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1、数控系统及工作原理数控系统及工作原理第一节第一节 概概 述述 一、CNC系统的组成和功用 CNC系统主要由系统主要由硬件硬件和和软件软件两大部分组成。两大部分组成。其其核心核心是是计算机数控装置（计算机数控装置（CNC装置）装置）。CNC系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统通过软件与硬件的配合，合理地组织、管理数控系统的系统的输入、数据处理、插补和输出信息、输入、数据处理、插补和输出信息、控制执行部件运动，控制执行部件运动，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内系统采用了计算机作为控制部
2、件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。一种全新的控制方式。一、一、CNC系统组成和功用系统组成和功用数控系统数控系统的组成：的组成：输入输入/输出设备、输出设备、CNC装置装置(或称或称CNC单元单元)、可编程控制器可编程控制器(PLC)、电气控制装置、电气控制装置、伺服单元、伺服单元、驱动装置驱动装置(或称执行机构或称执行机构)、辅助装置、辅助装置、位移与速度检测装置。位移与速
3、度检测装置。CNC系统的结构框图系统的结构框图 CNCCNC系统的核心是系统的核心是CNC控制器。控制器。CNC控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量组成。前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。的逻辑控制。1.输入输入/输出设备输出设备键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可键盘和磁盘机是数控机床的典型输入设备，还可以用串行通信的方式进行信息的输入。以用串行通信的方式进行信息的输入。数控系统一般配有数控系统一般配有CRT显示器
4、或点阵式液晶显示显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。2.CNC装置和装置和PLCuPLC可编程控制器可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为工业环境下的应用而设计。业环境下的应用而设计。PLC用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器用于控制机床顺序动作时，称为可编程机床控制器(Programmable Machine Controller，PMC)。PLC主要处理开关量的逻辑控制。主要处
5、理开关量的逻辑控制。控制：控制：主轴变速、换向、主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。PLC分为两类：分为两类：一类是一类是将数控系统和将数控系统和PLC综合起来设计，称为综合起来设计，称为内装型内装型(或或集成型集成型)PLC；另一类是另一类是以独立专业化的以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为控制功能，称为独立型独立型(或外装型或外装型)PLC。uCNC装置装置(1)输入接口
6、。输入接口。负责接收输入介质或操作面板上的信息，并负责接收输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。制和运算的原始依据。(2)控制器。控制器。根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。床按规定的要求协调地进行工作。(3)运算器。运算器。接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并接收控制器的指令，对输入数据进行运算，并将控制信号以脉冲形式送至输出接口。将控制信号以脉冲形式送至输出接口。(4)输出接口。输出接口。根据控制器
7、的指令，接收运算器的控制信号，根据控制器的指令，接收运算器的控制信号，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。(5)存储器。存储器。CNC装置的存储器分为只读存储器装置的存储器分为只读存储器(ROM)和读和读写存储器写存储器(RAM)。ROM用于存放系统控制程序；用于存放系统控制程序；RAM用于用于存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。存放零件的加工程序和系统运行时的中间结果。数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控数控机床的功能强弱主要由数控装置来决定，所以它是数控机床的核心部分。机床的核心部分。3.强电控制部分和辅助装
