计算机数字控制系统

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1、1 第 三 章 计 算 机 数 字 控 制 系 统 一 、 数 控 系 统 的 发 展 3.1 概 述 数 控 系 统 按 时 间 来 划 分 可 以 分 为 两 类 五 代 ：第 类 ： 硬 件 数 控 （ NC）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 三 代 ： 集 成 数 字 电 路 。第 类 ： 软 件 数 控 （ CNC）第 四 代 ： 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

2、符 显 示 、故 障 自 诊 断 。第 五 代 ： 分 6个 阶 段 ： 2. 超 大 规 模 集 成 电 路 ， 大 容 量 存 储 器 ， 有 可 编 程 和遥 控 接 口 。 3. 人 机 对 话 , 动 态 图 形 显 示 , 实 施 软 件 精 度 补 偿 , 适应 于 机 床 的 无 人 化 要 求 。 4. 32位 CPU, 可 控 15轴 , 分 辨 率 达 0. 1m, 进 给 速 度24m/min, 可 带 前 馈 控 制 的 交 流 数 字 伺 服 , 智 能 化 系 统 。 5. 64位 系 统 。 6. 微 机 开 放 式 CNC系 统 。 3 二 、 数 控 系 统

3、 的 硬 件 组 成 图 3-1 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 和位 置 检 测 、 输 入 输 出 接 口 和 操 作 面 板 组 成 。 (一 ) 微 型 机 微 型 机 是 CNC装 置 的 核 心 , 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

4、型 机的 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CPU直 接 交 换 信 息 ， 内 存 储 器 分 为 只 读 存 储 器 （ ROM） 和 随 机存 储 器 （ RAM） 。 5 （ 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 出 设 备 有 打 印 机 、 记 录 仪

5、、 数 码 显 示 管 和 CRT显 示 器 、纸 带 穿 孔 机 。（ 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 它 是 操 作 人 员 用 来 与 微 机 数 控 系 统 进 行 “ 对 话 ” 的 设 备 。 6 三 、 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 的控 制 程

6、序 。 控 制 软 件 一 般 有 以 下 几 个 部 分 组 成 ： （ 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 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 别的 语 言 。 它 具 有 输 入 、 译 码 、 数 据 处

7、 理 三 种 功 能 。 7 (1) 输 入 。 向 CNC装 置 输 入 零 件 加 工 程 序 、 控制 参 数 和 补 偿 数 据 。 （ 2） 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 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 法错 误 便 立 即 报 警 。 （ 3） 数 据 处 理 。 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 。 8 （ 三 ） 插 补

8、 运 算 及 位 置 控 制 程 序 插 补 的 任 务 是 通 过 插 补 计 算 程 序 在 已 知 有 限 信 息 的 基础 上 进 行 “ 数 据 点 的 密 化 ” 工 作 ， 即 在 起 点 和 终 点 之 间 插入 一 些 中 间 点 。 （ 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 。 位 置 控 制 程 序 的 主 要 任 务 是 在 每 个 采 样 周 期 内 ， 将 插

9、 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 电机 ， 进 而 控 制 工 作 台 或 刀 具 的 位 移 。 9 （ 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 由系 统 管 理 程 序 进 行 调 度 ， 因 此 他 是 实 现 CNC系 统 协 调 工 作 的主 体 软 件 。 （ 六 ） 诊 断 程 序 诊 断 是 指 CNC系 统 利 用 内 装 诊 断 程 序 进 行 自 诊 断 ， 主要 有 启 动 诊 断 和 在 线 诊 断 两 种

10、。 启 动 诊 断 是 指 CNC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 设是 否 正 常 在 线 诊 断 程 序 是 指 在 系 统 处 于 正 常 运 行 状 态 中 ， 诊 断 程序 在 线 扫 描 检 查 CNC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 。 10 四 、 微 型 机 数 控 系 统 的 特 点（ 1） 较 高 的 维 修 性 和 高 可 靠 性 ；（ 2） 环 境 适 应 性 强 ；（ 3

11、） 控 制 的 实 时 性 ；（ 4） 较 完 善 的 输 入 输 出 通 道 ；（ 5） 较 丰 富 的 软 件 ；（ 6） 适 当 的 计 算 精 度 和 运 动 精 度 。 11 3.2 插 补 原 理 插 补 是 指 在 一 条 已 知 起 点 和 终 点 的 曲 线 上 进 行 数 据 点的 密 化 。 目 前 常 用 的 插 补 方 法 有 ： 脉 冲 增 量 插 补 和 数 据 采 样 插 补两 类 。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 结束 仅 产 生 一 个 行 程 增 量 ， 以 一 个 个

