计算机数字控制系统ppt课件

1、第三章第三章 计算机数字控制系统计算机数字控制系统 一、数控系统的开展一、数控系统的开展3.1 概述概述 数控系统按时间来划分可以分为两类五代：数控系统按时间来划分可以分为两类五代：第第类：硬件数控类：硬件数控NC第一代：电子管、继电器、模拟电路。第一代：电子管、继电器、模拟电路。第二代：晶体管、数字电路分立元件。第二代：晶体管、数字电路分立元件。第三代：集成数字电路。第三代：集成数字电路。第第类：软件数控类：软件数控CNC第四代：内装小型计算机，中小规模集成电路。第四代：内装小型计算机，中小规模集成电路。 1. 微处置器数控系统，内装微处置器，字符显示、微处置器数控系统，内装微处置器，字符显

2、示、缺点自诊断。缺点自诊断。第五代：分第五代：分6 6个阶段：个阶段： 2. 超大规模集成电路，大容量存储器，有可编程和超大规模集成电路，大容量存储器，有可编程和遥控接口。遥控接口。 3. 人机对话人机对话, 动态图形显示动态图形显示, 实施软件精度补偿实施软件精度补偿, 顺顺应于机床的无人化要求。应于机床的无人化要求。 4. 32位位CPU, 可控可控15轴轴, 分辨率达分辨率达 0. 1m, 进给速度进给速度24m/min, 可带前馈控制的交流数字伺服可带前馈控制的交流数字伺服, 智能化系统。智能化系统。 5. 64位系统。位系统。 6. 微机开放式微机开放式CNC系统。系统。二、数控系统

3、的硬件组成二、数控系统的硬件组成 图图3-1 数孔系统的硬件组成框图数孔系统的硬件组成框图 计算机数控系统的硬件由微型机、外部设备、位置控制和计算机数控系统的硬件由微型机、外部设备、位置控制和位置检测、输入输出接口和操作面板组成。位置检测、输入输出接口和操作面板组成。 (一一) 微型机微型机 微型机是微型机是CNC安装的中心安装的中心, 主要由微处置器、存储器、输主要由微处置器、存储器、输入输出通道及联络这三者的总线数据总线、控制总线、地址入输出通道及联络这三者的总线数据总线、控制总线、地址总线等组成。总线等组成。 微处置器是微型算机中的运算器及控制部件，它是微型机微处置器是微型算机中的运算器

4、及控制部件，它是微型机的中心，称为中央处置单元的中心，称为中央处置单元CPU。 内存储器内存是微型机存放程序和数据的部件，它与内存储器内存是微型机存放程序和数据的部件，它与CPU直接交换信息，内存储器分为只读存储器直接交换信息，内存储器分为只读存储器ROM和随机和随机存储器存储器RAM。 二外部设备二外部设备 微机数控系统的外部设备包括人机通讯设备，输入、输出微机数控系统的外部设备包括人机通讯设备，输入、输出设备和外存储器等。设备和外存储器等。 输入设备有键盘、纸带输入机光电阅读机。输入设备有键盘、纸带输入机光电阅读机。 输出设备有打印机、记录仪、数码显示管和输出设备有打印机、记录仪、数码显示

5、管和CRT显示器、显示器、纸带穿孔机。纸带穿孔机。三输入、输出通道又称接口三输入、输出通道又称接口 输入、输出通道是微型机与机床之间的联络通道，经过它输入、输出通道是微型机与机床之间的联络通道，经过它微型机向机床发送控制命令，并从机床上读取加工信息。微型机向机床发送控制命令，并从机床上读取加工信息。四操作面板四操作面板 它是操作人员用来与微机数控系统进展它是操作人员用来与微机数控系统进展“对话的设备。对话的设备。 三、数控系统软件三、数控系统软件 数控系统软件是根据机床零件加工的实践需求而编写的数控系统软件是根据机床零件加工的实践需求而编写的控制程序。控制软件普通有以下几个部分组成：控制程序。

6、控制软件普通有以下几个部分组成： 一初始化程序一初始化程序 初始化是在数控安装合上电源以后，自动地对各有关接初始化是在数控安装合上电源以后，自动地对各有关接口设置任务形状，对有关存放器、存储单元设置常数或清零。口设置任务形状，对有关存放器、存储单元设置常数或清零。 二输入数据处置程序二输入数据处置程序 输入数据处置程序将输入的零件加工程序用规范代码输入数据处置程序将输入的零件加工程序用规范代码表示的加工指令和数据进展翻译、处置成为计算机能识别表示的加工指令和数据进展翻译、处置成为计算机能识别的言语。它具有输入、译码、数据处置三种功能。的言语。它具有输入、译码、数据处置三种功能。 (1) 输入。

7、向输入。向CNC安装输入零件加工程序、控制参数和安装输入零件加工程序、控制参数和补偿数据。补偿数据。 2译码。将零件的轮廓信息和其他的辅助译码。将零件的轮廓信息和其他的辅助信息等翻译成计算机内部能识别的言语。在译码过信息等翻译成计算机内部能识别的言语。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，如发现语法程中，还要完成对程序段的语法检查，如发现语法错误便立刻报警。错误便立刻报警。 3数据处置。数据处置程序普通包括刀具半数据处置。数据处置程序普通包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处置等。径补偿、速度计算以及辅助功能的处置等。 三插补运算及位置控制程序三插补运算及位置控制程序 插补的义务是经过

