计算机数控装置

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1、上次授课内容回顾：数控机床的进给机构和数控回转工作台本次授课内容第五章第五章 计算机数控装置计算机数控装置5.1 计算机数控装置硬件计算机数控装置硬件5.2 计算机数控装置软件计算机数控装置软件第五章第五章 计算机数控装置计算机数控装置计算机数控装置硬件计算机数控装置硬件计算机数控装置软件计算机数控装置软件开放式数控系统开放式数控系统5.1 计算机数控装置硬件计算机数控装置硬件一. 数控系统数控系统的组成计算机数控计算机数控系统是由输入输出设备、数控装置、伺服系统、机床电器逻辑控制装置等组成。输入输出装置数控装置伺服系统机机床床本本体体机床电器逻辑控制装置各部分的功能：各部分的功能：1 1）输

2、入）输入/ /输出装置输出装置: : 一方面将加工程序、机床参数等信息的输入；另一方面将输入内容及数控系统工作状态进行输出，供操作人员观察。2) 2) 数控装置：数控装置：正确识别和解释加工程序，进行各种零件轮廓几何信息和命令逻辑信息的处理，并将处理结果分发给相应的单元。3)3)伺服系统伺服系统: u包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。u进给轴伺服驱动装置主要由位置控制单元、速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它按照数控装置发出的位置控制命令和速度控制命令，正确驱动机床或刀具进行相应的运动。u主轴伺服驱动装置主要由速度控制单元、电动机和测量反馈单元等部分组成，它主要为机床提供切

3、削动力。4)机床电器逻辑控制装置机床电器逻辑控制装置:接受数控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴启停、方向控制、选速功能、换刀功能、工件装卡功能、冷却、润滑、液压、气动系统功能及其它机床辅助功能。其形式是继电器控制线路或PLC形式。 机床本体机床本体主轴单元主轴单元: 接受CNC的指令,控制主轴电机的转速及旋向速度单元速度单元: 接收CNC 的指令,控制各伺服轴的动作二.CNC装置的硬件CNC装置的硬件具有一般计算机的基本结构，另外一方面还有数控机床所特有功能的功能模块与接口单元。三、三、 计算机数控装置硬件结构分类计算机数控装置硬件结构分类（一）（一）单微处理器结构和单微处理器结构和多微处

4、理器结构多微处理器结构1、单微处理器结构的CNC装置u在单微处理器结构的CNC装置中，只有一个中央处理器（CPU），所有的系统管理功能和数控功能都由一个处理器来完成。u单微处理器CNC的结构特点如下： （1）CNC装置内只有一个微处理器，对各种功能实现集中控制分时处理。（2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC装置。 （3）结构简单，实现容易。2、多微处理器结构、多微处理器结构u含有两个及两个以上的含有两个及两个以上的CPU组成的组成的CNC，它们，它们分别实现部分数控功能，并通过某种方式实现数分别实现部分数控功能，并通过某种方式实现数据交换。据交换。u其特点是分散

5、控制，并行处理。其特点是分散控制，并行处理。u根据微处理器之间的关系又分成：分布式结构、根据微处理器之间的关系又分成：分布式结构、主从结构和总线式结构主从结构和总线式结构（1）分布式结构：系统有两个或两个以上带CPU的功能模块，各模块有自己独立的运行环境，模块间通过外部的通信链路连接在一起，且采用通讯方式交换信息。（2）主从结构）主从结构：系统中只有一个CPU(称为主CPU)对系统的资源有控制和使用权其它带CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或数据，或向主CPU发出请求信息以获得所需的数据。其它是处于以从属地位的，故称之为主从结构（3）总线式结构：一条主总线上有两个或两个以上带CPU的

