第3章 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

第3章

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)容提要本章將詳細(xì)討論CNC裝置的軟件硬件結(jié)構(gòu)；CNC裝置基本功能的原理及實(shí)現(xiàn)方法。第3章計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)本章主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)第四節(jié)CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)原理第五節(jié)刀具半徑補(bǔ)償原理第六節(jié)CNC系統(tǒng)中的可編程控制器第七節(jié)CNC系統(tǒng)的通信接口3.1概述

表3.1數(shù)控系統(tǒng)的演變分類世代誕生年代系統(tǒng)元件及電路構(gòu)成世界我國硬件數(shù)控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年電子管、繼電器，模擬電路晶體管，數(shù)字電路（分立元件）集成數(shù)字電路計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC第四代1970年1976年內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中規(guī)模集成電路第五代1974年1982年內(nèi)裝微處理器的NC字符顯示，故障自診斷

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大規(guī)模集成電路，大容量存儲器，可編程接口，遙控接口人機(jī)對話,動(dòng)態(tài)圖形顯示,實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償,適應(yīng)機(jī)床無人化運(yùn)轉(zhuǎn)要求32位CPU，可控15軸，設(shè)定0.0001mm進(jìn)給速度24m/min，帶前饋控制的交流數(shù)字伺服、智能化系統(tǒng)。利用RISC技術(shù)64位系統(tǒng)。微機(jī)開放式CNC系統(tǒng)。3.1概述

年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片機(jī)16位微處理器32位微處理器64位伺服驅(qū)動(dòng)直流模擬伺服交流模擬伺服交流數(shù)字伺服最小設(shè)定單位10.10.01進(jìn)給速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min

高速型15m/min60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min擴(kuò)充功能用軟件擴(kuò)充數(shù)控功能、刀具補(bǔ)償，固定循環(huán)，存儲器運(yùn)行用軟件充實(shí)人機(jī)接口，彩色顯示，會話編程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，數(shù)字伺服，高速主軸，智能化開放系統(tǒng)表3·2數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步狀況

3.1概述

表3·3數(shù)控系統(tǒng)的功能水平

項(xiàng)目低檔中檔高檔分辨率1010.1進(jìn)給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯(lián)動(dòng)軸數(shù)2-3軸2-4軸或3-5軸以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)、開環(huán)直流及交流閉環(huán)、全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)內(nèi)裝PLC無有內(nèi)裝PC，功能極強(qiáng)的內(nèi)裝PC，甚至有軸控制功能顯示功能數(shù)碼管,簡單的CRT字符顯示有字符圖形或三維圖形顯示通信功能無RC232C和DNC接口還可能有MAP通訊接口和聯(lián)網(wǎng)功能3.1概述

EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的定義:“CNC是用一個(gè)存儲程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口”。

ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的定義:“數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件”。

數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計(jì)算機(jī)，即數(shù)字控制裝置。3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成從自動(dòng)控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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。3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)

......3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成硬件結(jié)構(gòu):CPU，存儲器，總線、外設(shè)等。計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)設(shè)備層設(shè)備支持層接口人機(jī)控制運(yùn)動(dòng)控制PMC其他I/O其他設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示設(shè)備輸入/出設(shè)備機(jī)床機(jī)器人測量機(jī)...圖CNC的一般性硬件結(jié)構(gòu)3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成２．軟件結(jié)構(gòu)

是一種用于零件加工的、實(shí)時(shí)控制的、特殊的（或稱專用的）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。

系

統(tǒng)初始化系統(tǒng)控制軟件程序管理編輯存儲錄放管理軟件控制軟件輸入程序輸出程序顯示程序診斷程序譯碼程序補(bǔ)償計(jì)算速度控制插補(bǔ)程序位控程序圖CNC軟件的構(gòu)成

3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成3.CNC硬件、軟件的作用和相互關(guān)系

硬件是基礎(chǔ)，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(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)工作。CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺。3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成4.工作原理

通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計(jì)算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個(gè)坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)。并進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。

簡要工作過程：

1）輸入：

輸入內(nèi)容——零件程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式——穿孔紙帶閱讀輸入、磁盤輸入、光盤輸入、手健盤輸入，通訊接口輸入及連接上級計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成2）譯碼：以一個(gè)程序段為單位，根據(jù)一定的語法規(guī)則解釋、翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)內(nèi)。3）數(shù)據(jù)處理：包括刀具補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。4）插補(bǔ)：插補(bǔ)的任務(wù)是通過插補(bǔ)計(jì)算程序在一條曲線的已知起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作”。5）位置控制：在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給伺服電機(jī)。6）I/O處理：處理CNC裝置與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號輸入、輸出和控制。7）顯示：零件程序、參數(shù)、刀具位置、機(jī)床狀態(tài)等。8）診斷：檢查一切不正常的程序、操作和其他錯(cuò)誤狀態(tài)。

3.1.1CNC系統(tǒng)的定義及組成CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

1）具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟件實(shí)現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，對設(shè)計(jì)和開發(fā)者而言，系統(tǒng)功能的修改、擴(kuò)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(shù)控機(jī)床僅配置相應(yīng)的特定的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)特定的控制功能。3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

2）數(shù)控功能豐富插補(bǔ)功能：二次曲線、樣條、空間曲面等插補(bǔ)補(bǔ)償功能：運(yùn)動(dòng)精度、隨機(jī)誤差補(bǔ)償、非線性誤差補(bǔ)償?shù)热藱C(jī)對話功能：加工的動(dòng)、靜態(tài)跟蹤顯示，高級人機(jī)對話窗口編程功能：G代碼、籃圖編程、部分自動(dòng)編程功能。3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)，硬件的數(shù)量減少。豐富的故障診斷及保護(hù)功能(大多由軟件實(shí)現(xiàn))，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(fù)時(shí)間降低。3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

4）使用維護(hù)方便操作使用方便：用戶只需根據(jù)菜單的提示，便可進(jìn)行正確操作。編程方便：具有多種編程的功能、程序自動(dòng)校驗(yàn)和模擬仿真功能。維護(hù)維修方便：部分日常維護(hù)工作自動(dòng)進(jìn)行(潤滑，關(guān)鍵部件的定期檢查等)，數(shù)控機(jī)床的自診斷功能，可迅速實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位。3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)CNC數(shù)控裝置的特點(diǎn)

