數(shù)控技術(shù)-計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置

本章內(nèi)容概述CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)CNC裝置的插補(bǔ)原理

刀具半徑補(bǔ)償與加減速控制數(shù)控系統(tǒng)中的PLCCNC系統(tǒng)的接口電路1.1概述CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置，是由硬件和軟件兩大部分組成的。1.1.1CNC系統(tǒng)組成主軸電機(jī)進(jìn)給伺服電機(jī)電子手輪I/O模塊等機(jī)床控制面板CNC鍵盤驅(qū)動系統(tǒng)1.1概述輸入信息譯碼數(shù)據(jù)處理插補(bǔ)信息輸出，將各個坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電機(jī)，帶動各軸運(yùn)動

實(shí)時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。1.1.2CNC系統(tǒng)工作過程

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——磁盤輸入、光盤輸入、鍵盤輸入、通訊接口輸入及連接上位計(jì)算機(jī)的DNC接口輸入1）輸入2）譯碼：以一個程序段為單位，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：刀具補(bǔ)償、速度計(jì)算以及輔助功能的處理等。

4）插補(bǔ)：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)際反饋位置比較，用差值去控制進(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、操作和其他錯誤狀態(tài)。

1.1概述CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段。數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能。1.1.3CNC裝置的功能（1）控制功能CNC裝置可控制的軸數(shù)以及同時控制的軸數(shù)。有移動軸和轉(zhuǎn)動軸，有基本軸和附加軸?？刂频妮S數(shù)越多，CNC裝置越復(fù)雜。（2）準(zhǔn)備功能(G)也稱G功能，用來指定機(jī)床的動作方式，包括基本移動、平面選擇、準(zhǔn)備設(shè)定、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等。基本功能1.1概述（3）插補(bǔ)功能CNC通過插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的運(yùn)動。插補(bǔ)分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)。粗插補(bǔ)是由軟件計(jì)算出每個插補(bǔ)周期所走的線段長度；精插補(bǔ)由硬件完成線段長度所對應(yīng)的脈沖當(dāng)量數(shù)的逼近。（4）進(jìn)給功能(F)進(jìn)給速度的控制功能。切削進(jìn)給速度：控制刀具相對工件的運(yùn)動速度，單位為mm/min?；竟δ?.1概述（4）進(jìn)給功能(F)同步進(jìn)給速度：以主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量規(guī)定進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步，主軸需要安裝編碼器，用于切削螺紋單位為mm/r?？焖龠M(jìn)給速度：G00指令。進(jìn)給倍率：人工實(shí)時調(diào)整預(yù)先給定的進(jìn)給速度，可以通過進(jìn)給賠率開關(guān)或者軟件實(shí)現(xiàn)。基本功能1.1概述（5）主軸功能(S)是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能，單位r/min。用于指定主軸的起停轉(zhuǎn)向，冷卻泵的通和斷、刀庫的起停等功能，M00-M99。用來選擇刀具的功能，用T和其后的2位或4位數(shù)字表示。（6）輔助功能(M)（7）刀具功能(T)基本功能1.1概述基本功能（8）字符圖形顯示功能通過顯示器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示，可以顯示程序、參數(shù)、坐標(biāo)等，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際加工軌跡的實(shí)時顯示。CNC自動實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能。開機(jī)自診斷；在線自診斷；離線自診斷；遠(yuǎn)程通訊診斷。（9）自診斷功能1.1概述選擇功能（1）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。1.1概述選擇功能是數(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。（2）固定循環(huán)功能RS232、DNC接口、網(wǎng)絡(luò)接口。（3）通訊功能（4）人機(jī)對話編程功能1.1概述幾種典型的數(shù)控系統(tǒng)日本FANUC的CNC裝置德國SIMENS的CNC裝置美國A-B公司CNC裝置北京數(shù)控設(shè)備廠的CNC裝置廣州數(shù)控CNC裝置華中數(shù)控CNC裝置1.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)按其中含有CPU的多少可分為：

單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)；按電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：

大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)本節(jié)主要介紹：1）單微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

