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1、第第7章计算机数控系统章计算机数控系统7.1概概 述述 数控系统数控系统(Numerical Control System简简称为称为NC系统系统)即数字控制系统，它自动阅读输即数字控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定了的数字量，并自动将其译入载体上事先给定了的数字量，并自动将其译码，输出符合指令的脉冲，从而使机床运动并码，输出符合指令的脉冲，从而使机床运动并加工出合乎要求的高质量零件。加工出合乎要求的高质量零件。7.1.1数控系统的分类数控系统的分类1.按照数控系统的按照数控系统的硬件、软件硬件、软件特点分类特点分类 硬件数控系统硬件数控系统(简称为简称为NC系统系统)硬件数控系统是早期的
2、数控系统，它的输硬件数控系统是早期的数控系统，它的输入、运算、插件、控制功能均由电子管、晶入、运算、插件、控制功能均由电子管、晶体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路来体管、中小规模集成电路组成的逻辑电路来实现。一般说来，不同的数控机床都需要设实现。一般说来，不同的数控机床都需要设计专门的逻辑电路。这种硬件线路联接的专计专门的逻辑电路。这种硬件线路联接的专用计算机控制系统结构体积庞大、应用性差、用计算机控制系统结构体积庞大、应用性差、可靠性差、功能和灵活性差。可靠性差、功能和灵活性差。计算机数控系统计算机数控系统(Computer Numerical Control System简称为简称为CN
3、C系统系统)随着计算机技术的发展，数控系统中的随着计算机技术的发展，数控系统中的专用计算机被微型计算机所取代，形成了专用计算机被微型计算机所取代，形成了CNC系统，实现了真正的机电一体化。系统，实现了真正的机电一体化。现代的数控系统都是现代的数控系统都是CNC系统，它靠执系统，它靠执行存储程序来实现各种机床的控制要求，因此行存储程序来实现各种机床的控制要求，因此CNC系统又称为系统又称为存储程序数控系统或软件数存储程序数控系统或软件数控系统。控系统。2.按控制对象的工作特点分类按控制对象的工作特点分类 点位控制系统点位控制系统 直线控制系统直线控制系统 轮廓控制系统轮廓控制系统(又称为连续控制
4、系统又称为连续控制系统)7.1.2数控系统的组成数控系统的组成数控系统是由程序、输入输出设备、计数控系统是由程序、输入输出设备、计算机数控装置算机数控装置(CNC装置装置)、可编程序控制、可编程序控制器器(Programmable Logic Controller，简，简称为称为PLC)、主轴驱动装置和进给伺服驱、主轴驱动装置和进给伺服驱动系统等六大部分组成的一个整个系统，动系统等六大部分组成的一个整个系统，又称为又称为CNC系统。系统。数控系统的核心数控系统的核心是计算机数控装置是计算机数控装置(CNC装置装置)，目前也简略地称为，目前也简略地称为CNC系系统统。从外部特征来看从外部特征来看
5、CNC系统是由硬件系统是由硬件(通通用硬件和专用硬件用硬件和专用硬件)和软件和软件(专用专用)两大两大部分组成的。部分组成的。7.1.3 CNC系统的功能系统的功能CNC系统的功能包括：系统的功能包括：基本功能和选择基本功能和选择功能。功能。基本功能是基本功能是CNC系统的必备功能；系统的必备功能；选择功能可由供用户根据不同机床的工选择功能可由供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择。作特点和用途进行选择。主要功能如下：主要功能如下：1.CNC系统的基本功能系统的基本功能 控制功能控制功能 指指CNC能够控制和能够联动控制的进给能够控制和能够联动控制的进给轴数目。轴数目。控制轴有：移动轴和回
6、转轴；基本轴和控制轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。附加轴。控制轴特别是联动控制轴数越多，控制轴特别是联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。系统就越复杂，编程也越困难。准备功能准备功能即即G功能功能，用来指令机床的动作方式，用来指令机床的动作方式，包括机床基本移动、程序暂停、平面包括机床基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等指令。返回、固定循环、公英制转换等指令。插补功能插补功能所谓插补功能指所谓插补功能指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。的功能。即以最小的逼近