8、插补计算程序在知有限信息的根底插补的义务是经过插补计算程序在知有限信息的根底上进展上进展“数据点的密化任务，即在起点和终点之间插入一数据点的密化任务，即在起点和终点之间插入一些中间点。些中间点。 四速度控制程序四速度控制程序 速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度，即根据给速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度，即根据给定的速度代码，控制插补运算的频率，以保证各轴按预定的速定的速度代码，控制插补运算的频率，以保证各轴按预定的速度运转。度运转。 位置控制程序的主要义务是在每个采样周期内，将插补计位置控制程序的主要义务是在每个采样周期内，将插补计算的实际位置与实践反响位置相比较，用其差值去控制

9、进给电算的实际位置与实践反响位置相比较，用其差值去控制进给电机，进而控制任务台或刀具的位移。机，进而控制任务台或刀具的位移。 五系统管理程序五系统管理程序 为数据输入、处置及切削加工过程效力的各个程序均由为数据输入、处置及切削加工过程效力的各个程序均由系统管理程序进展调度，因此他是实现系统管理程序进展调度，因此他是实现CNC系统协调任务的系统协调任务的主体软件。主体软件。 六诊断程序六诊断程序 诊断是指诊断是指CNC系统利用内装诊断程序进展自诊断，主系统利用内装诊断程序进展自诊断，主要有启动诊断和在线诊断两种。要有启动诊断和在线诊断两种。 启动诊断是指启动诊断是指CNC系统在每次从通电至正常运

10、转形状系统在每次从通电至正常运转形状前，诊断程序经过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设前，诊断程序经过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设能否正常能否正常 在线诊断程序是指在系统处于正常运转形状中，诊断程在线诊断程序是指在系统处于正常运转形状中，诊断程序在线扫描检查序在线扫描检查CNC系统本身以及各外设。只需系统不停系统本身以及各外设。只需系统不停电，在线诊断就不会停顿。电，在线诊断就不会停顿。 四、微型机数控系统的特点四、微型机数控系统的特点1较高的维修性和高可靠性；较高的维修性和高可靠性；2环境顺应性强；环境顺应性强；3控制的实时性；控制的实时性；4较完善的输入输出通道；较完善的输入输出

11、通道；5较丰富的软件；较丰富的软件；6适当的计算精度和运动精度。适当的计算精度和运动精度。3.2 插补原理插补原理 插补是指在一条知起点和终点的曲线上进展数据点的插补是指在一条知起点和终点的曲线上进展数据点的密化。密化。 目前常用的插补方法有：脉冲增量插补和数据采样插目前常用的插补方法有：脉冲增量插补和数据采样插补两类。补两类。一、脉冲脉冲插补一、脉冲脉冲插补 脉冲增量插补为行程增量插补。其特点是每次插补终脉冲增量插补为行程增量插补。其特点是每次插补终了仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出，每插补了仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。脉冲

12、增量插补算法运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。脉冲增量插补算法主要运用在开环数控系统中。主要运用在开环数控系统中。脉冲增量插补常用的方法有：脉冲增量插补常用的方法有：1. 逐点比较法及其改良法；逐点比较法及其改良法；2. 数字积分法及其改良法；数字积分法及其改良法；3. 数字脉冲乘法器法。数字脉冲乘法器法。一逐点比较法一逐点比较法 其根本思想是：走一步看一步；每走一步都要将加工点其根本思想是：走一步看一步；每走一步都要将加工点的瞬时坐标与给定轨迹相比较，决议下一步的走向。的瞬时坐标与给定轨迹相比较，决议下一步的走向。 它是以折线来逼近直线或圆弧曲线的。它是以折线来逼近直线或圆弧曲线的。 1.

13、 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补(1) 直线插补的原理直线插补的原理 如以下图所示加工第一象限直线段如以下图所示加工第一象限直线段: 起点为原点起点为原点O，终点，终点为为AXe，Ye，加工点为，加工点为mXm，Ym那么点那么点m相对于相对于直线直线OA有如下图的三种情况。有如下图的三种情况。eXmXeYmXeXmYeXeYmXmY eYmXeXmYmF 令令， 作为直线插补的偏向判别式：作为直线插补的偏向判别式： 假设假设Fm=0，阐明，阐明m点在直线点在直线OA上；上； 假设假设Fm0，阐明，阐明m点在直线点在直线OA上方上方;假设假设Fm0，阐明，阐明m点在直线点在直线OA下方。下

14、方。A(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO图图3-2 直线插补的原理图直线插补的原理图 假设假设Fm0，应向，应向+X方向走一步，新构成的坐标为：方向走一步，新构成的坐标为： 假设假设Fm0，应向，应向+Y方向走一方向走一步步,新构成的坐标为：新构成的坐标为：Xm+1=Xm+1， Ym+1=YmA(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO图图4-2 直线插补的原理图直线插补的原理图eYmFeYmXeXmYmF 111新偏向为：新偏向为：Xm+1=Xm， Ym+1=Ym+1eXmFmF 1新偏向为：新偏向为： 综上所述，逐点比较直线插补分四步：综上所述，逐点比较直线插补分四步： 1) 1) 偏