2）多微處理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

3）開放式CNC系統(tǒng)1.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)CPUROM/EPROMRAMI/O接口可編程控制器MDI/CRT

接口位置

控制單元通訊接口總線單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖主軸

控制單元其他接口1.2.1單微處理器硬件結(jié)構(gòu)1.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)組成：

微處理器（運(yùn)算、控制）、存儲器、總線、接口微處理器數(shù)控裝置:

以一個CPU（中央處理器）為核心，CPU通過總線與存儲器和各種接口相連接，采取集中控制、分時處理的工作方式，完成數(shù)控加工各個任務(wù)。一個微處理器完成所有的功能采用總線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)功能受限制1.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)只讀存儲器（ROM）：系統(tǒng)程序隨機(jī)存儲器（RAM）：運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息CMOSRAM或磁泡存儲器：加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存儲器1.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)位置控制單元

在一個數(shù)控系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理器，分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)控功能。1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.2.2多微處理器硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。80x86CPU51系列單片機(jī)FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）DSP（數(shù)字信號處理器）ARM（AdvancedRISCMachines）架構(gòu)處理器（RISC：ReducedInstructionSetComputing，精簡指令運(yùn)算集）1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.2.2多微處理器硬件結(jié)構(gòu)處理器類型1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1.2.2多微處理器硬件結(jié)構(gòu)多微處理器典型結(jié)構(gòu):共享總線型共享存儲器型混合型結(jié)構(gòu)多微處理器結(jié)構(gòu)是指在系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的微處理器能控制系統(tǒng)總線、或主存儲器進(jìn)行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)CNC系統(tǒng)均采用多微處理器結(jié)構(gòu)。緊耦合結(jié)構(gòu)：兩個或兩個以上的微處理器構(gòu)成的處理部件之間采用緊耦合（相關(guān)性強(qiáng)），有集中的操作系統(tǒng)，共享資源。松耦合結(jié)構(gòu)：兩個或兩個以上的微處理器構(gòu)成的功能模塊之間采用松耦合（具有相對獨(dú)立性或相關(guān)性弱），有多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)通過總線連接系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊。主模塊控制系統(tǒng)總線，各模塊通過仲裁電路判別各模塊的優(yōu)先級，進(jìn)而共享總線資源。共享總線結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)多CPU共享存儲器框圖公共存儲器I/O(CPU)CRT(CPU)軸控制（CPU）插補(bǔ)(CPU)來自機(jī)床的控制信號輸出至機(jī)床的控制信號采用多端口存儲器來實(shí)現(xiàn)各微處理器之間的相互連接和通信，每個端口都配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問。1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)顯示器CPU存儲器網(wǎng)卡傳感/執(zhí)行器應(yīng)用層功能層設(shè)備層I/O模塊多軸運(yùn)動控制器驅(qū)動器驅(qū)動器驅(qū)動器X軸電機(jī)Y軸電機(jī)Z軸電機(jī)機(jī)床本體ISA/PC104/PCI總線1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)ARM+DSP嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)M、S、T等指令主軸電機(jī)外圍網(wǎng)絡(luò)接口USB接口鍵盤接口顯示接口存儲接口......插補(bǔ)單元補(bǔ)償單元位控單元G代碼伺服單元進(jìn)給電機(jī)ARMPLC軟核操作系統(tǒng)DSP接口FPGA代碼解釋模塊1.2.3開放式CNC系統(tǒng)1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可移植性：系統(tǒng)的應(yīng)用模塊無需經(jīng)過任何改變就可以 用于另一平臺，仍然保持原有特性?？蓴U(kuò)展性：不同應(yīng)用模塊可在同一平臺上運(yùn)行?？蓞f(xié)同性：不同應(yīng)用模塊能夠協(xié)同工作，并以確定方

式交換數(shù)據(jù)。規(guī)?？勺冃裕簯?yīng)用模塊的功能和性能以及硬件的規(guī)模 可按照需要調(diào)整。開放的含義1.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元PC機(jī)結(jié)構(gòu)4.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分層式多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)4.2CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征模塊化數(shù)控功能的模塊化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模塊化標(biāo)準(zhǔn)化平臺無關(guān)性：指控制器不依賴特定的硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺，控制器與計(jì)算機(jī)平臺之間有明確的接口。可再次開發(fā)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式1.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。

