計算機數(shù)控裝置(CNC)

第三局部

計算機數(shù)控裝置(CNC)10/19/20231第三章計算機數(shù)控裝置(CNC)第一節(jié)概述第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)第四節(jié)CNC裝置的插補原理第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/20232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裝置根本功能的原理及實現(xiàn)方法。第三章計算機數(shù)控裝置(CNC)10/19/20233第一節(jié)

概述10/19/20234在第一章我們就知道了數(shù)控裝置是機床數(shù)控系統(tǒng)的核心，并對其在系統(tǒng)中的主要作用也有了一個概括性的了解，由于它在整個系統(tǒng)中的重要性，故在本章我們將對其進行較詳細(xì)的討論。第一節(jié)概述10/19/20235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(zhì)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(diào)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〕兩大局部組成的。.CNC裝置的組成第一節(jié)概述10/19/20236CNC系統(tǒng)的硬件一般性結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由計算機根本系統(tǒng)、設(shè)備支持層、設(shè)備層組成。計算機基本系統(tǒng)設(shè)備層設(shè)備支持層接口人機控制運動控制PMC其他I/O其他設(shè)備計算機系統(tǒng)顯示設(shè)備輸入/出設(shè)備機床機器人測量機...圖3-1CNC的一般性硬件結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述10/19/20237CNC系統(tǒng)軟件的功能性結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征:CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)，功能特征:其操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩局部組成。它是CNC系統(tǒng)的靈魂。第一節(jié)概述10/19/20238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......第一節(jié)概述10/19/20239CNC硬件、軟件的作用和相互關(guān)系硬件是根底，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(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺。第一節(jié)概述10/19/202310具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟件實現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，對設(shè)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裝置其根本配置局部是通用的，不同的數(shù)控機床僅配置相應(yīng)的特定的功能模塊，以實現(xiàn)特定的控制功能。二.CNC裝置的優(yōu)點第一節(jié)概述10/19/2023112.數(shù)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?shù)热藱C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、局部自動編程功能。第一節(jié)概述10/19/202312

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(xiàn)，硬件的數(shù)量減少。豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟件實現(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)時間降低。第一節(jié)概述10/19/2023134.使用維護方便操作使用方便：用戶只需根據(jù)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：局部日常維護工作自動進行(潤滑，關(guān)鍵部件的定期檢查等)，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速實現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位。第一節(jié)概述10/19/2023145.易于實現(xiàn)機電一體化數(shù)控系統(tǒng)控制柜的體積小〔采用計算機，硬件數(shù)量減少；電子元件的集成度越來越高，硬件的不斷減小〕，使其與機床在物理上結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。第一節(jié)概述10/19/202315功能：滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。根本功能——數(shù)控系統(tǒng)根本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際使用要求選擇的功能。第一節(jié)概述三.CNC裝置的功能10/19/2023161.控制功能——CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數(shù)。CNC的進給軸分類：移動軸〔X、Y、Z〕和回轉(zhuǎn)軸〔A、B、C〕；根本軸和附加軸〔U、V、W〕。聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜，編程也越困難。第一節(jié)概述10/19/2023172.準(zhǔn)備功能〔G功能〕——指令機床動作方式的功能。已在第二章介紹。第一節(jié)概述10/19/2023183.插補功能和固定循環(huán)功能——插補功能數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。——固定循環(huán)功能數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)典型加工循環(huán)〔如：鉆孔、攻絲、鏜孔、深孔鉆削和切螺紋等〕的功能第一節(jié)概述10/19/2023194.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〔inch/min〕。同步進給速度——實現(xiàn)切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r〔inch/min〕。進給倍率〔進給修調(diào)率〕——人工實時修調(diào)預(yù)先給定的進給速度。第一節(jié)概述10/19/2023205.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——人工實時修調(diào)預(yù)先設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速。第一節(jié)概述10/19/2023216.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。第一節(jié)概述10/19/2023227.刀具管理功能——實現(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，供刀具補償功能使用；刀具壽命管理：管理時間壽命，當(dāng)?shù)毒邏勖狡跁r，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選擇加工刀具。第一節(jié)概述10/19/2023238.補償功能刀具半徑和長度補償功能：實現(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(shù)進行建模，利用模型實施在線補償。第一節(jié)概述10/19/2023249.人機對話功能在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)和機床參數(shù)、狀態(tài)、故障信息的顯示、查詢或修改畫面等。第一節(jié)概述10/19/20232510.自診斷功能——CNC自動實現(xiàn)故障預(yù)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(yuǎn)程通訊診斷。第一節(jié)概述10/19/20232611.通訊功能——CNC與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能RS232C接口，可傳送零件加工程序，DNC接口，可實現(xiàn)直接數(shù)控，MAP(制造自動化協(xié)議)模塊，網(wǎng)卡適應(yīng)FMS、CIMS、IMS等制造系統(tǒng)集成的要求。第一節(jié)概述10/19/202327內(nèi)容小結(jié)1．?dāng)?shù)控裝置的組成2.數(shù)控裝置的優(yōu)點3.數(shù)控裝置的功能10/19/202328習(xí)題與思考題1．名詞解釋：插補功能、恒線速度控制、非線性誤差補償功能2.數(shù)控裝置的功能有哪些。10/19/202329第二節(jié)

CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202330第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)一、概述CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，假設(shè)按其中含有CPU的多少來分，可分為:單機系統(tǒng):整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC功能。10/19/202331多機系統(tǒng):CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為：主從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統(tǒng)的資源有控制和使用權(quán)其它帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。即它是處于以附屬地位的，故稱之為主從結(jié)構(gòu)。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202332多主結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中有兩個或兩個以上帶CPU的模塊部件對系統(tǒng)資源有控制或使用權(quán)。模塊之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過仲裁器來解決總線爭用問題，通過共公存儲器進行交換信息。分布式結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)有兩個或兩個以上帶CPU的功能模塊，各模塊有自己獨立的運行環(huán)境，模塊間采用松耦合，且采用通訊方式交換信息。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202333二.單機或主從結(jié)構(gòu)模塊的功能介紹CNC裝置是按模塊化設(shè)計的方法構(gòu)造的。模塊化設(shè)計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成假設(shè)干具有獨立功能的單元模塊,并配上相應(yīng)的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202334實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設(shè)計的條件是總線(BUS)標(biāo)準(zhǔn)化。采用模塊化結(jié)構(gòu)時，CNC系統(tǒng)設(shè)計工作那么可歸結(jié)為功能模塊的合理選用。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202335I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅(qū)動1功能驅(qū)動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計算機CNC裝置CNC系統(tǒng)CNC系統(tǒng)硬件框圖1

第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023361.計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)

計算機主板是CNC裝置的核心。功能結(jié)構(gòu)：CPU及其外圍芯片；內(nèi)存單元、cache及其外圍芯片；通訊接口(串口，并口，鍵盤接口)。軟、硬驅(qū)動器接口第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202337計算機主板的主要作用：對輸入到CNC裝置中的種種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。

第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202338系統(tǒng)總線(母板)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：數(shù)據(jù)總線地址總線：控制總線：工業(yè)用PC機的總線母板是獨立的無源四層板〔走線面、元件面、電源層和地線層〕，它的可靠性高于兩層板。其規(guī)格有6槽、8槽、12槽、14槽等。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023392.顯示模塊(顯示卡)顯示卡的主要作用：接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)與CRT的掃描信號調(diào)制后，產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202340在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環(huán)境，可使用戶能快速地熟悉適應(yīng)其操作過程。顯示卡是一個通用性很強的模塊。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟件，因此無需用戶自己開發(fā)。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023413.輸入/出模塊(多功能卡)它是CNC裝置與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。該模塊也是標(biāo)準(zhǔn)的PC機模塊，一般不需要用戶自己開發(fā)。如果計算機主板選用的是ALL-IN-ONE主板，那么此板可省略。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202342以上三局部，再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型計算機系統(tǒng)，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中計算機系統(tǒng)的合理選用是至關(guān)重要的。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023434.電子盤(存儲模塊)電子盤是CNC裝置特有的存儲模塊。在CNC裝置中它用來存放以下數(shù)據(jù)和參數(shù)：系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的配置參數(shù)(系統(tǒng)所能控制的進給軸數(shù)，軸的定義，系統(tǒng)增益等)；用戶的零件加工程序。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202344計算機領(lǐng)域所用存儲器件有三類：磁存儲器件，如：軟/硬磁盤〔讀/寫〕。光存儲器件，如：光盤〔只讀〕。電子〔半導(dǎo)體〕存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202345電子存儲器件一般用作內(nèi)存儲器，其價格高于前兩類。假設(shè)按其讀寫性能來看，它又可分為三類只讀存儲元件〔ROM、PROM、EPROM〕易失性隨機讀寫存儲元件〔RAM〕。非易失性讀寫存儲元件。這類器件有：E2PROM；FLASH；帶后備電池的RAM。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202346在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環(huán)境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子存儲器件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。因電子器件組成的存儲單元是按磁盤的管理方式進行的，故稱其為電子盤。電子盤的規(guī)格有：1.44MB、2.88MB、6MB、12MB等。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023475.PLC(ProgrammableLogicController)模塊PLC模塊：CNC裝置實現(xiàn)順序控制的模塊。PLC模塊的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運行。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202348CNC裝置與被控設(shè)備交換的信息有三類：開關(guān)信號；模擬信號；脈沖信號。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202349CNC機床用的PLC一般分為兩類：內(nèi)裝型〔Built-inType〕PLC〔或稱集成式、內(nèi)含式〕。獨立型〔Stand-aloneType〕PLC，或稱為“通用型〞PLC第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023506.位置控制模塊位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成局部，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202351常用的位置控制模塊有：開環(huán)位置控制模塊：CNC裝置與步進電機驅(qū)動電源的接口；閉環(huán)〔含半閉環(huán)〕位置控制模塊：CNC裝置與直流、交流伺服驅(qū)動裝置的接口。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/2023527.功能接口模塊實現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，實例：仿形控制器接口；激光加工焦點自動跟蹤器接口；刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號采集器接口板。第二節(jié)CNC裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202353內(nèi)容小結(jié)1．幾個根本概念單機系統(tǒng)、多機系統(tǒng)、主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)2.數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)10/19/202354習(xí)題與思考題1．名詞解釋：單機系統(tǒng)、多機系統(tǒng)、主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)2.試用框圖方式表示數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu)，并說明主要組成模塊的名稱及其主要作用。10/19/202355第三節(jié)

CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202356第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)軟件是一個典型而又復(fù)雜的實時系統(tǒng)。本節(jié)將首先介紹系統(tǒng)軟硬件界面的關(guān)系，然后從系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的角度來分析CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，并從多任務(wù)性和實時性的角度來分析CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點，最后介紹一個典型CNC裝置系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)。10/19/202357一、CNC裝置軟件和硬件的功能界面合理確定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的，即硬件能完成的功能從理論上講也可以用軟件來完成。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202358硬件和軟件在實現(xiàn)各種功能時的特點：硬件處理速度快，但靈活性差，實現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度相對較慢。功能界面劃分的準(zhǔn)那么：系統(tǒng)的性能價格比第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202359數(shù)控系統(tǒng)功能界面的幾種劃分：輸入預(yù)處理位置檢測插補運算位置控制速度控制伺服電機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

ⅠⅡⅢⅣ第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202360二、CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

CNC系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)之一就是如何將由零件加工程序表達的加工信息，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動作指令，控制加工設(shè)備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202361加工程序譯碼譯碼緩沖區(qū)刀補處理刀補緩沖區(qū)速度預(yù)處理插補緩沖區(qū)插補處理運行緩沖區(qū)伺服驅(qū)動位控處理位置反饋PLC控制CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖

第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202362譯碼(解釋)將用文本格式〔通常用ASCII碼〕表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序〔本例是指刀補處理程序〕所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)〔格式〕。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202363StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//緩沖區(qū)狀態(tài)，0空；1準(zhǔn)備好。intblock_num；//以BCD碼的形式存放本程序段號。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的數(shù)值〔μm〕。intF,S；//F〔mm/min〕S〔r/min〕。charG0；//以標(biāo)志形式存放G指令。charG1；charM0；//以標(biāo)志形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段換刀的刀具號。charD；//存放刀具補償?shù)牡毒甙霃街?。}；第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202364以標(biāo)志形式存放G指令例如D7D6D5D4D3D2D1D0G000：無該指令；1：有該指令G010：無該指令；1：有該指令G020：無該指令；1：有該指令G030：無該指令；1：有該指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：無該指令；1：有該指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42

第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202365在程序中一般都有由假設(shè)干個這樣結(jié)構(gòu)組成的程序緩沖區(qū)組，當(dāng)前程序段被解釋完后便將該段的數(shù)據(jù)信息送入緩沖區(qū)組中空閑的一個。后續(xù)程序〔如刀補程序〕從該緩沖區(qū)組中獲取程序信息進行工作。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202366N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789----------------------------------------StructPROG_BUFFER{

charbuf_state；0：(開始)；1〔；〕⑨intblock_num；06〔N06〕①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；〔X200〕⑥COOR[2]=300000；〔Y300〕⑦intF,S；F=200；〔F200〕⑧charG0；D5=0；〔G90〕②D6,D7=0,1〔G41〕③D1=1；〔G01〕⑤……charD；D=11〔D11〕④}；第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202367.刀補處理(計算刀具中心軌跡)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42P’eP”eR刀補處理的主要工作：根據(jù)G90/G91計算零件輪廓的終點坐標(biāo)值。根據(jù)R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點〔P’e/P〃e〕坐標(biāo)值。根據(jù)本段與前段連接關(guān)系，進行段間連接處理。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023683.速度預(yù)處理主要功能是根據(jù)加工程序給定的進給速度，計算在每個插補周期內(nèi)的合成移動量，供插補程序使用。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202369速度處理程序主要完成以下幾步計算：計算本段總位移量：直線：合成位移量L；圓弧：總角位移量α。該數(shù)供插補程序判斷減速起點和終點之用。計算每個插補周期內(nèi)的合成進給量：ΔL=FΔt/60〔μm〕式中：F--進給速度值〔mm/min〕；△t--數(shù)控系統(tǒng)的插補周期〔ms〕Lα第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023704.插補計算主要功能：計算插補周期的實際合成位移量：△L1=△L*修調(diào)值分解△L1→〔△X1、△Y1〕將△L1按插補的線形〔直線，圓弧等〕和本插補點所在的位置分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指令〔△X1、△Y1〕。經(jīng)插補計算后的數(shù)據(jù)存放在運行緩沖區(qū)中，以供位置控制程序之用。插補模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023715.位置控制處理f（）插補輸出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差△X3△Y3X2新Y2新實際位置反饋位置增量△X2、△Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY圖3-16位置控制轉(zhuǎn)換流程++-+++第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202372位置控制完成以下幾步計算：計算新的位置指令坐標(biāo)值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊+△Y1；計算新的位置實際坐標(biāo)值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊+△Y2計算跟隨誤差(指令位置值—實際位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；計算速度指令值：VX=f〔△X3〕；VY=f〔△Y3〕第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202373f()是位置環(huán)的調(diào)節(jié)控制算法，具體的算法視具體系統(tǒng)而定。這一步在有些系統(tǒng)中是采用硬件來實現(xiàn)的。VX、VY送給伺服驅(qū)動單元，控制電機運行，實現(xiàn)CNC裝置的軌跡控制。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202374、CNC裝置的軟件系統(tǒng)特點CNC系統(tǒng)是典型的實時控制系統(tǒng)。CNC裝置的系統(tǒng)軟件那么可看成是一個專用實時操作系統(tǒng)。由于其應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制領(lǐng)域〔多任務(wù)性、實時性〕，因此，分析和了解這些要求是至關(guān)重要的，因為它既是系統(tǒng)設(shè)計和將來軟件測試的重要依據(jù)，也是確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的過程。同時，這些要求也應(yīng)是CNC系統(tǒng)軟件的特點。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202375.多任務(wù)性與并行處理技術(shù)〔1〕CNC控制要求的多任務(wù)性任務(wù)定義：可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程。CNC的功能那么可定義為CNC的任務(wù)：顯示、譯碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、…CNC系統(tǒng)的任務(wù)要求并行處理：為了保證控制的連續(xù)性和各任務(wù)執(zhí)行的時序配合要求，CNC系統(tǒng)的任務(wù)必須采用并行處理，而不能逐一處理。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202376〔2〕基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)并行處理定義：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)處理的方法。采用并行處理技術(shù)的目的：合理使用和調(diào)配CNC系統(tǒng)的資源提高CNC系統(tǒng)的處理速度。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202377〔3〕并行處理的實現(xiàn)方式：資源分時共享并發(fā)處理〔例如：流水處理〕這些實現(xiàn)方式與CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202378〔4〕資源分時共享〔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“資源分時共享〞并行處理技術(shù)。資源分時共享——在規(guī)定的時間長度〔時間片〕內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實時性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時間，使它們分時共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時共享〞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的時間長度，即時間片的分配問題。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202379資源〔CPU〕分時共享圖