6、模块部件对系统资源有控制或使用权，同时可以自由独立地使用各自的资源。通过仲裁器来解决总线争用问题，通过公共存储器进行交信息。（二）按照电路板结构分：（二）按照电路板结构分： 1）大板结构：）大板结构： 主电路板是大板，其他电主电路板是大板，其他电路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插路板是小印刷电路板，它们插在电路板的插槽内一块构成槽内一块构成CNC装置，装置， FANUC等等 2）模块化结构：）模块化结构：控制单元母版框架，各功控制单元母版框架，各功能模块，软件硬件的设计成模块化能模块，软件硬件的设计成模块化 特点：特点：各功能块功能独立，便于开发同一功各功能块功能独立，便于开发同一功能的系

7、列产品，维修维护方便能的系列产品，维修维护方便 （三）专用计算机结构和通用计算机结构专用型结构 CNC装置的硬件由各制造厂专门设计和制造，布局合理，结构紧凑，专用性强。 但硬件之间彼此不能交换和替代，没有通用性。 FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、美国AB系统等都属于专用型。 通用计算机结构 以工业PC机作为CNC装置的支撑平台，再由各数控机床制造厂根据数控的需要，插入自己的控制卡和数控软件构成个性化数控系统。四、接口电路接口电路 （一）开关量输入输出接口开关量输入输出接口u数控机床开关量包括开关的开闭、指数控机床开关量包括开关的开闭、指示灯的亮灭、继电器示灯的亮灭、继电器/接触器的

8、吸合与接触器的吸合与释放、电动机的启停、阀门的开闭以释放、电动机的启停、阀门的开闭以及脉冲、计数、定时信号等。及脉冲、计数、定时信号等。u这些信号都可转换成逻辑高电平或低这些信号都可转换成逻辑高电平或低电平的形式。电平的形式。（二）模拟量输入输出接口模拟量输入输出接口数控机床的被测量往往是连续变化的模数控机床的被测量往往是连续变化的模拟量，另外执行机构（如电动机）需拟量，另外执行机构（如电动机）需要模拟量来控制。要模拟量来控制。被测模拟量经过信号处理后，被测模拟量经过信号处理后，（三）通信和网络接口通信和网络接口五、五、PLC(Programmable Logic Controller) 模块

9、模块1、PLC模块的作用模块的作用：接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。机床用的PLC一般分为两类：内装型内装型（Built-in Type）PLC（或集成式、内含式）。独立型独立型（Stand-alone Type）PLC（或通用型）2、分类；、分类；内装式：内装式：指内含在装置内，从属于指内含在装置内，从属于装置，并与装置集于一体，内装式既可以单装置，并与装置集于一体，内装式既可以单独使用一个，也可与共同一个。独使用一个，也可与共同一个。例如系统例如系统独立式：独立式：通用完全独立于装置，通

10、用完全独立于装置，具备完备的软件和硬件，能够独立完成系统所要具备完备的软件和硬件，能够独立完成系统所要求的控制任务。例如：求的控制任务。例如：5.2 计算机数控装置软件计算机数控装置软件一、一、计算机数控装置软件分析计算机数控装置软件分析（一）内部信息流转换过程（一）内部信息流转换过程CNC装置系统软件的主要任务：将由零件加工程序表达的加工信息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设备的轨迹运动和逻辑动作，加工出符合要求的零件。数控加工程序输入译码插补计算速度处理诊断刀补计算位置控制伺服系统合格零件滚珠丝杠工作台或刀具1、输入：数控加工程序、系统控制参数和各种补偿数据

11、等。2、译码译码把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度把零件程序段的各种工件轮廓信息、加工速度F和其它和其它辅助信息（辅助信息（M、S、T）按一定规律翻译成计算机系统能）按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式放在译码结果缓识别的数据形式，并按系统规定的格式放在译码结果缓冲器中。冲器中。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。译码有两种方法：（）解释；（）编译译码有两种方法：（）解释；（）编译在在CNC控制软件中多数采用解释方法。控制软件中多数采用解释方法。译码工作主要有：译码工作主要有：代码识别和各项功能的译码。代码识别和各