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(jī)交互位置控制輸入輸出管理插補(bǔ)運(yùn)算故障診斷處理速度處理機(jī)床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補(bǔ)償......1.3.1CNC系統(tǒng)軟件的組成1.3.2CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多任務(wù)并行處理多任務(wù)性：顯示、譯碼、刀補(bǔ)、速度處理、插補(bǔ)處理、位置控制、…并行處理：系統(tǒng)在同一時間間隔或同一時刻內(nèi)完成兩個或兩個以上任務(wù)處理。并行處理的實(shí)現(xiàn)方式：☆資源分時共享（單CPU）☆資源重疊流水處理（多CPU）1.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)實(shí)時中斷處理CNC中斷管理主要由硬件完成，系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。CNC系統(tǒng)的中斷類型有以下幾種。外部中斷：主要有外部監(jiān)控中斷和鍵盤及操作面板中斷。內(nèi)部定時中斷：主要有插補(bǔ)周期定時中斷和位置采樣定時中斷。硬件故障中斷：各種硬件故障檢閱裝置發(fā)出的中斷。程序性中斷：程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報警中斷。1.3.2CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）前后臺型軟件結(jié)構(gòu)將整個CNC軟件分為前臺程序和后臺程序1.3.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)前臺程序:

主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、故障診斷等實(shí)時性很強(qiáng)的任務(wù)，它是實(shí)時中斷程序。后臺程序(背景程序):

完成準(zhǔn)備工作和管理工作，如顯示、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)時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運(yùn)行的程序，其在運(yùn)行過程中，不斷地定時被前臺中斷程序所打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。（2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)1.3.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件和軟件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。整個軟件就是一個大的中斷管理系統(tǒng)。1.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.4.1概述插補(bǔ)實(shí)質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計(jì)算出刀具的一系列加工點(diǎn)、完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)工作的裝置稱為插補(bǔ)器。根據(jù)插補(bǔ)器的結(jié)構(gòu)不同可分為硬件插補(bǔ)器和軟件插補(bǔ)器?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大多采用軟件插補(bǔ)或軟硬件插補(bǔ)相結(jié)合的方法。插補(bǔ)器按數(shù)學(xué)模型來分類，可分為一次插補(bǔ)器、二次插補(bǔ)器及高次曲線插補(bǔ)器等，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都具有直線插補(bǔ)器和圓弧插補(bǔ)器。根據(jù)插補(bǔ)所采用的原理和計(jì)算方法的不同，目前應(yīng)用的插補(bǔ)方法分為兩類：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)。1.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.4.1概述脈沖增量插補(bǔ)又稱基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)，其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束在一個軸上僅產(chǎn)生單個的行程增量，以一個脈沖的方式輸出，實(shí)現(xiàn)一個脈沖當(dāng)量的位移。脈沖當(dāng)量：一個脈沖所對應(yīng)的坐標(biāo)軸的移動量。常用的方法：逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法，一般用硬件實(shí)現(xiàn)。（1）脈沖增量插補(bǔ)1.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.4.1概述數(shù)字增量插補(bǔ)又稱數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，其特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成。第一步是粗插補(bǔ)：時間分割，把加工一段直線或圓弧的整段時間細(xì)分為許多相等的時間間隔，稱為插補(bǔ)周期T。在每個T內(nèi)，計(jì)算輪廓步長l＝F·T，將輪廓曲線分割為若干條長度為輪廓步長