12、 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 增 量 插 补 算 法主 要 应 用 在 开 环 数 控 系 统 中 。 12 脉 冲 增 量 插 补 常 用 的 方 法 有 ：1. 逐 点 比 较 法 及 其 改 进 法 ；2. 数 字 积 分 法 及 其 改 进 法 ；3. 数 字 脉 冲 乘 法 器 法 。（ 一 ） 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 点的 瞬 时 坐 标 与 给 定 轨 迹 相 比 较 ， 决 定 下 一 步 的 走

13、向 。 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(1) 直 线 插 补 的 原 理 13 如 下 图 所 示 加 工 第 一 象 限 直 线 段 : 起 点 为 原 点 O， 终 点 为A（ Xe， Ye） ， 加 工 点 为 m（ Xm， Ym） 则 点 m相 对 于 直 线 OA有 如 图 所 示 的 三 种 情 况 。 eXmX eYmXeXmYeXeYmXmY eYmXeXmYmF 令 ， 作 为 直 线 插 补 的 偏 差 判 别 式 ： 若 F m=0， 表 明 m点 在 直 线 OA上 ； 若 Fm0， 表 明

14、m点 在 直 线 OA上 方 ;若 Fm0， 表 明 m点 在 直 线 OA下 方 。 A(Xe,Ye)Y Xm(Xm,Ym)mmO图 3-2 直 线 插 补 的 原 理 图 14 若 Fm0， 应 向 +X方 向 走 一 步 ， 新 形 成 的 坐 标 为 ： 若 Fm 0， 应 向 +Y方 向 走 一 步 ,新 形 成 的 坐 标 为 ：Xm+1=Xm+1， Ym+1=Ym A(Xe,Ye)Y Xm(Xm,Ym)mmO图 4-2 直 线 插 补 的 原 理 图eYmF eYmXeXmYmF 111新 偏 差 为 ：X m+1=Xm， Ym+1=Ym+1 eXmFmF 1新 偏 差 为 ：

15、15 综 上 所 述 ， 逐 点 比 较 直 线 插 补 分 四 步 ： 1) 偏 差 判 别 ： 判 别 Fm的 正 负 号 ； 2) 坐 标 进 给 ： 控 制 X或 Y坐 标 进 给 一 步 ； 3) 新 偏 差 计 算 ： Fm+1； 4) 终 点 判 别 ： 执 行 进给 的 步 数 是 否 等 于 要 求 进给 的 总 步 数 。 开 始Xe， YeX=0， Y=0， Fm=0Jm=Xe+YeFm0+X向 走 一 步 +Y向 走 一 步Fm+1= Fm-YeX m+1= Xm +1 Fm+1= Fm+XeYm+1= Ym +1Jm= Jm -1Jm =0结 束Y YN N 图 3-

16、3 直 线 插 补 的 框 图 16 例 1： 插 补 第 一 象 限 直 线 段 OA， 起 点 为 坐 标 原 点 ， 终 点 为Xe=5， Ye=3 O AY X 图 3-4 直 线 OA的 插 补 运 算 过 程 17 序号 偏 差判 别 坐 标进 给 新 偏 差 计 算 终 点 判 别1 F0=0 +X F1=F0-Ye=0-3=-3 J1= J0-1=8-1=72 F10 +X F3=F2-Ye=2-3=-1 J3= J2-1=6-1=55 F40 +X F5=F4-Ye=4-3=1 J5= J4-1=4-1=36 F 50 +X F6=F5-Ye=1-3=-2 J6= J5-1=

17、3-1=27 F60 +X F8=F7-Ye=3-3=0 J8= J7-1=1-1=0 得，时， ，时，解 ： 根 据 式 83500 0001 1 JF)FXFF( )FYFF(YXXYF memm memmememm4 F30 +Y F4=F3+Xe=-1+5=+4 J4= J3-1=5-1=4 18O AY X 图 3-4 直 线 OA的 插 补 运 算 过 程 19 （ 2） 不 同 象 限 的 直 线 插 补 计 算 L1Fm0, +XFm 0, +YY图 3-5 不 同 象 限 的 直 线 插 补 原 理 图 偏 差 计 算 公 式 ：Fm0时Fm+1=Fm-YeFm0时Fm+1=

