計算機數控裝置(CNC)課件

第三章計算機數控裝置(CNC)第一節(jié)：CNC組成和特點第二節(jié)：CNC硬件結構第三節(jié)：CNC軟件結構第四節(jié)：CNC控制原理和功能3.1CNC組成與特點

一、CNC裝置的組成二、CNC裝置的工作過程三、CNC裝置的優(yōu)點四、CNC裝置的功能從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量為控制對象并使其協(xié)調運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。3.1.1、CNC裝置的組成(一）CNC系統(tǒng)的硬件一般性結構結構：由計算機基本系統(tǒng)、設備支持層、設備層組成。計算機基本系統(tǒng)設備層設備支持層接口人機控制運動控制PMC其他I/O其他設備計算機系統(tǒng)顯示設備輸入/出設備機床機器人測量機...圖3-1CNC的一般性硬件結構3.1.1、CNC裝置的組成（二）CNC系統(tǒng)軟件的功能性結構本質特征:CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務性的專用操作系統(tǒng)，功能特征:該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。它是CNC系統(tǒng)活的靈魂。一、CNC裝置的組成3.1.1、CNC裝置的組成操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機交互位置控制輸入輸出管理插補運算故障診斷處理速度處理機床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補償......一、

CNC裝置的組成3.1.1、CNC裝置的組成（三）CNC硬件軟件的作用和相互關系

硬件是基礎，軟件是靈魂CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺。以計算機標準硬件為基礎，軟件取代專有硬件（軟件化數控）是發(fā)展趨勢。一、

CNC裝置的組成3.1.1、CNC裝置的組成

CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應用軟件控制軟件數控加工程序

接口被控設備

機床機器人測量機

......一、

CNC裝置的組成3.1.1、CNC裝置的組成平臺有以下兩方面的含義：平臺提供CNC系統(tǒng)基本配置的必備功能；在平臺上可以根據用戶的要求進行功能設計和開發(fā)。3.1.1、CNC裝置的組成

具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟件實現，且軟硬件采用模塊化的結構，對設計和開發(fā)者而言，系統(tǒng)功能的修改、擴充變得較為靈活。CNC裝置其基本配置部分是通用的，不同的數控機床僅配置相應的特定的功能模塊，以實現特定的控制功能。3.1.2、CNC裝置的特點

2.數控功能豐富插補功能：二次曲線、樣條、空間曲面等插補補償功能：運動精度、隨機誤差補償、非線性誤差補償等人機對話功能：加工的動、靜態(tài)跟蹤顯示，高級人機對話窗口編程功能：G代碼、籃圖編程、部分自動編程功能。3.1.2、CNC裝置的優(yōu)點3.可靠性高采用集成度高的電子元件、芯片、采用VLSI本身就是可靠性的保證。許多功能由軟件實現，硬件的數量減少。豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟件實現)，從而可使系統(tǒng)的故障發(fā)生的頻率和發(fā)生故障后的修復時間降低。3.1.2、CNC裝置的優(yōu)點3.使用維護方便操作使用方便：用戶只需根據菜單的提示，便可進行正確操作。編程方便：具有多種編程的功能、程序自動校驗和模擬仿真功能。維護維修方便：部分日常維護工作自動進行(潤滑，關鍵部件的定期檢查等)，數控機床的自診斷功能，可迅速實現故障準確定位。3.1.2、CNC裝置的優(yōu)點3.易于實現機電一體化數控系統(tǒng)控制柜的體積?。ú捎糜嬎銠C，硬件數量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減小），使其與機床在物理上結合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。3.1.2、CNC裝置的優(yōu)點功能：滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段?；竟δ堋獢悼叵到y(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據實際使用要求選擇的功能。3.1.3、CNC裝置的功能

1.控制功能——CNC能控制和能聯動控制的進給軸數。CNC的進給軸分類：移動軸（X、Y、Z）和回轉軸（A、B、C）；

基本軸和附加軸（U、V、W）。聯動控制軸數越多，CNC系統(tǒng)就越復雜，編程也越困難。3.1.3、CNC裝置的功能2.準備功能（G功能）

——指令機床動作方式的功能。已在第二章介紹。3.1.3、CNC裝置的功能3.

插補功能和固定循環(huán)功能——插補功能數控系統(tǒng)實現零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能?！潭ㄑh(huán)功能數控系統(tǒng)實現典型加工循環(huán)（如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等）的功能3.1.3、CNC裝置的功能

3.進給功能——進給速度的控制功能。進給速度——控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min。同步進給速度——實現切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r，用于螺紋加工進給倍率（進給修調率-Override）——人工實時修調預先給定的進給速度。3.1.3、CNC裝置的功能3.主軸功能——主軸切削速度、周向位置控制功能。主軸轉速——主軸轉速的控制功能，單位：r/min。恒線速度控制——刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能。單位：（m/min）主軸定向控制——主軸周向定位于特定位置控制的功能。C軸控制——主軸周向任意位置控制的功能。主軸修調率——人工實時修調預先設定的主軸轉速。3.1.3、CNC裝置的功能6.

輔助功能（M功能）

——用于指令機床輔助操作的功能。已在第二章介紹。3.1.3、CNC裝置的功能

7.

刀具管理功能——實現對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理功能。刀具幾何尺寸管理：管理刀具半徑和長度，供刀具補償功能使用；刀具壽命管理：管理時間壽命，當刀具壽命到期時，CNC系統(tǒng)將提示更換刀具；刀具類型管理：用于標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。3.1.3、CNC裝置的功能

8.