8、置电动执行器强电控制部分和辅助装置电动执行器控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。控制除进给运动之外的其它辅助操作的装置。强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可强电控制装置接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器（编程控制器（PLC）控制主轴变速、换向、启动控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。辅助操作。4.进给伺服驱动单元及进给电动机进给伺服驱动单元及进给电动机定定定定义义以以以以移移移移动动部件部件部件部件的的的的位置位置
9、位置位置和和和和速度速度速度速度作作作作为为控制量的自控制量的自控制量的自控制量的自动动控制系控制系控制系控制系统统。伺服驱动系统：包括伺服驱动系统：包括伺服单元伺服单元与与驱动装置驱动装置。驱动装置：驱动装置：有步进电动机、直流伺服电动机和交有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。流伺服电动机等。功能：功能：功能：功能：接受数控装置接受数控装置接受数控装置接受数控装置发发来的指令信号，信号来的指令信号，信号来的指令信号，信号来的指令信号，信号经变经变换换和放大由和放大由和放大由和放大由执执行元件（伺服行元件（伺服行元件（伺服行元件（伺服电电机）将其机）将其机）将其机）将其转变为转变为
10、角角角角位移或直位移或直位移或直位移或直线线位移，从而位移，从而位移，从而位移，从而实现驱动实现驱动数控机床各运数控机床各运数控机床各运数控机床各运动动部件的部件的部件的部件的进给进给运运运运动动。5.主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速驱动单元及主轴电动机主轴调速系统：主轴调速系统：包括主轴调速驱动单元、主轴电包括主轴调速驱动单元、主轴电动机、转速检测装置等。以动机、转速检测装置等。以主运动速度主运动速度为控制目为控制目标。标。主轴调速驱动单元：主轴调速驱动单元：是联系是联系CNC装置和机床本体装置和机床本体的中间环节，它将来自的中间环节，它将来自CNC装置的微弱指令信号装置的微弱指令信号放
11、大成控制驱动装置的大功率信号。放大成控制驱动装置的大功率信号。主轴电动机：主轴电动机：可分为可分为直流主轴电动机直流主轴电动机和和交流主轴交流主轴电动机电动机。6.位移与速度检测装置位移与速度检测装置位移检测装置：位移检测装置：测量装置按各坐标轴方向安装在测量装置按各坐标轴方向安装在机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴机床的工作台或丝杠上，将机床工作台各坐标轴的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机控装置与指令值相比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。床向消除该误差的方向移动。速度检测装置
12、：速度检测装置：将进给速度反馈给进给伺服驱动将进给速度反馈给进给伺服驱动单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。单元；将主轴转速反馈给主轴调速驱动单元。二二CNC装置的主要工作及过程装置的主要工作及过程 CNC的工作流程的工作流程 二二CNC装置的主要工作及过程装置的主要工作及过程 CNC的工作过程包括：的工作过程包括：输入、输入、译码、译码、刀具补偿、刀具补偿、进给速度处理、进给速度处理、插补、插补、位置控制、位置控制、I/O处理、处理、显示显示和和诊断诊断等等9个方面。个方面。（1）输入）输入输入内容：输入内容：向向CNC控制器输入零件程序、机床参数和补偿控制器输入零件程序、机床参数和补偿
13、数据。数据。输入型式：输入型式：有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。有光电阅读机、键盘、磁盘和联机等输入。CNC输入工作方式：输入工作方式：有存储方式和有存储方式和NC方式。前者将整个程方式。前者将整个程序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边序存入存储器中，加工时一个个程序段调出；后者是指一边输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内输入一边加工，在前一程序段加工时，输入后一个程序段内容。容。（2）译码）译码译译码码处处理理：以以程程序序段段为为单单位位，把把零零件件的的轮轮廓廓（起起点点、终终点点、直直线线或或圆圆弧弧）、进进给给速速度度（F）和和其其他他辅辅助助信