18、Fm+XeL2Fm0, +YFm 0, -XL 3Fm0, -XFm 0, -Y L4Fm0, -YFm 0, +X X 20 2.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 一样 ， 只 是 偏 差 判 别 函 数 Fm不 同 。 22222 RmymxRmRmF 若 Fm=0， 表 明 m点 在 圆 弧 上 ;若 F m0， 表 明 m点 在 圆 弧 外 ; m(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye) XY RRm图 3-6 圆 弧 插 补 的 原 理 图 （ 1） 插 补 原 理 21 若

19、Fm 0， 应 向 +Y方 向 走 一 步 , Ym+1=Ym+1, Xm+1=Xm 1222 12 11 mXmFRmYmXmF m(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye) XY RRm图 3-6 圆 弧 插 补 的 原 理 图12 22 12 11 mYmF RmYmXmF 终 点 判 别 ： 用 X, Y方 向 应 走 的总 步 数 之 和 JM。 pYeYpXeXMJ 每 走 一 步 减 1， 直 至 减 为 0即 至 终 点 。 22 例 2： 插 补 第 一 象 限 逆 时 针 圆 弧 AB， 起 点 坐 标 X0=6 ， Y0=0终 点 坐 标 为 Xe=0 ， Ye=

20、6。 OB Y X A图 3-7 例 2 23 序号 偏 差判 别 坐 标进 给 新 偏 差 终 点 判 别01 23 456789 101112 计 算 坐 标F0=0 -X 1112 001 XFF J1=J0-1=11X1=5, Y1=0F10 +Y J2=J1-1=101012 112 YFF X2=5, Y2=1F20 +Y J3=J2-1=9X3=5, Y3=2712 223 YFFF30 +Y J4=J3-1=8X4=5, Y4=3212 334 YFFF40 -X J6=J5-1=6X6=4, Y6=4412 556 XFFF60 -X J8=J7-1=4X8=3, Y8=52

21、12 778 XFFF80 -X J10=J9-1=2X10=2, Y10=6412 9910 XFFF100 -X J11=J10-1=1X11=1, Y11=6112 101011 XFFF110 -X J12=J11-1=0X12=0, Y12=6012 111112 XFF F0=0 X0=6, Y0=0 J0=12 24O BX YA图 3-7 例 2 25 Y Fm0, -YFm 0, +X 图 3-8 顺 圆 插 补 原 理 图Fm0, +XFm 0, +YF m0, +YFm 0, -X XFm0, -XFm 0, -Y 26 Y Fm0, -XFm 0, +Y 图 3-9 逆

22、 圆 插 补 原 理 图Fm0, -YFm 0, -XFm0, +XF m 0, -Y XFm0, +YFm 0, +X 27 3.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 。(二 ) 数 字 积 分 法 数 字 积 分 法 又 称 数 字 微 分 分 析 法 DDA ， 是 在 数 字 积 分 器 的基 础 上 建 立 起

23、 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 、应 用 广 泛 等 特 点 。 28 设 函 数 Y=f（ t） ， 如 下 图 求 出 曲 线 下 面 t0到 tn区 间 的 面 积 ，一 般 应 用 下 面 的 积 分 公 式 ： 1. 数 字 积 分 器 的 工 作 原 理 图 3-10 数 字 积 分 插 补 原 理 图O t 2t1 ti ti+1 tn tY Y1Y2 YiYi+1 YnY=f(t)t ntt YdtS 0 若 把

24、 自 变 量 的 积 分 区 间 等 分成 许 多 有 限 的 小 区 间 t， 这 样 ,求 积 分 面 积 就 转 化 成 求 有 限 个 小区 间 面 积 之 和 ， 即 1010 ni tiyni iSS 29 数 学 运 算 时 , t一 般 取 最 小 单 位 “ 1”， 即 一 个脉 冲 周 期 ， 则 10ni iyS 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 t足 够 小 时 这 种 替 代 所 引 起 的 误差 将 不 超 过 许 用 值 。 12月 19日 30 数 字 积 分 器 通 常 由 函

25、 数 寄 存 器 、 累 加 器 和 与 门 等 组 成 ， 数字 积 分 器 结 构 框 图 见 图 3-11。 其 工 作 过 程 为 ： 每 来 一 个 ti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 的溢 出 脉 冲 总 数 就 等 于 所 求 的 总 面积 ， 也 就 是 所 求 积 分 值 。 与 门函 数