12、项功能的译码。 3.3.诊断诊断u在译码过程中，需要进行数控加工程序的诊断，也就是利用控制软件检查加工程序的正确性，把凡是不符合数控机床编程手册规定的加工程序找出来，通过显示器提示机床操作人员进行修改。u诊断内容主要包括数控加工程序的语法错误和逻辑错误。u语法错误主要是指某个功能代码的错误。u逻辑错误主要指一个数控机床加工程序段或整个加工程序内各个功能代码之间互相排斥、互相矛盾的错误。4.刀补计算刀补计算u刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。u刀具半径补偿，对于铣床而言，数控装置的控制对象是刀具的中心轴线的轨迹，而工件轮廓是刀具边缘切削形成的。可见，刀具半径补偿就是将刀具边缘轨迹偏移到刀具

13、中心。u刀具长度补偿，对于铣床而言，是以主轴轴端中心点作为起刀点，以刀具离开轴端伸出的长度作为补偿值（偏置量）。 速度处理速度处理 u数控加工程序中给定的进给速度F代码是指零件切削方向的合成线速度。u速度处理实际上是根据零件的几何轮廓信息将合成进给速度分解成各个坐标轴的分速度，然后通过各个轴的伺服系统实现相应的分速度控制，那么数控机床最终就得到所要求的线速度。6.插补计算u所谓插补就是根据数控加工程序给定的零件轮廓尺寸，结合精度和工艺方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。u换句话说，就是在零件轮廓起点与终点之间的曲线上进行“数据点的密化过程”。7.位置控制 位置控制的主要任务

14、就是根据插补结果所求得命令位置值，然后与实际反馈位置相比较，利用其误差值去控制伺服电动机，驱动工作台或刀具朝着减小误差的方向运动。（二）（二）CNC装置的软件任务分析装置的软件任务分析uCNC系统的控制软件具有多任务性和实时性两大特点。uCNC系统的多任务性表现在它必须完成管理和控制两大任务。各种任务之间是并行处理的关系。并行处理u是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。运用并行处理技术可以提高运算速度。uCNC装置的硬件设计普遍采用设备重复的并行处理技术，例如采用多处理器的数控装置。uCNC装置的软件设计常采用资源分时并行处理技术和多重中断的并行处理技术

15、。 二. CNC系统软件结构类型系统软件结构类型 前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分：u前台程序前台程序: 主要完成位置控制、插补运算、开关量控制、面板扫描和故障诊断等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。1.后台程序后台程序(背景程序背景程序): 完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，其在运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断，前后台相互配合来完成零件的加工任务。2.多重中断型结构模式这种结构是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务

16、程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。中断型结构模式的特点：任务调度机制：抢占式优先调度抢占式优先调度。信息交换：缓冲区缓冲区。实时性好实时性好。由于中断级别较多（最多可达8级），强实时性任务可安排在优先级较高的中断服务程序中。模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。8090年代初的CNC系统大多采用这种结构。3.功能模块型软件结构功能模块型软件结构u多微处理器数控装置一般采用模块化结构，多微处理器数控装置一般采用模块化结构，每个微处理器分担各自的任务，形

17、成特定的功每个微处理器分担各自的任务，形成特定的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块型软件结构，固化在对应的硬件功能模块中。型软件结构，固化在对应的硬件功能模块中。u数控单元主要由三大模块组成：人机通信模数控单元主要由三大模块组成：人机通信模块、数控通信模块和可编程控制器模块。块、数控通信模块和可编程控制器模块。 三三 计算机数控装置典型软件模块计算机数控装置典型软件模块插补计算插补计算（一）插补概述（一）插补概述 在零件的加工程序中，一般仅提供描述在零件的加工程序中，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，仅提该线形所必须的相关参数，如对