…譯碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程序4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023800ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算背景程序各任務(wù)占用CPU

時間示意圖第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202381資源分時共享技術(shù)的特征:在任何一個時刻只有一個任務(wù)占用CPU；在一個時間片〔如8ms或16ms〕內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個或兩個以上的任務(wù)。因此，資源分時共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202382〔5〕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)：假設(shè)任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，那么可讓其分別在不同的CPU上同時執(zhí)行——并發(fā)處理；假設(shè)任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個任務(wù)的輸出是另一個任務(wù)的輸入，那么可采取流水處理的方法來實現(xiàn)并行處理。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202383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〕，將一個大的任務(wù)分成假設(shè)干個子任務(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資源執(zhí)行一個任務(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。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202384流水處理技術(shù)示意圖

1231232tt空間時間順序處理輸出輸出CPU1時間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3并行處理第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202385并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時刻〔流水處理除開始和結(jié)束外〕均有兩個或兩個以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時間重疊，是以資源重復(fù)的代價換得時間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價換得時間上的快速性。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202386

實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制〔1〕實時性任務(wù)的定義和分類實時性定義:任務(wù)的執(zhí)行有嚴(yán)格時間要求〔任務(wù)必須規(guī)定時間內(nèi)完成或響應(yīng)〕，否那么將導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果錯誤或系統(tǒng)故障的特性。實時性任務(wù)分類:強實時性任務(wù)實時突發(fā)性任務(wù)；實時周期性任務(wù)弱實時性任務(wù)第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202387〔2〕強實時性任務(wù)實時突發(fā)性任務(wù)：任務(wù)的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，是一種異步中斷事件。主要包括故障中斷(急停，機械限位、硬件故障等)、機床PLC中斷、硬件〔按鍵〕操作中斷等。實時周期性任務(wù)：任務(wù)是精確地按一定時間間隔發(fā)生的。主要包括插補運算、位置控制等任務(wù)。為保證加工精度和加工過程的連續(xù)性，這類任務(wù)處理的實時性是關(guān)鍵。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，除系統(tǒng)故障外，不允許被其它任何任務(wù)中斷。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202388〔3〕弱實時性任務(wù)這類任務(wù)的實時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內(nèi)得以運行即可。在系統(tǒng)設(shè)計時，它們或被安排在背景程序中，或根據(jù)重要性將其設(shè)置成不同的優(yōu)先級〔級別較低〕，再由系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)λ鼈冞M行合理的調(diào)度。這類任務(wù)主要包括：CRT顯示、零件程序的編輯、加工狀態(tài)的動態(tài)顯示、加工軌跡的靜態(tài)模擬仿真及動態(tài)顯示等。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202389〔4〕搶占式優(yōu)先調(diào)度機制

