計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)

第7章計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)7.1概述

數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem簡(jiǎn)稱為NC系統(tǒng)）即數(shù)字控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定了數(shù)字量，并自動(dòng)將其譯碼，輸出符合指令脈沖，從而使機(jī)床運(yùn)動(dòng)并加工出合乎要求高質(zhì)量零件。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第1頁

7.1.1數(shù)控系統(tǒng)分類1.按照數(shù)控系統(tǒng)硬件、軟件特點(diǎn)分類⑴硬件數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為NC系統(tǒng)）硬件數(shù)控系統(tǒng)是早期數(shù)控系統(tǒng)，它輸入、運(yùn)算、插件、控制功效均由電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路組成邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。普通說來，不一樣數(shù)控機(jī)床都需要設(shè)計(jì)專門邏輯電路。這種硬件線路聯(lián)接專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積龐大、應(yīng)用性差、可靠性差、功效和靈活性差。

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⑵計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlSystem簡(jiǎn)稱為CNC系統(tǒng)）伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)中專用計(jì)算機(jī)被微型計(jì)算機(jī)所取代，形成了CNC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正機(jī)電一體化。當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)都是CNC系統(tǒng)，它靠執(zhí)行存放程序來實(shí)現(xiàn)各種機(jī)床控制要求，所以CNC系統(tǒng)又稱為存放程序數(shù)控系統(tǒng)或軟件數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第3頁

2.按控制對(duì)象工作特點(diǎn)分類⑴點(diǎn)位控制系統(tǒng)⑵直線控制系統(tǒng)⑶輪廓控制系統(tǒng)（又稱為連續(xù)控制系統(tǒng)）計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第4頁

7.1.2數(shù)控系統(tǒng)組成數(shù)控系統(tǒng)是由程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置）、可編程序控制器（ProgrammableLogicController，簡(jiǎn)稱為PLC）、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等六大部分組成一個(gè)整個(gè)系統(tǒng)，又稱為CNC系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第5頁

數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC裝置），當(dāng)前也簡(jiǎn)略地稱為CNC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。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第6頁

7.1.3CNC系統(tǒng)功效CNC系統(tǒng)功效包含：基本功效和選擇功效?；竟π荂NC系統(tǒng)必備功效；選擇功效可由供用戶依據(jù)不一樣機(jī)床工作特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第7頁

主要功效以下：1.CNC系統(tǒng)基本功效⑴控制功效指CNC能夠控制和能夠聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)給軸數(shù)目。控制軸有：移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸；基本軸和附加軸?？刂戚S尤其是聯(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。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第8頁

⑵準(zhǔn)備功效即G功效，用來指令機(jī)床動(dòng)作方式，包含機(jī)床基本移動(dòng)、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具賠償、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等指令。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第9頁

⑶插補(bǔ)功效所謂插補(bǔ)功效指數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓加工軌跡運(yùn)算功效。即以最小迫近誤差，沿著指定線段起點(diǎn)和終點(diǎn)在其之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)密化工作。普通CNC系統(tǒng)僅含有直線和園弧插補(bǔ)功效，而較為高檔CNC系統(tǒng)備有拋物線插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、正弦線插補(bǔ)、螺旋線及樣條曲線插補(bǔ)等功效。插補(bǔ)運(yùn)算方法常采取逐點(diǎn)比較法，數(shù)字積分法等。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第10頁

⑷進(jìn)給功效即F功效，用來指令各軸進(jìn)給速度，主要有以下三種：①切削進(jìn)給速度每分鐘刀具相對(duì)于工件進(jìn)給量，單位為mm/min；②同時(shí)進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)切削速度與進(jìn)給速度同時(shí)，即主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，單位為mm/r，主要用于加工螺紋；計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第11頁

③進(jìn)給倍率

用于人工實(shí)時(shí)修調(diào)進(jìn)給速度。即經(jīng)過操作面板上進(jìn)給倍率波段開關(guān)以每檔10%間隔在0～200%之間對(duì)預(yù)先設(shè)定進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修調(diào)。⑸主軸功效即S功效，用于指定主軸轉(zhuǎn)速，單位是r/min。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第12頁

⑹輔助功效即M功效，用于指令機(jī)床輔助操作功效，如主軸啟停、正反轉(zhuǎn)、冷卻液泵通、斷，刀庫起、停等。⑺刀具功效及工作臺(tái)分度功效刀具功效即T功效，用來選擇刀具；工作臺(tái)分度功效即B功效，用于分度工作臺(tái)分度。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第13頁