5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)控制柜的體積?。ú捎糜?jì)算機(jī)，硬件數(shù)量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減?。?，使其與機(jī)床在物理上結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。3.1.2CNC裝置的特點(diǎn)功能：滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段?；竟δ堋獢?shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實(shí)際使用要求選擇的功能。3.1.3CNC裝置的功能1.控制功能——CNC能控制和能聯(lián)動(dòng)控制的進(jìn)給軸數(shù)。CNC的進(jìn)給軸分類：移動(dòng)軸（X、Y、Z）和回轉(zhuǎn)軸（A、B、C）；

基本軸和附加軸（U、V、W）。聯(lián)動(dòng)控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。3.1.3CNC裝置的功能2.準(zhǔn)備功能（G功能）——指令機(jī)床動(dòng)作方式的功能。

（已在第二章介紹）3.1.3CNC裝置的功能3.插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能

——插補(bǔ)功能

數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運(yùn)算的功能?！潭ㄑh(huán)功能

數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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。3.1.3CNC裝置的功能4.進(jìn)給功能

——進(jìn)給速度的控制功能。進(jìn)給速度——控制刀具相對工件的運(yùn)動(dòng)速度，單位為mm/min（inch/min）。同步進(jìn)給速度——實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，單位為mm/r（inch/r）。進(jìn)給倍率（進(jìn)給修調(diào)率）——人工實(shí)時(shí)修調(diào)預(yù)先給定的進(jìn)給速度。3.1.3CNC裝置的功能5.主軸功能

——主軸切削速度、周向位置控制功能。主軸轉(zhuǎn)速——主軸轉(zhuǎn)速的控制功能，單位：r/min。恒線速度控制——刀具切削點(diǎn)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(diào)率——人工實(shí)時(shí)修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。3.1.3CNC裝置的功能6.輔助功能（M功能）

——用于指令機(jī)床輔助操作的功能。3.1.3CNC裝置的功能7.刀具管理功能——實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償功能使用；刀具壽命管理管理時(shí)間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r(shí)，CNC系統(tǒng)將提示更換刀具；刀具類型管理

用于標(biāo)識刀庫中的刀具和自動(dòng)選擇加工刀具。3.1.3CNC裝置的功能8.補(bǔ)償功能刀具半徑和長度補(bǔ)償功能：實(shí)現(xiàn)按零件輪廓編制的程序控制刀具中心軌跡的功能。傳動(dòng)鏈誤差：包括螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙誤差補(bǔ)償功能。非線性誤差補(bǔ)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，采用人工智能AI、專家系統(tǒng)等新技術(shù)進(jìn)行建模，利用模型實(shí)施在線補(bǔ)償。3.1.3CNC裝置的功能9.人機(jī)對話功能在CNC裝置中這類功能有：菜單結(jié)構(gòu)操作界面；零件加工程序的編輯環(huán)境；系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。3.1.3CNC裝置的功能10.自診斷功能

——CNC自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)和故障定位的功能。

開機(jī)自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠(yuǎn)程通訊診斷。3.1.3CNC裝置的功能11.通訊功能

——CNC與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能RS232C接口，可傳送零件加工程序DNC接口，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)模塊網(wǎng)卡適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求3.1.3CNC裝置的功能3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)

1.從總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。（1）整體式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模塊板組成的電路板等安裝在同一機(jī)箱內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)1.從總體安裝結(jié)構(gòu)看，有整體式結(jié)構(gòu)和分體式結(jié)構(gòu)兩種。（2）分體式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：把CRT和MDI面板、操作面板等做成一個(gè)部件，而把功能模塊組成的電路板安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，兩者之間用導(dǎo)線或光纖連接。許多CNC機(jī)床把操作面板也單獨(dú)作為一個(gè)部件，這是由于所控制機(jī)床的要求不同,操作面板相應(yīng)地要改變。

優(yōu)點(diǎn)：利于更換和安裝。CNC操作面板在機(jī)床上的安裝形式有吊掛式、床頭式、控制柜式、控制臺式等多種。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2、從電路板的結(jié)構(gòu)看，有大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。

(1)大板式結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu):一個(gè)系統(tǒng)一般都有一塊大板，稱為主板。主板上裝有主CPU和各軸的位置控制電路等。其他相關(guān)的子板（完成一定功能的電路板），如ROM板、零件程序存儲器板和PLC板都直接插在主板上面，組成CNC系統(tǒng)的核心部分。

優(yōu)點(diǎn)：大板式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性高，價(jià)格低，有很高的性能／價(jià)格比，也便于機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)

不足：硬件功能不易變動(dòng)，不利于組織生產(chǎn)。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2、從電路板的結(jié)構(gòu)看，有大板式結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。

(2)總線模塊化的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu):將CPU、存儲器、輸入輸出控制分別做成插件板（稱為硬件模塊），甚至將CPU、存儲器、輸入輸出控制組成獨(dú)立微型計(jì)算機(jī)級的硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化在硬件模塊中。硬、軟件模塊形成一個(gè)特定的功能單元，稱為功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，接口是固定的，成為工廠標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彼此可以進(jìn)行信息交換。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，試制周期短，調(diào)整維護(hù)方便，效率高，柔性高。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.從CPU及結(jié)構(gòu)來分，分為單CPU和多CPU結(jié)構(gòu)兩大類。初期的CNC系統(tǒng)和現(xiàn)在的一些經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)一般采用單CPU結(jié)構(gòu)，而多CPU結(jié)構(gòu)可以滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高加工精度和許多復(fù)雜功能的要求，適應(yīng)于并入FMS和CIMS運(yùn)行的需要，從而得到了迅速的發(fā)展，也反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)