補償功能刀具半徑和長度補償功能：實現按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態(tài)彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，采用AI、專家系統(tǒng)等新技術進行建模，利用模型實時在線補償。3.1.3、CNC裝置的功能

9.人機對話功能菜單結構操作界面；零件加工程序的編輯環(huán)境；系統(tǒng)和機床參數、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。3.1.3、CNC裝置的功能10.自診斷功能——CNC自動實現故障預報和故障定位的功能。

開機自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠程通訊診斷。3.1.3、CNC裝置的功能11.通訊功能——CNC與外界進行信息和數據交換的功能RS232C接口，可傳送零件加工程序，DNC接口，可實現直接數控，MAP（制造自動化協(xié)議）模塊，網卡適應FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求。3.1.3、CNC裝置的功能3.2CNC裝置的硬件結構現在生產和新研制的數控機床都是采用微型計算機數控裝置。從價格、功能和使用等性能指標考慮，可分為經濟型、標準型和高檔型三類數控裝置；按微處理器的數目可分為：單微處理器和多微處理器結構按電路板的結構特點可分為：大板結構和模塊化結構273.2.1單微處理器CNC裝置硬件結構單微處理器數控裝置以一個中央處理器（CPU）為核心，CPU通過總線與存儲器以及各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數控加工中的各種任務。由于單微處理器數控裝置只有一個中央處理器（CPU），其功能受到CPU字長、數據寬度、處理速度、尋址能力等因素的限制，為提高處理能力，人們常采用增加協(xié)處理器以提高運算速度，采用帶CPU的PLC和CRT智能部件等。這種系統(tǒng)雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個主微處理器能控制總線，其它的CPU只是附屬的專用智能部件，它們組成的是主從結構，故仍被歸類為單微處理器結構。283.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（1）在一個數控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理機，CPU之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。特點：能實現真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現較復雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可斷繼續(xù)工作結構形式：共享總線結構型、共享存儲器結構型293.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（2）（1）功能模塊多微處理機數控裝置把機床數字控制這個總任務劃分成多個子任務，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一般均采用模塊化結構，每個微處理器分管各自的任務，形成特定的功能單元、即功能模塊。各功能單元之間可采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)；也可采用松耦合，用多重操作系統(tǒng)有效地實現并行處理。模塊化結構的多微處理機數控裝置中的基本功能模塊一般有以下6種，如下圖所示。303.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（3）①CNC管理模塊，這是實現管理和組織整個CNC系統(tǒng)的功能模塊，如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線仲裁、系統(tǒng)出錯的識別和處理、系統(tǒng)軟硬件的診斷等功能由該模塊完成。②CNC插補模塊，該模塊完成零件程序的譯碼、刀具半徑補償、坐標位移量的計算和進給速度處理等插補前的預處理，然后進行插補計算，為各坐標軸提供位移給定值。313.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（4）③PLC模塊，零件程序中的開關功能和由機床來的信號等在這個模塊中作邏輯處理，實現各功能和操作方式之間的連鎖，機床電氣設備的啟、停，刀具交換，轉臺分度，工件數量和運轉時間的計數等。④位置控制模塊，該模塊將插補后的坐標位置給定值與位置檢測器測得的位置實際值進行比較，求出差值，然后通過系統(tǒng)增益調整，進行自動加減速、回基準點、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移及誤差補償。在此之前還要得到并輸出速度控制的模擬電壓（或數字信號），用于控制伺服進給電機運行。323.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（5）⑤操作控制數據輸入、輸出和顯示模塊，該模塊包括零件程序、參數和數據以及各種操作命令的輸入、輸出以及顯示所需的各種接口電路和程序。⑥存儲器模塊，該模塊存放程序和數據的主存儲器，是各功能模塊間數據傳送得共享存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器。隨著CNC裝置的功能與結構的不同，功能模塊的劃分和多少也不同。如果要進一步擴充功能，可再增加相應的模塊。333.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（6）（2）通信方式多微處理器的CNC置一般采用總線互聯方式，典型的結構有共享總線型、共享存儲器型及它們的混合型結構等。1）共享總線型結構343.2.2多微處理器CNC裝置的硬件結構（7）2）共享存儲器結構采用多端口存貯器來實現多微處理器之間的互連和通信、即數據交換，每個端口都配備有一套數據、地址和控制線，以供端口訪問，由專門的多端口控制邏輯電路解決訪問的沖突問題。當微處理器數量增多時，往往會由于爭用共享而造成信息傳輸的阻塞，降低系統(tǒng)效率，因此這種結構功能擴展比較困難。35圖