l的微小直線段。（2）數(shù)字增量插補(bǔ)l＝F·T第二步精插補(bǔ)：在粗插補(bǔ)算出的每一微小直線段的基礎(chǔ)上再作“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作。一般將粗插補(bǔ)運(yùn)算稱為插補(bǔ)，由軟件完成；精插補(bǔ)可由軟件、硬件實(shí)現(xiàn)。1.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.4.1概述著重解決兩個問題：1.如何選擇插補(bǔ)周期T？2.如何計(jì)算在一個插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的增量值△x或△y？（2）數(shù)字增量插補(bǔ)l＝F·T1.4CNC裝置的插補(bǔ)原理1.4.2脈沖增量插補(bǔ)原理：每次向一個坐標(biāo)軸輸出1個進(jìn)給脈沖，每走一步將點(diǎn)的瞬時坐標(biāo)與理想軌跡比較，判斷實(shí)際點(diǎn)與理想軌跡的偏移位置，通過偏差函數(shù)計(jì)算二者偏差，決定下步進(jìn)給方向（誤差小的方向）。（1）逐點(diǎn)比較法（代數(shù)運(yùn)算法、醉步法）坐標(biāo)進(jìn)給偏差判別偏差計(jì)算終點(diǎn)判別每進(jìn)給一步需要四個節(jié)拍：第Ⅰ象限一待加工直線，起點(diǎn):坐標(biāo)原點(diǎn)O，終點(diǎn):A（xe，ye），動點(diǎn)P（xi，yi），則直線方程為即：逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)1）Fi≥0時，向＋X方向進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量，到達(dá)點(diǎn)Pi＋1，此時xi＋1=xi＋1，則點(diǎn)Pi＋1的偏差判別函數(shù)Fi+1為

令為偏差判別函數(shù)，則有：偏差判別：Fi=0時，動點(diǎn)在直線上；Fi>0時，動點(diǎn)在直線上方；Fi<0時，動點(diǎn)在直線下方。

坐標(biāo)進(jìn)給：偏差計(jì)算：2）當(dāng)Fi＜0時，向＋Y方向進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量，到達(dá)點(diǎn)Pi＋1，此時yi+1=yi＋1，則點(diǎn)Pi＋1的偏差判別函數(shù)Fi+1為可見：新加工點(diǎn)的偏差Fi+1是由前一個加工點(diǎn)的偏差Fi和終點(diǎn)的坐標(biāo)值遞推出來的，如果按前兩式計(jì)算偏差，則計(jì)算大為簡化。偏差計(jì)算：第一拍判別第二拍進(jìn)給第三拍運(yùn)算第四拍比較總結(jié)：終點(diǎn)判別三種方法：判別插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)：N=Xe+Ye分別判別各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)僅判斷進(jìn)給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。終點(diǎn)判別：第Ⅰ象限直線插補(bǔ)流程圖NYyn+Y向走一步初始化xe→Xye→YE=Xe+YeF≥0？+X向走一步E=0？結(jié)束起始F←F+XF←F-YE←E-1例1:設(shè)加工第Ⅰ象限直線，起點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)O，終點(diǎn)A（6,4），用逐點(diǎn)比較法對其進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡。解：終點(diǎn)判別寄存器E＝6＋4=10，每進(jìn)給一步減1，E=0時停止插補(bǔ)。XYOA步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)

F0=0E=101F0=0＋XF1=F0－ye=0－4=－4E=10－1=92F1＜0＋YF2=F1＋xe=－4＋6=2E=9－1=83F2＞0＋XF3=F2－ye=2－4=－2E=8－1=74F3＜0＋YF4=F3＋xe=－2＋6=4E=7－1=65F4＞0＋XF5=F4－ye=4－4=0E=6－1=56F5=0＋XF6=F5－ye=0－4=－4E=5－1=47F6＜0＋YF7=F6＋xe=－4＋6=2E=4－1=38F7＞0＋XF8=F7－ye=2－4=－2E=3－1=29F8＜0＋YF9=F8＋xe=－2＋6=4E=2－1=110F9＞0＋XF10=F5，4－ye=4－4=0E=1－1=0坐標(biāo)變換：其他各象限直線點(diǎn)的坐標(biāo)取絕對值，這樣，插補(bǔ)計(jì)算公式和流程圖與第一象限直線一樣。