14、信息息（M、S、T）按按照照一一定定的的语语法法规规则则解解释释成成计计算算机机能能够够识识别别的的数数据据形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查。形式并保存，同时还要完成程序段的语法检查。（3）刀具补偿）刀具补偿刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。刀具补偿是指刀具长度和刀具半径的补偿。目目前前，在在较较高高档档的的CNC中中，刀刀具具补补偿偿还还包包括括程程序序段段之之间间的的自动转接和过切削判别，这就是所谓自动转接和过切削判别，这就是所谓C刀具补偿功能。刀具补偿功能。（4）进给速度处理）进给速度处理按按合合成成速速度度来来计计算算各各坐坐标标方方向向的的分分速速度度，为为插插补补计计算
15、算做做准准备。备。处处理理机机床床的的最最低低和和最最高高速速度度的的限限制制以以及及软软件件的的自自动动加加减减速速处理。处理。（5）插补）插补插插补补：按按一一定定的的方方法法确确定定加加工工轨轨迹迹的的过过程程就就叫叫插插补补。是是在在曲线的起点和终点之间自动进行曲线的起点和终点之间自动进行“数据点密化数据点密化”。插插补补是是在在规规定定的的周周期期（称称插插补补周周期期）内内执执行行一一次次，按按指指令令进进给给速速度度计计算算出出一一个个微微小小的的直直线线数数据据段段。通通常常经经过过若若干干个个插插补补周周期期后后，插插补补完完一一个个程程序序段段加加工工。常常有有直直线线、圆
16、圆弧弧及及螺旋线等插补。螺旋线等插补。（6）位置控制）位置控制开环（步进式）位置控制：开环（步进式）位置控制：闭闭环环位位置置控控制制是是在在伺伺服服回回路路的的位位置置环环上上（见见下下图图），它它在在每每个个采采样样周周期期内内，将将插插补补计计算算出出的的理理论论位位置置与与实实际际反反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机。还还要要完完成成位位置置回回路路的的增增益益调调整整、各各坐坐标标方方向向的的螺螺距距误误差差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。CNC装置装置I/O光电隔离光电隔离环形分配器环
17、形分配器功率放大功率放大电动机电动机（7）I/O处理处理I/O处处理理是是指指CNC与与机机床床之之间间电电气气信信号号的的输输入入、输输出出处处理理和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。和控制（如换刀、主轴速度换挡、冷却等）。（8）显示）显示显显示示：零零件件程程序序、参参数数、刀刀具具位位置置、机机床床状状态态、报报警警信信息息等。等。有些有些CNC还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。（9）诊断）诊断联联机机诊诊断断：是是指指CNC中中的的自自诊诊断断程程序序融融合合在在各各部部分分，随随时时检查不正常的事件。检查不正常的事件。脱脱机机诊诊断断：是
18、是在在CNC不不工工作作情情况况下下的的诊诊断断，这这种种诊诊断断通通过过配配备备的的各各种种脱脱机机诊诊断断程程序序对对存存储储器器、外外围围设设备备（CRT、阅阅读读机机、穿穿孔孔机机等等）接接口口和和I/O接接口口等等进进行行检检查查。脱脱机机诊诊断断也可采用远程诊断。也可采用远程诊断。译码译码(解释解释)将将用用文文本本格格式式（通通常常用用ASCIIASCII码码）表表达达的的零零件件加加工工程程序序，以以程程序序段段为为单单位位转转换换成成后后续续程程序序（本本例例是是指指刀刀补补处理程序）所要求的数据结构（格式）。处理程序）所要求的数据结构（格式）。CNCCNCCNCCNC装置的
19、数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程装置的数据转换流程数据数据结构示例：构示例：Struct PROG_BUFFER Struct PROG_BUFFER char buf_statechar buf_state；/缓冲区状态，缓冲区状态，0 0 空；空；1 1 准备好。准备好。int block_numint block_num；/以以BCDBCD码的形式存放本程序段号。码的形式存放本程序段号。double COOR20double COOR20；/存放尺寸指令的数值（存放尺寸指令的数值（m m）。）。int F,Sint F,S；/F/F（mm/minmm/min）S S（r/