接口MDI/CRT

接口位置

控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖整個(gè)CNC裝置只有一個(gè)CPU，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，通過分時(shí)處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種NC功能。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單CPU結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)集中控制，分時(shí)處理總線、接口結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單功能受限3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)在CNC系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的CNC系統(tǒng)大多采用多CPU結(jié)構(gòu)。3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)每個(gè)CPU完成系統(tǒng)中規(guī)定的一部分功能，獨(dú)立執(zhí)行程序，它比單CPU結(jié)構(gòu)提高了計(jì)算機(jī)的處理速度。適合于多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度的數(shù)控機(jī)床1.多CPU結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將軟件和硬件模塊形成一定的功能模塊。模塊間有明確的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，彼此間可進(jìn)行信息交換。這樣可以形成模塊化結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，并且具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)緊湊。多CPU的CNC系統(tǒng)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)模塊出了故障，其他模塊仍然照常工作。并且插件模塊更換方便，可以使故障對系統(tǒng)的影響減少到最小程度，提高了可靠性。性價(jià)比高模塊化結(jié)構(gòu)可靠性高3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2.多CPUCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)功能模塊的劃分管理模塊插補(bǔ)模塊位置控制模塊PLC模塊命令與數(shù)據(jù)輸入輸出模塊存儲器模塊管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等功能。程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，或是功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲器。在完成插補(bǔ)前，進(jìn)行零件程序的譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算、進(jìn)給速度處理等預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并給定各坐標(biāo)軸的位置值。零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)、各種操作指令的輸入輸出，以及顯示所需要的各種接口電路。對坐標(biāo)位置給定值與由位置檢測裝置測到的實(shí)際位置值進(jìn)行比較并獲得差值、進(jìn)行自動(dòng)加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、對伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，最后得到速度控制的模擬電壓（或速度的數(shù)字量），去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。開關(guān)量（S、M、T）和機(jī)床面板來的信號在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣設(shè)備的啟停，刀具交換，轉(zhuǎn)臺分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。？2.多CPUCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)功能模塊的劃分管理模塊插補(bǔ)模塊位置控制模塊PLC模塊命令與數(shù)據(jù)輸入輸出模塊存儲器模塊？共享總線共享存儲器3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2.多CPUCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

只有主模塊有權(quán)控制系統(tǒng)總線，且在某一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊占有總線，如有多個(gè)主模塊同時(shí)請求使用總線會產(chǎn)生競爭總線問題。1）共享總線結(jié)構(gòu)共享總線的多CPU結(jié)構(gòu)框圖

3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)VSVS總線仲裁問題總線仲裁及其方式：串行方式和并行方式串行總線仲裁：優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定。圖

串行總線仲裁連接方式主模塊1主模塊2主模塊3總線優(yōu)先權(quán)入總線優(yōu)先權(quán)出總線忙入忙出入忙出3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)VSVS仲裁問題并行總線仲裁：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案。

圖

并行總線仲裁連接方式主模塊1總線優(yōu)總線總線優(yōu)先權(quán)入忙先權(quán)出主模塊3入忙出譯碼器主模塊2入忙出優(yōu)先權(quán)編碼器…3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)VSVS仲裁問題并行總線仲裁：專用邏輯電路，優(yōu)先權(quán)編碼方案。

模塊之間的通訊：公共存儲器

總線：STDbus（支持8位和16位字長）

Multibus（Ⅰ型支持16位字長，Ⅱ型支持32位字長）

S-100bus（可支持16位字長）

VERSAbus（可支持32位字長）

VMEbus（可支持32位字長）

3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2.多CPUCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)采用多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各CPU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。由多端控制邏輯電路解決訪問沖突。2）共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲器的多CPU結(jié)構(gòu)框圖

3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

雙端口存儲器結(jié)構(gòu)框圖圖多CPU共享存儲器框圖端口1存儲控制邏輯地址和數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換器RAM共享存儲器I/O(CPU)CRT(CPU2)軸控制（CPU4）插補(bǔ)(CPU3)端口2中斷控制從機(jī)床來的控制信號至機(jī)床的控制信號2.多CPUCNC裝置的典型結(jié)構(gòu)2）共享存儲器結(jié)構(gòu)3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)3.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)

合理確定CNC裝置軟件硬件的功能分擔(dān)就是所謂的軟件和硬件的功能界面劃分的概念。在信息處理方面，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以用軟件來完成。CNC裝置軟件硬件的界面

3.3.1CNC裝置的軟硬件組合類型硬件和軟件在實(shí)現(xiàn)各種功能時(shí)的特點(diǎn)：硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對較慢。功能界面劃分的準(zhǔn)則：系統(tǒng)的性能價(jià)格比3.3.1CNC裝置的軟硬件組合類型數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分輸入預(yù)處理位置檢測插補(bǔ)運(yùn)算位置控制速度控制伺服電機(jī)程序硬件硬件硬件硬件硬件軟件軟件軟件軟件軟件和硬件的功能界面

ⅠⅡⅢⅣ3.3.1CNC裝置的軟硬件組合類型CNC裝置軟件的組成CNC裝置的軟件是為完成CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能而專門設(shè)計(jì)和編制的專用軟件，也稱為系統(tǒng)軟件。不同的系統(tǒng)軟件可使硬件相同的CNC裝置具有不同的功能。CNC裝置的系統(tǒng)軟件包括兩大部分：管理軟件控制軟件

系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）

管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。

控制部分：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。

管理方式：單微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元VSVS輸入I/O處理顯示診斷程序編制管理管理軟件通信管理軟件輸入I/O處理通訊顯示診斷加工程序的編制管理等程序控制軟件刀具補(bǔ)償速度處理插補(bǔ)譯碼位置控制控制軟件譯碼刀具補(bǔ)償速度處理插補(bǔ)位置控制等軟件1.多任務(wù)并行處理2.多重實(shí)時(shí)中斷3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.多任務(wù)并行處理

（1）CNC裝置的多任務(wù)性

CNC裝置管理控制輸入I/O處理顯示診斷通訊譯碼刀具補(bǔ)償速度處理位置控制插補(bǔ)輸入顯示位控診斷I/O插補(bǔ)位控

譯碼刀補(bǔ)速度處理

圖CNC裝置軟件任務(wù)分解圖軟件任務(wù)的并行處理3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)VSVS（2）并行處理

并行處理

是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。

并行處理的分類：

“資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊”和“資源共享”。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)VSVS（2）并行處理

資源重復(fù)：采用多套相同或不同的設(shè)備同時(shí)完成多種相同或不同的任務(wù)。（如采用多CPU系統(tǒng)提高處理速度）

資源共享：根據(jù)“分時(shí)共享”的原則，使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。

時(shí)間重疊：根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）資源分時(shí)共享并行處理（對單一資源的系統(tǒng)）在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。資源分時(shí)共享——在規(guī)定的時(shí)間長度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級分配問題。其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長度，即時(shí)間片的分配問題。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)VSVS診斷I/O處理輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備顯示初始化插補(bǔ)位控鍵盤

