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1、第二部分第二部分 计算机数控系统计算机数控系统本讲稿第一页，共三十九页机电工程学院机电工程学院2.1 2.1 计算机数控装置计算机数控装置2.2 2.2 数控系统的插补计算原理数控系统的插补计算原理本部分重要内容本部分重要内容本讲稿第二页，共三十九页机电工程学院机电工程学院按美国电子工程协会按美国电子工程协会（EIA）数控标准化委员数控标准化委员会的定义，会的定义，CNC（Computerized Numerical Control）系统是：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、伺服驱动的一求的部分或
2、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。种专用计算机系统。2.1.1 2.1.1 计算机数控装置硬件计算机数控装置硬件第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第三页，共三十九页机电工程学院机电工程学院CNCCNC系统根据输入的程序或指令，由计算机进行系统根据输入的程序或指令，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位置插补运算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工数据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需零件。出所需零件。CNCCNC系统中的计算机主要用来进行数值和系统中的计算机主要用来进行数值和逻
3、辑运算，对机床进行实时控制，只要改变计逻辑运算，对机床进行实时控制，只要改变计算机中的控制软件就能实现一种新的控制方式。算机中的控制软件就能实现一种新的控制方式。第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第四页，共三十九页机电工程学院机电工程学院输入输入/输出装置输出装置（I/O）数控装置数控装置伺服系统伺服系统机床电气逻辑控制装置机床电气逻辑控制装置一、数控系统的组成一、数控系统的组成第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第五页，共三十九页机电工程学院机电工程学院uCNCCNC系统灵活可变，易于变化和扩展系统灵活可变，易于变化和扩展uCNCCNC系统通用性强系统通用性强u
4、CNCCNC系统可靠性强系统可靠性强uCNCCNC系统易于实现多功能、高复杂程序的控制系统易于实现多功能、高复杂程序的控制uCNCCNC系统使用、维护方便系统使用、维护方便第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 二、数控系统的特点二、数控系统的特点本讲稿第六页，共三十九页机电工程学院机电工程学院三、计算机数控装置硬件结构类型三、计算机数控装置硬件结构类型1、常规、常规CNC的硬件结构的硬件结构总线式模块化结构的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基于通用计算机基础上开发的CNC第第一一节节 计计算算机机数数控控
5、装装置置 本讲稿第七页，共三十九页机电工程学院机电工程学院2、单微处理器结构和多微处理器结构、单微处理器结构和多微处理器结构1）单微处理器结构）单微处理器结构 只有一个微处理器，以集中控制、分时处理各个只有一个微处理器，以集中控制、分时处理各个任务。任务。若若CNC系统中有两个以上的微处理器，其系统中有两个以上的微处理器，其中只有一个能够控制系统总线，占有总线资源。中只有一个能够控制系统总线，占有总线资源。第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第八页，共三十九页机电工程学院机电工程学院本讲稿第九页，共三十九页机电工程学院机电工程学院2）多微处理器结构）多微处理器结构（1）共享总线结
6、构）共享总线结构 系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能。交换各种数据和控制信息，实现各种预定的功能。第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 （2）共享存储结构）共享存储结构 采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连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，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。以供端口访问。CNC管理模块、管理模块、CNC插补模块、插补模块、PLC模块、命令与数据输入输模块、命令与数据输入输出和显示模块、存储器模
7、块出和显示模块、存储器模块本讲稿第十页，共三十九页机电工程学院机电工程学院本讲稿第十一页，共三十九页机电工程学院机电工程学院3、开放式、开放式CNC结构结构1）PC连接型连接型CNC 将现有将现有CNC与与PC用串行线相连而构成。用串行线相连而构成。2）PC内藏型内藏型CNC CNC内部加装内部加装PC，PC与与CNC之间用专用总线连之间用专用总线连接。接。3）基于）基于PC的可开放的可开放CNC 在通用在通用PC的扩展槽中加入专用的扩展槽中加入专用CNC卡而组成。卡而组成。第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第十二页，共三十九页机电工程学院机电工程学院1、输入数据处理程序、输入