15、向判别：判别偏向判别：判别FmFm的正负号；的正负号； 2) 2) 坐标进给：控制坐标进给：控制X X或或Y Y坐标进给一步；坐标进给一步； 3) 3) 新偏向计算：新偏向计算： Fm+1 Fm+1； 4) 4) 终点判别：执行进终点判别：执行进给的步数能否等于要求进给的步数能否等于要求进给的总步数。给的总步数。开场开场Xe，YeX=0，Y=0，Fm=0Jm=Xe+YeFm0+X向走一步向走一步+Y向走一步向走一步Fm+1= Fm-YeXm+1= Xm +1Fm+1= Fm+XeYm+1= Ym +1Jm= Jm -1Jm =0终了终了YYNN 图图3-3 直线插补的框图直线插补的框图 例例1

16、：插补第一象限直线段：插补第一象限直线段OA，起点为坐标原点，终点为，起点为坐标原点，终点为Xe=5，Ye=3OAYX 图图3-4 直线直线OA的插补运算过程的插补运算过程序序号号偏向偏向判别判别坐标坐标进给进给新偏向计算新偏向计算终点判别终点判别1F0=0+ XF1=F0-Ye=0-3=-3J1= J0-1=8-1=72F10+ XF3=F2-Ye=2-3=-1J3= J2-1=6-1=55F40+ XF5=F4-Ye=4-3=1J5= J4-1=4-1=36F50+ XF6=F5-Ye=1-3=-2J6= J5-1=3-1=27F60+ XF8=F7-Ye=3-3=0J8= J7-1=1-

17、1=0得得，时时，时时，解解：根根据据式式8350000011 JF)FXFF()FYFF(YXXYFmemmmemmememm4F30+ YF4=F3+Xe=-1+5=+4J4= J3-1=5-1=4OAYX 图图3-4 直线直线OA的插补运算过程的插补运算过程2不同象限的直线插补计算不同象限的直线插补计算L1Fm0, +XFm 0, +YY图图3-5 不同象限的直线插补原理图不同象限的直线插补原理图偏向计算公式：偏向计算公式：Fm0时时Fm+1=Fm-YeFm0时时Fm+1=Fm+XeL2Fm0, +YFm 0, -XL3Fm0, -XFm 0, -YL4Fm0, -YFm 0, +XX

18、2. 2.逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补 圆弧插补的逐点比较法与直线插补步骤一样，流程图也一圆弧插补的逐点比较法与直线插补步骤一样，流程图也一样，只是偏向判别函数样，只是偏向判别函数Fm不同。不同。22222RmymxRmRmF 假设假设Fm=0，阐明，阐明m点在圆弧点在圆弧上上;假设假设Fm0，阐明，阐明m点在圆弧点在圆弧外外;m(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm图图3-6 圆弧插补的原理图圆弧插补的原理图1插补原理插补原理假设假设Fm0，应向，应向+Y方向走一步方向走一步, Ym+1=Ym+1, Xm+1=Xm12221211 mXmFRmYmXmFm(Xm

19、, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm图图3-6 圆弧插补的原理图圆弧插补的原理图12221211 mYmFRmYmXmF 终点判别：用终点判别：用X, Y方向应走的方向应走的总步数之和总步数之和JM。pYeYpXeXMJ 每走一步减每走一步减1，直至减为，直至减为0即至终点。即至终点。 例例2：插补第一象限逆时针圆弧：插补第一象限逆时针圆弧AB，起点坐标，起点坐标X0=6 ， Y0=0终点坐标终点坐标为为Xe=0 ， Ye=6。OBYXA图图3-7 例例2序序号号偏向偏向判别判别坐标坐标进给进给新偏向新偏向终点判别终点判别01 23 456789101112计算坐标计算坐标F

20、0=0-X1112001 XFFJ1=J0-1=11X1=5, Y1=0F10+YJ2=J1-1=101012112 YFFX2=5, Y2=1F20+YJ3=J2-1=9X3=5, Y3=2712223 YFFF30+YJ4=J3-1=8X4=5, Y4=3212334 YFFF40-XJ6=J5-1=6X6=4, Y6=4412556 XFFF60-XJ8=J7-1=4X8=3, Y8=5212778 XFFF80-XJ10=J9-1=2X10=2, Y10=64129910 XFFF100-XJ11=J10-1=1X11=1, Y11=6112101011 XFFF110-XJ12=J1

21、1-1=0X12=0, Y12=6012111112 XFFF0=0X0=6, Y0=0J0=12OBXYA图图3-7 例例2YFm0, -YFm 0, +X 图图3-8 顺圆插补原理图顺圆插补原理图Fm0, +XFm 0, +YFm0, +YFm 0, -XXFm0, -XFm 0, -YYFm0, -XFm 0, +Y 图图3-9 逆圆插补原理图逆圆插补原理图Fm0, -YFm 0, -XFm0, +XFm 0, -YXFm0, +YFm 0, +X 3. 3.逐点比较法特点逐点比较法特点 进给速度平稳，可以方便地实现直线、圆弧、抛物线等曲进给速度平稳，可以方便地实现直线、圆弧、抛物线等曲