多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法：循環(huán)調(diào)度法簡單循環(huán)調(diào)度法時間片輪換調(diào)度法優(yōu)先調(diào)度法搶占式優(yōu)先調(diào)度法非搶占式優(yōu)先調(diào)度法第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202390〔5〕搶占式優(yōu)先調(diào)度機制功能搶占方式：在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時，假設(shè)另一優(yōu)先級更高的任務(wù)請求執(zhí)行，CPU將立即終止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級高任務(wù)的請求優(yōu)先調(diào)度：在CPU空閑時，當(dāng)同時有多個任務(wù)請求執(zhí)行時，優(yōu)先級高的任務(wù)將優(yōu)先得到滿足。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202391〔6〕CNC系統(tǒng)中采用的任務(wù)調(diào)度機制搶占式優(yōu)先調(diào)度；時間片輪換調(diào)度；非搶占式優(yōu)先調(diào)度。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202392.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式結(jié)構(gòu)模式：指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機制、任務(wù)間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式的功能：組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202393.前后臺型結(jié)構(gòu)模式該模式將CNC系統(tǒng)軟件劃分成兩局部：前臺程序:主要完成插補運算、位置控制、故障診斷等實時性很強的任務(wù)，它是一個實時中斷效勞程序。后臺程序(背景程序):完成顯示、零件加工程序的編輯管理、系統(tǒng)的輸入/出、插補預(yù)處理等弱實時性的任務(wù)，它是一個循環(huán)運行的程序，在運行過程中，不斷地被前臺程序定時打斷，前后臺相互配合來完成零件的加工任務(wù)。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202394前后臺程序運行關(guān)系圖前臺程序故障處理位置控制插補運算……后臺程序譯碼刀補處理速度預(yù)處理輸入/輸出顯示中斷執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202395前后臺型結(jié)構(gòu)模式的特點任務(wù)調(diào)度機制:優(yōu)先搶占調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。前臺程序的調(diào)度是優(yōu)先搶占式的；前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。信息交換:緩沖區(qū)。前臺和后臺程序之間以及內(nèi)部各子任務(wù)之間的。實時性差。在前臺和后臺程序內(nèi)無優(yōu)先級等級、也無搶占機制。該結(jié)構(gòu)僅適用于控制功能較簡單的系統(tǒng)。早期的CNC系統(tǒng)大都采用這種結(jié)構(gòu)。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202396.中斷型結(jié)構(gòu)模式這種結(jié)構(gòu)是將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效勞程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)〔由硬件和軟件組成〕對各級中斷效勞程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202397中斷型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖初始化中斷管理系統(tǒng)（硬件+軟件）0級中斷服務(wù)程序

級中斷服務(wù)程序

級中斷服務(wù)程序級中斷服務(wù)程序………………1n2第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202398中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點任務(wù)調(diào)度機制：搶占式優(yōu)先調(diào)度。信息交換：緩沖區(qū)。實時性好。由于中斷級別較多〔最多可達8級〕，強實時性任務(wù)可安排在優(yōu)先級較高的中斷效勞程序中。模塊間的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不利于對系統(tǒng)的維護和擴充。二十世紀(jì)80～90年代初的CNC系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/202399.基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式實時操作系統(tǒng)〔RealTimeOperatingSystemRTOS〕是操作系統(tǒng)的一個重要分支，它除了具有通用操作系統(tǒng)的功能外，還具有任務(wù)管理、多種實時任務(wù)調(diào)度機制〔如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等〕、任務(wù)間的通信機制〔如郵箱、消息隊列、信號燈等〕等功能。由此可知，CNC系統(tǒng)軟件完全可以在實時操作系統(tǒng)的根底上進行開發(fā)。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023100基于實時操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

RTOS模塊（任務(wù)）1模塊（任務(wù)）2模塊（任務(wù)）

……第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023101基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點弱化功能模塊間的耦合關(guān)系CNC各功能模塊之間在邏輯上存在著耦合關(guān)系，在時間上存在著時序配合關(guān)系。為了協(xié)調(diào)和組織它們，前述結(jié)構(gòu)模式中，需用許多全局變量標(biāo)志和判斷、分支結(jié)構(gòu)，致使各模塊間的關(guān)系復(fù)雜。在本模式中，設(shè)計者只須考慮模塊自身功能的實現(xiàn)，然后按規(guī)那么掛到實時操作系統(tǒng)上，而模塊間的調(diào)用關(guān)系、信息交換方式等功能都由實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。從而弱化了模塊間的耦合關(guān)系。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023102系統(tǒng)的開放性和可維護性好從本質(zhì)上講，前述結(jié)構(gòu)模式采用的是單一流程加中斷控制的機制，一旦開發(fā)完畢，系統(tǒng)將是的完全封閉〔對系統(tǒng)的開發(fā)者也是如此〕，假設(shè)想對系統(tǒng)進行功能擴充和修改將是困難的。在本模式中，系統(tǒng)功能的擴充或修改，只須將編寫好的任務(wù)模塊〔模塊程序加上任務(wù)控制塊〔TCB〕〕，掛到實時操作系統(tǒng)上〔按要求進行編譯〕即可。因而，采用該模式開發(fā)的CNC系統(tǒng)具有良好的開放性和可維護性。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023103減少系統(tǒng)開發(fā)的工作量在CNC系統(tǒng)軟件開發(fā)中，系統(tǒng)內(nèi)核〔任務(wù)管理、調(diào)度、通信機制〕的設(shè)計開發(fā)的往往是很復(fù)雜的，而且工作量也相當(dāng)大。當(dāng)以現(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)為內(nèi)核時，即可大大減少系統(tǒng)的開發(fā)工作量和開發(fā)周期。第三節(jié)CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)10/19/2023104內(nèi)容小結(jié)1、數(shù)控裝置軟件和硬件的功能界面

2、數(shù)控裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

3、數(shù)控裝置的軟件系統(tǒng)特點

4、數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式

10/19/2023105習(xí)題與思考題1、名詞解釋：譯碼、速度預(yù)處理、并行處理、流水處理、實時突發(fā)性任務(wù)、實時周期性任務(wù)、弱實時性任務(wù)2、簡述前后臺型結(jié)構(gòu)模型的含義及其特點。3、簡述中斷型結(jié)構(gòu)模型的含義及其特點。4、簡述基于實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的含義及其特點。10/19/2023106第四節(jié)

CNC裝置的插補原理10/19/2023107第四節(jié)CNC裝置的插補原理一、概述1、插補的概念插補(Interpolation)：根據(jù)給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的點之間，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。插補算法：對應(yīng)于每種插補方法(原理)的各種實現(xiàn)算法。插補功能是輪廓控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征。10/19/2023108.評價插補算法的指標(biāo)