8、数据处理程序2、插补运算程序、插补运算程序3、速度控制程序、速度控制程序4、管理程序、管理程序5、诊断程序、诊断程序一、一、CNCCNC系统软件的组成系统软件的组成第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 2.1.2 CNC2.1.2 CNC系统的软件结构系统的软件结构本讲稿第十三页，共三十九页机电工程学院机电工程学院二、二、CNCCNC系统软件的结构系统软件的结构 CNC CNC软件设计中常采用资源分时共享并行处软件设计中常采用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，主要采用对微处理器系统，主要采用对CPUCPU的
9、分时共享来解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，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。即时间重叠。由于两种技术处理方式不同，相应的由于两种技术处理方式不同，相应的CNCCNC软件软件也设计成不同的结构形式。也设计成不同的结构形式。第第一一节节 计计算算机机数数控控装装置置 本讲稿第十四页，共三十九页机电工程学院机电工程学院机床数控系统的轮廓控制主要问题就是机床数控系统的轮廓控制主要问题就是怎样控制刀具或工件的运动轨迹。无论是硬怎样控制刀具或工件的运动轨迹。无论是硬件数控件
10、数控（NCNC）系统，还是计算机数控系统，还是计算机数控（CNCCNC）系统或微机数控系统或微机数控（MNCMNC）系统，都必须有系统，都必须有完成插补功能的部分，只是采取的方式不同完成插补功能的部分，只是采取的方式不同而已。而已。第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理2.2 2.2 插补原理插补原理本讲稿第十五页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理插补的任务是根据进给速度的要求，在插补的任务是根据进给速度的要求，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
11、所需时间直接点的坐标值，每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度。的计算精度又影响到数控系统的控制精度。插补速度和插补精度是插补的两项重要指标，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。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控制的核心。因此，插补算法是整个数控系统控制的核心。本讲稿第十六页，共三十九页机电工程学院机电工程学院2.2.1 2.2.1 逐点比较法插补逐点比较法插补第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理基
12、本原理：在刀具按要求轨迹运动加工零件的过程中，不基本原理：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，并根据比断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根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。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。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，调节方量，
13、输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此，在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。便，因此，在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。本讲稿第十七页，共三十九页机电工程学院机电工程学院ABOYXP0(x,y)P1P2图中图中ABAB是需要插补的曲线，用逐点比较法插补前先要根据是需要插补的曲线，用逐点比较法插补前先要根据ABAB的形状的形状构造一个函数构造一个函数F=F（x,y）x,y为刀具的坐标为刀具的坐标函数函数F F的正负必须反映出刀具与曲线的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：相对位置关系，设这种关系为：F(x,y)0 刀具在曲线上方刀具在曲线上方F(x,y)
14、=0 刀具在曲线上刀具在曲线上F(x,y)0F 0 F0 刀具在直线上方刀具在直线上方F=0 F=0 刀具在直线上刀具在直线上F0 F0F 0第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理2 2、偏差判别偏差判别本讲稿第二十一页，共三十九页机电工程学院机电工程学院3 3、进给方向进给方向若点若点P在直线上或上方在直线上或上方（F0F0）应向应向+X+X方向前进一步，方向前进一步，以接近该直线；以接近该直线；OYXAOYXA当点当点P P在直线下方时在直线下方时（F F0 0），应向，应向+Y+Y 方向前进一步。方向前进一步。第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理
15、本讲稿第二十二页，共三十九页机电工程学院机电工程学院Fi+1=XeYi+1Xi1Ye第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理4 4、新点的偏差计算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：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，计算较为复杂，可见需做两次乘法和一次减法，计算较为复杂，CPU负担较重，负担较重，通常采用递推法简化运算过程。通常采用递推法简化运算过程。本讲稿第二十三页，共三十九页机电工程学院机电工程学院偏差情况 进给方向偏差计算+X+Y当偏差值当偏差值F Fi i 0 R 第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算