22、线的插补；插补精度较高，插补误差不超越一个脉冲当量；改线的插补；插补精度较高，插补误差不超越一个脉冲当量；改良后的逐点比较法插补误差不超越半个脉冲当量。良后的逐点比较法插补误差不超越半个脉冲当量。( (二二) ) 数字积分法数字积分法 数字积分法又称数字微分分析法数字积分法又称数字微分分析法DDA ，是在数字积分器的，是在数字积分器的根底上建立起来的一种插补算法。其优点是易于实现多坐标联动，根底上建立起来的一种插补算法。其优点是易于实现多坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快、较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快、运用广泛等特点。运用广泛等特点。 设

23、函数设函数Y=ft，如以下图求出曲线下面，如以下图求出曲线下面t0到到tn区间的面积，区间的面积，普通运用下面的积分公式：普通运用下面的积分公式： 1. 1. 数字积分器的任务原理数字积分器的任务原理图图3-10 数字积分插补原理图数字积分插补原理图Ot2t1titi+1tntYY1Y2YiYi+1YnY=f(t) t nttYdtS0 假设把自变量的积分区间等假设把自变量的积分区间等分成许多有限的小区间分成许多有限的小区间t，这样，这样,求积分面积就转化成求有限个小求积分面积就转化成求有限个小区间面积之和，即区间面积之和，即 1010nitiyniiSS 数学运算时数学运算时, t普通取最小

24、单位普通取最小单位“1，即一个，即一个脉冲周期，那么脉冲周期，那么 10niiyS 这样，函数的积分运算变成了变量的求和运算，这样，函数的积分运算变成了变量的求和运算，当所选取的积分间隔当所选取的积分间隔t足够小时这种替代所引起的误足够小时这种替代所引起的误差将不超越许用值。差将不超越许用值。12月月19日日 数字积分器通常由函数存放器、累加器和与门等组成，数数字积分器通常由函数存放器、累加器和与门等组成，数字积分器构造框图见图字积分器构造框图见图3-113-11。 其任务过程为：每来一个其任务过程为：每来一个 titi脉冲，与门翻开一次，将函数存脉冲，与门翻开一次，将函数存放器中的函数值送累

25、加器里累加放器中的函数值送累加器里累加一次，令累加器的容量为一个单一次，令累加器的容量为一个单位面积，当累加和超越累加器的位面积，当累加和超越累加器的容量一个单位面积时，便发出溢容量一个单位面积时，便发出溢出脉冲，这样累加过程中产生的出脉冲，这样累加过程中产生的溢出脉冲总数就等于所求的总面溢出脉冲总数就等于所求的总面积，也就是所求积分值。积，也就是所求积分值。与门与门函数值存放器函数值存放器累加器累加器计数器计数器 S ti图图3-11 数字积分器构造框图数字积分器构造框图 设有不断线设有不断线OA, 起点为起点为O，终点，终点A的坐标为的坐标为 Xe, Ye，直线方程为：，直线方程为： 对上

26、式求导得：对上式求导得：eXeYdtdxdtdy /2. 直线插补直线插补XeXeYY 由上式得由上式得:ekYdtdYekXdtdX ,YOX XA(Xe, Ye) Y图图3-11 直线积分插补得原理图直线积分插补得原理图对上述两式积分得：对上述两式积分得： )(2),(1tFdtekYYtFdtekXX 设动点在原点的时间为设动点在原点的时间为t0, 到达终点到达终点A(Xe, Ye)的时间为的时间为tn， 那么上式那么上式可变为：可变为：X=kXe1Y=kYe1 100niitekXeXnttdtekX 100niitekYeYnttdtekY 选择选择k时主要思索每次的增量时主要思索每

27、次的增量X或或Y不大于不大于1，即，即knnk11 取取ti=1，那么，那么 假设存放假设存放Xe，Ye存放器的位数是存放器的位数是N，对应最大允许数字，对应最大允许数字量为量为2N-1各位均为各位均为1，所以，所以Xe，Ye最大存放数值为最大存放数值为2N-1，那么那么NNNekk)(kkX21121112 取取 因因n=1/k，故累加次数，故累加次数n=2N。X 函 数 存 放 器函 数 存 放 器JVX与门与门X 累 加 器累 加 器JRXY 函 数 存 放 器函 数 存 放 器JVY与门与门Y累加器累加器JRY t X Y图图3-12 平面直线的插补框图平面直线的插补框图 每个坐标轴的

28、积分器由累加器和被积函数存放器组成，每个坐标轴的积分器由累加器和被积函数存放器组成，被积函数存放器存放终点坐标值，每经过一个时间间隔被积函数存放器存放终点坐标值，每经过一个时间间隔 t，将被积函数值向各自的累加器中累加，当累加结果超出存放将被积函数值向各自的累加器中累加，当累加结果超出存放器容量时，就溢出一个脉冲。器容量时，就溢出一个脉冲。 例例3 设有不断线设有不断线OE，如图，如图3-13所示起点坐标所示起点坐标O(0，0)，终点坐标为，终点坐标为A(4，3)，累加器和存放器的，累加器和存放器的位数为位数为3位，其最大可存放数值为位，其最大可存放数值为7J8时溢出。时溢出。假设用二进制计算

