1、1,第四章 數(shù)控系統(tǒng)41概述,一、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)可以看成是一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，由信息輸入、計(jì)算及控制、和一些接口等組成。其中計(jì)算及控制部分是核心，相當(dāng)于CPU。 數(shù)控系統(tǒng)按時(shí)間來(lái)劃分可以分為兩類(lèi)五代： 第類(lèi)：硬線(xiàn)數(shù)控（NC） 第一代：5259，5865；電子管、繼電器、模擬電路。 第二代：5965，6572；晶體管、數(shù)字電路（分立元件）。 第三代：6570，7276；集成數(shù)字電路。 第類(lèi)：軟線(xiàn)數(shù)控（CNC） 第四代：7074，7682；內(nèi)裝小型計(jì)算機(jī)，中小規(guī)模集成電路。,2,第五代：,第五代：分6個(gè)階段： 1.7479，82；微處理器NC，內(nèi)裝微處理器，字符顯示、故障自診斷； 2.79；

2、超大規(guī)模集成電路，大容量存儲(chǔ)器，可編程接口，遙控接口， 3.81; 人機(jī)對(duì)話(huà), 動(dòng)態(tài)圖形顯示, 實(shí)施軟件精度補(bǔ)償, 適應(yīng)機(jī)床無(wú)人化要求 4.87; 32位CPU, 可控15軸, 分辨率, 0.0001mm, 進(jìn)給速度24m/min, 可帶 前饋控制的交流數(shù)字司服, 智能化系統(tǒng). 5.91; 64位系統(tǒng); 6.95; 微機(jī)開(kāi)放式CNC系統(tǒng).,3,開(kāi)放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu),開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)是相對(duì)于封閉式體系結(jié)構(gòu)而言的 封閉式體系結(jié)構(gòu):由于大批量生產(chǎn)和保密的需要,不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計(jì)其硬件和軟件,這樣的封閉式系統(tǒng)具有不同的硬件和軟件模塊,不同的編程語(yǔ)言,五花八門(mén)的人機(jī)界面,多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),非標(biāo)準(zhǔn)

3、化接口等,不僅給用戶(hù)帶來(lái)了使用上的復(fù)雜性,也給車(chē)間物流層的集成帶來(lái)了很多困難. 為解決封閉式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)所存在的問(wèn)題,各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼提出了向規(guī)范化,標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展,設(shè)計(jì)開(kāi)放性體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問(wèn)題.,4,分布式控制,構(gòu)造應(yīng)該是透明的,可移植的. 可實(shí)現(xiàn)重構(gòu),編輯,以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途. CNC,PLC,RC,CC 各模塊相互獨(dú)立,可以對(duì)各模塊獨(dú)立開(kāi)發(fā),補(bǔ)充,擴(kuò)展. 有較好的通信和接口協(xié)議.,開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的定義,開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點(diǎn) 向未來(lái)技術(shù)開(kāi)放.可以采納,吸收,和兼容新的軟硬件資源. 標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面和編程語(yǔ)言. 向用戶(hù)特殊要求開(kāi)放.可擴(kuò)充自己的功能,融入自己的訣竅.,5

4、,二、數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),6,三、數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),7,軟件結(jié)構(gòu)一例：直線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程,G01 Xe Ye F,XA1 YA1 FA1,XB0 YB0 XBA YBA XB1 YB1,LX LY L cos cos L,L% L1 X3 Y3 X2 Y2,X2 Y2 X1 Y1 X3 Y3,譯碼,刀補(bǔ),速度,處理,插補(bǔ),位置,控制,X3 Y3,電動(dòng)機(jī),X1 Y1,反饋,8,41插補(bǔ)原理,插補(bǔ)目的：實(shí)現(xiàn)G01、G02或G03指令以及加工其他曲線(xiàn)。 插補(bǔ)種類(lèi)： 硬件插補(bǔ) 軟件插補(bǔ) 脈沖增量插補(bǔ) 數(shù)字增量插補(bǔ) 粗插補(bǔ) 精插補(bǔ),9,脈沖增量插補(bǔ),這類(lèi)插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是：每次插補(bǔ)的結(jié)果僅產(chǎn)生一個(gè)行程增量