20、minr/min）。）。char G0char G0；/以标志形式存放以标志形式存放G G指令。指令。char G1char G1；char M0char M0；/以标志形式存放以标志形式存放M M指令。指令。char M1char M1；char Tchar T；/存放本段换刀的刀具号。存放本段换刀的刀具号。char Dchar D；/存放刀具补偿的刀具半径值。存放刀具补偿的刀具半径值。；以标志形式存放G指令示例 在在系系统统软软件件中中各各程程序序间间的的数数据据交交换换方方式式一一般般都都是是通通过过缓缓冲冲区区进进行行的的。该该缓缓冲冲区区由由若若干干个个数数据据结结构构组组成成，当当
21、前前程程序序段段被被解解释释完完后后便便将将该该段段的的数数据据信信息息送送入入缓缓冲冲区区组组中中空空闲闲的的一一个个。后后续续程程序序（如如刀刀补补程程序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。序）从该缓冲区组中获取程序信息进行工作。N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200 N06 G90 G41 D11 G01 X200 Y300 F200；1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9-Struct PROG_BUFFER Struct PROG_BUFFER char buf_state char buf_state；0 0：(开始开始
22、)；1 1（；）（；）int block_numint block_num；0606（N06N06）double COOR20double COOR20；COOR1=200000COOR1=200000；（；（X200X200）COOR2=300000COOR2=300000；（；（Y300Y300）int F,Sint F,S；F=200F=200；（；（F200F200）char G0char G0；D5=0D5=0；（；（G90G90）D6,D7=0,1D6,D7=0,1（G41G41）D1=1D1=1；（；（G01G01）char Dchar D；D=11D=11（D11D11）；刀补
23、处理的主要工作：刀补处理的主要工作：根根据据G90/G91G90/G91计计算算零零件件轮轮廓的终点坐标值。廓的终点坐标值。根根据据R R和和G41/42G41/42，计计算算本本段段刀刀具具中中心心轨轨迹迹的的终终点点（P Pe e/P/Pe e）坐标值。）坐标值。根根据据本本段段与与前前段段连连接接关关系，进行段间连接处理。系，进行段间连接处理。2.刀补处理刀补处理(计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹)Pe（200，300）XRP0（72，48）Pe”PeG41G42Y 速度预处理速度预处理 主要功能是根据加工程序给定的进给速度，计算在每个插补周期内的合成移动量，供插补程序使用。速度处理程序
24、主要完成以下几步计算：速度处理程序主要完成以下几步计算：q 计算本段总位移量：计算本段总位移量：直线：合成位移量直线：合成位移量L L；园弧：总角位移量园弧：总角位移量。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。该数供插补程序判断减速起点和终点之用。q计算每个插补周期内的合成进给量：计算每个插补周期内的合成进给量：L=F*L=F*t/60 t/60 （m m）式中：式中：F-F-进给速度值（进给速度值（mm/minmm/min）；）；t-t-数控系统的插补数控系统的插补周期（周期（msms）L 插补计算插补计算 主要功能：主要功能：q根根据据操操作作面面板板上上“进进给给修修调调”开开关关的的设设
25、定定值值，计计算算本本次插补周期的实际合成位移量：次插补周期的实际合成位移量：L L1 1=L*L*修调值修调值q将将L L1 1按按插插补补的的线线形形（直直线线，园园弧弧等等）和和本本插插补补点点所所在在的的位位置置分分解解到到各各个个进进给给轴轴，作作为为各各轴轴的的位位置置控控制制指指令（令（X X1 1、Y Y1 1）。）。经经插插补补计计算算后后的的数数据据存存放放在在运运行行缓缓冲冲区区中中，以以供供位位置置控控制程序之用。本程序以系统规定的插补周期制程序之用。本程序以系统规定的插补周期t t定时运行。定时运行。位置控制处理位置控制处理f（）（）+-+插补输出插补输出X X1 1