18、直线，仅提供其起点和终点坐标；对于圆弧，仅提供起供其起点和终点坐标；对于圆弧，仅提供起点、终点坐标、圆心相对于起点的位置或圆点、终点坐标、圆心相对于起点的位置或圆弧半径以及顺圆弧或逆圆弧，因此为了实现弧半径以及顺圆弧或逆圆弧，因此为了实现轨迹控制就必须轨迹控制就必须在运动过程中实时地计算出在运动过程中实时地计算出满足线形和进给要求的若干中间点的位置，满足线形和进给要求的若干中间点的位置，即进行插补运算。即进行插补运算。 插补的任务就是根据进给速度的要求，插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓的起点和终点之间计算出若干中在轮廓的起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值。每个中间点计算所需时间点的

19、坐标值。每个中间点计算所需时间直接影响控制精度，而插补中间点的间直接影响控制精度，而插补中间点的计算精度又影响到整个数控系统的精度，计算精度又影响到整个数控系统的精度，所以插补算法至关重要，插补软件是整所以插补算法至关重要，插补软件是整个数控系统的核心，数控的其他任务是个数控系统的核心，数控的其他任务是围绕着它进行的。围绕着它进行的。（二）插补分类（二）插补分类 插补算法有很多，现在主要采用插补算法有很多，现在主要采用数字脉冲增数字脉冲增量法、数据采样法量法、数据采样法等。等。 u数字脉冲增量插补，就是根据一定算法通过向各数字脉冲增量插补，就是根据一定算法通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标

20、轴作相互协调个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定的形状轮廓。这类算法的运动，从而加工出一定的形状轮廓。这类算法输出是脉冲形式，并且每次仅产生一个单位的行输出是脉冲形式，并且每次仅产生一个单位的行程增量。数字脉冲增量插补又包括程增量。数字脉冲增量插补又包括逐点比较法逐点比较法和和数字积分法数字积分法。u数据采样法，是使用一系列首尾相连的微小直线数据采样法，是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定的曲线轮廓。由于这些线段是按加段来逼近给定的曲线轮廓。由于这些线段是按加工时间来进行分割的，也称为时间分割法。工时间来进行分割的，也称为时间分割法。 （三）插补算法（三）插补

21、算法1. 脉冲增量插补脉冲增量插补 脉冲增量插补也称为行程增量插补，每次脉冲增量插补也称为行程增量插补，每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个一个脉冲当量脉冲当量)，以一个个脉冲的方式输出给步进，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。电动机。 其基本思想是用折线来逼近曲线其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直包括直线线)。 脉冲增量插补的特点：脉冲增量插补的特点： 实现方法较实现方法较简单简单，通常仅用加法和移位，通常仅用加法和移位运算方法就可完成插补，容易用硬件来实运算方法就可完成插补，容易用硬件来实现，也可用软件来完成。但这种方法进给现，也可用软件来完成

22、。但这种方法进给速度低速度低，主要用于步进电动机驱动的数控，主要用于步进电动机驱动的数控系统。系统。 脉冲增量插补算法常用的是逐点比较法和数脉冲增量插补算法常用的是逐点比较法和数字积分法。字积分法。 逐点比较法逐点比较法 逐点比较法的控制原理是：逐点比较法的控制原理是：CNC系统在控制系统在控制进给过程中，逐点地计算和比较进给运动轨进给过程中，逐点地计算和比较进给运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差，控制进迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差，控制进给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。廓逼近给定轮廓。 逐点比较法的精度逐点比较法的精度 逐点比较

23、法逐点比较法以折线来逼近直线或园以折线来逼近直线或园弧曲线，它与给定的直线或园弧之间弧曲线，它与给定的直线或园弧之间的的最大误差不超过一个脉冲当量最大误差不超过一个脉冲当量，只，只要脉冲当量取得足够小，就可达到加要脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求。工精度的要求。 （1）直线插补）直线插补 假设加工如图所示的第一象限的直线假设加工如图所示的第一象限的直线OE，已知直线，已知直线OE的起点为坐标原点，终点为的起点为坐标原点，终点为E（Xe，Ye）。）。 图图 第一象限直线插补第一象限直线插补 N=Xe+Ye 第一象限直线插补流程图第一象限直线插补流程图 综上所述，综上所述，逐点比较法直线