穩(wěn)定性指標(biāo)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(yīng)。插補算法穩(wěn)定是確保輪廓精度要求的前提。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023109插補精度指標(biāo)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(chǎn)生的誤差〕；計算誤差〔指因計算字長限制產(chǎn)生的誤差〕；圓整誤差〔指計算結(jié)果取整產(chǎn)生的誤差〕其中，逼近誤差和計算誤差與插補算法密切相關(guān)。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023110提高插補精度的方法采用逼近誤差和計算誤差較小的插補算法；采用優(yōu)化的小數(shù)圓整法，如：逢奇〔偶〕四舍五入法、小數(shù)累進法等。上述三誤差的綜合效應(yīng)一般要求小于系統(tǒng)的最小運動指令或脈沖當(dāng)量。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023111合成速度的均勻性指標(biāo)合成速度的均勻性：插補運算輸出的各軸進給率，經(jīng)運動合成的實際速度〔Fr〕與給定的進給速度〔F〕的符合程度。速度不均勻性系數(shù)：合成速度均勻性系數(shù)應(yīng)滿足： λmax≤1%第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023112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，假設(shè)算法太復(fù)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(biāo)和精度指標(biāo)的提高。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023113.插補方法的分類脈沖增量插補(行程標(biāo)量插補)特點：每次插補的結(jié)果僅產(chǎn)生一個單位的行程增量〔一個脈沖當(dāng)量〕。以一個一個脈沖的方式輸出給步進電機。其根本思想是：用折線來逼近曲線〔包括直線〕。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023114插補速度與進給速度密切相關(guān)。因而進給速度指標(biāo)難以提高，當(dāng)脈沖當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)，而且，用硬件實現(xiàn)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。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023115這類插補算法有：逐點比較法；最小偏差法；數(shù)字積分法；目標(biāo)點跟蹤法；單步追綜法等它們主要用早期的采用步進電機驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)。由于此算法的速度指標(biāo)和精度指標(biāo)都難以滿足現(xiàn)在零件加工的要求，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)已很少采用這類算法了。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023116數(shù)字增量插補(時間標(biāo)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(nèi)根據(jù)進給速度計算出各坐標(biāo)軸在下一插補周期內(nèi)的位移增量〔數(shù)字量〕。其根本思想是：用直線段〔內(nèi)接弦線，內(nèi)外均差弦線，切線〕來逼近曲線〔包括直線〕。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023117插補運算速度與進給速度無嚴(yán)格的關(guān)系。因而采用這類插補算法時，可到達較高的進給速度〔一般可到達10m/min以上〕。數(shù)字增量插補的實現(xiàn)算法較脈沖增量插補復(fù)雜，它對計算機的運算速度有一定的要求，不過現(xiàn)在的計算機均能滿足要求。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023118這類插補方法有：數(shù)字積分法(DDA)、二階近似插補法、雙DDA插補法、角度逼近插補法、時間分割法等。這些算法大多是針對圓弧插補設(shè)計的。這類插補算法主要用于交、直流伺服電機為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可用于以步進電機為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，而且，目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大多數(shù)都采用這類插補方法。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023119

二、脈沖增量插補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(jù)偏差控制進給軸向給定輪廓靠擾，縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓。第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023120逐點比較法工作過程圖

偏差判別終點判別進給輸出偏差計算終點到退出第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/20231211、逐點比較法加工的原理〔直線〕(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直線X直線:Fm=Xe

*Ym

-Ye

*Xm

Fm＞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輸出一步第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/20231222、逐點比較法加工的原理〔圓弧〕圓弧:Fm=Xm2+Ym2–RFm＞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(nèi)，向+X輸出一步RXY(Xm，Ym)

圓弧

第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/20231231.直線插補算法在設(shè)計直線插補程序時，通常將插補計算坐標(biāo)系的原點選在被插補直線的起點，如下圖，設(shè)有一直線OPe，O(0,0)為起點，Pe(Xe,Ye)為終點，要求以速度F(mm/min)，沿OPe進給。

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四節(jié)CNC裝置的插補原理.數(shù)字增量插補10/19/2023124直線插補公式的推導(dǎo)設(shè)插補周期為Δt(ms)，那么在Δt內(nèi)的合成進給量△L為：假設(shè)Δt=8ms那么：式中：

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023125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：

Pe(Xe,Ye)△LPi+1

(Xi+1,Yi+1)Pi

(Xi,Yi)△Yi△XiαXYOβ第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/20231262.圓弧插補算法采用時間分割插補法進行圓弧插補的根本方法是用內(nèi)接弦線逼近圓弧。設(shè)計圓弧插補程序時，通常將插補計算坐標(biāo)系的原點選在被插補圓弧的圓心上，如下圖，以第一象限順圓〔G02〕插補為例來討論圓弧插補原理。