26、值 寄 存 器累 加 器 计 数 器Sti图 3-11 数 字 积 分 器 结 构 框 图 31 设 有 一 直 线 OA, 起 点 为 O， 终 点 A的 坐 标 为 Xe, Ye， 直 线 方 程为 ： 对 上 式 求 导 得 ： eXeYdtdxdtdy /2. 直 线 插 补 XeXeYY 由 上 式 得 : ekYdtdYekXdtdX , YO XX A(Xe, Ye)Y图 3-11 直 线 积 分 插 补 得 原 理 图对 上 述 两 式 积 分 得 ： )(2),(1 tFdtekYYtFdtekXX 32 设 动 点 在 原 点 的 时 间 为 t0, 到 达 终 点 A(X

27、e, Ye)的 时 间 为 tn， 则 上 式 可 变 为 ： X=kX e1Y=kYe1 100 ni itekXeXntt dtekX 100 ni itekYeYntt dtekY 选 择 k时 主 要 考 虑 每 次 的 增 量 X或 Y不 大 于 1， 即knnk 11 取 ti=1， 则 33 如 果 存 放 Xe， Ye寄 存 器 的 位 数 是 N， 对 应 最 大 允许 数 字 量 为 2N-1（ 各 位 均 为 1） ， 所 以 Xe， Ye最 大 寄 存数 值 为 2N-1， 则N NNek k)(kkX 21 12 1112 取 因 n=1/k， 故 累 加 次 数 n

28、=2 N。 34 X函 数 寄 存 器 JVX与 门X累 加 器 JRX Y函 数 寄 存 器 JVY与 门Y累 加 器 JRYtX Y图 3-12 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 ，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 器 容 量 时 ， 就 溢 出 一 个 脉 冲 。 35 例 3 设 有 一 直 线 OE， 如 图 3-13所 示

29、 起 点 坐 标O(0， 0)， 终 点 坐 标 为 A(4， 3)， 累 加 器 和 寄 存 器 的位 数 为 3位 ， 其 最 大 可 寄 存 数 值 为 7（ J8时 溢 出 ） 。若 用 二 进 制 计 算 ， 起 点 坐 标 O（ 000， 000） ， 终 点坐 标 E(100， 011)， J1000时 溢 出 。 试 采 用 DDA法对 其 进 行 插 补 。 36X YO A 1 2 3 44 3 2 1 图 3-13 例 3 37 累 加 次数 ( t) X积 分 器 Y积 分 器 终 点 计 数 器 JE JVX JRX X JVY JRY Y 0 4 0 3 0 0 1

30、00 011 000 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 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 3 DDA直 线 插 补 运 算 过 程 38 5 4 0+4=4 3 4+3=7 5 100

31、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 8 4 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=1010 39X YO A 1 2 3 44 3 2 1 图 3-13 例 3 40 3. 圆 弧 插 补 以 第 一 象 限 逆 时 针 圆 弧 插 补 为 例来 论

32、述 插 补 的 原 理 。 圆 的 方 程 为 ：022 222 dtdYYdtdXX RYX求 导 得 ： XvdtdXYvdtdY YXdtdXdtdY ，式 中 ： /由 上 式 得 : ikXdtdYikYdtdX ,式 中 ： k常 数 。 图 3-14 积 分 圆 弧 插 补 的 原 理 图X Y R A(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vX vYP 41 设 起 点 A对 应 的 时 间 为 t0， 并取 t0=0， 终 点 时 间 为 tn， 对 上 式 进行 积 分 得 ： ntt ni itiXkYeYdtiXkntt ni itiYkXeXdtiYk

33、0 1000 100 DDA圆 弧 插 补 与 DDA直 线 插 补 有 所 不 同 , 在 直 线 插 补 时 , 被积 函 数 寄 存 器 的 数 值 为 常 数 (Y e, Ye); 而 在 圆 弧 插 补 时 , 寄 存 器 中存 的 是 X、 Y坐 标 的 瞬 时 值 , 所 以 当 寄 存 器 中 有 溢 出 时 , 需 要 及 时修 正 寄 存 器 中 的 Xi 和 Yi值 。 图 3-15 积 分 圆 弧 插 补 的 原 理 图X Y R A(X0, Y0)Pi(Xi, Yi)B(Xe, Ye)vX vYP 42 例 4 设 有 第 一 象 限 顺 圆 AB， 如 图 3-16