多微處理機數控裝置共享存貯器結構圖3.3CNC裝置的軟件結構現代數控機床的功能大都采用軟件來實現，因此，系統(tǒng)軟件的設計及功能是CNC裝置的關鍵。計算機數控裝置的軟件是整個系統(tǒng)的“靈魂”，是控制機床完成加工任務的核心內容。CNC裝置的軟件又稱為系統(tǒng)軟件，是數控加工的一種專用軟件，是為完成CNC系統(tǒng)的各項功能而專門設計和編制的，其管理作用類似于計算機的操作系統(tǒng)的功能。不同的CNC裝置，其功能和控制方案也不同，因而各系統(tǒng)軟件在結構上和規(guī)模上差別較大，各廠家的軟件互不兼容。本節(jié)主要介紹CNC軟件的特點、數據轉換過程以及CNC故障診斷程序。36CNC裝置軟件結構的特點（1）多任務性和實時性CNC裝置是機床的控制系統(tǒng)，在硬件支持下，由軟件來完成管理和控制兩大任務。系統(tǒng)的管理任務包括通信、顯示、診斷、零件程序的輸入以及人機界面管理，這類程序的實時性要求不高；系統(tǒng)的控制任務包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制、開關量I/O控制等，這類程序要完成實時性很強的控制任務。數控系統(tǒng)的控制軟件具有多任務性和實時性兩大特點。37CNC裝置軟件結構的特點在多數情況下，CNC要完成數控加工任務，必須同時進行幾個任務的處理，即所謂的并行處理。例如，為使操作人員及時了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同時執(zhí)行等；針對數控系統(tǒng)軟件的多任務性和實時性兩大特點，有多種并行處理技術。從硬件出發(fā)，可以采用設備重復的并行處理技術，如采用多微處理器并行處理CNC系統(tǒng)，各個微處理器并行地執(zhí)行各自的實時任務。從軟件出發(fā)，可采用設備分時共享并行處理技術、時間重疊流水處理技術和多重中斷的并行處理技術。38CNC裝置軟件結構的特點（2）設備分時共享并行處理在單CPU的CNC系統(tǒng)中，或在多CPU數控系統(tǒng)的某個需要處理多任務的CPU中，一般采用分時共享的原則來解決多任務的同時運行。在使用分時共享并行處理的計算機系統(tǒng)中，必須將各個任務按其所需時間的長短分割成一個個子任務，一個微處理器用時間片輪轉的方式處理完成多任務，即按照某種輪換次序給每個子任務分配CPU時間，進行各子任務的處理，從微觀上看各子任務分時占用CPU，從宏觀上看，在一段時間內，CPU并行地完成了各子任務，如同自動線的流水作業(yè)。39CNC裝置軟件結構的特點在設備分時共享并行處理中，要充分地利用計算機的高速數據計算和處理能力，保證每個任務的合理響應時間。每個任務允許占用CPU的時間要受到一定限制，通常是這樣處理的，如在加工程序的譯碼、數據處理中，可在其中的某些地方設置斷點，當程序運行到斷點時，自動讓出CPU，待到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。40CNC裝置軟件結構的特點（3）時間重疊流水處理當CNC處在零件加工工作方式時，其數據的轉換過程將由零件程序輸入、插補準備（包括譯碼和數據處理）、插補和位置控制四個子過程組成。如果每個子過程的處理時間分別為t1，t2，t3，t4，那么一個零件程序段的數據轉換時間將是t=t1+t2+t3+t4。如果以順序方式處理每個零件程序段，即第一個程序段處理完后再處理第二個程序段，依次類推，這種順序處理的時間關系如圖4-5a所示。41CNC裝置軟件結構的特點從圖中可以看出，此時在兩個程序段的輸出之間將有一個時間長度為t的間隔，同樣在第二個和第三個程序段的輸出之間也會有這種時間間隔。由于這種時間間隔較大，會導致電機時轉時停，進而使刀具時走時停，這種刀具時走時停在加工工藝上是不允許的。42CNC裝置軟件結構的特點消除這種時間間隔的方法是時間重疊流水處理技術，采用這種技術的時間關系如圖4-5b所示。其關鍵是時間重疊，即在每一段較小的時間間隔內，不再僅處理一個子過程，而是處理兩個或更多的子過程。這樣以來，每個零件程序段的輸出之間的時間間隔大為減小，從而保證了電機運轉和刀具移動的連續(xù)性。43CNC裝置軟件結構的特點（4）實時中斷處理CNC控制軟件的另一個重要特征是實時中斷處理，CNC系統(tǒng)的多任務性和實時性決定了系統(tǒng)中斷成為成個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。對于有實時要求，且各種任務互相交錯并發(fā)的多任務控制系統(tǒng)，可采用多重中斷的并行處理技術，這時實時任務被按排成不同優(yōu)先級別的中斷服務程序，或在同一個中斷程序中按其優(yōu)先級高低而順序運行。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要由硬件完成，而系統(tǒng)的中斷結構決定于系統(tǒng)軟件的結構，其中斷類型有下列幾種：44CNC裝置軟件結構的特點①外部中斷。主要有外部監(jiān)控終端（如急停、檢測儀器到位等）和操作面板鍵盤輸入中斷。前一種中斷的實時性要求很高，通常把這種中斷安排在較高的優(yōu)先級上，而操作面板輸入中斷則放在較低的中斷優(yōu)先級上。②內部定時中斷。主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中，這兩種定時中斷合二為一，但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。③硬件故障中斷。這是各種硬件故障檢測裝置產生的中斷，如：存儲器出錯，定時器出錯，插補運算器超時等。④程序性中斷。它是程序中出現的各種異常情況而引起的報警中斷，如各種溢出，運算中出現零作除數等。453.3.2CNC裝置的數據轉換（1）CNC裝置的數據轉換是數控機床控制機床進行工作過程中位置、速度、主軸轉速等信息的傳遞和變換過程。這一過程包含計算機數控的幾個核心功能，且都采用軟件完成。CNC裝置的數據轉換包括以下幾個核心內容：（1）數控程序輸入數控程序輸入是計算機數控讀入由用戶編寫的加工程序的過程。一般有文本程序和圖形程序兩種。文本程序讀入是數控機床普遍采用的方式。文本程序以文件形式保存在U盤等存儲介質中，數控系統(tǒng)讀取指定路徑中的文本程序。圖形程序編程方法在一些特種機床或專用機床上普遍采用463.3.2CNC裝置的數據轉換（2）（2）譯碼譯碼是從數控程序中獲得加工所需的各種信息的過程。這里所指的各種信息包括零件輪廓信息（如直線的起點和終點，圓弧的圓心、半徑、起始角和終止角等），速度信息（主軸轉速、進給速度等）以及刀具補償、刀庫控制、冷卻液啟停等輔助信息。圖形程序譯碼是從Dxf文件中獲取加工輪廓信息的過程。一個DXF文件包括6個段：標題段、類別段、表段、塊段、實體段、對象段。在每段的開始和結束處有起始段標記和段中止標記，文件結尾有文件結束標志EOF473.3.2CNC裝置的數據轉換（3）（3）軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃的作用是根據譯碼得到的用戶設定速度指令重新規(guī)劃適合機床加工的速度指令。軌跡規(guī)劃主要進行加減速控制和速度連接。加減速控制的原因是由于機床不能瞬時達到用戶設定速度，并且一般要求機床運行到指定位置點時速度為零。速度連接是根據相鄰兩段運動指令將兩段運動連接，而不需要機床先從第一段速度減速到靜止，再加速運行到第二段速度。483.3.2CNC裝置的數據轉換（4）（4）插補所謂插補是根據譯碼后得到的零件輪廓特征點尺寸，結合速度指令信息、刀具補償等參數在已知的特征點之間插入一些中間點的過程。換言之，就是“數據點的密化過程”。插補之所以是計算機數控裝置必備的功能，是因為驅動傳動部件運行的伺服電機必須在一個“很小”的時間間隔內給定一個位置指令才能保證多個軸按照指定的路徑協(xié)調運動，這個時間間隔叫做“插補周期”。在機床運動的整個過程中，計算機數控裝置不斷地發(fā)送位置指令給每個伺服驅動單元的，插補周期一般為1-10毫秒內的一個固定值。493.3.2CNC裝置的數據轉換（5）（5）位置控制位置控制環(huán)節(jié)由計算機數控裝置、驅動單元、伺服電機、位置（角度）傳感器共同組成。位置控制一般是以周期為“插補周期”一半的固定時間為周期運行的。這個周期成為“位控周期”。在一個位控周期內，計算機數控裝置對每個“位置環(huán)”進行兩次PID校正運算，根據當期插補模塊生成的位置指令進行控制，輸出為伺服電機的速度指令。伺服驅動單元本身可以進行速度環(huán)和電流環(huán)的控制。因此，數控機床的位置控制是一個三環(huán)串級控制。一般為了防止機床出現過切，位置控制都是一個過阻尼系統(tǒng)，即實際位置值總是滯后與位置指令的。503.3.3CNC裝置的故障診斷數控系統(tǒng)的軟、硬件組成復雜，故障排查工作比較復雜。故障自診斷包括開機自診斷、運行自診斷、通信診斷、離線診斷等幾種。（1）開機自診斷