24、插补过程中，每走一逐点比较法直线插补过程中，每走一步要进行四个步骤：步要进行四个步骤： 第一步：第一步：比较判别，比较判别，确定确定F0还是还是 F0； 第二步：第二步： 进给进给，当，当F0时向时向+X方向进给一步；方向进给一步； 当当F0时向时向+Y方向进给一步；方向进给一步； 第三步：第三步：计算计算，计算新的，计算新的F、N 值；值； 第四步：第四步：终点判断终点判断，判断，判断N是否为是否为0，当，当N=0时，时，则结束插补。则结束插补。 其它象限的直线插补其它象限的直线插补 其它象限的直线插补与第一象限的其它象限的直线插补与第一象限的直线插补方法相似，只是进给方向由直线插补方法相似

25、，只是进给方向由象限判别标志象限判别标志(终点坐标正、负号终点坐标正、负号)控制。控制。 四个象限的步进方向与插补流程图四个象限的步进方向与插补流程图分别见下图所示。分别见下图所示。 四象限步进方向四象限步进方向 四象限直线插补流程图四象限直线插补流程图 例题：加工直线位于平面直角坐标系第一象限起点在坐标原点(0，0)终点坐标为E(5，4)，插补 =1，试用逐点比较插补法对直线讲行直插补运算，并画出插补轨迹图。yx 作业：作业：加工直线位于平面直角坐标系第二象限起点在坐标原点(0，0)终点坐标为E(-3，7)，插补 =1，试用逐点比较插补法对直线讲行直插补运算，并画出插补轨迹图。yx 圆弧插补

26、圆弧插补 设要加工图示第设要加工图示第一象限逆时针走一象限逆时针走向的园弧，圆心向的园弧，圆心坐标为坐标原点，坐标为坐标原点，起点为起点为 A(Xo，Yo)，终点为终点为 E(Xe,Ye)。 第一象限逆园弧插补第一象限逆园弧插补 第一象限逆第一象限逆园弧插补流程园弧插补流程 实际上由于园弧实际上由于园弧所在象限不同，所在象限不同，逆顺不同，插补逆顺不同，插补计算公式和动点计算公式和动点进给方向也均不进给方向也均不相同，因此，相同，因此，园园弧插补有八种情弧插补有八种情况，如图所示况，如图所示为为园弧插补四个象园弧插补四个象限的动点走向限的动点走向。 园弧插补四个象限的动点走向园弧插补四个象限的

27、动点走向例题：试推导第象限逆圆弧逐点比较法插补公式，并用其插补一段第象限逆圆弧：起点A(-1,5)，终点B(-5,1)，画出插补后的实际轨迹图。(插补计算过程以节拍表的形式给出)序号1、判别2、进给3、运算4、比较E=81F=0YF=9X=1，Y=4E=72F0XF=6X=2，Y=4E=63F0XF=1X=3，Y=4E=54F0XF=6X=4，Y=4E=45F0YF=1X=4，Y=3E=36F0XF=8X=5，Y=3E=27F0YF=3X=5，Y=2E=18F0YF=0X=5，Y=1E=0 数字积分法数字积分法 数字积分插补法的最大优点是运算速度快、数字积分插补法的最大优点是运算速度快、脉冲分

28、配均匀、容易实现多坐标联动的插脉冲分配均匀、容易实现多坐标联动的插补和二次曲线，甚至高次曲线的插补，但补和二次曲线，甚至高次曲线的插补，但计算比较复杂。随着数控系统计算机功能计算比较复杂。随着数控系统计算机功能的发展强大，采用软件插补所需时间越来的发展强大，采用软件插补所需时间越来越短，近年来才得到较多的应用。越短，近年来才得到较多的应用。 如右图如右图 数字积分器（数字积分器（DDA）直线插补）直线插补 设加工直线设加工直线OE，如图，如图所示，所示， 起点为坐标原点，终点起点为坐标原点，终点为为E(Xe,Ye)， 假定进给速度假定进给速度V是均匀是均匀的，则有：的，则有：kYeVyXeVx