34、所 示 ， 起 点 A(0， 5)，终 点 B（ 5， 0） ， 所 选 寄 存 器 位 数 n=3。 若 用 二 进 制 计 算 ， 起 点坐 标 A（ 000， 101） ， 终 点 坐 标 B（ 101， 000） ， 试 用 DDA法 对此 圆 弧 进 行 插 补 。 A(0,5) 4 2 35 4 Y O 1 2 3 X B(5,0) 5 1 图 3-16 例 4 43 表 4 DDA圆 弧 插 补 运 算 过 程累 加 次数 ( t) X积 分 器 Y积 分 器 JVX JRX X JEX JVY JRY Y JEY 0 5 0 5 0 0 5 101 101 000 000 10

35、1 1 5 0+5=5 5 0 0 0 0 5 101 000+101=101 101 000 000+000=000 101 2 5 5+5=8+2 1 4 0 0 0 0 5 101 101+101=1010 100 000 101 1 001 000+000=000 44 3 5 5+2=7 4 1 1 5 101 101 010 111 100 001 001 000 001 101 4 5 5+7=8+4 1 3 1 1+1=2 5 101 101 111 1100 011 001 001 001 010 101 2 010 5 5 5+4=8 1 1 2 2 2+2=4 5 101

36、 101 100 1001 010 010 010 010 100 101 3 011 45 6 5 5+1=6 2 3 3+4=7 5 101 101 001 110 010 011 011 100 111 101 7 5 5+6=8+3 1 1 3 3+7=8+2 1 4 101 101 110 1011 001 011 011 111 1010 100 4 4 100 100 8 4 4+3=7 1 4 4+2=6 4 100 100 011 111 001 100 100 010 110 100 46 12 2 5 5+4=8+1 1 1 010 101 101+100=1001 00

37、1 1 001 13 1 5 5+1=6 1 001 101 101 001 110 001 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 3-16 例 4 48 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， 将 给 定 轮 廓 曲 线 按 插 补 周 期 T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

38、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 。 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 。 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 K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 转变 成 时 间 上 离 散 的 脉 冲 系 列 的

39、过 程 称 为 采 样 过 程 。 二 、 数 据 采 样 法 插 补 49 (一 ) 两 轴 联 动 直 线 插 补 原 理 设 要 加 工 图 3-17所 示 直 线 OE， 起 点 在 坐 标 原 点 O(0, 0)， 终 点为 E(Xe, Ye)， 直 线 与 X轴 夹 角 为 ， 则 有 E(Xe, Ye)AX YO XY图 3-17 直 线 插 补 原 理 图eeXYtg 21 1tgcos XtgxXYY cosfX ee 式 中 f为 已 计 算 出 的 一 次 插 补 进 给 量 。 50 （ 二 ） 圆 弧 插 补 圆 弧 插 补 ， 需 先 根 据 指 令 中 的 进 给

40、 速 度 F， 计 算 出 轮 廓 步长 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 补点 两 个 坐 标 轴 的 进 给 量 X, Y。 51 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。

41、O B(Xi+1,Yi+1) A(Xi,Yi) G Y Y X M H X 图 3-18 圆 弧 插 补 原 理 图i22 121 )XX(RYY )YY(fcosfX iiii iii = i+ /2 52 3.3 刀 具 补 偿 原 理 二 、 刀 具 补 偿 的 原 理一 、 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 。刀 具 补 偿 一 般 分 为 刀 具 长 度 补 偿 和

42、 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 ；车 刀 需 要 两 坐 标 长 度 补 偿 和 刀 具 半 径 补 偿 。 53 三 、 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 中 心 轨 迹 。 对 于 一 般 的 CNC装 置 ， 所 能 实 现 的 轮 廓 仅 限于 直 线 和 圆 弧 。 刀 具 半 径 补 偿 分 B功 能 刀 补 与 C功 能 刀 补 。 (一 ) B功 能 刀 补 计 算 B功 能 刀 补 能 根 据 本 段 程

43、 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 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 要 计 算 出 刀 具 中 心 轨 迹 的 起 点 和 终 点 坐 标 值 。 54 在 图 3-19中 已 知 O和 A点的 坐 标 , 求 出 A的 坐 标 22 eyex eryexex 22

