计算机数字控制系统课件.ppt

1、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、数控系统的发展一、数控系统的发展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：类：硬件数控（硬件数控（NC）第一代：第一代：电子管、继电器、模拟电路。电子管、继电器、模拟电路。第二代：第二代：晶体管、数字电路（分立元件）。晶体管、数字电路（分立元件）。第三代：第三代：集成数字电路。集成数字电路。第第类：类：软件数控（软件数控（CNC）第四代：第四代：内装小型计算机，中小规模集成电路。内装小型计算机，中小规模集成电路。2 1.微处理器数控系统，内装微处理器，字符显示、微处理器数控系统

2、，内装微处理器，字符显示、故障自诊断。故障自诊断。第五代：分第五代：分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,适适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。3二、数控系统的硬件组成二、数控

3、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4 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装置的核心装置的核心,主要由微处理器、存储器、输主要由微处理器、存储器、输入输出通道及联系这三者的总线（数据总线、控制总线、地址入输出通道及联系这三者的总线（数据总线、控制总线、地址总线）等组成。总线）等组成。微处理器是微型算机中的运算器及控制部件，它是微型机微处理器是微型算机中的运算器及控制部件，它是

4、微型机的核心，称为中央处理单元（的核心，称为中央处理单元（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）。）。5 （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信设备，输入、输出微机数控系统的外部设备包括人机通信设备，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

5、出设备有打印机、记录仪、数码显示管和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系通道，通过它输入、输出通道是微型机与机床之间的联系通道，通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行它是操作人员用来与微机数控系统进行“对话对话”的设备。的设备。6 三、数控系统软件三、数控系统软件 数控系统软件数控系统软件是根据机床零件加工的实际需要而编写的是根据机床零件加工的实际需要而

6、编写的控制程序。控制软件一般有以下几个部分组成：控制程序。控制软件一般有以下几个部分组成：（一）初始化程序（一）初始化程序 初始化是在数控装置合上电源以后，自动地对各有关接初始化是在数控装置合上电源以后，自动地对各有关接口设置工作状态，对有关寄存器、存储单元设置常数或清零。口设置工作状态，对有关寄存器、存储单元设置常数或清零。（二）输入数据处理程序（二）输入数据处理程序 输入数据处理程序将输入的零件加工程序用标准代码输入数据处理程序将输入的零件加工程序用标准代码表示的加工指令和数据进行翻译、处理成为计算机能识别表示的加工指令和数据进行翻译、处理成为计算机能识别的语言。它具有输入、译码、数据处理

7、三种功能。的语言。它具有输入、译码、数据处理三种功能。7 (1)输入。输入。向向CNC装置输入零件加工程序、控装置输入零件加工程序、控制参数和补偿数据。制参数和补偿数据。（2）译码。）译码。将零件的轮廓信息和其他的辅助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语言。在译码过信息等翻译成计算机内部能识别的语言。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即报警。错误便立即报警。（3）数据处理。）数据处理。数据处理程序一般包括刀具半数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。径补偿、速度计算以及辅助功能

8、的处理等。8 （三）插补运算及位置控制程序（三）插补运算及位置控制程序 插补的任务插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行础上进行“数据点的密化数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。入一些中间点。（四）速度控制程序（四）速度控制程序 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行。度运行。位置控制程序位置控制程序的主要任务是在每个采样周期

9、内，将插补计的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机，进而控制工作台或刀具的位移。机，进而控制工作台或刀具的位移。9 （五）系统管理程序（五）系统管理程序 为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由系统管理程序进行调度，因此他是实现系统管理程序进行调度，因此他是实现CNC系统协调工作的系统协调工作的主体软件。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行自诊断，主系统利用内装诊断程序进行自诊断，

10、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。启动诊断启动诊断是指是指CNC系统在每次从通电至正常运行状态系统在每次从通电至正常运行状态前，诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设前，诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设是否正常是否正常 在线诊断程序在线诊断程序是指在系统处于正常运行状态中，诊断程是指在系统处于正常运行状态中，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。只要系统不停系统本身以及各外设。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。电，在线诊断就不会停止。10四、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