第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023127

YδXR△LDCA△XiG02B△YiPi(Xi,Yi)Pi+1(Xi+1,Yi+1)YmαiO△αi第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023128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：第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/20231293.幾個問題的說明上面的公式均是在第一象限，且規(guī)定了進給方向，當(dāng)這些條件不滿足時，插補的公式是不同的。由于圓弧插補每個象限的公式不同，這里便存在一個過象限的問題，如何在過象限時既能順利均勻地連續(xù)切換，算法又簡單，是值得討論的題目。終點判別的問題，這里而涉及到兩個問題程序中程序段的終點判別要考慮與下面程序段聯(lián)接問題在要求降速為零的程序段中，有一個減速起點的問題升降速處理問題第四節(jié)CNC裝置的插補原理10/19/2023130內(nèi)容小結(jié)1、幾個根本概念插補、插補算法、脈沖增量插補、數(shù)字增量插補2、插補算法的評價指標(biāo)3、直線數(shù)字增量插補算法4、圓弧數(shù)字增量插補算法10/19/2023131習(xí)題與思考題1、名詞解釋：插補、插補算法、脈沖增量插補、數(shù)字增量插補2、試比較脈沖增量插補算法與數(shù)字增量插補算法的優(yōu)缺點。3、簡述評價插補算法的指標(biāo)。10/19/2023132第五節(jié)

刀具半徑補償原理

10/19/2023133第五節(jié)刀具半徑補償原理一.刀具半徑補償?shù)母靖拍?.什么是刀具半徑補償(ToolRadiusCompensation[offset])根據(jù)按零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，數(shù)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。

A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’10/19/2023134.刀具半徑補償功能的主要用途實時將編程軌跡變換成刀具中心軌跡。可防止在加工中由于刀具半徑的變化(如由于刀具損壞而換刀等原因)而重新編程的麻煩。刀具半徑誤差補償，由于刀具的磨損或因換刀引起的刀具半徑的變化，也不必重新編程，只須修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可。減少粗、精加工程序編制的工作量。由于輪廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工時，均要為精加工工序預(yù)留加工余量。加工余量的預(yù)留可通過修改偏置參數(shù)實現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個程序。第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023135.刀具半徑補償?shù)某Ｓ梅椒ǎ築刀補：R2法，比例法，該法對加工輪廓的連接都是以圓弧進行的。如圖示，第五節(jié)刀具半徑補償原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’10/19/2023136在外輪廓尖角加工時，由于輪廓尖角處，始終處于切削狀態(tài)，尖角的加工工藝性差。在內(nèi)輪廓尖角加工時，由于C〞點不易求得(受計算能力的限制)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，這樣才能防止產(chǎn)生過切。這種刀補方法，無法滿足實際應(yīng)用中的許多要求。因此現(xiàn)在用得較少，而用得較多的是C刀補。第五節(jié)刀具半徑補償原理A’B’C”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’10/19/2023137C刀補采用直線作為輪廓間的過渡特點：尖角工藝性好可實現(xiàn)過切自動預(yù)報(在內(nèi)輪廓加工時)，從而防止產(chǎn)生過切。第五節(jié)刀具半徑補償原理A’B’C〞CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C’10/19/2023138.刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟?刀具半徑補償?shù)墓ぷ鬟^程刀補建立刀補進行刀補撤銷。

起刀點刀補建立刀補進行刀補撤銷編程軌跡刀具中心軌跡第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023139.C刀補的轉(zhuǎn)接形式和過渡方式轉(zhuǎn)接形式根據(jù)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。對由這兩種線形組成的編程軌跡有以下四種轉(zhuǎn)接形式

直線與園弧園弧與園弧第五節(jié)刀具半徑補償原理直線與直線轉(zhuǎn)接直線與圓弧轉(zhuǎn)接圓弧與直線轉(zhuǎn)接圓弧與圓弧轉(zhuǎn)接10/19/2023140α刀具中心軌跡編程軌跡非加工側(cè)加工側(cè)α非加工側(cè)編程軌跡刀具中心軌跡加工側(cè)過渡方式對應(yīng)兩編程軌跡間，刀具中心軌跡過渡連接形式

矢量夾角α：指兩編程軌跡在交點處非加工側(cè)的夾角α

第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023141根據(jù)兩段程序軌跡的矢量夾角α和刀補方向的不同，過渡方式有以下幾種：縮短型：矢量夾角α≥180o刀具中心軌跡短于編程軌跡的過渡方式。伸長型：矢量夾角90o≤α＜180o刀具中心軌跡長于編程軌跡的過渡方式。插入型：矢量夾角α＜90o在兩段刀具中心軌跡之間插入一段直線的過渡方式。第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023142.刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接形式和過渡方式列表刀具半徑補償功能在實施過程中，各種轉(zhuǎn)接形式和過渡方式的情況，如下面兩表所示。表中實線表示編程軌跡；虛線表示刀具中心軌跡；α為矢量夾角；r為刀具半徑；箭頭為走刀方向。表中是以右刀補〔G42〕為例進行說明的，左刀補〔G41〕的情況于右刀補相似，就不再重復(fù)。第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023143刀具半徑補償?shù)慕⒑统废列问睫D(zhuǎn)接夾角矢量刀補建立（G42）刀補撤消（G42）直線----直線直線----圓弧直線----直線圓弧----直線過渡方式α≥180o縮短型90o≤α＜180o伸長型α＜90o插入型rαrrααrααrrααrrαrααrααrααr第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023144刀具半徑補償?shù)倪M行過程刀