5、，以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，脈沖增量插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。 脈沖增量插補(bǔ)常用的方法有： 1。數(shù)字脈沖乘法器法； 2。逐點(diǎn)比較法及其改進(jìn)法； 3。數(shù)字積分法及其改進(jìn)法。,10,一、逐點(diǎn)比較法,逐點(diǎn)比較法的基本思想是：走一步看一步；每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與給定軌跡相比較，決定下一步的走向。,（一）逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ),有這樣一條指令：G91 G01 Xe Ye,如右圖所示加工第一象限直線(xiàn)段: 起點(diǎn)為原點(diǎn)O，終點(diǎn)為A（Xe，Ye），加工點(diǎn)為M（Xm，Ym）則點(diǎn)M相對(duì)于直線(xiàn)OA有三種情況:,利用比較OM和OA的斜率大小進(jìn)行判別,通分,11,逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)

6、插補(bǔ),就是逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)的偏差判別式,若Fi,j=0，表明M點(diǎn)在直線(xiàn)OA上（on the line）,若Fi,j0，表明M點(diǎn)在直線(xiàn)OA上方（above the line ）,若Fi,j0，表明M點(diǎn)在直線(xiàn)OA下方（under the line ）,M(Xi,Yj),若Fi,j0，應(yīng)向+X方向走一步, Xi+1=Xi+1,若Fi,j0，應(yīng)向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,12,逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)2,綜上所述，逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)的的過(guò)程分四步： 1。偏差判別：判別Fi,j的正負(fù)號(hào)； 2。坐標(biāo)進(jìn)給：控制X或Y坐標(biāo)進(jìn)給一步； 3。新偏差計(jì)算： Fi+1，,j或Fi,，j+1 4。終點(diǎn)判別：執(zhí)行

7、進(jìn)給的總步數(shù)是否等于要求進(jìn)給的總步數(shù),13,逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)3,例1：插補(bǔ)第一象限直線(xiàn)段OA，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為Xe=5，Ye=3,14,逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)4,例1：插補(bǔ)第一象限直線(xiàn)段OA，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)為Xe=5，Ye=3,15,逐點(diǎn)比較法直線(xiàn)插補(bǔ)4,以上討論的是第一象限的直線(xiàn)插補(bǔ)問(wèn)題，對(duì)其它象限的直線(xiàn)進(jìn)行插補(bǔ)時(shí)，因?yàn)榻K點(diǎn)和加工點(diǎn)在同一象限內(nèi)，Xi和Xe的符號(hào)相同， Yj和Ye的符號(hào)相同，所以它們的計(jì)算公式與計(jì)算程序與第一象限的一樣，只是進(jìn)給方向不同，歸納為：當(dāng)Fi，j0，橫著向外走；當(dāng)Fi，j0，豎著向外走。,16,（二）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),圓弧插補(bǔ)的逐點(diǎn)比較法語(yǔ)直線(xiàn)插補(bǔ)步驟一

8、樣，流程圖也一樣，只是偏差判別函數(shù)Fi，j不同,M(Xi，Yj),若Fi,j=0，表明M點(diǎn)在圓弧上;,若Fi,j0，表明M點(diǎn)在圓弧內(nèi).,若Fi,j0，向-X方向走一步, Xi+1=Xi-1,若Fi,j0，應(yīng)向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,若Fi,j0，表明M點(diǎn)在圓弧外;,以第一象限為例,17,（二）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)2,M(Xi，Yj),以第一象限為例,若Fi,j0，向-X方向走一步, i+1=Xi-1,若Fi,j0，應(yīng)向+Y方向走一步, Yi+1=Yi+1,終點(diǎn)判別：用X,Y方向應(yīng)走的的總步數(shù)之和.,以上是第一象限的逆圓弧插補(bǔ)的問(wèn)題, 順圓及其它象限圓弧插補(bǔ)可以很容易推出來(lái).計(jì)算公式