中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時(shí)共享圖3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補(bǔ)運(yùn)算背景程序各任務(wù)占用CPU時(shí)間示意圖3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

資源分時(shí)共享技術(shù)的特征在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2)并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）

在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行——

并發(fā)處理；若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)VSVS

流水處理技術(shù)的涵義流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)(任務(wù)的分法與資源重復(fù)的多少有關(guān))，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)流水處理技術(shù)示意圖順序處理124312431243并行處理時(shí)間t+△tt空間輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3VSVS2tt空間時(shí)間輸出12341234輸出CPU13.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時(shí)刻（流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。若為單CPU系統(tǒng)，流水處理也只具有宏觀的意義，即在一段實(shí)際內(nèi)，CPU處理多個(gè)子程序，從微觀角度看，各子程序仍是分時(shí)占用CPU。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.多任務(wù)并行處理2.多重實(shí)時(shí)中斷3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.實(shí)時(shí)中斷處理

（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型

1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。

2）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。

3）硬件故障中斷：硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。

4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)的異常情況的報(bào)警中斷。3.3.2CNC裝置控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.插補(bǔ)的基本概念－－數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化過程數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)（直線起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，圓弧圓心、起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)、進(jìn)給速度等）運(yùn)用一定的算法，自動(dòng)的在有限坐標(biāo)點(diǎn)之間形成一系列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)的對各坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)線段的軌跡分析，以滿足加工精度的要求?！?.4.1概述1.插補(bǔ)的基本概念加工直線的程序

N30G01X45.0Y50.0F0.5§3.4.1概述1.插補(bǔ)的基本概念－－數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化過程數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)（直線起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，圓弧圓心、起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)、進(jìn)給速度等）運(yùn)用一定的算法，自動(dòng)的在有限坐標(biāo)點(diǎn)之間形成一系列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。要求實(shí)時(shí)性好，算法誤差小、精度高、速度均勻性好數(shù)學(xué)模型直線、圓弧、二次曲線、自由曲線等§3.4.1概述插補(bǔ)運(yùn)算具有實(shí)時(shí)性，直接影響刀具的運(yùn)動(dòng)。插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度是數(shù)控裝置的重要指標(biāo)。插補(bǔ)原理也叫軌跡控制原理。本課程以基本線型直線、圓弧生成為例，論述插補(bǔ)原理。§3.4.1概述硬件插補(bǔ)器軟件插補(bǔ)器完成插補(bǔ)運(yùn)算的裝置或程序插補(bǔ)器§3.4.1概述2.插補(bǔ)分類NC中由硬件完成CNC中由軟件實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合插補(bǔ)器從軟硬件角度2.插補(bǔ)分類§3.4.1概述從插補(bǔ)計(jì)算輸出的數(shù)值形式來看:基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法數(shù)字脈沖乘法器數(shù)字積分法矢量判別法比較積分法（脈沖增量插補(bǔ)）每次插補(bǔ)結(jié)束僅向各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸輸基本思想脈沖序列的頻率代表坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度脈沖的數(shù)量代表運(yùn)動(dòng)位移的大小出一個(gè)控制脈沖，各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量或行程的增量。數(shù)控系統(tǒng)中，一個(gè)指令脈沖代表的位移量(開環(huán))基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)早期數(shù)控機(jī)床廣泛采用的方法，又稱代數(shù)法、醉步法，區(qū)域判別法，適用于開環(huán)系統(tǒng)?！?.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)曲線類型：直線圓弧二次曲線在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小誤差的方向進(jìn)給。其算法最大偏差不會超過一個(gè)脈沖當(dāng)量δ。偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別每進(jìn)給一步需要四個(gè)節(jié)拍:插補(bǔ)原理§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)偏差判別第I象限直線YXPi(Xi,Yi)E(Xe,Ye)O§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)YXPi(Xi,Yi)E(Xe,Ye)O（1）偏差函數(shù)構(gòu)造對OE上任一點(diǎn)Pi(Xi,Yi):Yi/Xi=Ye/Xe

XeYi–XiYe

=0

若刀具加工點(diǎn)為Pi（Xi，Yi），則該點(diǎn)的偏差函數(shù)Fi可表示為Fi>0Fi<0Fi=0加工點(diǎn)位于直線上方區(qū)域加工點(diǎn)位于直線下方區(qū)域加工點(diǎn)位于直線上§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給若Fi=0，表示加工點(diǎn)位于直線上若Fi>0，表示加工點(diǎn)位于直線上方區(qū)域若Fi<0，表示加工點(diǎn)位于直線下方區(qū)域+X方向進(jìn)給1步+Y方向進(jìn)給1步+X方向進(jìn)給1步Y(jié)XPi(Xi,Yi)E(Xe,Ye)O偏差函數(shù)偏差計(jì)算§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)計(jì)算量相對較大，硬件不易實(shí)現(xiàn)第i次插補(bǔ)后，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)N(Xi,Yi)的偏差函數(shù)為：（2）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算Fi=XeYi–XiYe

若Fi>=0，規(guī)定向+X方向走一步，則有：Xi+1=Xi

+1Yi+1=Yi若Fi<0，規(guī)定向+Y方向走一步，則有：Xi+1=XiYi+1=Yi

+1Fi+1=

Fi

-YeFi+1=

Fi

+Xe§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（3）終點(diǎn)判別∑=|Xe|+|Ye|∑1=|Xe|,∑2=|Ye|1）總步長法判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)2）投影法分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)步數(shù)§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)總結(jié)第一拍偏差判別第二拍坐標(biāo)進(jìn)給第三拍偏差計(jì)算第四拍終點(diǎn)判別Fi≥0+ΔXFi+1=

Fi

-Ye∑=∑終-1Fi<0+ΔYFi+1=

Fi

+Xe§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（4）逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)舉例OAYX對于第I象限直線OA，終點(diǎn)坐標(biāo)Xe=6,Ye=4，采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)。例1分析：插補(bǔ)從直線起點(diǎn)O開始，故F0=0。終點(diǎn)判別是判斷進(jìn)給總步數(shù)N=6+4=10，將其存入終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器中，每進(jìn)給一步減1，若N=0，則停止插補(bǔ)。

§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)AOYX步數(shù)判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別0