44、 eyex erxeyey O O ),( ee yxA ),( ee yxAy xr 图 3-19 直 线 刀 具 补 偿YX YYY XXX ee ee 22 ee e YXYrsinrX 22 ee e YX XrcosrY 55 2. 圆 弧 刀 具 半 径 补 偿 计 算Rerxexex Reryeyey ),( eyexB )0,0( yxA),( eyexB )0,0( yxA XY R r图 3-20 圆 弧 刀 具 半 径 插 补 已 知 A、 B、 A点 的 坐 标 , 求 出 B的 坐 标 。 对 于 圆 弧 而 言 ， 刀 具 补 偿 后 的 刀 具 中 心 轨 迹 是

45、 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 。 56 （ 二 ） C刀 具 半 径 补 偿 1. 基 本 概 念 采 用 直 线 或 圆 弧 过 渡 ， 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 C功 能 刀 具 补 偿 ， 简 称 C刀 补 。 B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 本程

46、 序 段 加 工 轨 迹 的 影 响 。 C功 能 刀 具 补 偿 是 为 解 决 这 一 问 题提 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 。 57 2. C刀 具 补 偿 的 基 本 设 计 思 想 工 作 寄 存 区 AS存 放 正 在 加 工 的 程 序 段 信 息 ； 刀 补 缓 冲 区 CS存 放 下 一 个 加 工 程 序

47、 段 的 信 息 ； 缓 冲 寄 存 区 BS存 放 再 下 一 个 加 工 程 序 段 的 信 息 ；输 出 寄 存 区 OS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 BS ，算 出 其 编 程 轨 迹 后 送 入 CS暂 存 ； 第 二 段 程 序 读 入 BS ， 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 轨迹 由 CS送 入 AS， 第 二 段 编 程 轨 迹 由 BS送 入 CS。 缓 冲 寄 存 区BS刀 补 缓 冲 区CS工

48、 作 寄 存 区AS输 出 寄 存 区OS 图 3-21 随 后 CPU将 AS中 的 内 容 送 到 OS进 行 插 补 运 算 ；同 时 CPU又 命 令 把 第 三 段 程 序 读 入 BS， 重 复 上 述 处 理 过 程 。 58 3.4 数 控 系 统 的 硬 件 结 构 从 CNC系 统 实 用 的 微 机 及 结 构 来 分 ， CNC系 统 的 硬 件 结 构分 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 工精 度 和

49、 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 该 CNC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 CNC装置 组 成 框 图 如 下 图 所 示 。 59总 线 CPUEPROMRAMMDI/CRT接 口PLC 纸 带 阅 读 机 接 口I/O接 口位 置 控 制穿 孔 机 、 电传 机 接 口通 信 接 口数 控 面 板CRT 纸 带 阅 读 机纸 带 穿 孔 机电 传 机机

50、床速 度 控 制 单 元 M 图 3-22 单 微 处 理 器 CNC装 置 组 成 框 图 60 单 微 处 理 器 CNC装 置 组 成 硬 件 的 作 用 微 处 理 器 微 处 理 器 是 CNC装 置 的 核 心 ， 由 于 所 有 数 控 功 能 都 由 一 个CPU来 完 成 ， 因 此 CNC装 置 的 功 能 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 ，增 强 数 控 功 能 ， 常 采 用 以 下 措 施 ： 采 用 协 处 理 器 ； 由 硬 件 完 成 一 部 分

51、 插 补 工 作 ； 采 用 带 有 微 处 理 器 的 PLC和 CRT等 智 能 部 件 。 一 般 CNC装 置 通 常 采 用 16位 或 32位 微 处 理 器 芯 片 。 现 在 的CNC装 置 都 采 用 64位 微 处 理 器 芯 片 。 61 2. 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 。 (1)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 n位 宽 度 的 一 个 字 ，采 用

52、单 向 线 。 (2)地 址 线 ： 其 上 传 输 的 是 地 址 信 号 ， 与 数 据 线 结 合 使 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 。 (3)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 。 62 3. 存 储 器 存 储 器 是 用 来 存 放 数 据 、 参 数 和 程 序 的 。 (1) CNC装 置 的 系 统 程 序 存 放 在 只 读 存 储 器 E