9、與計(jì)算程序是限一樣的，只是進(jìn)給方向不同。,18,逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)例,例1：插補(bǔ)第一象限逆時(shí)針圓弧AB，起點(diǎn)坐標(biāo)X0=6 ， Y0=0終點(diǎn)坐標(biāo)為Xe=0 ， Ye=6,19,20,逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)例,例2：插補(bǔ)第一象限逆時(shí)針圓弧AB，起點(diǎn)坐標(biāo)X0=20 ， Y0=0終點(diǎn)坐標(biāo)為Xe=0 ， Ye=20,21,逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)例,22,逐點(diǎn)比較法特點(diǎn),逐點(diǎn)比較法具有進(jìn)給速度平穩(wěn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)、圓弧、拋物線(xiàn)等曲線(xiàn)的插補(bǔ)，插補(bǔ)精度較高，插補(bǔ)誤差不超過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量；改進(jìn)后的逐點(diǎn)比較法（最小偏差法）插補(bǔ)誤差不超過(guò)半個(gè)脈沖當(dāng)量。但是如果用硬件實(shí)現(xiàn)，邏輯部件較多，邏輯線(xiàn)路較復(fù)雜。宜用軟件實(shí)現(xiàn),23,

10、二、數(shù)字積分法,數(shù)字積分法是在數(shù)字積分器的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種插補(bǔ)方法。 又叫DDA(Digital Differential Analyzer),(一)數(shù)字積分器的工作原理 設(shè)函數(shù)Y=f（t），如右圖欲求出曲線(xiàn)下面t0到tn區(qū)間的面積一般應(yīng)用下面的積分公式：,若把自變量的積分區(qū)間等分成許多有限的小區(qū)間t,這樣,求積分面積就轉(zhuǎn)化成求有限個(gè)小區(qū)間面積之和,即,24,數(shù)字積分器的工作原理,數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí), t一般取最小單位“1”,即一個(gè)脈沖周期,則,這樣,函數(shù)的積分運(yùn)算變成了變量的求和運(yùn)算, 當(dāng)所選取的積分間隔t足夠小時(shí)這種替代所引起的誤差將不超過(guò)許用值.,1.直線(xiàn)插補(bǔ) 設(shè)有一直線(xiàn)Oe, 起點(diǎn)為O,終

11、點(diǎn)坐標(biāo)為e(xe,ye).假定vx,vy分別表示東點(diǎn)在x和y方向上的移動(dòng)速度, 則在x和y方向上的移動(dòng)距離微小增量x和y應(yīng)為,x= vxt y= vyt,對(duì)于直線(xiàn)函數(shù)來(lái)說(shuō), vx和 vy是常數(shù), 則下式成立,x= vxt=Kxet y= vyt =Kyet,25,數(shù)字積分器的工作原理,動(dòng)點(diǎn)從原點(diǎn)走向終點(diǎn)的過(guò)程, 可以看作是各坐標(biāo)每經(jīng)過(guò)一個(gè)單位時(shí)間間隔t分別以增量Kxe和Kye同時(shí)累加的結(jié)果. 經(jīng)過(guò)m次累加后, x和y分別都到達(dá)終點(diǎn)e(xe, ye), 則有下式,x=Kxe1 y=Kye1,因?yàn)閙必須是整數(shù), 所以K一定是小數(shù). 同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足每次增量x或y不大于1, 以保證坐標(biāo)軸上每次分配進(jìn)給脈沖

12、不超過(guò)一個(gè)單位步距(脈沖當(dāng)量), 即,26,數(shù)字積分器的工作原理,一般情況下, 若寄存器是n位,則xe及ye的最大允許寄存容量應(yīng)為2n一1, 若取K=1/ 2n, 則,顯然, 由上式?jīng)Q定的Kxe、Kye式小于1的，這樣不僅決定了系數(shù)K,( K=1/ 2n) ，而且保證了x及y小于1的條件. 因此, 刀具從原點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的累加次數(shù)m就有m=1/ K =1/ 2n= 2n,當(dāng)K=1/ 2n時(shí), 對(duì)二進(jìn)制數(shù)來(lái)說(shuō), Kxe與xe的差別僅在于小數(shù)點(diǎn)的位置不同, 將xe 的小數(shù)點(diǎn)左移n位即為Kxe.因此, 在n位的內(nèi)存中存放 xe,(xe為整數(shù)), 和存放Kxe的數(shù)字是相同的, 只是認(rèn)為Kxe的小數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)在