指計算機數控裝置從開始通電到進入正常運行準備狀態(tài)為止，由其內部診斷程序自動執(zhí)行的系統(tǒng)診斷，是檢查整個數控系統(tǒng)是否具備正常的工作條件。（2）運行自診斷

指計算機數控裝置在運行過程中，對數控裝置中所允許的程序及與之連接的外部設備，如伺服驅動單元等進行的實時自動診斷。運行自診斷包括檢測進給軸電機過載，程序編制錯誤等。513.3.3CNC裝置的故障診斷（3）離線診斷離線診斷是指采用專門工具和設備對計算機數控系統(tǒng)進行硬件故障排查，這些設備包括邏輯分析儀，測試用計算機，模擬操作面板以及專用的工程師面板和便攜式測試儀器等。（4）通信診斷用戶CNC系統(tǒng)經過通信電纜與生產企業(yè)的診斷中心通信，由診斷中心的發(fā)出診斷程序，CNC進行某種運行，同時收集數據，分析系統(tǒng)的狀態(tài)，從而完成對CNC系統(tǒng)的故障診斷。523.3.4CNC裝置的接口與通信CNC裝置的接口與通信是將CNC裝置與其他元器件連接起來的通道。

概述計算機數控裝置需要與操作面板、數控鍵盤、人機界面、伺服驅動單元、手搖脈沖發(fā)生器等外部設備連接，組成控制機床所需的系統(tǒng)。這些接口包括CNC裝置的輸入輸出接口和通信接口兩種接口是保證信息快速、正確傳送的關鍵部分，現代CNC裝置都具有完備的數據傳送和通信接口。據CNC裝置的型號和價格定位，一般分為總線型、模擬量型和高速脈沖型。53輸入/輸出接口根據國際標準ISO4336-1981（E）機床電氣設備設備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，計算機數控裝置接口分為四類。第一類是與驅動命令有關的連接電路。這類信號包括CNC裝置到伺服驅動單元的指令信號，主軸驅動指令等。第二類是與檢測系統(tǒng)和測量傳感器間的連接電路。這類信號包括光柵尺、編碼盤等之間的信號連接。第三類是電源及保護電路。這類接口包括計算機數控裝置、伺服驅動單元的工作電源，電機電樞電路等。第四類是通斷信號和代碼信號連接電路。這類信號包括“急?！?，“進給保持”，“NC準備好”，“行程極限”，“復位”，“NC報警”等。54串行通信接口串行通信因其所需電線數量少，相距較遠的設備數據交換非常具有優(yōu)勢，在工業(yè)廣泛應用。目前應用最廣的串行通信為RS485總線。要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準，最簡單的485總線可以用兩根雙絞線即可實現兩臺設備的互聯。RS-485是為了彌補RS-232通信距離短、速率低等缺點而指定的。553.3.4網絡通信接口計算機網絡通信協(xié)議通常采用以ISO開放式互連系統(tǒng)參考模型的七層結構為基礎的有關協(xié)議。近年來，制造自動化協(xié)議MAP（ManufacturingAutomationProtocal）已成為應用于工廠自動化的標準工業(yè)局部網絡協(xié)議。西門子、FANUC、A-B等公司生產的計算機數控裝置中可以配置MAP2.1或MAP3.0的網絡通信接口。MAP是美國GM公司發(fā)起和開發(fā)的應用于工廠車間環(huán)境的通用網絡通信標準。563.4數控機床工作原理概述基準脈沖插補（脈沖增量插補）數據采樣插補（數字增量插補）加工過程中的速度控制半徑補償算法第一節(jié)概述

