS計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)29 數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí), t一般取最小單位“1”，即一個(gè)脈沖周期，則 10niiyS 這樣，函數(shù)的積分運(yùn)算變成了變量的求和運(yùn)算，當(dāng)所選取的積分間隔t足夠小時(shí)這種替代所引起的誤差將不超過(guò)許用值。12月19日計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)30 數(shù)字積分器通常由函數(shù)寄存器、累加器和與門(mén)等組成，數(shù)字積分器結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3-11。 其工作過(guò)程為：每來(lái)一個(gè)ti脈沖，與門(mén)打開(kāi)一次，將函數(shù)寄存器中的函數(shù)值送累加器里累加一次，令累加器的容量為一個(gè)單位面積，當(dāng)累加和超過(guò)累加器的容量一個(gè)單位面積時(shí)，便發(fā)出溢出脈沖，這

17、樣累加過(guò)程中產(chǎn)生的溢出脈沖總數(shù)就等于所求的總面積，也就是所求積分值。與門(mén)函數(shù)值寄存器累加器計(jì)數(shù)器Sti圖3-11 數(shù)字積分器結(jié)構(gòu)框圖 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)31 設(shè)有一直線(xiàn)OA, 起點(diǎn)為O，終點(diǎn)A的坐標(biāo)為 Xe, Ye，直線(xiàn)方程為： 對(duì)上式求導(dǎo)得：eXeYdtdxdtdy /2. 直線(xiàn)插補(bǔ)XeXeYY 由上式得:ekYdtdYekXdtdX ,YOXXA(Xe, Ye)Y圖3-11 直線(xiàn)積分插補(bǔ)得原理圖對(duì)上述兩式積分得： )(2),(1tFdtekYYtFdtekXX計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)32 設(shè)動(dòng)點(diǎn)在原點(diǎn)的時(shí)間為t0, 到達(dá)終點(diǎn)A(Xe, Ye)的時(shí)間為tn， 則上式可變?yōu)椋篨=kXe1Y=kYe1

18、 100niitekXeXnttdtekX 100niitekYeYnttdtekY 選擇k時(shí)主要考慮每次的增量X或Y不大于1，即knnk11 取ti=1，則計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)33 如果存放Xe，Ye寄存器的位數(shù)是N，對(duì)應(yīng)最大允許數(shù)字量為2N-1（各位均為1），所以Xe，Ye最大寄存數(shù)值為2N-1，則NNNekk)(kkX21121112 取取 因n=1/k，故累加次數(shù)n=2N。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)34X函數(shù)寄存器JVX與門(mén)X累加器JRXY函數(shù)寄存器JVY與門(mén)Y累加器JRYtXY圖3-12 平面直線(xiàn)的插補(bǔ)框圖 每個(gè)坐標(biāo)軸的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器組成，被積函數(shù)寄存器存放終點(diǎn)坐標(biāo)值，每經(jīng)過(guò)一

19、個(gè)時(shí)間間隔t，將被積函數(shù)值向各自的累加器中累加，當(dāng)累加結(jié)果超出寄存器容量時(shí)，就溢出一個(gè)脈沖。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)35 例3 設(shè)有一直線(xiàn)OE，如圖3-13所示起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為A(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（J8時(shí)溢出）。若用二進(jìn)制計(jì)算，起點(diǎn)坐標(biāo)O（000，000），終點(diǎn)坐標(biāo)E(100，011)，J1000時(shí)溢出。試采用DDA法對(duì)其進(jìn)行插補(bǔ)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)36XYOA 1 2 3 44 3 2 1圖3-13 例3計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)37累加次數(shù) ( t) X積分器 Y積分器 終點(diǎn) 計(jì)數(shù)器 JE JVX JRX X JVY JRY Y 0 4 0 3

20、0 0 100 011 000 1 4 0+4=4 3 0+3=3 1 100 000+100=100 011 000+011=011 001 2 4 4+4=8+0 1 3 3+3=6 2 100 100+100=1000 011 011+011=110 010 3 4 0+4=4 3 6+3=8+1 1 3 100 000+100=100 011 110+011=1001 011 4 4 4+4=8+0 1 3 1+3=4 4 100 100+100=1000 011 001+011=100 100 表3 DDA直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)385 4 0+4=4 3 4+3=7 5