26、Y Y1 1指令位置指令位置X X1 1新新Y Y1 1新新跟随误差跟随误差X X3 3Y Y3 3实际位置实际位置X X2 2新新Y Y2 2新新反馈位置增量反馈位置增量X X2 2、Y Y2 2X X1 1旧旧Y Y1 1旧旧X X2 2旧旧Y Y2 2旧旧速度指令速度指令VX、VY位置控制转换流程位置控制转换流程在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线用折线轨迹逼近所要加工的曲线。插补（插补（interpolationinterpolation）定义）定义：机床数控系统依照一定机床数控系统
27、依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为称为“数据点的密化数据点的密化”。第二节第二节 数控插补原理数控插补原理 一、插补的基本概念一、插补的基本概念 插补的实质插补的实质数控装置向各坐标提供相互协调的数控装置向各坐标提供相互协调的进给脉冲进给脉冲，伺服系统根据，伺服系统根据进给脉冲驱动机床各坐标轴运动进给脉冲驱动机床各坐标轴运动。数控装置的关键问题：数控装置的关键问题：根据控制指令和数据进行根据控制指令和数据进行脉
28、冲数目分脉冲数目分配的运算配的运算（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。（即插补计算），产生机床各坐标的进给脉冲。插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把工件轮廓的形状描述出来，工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标边计算边根据计算结果向各坐标发出进给脉冲发出进给脉冲，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移，对应每个脉冲，机床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。状。插补的实质：插补的实质：在一个线段的起点和终点之间进行在一
29、个线段的起点和终点之间进行数据点的密数据点的密化。化。逐点比逐点比较法法 脉冲增量插脉冲增量插补 DDA法法插插补方法方法 直直线函数法函数法 数据采数据采样插插补 扩展展DDA法法 32特点：特点：每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移（最小位移（脉冲脉冲当量当量），脉冲序列的脉冲序列的频率频率代表了坐标运动代表了坐标运动速度速度，而，而脉冲的脉冲的数量数量表示表示位移量位移量。仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算仅适用于一些中等精度或中等速度要求的计算机数控系统机数控系统 二、二、
30、二、二、基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或基准脉冲插补（行程标量插补或脉冲增量插补脉冲增量插补脉冲增量插补脉冲增量插补）主要的脉冲增量插补方法主要的脉冲增量插补方法数字脉冲乘法器插补法数字脉冲乘法器插补法逐点比较法逐点比较法数字积分法数字积分法矢量判别法矢量判别法比较积分法比较积分法最小偏差法最小偏差法目标点跟踪法目标点跟踪法单步追踪法单步追踪法直接函数法直接函数法加密判别和双判别插补法加密判别和双判别插补法逐点比逐点比较法法 开开环数数控控机机床床，实现直直线、圆弧弧、其其他他二二次次曲曲线（椭圆、抛抛物物线、双曲、双曲线等）插等）插补。特特
31、点点：运运算算直直观，最最大大插插补误差差1个个脉脉冲冲当当量量，脉脉冲冲输出出均均匀匀，调节方便。方便。原理：原理：每每进给一步完成一步完成4个工作个工作节拍：拍：坐坐标进给标进给偏差判偏差判别别新偏差新偏差计计算算终终点比点比较较（一）逐点比较插补法的基本原理（一）逐点比较插补法的基本原理351、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-图解解xy(10,5)右右侧(0,0)左左侧361、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(10,5)(0,0)p5(3,2)p6(4,2)p7(5,2)起点起点(0,0)终点点(10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5)点在