一、插補的概念二、插補方法分類

CNC裝置的工作過程首先將加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡，用代碼規(guī)定的規(guī)則和格式編成加工程序，數控系統(tǒng)則按照程序的要求，進行相應的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調運動，實現刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。CNC裝置對輸入加工程序的運算和處理的核心部分有三部：1.逼近處理：將待加工曲線分割成若干短直線。2.插補處理：將各短直線段分解為x軸及y軸移動分量3.指令輸出：將計算出的x軸及y軸移動分量作為指令輸出給x軸及y軸，以控制它們連動。加工直線的程序

N3G01X-45000Y-75000F150

1.插補的概念插補(Interpolation)：根據給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法或插補原理。數據密集化的過程。數控系統(tǒng)根據輸入的基本數據（直線起點、終點坐標，圓弧圓心、起點、終點坐標、進給速度等）運用一定的算法，自動的在有限坐標點之間形成一系列的坐標數據，從而自動的對各坐標軸進行脈沖分配，完成整個線段的軌跡分析，以滿足加工精度的要求。插補算法：對應于每種插補方法(原理)的各種實現算法。插補功能是輪廓控制系統(tǒng)的本質特征。對插補算法的要求.評價插補算法的指標①穩(wěn)定性指標插補運算是一種迭代運算，存在著算法穩(wěn)定性問題。插補算法穩(wěn)定的充必條件：在插補運算過程中，對計算誤差和舍入誤差沒有累積效應。插補算法穩(wěn)定是確保輪廓精度要求的前提。②插補精度指標插補精度：插補輪廓與給定輪廓的符合程度，它可用插補誤差來評價。插補誤差分類：逼近誤差（指用直線逼近曲線時產生的誤差）；計算誤差（指因計算字長限制產生的誤差）；圓整誤差（指計算結果取整產生的誤差）

其中，逼近誤差和計算誤差與插補算法密切相關，因此應盡量采用上述兩誤差較小的插補算法。上述三誤差的綜合效應一般要求小于系統(tǒng)的最小運動指令或脈沖當量。③合成速度的均勻性指標合成速度的均勻性：插補運算輸出的各軸進給量，經運動合成的實際速度（Fc）與給定的進給速度（F）的符合程度。

思考：速度不均勻的影響？速度不均勻性系數：F－－給定的進給速度Fc－－實際合成進給速度Fc

和F差別過大會影響零件的加工質量和生產率。合成速度均勻性系數應滿足：

λmax≤1%④插補算法要盡可能簡單，要便于編程

因為插補運算是實時性很強的運算，若算法太復雜，計算機的每次插補運算的時間必然加長，從而限制進給速度指標和精度指標的提高。插補是數控系統(tǒng)必備功能，NC中由硬件完成，CNC中由軟件實現，兩者原理相同。脈沖增量插補(行程標量插補)逐點比較法數字脈沖乘法器數字積分法矢量判別法比較積分法數字增量插補(時間標量插補).插補方法的分類.插補方法的分類脈沖增量插補(行程標量插補)

原理：

每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數計算，判斷偏差點的瞬時坐標同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數計算和終點判別四個步驟組成。坐標進給偏差判別新偏差計算終點比較特點：每次插補的結果僅產生一個單位的行程增量（一個脈沖當量）。以一個一個脈沖的方式輸出給步進電機。

基本思想：用折線來逼近曲線（包括直線）。插補速度與進給速度密切相關。因而進給速度指標難以提高，當脈沖當量為10μm時，采用該插補算法所能獲得最高進給速度是3-4m/min。脈沖增量插補的實現方法較簡單，通常僅用加法和移位運算方法就可完成插補。因此它比較容易用硬件來實現，而且，用硬件實現這類運算的速度很快的。但是也有用軟件來完成這類算法的。這類插補算法有：逐點比較法；最小偏差法；數字積分法；目標點跟蹤法；單步追蹤法等它們主要用早期的采用步進電機驅動的數控系統(tǒng)。由于此算法的速度指標和精度指標都難以滿足現在零件加工的要求，現在的數控系統(tǒng)已很少采用這類算法了。數字增量插補(時間標量插補)特點：插補程序以一定的時間間隔定時(插補周期)運行，在每個周期內根據進給速度計算出各坐標軸在下一插補周期內的位移增量（數字量）。其基本思想是：用直線段（內接弦線，內外均差弦線，切線）來逼近曲線（包括直線）。插補運算速度與進給速度無嚴格的關系。因而采用這類插補算法時，可達到較高的進給速度（一般可達到10m/min以上）。數字增量插補的實現算法較脈沖增量插補復雜，它對計算機的運算速度有一定的要求，不過現在的計算機均能滿足要求。這類插補方法有：時間分割法、數字積分法(DDA)、二階近似插補法、雙DDA插補法、角度逼近插補法等。這些算法大多是針對圓弧插補設計的。這類插補算法主要用于交、直流伺服電機為伺服驅動系統(tǒng)的閉環(huán)，半閉環(huán)數控系統(tǒng)，也可用于以步進電機為伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)數控系統(tǒng)，而且，目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大多數都采用這類插補方法。逐點比較法是這類算法最典型的代表，它是一種最早的插補算法，該法的原理是：CNC系統(tǒng)在控制過程中，能逐點地計算和判別運動軌跡與給定軌跡的偏差，并根據偏差控制進給軸向給定輪廓靠攏，縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓。3.4.2、基準脈沖插補（脈沖增量插補）1.逐點比較法加工的原理（直線）1）偏差計算公式：