29、，起点坐标假设用二进制计算，起点坐标O000，000，终，终点坐标点坐标E(100，011)，J1000时溢出。试采用时溢出。试采用DDA法对其进展插补。法对其进展插补。XYOA 1 2 3 44 3 2 1图图3-13 例例3累加次累加次数数 ( t) X积分器积分器 Y积分器积分器 终点终点 计数器计数器 JE JVX JRX X JVY JRY Y 0 4 0 3 0 0 100 011 000 1 4 0+4=4 3 0+3=3 1 100 000+100=100 011 000+011=011 001 2 4 4+4=8+0 1 3 3+3=6 2 100 100+100=1000

30、011 011+011=110 010 3 4 0+4=4 3 6+3=8+1 1 3 100 000+100=100 011 110+011=1001 011 4 4 4+4=8+0 1 3 1+3=4 4 100 100+100=1000 011 001+011=100 100 表表3 DDA3 DDA直线插补运算过程直线插补运算过程5 4 0+4=4 3 4+3=7 5 100 000+100=100 011 100+011=111 101 6 4 4+4=8+0 1 3 7+3=8+2 1 6 100 100+100=1000 011 110 7 4 0+4=4 3 2+3=5 7 1

31、00 000+100=100 011 111 84 4+4=8+0 1 3 5+3=8+0 1 8 100 100+100=1000 011 101+011=1000 1000 010+011=101111+011=1010XYOA 1 2 3 44 3 2 1图图3-13 例例3 3. 3. 圆弧插补圆弧插补 以第一象限逆时针圆弧插补为例以第一象限逆时针圆弧插补为例来论述插补的原理。圆的方程为：来论述插补的原理。圆的方程为：022222 dtdYYdtdXXRYX求求导导得得：XvdtdXYvdtdYYXdtdXdtdY ，式中：式中：/由上式得由上式得:ikXdtdYikYdtdX ,式中

32、：式中：k常数。常数。 图图3-14 积分圆弧插补的原理图积分圆弧插补的原理图XYRA(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vXvYP 设起点设起点A对应的时间为对应的时间为t0，并取并取t0=0，终点时间为，终点时间为tn，对上，对上式进展积分得：式进展积分得： nttniitiXkYeYdtiXknttniitiYkXeXdtiYk01000100 DDA圆弧插补与圆弧插补与DDA直线插补有所不同直线插补有所不同, 在直线插补时在直线插补时, 被被积函数存放器的数值为常数积函数存放器的数值为常数(Ye, Ye); 而在圆弧插补时而在圆弧插补时, 存放器中存放器中存的是存的是

33、X、Y坐标的瞬时值坐标的瞬时值, 所以当存放器中有溢出时所以当存放器中有溢出时, 需求及时需求及时修正存放器中的修正存放器中的Xi 和和Yi值。值。 图图3-15 积分圆弧插补的原理图积分圆弧插补的原理图XYRA(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vXvYP 例例4 设有第一象限顺圆设有第一象限顺圆AB，如图，如图3-16所示，起点所示，起点A(0，5)，终点终点B5，0，所选存放器位数，所选存放器位数n=3。假设用二进制计算，起。假设用二进制计算，起点坐标点坐标A000，101，终点坐标，终点坐标B101，000，试用，试用DDA法法对此圆弧进展插补。对此圆弧进展插补。 A

34、(0,5) 4 2 35 4 Y O 1 2 3 X B(5,0) 5 1 图图3-16 例例4表表4 DDA圆弧插补运算过程圆弧插补运算过程累加次累加次数数 (t) X积分器积分器 Y积分器积分器 JVX JRX X JEX JVY JRY Y JEY 0 5 0 5 0 0 5 101 101 000 000 101 1 5 0+5=5 5 0 0 0 0 5 101 000+101=101 101000 000+000=000 101 2 5 5+5=8+2 1 4 0 00 0 5 101 101+101=1010 100 000 101 1 001 000+000=0003 5 5+

35、2=7 4 1 1 5 101 101010111 100 001 001000001 101 4 5 5+7=8+4 1 3 1 1+1=2 5 101 1011111100 011 001 001001010 101 2 010 5 5 5+4=81 1 2 2 2+2=4 5 101 1011001001 010 010 010010100 101 3 011 6 5 5+1=6 2 3 3+4=7 5 101 101001110 010 011 011100111 101 7 5 5+6=8+3 1 1 3 3+7=8+2 1 4 101 1011101011 001 011 0111

36、111010 100 4 4 100 100 8 4 4+3=7 1 4 4+2=6 4 100 100011111 001 100 100010110 100 12 2 5 5+4=8+1 1 1 010 101 101+100=1001 001 1 001 13 1 5 5+1=6 1 001 101 101001110 001 14 1 5 5+6=8+3 1 0 001 101 101+110=1011 000 0 000 15 0 5 停 止 101 A(0,5) 4 2 35 4 Y O 1 2 3 X B(5,0) 5 1 图图图图3-16 例例4 数据采样插补又称为时间分割法，