53、PROM中 ， 即 使断 电 ， 程 序 也 不 会 丢 失 。 常 用 的 EPROM有 ： 2716、 2732、 2764、27128、 27256、 27010等 。 (2) 运 算 的 中 间 结 果 存 放 在 随 机 存 储 器 RAM中 ， 它 可 以 随 机读 写 ， 但 断 电 后 信 息 随 即 消 失 。 (3) 零 件 加 工 程 序 、 数 据 和 参 数 存 放 在 有 后 备 电 池 的 RAM中 ，或 是 磁 泡 存 储 器 中 ， 能 随 机 读 取 ， 操 作 或 修 改 并 且 断 电 后 ， 信 息仍 保 存 。 63 4. PLC PLC用 以 代

54、替 传 统 的 机 床 强 电 继 电 器 逻 辑 控 制 。 通 过 程 序进 行 逻 辑 运 算 来 实 现 M、 S、 T功 能 的 译 码 与 控 制 。 PLC有 内 装 型 和 独 立 型 两 种 。 内 装 型 PLC是 CNC装 置 的 一 个部 件 ， 可 以 共 享 CNC装 置 的 CPU， 也 可 以 配 置 单 独 的 CPU。 独立 型 PLC完 全 独 立 于 CNC装 置 ， 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 任 务 。5. 位 置 控 制 CNC装 置 中 的 位

55、 置 控 制 模 块 和 速 度 控 制 单 元 、 位 置 检 测 及 反馈 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 工 作 台 的 前 后 左 右 移 动 、 主 轴 箱 的 移 动 及 绕 某 一 直 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 、表 面 粗 糙 度 和 加 工 效 率 影 响 极 大 。 64 6. I/O接 口 对 CNC装 置 来 说 ， 由 机 床 向 CNC传 送 的 信 号 称 为 输 入 信号 ， 由 CNC向 机

56、床 传 送 的 信 号 称 为 输 出 信 号 。 输 入 输 出 信 号的 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 。 直 流 模 拟 信 号 用 于 进 给 坐 标 轴 和 主 轴 的 伺 服 控 制 或 其 它 接收 、 发 送 模 拟 量 信 号 的 设 备 。 交 流 信 号 用 于 直 接 控 制 功 率 执行 器 件 。 接 口 电 路 的 主 要 任 务 ： 进 行 电 平 转 换 和 功 率 放 大 。 为 防 止 噪 声 引 起 误 动 作 ，

57、对 CNC和 机 床 之 间 的 信 号 进行 电 气 隔 离 。 采 用 模 拟 量 传 送 时 ， 在 CNC和 机 床 电 气 设 备 之 间 要 接入 D/A和 A/D转 换 电 路 。 65 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 施并 限 制 信 号 的 传 输 距 离 。（ 二 ） 单 微 处 理 器 结 构 的 特 点 （ 1） CNC装 置 中 仅 有 一 个 微 处 理 器 ， 由 它 对 存 储 、 插 补 运 算

58、、输 入 输 出 控 制 、 CRT显 示 等 功 能 集 中 控 制 分 时 管 理 。 （ 2） 微 处 理 器 通 过 总 线 与 存 储 器 、 输 入 输 出 控 制 等 各 种 接 口相 连 ， 构 成 CNC装 置 。 （ 3） 结 构 简 单 ， 容 易 实 现 。 （ 4） 正 是 由 于 只 有 一 个 微 处 理 器 集 中 控 制 。 其 功 能 将 受 微 处理 器 字 长 、 数 据 宽 度 、 寻 址 能 力 和 运 算 速 度 等 因 素 的 限 制 。 66 二 、 多 微 处 理 器 结 构 数 控 系 统 中 配 置 了 多 个 微 处 理 器 ， 通 过

59、 一 组 公 用 地 址 和 数 据总 线 进 行 连 接 ， 每 个 微 处 理 器 公 用 存 储 器 与 I/O 接 口 ， 每 个 微 处理 器 分 担 系 统 的 一 部 分 工 作 ， 从 而 将 单 微 处 理 器 系 统 中 的 顺 序 完成 的 工 作 转 变 为 多 个 微 处 理 器 的 并 行 、 同 时 完 成 的 工 作 ， 因 此 大大 提 高 了 整 个 系 统 的 处 理 速 度 。（ 一 ） 多 微 处 理 器 CNC装 置 的 基 本 功 能 模 块 CNC管 理 模 块 管 理 和 组 织 整 个 CNC系 统 的 工 作 ,主 要 包 括初 始 化 、