13、最高位數(shù)之前.,27,數(shù)字積分器的工作原理,當(dāng)用軟件實(shí)現(xiàn)DDA直線(xiàn)插補(bǔ)時(shí), 只要在內(nèi)存中開(kāi)設(shè)幾個(gè)單元, 分別存放xe及其累加值xe, ye及其累加值ye。將xe和ye賦一初始值，在每次插補(bǔ)循環(huán)過(guò)程中，進(jìn)行以下求和運(yùn)算,將運(yùn)算結(jié)果的溢出脈沖x和y用來(lái)控制機(jī)床進(jìn)給，就可走出所需直線(xiàn)的軌跡。,DDA插補(bǔ)器的關(guān)鍵部件是累加器和被積函數(shù)寄存器, 一般插補(bǔ)開(kāi)始前，累加器先清零，被積函數(shù)寄存器分別寄存xe和 ye；插補(bǔ)開(kāi)始后，每來(lái)一個(gè)脈沖t；被積函數(shù)寄存器里的內(nèi)容就在相應(yīng)的累加器中相加一次，相加后的溢出作為驅(qū)動(dòng)相應(yīng)坐標(biāo)軸的進(jìn)給脈沖x（或y ），而余數(shù)仍寄存在累加器中。當(dāng)脈沖源發(fā)出的累加脈沖t數(shù)m正好等于被積

14、函數(shù)寄存器的容量2n時(shí)，溢出的脈沖個(gè)數(shù)等于以脈沖當(dāng)量為最小單位的終點(diǎn)坐標(biāo)，刀具運(yùn)行到終點(diǎn)。,28,數(shù)字積分器的工作原理,據(jù)此可以構(gòu)成直線(xiàn)插補(bǔ)器,被積函數(shù)寄存器Rx(xe),x積分累加器Rax,y積分累加器Ray,被積函數(shù)寄存器Ry(ye),x,y,t,累加控制脈沖,29,數(shù)字積分器直線(xiàn)插補(bǔ)例,當(dāng)n=4, 對(duì)第一象限的直線(xiàn)OA(0,0; 9,5)進(jìn)行DDA插補(bǔ).,30,圓弧插補(bǔ),以第一象限逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)為例. 設(shè)刀具沿圓弧AB移動(dòng), 半徑為R, 刀具且像速度為v, 動(dòng)點(diǎn)P (xi,yi). 有如下關(guān)系.,因?yàn)镽是常數(shù),v也是常數(shù), 故K也是常數(shù).,xi= vxit=-Kyit yi= vyit=

15、Kxit,K=1/2n, n為累加器及寄存器的位數(shù),31,圓弧插補(bǔ)補(bǔ)器,據(jù)此可以構(gòu)成DDA圓弧插補(bǔ)器插補(bǔ)器,被積函數(shù)寄存器Rx(yi),x積分累加器Rax,y積分累加器Ray,被積函數(shù)寄存器Ry(xi),-x,y,t,累加控制脈沖,32,圓弧插補(bǔ),DDA圓弧插補(bǔ)與DDA直線(xiàn)插補(bǔ)有所不同, 在直線(xiàn)插補(bǔ)時(shí), 被積函數(shù)寄存器的數(shù)值為常數(shù)(xe,ye); 而在圓弧插補(bǔ)時(shí), Rx中存的是y坐標(biāo)的瞬時(shí)值, Ry中存的是x坐標(biāo)的瞬時(shí)值,所以當(dāng)Rax, Ray有溢出時(shí), 需要及時(shí)修正Rx, Ry中的yi 和xi值.,當(dāng)n=4, 對(duì)第一象限的逆時(shí)針圓弧AB(10,0; 0,10)進(jìn)行DDA插補(bǔ).,33,數(shù)字積分