37、它是根据程编进给速度数据采样插补又称为时间分割法，它是根据程编进给速度F F，将给定轮廓曲线按插补周期，将给定轮廓曲线按插补周期T T分割为插补进给段，即用一分割为插补进给段，即用一系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。每经过一个插补系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。每经过一个插补周期就进展一次插补计算，算出下一个插补点。周期就进展一次插补计算，算出下一个插补点。 插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选得小一些。得小一些。 采样是指由时间上延续信号取出不延续信号，对时间上延采样是指由时间上延续信号取出不延续信号，对时间上延续的信号进

38、展采样，就是经过一个采样开关续的信号进展采样，就是经过一个采样开关K K后，在采样开关后，在采样开关的输出端构成一连串的脉冲信号。这种把时间上延续的信号转的输出端构成一连串的脉冲信号。这种把时间上延续的信号转变成时间上离散的脉冲系列的过程称为采样过程。变成时间上离散的脉冲系列的过程称为采样过程。 二、数据采样法插补二、数据采样法插补( (一一) ) 两轴联动直线插补原理两轴联动直线插补原理 设要加工图设要加工图3-17所示直线所示直线OE，起点在坐标原点，起点在坐标原点O(0, 0)，终点，终点为为E(Xe, Ye)，直线与，直线与X轴夹角为，那么有轴夹角为，那么有E(Xe, Ye) A X

39、YOXY图图3-17 直线插补原理图直线插补原理图eeXYtg 211tgcos XtgxXYYcosfXee 式中式中f为已计算出的一次插补进给量。为已计算出的一次插补进给量。二圆弧插补二圆弧插补 圆弧插补，需先根据指令中的进给速度圆弧插补，需先根据指令中的进给速度F，计算出轮廓步，计算出轮廓步长长f，再进展插补计算。以弦线逼近圆弧，就是以轮廓步长为圆，再进展插补计算。以弦线逼近圆弧，就是以轮廓步长为圆弧上相邻两个插补点之间的弦长，由前一个插补点的坐标和轮弧上相邻两个插补点之间的弦长，由前一个插补点的坐标和轮廓步长，计算后一插补点，本质上是求后一插补点到前一插补廓步长，计算后一插补点，本质上

40、是求后一插补点到前一插补点两个坐标轴的进给量点两个坐标轴的进给量X, Y。 图中A(Xi,Yi )为当前点，B(Xi+1,Yi+1为插补后到达的点，AB弦是圆弧插补时在一个插补周期的步长f。O B(Xi+1,Yi+1) A(Xi,Yi) G Y YX M H X X 图图3-18 圆弧插补原理图圆弧插补原理图 i22121)XX(RYY)YY(fcosfXiiiiiii = i+ /2 3.3 3.3 刀具补偿原理刀具补偿原理 二、刀具补偿的原理二、刀具补偿的原理一、根本概念一、根本概念 在轮廓加工过程中，思索刀具的半径，或加工后仍需求留一在轮廓加工过程中，思索刀具的半径，或加工后仍需求留一定

41、的加工余量，需求时刀具的中心偏离零件的实践轮廓，这一过定的加工余量，需求时刀具的中心偏离零件的实践轮廓，这一过程称为刀具补偿。程称为刀具补偿。刀具补偿普通分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。刀具补偿普通分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。铣刀主要是刀具半径补偿；铣刀主要是刀具半径补偿；钻头只需长度补偿；钻头只需长度补偿；车刀需求两坐标长度补偿和刀具半径补偿。车刀需求两坐标长度补偿和刀具半径补偿。 三三 、刀具半径补偿算法、刀具半径补偿算法 刀具半径补偿计算：根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具半径补偿计算：根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具中心轨迹。对于普通的刀具中心轨迹。对于普通的CNCCNC安装，所

42、能实现的轮廓仅限于安装，所能实现的轮廓仅限于直线和圆弧。刀具半径补偿分直线和圆弧。刀具半径补偿分B B功能刀补与功能刀补与C C功能刀补。功能刀补。 (一) B功能刀补计算 B功能刀补能根据本段程序的轮廓尺寸进展刀具半径补偿，不能处理程序段之间的过渡问题，编程人员必需先估计刀补后能够出现的延续点和交叉点等情况，进展人为处置。 1. 直线刀具补偿计算 对直线而言，刀具补偿后的轨迹是与原直线平行的直线，只需求计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值。 在图在图3-19中知中知O和和A点的点的坐标坐标, 求出求出A的坐标的坐标22eyexeryexex 22eyexerxeyey OO),(eeyxA)

43、,(eeyxAyxr 图图3-19 直线刀具补偿直线刀具补偿 Y X YYYXXXeeee 22eeeYXYrsinrX 22eeeYXXrcosrY 2. 圆弧刀具半径补偿计算圆弧刀具半径补偿计算Rerxexex Reryeyey ),(eyexB)0, 0(yxA),(eyexB )0, 0(yxA XYRr图图3-20 圆弧刀具半径插补圆弧刀具半径插补 知知A、B、A点的坐标点的坐标, 求求出出B的坐标。的坐标。 对于圆弧而言，刀具补偿后的刀具中心轨迹是一个与圆弧同心的一段圆弧。只需计算刀补后圆弧的起点坐标和终点坐标值。 二二C C刀具半径补偿刀具半径补偿 1. 根本概念根本概念 采用直