⑻人機(jī)對(duì)話功效CNC系統(tǒng)可配置9in單色或14in彩色CRT，經(jīng)過軟件和接口實(shí)現(xiàn)字符和圖形顯示?？娠@示程序、參數(shù)、各種賠償量、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對(duì)話編程菜單、零件圖形、動(dòng)態(tài)刀具軌跡等，以方便用戶操作和使用。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第14頁

(9)自診療功效CNC系統(tǒng)中設(shè)置有故障診療程序，以預(yù)防故障發(fā)生和擴(kuò)大，在故障出現(xiàn)后，能夠快速查明故障類型和部位，便于及時(shí)排除故障，降低故障停機(jī)時(shí)間。有CNC系統(tǒng)還能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程通信診療。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第15頁

2.選擇功效⑴賠償功效包含刀具長(zhǎng)度和半徑賠償功效，傳動(dòng)鏈誤差賠償功效，主要用于賠償因刀具磨損或更換，傳動(dòng)絲杠螺距誤差和反向間隙引發(fā)誤差。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第16頁

⑵固定循環(huán)功效在數(shù)控加工過程中，有些加工工序如鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等所需完成動(dòng)作循環(huán)十分經(jīng)典，而且是屢次重復(fù)進(jìn)行，所以預(yù)先將這些經(jīng)典循環(huán)動(dòng)作編好程序，存放在存放器中，用G代碼進(jìn)行定義形成固定循環(huán)功效，在加工時(shí)可直接使用這類G代碼，完成這些經(jīng)典動(dòng)作循環(huán)，大大簡(jiǎn)化編程工作。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第17頁

⑶通訊功效它是CNC系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換功效。通常CNC系統(tǒng)都配有RS232C接口，設(shè)有緩沖存放器，可與上級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，傳送零件加工程序，有還備有DNC接口，以利實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控，更高檔系統(tǒng)還能夠與MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）相連，接入工廠通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)FMS、CIMS等大制造系統(tǒng)集成要求。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第18頁

⑷自動(dòng)在線編程功效有些CNC系統(tǒng)可按零件藍(lán)圖直接自動(dòng)編程，操作或編程人員只需送入圖樣上簡(jiǎn)單幾何數(shù)據(jù)等命令，就能自動(dòng)生成加工程序。有CNC系統(tǒng)可進(jìn)行在線人機(jī)對(duì)話式編程，并含有自開工序選擇、自動(dòng)刀具和切削條件選擇等智能功效。

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7.1.4CNC系統(tǒng)工作過程（1）程序輸入；（2）譯碼；（3）刀具賠償；（4）進(jìn)給速度處理；（5）插補(bǔ)運(yùn)算處理；（6）I/O處理主要處理CNC系統(tǒng)與機(jī)床之間強(qiáng)電信號(hào)輸入、輸出和控制（如換刀、換檔、冷卻等）；（7）位置處理；（8）顯示；（9）自診療處理。CNC系統(tǒng)工作過程是依靠軟件在硬件支持下進(jìn)行。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第20頁

7.1.5CNC系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)CNC系統(tǒng)含有：

很高柔性和通用性；數(shù)控功效豐富；可靠性高；使用維護(hù)方便；易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第21頁

7.2CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)通常由微機(jī)基本系統(tǒng)、人機(jī)界面接口、通信接口、進(jìn)給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功效（MST）控制接口等部分組成，如圖7-1所表示。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第22頁

圖7-1CNC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第23頁

7.2.1微機(jī)基本系統(tǒng)微機(jī)基本系統(tǒng)主要組成包含：CPU、存放器、定時(shí)器、中止控制和系統(tǒng)總線等。1.CPUCPU是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，經(jīng)過分時(shí)處理方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功效。CPU特點(diǎn)：是投資小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。常見中、低級(jí)數(shù)控系統(tǒng)基本上采取8位或16位CPU，伴隨CPU技術(shù)發(fā)展，當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)大多采取16位或32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，按CNC系統(tǒng)中CPU多少可分為單機(jī)系統(tǒng)（只有一個(gè)CPU）和多機(jī)系統(tǒng)（CNC中有2個(gè)或2個(gè)以上CPU）。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第24頁