補

進

行（G42）直線----直線直線----圓弧圓弧----直線圓弧----圓弧過渡方式α≥180o縮短型90o≤α＜180o伸長型α＜90o插入型rαrαrαrαααααrαrαrααr第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023145.刀具半徑補償?shù)膶嵗x入OA，判斷出是刀補建立，繼續(xù)讀下一段。讀入AB，因為∠OAB＜90o，且又是右刀補〔G42〕，由表可知，此時段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是插入型。那么計算出a、b、c的坐標(biāo)值，并輸出直線段oa、ab、bc，供插補程序運行。cbaBAOCDE第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023146讀入BC，因為∠ABC＜90o，同理，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是插入型。那么計算出d、e點的坐標(biāo)值，并輸出直線cd、de。讀入CD，因為∠BCD＞180o，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是縮短型。那么計算出f點的坐標(biāo)值，由于是內(nèi)側(cè)加工，須進行過切判別〔過切判別的原理和方法見后述〕，假設(shè)過切那么報警，并停止輸出，否那么輸出直線段ef。fedBcbAOCDEa第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023147讀入DE〔假定由撤消刀補的G40命令〕，因為90o＜∠ABC＜180o，由于是刀補撤消段，由表可知，段間轉(zhuǎn)接的過渡形式是伸長型。那么計算出g、h點的坐標(biāo)值，然后輸出直線段fg、gh、hE。刀具半徑補償處理結(jié)束。

ghBfedcbAOCDEa第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023148.加工工過程中的過切判別原理前面我們說過C刀補能防止過切現(xiàn)象，是指假設(shè)編程人員因某種原因編制出了肯定要產(chǎn)生過切的加工程序時，系統(tǒng)在運行過程中能提前發(fā)出報警信號，防止過切事故的發(fā)生。下面將就過切判別原理進行討論。第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023149.直線加工時的過切判別如右圖所示，當(dāng)被加工的輪廓是直線段時，假設(shè)刀具半徑選用過大，就將產(chǎn)生過切削現(xiàn)象。圖中，編程軌跡為ABCD，B′為對應(yīng)于AB、BC的刀具中心軌跡的交點。當(dāng)讀入編程軌跡CD時，就要對上段刀具中心軌跡B’C’進行修正，確定刀具中心應(yīng)從B′點移到C′點。顯然，這時必將產(chǎn)生如圖陰影局部所示的過切削。

A’D’CBC’DB’A編程軌跡刀具中心軌跡過切削部分發(fā)出報警程序段刀具第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023150在直線加工時，可以通過編程矢量與其相對應(yīng)的修正矢量的標(biāo)量積的正負(fù)進行判別。在圖中，BC為編程矢量，B’C’為BC對應(yīng)的修正矢量，α為它們之間的夾角。那么：標(biāo)量積顯然，當(dāng)〔即90o<α<270o〕時，刀具就要背向編程軌跡移動，造成過切削。上圖中α=180o，所以必定產(chǎn)生過切削。第五節(jié)刀具半徑補償原理

A’D’CBC’DB’A編程軌跡刀具中心軌跡過切削部分發(fā)出報警程序段刀具10/19/20231512.圓弧加工時的過切削判別在內(nèi)輪廓圓弧加工〔當(dāng)圓弧加工的命令為G41G03或G42G02〕時，假設(shè)選用的刀具半徑rD過大，超過了所需加工的圓弧半徑R，即:r>R那么就會產(chǎn)生過切削。

G41G03G42G02rDrDRR第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023152

G41⊕G02=0？報警返回否（內(nèi)側(cè)加工）是（外側(cè)加工）是否b判別流程第五節(jié)刀具半徑補償原理刀具中心軌跡編程軌跡R發(fā)出報警程序段過切削部分rDa圓弧加工過切削刀具10/19/2023153在實際加工中，還有各種各樣的過切削情況，限于時間，無法一一列舉。但是通過上面的分析可知，過切削現(xiàn)象都發(fā)生在過渡形式為縮短型的情況下，因而可以根據(jù)這一原那么，來判斷發(fā)生過切削的條件，并據(jù)此設(shè)計過切削判別程序。第五節(jié)刀具半徑補償原理10/19/2023154內(nèi)容小結(jié)1．刀具半徑補償?shù)母靖拍睿?.刀具半徑補償?shù)墓ぷ髟怼?.數(shù)控加工工過程中的過切判別原理。10/19/2023155習(xí)題與思考題1、名詞解釋：刀具半徑補償2、試用框圖表示刀具半徑補償?shù)墓ぷ鬟^程。3、結(jié)合圖示，簡述C刀補中兩段程序軌跡的過渡方式及其判斷準(zhǔn)那么。10/19/2023156Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SBl5ZJtd)RB3XHrb*Pzj3XHqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGq9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Ktd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk44YIsc(QAk3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)Ri2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg+TDQAj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDm6#Kue-SCm6#KueQAk4YIsb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf-SCm6#Kue-SCm6#Kuue-SCm6#Kue-SCm5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGq9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UE5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(Qzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UDn7!Lvf+TDn7!!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Ktd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oxh1VFp9%%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TD0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lvf+TCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJttd)RBl5ZJsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwg0UEo8$Mwf+TDn7!Lvf+TDn77!Lvf+TDn7!Lvf+TDm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGq!Lvf+TDn7!Lvf+TDn7!Lve-SCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(Qzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzi2WSCm6#Kue-SCm6#Kue-SCm6#Kue)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)RBl5ZJtd)QAk4YIsc(QAk4YIsc(QAk4YIsc(Qzj34XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XHrb*Pzj3XGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGqa&Oyi2WGp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp9%Nxh1VFp8$Mwg