44、线或圆弧过渡，采用直线或圆弧过渡， 直接由数控系统求出刀具中心轨直接由数控系统求出刀具中心轨迹交点的刀具半径补偿方法称为迹交点的刀具半径补偿方法称为C功能刀具补偿，简称功能刀具补偿，简称C刀补。刀补。 B刀补采用读一段，算一段，再走一段的控制方法，这刀补采用读一段，算一段，再走一段的控制方法，这样，无法估计到由于刀具半径所呵斥的下一段加工轨迹对本样，无法估计到由于刀具半径所呵斥的下一段加工轨迹对本程序段加工轨迹的影响。程序段加工轨迹的影响。 C功能刀具补偿是为处理这一问题功能刀具补偿是为处理这一问题提出的。提出的。 C功能刀补更为完善，这种方法能根据相邻轮廓段的信功能刀补更为完善，这种方法能根

45、据相邻轮廓段的信息自动处置两个程序段刀具中心轨迹的转换，并自动在转接息自动处置两个程序段刀具中心轨迹的转换，并自动在转接点处插入过渡圆弧或直线从而防止刀具干涉和断点情况。点处插入过渡圆弧或直线从而防止刀具干涉和断点情况。 2. C 2. C刀具补偿的根本设计思想刀具补偿的根本设计思想 任务存放区任务存放区AS存放正在加工的程序段信息；存放正在加工的程序段信息； 刀补缓冲区刀补缓冲区CS存放下一个加工程序段的信息；存放下一个加工程序段的信息； 缓冲存放区缓冲存放区BS存放再下一个加工程序段的信息；存放再下一个加工程序段的信息；输出存放区输出存放区OS存放进给伺服系统的控制信息；存放进给伺服系统的

46、控制信息； 当系统启动后，第一段程序首先被读入当系统启动后，第一段程序首先被读入 BS ，算出其编程轨迹后送入算出其编程轨迹后送入CS暂存；暂存； 第二段程序读入第二段程序读入 BS ，算出其编程轨迹，修正，算出其编程轨迹，修正CS中的第一段编程轨迹。之后，将第一段编程轨中的第一段编程轨迹。之后，将第一段编程轨迹由迹由CS送入送入AS，第二段编程轨迹由，第二段编程轨迹由BS送入送入CS。缓冲存放区缓冲存放区BS刀补缓冲区刀补缓冲区CS任务存放区任务存放区AS输出存放区输出存放区OS 图图3-21 随后随后CPU将将AS中的内容送到中的内容送到OS进展插补运算；进展插补运算；同时同时CPU又命令

47、把第三段程序读入又命令把第三段程序读入BS，反复上述，反复上述处置过程。处置过程。3.4 数控系统的硬件构造数控系统的硬件构造 从从CNCCNC系统适用的微机及构造来分，系统适用的微机及构造来分，CNCCNC系统的硬件构造分系统的硬件构造分为单微处置器和多微处置器构造两大类。经济型为单微处置器和多微处置器构造两大类。经济型CNCCNC系统采用单系统采用单微处置器构造。而为满足数控机床的高进给速度、高加工精度微处置器构造。而为满足数控机床的高进给速度、高加工精度和实现许多复杂功能的要求那么采用多微处置器构造。和实现许多复杂功能的要求那么采用多微处置器构造。一、单微处置器构造一、单微处置器构造 该

48、该CNC安装中只需一个微处置器，因此多采用集中控制，安装中只需一个微处置器，因此多采用集中控制，分时处置的方式完成数控机床的各项义务。单微处置器分时处置的方式完成数控机床的各项义务。单微处置器CNC安安装组成框图如以下图所示。装组成框图如以下图所示。总线总线CPUEPROMRAMMDI/CRT接口接口PLC纸带阅读机接口纸带阅读机接口I/O接口接口位置控制位置控制穿孔机、电穿孔机、电传机接口传机接口通讯接口通讯接口数控面板数控面板CRT纸带阅读机纸带阅读机纸带穿孔机纸带穿孔机电传机电传机机床机床速度控制单元速度控制单元M图图3-22 单微处置器单微处置器CNC安装组成框图安装组成框图 单微处置

49、器单微处置器CNC安装组成硬件的作用安装组成硬件的作用 微处置器微处置器 微处置器是微处置器是CNC安装的中心，由于一切数控功能都由一个安装的中心，由于一切数控功能都由一个CPU来完成，因此来完成，因此CNC安装的功能受微处置器的字长、数据宽安装的功能受微处置器的字长、数据宽度、寻址才干和运算速度等要素的限制。为了提高处置速度，度、寻址才干和运算速度等要素的限制。为了提高处置速度，加强数控功能，常采用以下措施：加强数控功能，常采用以下措施： 采用协处置器；采用协处置器； 由硬件完成一部分插补任务；由硬件完成一部分插补任务； 采用带有微处置器的采用带有微处置器的PLC和和CRT等智能部件。等智能