11、的维修性和高可靠性；（2）环境适应性强；）环境适应性强；（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。113.2 插补原理插补原理 插补插补是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。的密化。目前常用的插补方法有：脉冲增量插补和数据采样插补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。两类。一、一、脉冲脉冲脉冲脉冲插补插补 脉冲增量插补为行程增量插补。其特点是每次插补结脉冲增量插补为行程增量插补。其特点

12、是每次插补结束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出，每插补，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。脉冲增量插补算法。脉冲增量插补算法主要应用在开环数控系统中。主要应用在开环数控系统中。12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.逐点比较法及其改进法；逐点比较法及其改进法；2.数字积分法及其改进法；数字积分法及其改进法；3.数字脉冲乘法器法。数字脉冲乘法器法。（一）（一）逐点比较法逐点比较法 其基本思想是：走一步看一步；每走一步都要将加工点其基本思想是：走一步看一步；每走一步都要将加工点的瞬时

13、坐标与给定轨迹相比较，决定下一步的走向。的瞬时坐标与给定轨迹相比较，决定下一步的走向。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.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13 如下图所示加工第一象限直线段如下图所示加工第一象限直线段:起点为原点起点为原点O，终点为，终点为A（Xe，Ye），加工点为），加工点为m（Xm，Ym）则点）则点m相对于直线相对于直线OA有如图所示的三种情况。有如图所示的三种情况。eXmXeYmXeXmYeXeYmXmY eYmXeXmYmF 令，令，作为直线插补的偏差判别式：作为直线插补的偏差判别式：若若Fm=0

14、，表明，表明m点在直线点在直线OA上；上；若若Fm0，表明，表明m点在直线点在直线OA上方上方;若若Fm0，表明，表明m点在直线点在直线OA下方。下方。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14 若若Fm0，应向，应向+X方向走一步，新形成的坐标为：方向走一步，新形成的坐标为：若若Fm0，应向，应向+Y方向走一步方向走一步,新形成的坐标为：新形成的坐标为：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新偏差为：新偏差为：Xm+1=Xm，Y

15、m+1=Ym+1eXmFmF 1新偏差为：新偏差为：15 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)偏差判别：判别偏差判别：判别Fm的正负号；的正负号；2)坐标进给：控制坐标进给：控制X或或Y坐标进给一步；坐标进给一步；3)新偏差计算：新偏差计算：Fm+1；4)终点判别：执行进终点判别：执行进给的步数是否等于要求进给的步数是否等于要求进给的总步数。给的总步数。开始开始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结束

16、结束YYNN 图图3-3 直线插补的框图直线插补的框图16 例例1：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17序序号号偏差偏差判别判别坐标坐标进给进给新偏差计算新偏差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+X

17、F8=F7-Ye=3-3=0J8=J7-1=1-1=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=418OAYX 图图3-4 直线直线OA的插补运算过程的插补运算过程19（2）不同象限的直线插补计算）不同象限的直线插补计算L1Fm 0,+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差计算公式：偏差计算公式：Fm 0时时Fm+1=Fm-YeFm0时时Fm+1=Fm+XeL2Fm 0,+YFm 0,-XL3Fm 0,-

18、XFm 0,-YL4Fm 0,-YFm 0,+XX20 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，只是偏差判别函数样，只是偏差判别函数Fm不同。不同。22222RmymxRmRmF 若若Fm=0，表明，表明m点在圆弧上点在圆弧上;若若Fm0，表明，表明m点在圆弧外点在圆弧外;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21若若Fm0，应向，应向+Y方向走一步方向走一步,Ym+1=Ym+1,Xm+1=Xm12

19、221211 mXmFRmYmXmFm(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。22 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终点坐标为终点坐标为Xe=0，Ye=6。OBYXA图图3-7 例例223序序号号偏差偏差判别判别坐标坐标进给进给新偏差新偏差终点判别终点判别01 23 456