21、100 000+100=100 011 100+011=111 101 6 4 4+4=8+0 1 3 7+3=8+2 1 6 100 100+100=1000 011 110 7 4 0+4=4 3 2+3=5 7 100 000+100=100 011 111 84 4+4=8+0 1 3 5+3=8+0 1 8 100 100+100=1000 011 101+011=1000 1000 010+011=101111+011=1010計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)39XYOA 1 2 3 44 3 2 1圖3-13 例3計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)40 3. 3. 圓弧插補(bǔ)圓弧插補(bǔ) 以第一象限逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)為

22、例來(lái)論述插補(bǔ)的原理。圓的方程為：022222 dtdYYdtdXXRYX求求導(dǎo)導(dǎo)得得：XvdtdXYvdtdYYXdtdXdtdY ，式中：式中：/由上式得:ikXdtdYikYdtdX ,式中：k常數(shù)。 圖3-14 積分圓弧插補(bǔ)的原理圖XYRA(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vXvYP計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)41 設(shè)起點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t0，并取t0=0，終點(diǎn)時(shí)間為tn，對(duì)上式進(jìn)行積分得： nttniitiXkYeYdtiXknttniitiYkXeXdtiYk01000100 DDA圓弧插補(bǔ)與DDA直線(xiàn)插補(bǔ)有所不同, 在直線(xiàn)插補(bǔ)時(shí), 被積函數(shù)寄存器的數(shù)值為常數(shù)(Ye, Ye)

23、; 而在圓弧插補(bǔ)時(shí), 寄存器中存的是X、Y坐標(biāo)的瞬時(shí)值, 所以當(dāng)寄存器中有溢出時(shí), 需要及時(shí)修正寄存器中的Xi 和Yi值。 圖3-15 積分圓弧插補(bǔ)的原理圖XYRA(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vXvYP計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)42 例4 設(shè)有第一象限順圓AB，如圖3-16所示，起點(diǎn)A(0，5)，終點(diǎn)B（5，0），所選寄存器位數(shù)n=3。若用二進(jìn)制計(jì)算，起點(diǎn)坐標(biāo)A（000，101），終點(diǎn)坐標(biāo)B（101，000），試用DDA法對(duì)此圓弧進(jìn)行插補(bǔ)。 A(0,5) 4 2 35 4 Y O 1 2 3 X B(5,0) 5 1 圖3-16 例4計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)43表4 DDA圓弧插補(bǔ)

24、運(yùn)算過(guò)程累加次數(shù) (t) X積分器 Y積分器 JVX JRX X JEX JVY JRY Y JEY 0 5 0 5 0 0 5 101 101 000 000 101 1 5 0+5=5 5 0 0 0 0 5 101 000+101=101 101000 000+000=000 101 2 5 5+5=8+2 1 4 0 00 0 5 101 101+101=1010 100 000 101 1 001 000+000=000計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)443 5 5+2=7 4 1 1 5 101 101010111 100 001 001000001 101 4 5 5+7=8+4 1 3 1

25、1+1=2 5 101 1011111100 011 001 001001010 101 2 010 5 5 5+4=81 1 2 2 2+2=4 5 101 1011001001 010 010 010010100 101 3 011 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)456 5 5+1=6 2 3 3+4=7 5 101 101001110 010 011 011100111 101 7 5 5+6=8+3 1 1 3 3+7=8+2 1 4 101 1011101011 001 011 0111111010 100 4 4 100 100 8 4 4+3=7 1 4 4+2=6 4 100 100011

26、111 001 100 100010110 100 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)4612 2 5 5+4=8+1 1 1 010 101 101+100=1001 001 1 001 13 1 5 5+1=6 1 001 101 101001110 001 14 1 5 5+6=8+3 1 0 001 101 101+110=1011 000 0 000 15 0 5 停 止 101 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)47 A(0,5) 4 2 35 4 Y O 1 2 3 X B(5,0) 5 1 圖圖3-16 例4計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)48 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱(chēng)為時(shí)間分割法，它是根據(jù)程編進(jìn)給速度F，將給定輪廓曲線(xiàn)按插補(bǔ)周期