2.存放器存放器是存放系統(tǒng)程序、零件加工程序和中間運(yùn)算結(jié)果主要部件。它包含只讀存放器和隨機(jī)存放器。

⑴只讀存放器EPROM用于固化系統(tǒng)控制軟件，經(jīng)過專用寫入器寫入程序，斷電后程序不丟失。程序只能被CPU讀出，不能隨機(jī)寫入，必要時(shí)可經(jīng)過紫外線抹除后再寫。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第25頁

⑵隨機(jī)存放器RAMRAM中存放可讀寫信息，運(yùn)算中間結(jié)果存放在RAM中，它能隨機(jī)讀寫，斷電后信息消失。零件加工程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)存放在有后備電池CMOSRAM或磁泡存放器中，它能隨機(jī)讀出，并可依據(jù)加工零件寫入或修改，斷電后信息仍能保留。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第26頁

3.定時(shí)器和中止器定時(shí)器和中止器用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定時(shí)控制與多級(jí)中止管理。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第27頁

4.系統(tǒng)總線（BUS）系統(tǒng)總線由傳送數(shù)字信息物理導(dǎo)線組成，它是CNC系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換通道，包含以下三組：

⑴數(shù)據(jù)總線它是各模塊間數(shù)據(jù)交換通道，線根數(shù)與數(shù)據(jù)寬度相等，它采取雙向總線。⑵地址總線它是傳送數(shù)據(jù)存放地址總線，與數(shù)據(jù)總線結(jié)合，以確定數(shù)據(jù)總線上傳輸數(shù)據(jù)起源地或目標(biāo)地，它采取單向總線。⑶控制總線它是一組傳送管理或控制信號(hào)總線，如數(shù)據(jù)讀、寫控制，中止、復(fù)位以及各種信號(hào)確認(rèn)等，它采取單向總線。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第28頁

7.2.2接口1.人機(jī)界面接口CNC系統(tǒng)人機(jī)界面包含鍵盤、顯示器、操作面板和手搖脈沖發(fā)生器。⑴鍵盤在CNC系統(tǒng)中也稱為MDI（ManualDataInput）面板或數(shù)控面板，它由英文字母鍵、功效鍵、數(shù)字鍵等組成，用于人工編制加工程序以及參數(shù)輸入、修改等。⑵顯示器（CRT）用于顯示程序、數(shù)據(jù)以及加工信息等。⑶操作面板主要用于手動(dòng)方式下對(duì)機(jī)床操作以及自動(dòng)方式下對(duì)運(yùn)動(dòng)操作或干涉。⑷手搖脈沖發(fā)生器（MPG）用于手動(dòng)控制機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第29頁

2.通信接口如RS232、RS485、DNC、MAP接口等，用于CNC與外設(shè)、上級(jí)計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第30頁

3.進(jìn)給軸位置控制接口進(jìn)給軸位置控制包含：進(jìn)給速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算和位置閉環(huán)控制。進(jìn)給軸位置控制接口包含：模擬量輸出接口和位置反饋計(jì)數(shù)器接口。

模擬量輸出接口采取數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，輸出模擬電壓范圍為-10～+10V，用以控制速度伺服單元。模擬電壓正負(fù)和大小分別決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。

位置反饋計(jì)數(shù)接口能檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)位置反饋元件所發(fā)回信號(hào)，從而得到進(jìn)給軸實(shí)際位置。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第31頁

4.主軸控制接口主軸S功效可分為無級(jí)變速、有級(jí)變速和分段無級(jí)變速三大類。當(dāng)數(shù)控機(jī)床配有主軸無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，可利用主軸控制接口中模擬量輸出接口，輸出模擬量進(jìn)行無級(jí)變速。主軸位置反饋計(jì)數(shù)器接口主要用于螺紋切削功效、主軸準(zhǔn)停功效以及主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)控等。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第32頁

5.輔助控制接口數(shù)控系統(tǒng)輔助功效即MST功效，它對(duì)強(qiáng)電箱控制聯(lián)絡(luò)是經(jīng)過開關(guān)量輸入/輸出接口完成（除S模擬量輸出接口外），MST功效開關(guān)量控制邏輯關(guān)系復(fù)雜，普通采取可編程控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)MST功效。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第33頁

7.3CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與插補(bǔ)算法CNC系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件為軟件運(yùn)行提供支持環(huán)境，軟件是CNC系統(tǒng)關(guān)鍵。6.3.1CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)1.CNC系統(tǒng)軟件組成