29、OEV式中式中K为比例常数。为比例常数。直线直线OE的的DDA插补插补 动点从原点走向终点动点从原点走向终点E的过程，可以看作是各的过程，可以看作是各坐标轴线每经过一个单位时间间隔坐标轴线每经过一个单位时间间隔 t( t=1)就就分别以增量分别以增量kXe 、kYe同时累加的结果。同时累加的结果。 也可以说，数字积分法插补实际上是利用速度也可以说，数字积分法插补实际上是利用速度分量进行数字积分分量进行数字积分(累加累加)来确定动点在各个坐来确定动点在各个坐标轴上坐标值的过程：标轴上坐标值的过程： niniitkXeXX11niniitkYeYY11 取取 ti =1 (一个单位时间间隔一个单位

30、时间间隔)，并假定，并假定经过经过n次累加后，动点正好到达终点次累加后，动点正好到达终点E(Xe,Ye),则上式可变为：则上式可变为：niniiniiXeknXetkXetkXeXX111niniiniiYeknYetkYetkYeYY111 由此可得：由此可得： kn = 1或或 n = 1/k上式表明比例常数上式表明比例常数k与累加次数与累加次数n之间的关系，之间的关系，n 必须取整数，则必须取整数，则k肯定是小数。肯定是小数。 为了保证一个单位时间间隔为了保证一个单位时间间隔( t = 1)内每次进给增内每次进给增量量 X、 Y不超过一个单位的脉冲当量，则：不超过一个单位的脉冲当量，则：

31、1kXetkXeX1kYetkYeY上式中上式中Xe、Ye的最大允许值分别受系统中的最大允许值分别受系统中Jxe、Jye寄存器容量的限制，假定寄存器容量为寄存器容量的限制，假定寄存器容量为N位，则位，则Xe及及Ye的最大允许数字量为的最大允许数字量为2N1，将其代入上式中，将其代入上式中的的Xe、Ye，则可得到：，则可得到： k(2N1)1，即，即k1/(2N1)取取k1/2N，则累加次数，则累加次数n为：为：n1/k2N综上所述，综上所述，X、Y经过经过n2N次累加后，动点正好到达终点。次累加后，动点正好到达终点。 Jx(x)- 寄存寄存X坐标坐标的终点值的终点值Xe Jy(y)- 寄存寄存

32、Y坐标坐标的终点值的终点值Ye JRx- 寄存寄存X坐标坐标(X= X)累加余数累加余数 JRy- 寄存寄存Y坐标坐标 (Y= Y)累加余数累加余数数字积分数字积分(DDA)直线插补器如图所示，它具有四个直线插补器如图所示，它具有四个位移寄存器：位移寄存器：DDA直线插补器框图直线插补器框图 当累加结果当累加结果 X X1 或或 Y Y1时，其整数部分以溢出方式丢时，其整数部分以溢出方式丢失，小数部分则保存在相应的寄存器失，小数部分则保存在相应的寄存器JRx 或或 JRy中，留待下一次累加。中，留待下一次累加。 每当每当JRx 或或JRy出现一个溢出脉冲时，则分出现一个溢出脉冲时，则分别向别向

33、X轴或轴或Y轴分配一个进给脉冲轴分配一个进给脉冲 X和和 Y，使使X轴或轴或Y轴移动一步，直至到达终点。轴移动一步，直至到达终点。 终点判别可由累加次数终点判别可由累加次数 n 决定。决定。 数字积分器园弧插补数字积分器园弧插补 设加工如图所示的逆园弧，园设加工如图所示的逆园弧，园心为坐标原点，起点为心为坐标原点，起点为A(Xo,Yo)，终点为，终点为E(Xe,Ye)，半，半径为径为R，动点，动点P(X,Y)的进给速的进给速度度V均匀均匀,则存在下列关系式：则存在下列关系式：KXVYVRVyx其中：其中：K为比例常数。为比例常数。第一象限逆园弧插补第一象限逆园弧插补 在单位时间增量在单位时间增