32、直点在直线上或直上或直线左左侧时 X:+1 点在直点在直线右右侧 时 Y:+1左左侧右右侧371、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(xe,ye)(0,0)起点起点(0,0)终点点(10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5)pi(xi,yi)点在直点在直线左左侧 Yi/Xi Ye/Xe=Xe*Yi-Ye*Xi 0 pi(xi,yi)点在直点在直线右右侧 Yi/Xi Xe*Yi-Ye*Xi Xe*Yi-Ye*Xi=0 pi(xi,yi)381、逐点比、逐点比较法直法直线插插补-算法算法xy(10,5)(0,0)pi(xi,yi)起点起点(0,0)终点点(
33、10,5)中中间点：点：P1(0,1)Pi(xi,yi)P14(9,5)pi(xi,yi)Fi=Xe*Yi-Ye*XiFi=0 在直在直线上或直上或直线左左侧 X:+1Fi=0?N=0?N=N-1+x走一步走一步+y走一步走一步F=F-yeF=F+xe结束束是是否否AA否否是是41偏差判偏差判偏差判偏差判别别函数函数函数函数:偏差判偏差判偏差判偏差判别别：P P(x xi i,y,yj j)F0F0F0F0F0F0F0F=xeyj-xiye0；点在点在线右右边时F0；点在点在线上上时F=0；进给方向方向根据所在的象限分析。根据所在的象限分析。L2 y L1 F0 F0 F0 F0+y-x +x
34、 +y 0 x F0 F0 F0 F0-y-x +x y L3 L4 线型型F0进给方向方向F=0?N=0?N=N-1-y走一步走一步+x走一步走一步F=F-2y+1 y=y-1F=F+2x+1 x=x+1结束束是是否否AA否否是是53逐点比逐点比较法法圆弧插弧插补-第第1象限象限逆逆圆 A为起点，起点，E为终点，点，M为加工加工点点。偏差函数：偏差函数：F=xi2+yi2-R2点在点在圆上及上及圆外外时：F0，走走-x一步，一步，xi+1=xi-1，yi+1=yiFi+1=xi+12+yi+12-R2=(xi-1)2+yi2-R2=Fi-2xi+1点在点在圆内内时：F0，走走+y一步，一步，
35、xi+1=xi，yi+1=yi+1Fi+1=xi+12+yi+12-R2=xi2+(yi+1)2-R2=Fi+2yi+1也要用也要用四个寄存器四个寄存器：JF,Jx,Jy,JN(N=|xb-xa|+|yb-ya|)FF54逐点比逐点比较法法不同象限不同象限圆弧的插弧的插补公式公式（SR表示表示顺圆，NR表示逆表示逆圆）：）：偏差公式偏差公式：Fi=xi2+yi2-R2SR:F0 F0 -y +x F0 F0 +y +x F0 F0 -x -y F0-x F0 +y NR：F0 F0 -y -x F0 F0 -x +y F0 F0 -y +x F0 +x F0F0+y 线型型F0进给方方向向F0
36、进给方向方向偏差运算偏差运算SR1yxx时：xi+1=xi1，Fi+1=Fi2xi+1y时：yi+1=yi1,Fi+1=Fi2yi+1SR2xySR3yxSR4xyNR1xyNR2yxNR3xyNR4yx55例例2：起点起点A（6,0）,终点点B（0,6）。逐点比）。逐点比较法法进行插行插补，画，画出插出插补轨迹。迹。插插补从从圆弧起点开始，故弧起点开始，故F0，0=0；E存存X、Y方方向向总步步数数，E66=12，每每进给一一步步减减1，E=0时停止插停止插补。56步数 偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判断起点F0，0=0 x0=6y0=0E=121F0，0=0 XF1，0=F0，02x
37、01=0121=11x1=61=5y1=0 E=112F1，00 Y F1，1=F1，02y11=1101=10 x2=5y2=01=1 E=103F1，10 Y F1，2=F1，12y21=1021=7x3=5y3=11=2E=94F1，20 YF1，3=F1，22y31=741=2x4=5y4=21=3E=85F1，30 YF1，4=F1，32y41=261=5x5=5y5=31=4E=76F1，40 XF2，4=F1，42x51=5101=4x6=51=4y6=4E=67F2，40 YF2，5=F2，42y61=481=5x7=4y7=41=5E=58F2，50 XF3，5=F2，52x
38、71=581=2x8=41=3y8=5E=49F3，50 YF3，6=F3，52y81=2101=9x9=3y9=51=6E=310 F3，60 XF4，6=F3，62x91=961=4x10=31=2y10=6 E=211F4，60 XF5，6=F4，62x101=441=1x11=21=1y11=6 E=112 F5，60 XF6，6=F5，62x111=121=0 x12=11=0y12=6 E=057 示例示例：加工加工AB，A(4,0),B(0,4)。解：解：总步数步数 N=|xb-xa|+|yb-ya|=4+4=8 F0，-x，Fi+1=Fi-2xi+1,xi+1=xi-1,yi+