A(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直線XFm＞0

在直線上方，向+X輸出一步

Fm＝0

在直線上，向+X輸出一步

Fm＜0

在直線下方，向+Y輸出一步（2）偏差計算函數的遞推計算若Fm≥0A(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直線X若Fm<0（3）終點判別直線插補的終點判別可采用三種方法。1）判斷插補或進給的總步數：；2）分別判斷各坐標軸的進給步數；3）僅判斷進給步數較多的坐標軸的進給步數。（4）插補計算過程插補四個步驟：1、偏差判別，判別Fm>=0或Fm<0，確定坐標進給方向和偏差計算方法2、坐標進給：根據象限及偏差符號，決定沿＋X,-X,+Y,-Y四個方向的哪個方向前進3、偏差計算：進給一步后，計算新的加工點的偏差，作為下次偏差的依據3、終點判別：進給一步，終點計數器減一，當其為0時，到達終點。（4）逐點比較法直線插補舉例對于第一象限直線OA，終點坐標Xe=6,Ye=4，插補從直線起點O開始，故F0=0。終點判別是判斷進給總步數N=6+4=10，將其存入終點判別計數器中，每進給一步減1，若N=0，則停止插補。

步數判別坐標進給偏差計算終點判別0

12345678910OA98754321610YX（4）逐點比較法直線插補舉例對于第一象限直線OA，終點坐標Xe=6,Ye=4，插補從直線起點O開始，故F0=0。終點判別是判斷進給總步數N=6+4=10，將其存入終點判別計數器中，每進給一步減1，若N=0，則停止插補。

步數判別坐標進給偏差計算終點判別0

F0=0∑=101F0=0+XF1=F0-Ye=0-4=-4∑=10-1=92F1<0+YF2=F1+Xe=-4+6=2∑=9-1=83F2>0+XF3=F2-Ye=2-4=-2∑=8-1=74F3<0+YF4=F3+Xe=-2+6=4∑=7-1=65F4>0+XF5=F4-Ye=4-4=0∑=6-1=56F5=0+XF6=F5-Ye=0-4=-4∑=5-1=47F6<0+YF7=F6+Xe=-4+6=2∑=4-1=38F7>0+XF8=F7-Ye=2-4=-2∑=3-1=29F8<0+YF9=F8+Xe=-2+6=4∑=2-1=110F9>0+XF10=F9-Ye=4-4=0∑=1-1=0OA98754321610YX線型Fm≥0進給方向Fm≥0進給方向偏差計算公式L1L2L3L4+Δx-Δx-Δx+Δx+Δy+Δy-Δy-ΔyFm≥0時Fm+1=Fm-yeFm<0時Fm+1=Fm+xeFm≥0,+ΔxFm<0,+ΔyFm≥0,+ΔxFm<0,-ΔyFm≥0,-ΔxFm<0,+ΔyFm≥0,-ΔxFm<0,-Δy入口初始化(N=xe+ye)Fm≥0？沿X向走一步沿Y向走一步Fm-ye→FmFm+xe→Fmn-1→nn=0？出口YYNN2.逐點比較法加工的原理（圓?。┑谝幌笙揄槇A：Fm＞0在圓外，向-Y輸出一步Fm＝0在圓上，向+X輸出一步Fm＜0在圓內，向+X輸出一步RXY(Xm，Ym)

圓弧

（2）偏差函數的遞推計算

1）逆圓插補若F≥0，規(guī)定向-X方向走一步若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步

2）順圓插補

若Fi≥0，規(guī)定向-Y方向走一步

若Fi<0，規(guī)定向+y方向走一步

RXY(Xm，Ym)

圓?。?）終點判別

1）判斷插補或進給的總步數：

2）分別判斷各坐標軸的進給步數（4）逐點比較法圓弧插補舉例

對于第一象限圓弧AB，起點A（4，0），終點B（0，4）

ABYX44步數偏差判別坐標進給

偏差計算坐標計算終點判別起點

12345678（4）逐點比較法圓弧插補舉例

對于第一象限圓弧AB，起點A（4，0），終點B（0，4）

ABYX44步數偏差判別坐標進給

偏差計算坐標計算終點判別起點

F0=0x0=4,y0=0Σ=4+4=81F0=0-XF1=F0-2x0+1=0-2*4+1=-7x1=3

y1=0Σ=8-1=72F1<0+YF2=F1+2y1+1=-7+2*0+1=-6x2=3

y2=1Σ=7-1=63F2<0+YF3=F2+2y2+1=-6+2*1+1=-3x3=3,y3=2Σ=54F3<0+YF4=F3+2y3+1=-3+2*2+1=2x4=3,y4=3Σ=45F4>0-XF5=F4-2x4+1=2-2*3+1=-3x5=2,y5=3Σ=36F5<0+YF6=F5+2y5+1=-3+2*3+1=4x6=2,y6=4Σ=27F6>0-XF7=F6-2x6+1=4-2*2+1=1x7=1,y7=4Σ=18F7>0-XF8=F7-2x7+1=1-2*1+1=0x8=0,y8=4Σ=0逐點比較法總結