27、T分割為插補(bǔ)進(jìn)給段，即用一系列首尾相連的微小線(xiàn)段來(lái)逼近給定曲線(xiàn)。每經(jīng)過(guò)一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，算出下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)。 插補(bǔ)周期越長(zhǎng)，插補(bǔ)計(jì)算誤差越大，插補(bǔ)周期應(yīng)盡量選得小一些。 采樣是指由時(shí)間上連續(xù)信號(hào)取出不連續(xù)信號(hào)，對(duì)時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)進(jìn)行采樣，就是通過(guò)一個(gè)采樣開(kāi)關(guān)K后，在采樣開(kāi)關(guān)的輸出端形成一連串的脈沖信號(hào)。這種把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成時(shí)間上離散的脈沖系列的過(guò)程稱(chēng)為采樣過(guò)程。 二、數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)49(一) 兩軸聯(lián)動(dòng)直線(xiàn)插補(bǔ)原理 設(shè)要加工圖3-17所示直線(xiàn)OE，起點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)O(0, 0)，終點(diǎn)為E(Xe, Ye)，直線(xiàn)與X軸夾角為，則有E(Xe, Ye)AXYOXY圖3

28、-17 直線(xiàn)插補(bǔ)原理圖eeXYtg 211tgcos XtgxXYYcosfXee 式中f為已計(jì)算出的一次插補(bǔ)進(jìn)給量。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)50（二）圓弧插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)，需先根據(jù)指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出輪廓步長(zhǎng)f，再進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。以弦線(xiàn)逼近圓弧，就是以輪廓步長(zhǎng)為圓弧上相鄰兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)，由前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和輪廓步長(zhǎng)，計(jì)算后一插補(bǔ)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是求后一插補(bǔ)點(diǎn)到前一插補(bǔ)點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)軸的進(jìn)給量X, Y。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)51 圖中A(Xi,Yi )為當(dāng)前點(diǎn)，B(Xi+1,Yi+1）為插補(bǔ)后到達(dá)的點(diǎn)，AB弦是圓弧插補(bǔ)時(shí)在一個(gè)插補(bǔ)周期的步長(zhǎng)f。O B(Xi+1,Yi+1) A(Xi,Yi) G Y YX

29、 M H X 圖3-18 圓弧插補(bǔ)原理圖i22121)XX(RYY)YY(fcosfXiiiiiii = i+ /2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)52 刀具補(bǔ)償原理刀具補(bǔ)償原理 二、刀具補(bǔ)償?shù)脑硪?、基本概?在輪廓加工過(guò)程中，考慮刀具的半徑，或加工后仍需要留一定的加工余量，需要時(shí)刀具的中心偏離零件的實(shí)際輪廓，這一過(guò)程稱(chēng)為刀具補(bǔ)償。刀具補(bǔ)償一般分為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。銑刀主要是刀具半徑補(bǔ)償；鉆頭只需長(zhǎng)度補(bǔ)償；車(chē)刀需要兩坐標(biāo)長(zhǎng)度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)53 三 、刀具半徑補(bǔ)償算法 刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算：根據(jù)零件尺寸和刀具半徑值計(jì)算出刀具中心軌跡。對(duì)于一般的CNC裝置，所能實(shí)現(xiàn)的輪廓僅限于直

30、線(xiàn)和圓弧。刀具半徑補(bǔ)償分B功能刀補(bǔ)與C功能刀補(bǔ)。 (一) B功能刀補(bǔ)計(jì)算 B功能刀補(bǔ)能根據(jù)本段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償，不能解決程序段之間的過(guò)渡問(wèn)題，編程人員必須先估計(jì)刀補(bǔ)后可能出現(xiàn)的間斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)等情況，進(jìn)行人為處理。 1. 直線(xiàn)刀具補(bǔ)償計(jì)算 對(duì)直線(xiàn)而言，刀具補(bǔ)償后的軌跡是與原直線(xiàn)平行的直線(xiàn)，只需要計(jì)算出刀具中心軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)54 在圖3-19中已知O和A點(diǎn)的坐標(biāo), 求出A的坐標(biāo)22eyexeryexex 22eyexerxeyey OO),(eeyxA),(eeyxAyxr 圖3-19 直線(xiàn)刀具補(bǔ)償YXYYYXXXeeee 22eeeYXYrsinrX 2