34、量 t ( t =1)内，坐标轴方向的位移内，坐标轴方向的位移增量则为：增量则为： KYtKYtVXx（负号表示加工逆园弧时向负号表示加工逆园弧时向-X方向移动方向移动）KXtKXtVYy取取 NK21则第一象限逆园弧插补计算公式为：则第一象限逆园弧插补计算公式为：（N为累加寄存器容量（为累加寄存器容量（N）位）位） ttniniiNiNXtXKXdtYdtY00112121ttniiNniiNYtYKYdtXdtX00112121 显然，园弧插补是对动点坐标的累加，显然，园弧插补是对动点坐标的累加，园弧插补器框图如图所示。园弧插补器框图如图所示。 插补过程如下： 运算开始Jx(x)、Jy(y

35、)中分别存放动点P(X,Y)的初值Xo,Yo； X和Y积分累加寄存器每溢出一个脉冲，X轴和Y轴就分别沿-X方向和+Y方向进给一步；每进给一步，被积函数寄存器中的坐标值就被修正一次，即JRx 每溢出一个X脉冲，Jy(y)寄存器中的值就加“1”；反之，JRy 每溢出一个Y脉冲，Jx(x)寄存器中的值就减“1”。（因动点作逆园运动，X作负向进给）。在插补过程中被积函数寄存器中存放的是动点P(X,Y)的瞬时坐标值。DDA园弧插补器框图园弧插补器框图 园弧插补的终点判别可用随时计算出的坐标园弧插补的终点判别可用随时计算出的坐标轴位置轴位置X= X，Y= Y与终点与终点E(Xe,Ye)的坐的坐标值比较来实

36、现。标值比较来实现。 也可采用两个终点判别计数器来分别累计两也可采用两个终点判别计数器来分别累计两坐标轴进给脉冲数，每走一步相应坐标轴终坐标轴进给脉冲数，每走一步相应坐标轴终点计数器便减点计数器便减“1”，当两计数器均减尽为，当两计数器均减尽为“0”时，即到达终点，发出插补完毕信号。时，即到达终点，发出插补完毕信号。5.3 开放式数控系统一、开放式数控系统的基本特征u 定义：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并具有一致风格的用户界面。u 实质：数控系统的开发，可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或裁减数控功能，形成系列化，

37、并方便地将用户的特殊要求和技术诀窍集成到数控系统中快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。1、模块化u 具有高度模块化的特征，包括数控功能模块化和系统体系结构模块化，前者是指用户可以根据自己的要求选装所需的数控功能后者是指系统内部实现各种功能的算法是可分离、可替换的。u 统体系结构模块化是功能模块化的基础，也是系统配置、重组的基础。2、标准化 数控装置具有一定程度的标准化，各公司根据该标准和自己的技术特长，开发控制器中的部件或功能模块。3、移植性 软件的移植性是指软件运行和平台无关，不依赖于特定的硬件平台和操作系统平台。这为功能软件模块的裁剪、替代和重组创造了条件。4、可再次开发性 允许用

38、户进行二次开发，所谓二次开发是指用户可以根据数控装置应用场合的具体要求，自行定制其硬件资源、软件功能和各种参数等。5、网络化u通过网络向数控系统传送加工程序、加工指令或进行远程监控的工作。u随着网络控制技术实时性的提高，正在逐步渗入到各种集成控制系统中。u未来的开放式数控装置可能是在网络技术的支持下的多微处理器并行计算的控制器。二、开放式数控系统的体系结构美国的NGC计划和SOSAS1. 1987年提出了NGC (Next Generation Workstation/Machine Controller)计划，企图通过实现基于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”（ SOS