7、误差，沿着指定线段的起点即以最小的逼近误差，沿着指定线段的起点和终点在其之间进行数据点的密化工作。和终点在其之间进行数据点的密化工作。一般一般CNC系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为系统仅具有直线和园弧插补功能，而较为高档的高档的CNC系统备有抛物线插补、极坐标插补、正系统备有抛物线插补、极坐标插补、正弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。弦线插补、螺旋线及样条曲线插补等功能。插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。插补运算方法常采用逐点比较法，数字积分法等。进给功能进给功能 即即F功能功能，用来指令各轴的进给速度，主要有以，用来指令各轴的进给速度，主要有以下三种：下三种：切削进给速度切
8、削进给速度 每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为每分钟刀具相对于工件的进给量，单位为mm/min；同步进给速度同步进给速度 实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转实现切削速度与进给速度的同步，即主轴每转的进给量，单位为的进给量，单位为mm/r，主要用于加工螺纹；，主要用于加工螺纹；进给倍率进给倍率 用于人工实时修调进给速度。即通过操用于人工实时修调进给速度。即通过操作面板上的进给倍率波段开关以每档作面板上的进给倍率波段开关以每档10%的间隔在的间隔在0200%之间对预先设定的进给之间对预先设定的进给速度实现实时修调。速度实现实时修调。主轴功能主轴功能 即即S功能功能，用于指定主轴的转速，单位
9、是，用于指定主轴的转速，单位是r/min。辅助功能辅助功能 即即M功能，功能，用于指令机床辅助操作的功能，如用于指令机床辅助操作的功能，如主轴的启停、正反转、冷却液泵的通、断，刀库主轴的启停、正反转、冷却液泵的通、断，刀库的起、停等。的起、停等。刀具功能及工作台分度功能刀具功能及工作台分度功能 刀具功能即刀具功能即T功能功能，用来选择刀具；，用来选择刀具；工作台分度功能即工作台分度功能即B功能功能，用于分度工作台的，用于分度工作台的分度。分度。人机对话功能人机对话功能 CNC系统可配置系统可配置9in单色或单色或14in彩色彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显，通过软件和接口实现字符和图
10、形显示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐示。可显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户零件图形、动态刀具轨迹等，以方便用户的操作和使用。的操作和使用。(9)自诊断功能自诊断功能 CNC系统中设置有故障诊断程序，以防系统中设置有故障诊断程序，以防止故障的发生和扩大，在故障出现后，可止故障的发生和扩大，在故障出现后，可以迅速查明故障的类型和部位，便于及时以迅速查明故障的类型和部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。有的排除故障，减少故障停机时间。有的CNC系统还可以进行远程通信诊断。系统还可以进行远
11、程通信诊断。2.选择功能选择功能 补偿功能补偿功能 包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误包括刀具长度和半径补偿功能，传动链误差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损差补偿功能，主要用于补偿因刀具的磨损或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引或更换，传动丝杠螺距误差和反向间隙引起的误差。起的误差。固定循环功能固定循环功能 在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻在数控加工过程中，有些加工工序如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先循环十分典型，而且是多次重复进行，因此预先将这些典型的循环动作编好程序，存储在存
12、储器将这些典型的循环动作编好程序，存储在存储器中，用中，用G代码进行定义形成固定循环功能，在加代码进行定义形成固定循环功能，在加工时可直接使用这类工时可直接使用这类G代码，完成这些典型的动代码，完成这些典型的动作循环，大大简化编程工作。作循环，大大简化编程工作。通讯功能通讯功能 它是它是CNC系统与外界进行信息和数据交换的系统与外界进行信息和数据交换的功能。功能。通常通常CNC系统都配有系统都配有RS232C接口，设有缓冲接口，设有缓冲存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的存储器，可与上级计算机进行通信，传送零件的加工程序，有的还备有加工程序，有的还备有DNC接口，以利实现直接接口，以利实