CNC系統(tǒng)軟件包含管理軟件和控制軟件，如圖7-2所表示:計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第34頁

圖7-2CNC系統(tǒng)軟件組成計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第35頁

2.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式所謂結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式要處理問題是怎樣組織和協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)執(zhí)行，使之滿足一定時(shí)序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)各種控制要求。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第36頁

當(dāng)前CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式有以下幾個(gè)：⑴前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式

這種模式將系統(tǒng)軟件劃分為前臺(tái)程序和后臺(tái)程序.前臺(tái)程序主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診療、PLC控制等實(shí)時(shí)性很強(qiáng)任務(wù)，它是個(gè)實(shí)時(shí)中止服務(wù)程序，以一定周期定時(shí)發(fā)生，中止周期普通小于10ms。

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第37頁

后臺(tái)程序也稱背景程序，用來完成顯示、零件加工程序編輯管理、系統(tǒng)輸入輸出、插補(bǔ)預(yù)處理（譯碼、刀補(bǔ)處理、速度預(yù)處理）等弱實(shí)時(shí)性任務(wù)，它是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過程中，不停地定時(shí)被前臺(tái)中止程序所打斷。前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系見圖7-3所表示

:計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第38頁

圖7-3前后臺(tái)程序運(yùn)行關(guān)系圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第39頁

前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式特點(diǎn):這種結(jié)構(gòu)任務(wù)調(diào)度機(jī)制在前后臺(tái)程序之間，前臺(tái)程序是優(yōu)先搶占式。在前、后臺(tái)程序內(nèi)部，各子任務(wù)則采取次序調(diào)度，無搶占機(jī)制，因而該結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性差，早期CNC系統(tǒng)大都采取這種結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第40頁

⑵中止型結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)除初始化程序外，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)模塊分別安排在不一樣級(jí)別中止服務(wù)程序中，由中止管理系統(tǒng)對(duì)各級(jí)中止服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理，如圖7-4所表示。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第41頁

圖7-4中止型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第42頁

中止型結(jié)構(gòu)模式特點(diǎn):該結(jié)構(gòu)中任務(wù)調(diào)度機(jī)制均采取優(yōu)先搶占調(diào)度，所以系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，但中止級(jí)別較多（最多可達(dá)8級(jí)），模塊關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對(duì)系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)充。20世紀(jì)80至90年代初CNC系統(tǒng)大多采取這種結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第43頁

⑶基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（PTOS）是操作系統(tǒng)一個(gè)主要分支，它除了含有通用操作系統(tǒng)功效外，還含有任務(wù)管理、各種實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制（如優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等）、任務(wù)間通信機(jī)制等功效。它優(yōu)點(diǎn)是弱化了功效模塊間耦合關(guān)系、系統(tǒng)開放性和可維護(hù)性好，能大大降低系統(tǒng)開發(fā)工作量。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第44頁

當(dāng)前，采取實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模式開發(fā)方法有兩種：①在商品化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下開發(fā)CNC系統(tǒng)軟件。②將通用PC機(jī)操作系統(tǒng)（DOS、WINDOWS）擴(kuò)充擴(kuò)展成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)CNC系統(tǒng)軟件。后一個(gè)方法是國內(nèi)廠家當(dāng)前常采取方法。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第45頁

7.3.2CNC系統(tǒng)插補(bǔ)算法眾所周知，零件輪廓形狀是由各種線形（如直線、園弧、拋物線、螺旋線、自由曲線等）組成，其中最主要是直線和園弧。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第46頁

而在零件加工程序中，普通僅提供描述該線形所必須相關(guān)參數(shù)，如對(duì)直線，僅提供其起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)；對(duì)于園弧，僅提供起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)、園心相對(duì)于起點(diǎn)位置以及順園弧或逆園弧，所以為了實(shí)現(xiàn)軌跡控制就必須在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)地計(jì)算出滿足線形和進(jìn)給要求若干中間點(diǎn)位置，即進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第47頁

當(dāng)前慣用插補(bǔ)方法有脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)。1.脈沖增量插補(bǔ)脈沖增量插補(bǔ)也稱為行程增量插補(bǔ)，每次插補(bǔ)結(jié)果僅產(chǎn)生一個(gè)單位行程增量（一個(gè)脈沖當(dāng)量），以一個(gè)個(gè)脈沖方式輸出給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