39、AS ，Specification for an Open System Architecture standard）,解决传统数控系统中存在的“专用、封闭”问题。uNGC计划正在为基于开放式系统体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标准，这种体系结构允许不同的设计人员开发可相互交换和互相操作的控制器部件。u一个完全合格的NGC包括开发的可能性，多个装置间的协调，装置的全独立编程，基于模型的处理，自适应路径策略，大范围工作站及实时特性等。uNGC计划中提出的开放式系统体系结构，能够使供应商为实现专门应用选择最佳方案去定制控制系统。2.欧洲的OSACA计划u OSACA对开放式系统的定义为：应包

40、括一组逻辑上可分的部件，部件间的接口、部件与执行平台间的接口要定义完备，可实现不同开发商开发的部件协调工作并组成一个完整的控制器。u 该控制器可运行于不同的平台，并实现对用户和其它自动系统一致的接口。OSACA体系结构参考体系结构：是指全面描述控制器组织结构的模型，包括控制器功能模块的划分，控制器软件功能模块的划分和模块之间的接口定义。通信系统：支持各模块之间的数据交换。 配置系统：记录控制系统组成，描述系统启动所需要的信息和操作。3、日本的OSEC计划u OSE研究会是日本开放式研究机构之一。u OSE研究会对OSEC计划（ OSE for Controller）的研究分两步走：一是开放控制

41、器的意义和方向，二是达到能实际安装的、完成度较高的体系结构。u 第一步研究的主要问题： 开放式NC的基本结构； 使用FA记述语言FADL (Factory Automation Description Language) 伺服控制的函数数据库。三、开放式数控系统的关键技术开放式数控系统体系结构的研究u 开放式数控系统的体系结构是全面描述控制器组织结构的模型，包括控制器功能模块的硬件和软件划分。1.在建模过程中充分考虑数控机床的共性和可能具有的个性。共性是开放式数控系统的主体，个性是体系结构中可扩展的主要因素。同时要考虑相关技术的发展，如网络和计算机技术。u 路线：l 以欧洲的OSACA为代表，

42、从建立理想模型入手，逐步保证新开发的产品遵循理想模型；l以日本的OSEC为代表，试图建立中性语言，在现有数控系统基础上，通过此种机制使数控系统部分地向用户开放。2、开放式数控系统标准的研究u 开放式数控系统的标准主要是指详细定义系统软件和硬件结构的接口。u 只有详细定义了标准，才能够实现互操作性，才能将多家公司开发的软硬件模块集成到一台控制器中。5.4 并联机床的控制技术一 概述并联机床，也称虚拟轴机床或并联运动学机器。是20世纪90年代中期，为了提高数控机床对生产环境和各种产品的适应，满足快速多变的市场需求，而发展的一种新式机床。优点刚度重量比大：采用并联闭环静定或非静定杆系机构吧，传动构件

43、在理论上是，受到拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。响应速度快：运功部件惯性的降低有效地改善了伺服系统的动态性能，减小了伺服滞后和轮廓误差，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，适用各种高速数控加工。环境适应性强：可重组和模块化设计，可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多轴联动的钻、铣、磨、抛光等加工。装备机械手、高能束源、摄像机等设备，可完成精密装配、特种加工、测量等工作。技术附加值高：具有硬件简单，软件复杂的特点，技术附加值高的一种机电一体化产品，可获得高额的经济回报。二 并联机床设计理论方案设计u 并联机床的方案设计是在给定所需自由度的条件下，寻求一个主刚体（动平台）并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。1. 按照支链中所含伺服驱动器数目不同，并联机床可分为并联、串并联、混联三种类型。前两者在一个支链中仅含一个或一个以上的驱动器，可直接生成36个自由度；而后者则通过两个或多个自由度的并联或串联机构的串联组合生成所需自由度。2、运动学设计 包括工作空间定义与描述、工作空间分析与综合两大部分内容。3、动力学设计 并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数设计的理论基础。4、精度设计 误差来源：静态误差和动态误差。 精度设计包括精度预估和精度综合。5、数控系统三、 并联机床控制技术运动学方程的建立1. 数控系统设计