F0=0∑=101F=0+XF1=F0-ye=0-4=-4∑=10-1=92F<0+YF2=F1+xe=-4+6=2∑=9-1=83F>0+XF3=F2-ye=2-4=-2∑=8-1=74F<0+YF4=F3+xe=-2+6=4∑=7-1=65F>0+XF5=F4-ye=4-4=0∑=6-1=56F=0+XF6=F5-ye=0-4=-4∑=5-1=47F<0+YF7=F6+xe=-4+6=2∑=4-1=38F>0+XF8=F7-ye=2-4=-2∑=3-1=29F<0+YF9=F8+xe=-2+6=4∑=2-1=110F>0+XF10=F9-ye=4-4=0∑=1-1=098754321610（５）逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)軟件實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法第一象限直線插補(bǔ)軟件流程圖§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（6）逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)象限處理問題

（1）四個(gè)象限的直線插補(bǔ)L1L2L3L4+Y+X-X-Y四個(gè)象限的直線插補(bǔ)，會有4組計(jì)算公式F<0F>0F<0F>0F>0F>0F<0F<0§3.4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)線型偏差計(jì)算進(jìn)給偏差計(jì)算進(jìn)給F≥0F<0L1L2L3L4+△X-△X-△X+△X+△Y+△Y-△Y-△YF-Ye→FF+Xe→F四個(gè)象限直線插補(bǔ)進(jìn)給方向和偏差計(jì)算加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開始。凡F≥0時(shí)，向x方向進(jìn)給，在第一、四象限向+x方向進(jìn)給；在第二、三象限，向-x方向進(jìn)給；凡F<0時(shí)，向y方向進(jìn)給，在第一、二象限向+y方向進(jìn)給；在第三、四象限，向-y方向進(jìn)給。不管是哪個(gè)象限，都采用與第一象限相同的偏差計(jì)算公式，只是式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值均取絕對值。四象限直線插補(bǔ)軟件流程圖XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0（1）偏差函數(shù)任意加工點(diǎn)Pi（Xi，Yi），偏差函數(shù)Fi可表示為若Fi=0，表示加工點(diǎn)位于圓上；若Fi>0，表示加工點(diǎn)位于圓外；若Fi<0，表示加工點(diǎn)位于圓內(nèi)第一象限逆圓弧§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)若Fi=0，表示加工點(diǎn)位于圓上若Fi>0，表示加工點(diǎn)位于圓外若Fi<0，表示加工點(diǎn)位于圓內(nèi)偏差函數(shù)向(-X)軸進(jìn)給一步向(-X)軸進(jìn)給一步向(+Y)軸進(jìn)給一步XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0（1）偏差函數(shù)第一象限逆圓?。?）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算若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§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)XYPi（Xi，Yi）ABF>0F<0（1）偏差函數(shù)第一象限逆圓?。?）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算（3）終點(diǎn)判別1)判斷插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)；2）分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)；§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)ABYX4（4）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)舉例

對于第一象限圓弧AB，起點(diǎn)A（4，0），終點(diǎn)B（0，4）步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給

偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)

F0=0x0=4,y0=0Σ=4+4=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=0-2*4+1=-7x1=4-1=3y1=0Σ=8-1=72F1<0+yF2=F1+2y1+1=-7+2*0+1=-6x2=3y2=y1+1=1Σ=7-1=63F2<0+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=2Σ=54F3<0+yF4=F3+2y3+1=2x4=3,y4=3Σ=45F4>0-xF5=F4-2x4+1=-3x5=2,y5=3Σ=36F5<0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,y6=4Σ=27F6>0-xF7=F6-2x6+1=1x7=1,y7=4Σ=18F7<0-xF8=F7-2x7+1=0x8=0,y8=4Σ=0（５）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)軟件實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法第一象限逆圓軟件流程圖（6）四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)第二象限順圓偏差計(jì)算

若F≥0時(shí)，下一步應(yīng)沿+x方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是(Xi+1，Yi)，可求出新的偏差為

Fi+1＝Fi+2Xi+1若F<0時(shí)，下一步應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是(Xi，Yi+1)，可求出新的偏差為

Fi+1＝Fi+2Yi+1§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)順圓逆圓SR1SR2SR3SR4NR1NR2NR3NR4對于4個(gè)象限的逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)和4個(gè)象限的順時(shí)針圓弧插補(bǔ)，會有8組計(jì)算公式。（6）四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)線型偏差計(jì)算進(jìn)給偏差計(jì)算進(jìn)給F≥0F<0SR1SR3NR2NR4-△Y+△Y-△Y+△Y+△X-△X-△X+△XF-2Y+1→FY-1→YF+2x+1→FX+1→X四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)進(jìn)給方向和偏差計(jì)算SR2SR4NR1NR3F-2x+1→FX-1→X+△X-△X-△X+△XF+2Y+1→FY+1→Y+△Y-△Y+△Y-△Y§3.4.3逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)四象限圓弧插補(bǔ)軟件流程圖逐點(diǎn)比較法的特點(diǎn)是脈沖源每發(fā)出一個(gè)脈沖，就進(jìn)給一步，不是發(fā)向X軸，就是發(fā)向Y軸，如果fg為脈沖源頻率(Hz)，fx，fy

分別為X軸和Y軸進(jìn)給頻率(Hz)，則從而X軸和Y軸的進(jìn)給速度(mm/min)為式中—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）§

逐點(diǎn)比較法進(jìn)給速度合成進(jìn)給速度為式中，若fx=0或fy=0時(shí)，也就是刀具沿平行于坐標(biāo)軸的方向切削，這時(shí)對應(yīng)切削速度最大，相應(yīng)的速度稱為脈沖源速度vg，脈沖源速度與程編進(jìn)給速度相同。脈沖源速度:合成進(jìn)給速度與脈沖源速度之比為：可見，程編進(jìn)給速度確定了脈沖源頻率fg后，實(shí)際獲得的合成進(jìn)給速度v并不總等于脈沖源的速度vg，與一個(gè)夾角有關(guān)。插補(bǔ)直線時(shí)，α為加工直線與X軸的夾角；插補(bǔ)圓弧時(shí)，α為圓心與動(dòng)點(diǎn)連線和X軸夾角。v/vg

1

0.707

O450900α

逐點(diǎn)比較法進(jìn)給速度v/vg=0.707～1vmax/vmin=1.414結(jié)論逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)算法的進(jìn)給速度是比較平穩(wěn)的，能滿足一般機(jī)床的加工要求。課后練習(xí)3-11.試述逐點(diǎn)比較法的四個(gè)節(jié)拍？2.用逐點(diǎn)比較法對直線OA進(jìn)行插補(bǔ)，A點(diǎn)坐標(biāo)（6，4），并畫出插補(bǔ)軌跡。3.用逐點(diǎn)比較法對圓弧OAB進(jìn)行插補(bǔ)（起點(diǎn)A(4，0)，終點(diǎn)B(0，4)），并畫出插補(bǔ)軌跡。4.圓弧終點(diǎn)判別有哪些方法？5.試推導(dǎo)出逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)第一象限順圓弧的偏差函數(shù)遞推公式。6.用所熟悉的計(jì)算機(jī)語言編寫第一象限逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)程序。（選做題）用數(shù)字積分的方法計(jì)算刀具沿各坐標(biāo)軸的位移，數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析（DDA）法.