39、1=yi F0，+y,Fi+1=Fi+2yi+1,xi+1=xi，yi+1=yi+1序号序号 偏差判偏差判别 进给偏差偏差计算算终点判断点判断00F0=0 x0=4,y0=0 N=811F0=0 -x F1=0-2x4+1=-7 x1=4-1=3,y1=0 722F1=-70 +y F2=-7+2x0+1=-6 x2=3,y2=0+1=1 633F2=-60 +y F3=-6+2x1+1=-3 x3=3,y3=1+1=2 544F3=-30 -x F5=2-2x3+1=-3 x5=3-1=2,y5=3 366F5=-30 -x F7=4-2x2+1=1 x7=2-1=1,y7=4 188F7=
40、10 -x F8=1-2x1+1=0 x8=1-1=0,y8=4 0 xyA(4,0)OB(0,4)58例例4-1 插补直线插补直线OA，A（5，3）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=5,Ye=3n=0,N=81F0,00+XF1,0F0,0Ye-3n=12F1,0-30+YF1,1F1,0Xe2n=1+1=20+XF2,1F1,1Ye-1n=2+1=3N4F2,1-10+YF2,2F2,1Xe4n=3+1=40+XF3,2F2,2Ye1n=4+1=50+XF4,2F3,2Ye-2n=5+1=6N7F4,2-20+YF4,3F4,0Xe
41、3n=6+1=70+XF5,3F4,3Ye0n=7+1=8=N直线直线OA插补轨迹插补轨迹例例.插补直线插补直线OA，A（4,5）序号序号偏差判别偏差判别进给方向进给方向偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F0,00,Xe=4,Ye=5n=0,N=91F0,00+XF1,0F0,0Ye-5n=12F1,0-50+YF1,1F1,0Xe-1n=1+1=2N3F1,1-10+YF1,2F1,1 Xe3n=2+1=30+XF2,2F1,2 Ye-2n=3+1=4N5F2,2-20+YF2,3F2,2 Xe2n=4+1=50+XF3,3F2,3Ye-3n=5+1=6N7F3,3-30+YF3,4F3,3
42、Xe1n=6+1=70+XF4,4F3,4Ye-4n=7+1=8N9F4,4-40+YF4,5F4,4Xe0n=8+1=9=NxOyA（4,5）插补轨迹插补轨迹 例例4-2 插补第一象限逆圆插补第一象限逆圆AB(10,0)(6,8)序号序号偏差判别偏差判别进给进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F10,00N=121F10,00XF9,0 F10,0210+1-19N=12-1=112F9,0-190+YF9,1 F9,0+20+1-18N=12-2=103F9,1-180+YF9,2 F9,1+21+1-15N=12-3=94F9,2-150+YF9,3 F9,2+22+1-10N=12-
43、4=85F9,3-100+YF9,4 F9,3+23+1-3N=12-5=76F9,4-30XF8,5 F9,529+1-11N=12-7=58F8,5-110+YF8,6 F8,5+25+10N=12-8=49F8,60XF7,6 F8,628+1-15N=12-9=310F7,6-150+YF7,7 F7,6+26+1-2N=12-10=211F7,7-20XF6,8 F7,827+10N=12-12=0插补轨迹插补轨迹三、三、数据采样插补数据采样插补基本原理基本原理：是一种是一种时间分割法时间分割法，根据，根据进给速度进给速度，将加工轮，将加工轮廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进
44、给量（一条廓曲线分割为一定时间内（一个插补周期）的进给量（一条微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个微小直线），即用一系列微小直线段逼近轮廓轨迹。在每个插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐插补周期，调用插补程序一次，为下一插补周期计算出各坐标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。标轴应该行进的增长段，并计算插补点的坐标值。实现步骤实现步骤：粗插补粗插补（用若干微小直线段逼近曲线）和（用若干微小直线段逼近曲线）和精插精插补补（脉冲增量插补）。（脉冲增量插补）。解决解决两个问题两个问题：选择插补周期选择插补周期；计算计算一个周期内各坐标轴的一个周期内各坐标轴的进给
