二部分计算机数控系统

其次部分计算机数控装置基本要求：掌握CNC系统的定义、组成和特点，熟识CNC系统的硬件和软件的特点，掌握直线插补运算、圆弧插补运算的基本原理。重点与难点：数控插补原理及方法。2.1计算机数控装置2.2数控系统的插补计算原理本部分重要内容机电工程学院按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员会的定义，CNC（ComputerizedNumericalControl）系统是：用计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。2.1.1计算机数控装置硬件第一节计算机数控装置机电工程学院CNC系统依据输入的程序或指令，由计算机进行插补运算，形成抱负的运动轨迹，插补计算出的位置数据输出到伺服单元，掌握电机带动执行机构，加工出所需零件。CNC系统中的计算机主要用来进行数值和规律运算，对机床进行实时掌握，只要转变计算机中的掌握软件就能实现一种新的掌握方式。第一节计算机数控装置机电工程学院输入/输出装置（I/O）数控装置伺服系统机床电气规律掌握装置一、数控系统的组成第一节计算机数控装置机电工程学院CNC系统灵敏可变，易于变化和扩展CNC系统通用性强CNC系统牢靠性强CNC系统易于实现多功能、高简洁程序的掌握CNC系统使用、维护便利第一节计算机数控装置二、数控系统的特点机电工程学院三、计算机数控装置硬件结构类型1、常规CNC的硬件结构总线式模块化结构的CNC以专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC基于通用计算机基础上开发的CNC第一节计算机数控装置机电工程学院2、单微处理器结构和多微处理器结构1）单微处理器结构

只有一个微处理器，以集中掌握、分时处理各个任务。若CNC系统中有两个以上的微处理器，其中只有一个能够掌握系统总线，占有总线资源。第一节计算机数控装置机电工程学院机电工程学院2）多微处理器结构

（1）共享总线结构系统总线把各个模块有效地连接在一起，依据要求交换各种数据和掌握信息，实现各种预定的功能。第一节计算机数控装置

（2）共享存储结构采纳多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、掌握线，以供端口访问。CNC管理模块、CNC插补模块、PLC模块、命令与数据输入输出和显示模块、存储器模块机电工程学院机电工程学院3、开放式CNC结构1）PC连接型CNC将现有CNC与PC用串行线相连而构成。2）PC内藏型CNCCNC内部加装PC，PC与CNC之间用专用总线连接。3）基于PC的可开放CNC在通用PC的扩展槽中加入专用CNC卡而组成。第一节计算机数控装置机电工程学院1、输入数据处理程序2、插补运算程序3、速度掌握程序4、管理程序5、诊断程序一、CNC系统软件的组成第一节计算机数控装置2.1.2CNC系统的软件结构机电工程学院二、CNC系统软件的结构CNC软件设计中常采纳资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行处理技术。前者适用于单微处理器系统，主要采纳对CPU的分时共享来解决多任务的并行处理。后者适用于多微处理器系统，是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。由于两种技术处理方式不同，相应的CNC软件也设计成不同的结构形式。第一节计算机数控装置机电工程学院机床数控系统的轮廓掌握主要问题就是怎样掌握刀具或工件的运动轨迹。无论是硬件数控（NC）系统，还是计算机数控（CNC）系统或微机数控（MNC）系统，都必须有完成插补功能的部分，只是实行的方式不同而已。

其次节数控系统的插补计算原理2.2插补原理机电工程学院其次节数控系统的插补计算原理插补的任务是依据进给速度的要求，在轮廓指令起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，每个中间点计算所需时间直接影响系统的掌握速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的掌握精度。插补速度和插补精度是插补的两项重要指标，它直接决定了数控机床的精度和进给速度。因此，插补算法是整个数控系统掌握的核心。机电工程学院2.2.1逐点比较法插补其次节数控系统的插补计算原理基本原理：在刀具按要求轨迹运动加工零件的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并依据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进给，且只有一个方向的进给。逐点比较法即可以作直线插补，又可以作圆弧插补。这种算法的特点是，运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节便利，因此，在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。机电工程学院ABOYXP0(x,y)P1P2图中AB是需要插补的曲线，用逐点比较法插补前先要依据AB的外形构造一个函数F=F（x,y）