13、现直接数控，更高档的系统还可以与数控，更高档的系统还可以与MAP（制造自动（制造自动化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现化协议）相连，接入工厂的通信网络，实现FMS、CIMS等大制造系统集成的要求。等大制造系统集成的要求。自动在线编程功能自动在线编程功能 有些有些CNC系统可按零件蓝图直接自动编程，系统可按零件蓝图直接自动编程，操作或编程人员只需送入图样上简单几何数操作或编程人员只需送入图样上简单几何数据等命令，就能自动生成加工程序。据等命令，就能自动生成加工程序。有的有的CNC系统可进行在线人机对话式编程，系统可进行在线人机对话式编程，并具有自动工序选择、自动刀具和切削条件并具有自动工序选
14、择、自动刀具和切削条件选择等智能功能。选择等智能功能。7.1.4 CNC系统的工作过程系统的工作过程（1）程序输入；程序输入；（2）译码；译码；（3）刀具补偿；刀具补偿；（4）进给速度处理；进给速度处理；（5）插补运算处理；插补运算处理；（6）I/O处理处理 主要处理主要处理CNC系统与机床之间的强电信号的系统与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；输入、输出和控制（如换刀、换档、冷却等）；（7）位置处理；位置处理；（8）显示；显示；（9）自诊断处理。自诊断处理。CNC系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。系统的工作过程是依靠软件在硬件的支持下进行的。7.1.5
15、 CNC系统的优点系统的优点 CNC系统具有：系统具有：很高的柔性和通用性；很高的柔性和通用性；数控功能丰富；数控功能丰富；可靠性高；可靠性高；使用维护方便；使用维护方便；易于实现机电一体化。易于实现机电一体化。7.2CNC系统的硬件结构系统的硬件结构 CNC系统的基本硬件结构通常由微机基系统的基本硬件结构通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能功能(MST)控制接口等部分组成，如图控制接口等部分组成，如图7-1所所示。示。图图7-1CNC系统系统总体结构示意图总体结构示意图
16、 7.2.1 微机基本系统微机基本系统微机基本系统的主要组成包括：微机基本系统的主要组成包括：CPU、存储器、定时器、存储器、定时器、中断控制和系统总线等。中断控制和系统总线等。1.CPUCPU是整个数控系统的核心，是整个数控系统的核心，它集中控制和管理整个系统它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。CPU特点：特点：是投资小，结构简单，易于实现。常见的中、是投资小，结构简单，易于实现。常见的中、低档数控系统基本上采用低档数控系统基本上采用8位或位或16位位CPU，随着，随着CPU技术技术的发展，现代数控系统大多采用的发展
17、，现代数控系统大多采用16位或位或32位位CPU，并向，并向64位位CPU发展，发展，按按CNC系统中系统中CPU的多少可分为单机系统的多少可分为单机系统(只有一个只有一个CPU)和多机系统和多机系统(CNC中有中有2个或个或2个以上个以上CPU)。2.存储器存储器 存储器是存放系统程序、零件加工程序和存储器是存放系统程序、零件加工程序和中间运算结果的重要部件。它包括只读存中间运算结果的重要部件。它包括只读存储器和随机存储器。储器和随机存储器。只读存储器只读存储器EPROM 用于固化系统控制软件，通过专用的写入用于固化系统控制软件，通过专用的写入器写入程序，器写入程序，断电后程序不丢失断电后程
18、序不丢失。程序。程序只只能被能被CPU读出，不能随机写入读出，不能随机写入，必要时可，必要时可经过紫外线抹除后再写。经过紫外线抹除后再写。随机存储器随机存储器RAM RAM中存放可读写的信息，运算的中间中存放可读写的信息，运算的中间结果存放在结果存放在RAM中，中，它能随机读写，断电它能随机读写，断电后信息消失。后信息消失。零件加工程序、数据和参数存放在有后零件加工程序、数据和参数存放在有后备电池的备电池的CMOSRAM或磁泡存储器中，它或磁泡存储器中，它能随机读出，并可根据加工零件写入或修能随机读出，并可根据加工零件写入或修改，断电后信息仍能保留。改，断电后信息仍能保留。3.定时器和中断器定
19、时器和中断器 定时器和中断器用于计算机系统的定时控定时器和中断器用于计算机系统的定时控制与多级中断管理。制与多级中断管理。4.系统总线（系统总线（BUS）系统总线由传送数字信息的物理导线组成，它是系统总线由传送数字信息的物理导线组成，它是CNC系统内部进行数据或信息交换的通道，包括以系统内部进行数据或信息交换的通道，包括以下三组：下三组：数据总线数据总线它是各模块间数据交换的通道，线它是各模块间数据交换的通道，线的根数与数据宽度相等，它采用双向总线。的根数与数据宽度相等，它采用双向总线。地址总线地址总线它是传送数据存放地址的总线，与它是传送数据存放地址的总线，与数据总线结合，以确定数据总线上传