其基本思想是用折線來迫近曲線（包含直線）。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第48頁

脈沖增量插補(bǔ)特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)方法較簡(jiǎn)單，通常僅用加法和移位運(yùn)算方法就可完成插補(bǔ)，輕易用硬件來實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來完成。但這種方法進(jìn)給速度低，主要用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第49頁

脈沖增量插補(bǔ)算法慣用是逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。⑴逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法控制原理是：CNC系統(tǒng)在控制進(jìn)給過程中，逐點(diǎn)地計(jì)算和比較進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡與給定軌跡偏差，并依據(jù)偏差，控制進(jìn)給軸向給定輪廓靠近，縮小偏差，使加工輪廓迫近給定輪廓。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第50頁

逐點(diǎn)比較法精度逐點(diǎn)比較法以折線來迫近直線或園弧曲線，它與給定直線或園弧之間最大誤差不超出一個(gè)脈沖當(dāng)量，只要脈沖當(dāng)量取得足夠小，就可到達(dá)加工精度要求。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第51頁

（1）直線插補(bǔ)假設(shè)加工如圖7-5所表示第一象限直線OE，已知直線OE起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為E（Xe，Ye）。

圖7-5第一象限直線插補(bǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第52頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第53頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第54頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第55頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第56頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第57頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第58頁

圖7-6第一象限直線插補(bǔ)流程圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第59頁

總而言之，逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)過程中，每走一步要進(jìn)行四個(gè)步驟：第一步：比較判別，確定F≥0還是F＜0；第二步：進(jìn)給，當(dāng)F≥0時(shí)向+X方向進(jìn)給一步；當(dāng)F＜0時(shí)向+Y方向進(jìn)給一步；第三步：計(jì)算，計(jì)算新F、N值；第四步：終點(diǎn)判斷，判斷N是否為0，當(dāng)N=0時(shí)，則結(jié)束插補(bǔ)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第60頁

其它象限直線插補(bǔ)其它象限直線插補(bǔ)與第一象限直線插補(bǔ)方法相同，只是進(jìn)給方向由象限判別標(biāo)志（終點(diǎn)坐標(biāo)正、負(fù)號(hào)）控制。四個(gè)象限步進(jìn)方向與插補(bǔ)流程圖分別見圖7-7、圖7-8所表示。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第61頁

圖7-7四象限步進(jìn)方向

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第62頁

圖7-8四象限直線插補(bǔ)流程圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第63頁

②園弧插補(bǔ)設(shè)要加工圖7-9所表示第一象限逆時(shí)針走向園弧，園心坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)為A（Xo，Yo），終點(diǎn)為E（Xe，Ye）。

圖7-9第一象限逆園弧插補(bǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第64頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第65頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第66頁

第一象限逆園弧插補(bǔ)流程圖7-10計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第67頁

實(shí)際上因?yàn)閳@弧所在象限不一樣，逆順不一樣，插補(bǔ)計(jì)算公式和動(dòng)點(diǎn)進(jìn)給方向也均不相同，所以，園弧插補(bǔ)有八種情況，如圖7-11所表示為園弧插補(bǔ)四個(gè)象限動(dòng)點(diǎn)走向。

圖7-11園弧插補(bǔ)四個(gè)象限動(dòng)點(diǎn)走向計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第68頁

⑵數(shù)字積分法數(shù)字積分插補(bǔ)法最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快、脈沖分配均勻、輕易實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)和二次曲線，甚至高次曲線插補(bǔ)，但計(jì)算比較復(fù)雜。伴隨數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)功效發(fā)展強(qiáng)大，采取軟件插補(bǔ)所需時(shí)間越來越短，近年來才得到較多應(yīng)用。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第69頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第70頁

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第71頁②數(shù)字積分器（DDA）直線插補(bǔ)

設(shè)加工直線OE，如圖7-13所表示，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為E（Xe,Ye），假定進(jìn)給速度V是均勻，則有：式中K為百分比常數(shù)。圖7-13直線OEDDA插補(bǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第72頁

動(dòng)點(diǎn)從原點(diǎn)走向終點(diǎn)E過程，能夠看作是各坐標(biāo)軸線每經(jīng)過一個(gè)單位時(shí)間間隔

t（

t=1）就分別以增量kXe、kYe同時(shí)累加結(jié)果。也能夠說，數(shù)字積分法插補(bǔ)實(shí)際上是利用速度分量進(jìn)行數(shù)字積分（累加）來確定動(dòng)點(diǎn)在各個(gè)坐標(biāo)軸上坐標(biāo)值過程：計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第73頁