（DDA--DigitalDifferentialAnalyzer）曲線類型：多坐標(biāo)軸直線插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)二次曲線及高次曲線§3.4.4數(shù)字積分法1.DDA法基本原理

積分的過程可以用微小量的累加近似。

YY=f(t)

Yi

t0

ti

tnt

函數(shù)Y=f(t)的積分取t為基本單位“1”§3.4.4數(shù)字積分法1.DDA法基本原理數(shù)字積分器的構(gòu)成JR(ΣYi)JV(Yi)Σ1Σ2ΔSΔtΔYi結(jié)構(gòu)框圖JRJVΔSΔt原理框圖§3.4.4數(shù)字積分法2.DDA直線插補(bǔ)(1)插補(bǔ)原理積分的過程可以用微小量的累加近似XYE(Xe,Ye)VxVyVO由右圖所示：則P(X,Y)刀具從原點(diǎn)到終點(diǎn)的過程，可以看做是各坐標(biāo)軸每經(jīng)過一個(gè)單位時(shí)間間隔Δt分別以增量KXe、KYe同時(shí)累加的過程§3.4.4數(shù)字積分法X、Y方向的位移積分形式累加形式XYE(Xe,Ye)VxVyVOP(X,Y)其中，m為累加次數(shù)（容量）取為整數(shù)，m=0~2N-1，共2N次(N為累加器位數(shù))。令△t=1,mK=1，則K=1/m=1/2N。則§3.4.4數(shù)字積分法DDA直線插補(bǔ)結(jié)論直線插補(bǔ)從始點(diǎn)走向終點(diǎn)的過程，可以看作是各坐標(biāo)軸每經(jīng)過一個(gè)單位時(shí)間間隔，分別以增量kxe（xe

/

2N

）及kye

（ye/

2N

）同時(shí)累加的過程。累加的結(jié)果為：

§3.4.4數(shù)字積分法DDA直線插補(bǔ)：

以Xe/2N、Ye/2N（二進(jìn)制小數(shù)，形式上即Xe、Ye）作為被積函數(shù)，同時(shí)進(jìn)行積分（累加），N為累加器的位數(shù)，當(dāng)累加值大于2N-1時(shí)，便發(fā)生溢出，而余數(shù)仍存放在累加器中。組成：二坐標(biāo)DDA直線插補(bǔ)器包括X積分器和Y積分器，每個(gè)積分器都由被積函數(shù)寄存器JVX和累加器JRX（余數(shù)寄存器）組成。初始時(shí)，X被積函數(shù)寄存器存Xe，Y被積函數(shù)寄存器存Ye。插補(bǔ)器由兩個(gè)數(shù)字積分器組成，每個(gè)坐標(biāo)的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器組成。

終點(diǎn)坐標(biāo)值存在被積函數(shù)寄存器中，相當(dāng)于插補(bǔ)控制脈沖源發(fā)出的控制信號，每發(fā)生一個(gè)插補(bǔ)迭代脈沖，使被積函數(shù)和向各自的累加器里累加一次，當(dāng)累加器超過累加器容量時(shí)，產(chǎn)生溢出，溢出脈沖驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)給一個(gè)脈沖當(dāng)量。溢出后，余數(shù)仍存放在累加器中。當(dāng)兩個(gè)積分累加器根據(jù)插補(bǔ)時(shí)鐘脈沖同步累加時(shí)，用這些溢出脈沖數(shù)（最終X坐標(biāo)接收Xe個(gè)脈沖、Y坐標(biāo)接收Ye個(gè)脈沖）分別控制相應(yīng)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，加工出要求的直線。（2）終點(diǎn)判別

累加次數(shù),即插補(bǔ)循環(huán)數(shù)是否等于2N可作為DDA法直線插補(bǔ)判別終點(diǎn)的依據(jù)。2.DDA直線插補(bǔ)§3.4.4數(shù)字積分法2.DDA直線插補(bǔ)(3)軟件實(shí)現(xiàn)在內(nèi)存中設(shè)定幾個(gè)單元，分別用于存放Xe及其累加值ΣXe和Ye及其累加值ΣYe。將ΣXe和ΣYe賦一初始值，在每次插補(bǔ)循環(huán)過程中，進(jìn)行以下求和運(yùn)算：將運(yùn)算結(jié)果的溢出脈沖Δx和Δy用來控制機(jī)床進(jìn)給，就可走出所需的直線軌跡?！?.4.4數(shù)字積分法2.DDA直線插補(bǔ)(4)DDA直線插補(bǔ)象限處理

DDA插補(bǔ)不同象限直線時(shí)，用絕對值進(jìn)行累加，把進(jìn)給方向另做討論。§3.4.4數(shù)字積分法（5）DDA法直線插補(bǔ)舉例插補(bǔ)第一象限直線OE，起點(diǎn)為O（0，0），終點(diǎn)為E（5，3）。取被積函數(shù)寄存器分別為JVX、JVY，余數(shù)寄存器分別為JRX、JRY，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器為JE，均為三位二進(jìn)制寄存器。累加次數(shù)