偏差判別：判別刀具當前位置相對于給定輪廓的偏差狀況。坐標進給：根據判斷結果，控制相應坐標軸的進給方向。偏差計算：按偏差計算公式重新計算新位置的偏差值。終點判別：若已經插補到終點，結束插補計算，否則重復上述過程類型坐標進給偏差計算公式Ⅰ直線Ⅰ逆圓弧思考問題：

1.不同象限的直線、圓弧插補算法相同嗎？

2.同一象線的逆時針圓弧和順時針圓弧插補算法一樣嗎？

逐點比較法883數字積分法數字積分法又稱數字微分分析法DDA（DigitalDifferentialAnalyzer）,其最大優(yōu)點是易于實現坐標擴展，每個坐標是一個模塊，幾個相同的模塊組合就可以實現多坐標聯動控制。同時，數字積分法具有運算速度快、脈沖分配均勻、易于實現各種曲線，特別是多坐標空間曲線的插補，應用比較廣泛。缺點：速度調節(jié)不便，插補精度需要采取一定的措施才能滿足要求。數字積分法(1)求和運算代替求積分運算從幾何概念上講，函數y=f(x)的積分值就是該函數曲線與時間軸之間所包圍的面積，如圖3-16所示，其面積為89圖3-16函數的積分示意圖數字積分法(2)數字積分法的基本原理9091數字積分法曲線y=f(x)的DDA插補器框圖

92數字積分法93數字積分法(3)DDA法直線插補

說明（一）數字積分法DDA法直線插補舉例插補第一象限直線OA，起點為O(0，0)，終點為A(5，3)。取被積函數寄存器分別為JVX、JVY，余數寄存器分別為JRX、JRY，終點計數器為JE，均為三位二進制寄存器。插補過程如表3-7，插補軌跡如圖3-20所示。從圖中可以看出，DDA法允許向兩個坐標軸同時發(fā)出進給脈沖，這一點與逐點比較法不同。94圖3-20DDA法直線插補軌跡數字積分法95表DDA直線插補過程累加次數

X積分器

Y積分器

終點計數器JE

備注

JVX(Xe)JRX溢出Jvy(Ye)JRy溢出0101000011000000初始狀態(tài)1101101011011001第一次迭代21010101011110010X溢出31011110110011011Y溢出41011001011100100X溢出51010011011111101X溢出61011100110101110Y溢出71010111011101111X溢出810100010110001000X,Y溢出數字積分法(4)DDA法圓弧插補1）DDA法圓弧插補

原理說明（一）96數字積分法與直線插補相比，DDA圓弧插補時的X、Y軸的被積函數寄存器中分別存放了當前工作點的坐標變量Yi與Xi，由于Yi與Xi值是隨著加工點的移動而改變的，所以它們必須用相應的Yi與Xi坐標的累加寄存器的溢出脈沖來隨時作增加1或減小1的修改（3）DDA圓弧插補舉例對于I象限圓弧，兩端點為A(5，0)和B(0，5)，采用逆圓插補，插補脈沖計算過程如表3-8所示，插補軌跡如圖3-21所示。9798DDA圓弧插補舉例

次序X積分器X終Y積分器Y終注(Yi)(Xi)000000001011010000101初始100000001011011010101200000100001011010101100修正Yi300100101011011110100400101001001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001011000111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000110111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000結束YX基本原理

時間分割思想，ΔL=FT，計算出每個插補周期的各軸坐標增量Δx，Δy，Δz。

插補周期、插補運算時間、檢測采樣周期

插補周期（現代數控系統(tǒng)一般為2~4ms）和插補運算時間的關系（大于）。

插補周期和位置反饋檢測采樣周期的關系（整數倍），保證協(xié)調工作。例如，日本FANUC數控系統(tǒng)的插補周期是8ms，而位置控制周期是4ms。華中I型數控系統(tǒng)的插補周期也是8ms，位置控制周期可以設定為1ms、2ms、4ms、8ms。3.4.3、數據采樣插補（數字增量插補）三、數字增量插補插補精度分析直線插補時，沒有插補誤差。圓弧插補時，存在誤差。α△LPe(Xe,Ye)YOβρδYX△L插補周期、精度、速度的關系：插補周期T

與逼近精度δ、速度F的關系

三、數字增量插補當F、ρ一定時，T越少，δ越少；當δ、ρ一定時，T越少，F允許值越大。

T越小越好。ρδYX△L特定的CNC系統(tǒng)，Δt固定；特定的工件：ρ給定；通常需要通過對F進行限制來保證δ在允許的范圍內。1.時間分割直線插補算法坐標原點選擇：被插補直線的起點。插補右圖所示直線，速度F(mm/min)。