16、器直線(xiàn)插補(bǔ)例,34,數(shù)字增量插補(bǔ),特征: 在CNC系統(tǒng)中, 采用時(shí)間分割算法, 它是把加工一段軌跡的整段時(shí)間分成許多相等的時(shí)間間隔. 這種時(shí)間間隔稱(chēng)為插補(bǔ)周期. 這種插補(bǔ)分兩步完成, 第一步為粗插補(bǔ), 每個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)算一次,把加工軌跡分成微小的直線(xiàn)段; 每一微小直線(xiàn)段長(zhǎng)度L相等; 第二步為精插補(bǔ), 它是在每一段微小直線(xiàn)段上再做點(diǎn)的密化工作.這一步實(shí)際上是對(duì)微小直線(xiàn)段進(jìn)行脈沖增量插補(bǔ).,粗插補(bǔ)時(shí)間分割插補(bǔ) 兩個(gè)問(wèn)題 一是插補(bǔ)周期T的選擇 二是插補(bǔ)周期T內(nèi)各坐標(biāo)增量的計(jì)算,插補(bǔ)周期T的選擇 1）插補(bǔ)周期T必須大于插補(bǔ)運(yùn)算所占用的CPU時(shí)間Tcpu。 2）插補(bǔ)周期應(yīng)是采樣周期的整數(shù)倍。 3）因L=T

17、F，在保證（1）的前提下，盡可能減小插補(bǔ)周期，以便在誤差允許 的范圍內(nèi)增大進(jìn)給速度。,35,數(shù)字增量插補(bǔ),合成進(jìn)給量fT fT =L=TF/60， 式中fT =L, 合成進(jìn)給量, 即為微直線(xiàn)段長(zhǎng)度(m)， F進(jìn)給速度(mm/min) T插補(bǔ)周期(ms),直線(xiàn)插補(bǔ)的算法 目的: 根據(jù)給定的進(jìn)給速度F和終點(diǎn)坐標(biāo)值Xe, Ye, Ze, 計(jì)算出各坐標(biāo)在一個(gè)插補(bǔ)周期中的位移量. X, Y, Z,算法, 由圖可以得到如下關(guān)系,36,數(shù)字增量插補(bǔ),于是有,設(shè)插補(bǔ)后的剩余量為Xr, Yr, Zr, 顯然,初始值為,經(jīng)過(guò)第 i 次插補(bǔ)后的剩余量為,37,數(shù)字增量插補(bǔ),當(dāng),時(shí),即為本程序的最后一段插補(bǔ)運(yùn)算,對(duì)每

18、個(gè)微小直線(xiàn)段L進(jìn)行精插補(bǔ)時(shí),可以用軟件,也可以用硬件. 多用DDA法 采用增量坐標(biāo)OA1, A1 A2, , An-1 An,38,圓弧粗插補(bǔ),主要是坐標(biāo)增量, xi, yi的算法,39,4-3 刀具補(bǔ)償原理,1. 刀具補(bǔ)償?shù)慕?刀具從起刀點(diǎn)接近工件, 根據(jù)G41或G42指令a)b),在原來(lái)程序軌跡的基礎(chǔ)上伸長(zhǎng)或縮短一個(gè)刀具半徑值,2. 刀具補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)行 一旦建立,一直維持, 直到撤銷(xiāo)G40為止.,3. 刀具補(bǔ)償?shù)某蜂N(xiāo) 刀具撤離工件,刀具中心軌跡也要比程序軌跡伸長(zhǎng)或縮短一個(gè)半徑值.,40,刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算,1. 直線(xiàn)刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算 已知O1, A點(diǎn)的坐標(biāo), 求出A1的坐標(biāo),2. 圓弧刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算 已知A, B, A1點(diǎn)的坐標(biāo), 求出B1的坐標(biāo),R,r,r,41,B、C刀具半徑補(bǔ)償,一般的刀補(bǔ)功能(B刀補(bǔ))只能計(jì)算出直線(xiàn)或圓弧終點(diǎn)的刀具中心值.,使用B刀補(bǔ)時(shí),編程人員必須事先估計(jì)刀具補(bǔ)償后間斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)的情況,并進(jìn)行人工處理,采用直線(xiàn)或圓弧過(guò)渡， 直接有數(shù)控系統(tǒng)求出刀具中心軌跡交點(diǎn)的刀具半徑補(bǔ)償方法稱(chēng)為C功能刀具補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱(chēng)C刀補(bǔ)。,C刀補(bǔ)在過(guò)去由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算