x,y为刀具的坐标函数F的正负必须反映出刀具与曲线的相对位置关系，设这种关系为：F(x,y)>0

刀具在曲线上方F(x,y)=0

刀具在曲线上F(x,y)<0

刀具在曲线下方由于F(x,y)反映了刀具偏离曲线的情况，称之为偏差函数

1、偏差函数的构建其次节数控系统的插补计算原理一、插补原理机电工程学院2、逐点比较法的程序流程偏差判别进给偏差计算终点判别偏差判别判别偏差函数的正负，以确定刀具相对于所加工曲线的位置进给依据上一节拍的推断结果确定刀具的进给方向。进给使刀具向曲线靠近并朝曲线的终点运动。偏差计算计算出刀具进给后在新位置上的偏差值，为下一插补循环做好筹备终点判别推断刀具是否到达曲线的终点。若到达终点，则插补工作结束；若未到达，则返回到节拍1连续插补其次节数控系统的插补计算原理一个插补循环由偏差判别、进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍组成。各节拍功能：机电工程学院即若加工点P在直线OA上方，则即设某时刻刀具运动到P（Xi,Yi）偏差函数为Fi，则Fi的数值称为该点的“偏差值”

1、偏差函数OA是要加工的直线。起点坐标O为坐标原点，终点A坐标为。点P为任一加工点（刀具），若P点正好在直线OA上时，下式成立XOYAPF>0F<0其次节数控系统的插补计算原理二、逐点比较法的直线插补即若加工点P在直线OA下方，则－机电工程学院综上所述，在直线插补中，偏差函数与刀具位置的关系是F>0刀具在直线上方F=0刀具在直线上F<0刀具在直线下方OYXAPF>0F<0其次节数控系统的插补计算原理2、偏差判别机电工程学院3、进给方向若点P在直线上或上方（F≥0）应向+X方向前进一步，以接近该直线；OYXAOYXA当点P在直线下方时（F＜0），应向+Y方向前进一步。其次节数控系统的插补计算原理机电工程学院Fi+1=XeYi+1－Xi＋1Ye其次节数控系统的插补计算原理4、新点的偏差计算当刀具进给到达新点后，其偏差值计算如下式：可见需做两次乘法和一次减法，计算较为简洁，CPU负担较重，通常采纳递推法简化运算过程。机电工程学院偏差情况

进给方向偏差计算+X+Y当偏差值Fi<0时，刀具从现加工点(Xi,Yi)向Y正向前进一步，到达新加工点(Xi,Yi+1)则新加工点的偏差值为当偏差值Fi≥0时，刀具从现加工点(Xi,Yi)向X正向前进一步，到达新加工点(Xi+1,Yi)则新加工点的偏差值为Fi+1=XeYi+1－XiYe=Xe(Yi＋1)－XiYe=XeYi＋Xe－XiYe即Fi+1=Fi＋XeFi+1=XeYi－Xi＋1Ye=XeYi－(Xi+1)Ye=XeYi－XiYe－Ye即Fi+1=Fi－Ye其次节数控系统的插补计算原理机电工程学院5、终点判别对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿X轴走一步，或沿Y轴走一步，因此插补数与刀具沿X、Y轴已走的总步数相等。其次节数控系统的插补计算原理Σ＝︱

Xe︱

＋︱Ye︱不论哪个轴进给一步，均从总步数中减1，当总步数减到零时即表示已到达终点。机电工程学院6、插补程序及举例右图是逐点比较法直线插补流程图。例：逐点比较法加工直线OA，并画出插补轨迹。OYXA(5,3)其次节数控系统的插补计算原理0n,0Fi原地等待插补时钟F≥0？进给方向+x进给方向+yY插补结束NYN－机电工程学院解：总步数N＝5＋3＝8脉冲偏差判别进给偏差计算终点判别012345678机电工程学院12345678OA(5,3)YX插补轨迹其次节数控系统的插补计算原理机电工程学院加工第一象限逆时针圆弧AB若点P（Xi,Yi）正好落在圆弧上，则有