31、2eeeYXXrcosrY 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)55 2. 圓弧刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算Rerxexex Reryeyey ),(eyexB)0, 0(yxA),(eyexB )0, 0(yxA XYRr圖3-20 圓弧刀具半徑插補(bǔ) 已知A、B、A點(diǎn)的坐標(biāo), 求出B的坐標(biāo)。 對(duì)于圓弧而言，刀具補(bǔ)償后的刀具中心軌跡是一個(gè)與圓弧同心的一段圓弧。只需計(jì)算刀補(bǔ)后圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)值。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)56 （二）（二）C刀具半徑補(bǔ)償?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償 1. 基本概念 采用直線(xiàn)或圓弧過(guò)渡， 直接由數(shù)控系統(tǒng)求出刀具中心軌跡交點(diǎn)的刀具半徑補(bǔ)償方法稱(chēng)為C功能刀具補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱(chēng)C刀補(bǔ)。 B刀補(bǔ)采用讀一段，算一段，再走一段的控

32、制方法，這樣，無(wú)法預(yù)計(jì)到由于刀具半徑所造成的下一段加工軌跡對(duì)本程序段加工軌跡的影響。 C功能刀具補(bǔ)償是為解決這一問(wèn)題提出的。 C功能刀補(bǔ)更為完善，這種方法能根據(jù)相鄰輪廓段的信息自動(dòng)處理兩個(gè)程序段刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)換，并自動(dòng)在轉(zhuǎn)接點(diǎn)處插入過(guò)渡圓弧或直線(xiàn)從而避免刀具干涉和斷點(diǎn)情況。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)57 2. C刀具補(bǔ)償?shù)牡毒哐a(bǔ)償?shù)幕驹O(shè)計(jì)思想基本設(shè)計(jì)思想 工作寄存區(qū)AS存放正在加工的程序段信息； 刀補(bǔ)緩沖區(qū)CS存放下一個(gè)加工程序段的信息； 緩沖寄存區(qū)BS存放再下一個(gè)加工程序段的信息；輸出寄存區(qū)OS存放進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制信息； 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，第一段程序首先被讀入 BS ，算出其編程軌跡后送入CS暫存

33、； 第二段程序讀入 BS ，算出其編程軌跡，修正CS中的第一段編程軌跡。之后，將第一段編程軌跡由CS送入AS，第二段編程軌跡由BS送入CS。緩沖寄存區(qū)BS刀補(bǔ)緩沖區(qū)CS工作寄存區(qū)AS輸出寄存區(qū)OS 圖3-21 隨后CPU將AS中的內(nèi)容送到OS進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算；同時(shí)CPU又命令把第三段程序讀入BS，重復(fù)上述處理過(guò)程。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)58 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 從CNC系統(tǒng)實(shí)用的微機(jī)及結(jié)構(gòu)來(lái)分，CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)采用單微處理器結(jié)構(gòu)。而為滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的高進(jìn)給速度、高加工精度和實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜功能的要求則采用多微處理器結(jié)構(gòu)。一、單微處理器結(jié)構(gòu) 該CNC裝

34、置中只有一個(gè)微處理器，因此多采用集中控制，分時(shí)處理的方式完成數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)任務(wù)。單微處理器CNC裝置組成框圖如下圖所示。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)59總線(xiàn)CPUEPROMRAMMDI/CRT接口PLC紙帶閱讀機(jī)接口I/O接口位置控制穿孔機(jī)、電傳機(jī)接口通信接口數(shù)控面板CRT紙帶閱讀機(jī)紙帶穿孔機(jī)電傳機(jī)機(jī)床速度控制單元M圖3-22 單微處理器CNC裝置組成框圖計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)60 單微處理器CNC裝置組成硬件的作用 微處理器 微處理器是CNC裝置的核心，由于所有數(shù)控功能都由一個(gè)CPU來(lái)完成，因此CNC裝置的功能受微處理器的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。為了提高處理速度，增強(qiáng)數(shù)控功能，常采