Fi+1=Fi-|ye|Fi+1=Fi+|xe|逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)圓弧AB的圓心O（0，0），半徑R，加工點(diǎn)坐標(biāo)為P（xi，yi），則圓弧插補(bǔ)偏差判別函數(shù)為：Fi＝0時，點(diǎn)在圓弧上；Fi＞0時，點(diǎn)在圓弧外；Fi＜0時，點(diǎn)在圓弧內(nèi)。偏差判別：1．插補(bǔ)第Ⅰ象限逆圓弧坐標(biāo)進(jìn)給：偏差計(jì)算：1）Fi

≥0時，向-X方向進(jìn)給一步。2）Fi＜0時，向+Y方向進(jìn)給一步。坐標(biāo)進(jìn)給：偏差計(jì)算：2．插補(bǔ)第Ⅰ象限順圓弧1）Fi

≥0時，向-Y方向進(jìn)給一步。坐標(biāo)進(jìn)給：偏差計(jì)算：2）Fi

＜0時，向+X方向進(jìn)給一步。坐標(biāo)進(jìn)給：偏差計(jì)算：注意：xi、yi的值在插補(bǔ)過程中是變化的，這一點(diǎn)與直線插補(bǔ)不同。終點(diǎn)判別：判別插補(bǔ)或進(jìn)給的總步數(shù)分別判別各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)Fi,j≥0Fi,j≥0Fi,j<0Fi,j<0逆圓逆圓逆圓順圓順圓順圓逆圓順圓OXYFi,j<0Fi,j<0Fi,j<0Fi,j<0Fi,j<0Fi,j<0Fi,j≥0Fi,j≥0Fi,j≥0Fi,j≥0Fi,j≥0Fi,j≥0其他象限圓弧插補(bǔ)的方法?1）分別處理法2）坐標(biāo)變換法（常用）(0,6)(6,0)例:

F0=0E＝6＋6=12偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判斷步數(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)判斷起點(diǎn)

F0=0x0=6y0=0E=121F0=0－XF1=F0－2x0＋1=0－12＋1=－11x1=6－1=5y1=0E=112F1＜0＋YF2=F1＋2y1＋1=－11＋0＋1=－10x2=5y2=0＋1=1E=103F2＜0＋YF3=F2＋2y2＋1=－10＋2＋1=－7x3=5y3=1＋1=2E=94F3＜0＋YF4=F3＋2y3＋1=－7＋4＋1=－2x4=5y4=2＋1=3E=85F4＜0＋YF5=F4＋2y4＋1=－2＋6＋1=5x5=5y5=3＋1=4E=76F5＞0－XF6=F5－2x5＋1=5－10＋1=－4x6=5－1=4y6=4E=67F6＜0＋YF7=F6＋2y6＋1=－4＋8＋1=5x7=4y7=4＋1=5E=58F7＞0－XF8=F7－2x7＋1=5－8＋1=－2x8=4－1=3y8=5E=49F8＜0＋YF9=F8＋2y8＋1=－2＋10＋1=9x9=3y9=5＋1=6E=310F9＞0－XF10=F9－2x9＋1=9－6＋1=4x10=3－1=2y10=6E=211F10＞0－XF11=F10－2x10＋1=4－4＋1=1x11=2－1=1y11=6E=112F11＞0－XF12=F11－2x11＋1=1－2＋1=0x12=1－1=0y12=6E=0由高等數(shù)學(xué)可知，求函數(shù)y=f（x）對x的積分運(yùn)算，從幾何概念上講，是求此函數(shù)曲線與X軸在積分區(qū)間所包圍的面積F。

DDA插補(bǔ)基本原理:數(shù)字積分法求面積F可以轉(zhuǎn)化成

數(shù)字運(yùn)算時，一般取Δx為單位“1”，即1個脈沖當(dāng)量，則函數(shù)的積分運(yùn)算變成了對變量的求和運(yùn)算，設(shè)累加器容量為一個單位面積值，則溢出脈沖總數(shù)為所求面積。起點(diǎn)O（0,0），終點(diǎn)A（xe