20、789101112计算坐标计算坐标F0=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 XFFF1

21、10-XJ12=J11-1=0X12=0,Y12=6012111112 XFFF0=0X0=6,Y0=0J0=1224OBXYA图图3-7 例例225YFm 0,-YFm 0,+X 图图3-8 顺圆插补原理图顺圆插补原理图Fm 0,+XFm 0,+YFm 0,+YFm 0,-XXFm 0,-XFm 0,-Y26YFm 0,-XFm 0,+Y 图图3-9 逆圆插补原理图逆圆插补原理图Fm 0,-YFm 0,-XFm 0,+XFm 0,-YXFm 0,+YFm 0,+X27 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

22、弧、抛物线等曲线的插补；插补精度较高，插补误差不超过一个脉冲当量；改线的插补；插补精度较高，插补误差不超过一个脉冲当量；改进后的逐点比较法插补误差不超过半个脉冲当量。进后的逐点比较法插补误差不超过半个脉冲当量。(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，是在数字积分器的基础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，基础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、应用广泛等特点。应用广泛等特点。2

23、8 设函数设函数Y=f（t），如下图求出曲线下面），如下图求出曲线下面t0到到tn区间的面积，区间的面积，一般应用下面的积分公式：一般应用下面的积分公式：1.1.数字积分器的工作原理数字积分器的工作原理图图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 若把自变量的积分区间等分若把自变量的积分区间等分成许多有限的小区间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 1010nitiyniiSS29 数学运算时数学运算时,t一般取最小单

24、位一般取最小单位“1”，即一个，即一个脉冲周期，则脉冲周期，则 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过许用值。差将不超过许用值。12月月19日日30 数字积分器通常由函数寄存器、累加器和与门等组成，数数字积分器通常由函数寄存器、累加器和与门等组成，数字积分器结构框图见图字积分器结构框图见图3-11。其工作过程为：其工作过程为：每来一个每来一个 ti脉冲，与门打开一次，将函数寄脉冲，与门打开一次，将函数寄存器中的函数值送累加器里累加存器

25、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，当累加和超过累加器的位面积，当累加和超过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。与门与门函数值寄存器函数值寄存器累加器累加器计数器计数器 S ti图图3-11 数字积分器结构框图数字积分器结构框图 31 设有一直线设有一直线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，直线方程为：为：对上式求导得：对上

26、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),(1tFdtekYYtFdtekXX32 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，则上式可变为：则上式可变为：X=kXe1Y=kYe1 100niitekXeXnttdtekX 100niitekYeYnttdtekY 选择选择k时主要考虑每次的增量时主要考虑每次的增量X或或Y不大于不大于1

27、，即，即knnk11 取取 ti=1，则，则33 如果存放如果存放Xe，Ye寄存器的位数是寄存器的位数是N，对应最大允，对应最大允许数字量为许数字量为2N-1（各位均为（各位均为1），所以），所以Xe，Ye最大寄存最大寄存数值为数值为2N-1，则，则NNNekk)(kkX21121112 取取 因因n=1/k，故累加次数，故累加次数n=2N。34X函数寄存器函数寄存器JVX与门与门X累加器累加器JRXY函数寄存器函数寄存器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 每个坐标轴的积分器由累加器和被积函数寄存器组成，每个坐标轴的积分器由累加器和

28、被积函数寄存器组成，被积函数寄存器存放终点坐标值，每经过一个时间间隔被积函数寄存器存放终点坐标值，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，当累加结果超出寄存将被积函数值向各自的累加器中累加，当累加结果超出寄存器容量时，就溢出一个脉冲。器容量时，就溢出一个脉冲。35 例例3 设有一直线设有一直线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)，累加器和寄存器的，累加器和寄存器的位数为位数为3位，其最大可寄存数值为位，其最大可寄存数值为7（J8时溢出）。时溢出）。若用二进制计算，起点坐标若用二进制计算，起点坐标O（000，000），