35、用以下措施： 采用協(xié)處理器； 由硬件完成一部分插補(bǔ)工作； 采用帶有微處理器的PLC和CRT等智能部件。 一般CNC裝置通常采用16位或32位微處理器芯片。現(xiàn)在的CNC裝置都采用64位微處理器芯片。 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)612. 總線(xiàn) 總線(xiàn)是由物理導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，從功能上說(shuō)，一般可以分為三組。 (1)數(shù)據(jù)線(xiàn)：這一組線(xiàn)為各部件之間傳輸數(shù)據(jù)，線(xiàn)的根數(shù)與傳送的數(shù)據(jù)寬度相等，它總是并行地一次傳送n位寬度的一個(gè)字，采用單向線(xiàn)。 (2)地址線(xiàn)：其上傳輸?shù)氖堑刂沸盘?hào)，與數(shù)據(jù)線(xiàn)結(jié)合使用，以確定數(shù)據(jù)總線(xiàn)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來(lái)源或目的地，采用單向線(xiàn)。 (3)控制線(xiàn)：其上傳輸?shù)氖枪芾砜偩€(xiàn)的某些控制信號(hào)，如數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫(xiě)控制、中斷復(fù)位

36、及各種確認(rèn)信號(hào)，采用單向線(xiàn)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)62 3. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是用來(lái)存放數(shù)據(jù)、參數(shù)和程序的。 (1) CNC裝置的系統(tǒng)程序存放在只讀存儲(chǔ)器EPROM中，即使斷電，程序也不會(huì)丟失。常用的EPROM有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。 (2) 運(yùn)算的中間結(jié)果存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，它可以隨機(jī)讀寫(xiě)，但斷電后信息隨即消失。 (3) 零件加工程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)存放在有后備電池的 RAM中，或是磁泡存儲(chǔ)器中，能隨機(jī)讀取，操作或修改并且斷電后，信息仍保存。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)634. PLC PLC用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)床強(qiáng)電繼電器邏輯控制。通過(guò)程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)M

37、、S、T功能的譯碼與控制。 PLC有內(nèi)裝型和獨(dú)立型兩種。內(nèi)裝型PLC是CNC裝置的一個(gè)部件，可以共享CNC裝置的CPU，也可以配置單獨(dú)的CPU。獨(dú)立型PLC完全獨(dú)立于CNC裝置，本身具有完備的硬件（CPU、ROM、RAM等）和軟件，可以獨(dú)立完成規(guī)定的控制任務(wù)。5. 位置控制 CNC裝置中的位置控制模塊和速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等組成位置環(huán)。位置環(huán)主要用于軸進(jìn)給的坐標(biāo)位置控制，包括工作臺(tái)的前后左右移動(dòng)、主軸箱的移動(dòng)及繞某一直線(xiàn)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。軸控制性能的高低對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影響極大。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)646. I/O接口 對(duì)CNC裝置來(lái)說(shuō)，由機(jī)床向CNC傳送的信號(hào)稱(chēng)為輸入信號(hào)，由CNC向機(jī)床傳送的信號(hào)稱(chēng)為輸出信號(hào)。輸入輸出信號(hào)的主要類(lèi)型有：直流數(shù)字、模擬輸入信號(hào)，直流數(shù)字、模擬輸出信號(hào)；交流輸入信號(hào)，交流輸出信號(hào)。 直流模擬信號(hào)用于進(jìn)給坐標(biāo)軸和主軸的伺服控制或其它接收、發(fā)送模擬量信號(hào)的設(shè)備。交流信號(hào)用于直接 控制功率執(zhí)行器件。接口電路的主要任務(wù)： 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。 為防止噪聲引起誤動(dòng)作，對(duì)CNC和機(jī)床之間的信號(hào)進(jìn)行電氣隔離。 采用模擬量傳送時(shí)，在CNC和機(jī)床電氣設(shè)備之間要接入D/A