X積分器

Y積分器

終點(diǎn)計(jì)數(shù)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E(5,3)XYDDA直線插補(bǔ)動(dòng)畫（5）DDA法直線插補(bǔ)舉例由P(X,Y)VABRXYO3.DDA圓弧插補(bǔ)(1)插補(bǔ)原理令則圓弧插補(bǔ)時(shí)，是對切削點(diǎn)的即時(shí)坐標(biāo)X與Y的數(shù)值分別進(jìn)行累加VyVx?ò?ò==D=========D=========miiNtmiiNttXKXdtYtYKYdtX10102121§3.4.4數(shù)字積分法DDA圓弧插補(bǔ)與直線插補(bǔ)的主要區(qū)別圓弧插補(bǔ)中被積函數(shù)寄存器寄存的坐標(biāo)值與對應(yīng)坐標(biāo)軸積分器的關(guān)系恰好相反。圓弧插補(bǔ)中被積函數(shù)是變量，直線插補(bǔ)的被積函數(shù)是常數(shù)。圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別需采用兩個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器。對于直線插補(bǔ)，如果寄存器位數(shù)為n，無論直線長短都需迭代2n次到達(dá)終點(diǎn)。圓弧插補(bǔ)器運(yùn)算框圖符號圖

DDA圓弧插補(bǔ)特點(diǎn)：1)各累加器的初始值為零，各寄存器為起點(diǎn)坐標(biāo)值；2)X被積函數(shù)寄存器存Yi,Y被積函數(shù)寄存器存Xi，為動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)；3)Xi、Yi在積分過程中，產(chǎn)生進(jìn)給脈沖△X、△Y時(shí)，要對相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行加1或減1的修改；4)DDA圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別要有二個(gè)計(jì)數(shù)器，哪個(gè)坐標(biāo)終點(diǎn)到了，哪個(gè)坐標(biāo)停止積分迭代；5)與DDA直線插補(bǔ)一樣，JVX、JVY中的值影響插補(bǔ)速度?！?.4.4數(shù)字積分法3.DDA圓弧插補(bǔ)(1)插補(bǔ)原理

終點(diǎn)判別：兩個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，JΣX=|Xe-X0|

JΣY=|Ye-Y0|

當(dāng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器均減為0時(shí)，結(jié)束插補(bǔ)(2)軟件實(shí)現(xiàn)(3)象限處理§3.4.4數(shù)字積分法

DDA插補(bǔ)不同象限圓弧時(shí)，用絕對值進(jìn)行累加，把進(jìn)給方向另做討論。圓弧插補(bǔ)時(shí)被積函數(shù)是動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，在插補(bǔ)過程中要進(jìn)行修正，坐標(biāo)值的修改要看動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是使該坐標(biāo)絕對值是增加還是減少，來確定是加1還是減1。四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)的坐標(biāo)修改及進(jìn)給方向如表3-10所示。(3)象限處理§3.4.4數(shù)字積分法

YYL2L1NR2NR1SR2SR1

XX

SR3SR4L3L4NR3NR4

圖

四象限直線插補(bǔ)進(jìn)給方向圖

四象限圓弧插補(bǔ)進(jìn)給方向§3.4.4數(shù)字積分法內(nèi)容

L1

L2

L3

L4

進(jìn)給

ΔX

+

-

-

+

修正

JVY

進(jìn)給

ΔY

+

+

-

-

修正

JVX

直線進(jìn)給方向§3.4.4數(shù)字積分法表3-10圓弧插補(bǔ)進(jìn)給方向及坐標(biāo)修改NR1

NR2

NR3

NR4

SR1

SR2

SR3

SR4

-

-

+

+

+

+

-

-

-1

+1

-1

+1

+1

-1

+1

-1

+

-

-

+

-

+

+

-

+1

-1

+1

-1

-1

+1

-1

+1

進(jìn)給修正進(jìn)給修正ΔXJVYΔYJVX§3.4.4數(shù)字積分法設(shè)有第一象限逆圓AB，起點(diǎn)A（5，0），終點(diǎn)B（0，5），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（101，000），終點(diǎn)坐標(biāo)B（000，101），試用DDA法對此圓弧進(jìn)行插補(bǔ)。3.DDA圓弧插補(bǔ)(1)插補(bǔ)原理(2)軟件實(shí)現(xiàn)(3)象限處理(4)DDA圓弧插補(bǔ)實(shí)例YXBA§3.4.4數(shù)字積分法YX次序X積分器X終Y積分器Y終備注JVX(Yi)JRX△XJVY(Xi)JRY△Y000000001011010000101初始100000001011011010101200000100001011010101100修正Yi300100101011011110100400101001001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001011000111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000結(jié)束BA課后練習(xí)3-2試用DDA法對直線OA（A點(diǎn)坐標(biāo)(5,2)）進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡。（寄存器位數(shù)n=3）試用DDA法對圓弧OAB（起點(diǎn)A(4,0)，終點(diǎn)B(0,4)）進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡。（寄存器位數(shù)n=4）4.DDA插補(bǔ)的合成進(jìn)給速度(1)插補(bǔ)原理(2)軟件實(shí)現(xiàn)(3)象限處理(4)DDA圓弧插補(bǔ)實(shí)例§3.4.4數(shù)字積分法以直線插補(bǔ)為例：4.DDA插補(bǔ)的合成進(jìn)給速度X方向的脈沖頻率：Y方向的脈沖頻率：假設(shè)脈沖當(dāng)量為δ（mm/脈沖），可求得X和Y方向進(jìn)給速度（mm/min）：§3.4.4數(shù)字積分法式中L—被插補(bǔ)直線長度;若插補(bǔ)圓弧，L應(yīng)為圓弧半徑R。Vg—脈沖源速度。合成進(jìn)給速度為直線4.DDA插補(bǔ)的合成進(jìn)給速度圓弧L--被插補(bǔ)直線長度R—被插補(bǔ)圓弧半徑

§3.4.4數(shù)字積分法數(shù)控加工程序中F代碼指定進(jìn)給速度后，fg基本維持不變。這樣合成進(jìn)給速度V與被插補(bǔ)直線的長度或圓弧的半徑成正比。如果寄存器位數(shù)是n，加工直線L1、L2都要經(jīng)過m＝2n累加運(yùn)算，L1直線短，進(jìn)給慢，速度低；L2直線長，進(jìn)給快，速度高。加工L1生產(chǎn)效率低；加工L2零件表面質(zhì)量差。