,ye），設(shè)進(jìn)給速度V是均勻的，直線長度L，則有DDA法直線插補(bǔ)動點(diǎn)從原點(diǎn)走向終點(diǎn)，可看作是各坐標(biāo)每經(jīng)過一個△t分別以增量kxe、kye同時累加的結(jié)果。設(shè)經(jīng)過m次累加后，X和Y方向都到達(dá)終點(diǎn)A（xe

,ye），則：

取△t＝1mk=1m必須是整數(shù)，所以k為小數(shù)。選取k時考慮△x、△y≤1，保證坐標(biāo)軸上每次分配的進(jìn)給脈沖不超過1個單位（一般為1個脈沖當(dāng)量）。xe

、ye最大值（寄存器位數(shù)n）為2n－1，所以一般取

DDA直線插補(bǔ)整個過程需要2n次累加能到達(dá)終點(diǎn)k（2n－1）<1，則：m＝2nX—Y平面的DDA直線插補(bǔ)器的示意圖：tY軸溢出脈沖X軸溢出脈沖+被積函數(shù)寄存器JVY（ye）Y積分累加器JRYX積分累加器JRX被積函數(shù)寄存器JVX（xe

）+控制脈沖直線插補(bǔ)終點(diǎn)判別：

m=2n為終點(diǎn)判別依據(jù)例：設(shè)直線起點(diǎn)在原點(diǎn)O（0，0），終點(diǎn)A（8，6），采用四位寄存器，寫出直線DDA插補(bǔ)過程并畫出插補(bǔ)軌跡。解：m＝24＝16。累加次數(shù)

mJVX（存xe

）

JRX（∑xe）

△x

JVY（存ye）

JRY（∑ye）

△y

01000(8)000110(6)001

2

累加次數(shù)

mJVX（存xe

）

JRX（∑xe）

△x

JVY（存ye）

JRY（∑ye）

△y

01000000110001

10000

011002

00001

110003

10000

001014

00001

100005

10000

111006

00001

010017

10000

101008

00001

000019

10000

0110010

00001

1100011

10000

0010112

00001

1000013

10000

1110014

00001

0100115

10000

1000016

00001

00001第一象限逆圓弧刀具沿半徑為R的逆圓弧AB的切線方向進(jìn)給，速度為V，P（xi，yi）為動點(diǎn)，則：DDA法圓弧插補(bǔ)

當(dāng)?shù)毒哐貓A弧切線方向勻速進(jìn)給時，可認(rèn)為k為常數(shù)。在一個單位時間間隔△t內(nèi)，X和Y方向上的移動距離微小增量△x、△y應(yīng)為：-1+1JVY

控制脈沖ΔtY軸溢出脈沖X軸溢出脈沖+Y積分累加器JRYX積分累加器JRXJVX+ΔxΔy(yi)(xi)DDA法圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別：一般各軸各設(shè)一個終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器、分別判別是否到達(dá)終點(diǎn)。每進(jìn)給一步，相應(yīng)軸的終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器減l，當(dāng)各軸終點(diǎn)判別計(jì)數(shù)器都減為0時，停止插補(bǔ)。例5-5第一象限逆圓弧，起點(diǎn)A（5,0），終點(diǎn)B（0,5），用三位寄存器，寫出DDA插補(bǔ)過程并畫出插補(bǔ)軌跡。解：EX＝5，EY＝5，X和Y積分器有溢出時，EX、EY相應(yīng)減“1”，當(dāng)均為0時，插補(bǔ)結(jié)束。累加次數(shù)m