20、输的数据来源地数据总线结合，以确定数据总线上传输的数据来源地或目的地，它采用单向总线。或目的地，它采用单向总线。控制总线控制总线它是一组传送管理或控制信号的总它是一组传送管理或控制信号的总线，如数据的读、写控制，中断、复位以及各种信号线，如数据的读、写控制，中断、复位以及各种信号确认等，它采用单向总线。确认等，它采用单向总线。7.2.2 接口接口1.人机界面接口人机界面接口CNC系统的人机界面包括键盘、显示器、操作面板和手摇脉冲发系统的人机界面包括键盘、显示器、操作面板和手摇脉冲发生器。生器。键盘键盘 在在CNC系统中也称为系统中也称为MDI(Manual Data Input)面板或数面板或
21、数控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于人工编控面板，它由英文字母键、功能键、数字键等组成，用于人工编制加工程序以及参数的输入、修改等。制加工程序以及参数的输入、修改等。显示器显示器(CRT)用于显示程序、数据以及加工信息等。用于显示程序、数据以及加工信息等。操作面板操作面板 主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对运动的操作或干涉。对运动的操作或干涉。手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器(MPG)用于手动控制机床坐标轴的运动。用于手动控制机床坐标轴的运动。2.通信接口通信接口如如RS232、RS485、DNC、MAP接口等，接口等，用于用
22、于CNC与外设、上级计算机以及网络连与外设、上级计算机以及网络连接接,实现数据信息交换。实现数据信息交换。3.进给轴位置控制接口进给轴位置控制接口 进给轴的位置控制进给轴的位置控制包括：进给速度控制、插补运算包括：进给速度控制、插补运算和位置闭环控制。和位置闭环控制。进给轴位置控制接口进给轴位置控制接口包括：模拟量输出接口和位置包括：模拟量输出接口和位置反馈计数器接口。反馈计数器接口。模拟量输出接口模拟量输出接口采用数模转换器采用数模转换器DAC，输出模拟，输出模拟电压的范围为电压的范围为-10+10V，用以控制速度伺服单元。，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定电动机的转动方向
23、和模拟电压的正负和大小分别决定电动机的转动方向和转速。转速。位置反馈计数接口位置反馈计数接口能检测并记录位置反馈元件所发能检测并记录位置反馈元件所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。回的信号，从而得到进给轴的实际位置。4.主轴控制接口主轴控制接口 主轴主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。无级变速三大类。当数控机床配有主轴无级变速驱动装置时，可当数控机床配有主轴无级变速驱动装置时，可利用主轴控制接口中的模拟量输出接口，输出模利用主轴控制接口中的模拟量输出接口，输出模拟量进行无级变速。拟量进行无级变速。主轴位置反馈计数器接口主要用于螺纹切削功
24、主轴位置反馈计数器接口主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。5.辅助控制接口辅助控制接口数控系统的辅助功能即数控系统的辅助功能即MST功能，它对强电功能，它对强电箱的控制联系是通过开关量输入箱的控制联系是通过开关量输入/输出接口完输出接口完成的成的(除除S模拟量输出接口外模拟量输出接口外)，MST功能的开功能的开关量控制逻辑关系复杂，一般采用可编程控关量控制逻辑关系复杂，一般采用可编程控制器制器(PLC)来实现来实现MST功能。功能。7.3CNC系统的软件结构与插补算法系统的软件结构与插补算法CNC系统由硬件和软件组成，硬件为软件运系统由硬件
25、和软件组成，硬件为软件运行提供支持环境，软件是行提供支持环境，软件是CNC系统的核心。系统的核心。6.3.1 CNC系统软件结构系统软件结构1.CNC系统软件的构成系统软件的构成 CNC系统软件包括管理软件和控制软件系统软件包括管理软件和控制软件，如，如图图7-2所示所示:图图7-2CNC系统的软件构成系统的软件构成 2.CNC系统软件的结构模式系统软件的结构模式 所谓结构模式是指系统软件的组织管理方所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。