L1V1L2

V2

進(jìn)給速度與直線長度的關(guān)系

DDA插補(bǔ)的缺點(diǎn)：直線插補(bǔ)時(shí)每個(gè)程序段都要完成m=2n次累加運(yùn)算，造成行程長走刀快，行程短走刀慢。4.DDA插補(bǔ)的合成進(jìn)給速度§3.4.4數(shù)字積分法原理實(shí)用速度？精度控制？1-左移規(guī)格化2-FRN編程余數(shù)寄存器預(yù)置數(shù)“左移規(guī)格化處理”——被積數(shù)移去前零。如：0011——1100規(guī)格化數(shù)：無前零的數(shù)。作用：使溢出脈沖均勻，溢出速度提高§3.4.4數(shù)字積分法①左移規(guī)格化“左移規(guī)格化”就是將被積函數(shù)寄存器中存放數(shù)值的前零移去。直線插補(bǔ)時(shí)，當(dāng)被積函數(shù)寄存器中所存放最大數(shù)的最高位為1時(shí)，稱為規(guī)格化數(shù)，反之，若最高位為零，稱為非規(guī)格化數(shù)。直線插補(bǔ)左移規(guī)格化數(shù)的處理方法是：將X軸與Y軸被積函數(shù)寄存器里的數(shù)值同時(shí)左移（最低位移入零），直到其中之一最高位為1時(shí)為止。若被積函數(shù)左移i位成為規(guī)格化數(shù)，其函數(shù)值擴(kuò)大2i倍，為了保持溢出的總脈沖數(shù)不變，就要減少累加次數(shù)。如：0011——1100規(guī)格化數(shù)：無前零的數(shù)。①左移規(guī)格化DDA直線插補(bǔ)規(guī)格化Xe,Ye大者最高位為1X=000011,Y=000101終點(diǎn)判別：終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器JE把“1”信號從最高位輸入（右移，最高位1），縮短計(jì)算長度。

非規(guī)格化左移一位左移三位Xe000011000110011000Ye000101001010101000JE000000100000111000DDA圓弧插補(bǔ)左移規(guī)格化最大的被積數(shù)次高位為1。即保持一個(gè)前零避免被積函數(shù)寄存器JVX,JVY+1修正時(shí)溢出。圓弧左移規(guī)格化后，擴(kuò)大了寄存器中存放的數(shù)值。左移i位，相當(dāng)于乘2i，即X軸與Y軸被積函數(shù)寄存器存放的數(shù)據(jù)變?yōu)?iY，2iX，這樣，假設(shè)Y軸有脈沖溢出時(shí)，則X軸被積函數(shù)寄存器中存放的坐標(biāo)被修正為

上式指明，規(guī)格化處理后，插補(bǔ)中的坐標(biāo)修正加1或減1，變成了加2i或減2i

。直線和圓弧插補(bǔ)時(shí)規(guī)格化數(shù)處理方式不同，但均能提高溢出速度，并能使溢出脈沖變得比較均勻。①左移規(guī)格化結(jié)論

直線和圓弧插補(bǔ)時(shí)規(guī)格化數(shù)處理方式不同，但均能提高溢出速度，并能使溢出脈沖變得比較均勻。①左移規(guī)格化

為實(shí)現(xiàn)不同長度程序段的恒速加工，在編程時(shí)考慮被加工直線長度或圓弧半徑，采用

FRN來表示“F”功能。②按進(jìn)給速率數(shù)FRN編程直線圓弧FeedRateNumberV(mm/min)----進(jìn)給速度；L(mm)----直線位移；R(mm)----圓弧半徑；FRN(1/min)----進(jìn)給速率數(shù)代碼。FRN代碼用0001-9999四位數(shù)字表示以直線為例結(jié)論：FRN編程，其實(shí)質(zhì)是控制迭代頻率fg，fg與V/L（直線插補(bǔ)）或V/R（圓弧插補(bǔ)）成正比，當(dāng)插補(bǔ)尺寸L或R不同時(shí)，使迭代頻率作相應(yīng)改變，以保證所選定的進(jìn)給速度。

已知：5.改進(jìn)DDA插補(bǔ)質(zhì)量（1）數(shù)字積分法穩(wěn)速控制（2）插補(bǔ)精度的提高對于DDA直線插補(bǔ)，軌跡誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量。對于DDA圓弧插補(bǔ)，徑向誤差可能大于一個(gè)脈沖當(dāng)量。

因數(shù)字積分器溢出脈沖的頻率與被積函數(shù)寄存器中的數(shù)值成正比，在坐標(biāo)軸附近進(jìn)行累加時(shí)，一個(gè)積分器的被積函數(shù)值接近零，而另一個(gè)積分器的被積函數(shù)接近于最大值，累加時(shí)后者連續(xù)溢出，前者幾乎沒有，兩個(gè)積分器的溢出脈沖頻率相差很大，致使插補(bǔ)軌跡偏離給定圓弧距離較大，使圓弧誤差增大?！?.4.4數(shù)字積分法減少誤差的方法增加積分器的位數(shù)

誤差減少，但寄存器容量增大，累加次數(shù)增加。而且要獲得同樣的進(jìn)給速度，需要提高插補(bǔ)速度。余數(shù)寄存器預(yù)置數(shù)法半加載全加載§3.4.4數(shù)字積分法設(shè)有第一象限逆圓AB，起點(diǎn)A（5，0），終點(diǎn)B（0，5），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（101，000），終點(diǎn)坐標(biāo)B（000，101），試用DDA法對此圓弧進(jìn)行插補(bǔ)。YXBAYXBA全加載、半加載插補(bǔ)軌跡比較逐點(diǎn)比較法數(shù)字積分法插補(bǔ)計(jì)算的結(jié)果是以一個(gè)一個(gè)脈沖的方式輸出給伺服系統(tǒng)脈沖增量插補(bǔ)法適用于以步進(jìn)電機(jī)為伺服元件的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)采用時(shí)間分割思想，根據(jù)進(jìn)給速度F，把加工一段直線或圓弧的整段時(shí)間細(xì)分為許多相等的時(shí)間間隔（插補(bǔ)周期T），每經(jīng)過一個(gè)插補(bǔ)周期就進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算，算出這一時(shí)間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的進(jìn)給量，邊計(jì)算，邊加工，直至終點(diǎn)。計(jì)算機(jī)定時(shí)對坐標(biāo)的實(shí)際位置進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)與指令位置進(jìn)行比較，得出位置誤差，再根據(jù)位置誤差對伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)到消除誤差，使實(shí)際位置跟隨指令位置。

基本原理實(shí)質(zhì)微小直線段逼近曲線小結(jié)理解插補(bǔ)的含義脈沖增量插補(bǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化過