50、部件。 普通普通CNC安装通常采用安装通常采用16位或位或32位微处置器芯片。如今的位微处置器芯片。如今的CNC安装都采用安装都采用64位微处置器芯片。位微处置器芯片。 2. 总线总线 总线是由物理导线构成，从功能上说，普通可以分为三组。总线是由物理导线构成，从功能上说，普通可以分为三组。 (1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，位宽度的一个字，采用单向线。采用单向线。 (2)地址线：其上传输的是地址信号，与数据线结合运用，以地址线：其

51、上传输的是地址信号，与数据线结合运用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线。 (3)控制线：其上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据控制线：其上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。 3. 存储器存储器 存储器是用来存放数据、参数和程序的。存储器是用来存放数据、参数和程序的。 (1) CNC安装的系统程序存放在只读存储器安装的系统程序存放在只读存储器EPROM中，即使中，即使断电，程序也不会丧失。常用的断电，程序也不会丧失。常

52、用的EPROM有：有：2716、2732、2764、27128、27256、27010等。等。 (2) 运算的中间结果存放在随机存储器运算的中间结果存放在随机存储器RAM中，它可以随机中，它可以随机读写，但断电后信息随即消逝。读写，但断电后信息随即消逝。 (3) 零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的 RAM中，中，或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修正并且断电后，信息或是磁泡存储器中，能随机读取，操作或修正并且断电后，信息仍保管。仍保管。4. PLC PLC用以替代传统的机床强电继电器逻辑控制。经过程序用以替代传统的机床强电继电器逻辑控制。经过

53、程序进展逻辑运算来实现进展逻辑运算来实现M、S、T功能的译码与控制。功能的译码与控制。 PLC有内装型和独立型两种。内装型有内装型和独立型两种。内装型PLC是是CNC安装的一个安装的一个部件，可以共享部件，可以共享CNC安装的安装的CPU，也可以配置单独的，也可以配置单独的CPU。独。独立型立型PLC完全独立于完全独立于CNC安装，本身具有完备的硬件安装，本身具有完备的硬件CPU、ROM、RAM等和软件，可以独立完成规定的控制义务。等和软件，可以独立完成规定的控制义务。5. 位置控制位置控制 CNC安装中的位置控制模块和速度控制单元、位置检测及反安装中的位置控制模块和速度控制单元、位置检测及反

54、响控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐标位置控制，响控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐标位置控制，包括任务台的前后左右挪动、主轴箱的挪动及绕某不断线坐标包括任务台的前后左右挪动、主轴箱的挪动及绕某不断线坐标轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、外表粗糙度和加工效率影响极大。外表粗糙度和加工效率影响极大。6. I/O接口接口 对对CNC安装来说，由机床向安装来说，由机床向CNC传送的信号称为输入信传送的信号称为输入信号，由号，由CNC向机床传送的信号称为输出信号。输入输出信号向机床传送的信号称为输出信号。输入输出

55、信号的主要类型有：直流数字、模拟输入信号，直流数字、模拟的主要类型有：直流数字、模拟输入信号，直流数字、模拟输出信号；交流输入信号，交流输出信号。输出信号；交流输入信号，交流输出信号。 直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它接直流模拟信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制或其它接纳、发送模拟量信号的设备。交流信号用于直接纳、发送模拟量信号的设备。交流信号用于直接 控制功率执控制功率执行器件。接口电路的主要义务：行器件。接口电路的主要义务： 进展电平转换和功率放大。进展电平转换和功率放大。 为防止噪声引起误动作，对为防止噪声引起误动作，对CNC和机床之间的信号进和机床之间的信号进展电气隔离

56、。展电气隔离。 采用模拟量传送时，在采用模拟量传送时，在CNC和机床电气设备之间要接和机床电气设备之间要接入入D/A和和A/D转换电路。转换电路。 信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响，会信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响，会发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施并限制信号的传输间隔。并限制信号的传输间隔。二单微处置器构造的特点二单微处置器构造的特点 1CNC安装中仅有一个微处置器，由它对存储、插补运算、安装中仅有一个微处置器，由它对存储、插补运算、输入输出控制、输入输出控制、CRT显示等功能集中控制分时管

57、理。显示等功能集中控制分时管理。 2微处置器经过总线与存储器、输入输出控制等各种接口微处置器经过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连，构成相连，构成CNC安装。安装。 3构造简单，容易实现。构造简单，容易实现。 4正是由于只需一个微处置器集中控制。其功能将受微处正是由于只需一个微处置器集中控制。其功能将受微处置器字长、数据宽度、寻址才干和运算速度等要素的限制。置器字长、数据宽度、寻址才干和运算速度等要素的限制。 二、多微处置器构造二、多微处置器构造 数控系统中配置了多个微处置器，经过一组公用地址和数据数控系统中配置了多个微处置器，经过一组公用地址和数据总线进展衔接，每个微处置器公用存储器与总线进展衔接，每个微处置器公用存储器与I/O 接口，每个微处接口，每个微处置器分担系统的一部分任务，从而将单微处置器系统中的顺序完置器分担系统的一部分任务，从而将单微处置器系统中的顺序完成的任务转变为多个微处置器的并行、同时完成的任务，