29、终点），终点坐标坐标E(100，011)，J1000时溢出。试采用时溢出。试采用DDA法法对其进行插补。对其进行插补。36XYOA 1 2 3 44 3 2 1图图3-13 例例337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 011 011+011=110 010 3 4

30、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385 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 7 100 000+100=100 011 111

31、 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=101039XYOA 1 2 3 44 3 2 1图图3-13 例例340 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求导得：求导得：XvdtdXYvdtdYYXdtdXdtdY ，式中：式中：/由上式得由上式得:ikXdtdYikYdtdX ,式中：式中：k常数。常数。图图3-14 积

32、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)vXvYP41 设起点设起点A对应的时间为对应的时间为t0，并，并取取t0=0，终点时间为，终点时间为tn，对上式进，对上式进行积分得：行积分得：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,被被积函数寄存器的数值为常数积函数寄存器的数值为常数(Ye,Ye);而在圆弧插补时而在圆弧插补时,寄存器中寄存器中存的是存的是X、Y坐标的瞬时值坐标的瞬时值,所以当寄存器中有溢出

33、时所以当寄存器中有溢出时,需要及时需要及时修正寄存器中的修正寄存器中的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)vXvYP42 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B（5，0），所选寄存器位数），所选寄存器位数n=3。若用二进制计算，起点。若用二进制计算，起点坐标坐标A（000，101），终点坐标），终点坐标B（101，000），试用），试用DDA法对法对此圆弧进行插补。此圆弧进行插补。A(0,5)4 2 35 4 Y O 1 2 3

34、X B(5,0)5 1 图图3-16 例例443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=000443 5 5+2=7 4 1 1 5 101 1010101

35、11 100 001 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=8 1 1 2 2 2+2=4 5 101 1011001001 010 010 010010100 101 3 011 456 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 0111111010 100 4 4 100 1

36、00 8 4 4+3=7 1 4 4+2=6 4 100 100011111 001 100 100010110 100 4612 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 47 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448 数据采样插补又称为时间分割法，它是根据程编进给速度数据采样插

37、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行一次插补计算，算出下一个插补点。周期就进行一次插补计算，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。采样是指由时间上连续信号取出不连续信号，对时间上连采样是指由时间上连续信号取出不连续信号，对时间上连续的信号进行采样，就是通过一个采样开关续的信

38、号进行采样，就是通过一个采样开关K K后，在采样开关后，在采样开关的输出端形成一连串的脉冲信号。这种把时间上连续的信号转的输出端形成一连串的脉冲信号。这种把时间上连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、二、数据采样法数据采样法插补插补49(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，则有轴夹角为，则有E(Xe,Ye)A X YOXY图图3-17 直线插补原理图直线插补原理图ee

39、XYtg 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。50（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，再进行插补计算。以弦线逼近圆弧，就是以轮廓步长为圆，再进行插补计算。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，实质上是求后一插补点到前一插补廓步长，计算后一插补点，实质上是求后一插补点到前一插补点两个坐标轴的进给

40、量点两个坐标轴的进给量X,Y。51 图中图中A(Xi,Yi)为当前点，为当前点，B(Xi+1,Yi+1）为插补后到达的点，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+/252 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、基本概念一、基本概念 在轮廓加工过程中，考虑刀具的半径，或加工后仍需要留一在轮廓加工过程中，考虑刀具的半径，或加工

41、后仍需要留一定的加工余量，需要时刀具的中心偏离零件的实际轮廓，这一过定的加工余量，需要时刀具的中心偏离零件的实际轮廓，这一过程称为刀具补偿。程称为刀具补偿。刀具补偿一般分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。刀具补偿一般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；车刀需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。车刀需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。53 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。对于一般的刀具中心轨迹。对于一般的C