設插補周期為T(ms)，F(mm/min),則在T內的合成進給量△L（μm）為：若T=8ms則：

三、數字增量插補α△Yi△Xi△LPe(Xe,Ye)Pi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)XYOβα△Yi△Xi△LPe(Xe,Ye)Pi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)XYOβ先計算△Xi后計算△Yi先計算△Yi后計算△Xi，則：

三、數字增量插補α△Yi△Xi△LPe(Xe,Ye)Pi+1

(Xi+1,Yi+1)

Pi

(Xi,Yi)XYOβ

插補公式的選用考慮插補精度，插補公式的選用原則為：先計算坐標增量大的，后計算坐標增量小的。三、數字增量插補考慮四個象限的插補公式，共八組；繁瑣→引導坐標

公式的歸一化處理

為程序設計的方便。引入引導坐標的概念。引導坐標G：進給增量值較大的坐標；非引導坐標N：進給增量值較小的；插補公式歸結為一組：三、數字增量插補G、N不同象限符號不同，а≤45°2.時間分割圓弧插補算法基本方法：用內接弦線逼近圓弧。計算坐標系的原點：被插補圓弧的圓心上。以第一象限順圓（G02）插補為例來討論圓弧插補原理。

三、數字增量插補C△Yi△LYδXRDA△XiG02BPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi圓上某一插補點A(Xi，Yi)(已知)；圓上下一插補點C(Xi+1，Yi+1);本次的合成進給量=△L(已知);本次插補的逼近誤差δ(已知);

求：Δx，Δy

由圖的幾何關系可得：圓弧插補公式的推導

三、數字增量插補C△Yi△LYδXRDA△XiG02BPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi由于△Yi，δ未知，可進行下列近似替換：

△Yi≈

△Yi-1

R＞＞δ，R≈R-δ；則有：上式中△Yi-1是上一次插補運算中自動生成的。但是在開始時沒有△Y0，可采用DDA法求取該值：△X0

=△L

*Y0/R△Y0

=△L

*X0/R

三、數字增量插補C△Yi△LYδXRDA△XiG02BPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi

三、數字增量插補這兩個公式的選用原則同直線一樣。同直線插補一樣,上述算法是先計算△Xi后計算△Yi，同樣還可以先計算△Yi后計算△Xi，即：C△Yi△LYδXRDA△XiG02BPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi公式的歸一化處理考慮不同的象限和不同的插補方向（G02/G03），則該算法的圓弧插補計算公式將有16組。為了方便程序設計，同樣在引入引導坐標后，可將16組插補計算公式歸結為2組：三、數字增量插補順圓插補（G02）逆圓插補（G03）ABABABABBABABABAG02G03三、數字增量插補算法誤差來源：對插補的影響為：插補精度：由于算法中采用了公式算法可保證插補點均落在圓弧上(下式為圓的方程）。誤差分析：

XY0三、數字增量插補結論：對精度無影響，但影響和成速度均勻性。3.4.4

刀具半徑補償原理3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念一.刀具半徑補償的基本概念

1.什么是刀具半徑補償根據按零件輪廓編制的程序和預先設定的偏置參數，數控裝置能實時自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。

G40，G41，G42

A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’.刀具半徑補償功能的主要用途簡化編程刀具半徑變化（刀具的磨損或因換刀）時，不需重新編程。粗、精加工。本章學習刀具補償和第二章學習刀具補償的不同？3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念3.刀具半徑補償的常用方法：

B刀補：一次處理一段（讀一段，算一段，再走一段）。交叉點和間斷點要人為處理。刀具中心軌跡的段間連接都是以圓弧進行的，如圖示。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念特點：外輪廓尖角加工性能不好，處始終處于切削狀態(tài)，會被加工成小圓角。內輪廓尖角加工時，由于C”點不易求得(受先前計算能力的限制)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園弧，才能避免產生過切。無法滿足實際應用中的許多要求。現在用得較少，而用得較多的是C刀補。A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’

C刀補：一次處理兩段（本段，下段）。交叉點和間斷點由數控系統(tǒng)自動處理。刀具中心軌跡的段間連接都是以直線進行的，如圖示。特點：尖角工藝性好在內輪廓加工時，可實現過切自動預報，從而避免產生過切。3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念

處理方法的區(qū)別

B刀補：確定刀具中心軌跡時，讀一段，算一段，再走一段。無法預計由于刀具半徑所造成的下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響。為了避免刀具干涉，靠程序員預測處理。

C刀補：一次處理兼顧兩段，即預先處理本段，然后根據下一段的方向來確定其刀具中心軌跡的段間過渡狀態(tài)，從而便完成了本端的刀補運算處理。3.3.4刀具半徑補償原理之基本概念.刀具半徑補償的工作原理1.刀具半徑補償的工作過程刀補建立：起刀點→工件，刀具中心偏一個偏置量。G00，G41/G42。刀補進行：刀具中心軌跡與編程軌跡始終偏離一個刀具偏置的距離。G01，G02，G03。刀補撤銷：刀具撤離工件，刀具中心軌跡終點與編程軌跡的終點重合。G00，G40

3.3.4刀具半徑補償原理之工作原理.C刀補的轉接形式和過渡方式

轉接形式根據前后兩編程軌跡的不同，刀具中心軌跡的不同連接方法。在一般的CNC裝置中，均有圓弧和直線插補兩種功能。對由這兩種線型組成的編程軌跡有以下四種轉接形式

3.3.4刀具半徑補償原理直線與直線轉接直線與圓弧轉接圓弧與直線轉接圓弧與圓弧轉接編程軌跡α刀具中心軌跡非加工側