取

ti=1（一個(gè)單位時(shí)間間隔），并假定經(jīng)過n次累加后，動(dòng)點(diǎn)恰好抵達(dá)終點(diǎn)E（Xe,Ye）,則上式可變?yōu)椋?/p>

由此可得：kn=1或n=1/k上式表明百分比常數(shù)k與累加次數(shù)n之間關(guān)系，n必須取整數(shù)，則k必定是小數(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第74頁

為了確保一個(gè)單位時(shí)間間隔（

t=1）內(nèi)每次進(jìn)給增量

X、

Y不超出一個(gè)單位脈沖當(dāng)量，則：上式中Xe、Ye最大允許值分別受系統(tǒng)中Jxe、Jye存放器容量限制，假定存放器容量為N位，則Xe及Ye最大允許數(shù)字量為2N－1，將其代入上式中Xe、Ye，則可得到：k（2N－1）＜1，即k＜1/(2N－1)取k＝1/2N，則累加次數(shù)n為：n＝1/k＝2N總而言之，X、Y經(jīng)過n＝2N次累加后，動(dòng)點(diǎn)恰好抵達(dá)終點(diǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第75頁

Jx(x)--存放X坐標(biāo)終點(diǎn)值XeJy(y)--存放Y坐標(biāo)終點(diǎn)值YeJRx--存放X坐標(biāo)(X=∑

X)累加余數(shù)JRy--存放Y坐標(biāo)(Y=∑

Y)累加余數(shù)數(shù)字積分（DDA）直線插補(bǔ)器如圖7－14所表示，它含有四條位移存放器：圖7-14DDA直線插補(bǔ)器框圖

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第76頁

當(dāng)累加結(jié)果X＝∑

X＞1或Y＝∑

Y＞1時(shí)，其整數(shù)部分以溢出方式丟失，小數(shù)部分則保留在對(duì)應(yīng)存放器JRx或JRy中，留待下一次累加。每當(dāng)JRx或JRy出現(xiàn)一個(gè)溢出脈沖時(shí)，則分別向X軸或Y軸分配一個(gè)進(jìn)給脈沖

X和

Y，使X軸或Y軸移動(dòng)一步，直至抵達(dá)終點(diǎn)。終點(diǎn)判別可由累加次數(shù)n決定。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第77頁

③數(shù)字積分器園弧插補(bǔ)設(shè)加工如圖7-15所表示逆園弧，園心為坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)為A(Xo,Yo)，終點(diǎn)為E(Xe,Ye)，半徑為R，動(dòng)點(diǎn)P(X,Y)進(jìn)給速度V均勻,則存在以下關(guān)系式：其中：K為百分比常數(shù)。圖7-15第一象限逆園弧插補(bǔ)

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第78頁

在單位時(shí)間增量

t(

t=1)內(nèi)，坐標(biāo)軸方向位移增量則為：

（負(fù)號(hào)表示加工逆園弧時(shí)向-X方向移動(dòng)）取

則第一象限逆園弧插補(bǔ)計(jì)算公式為：（N為累加存放器容量（N）位）計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第79頁

顯然，園弧插補(bǔ)是對(duì)動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)累加，園弧插補(bǔ)器框圖如圖7-16所表示。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第80頁

插補(bǔ)過程以下：運(yùn)算開始Jx(x)、Jy(y)中分別存放動(dòng)點(diǎn)P(X,Y)初值Xo,Yo；；X和Y積分累加存放器每溢出一個(gè)脈沖，X軸和Y軸就分別沿-X方向和+Y方向進(jìn)給一步；每進(jìn)給一步，被積函數(shù)存放器中坐標(biāo)值就被修正一次，即JRx每溢出一個(gè)

X脈沖，Jy(y)存放器中值就加“1”；反之，JRy每溢出一個(gè)

Y脈沖，Jx(x)存放器中值就減“1”。（因動(dòng)點(diǎn)作逆園運(yùn)動(dòng)，X作負(fù)向進(jìn)給）。在插補(bǔ)過程中被積函數(shù)存放器中存放是動(dòng)點(diǎn)P（X,Y）瞬時(shí)坐標(biāo)值。圖7-16DDA園弧插補(bǔ)器框圖計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第81頁