16、算原原理理三、逐点比较法的第一象限逆圆弧插补三、逐点比较法的第一象限逆圆弧插补Xi2+Yi2=X02+Y02=R2Xi2+Yi2X02+Y02=R2若点若点P（Xi,Yi）在圆弧内侧，则有在圆弧内侧，则有RpR Xi2+Yi2X02+Y02=R2RRpABF0XYOP本讲稿第二十九页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理F=Xi2+Yi2-R2取偏差函数表达式为：取偏差函数表达式为：RRpABF0XYOP其插补规则为：其插补规则为：当当F0时，动点在圆弧外侧，向时，动点在圆弧外侧，向X进给一步；进给一步；当当F=0时，动点在圆弧上，向时，
17、动点在圆弧上，向X进给一步；进给一步；当当F0时，动点在圆弧内侧，向时，动点在圆弧内侧，向Y进给一步；进给一步；本讲稿第三十页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理采用递推法简化新点偏差计算：采用递推法简化新点偏差计算：若若F Fi i 0 0，刀具从现点，刀具从现点(X Xi i,Y,Yi i)向向-X-X进给一步，到达新加进给一步，到达新加工点工点 (X Xi+1i+1 X Xi+1i+11 1，Y Yi i1 1 Y Yi i)则新点的偏差值为则新点的偏差值为Fi+1=Xi+12Yi12R2=(Xi1)2Yi2R2即即 Fi+1=F
18、i 2Xi1若若F Fi i 0 0，刀具，刀具+Y+Y进给一步，到达新加工点进给一步，到达新加工点 (X Xi+1i+1 X Xi i，Y Yi i1 1 Y Yi i+1+1)则新点的偏差值为则新点的偏差值为Fi+1=Xi+12Yi12R2=Xi2（Yi1）2R2即即 Fi+1=Fi 2Xi+1本讲稿第三十一页，共三十九页机电工程学院机电工程学院终点判别终点判别对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿具或者沿X X轴走一步，或沿轴走一步，或沿Y Y轴走一步，因此插补数与轴走一步，因此插补数与刀具沿刀具沿X X、Y Y轴已走的总步数相等。轴
19、已走的总步数相等。第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理 Xe Ye 不论哪个轴进给一步，均从总步数中减不论哪个轴进给一步，均从总步数中减1 1，当总，当总步数减到零时即表示已到达终点。步数减到零时即表示已到达终点。+YX偏差计算偏差计算进给方向进给方向偏差情况偏差情况 本讲稿第三十二页，共三十九页机电工程学院机电工程学院例：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)0 n,0 Fi原地等待插补时钟F0？进给方向-x进给方向+yY插补结束NYN插补流程图见右本讲稿第三十三页，共三十九页机电工程学院机电工程学院
20、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=0-26+1=-11X1=X0-1=6-1=5Y1=Y0=0N=N-1=12-1=1102F1=-110+YF2=F1+2Y1+1=-11+0+1=-10X2=X1=5Y2=Y1+1=1N=N-1=11-1=1003F2=-100+YF3=F2+2Y2+1=-10+21+1=-7X3=X2=5Y3=Y2+1=2N=N-1=10-1=904F3=-70+YF4=F3+2Y3+1=-7+22+1=-2X4=X3=5Y4=Y3+1=3N=N-1=9-1=805F4=-20-XF6=
21、F5-2X5+1=5-25+1=-4X6=X5-1=5-1=4Y6=Y5=4N=N-1=7-1=607F6=-40-XF8=F7-2X7+1=5-24+1=-2X8=X7-1=4-1=3Y8=Y7=5N=N-1=5-1=409F8=-20-XF10=F9-2X9+1=9-23+1=4X10=X9-1=3-1=2Y10=Y9=6N=N-1=3-1=2011F10=+40-XF11=F10-2X10+1=4-22+1=1X11=X10-1=2-1=1Y11=Y10=6N=N-1=2-1=1012F11=10-XF12=F11-2X11+1=1-21+1=0X12=X11-1=1-1=0Y12=Y1
22、1=6N=N-1=1-1=0到终点解：总步数N538 插补运算过程见下表本讲稿第三十四页，共三十九页机电工程学院机电工程学院ABXYO圆弧插补轨迹图(6,0)(0,6)第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理本讲稿第三十五页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理四、插补象限和插补走向处理四、插补象限和插补走向处理1 1、四象限直线插补、四象限直线插补+XL1L2L4L3-X+Y-Y线型偏差计算进给偏差计算进给F0F0L1L2L3L4F-YeF+X-X-X+XF+XeF+Y+Y-Y-Y四象限直线插补偏差计算四象限直线插补偏
23、差计算四象限直四象限直线插补进线插补进给方向给方向本讲稿第三十六页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理2 2、四象限圆弧插补、四象限圆弧插补四象限圆弧插补进给方向四象限圆弧插补进给方向-XYSR1O+Y+X-YNR1XSR4-X-Y+XNR4+Y+YSR3NR3-Y+X+XSR2NR2+Y-X-Y本讲稿第三十七页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理四象限直线插补偏差计算四象限直线插补偏差计算线型偏差计算进给偏差计算进给F0F0SR1SR3NR2NR4F-2Y+1F-Y+Y-Y+YF+2X+1F+X-X-X+XSR2SR4NR1NR3F-2X+1F+X-X-X+XF+2Y+1F+Y-Y+Y-Y本讲稿第三十八页，共三十九页机电工程学院机电工程学院第第二二节节 数数控控系系统统的的插插补补计计算算原原理理作业作业（P42P42）1-231-231-241-24本讲稿第三十九页，共三十九页