60、 中 断 管 理 、 总 线 裁 决 、 系 统 出 错 识 别 和 处 理 、 系 统 软 硬件 诊 断 等 功 能 。 CNC插 补 模 块 完 成 插 补 前 的 预 处 理 ， 如 对 零 件 加 工 程 序的 译 码 、 刀 具 半 径 补 偿 、 坐 标 位 移 量 计 算 、 进 给 速 度 处 理 等 ， 之 后 进 行 插 补 运 算 ， 为 各 个 坐 标 提 供 位 置 给 定 值 。 67 位 置 控 制 模 块 进 行 位 置 给 定 值 与 检 测 器 测 得 的 位 置 实 际值 的 比 较 ， 进 行 自 动 加 减 速 ， 回 基 准 点 、 伺 服 系 统

61、滞 后 量 的 监视 和 飘 移 补 偿 ， 最 后 得 到 速 度 控 制 的 模 拟 电 压 ， 驱 动 进 给 电 机 。 存 储 器 模 块 该 模 块 为 程 序 和 数 据 的 主 存 储 器 ， 或 为 功 能模 块 间 进 行 数 据 传 送 的 共 享 存 储 器 。 PLC模 块 对 零 件 加 工 程 序 中 的 开 关 功 能 和 来 自 机 床 的 信号 进 行 逻 辑 处 理 ， 实 现 机 床 电 气 设 备 的 起 、 停 ， 刀 具 交 换 ， 转台 分 度 ， 加 工 零 件 和 机 床 运 转 时 间 的 计 数 等 。 指 令 、 数 据 的 输 入 输

62、 出 及 显 示 模 块 它 包 括 零 件 加 工 程 序 、参 数 和 数 据 ， 各 种 操 作 命 令 的 输 入 输 出 及 显 示 所 需 要 的 各 种 接口 电 路 。 68 （ 二 ） 多 微 处 理 器 CNC装 置 的 典 型 结 构 多 微 处 理 器 CNC装 置 各 模 块 之 间 的 互 连 和 通 信 主 要 采 用 共 享总 线 和 共 享 存 储 器 两 类 结 构 。 共 享 总 线 结 构 该 结 构 各 功 能 模 块 插 在 配 有 总 线 插 座 的 机 框 内 ， 由 系 统 总 线把 各 个 模 块 有 效 地 连 接 在 一 起 。CNC管

63、理模 块 （ CPU） 主 存 储 器模 块 操 作 面 板显 示 模 块 CNC插 补模 块 （ CPU） PLC功 能模 块 （ CPU） 位 置 控 制模 块 （ CPU） 主 轴 控制 模 块总 线 图 3-23 共 享 总 线 结 构 框 图 69 共 享 存 储 器 结 构 在 这 种 多 微 处 理 器 结 构 ， 采 用 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 、 控制 线 ， 以 供 端 口 访 问 。 由 专 门 的 多 端 口 控 制 逻 辑 电 路 解 决 访 问的

64、 冲 突 问 题 。 当 微 处 理 器 数 量 增 多 时 ， 往 往 会 由 于 争 用 共 享 而造 成 信 息 传 输 的 阻 塞 ， 降 低 系 统 效 率 。插 补（ CPU2）来 自 机 床 的控 制 信 号 输 到 机 床 的控 制 信 号轴 控 制（ CPU3）I/OCPU1 CRT（ CPU4）共 享存 储 器 图 3-24 共 享 存 储 器 结 构 框 图 70 （ 三 ） 多 微 处 理 器 结 构 的 特 点 为 了 满 足 高 速 化 、 复 合 化 、 智 能 化 、 系 统 化 的 要 求 ， 现 代CNC装 置 多 采 用 多 微 处 理 器 结 构 ， 其 主 要 特 点 是 ： 多 微 处 理 器 结 构 多 采 用 模 块 化 结 构 ， 具 有 比 较 好 的 扩 展性 。 多 微 处 理 器 结 构 的 CNC装 置 可 提 供 多 种 选 择 功 能 ， 可 以配 置 多 种 控 制 软 件 ， 因 此 可 适 用 于 多 种 机 床 的 控 制 。 系 统 的 集 成 度 和 可 靠 性 高 。 具 有 很 强 的 通 信 能 力 ， 能 很 方 便 地 进 入 FMS、 CIMS。 能 够 进 行 多 种 语 言 显 示 。