JVX（yj）

JRXxEX

JVY（xi）JRYyEY

012累加次數(shù)m

JVX（存yj）

JRXEX

JVY（存xi）JRYEY

0000（0）0000101101（5）0000101

1000000010110110101012000000010110101011002001（1）

3001001010110111101004001010010110110010114010（2）

5010100010110100110105011（3）

6011111010110111000107011010110010101110017100（4）

100（4）

8100110010010011100019100010101110001110009101（5）

011（3）

101011110011011

111010011001011

11

010（2）

121010011001010

10112

001（1）

101131011100001001

100141010011000001

1.4.3數(shù)字增量插補(bǔ)（數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)）基本原理粗插補(bǔ)：采用時間分割思想，根據(jù)進(jìn)給速度F和插補(bǔ)周期T，將廓型曲線分割成一段段的輪廓步長L,L=FT，然后計(jì)算出每個插補(bǔ)周期的坐標(biāo)增量。精插補(bǔ)：根據(jù)位置反饋采樣周期的大小，由伺服系統(tǒng)完成。插補(bǔ)周期和檢測采樣周期插補(bǔ)周期大于插補(bǔ)運(yùn)算時間與完成其它實(shí)時任務(wù)時間之和，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般為2~4ms，有的已達(dá)到零點(diǎn)幾毫秒。插補(bǔ)周期應(yīng)是位置反饋檢測采樣周期的整數(shù)倍。類型時間分割法插補(bǔ)：直線、圓弧擴(kuò)展DDA法：直線、圓弧1.5CNC裝置的刀具補(bǔ)償與加減速控制CNC裝置的刀具補(bǔ)償是將刀具垂直于刀具軌跡進(jìn)行位移，用來修正刀具實(shí)際半徑或直徑與其程序規(guī)定的值之差這種位置偏置有兩部分組成：刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。不同類型的機(jī)床與刀具，需要考慮的刀補(bǔ)參數(shù)也不同。對于銑刀而言，只需刀具半徑補(bǔ)償；對于鉆頭，只要一個坐標(biāo)長度補(bǔ)償；然而對于車刀，需要兩個坐標(biāo)長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償。1.5.1CNC裝置的刀具補(bǔ)償?shù)毒唛L度補(bǔ)償是用來實(shí)現(xiàn)刀尖圓弧中心軌跡與刀架中心軌跡之間的轉(zhuǎn)換1.不考慮刀具半徑補(bǔ)償2.考慮刀具半徑補(bǔ)償79刀具長度補(bǔ)償根據(jù)刀具參數(shù)P1的不同，刀具長度補(bǔ)償公式如下式中：XPF和ZPF為理論刀尖點(diǎn)相對于刀架參考點(diǎn)的坐標(biāo)；xP,zP為加工零件輪廓軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)；x，z為刀架參考點(diǎn)F的坐標(biāo)。1.5.1CNC裝置的刀具補(bǔ)償1.5.1CNC裝置的刀具補(bǔ)償?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償輪廓加工過程中，由于刀具有一定的半徑，刀具中心的運(yùn)動軌跡與工件輪廓是不一致的；偏移一個刀具半徑。-刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪^程⑴刀具補(bǔ)償建立⑵刀具補(bǔ)償進(jìn)行⑶刀具補(bǔ)償撤消1.5.1CNC裝置的刀具補(bǔ)償B功能刀具半徑補(bǔ)償：只根據(jù)本段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償，計(jì)算刀具中心的運(yùn)動軌跡。

B功能刀具半徑補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)：無法預(yù)計(jì)到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

C功能刀具補(bǔ)償：解決下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響問題。在計(jì)算完本段加工軌跡后，應(yīng)提前將下一段程序讀入，然后根據(jù)兩段軌跡之間的轉(zhuǎn)接具體情況，再對本段的加工軌跡作適當(dāng)?shù)男拚?，得到本段的正確加工軌跡。