45、量进给量。插补周期的选择：插补周期的选择：（1）插补周期与插补运算时间的关系。）插补周期与插补运算时间的关系。（2）插补周期与位置反馈采样周期的关系。）插补周期与位置反馈采样周期的关系。（3）插补周期与精度、速度的关系。）插补周期与精度、速度的关系。u 插插补周期的周期的选择1)插插补周期周期 T 与精度与精度、速度、速度F 的关系的关系直直线插插补时，一个插，一个插补周期内周期内给出的每一步出的每一步长直直线段与段与给定的直定的直线重合，在理重合，在理论上上无无轨迹迹误差差。圆弧插弧插补时，通常用，通常用内接弦内接弦线或或内外均差弦内外均差弦线逼近逼近圆弧，弧，必然会造成必然会造成轨迹迹误差
46、。差。YXL662）插）插补周期周期 T 与插与插补运算运算时间 t 的关系的关系一旦系一旦系统各种各种线形的插形的插补算法算法设计完完毕，那么，那么该系系统插插补运算的最运算的最长时间tmax就确定了。就确定了。显然要求：然要求：tmax T在采用分在采用分时共享的共享的CNC系系统中，中，tmax ABBBCCCAA。电机机反反转的通的通电顺序序为 AACCCBBBAA。1394.功率放大器功率放大器功能：功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。足够的功率来驱动步进电机。（1）单电压功率放大器）单电压功率放大器140（2）高低
47、电压功率放大器）高低电压功率放大器141（3）斩波恒流功率放大器）斩波恒流功率放大器142（一）直流伺服电动机及其速度控制（一）直流伺服电动机及其速度控制1.永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机直流电动机：直流电动机：永磁式永磁式、电磁式电磁式（他励式、并励式、串励式和他励式、并励式、串励式和复励式四种复励式四种）。）。直流直流进给进给伺服系统：伺服系统：使用使用永磁式永磁式直流电动机；直流电动机；直流直流主轴主轴伺服系统：伺服系统：使用使用他磁式他磁式直流电动机。直流电动机。永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也永磁直流伺服电动机的转子惯量大，调速范围宽，所以也叫做叫做大惯量
48、宽调速永磁直流伺服电动机大惯量宽调速永磁直流伺服电动机，广泛应用在广泛应用在进给进给直直流伺服系统中。流伺服系统中。反馈检测元件反馈检测元件有有测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码测速发电机、旋转变压器和光电脉冲编码器，器，这三种检测元件之一均可这三种检测元件之一均可安装在电机的尾部安装在电机的尾部。三、闭环和半闭环伺服系统三、闭环和半闭环伺服系统电动机组成：电动机组成：机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和换向器。机壳、磁极（定子）、电枢（转子）和换向器。定子磁极：定子磁极：是一个是一个永久磁体永久磁体，由此建立磁场。由此建立磁场。高性能直流电机高性能直流电机采用稀土永磁材料。采用稀土永磁材料。
49、磁极形状：磁极形状：为为瓦状瓦状结构，加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；结构，加上极靴或磁轭，以聚集气隙磁通；转子电枢：转子电枢：由有槽由有槽铁芯铁芯和和绕组绕组两部分组成，属于两部分组成，属于转动部分转动部分；换向器：换向器：由由电刷、换向片电刷、换向片等组成，等组成，作用作用是将外加的直流电源引是将外加的直流电源引向电枢绕组，完成向电枢绕组，完成换向换向工作。工作。2直流电动机的机械特性、调速原理和方法直流电动机的机械特性、调速原理和方法永磁式直流伺服电动机的工作原理与一般（励磁式）直流永磁式直流伺服电动机的工作原理与一般（励磁式）直流电动机电动机基本相同基本相同，其，其机械特性为：机械特性
50、为：式中：式中：n电动机转速（电动机转速（rmin）；）；U电动机电枢回路外加电压电动机电枢回路外加电压(V)；Rd电枢回路电阻（电枢回路电阻（）；）；Ce反电动势系数；反电动势系数；CT转矩系数转矩系数；气隙磁通量（气隙磁通量（Wb）；）；T电磁转矩电磁转矩。从式中可以看出，直流电动机的调速方法有从式中可以看出，直流电动机的调速方法有三种：三种：改变电枢电压。改变电枢电压。此方法可得到调速范围较宽的此方法可得到调速范围较宽的恒转矩特性恒转矩特性，适于进给驱动及主轴驱动的低速段。适于进给驱动及主轴驱动的低速段。变气隙磁通量变气隙磁通量。此方法可得到此方法可得到恒功率特性恒功率特性，适于主轴电机