42、NC装置，所能实现的轮廓仅限装置，所能实现的轮廓仅限于直线和圆弧。于直线和圆弧。刀具半径补偿分刀具半径补偿分B功能刀补与功能刀补与C功能刀补。功能刀补。(一一)B功能刀补计算功能刀补计算 B功能刀补能根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，功能刀补能根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，不能解决程序段之间的过渡问题，编程人员必须先估计刀补后不能解决程序段之间的过渡问题，编程人员必须先估计刀补后可能出现的间断点和交叉点等情况，进行人为处理。可能出现的间断点和交叉点等情况，进行人为处理。1.直线刀具补偿计算直线刀具补偿计算 对直线而言，刀具补偿后的轨迹是与原直线平行的直线，只对直线而言，刀具补偿

43、后的轨迹是与原直线平行的直线，只需要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值。需要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值。54 在图在图3-19中已知中已知O和和A点点的坐标的坐标,求出求出A的坐标的坐标22eyexeryexex 22eyexerxeyey OO),(eeyxA),(eeyxAyxr 图图3-19 直线刀具补偿直线刀具补偿 Y X YYYXXXeeee 22eeeYXYrsinrX 22eeeYXXrcosrY 55 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3-2

44、0 圆弧刀具半径插补圆弧刀具半径插补 已知已知A、B、A点的坐标点的坐标,求出求出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。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。56 （二）（二）C刀具半径补偿刀具半径补偿 1.基本概念基本概念 采用直线或圆弧过渡，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

45、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，无法预计到由于刀具半径所造成的下一段加工轨迹对本样，无法预计到由于刀具半径所造成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功能刀具补偿是为解决这一问题功能刀具补偿是为解决这一问题提出的。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，这种方法能根据相邻轮廓段的信息自动处理两个程序段刀具中心轨迹的转换，并自动在转接息自动处理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避免刀具干涉和断点情况。点处插入过渡圆弧或直线从而避免刀具干涉和断点情况

46、。57 2.C刀具补偿的刀具补偿的基本设计思想基本设计思想 工作寄存区工作寄存区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；缓冲寄存区缓冲寄存区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；输出寄存区输出寄存区OS存放进给伺服系统的控制信息；存放进给伺服系统的控制信息；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

47、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。缓冲寄存区缓冲寄存区BS刀补缓冲区刀补缓冲区CS工作寄存区工作寄存区AS输出寄存区输出寄存区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进行插补运算；进行插补运算；同时同时CPU又命令把第三段程序读入又命令把第三段程序读入BS，重复上述，重复上述处理过程。处理过程。583.4 数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构 从从CNC系统实用的微机及结构来系统实用的微机及结构来分，分，CNC系统的硬件结构系统的硬件结构分为单微处

48、理器和多微处理器结构两大类。经济型分为单微处理器和多微处理器结构两大类。经济型CNC系统采系统采用单微处理器结构。而为满足数控机床的高进给速度、高用单微处理器结构。而为满足数控机床的高进给速度、高加工加工精度和实现许多复杂功能的要求则采用多微处理器结构。精度和实现许多复杂功能的要求则采用多微处理器结构。一、单微处理器结构一、单微处理器结构 该该CNC装置中只有一个微处理器，因此多采用集中控制，装置中只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各项任务。单微处理器分时处理的方式完成数控机床的各项任务。单微处理器CNC装装置组成框图如下图所示。置组成框图如下图所示。59总线总

49、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信接口通信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 单微处理器单微处理器CNC装置组成框图装置组成框图60 单微处理器单微处理器CNC装置组成硬件的作用装置组成硬件的作用 微处理器微处理器 微处理器是微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽装置的功能

50、受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，度、寻址能力和运算速度等因素的限制。为了提高处理速度，增强数控功能，常采用以下措施：增强数控功能，常采用以下措施：采用协处理器；采用协处理器；由硬件完成一部分插补工作；由硬件完成一部分插补工作；采用带有微处理器的采用带有微处理器的PLC和和CRT等智能部件。等智能部件。一般一般CNC装置通常采用装置通常采用16位或位或32位微处理器芯片。现在的位微处理器芯片。现在的CNC装置都采用装置都采用64位微处理器芯片。位微处理器芯片。612.总线总线 总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。总线是由物理导线构成，