園弧插補(bǔ)終點(diǎn)判別可用隨時(shí)計(jì)算出坐標(biāo)軸位置X=∑

X，Y=∑

Y與終點(diǎn)E(Xe,Ye)坐標(biāo)值比較來實(shí)現(xiàn)。也可采取兩個(gè)終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器來分別累計(jì)兩坐標(biāo)軸進(jìn)給脈沖數(shù)，每走一步對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸終點(diǎn)計(jì)數(shù)器便減“1”，當(dāng)兩計(jì)數(shù)器均減盡為“0”時(shí)，即抵達(dá)終點(diǎn)，發(fā)出插補(bǔ)完成信號(hào)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第82頁

2.數(shù)字增量插補(bǔ)數(shù)字增量插補(bǔ)也稱數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)或時(shí)間分割法插補(bǔ)（時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)）。插補(bǔ)程序以一定時(shí)間間隔（插補(bǔ)周期）運(yùn)行，在每個(gè)周期內(nèi)，依據(jù)進(jìn)給速度計(jì)算出各坐標(biāo)軸在下一插補(bǔ)周期內(nèi)位移增量（數(shù)字量），這種增量不是單個(gè)脈沖，而是對(duì)應(yīng)動(dòng)點(diǎn)命令位置坐標(biāo)。其基本思想是用首尾相連微小直線段（內(nèi)接弦線，內(nèi)外均差弦線、切線）來迫近給定曲線（包含直線）。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第83頁

為了提升精度，數(shù)字增量插補(bǔ)分兩步進(jìn)行。將曲線分割成微小直線段過程稱為粗插補(bǔ)；對(duì)每個(gè)微小直線段進(jìn)行密化過程稱為精插補(bǔ)。這種插補(bǔ)運(yùn)算速度對(duì)進(jìn)給速度影響小，因而可實(shí)現(xiàn)較高進(jìn)給速度，但計(jì)算比較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度有一定要求，當(dāng)代CNC系統(tǒng)，大多采取這類插補(bǔ)方法。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第84頁

⑴插補(bǔ)周期T與位置控制周期TC插補(bǔ)周期T是CNC系統(tǒng)調(diào)用插補(bǔ)程序時(shí)間間隔；位置控制周期TC是位置反饋裝置采樣時(shí)間間隔，也稱為采樣周期。T與TC是采取數(shù)字增量插補(bǔ)CNC系統(tǒng)中兩個(gè)主要時(shí)間參數(shù)，一旦系統(tǒng)給定，則這兩個(gè)參數(shù)也就確定了。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第85頁

直線插補(bǔ)時(shí)，這類插補(bǔ)法用微小直線段來迫近直線，不會(huì)產(chǎn)生誤差。但對(duì)曲線插補(bǔ)時(shí)，如圖7-17所表示，用弦來迫近園弧，則最大半徑誤差為：①插補(bǔ)周期T與進(jìn)給速度V、加工精度之間關(guān)系圖7-17用弦迫近園弧計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第86頁因代入上式則：由此可知，插補(bǔ)周期T與進(jìn)給速度V、園弧半徑R、迫近誤差

相關(guān)。當(dāng)V、R一定時(shí)，T越小，也越??；當(dāng)

、R一定時(shí)，T越小，則允許進(jìn)給速度V就越大。實(shí)際上，插補(bǔ)周期T受插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間、位置控制周期限制，它是固定，所以為了減小誤差，常對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行限制，以滿足精度要求。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第87頁

②插補(bǔ)周期T與插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間、位置控制周期Tc關(guān)系。CNC系統(tǒng)對(duì)各種線形采取插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)一旦確定，則該系統(tǒng)中插補(bǔ)運(yùn)算所需最長(zhǎng)時(shí)間也就確定了，顯然，插補(bǔ)周期必須大于該時(shí)間。對(duì)分時(shí)共享CNC系統(tǒng)，插補(bǔ)周期普通應(yīng)為最長(zhǎng)插補(bǔ)時(shí)間2倍以上，因CPU除進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算外，還需執(zhí)行其它任務(wù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之CNC系統(tǒng)第88頁

因?yàn)椴逖a(bǔ)運(yùn)算輸出是位置控制輸入，所以，為了協(xié)調(diào)工作，插補(bǔ)周期T要么與位置控制周期Tc相等，要么T為Tc整數(shù)倍。日本FANUCTM系統(tǒng)插補(bǔ)周期T為8ms，位置控制周期Tc為4