若点P（Xi,Yi）

在圆弧外侧，则有Rp>R其次节数控系统的插补计算原理三、逐点比较法的第一象限逆圆弧插补⌒Xi2+Yi2=X02+Y02=R2Xi2+Yi2>X02+Y02=R2若点P（Xi,Yi）

在圆弧内侧，则有Rp<RXi2+Yi2<X02+Y02=R2RRpABF<0F>0XYOP机电工程学院其次节数控系统的插补计算原理F=Xi2+Yi2-R2取偏差函数表达式为：RRpABF<0F>0XYOP其插补规章为：当F>0时，动点在圆弧外侧，向－X进给一步；当F=0时，动点在圆弧上，向－X进给一步；当F<0时，动点在圆弧内侧，向＋Y进给一步；机电工程学院其次节数控系统的插补计算原理采纳递推法简化新点偏差计算：若Fi≥0，刀具从现点(Xi,Yi)向-X进给一步，到达新加工点(Xi+1＝Xi+1－1，Yi＋1＝Yi)则新点的偏差值为Fi+1=Xi+12＋Yi＋12＝R2=(Xi－1)2＋Yi2－R2即Fi+1=Fi－2Xi＋1若Fi<0，刀具+Y进给一步，到达新加工点(Xi+1＝Xi，Yi＋1＝Yi+1)则新点的偏差值为Fi+1=Xi+12＋Yi＋12－R2=Xi2＋（Yi＋1）2－R2即Fi+1=Fi＋2Xi+1机电工程学院终点判别对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿X轴走一步，或沿Y轴走一步，因此插补数与刀具沿X、Y轴已走的总步数相等。其次节数控系统的插补计算原理Σ＝︱

Xe︱

＋︱Ye︱不论哪个轴进给一步，均从总步数中减1，当总步数减到零时即表示已到达终点。+Y－X偏差计算进给方向偏差情况

机电工程学院例：加工图示逆圆弧AB，起点A(6,0)，B(0,6),试对其进行插补，并画出插补轨迹。AB(6,0)(0,6)0n,0Fi原地等待插补时钟F≥0？进给方向-x进给方向+yY插补结束NYN插补流程图见右机电工程学院脉冲个数偏差判别进给方向偏差计算坐标计算终点判别0F0=0X0=6Y0=0N=121F0=0-XF1=F0-2X0+1=0-2×6+1=-11X1=X0-1=6-1=5Y1=Y0=0N=N-1=12-1=11≠02F1=-11<0+YF2=F1+2Y1+1=-11+0+1=-10X2=X1=5Y2=Y1+1=1N=N-1=11-1=10≠03F2=-10<0+YF3=F2+2Y2+1=-10+2×1+1=-7X3=X2=5Y3=Y2+1=2N=N-1=10-1=9≠04F3=-7<0+YF4=F3+2Y3+1=-7+2×2+1=-2X4=X3=5Y4=Y3+1=3N=N-1=9-1=8≠05F4=-2<0+YF5=F4+2Y4+1=-2+2×3+1=-5X5=X4=5Y5=Y4+1=4N=N-1=8-1=7≠06F5=5>0-XF6=F5-2X5+1=5-2×5+1=-4X6=X5-1=5-1=4Y6=Y5=4N=N-1=7-1=6≠07F6=-4<0+YF7=F6+2Y6+1=-4+2×4+1=5X7=X6=4Y7=Y6+1=5N=N-1=6-1=5≠08F7=5>0-XF8=F7-2X7+1=5-2×4+1=-2X8=X7-1=4-1=3Y8=Y7=5N=N-1=5-1=4≠09F8=-2<0+YF9=F8+2Y8+1=-2+2×5+1=9X9=X8=3Y9=Y8+1=6N=N-1=4-1=3≠010F9=9>0-XF10=F9-2X9+1=9-2×3+1=4X10=X9-1=3-1=2Y10=Y9=6N=N-1=3-1=2≠011F10=+4>0-XF11=F10-2X10+1=4-2×2+1=1X11=X10-1=2-1=1Y11=Y10=6N=N-1=2-1=1≠012F11=1>0-XF12=F11-2X11+1=1-2×1+1=0X12=X11-1=