動畫1.5.2CNC裝置的加減速控制目的：為保證機(jī)床在啟、停時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程和振蕩等現(xiàn)象；必須對進(jìn)給脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制。在機(jī)床加速啟動時，要使加在伺服電機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸增大；在機(jī)床減速停止時，使加在伺服電機(jī)上的進(jìn)給脈沖頻率或電壓逐漸減。實(shí)現(xiàn)：采用軟件實(shí)現(xiàn)前加減速控制：放在插補(bǔ)前進(jìn)行后加減速控制：放在插補(bǔ)后進(jìn)行前加減速控制優(yōu)點(diǎn)：只對編程指令速度F進(jìn)行控制，它不影響實(shí)際插補(bǔ)輸出的位置精度。缺點(diǎn)：要根據(jù)實(shí)際刀具位置與程序段終點(diǎn)之間的距離預(yù)測減速點(diǎn)，這種預(yù)測工作的計(jì)算量很大。穩(wěn)定速度和瞬時速度穩(wěn)定速度：指系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時，一個插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。瞬時速度：指系統(tǒng)在每個插補(bǔ)周期的進(jìn)給量。線性加減速處理終點(diǎn)判別處理：每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束后，系統(tǒng)都要根據(jù)各軸的插補(bǔ)進(jìn)給量計(jì)算刀具中心與本程序段終點(diǎn)的距離S，之后進(jìn)行終點(diǎn)判別。鏈接后加減速控制優(yōu)點(diǎn)：不需要專門預(yù)測減速點(diǎn)，而是在插補(bǔ)輸出為零時開始減速，并通過一定的時間延遲逐漸接近程序段的終點(diǎn)。缺點(diǎn)：由于它對各起動軸分別進(jìn)行加減速控制，所以在加減速控制中各運(yùn)動軸的實(shí)際合成位置可能不準(zhǔn)確。直線加減速控制算法：直線加減速控制是機(jī)床在啟動時，速度沿一定斜率的直線上升：機(jī)床在停止時，速度沿一定斜率的直線下降。指數(shù)加減速控制算法：使啟動或停止時的速度隨時間按指數(shù)規(guī)律上升或下降。1.6CNC系統(tǒng)中的PLC是一種用于工業(yè)環(huán)境、可存儲和執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等特定功能的用戶指令、并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程的可編程數(shù)字控制系統(tǒng)。1.6.1PLC的構(gòu)成及特點(diǎn)可編程控制器的基本組成1.微處理器2.存儲器3.輸入/輸出模塊5.編程器6.電源單元CPUEEPROM用戶程序EPROM系統(tǒng)軟件總線RAM編程器電源輸入輸出模塊功能開關(guān)和指示器電池1、PLC的構(gòu)成2、PLC的特點(diǎn)根據(jù)PLC的組成及工作過程，可歸納出PLC的特點(diǎn)如下：⑴可靠性高⑵靈活性好

⑶編程簡單

⑷帶負(fù)載能力強(qiáng)1.6.2PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用1.內(nèi)裝型PLC1.6.2PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用2.獨(dú)立型PLC1.6.2PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)控裝置可編程控制器操作面板主軸控制輔助動作換刀動作冷卻排屑......數(shù)控裝置、可編程控制器、機(jī)床之間的關(guān)系圖1.6.2PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用3.M、S、T功能的實(shí)現(xiàn)⑴M功能的實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的M代碼，可以控制主軸正反轉(zhuǎn)或停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開、關(guān)，卡盤的夾緊與松開，以及自動換刀裝置機(jī)械手取刀、歸刀等運(yùn)動。⑵S功能的實(shí)現(xiàn)S用來指定主軸轉(zhuǎn)速。1.6.2PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用3.M、S、T功能的實(shí)現(xiàn)⑶T功能的實(shí)現(xiàn)對于刀套編碼的T功能處理過程是：CNC裝置送出T代碼指令給PLC，PLC經(jīng)過譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的新刀號所在的數(shù)據(jù)表的表地址，并與現(xiàn)行刀號進(jìn)行判別比較，如不符合，則將刀庫回轉(zhuǎn)指令發(fā)送給刀庫控制系統(tǒng)，直到刀庫定位到新刀號位置時，刀庫停止回轉(zhuǎn)，并準(zhǔn)備換刀。1.6.3PLC的工作方式

1.

順序工作⒉連續(xù)工作⒊二級順序：高級順序和低級順序在制作順序時，可把順序程序分成高級順序和低級順序兩部分。PLC工作次序和順序程序的劃分如圖1.41和圖1.42所示。1.6.3PLC的工作方式4.輸入信號的同步處理⒌順序程序處理時間的計(jì)算⒍順序程序所要求的存貯容量的計(jì)算存貯容量＝（基本指令步數(shù)＋功能指令步數(shù)）×1.1基本指令步數(shù)＝基本指令的數(shù)目功能指令步數(shù)＝各個功能指令所用的重復(fù)次數(shù)×