26、结构模式要解决的问题是如何组织和协结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足合要求和逻辑关系，以满足CNC系统的各种系统的各种控制要求。控制要求。目前目前CNC系统软件的结构模式有以下几种：系统软件的结构模式有以下几种：前后台型结构模式前后台型结构模式 这种模式将系统软件划分为前台程序和后台这种模式将系统软件划分为前台程序和后台程序程序.前台程序前台程序主要完成插补运算、位置控制、故主要完成插补运算、位置控制、故障诊断、障诊断、PLC控制等实时性很强的任务，它是控制等实时性很强的任务，它是个实时中断服务
27、程序，以一定周期定时发生，个实时中断服务程序，以一定周期定时发生，中断周期一般小于中断周期一般小于10ms。后台程序后台程序也称背景程序，用来完成显示、也称背景程序，用来完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入输零件加工程序的编辑管理、系统的输入输出、插补预处理出、插补预处理(译码、刀补处理、速度预译码、刀补处理、速度预处理处理)等弱实时性任务，它是一个循环运行等弱实时性任务，它是一个循环运行的程序，在其运行过程中，不断地定时被的程序，在其运行过程中，不断地定时被前台中断程序所打断。前台中断程序所打断。前后台程序的运行关系见图前后台程序的运行关系见图7-3所示所示:图图7-3前后台程序运行
28、关系图前后台程序运行关系图 前后台型结构模式的特点前后台型结构模式的特点:这种结构的任务调度机制在前后台程序之这种结构的任务调度机制在前后台程序之间，间，前台程序是优先抢占式的前台程序是优先抢占式的。在前、后台程序内部，各子任务则采用顺在前、后台程序内部，各子任务则采用顺序调度，无抢占机制序调度，无抢占机制，因而该结构实时性，因而该结构实时性差，早期的差，早期的CNC系统大都采用这种结构。系统大都采用这种结构。中断型结构模式中断型结构模式 这种结构除初始化程序外，整个系统的各这种结构除初始化程序外，整个系统的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，由
29、中断管理系统对各级中断服务程序中，由中断管理系统对各级中断服务程序实施调度管理，如图务程序实施调度管理，如图7-4所示。所示。图图7-4 中断型软件系统结构图中断型软件系统结构图 中断型结构模式的特点中断型结构模式的特点:该结构中任务的调度机制均采用优先抢该结构中任务的调度机制均采用优先抢占调度，因此系统的实时性好，但中断级占调度，因此系统的实时性好，但中断级别较多别较多(最多可达最多可达8级级)，模块关系复杂，耦，模块关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。合度大，不利于对系统的维护和扩充。20世纪世纪 80至至90年代初的年代初的CNC系统大多采用这系统大多采用这种结构。种结构。基于
30、实时操作系统的结构模式基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统实时操作系统(PTOS)是操作系统的一个重要分是操作系统的一个重要分支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任支，它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制务管理、多种实时任务调度机制(如优先级抢占调如优先级抢占调度、时间片轮转调度等度、时间片轮转调度等)、任务间的通信机制等功、任务间的通信机制等功能。能。它的优点是弱化了功能模块间的耦合关系、系它的优点是弱化了功能模块间的耦合关系、系统的开放性和可维护性好，能大大减少系统开发的统的开放性和可维护性好，能大大减少系统开发的工作量。工作量。目前，采用实时操作
31、系统模式开发的方法有目前，采用实时操作系统模式开发的方法有两种：两种：在商品化的实时操作系统下开发在商品化的实时操作系统下开发CNC系统系统软件。软件。将通用的将通用的PC机操作系统机操作系统(DOS、WINDOWS)扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上扩充扩展成实时操作系统，然后在此基础上开发开发CNC系统软件。系统软件。后一种方法是国内厂家目前常采用的方法。后一种方法是国内厂家目前常采用的方法。7.3.2 CNC系统的插补算法系统的插补算法 众所周知，零件的轮廓形状是由各众所周知，零件的轮廓形状是由各种线形种线形(如直线、园弧、抛物线、螺旋如直线、园弧、抛物线、螺旋线、自由曲线等线、自由
32、曲线等)构成的，其中最主要构成的，其中最主要的是直线和园弧。的是直线和园弧。而在零件的加工程序中，一般仅提供描而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，仅述该线形所必须的相关参数，如对直线，仅提供其起点和终点坐标；对于园弧，仅提供提供其起点和终点坐标；对于园弧，仅提供起点、终点坐标、园心相对于起点的位置以起点、终点坐标、园心相对于起点的位置以及顺园弧或逆园弧，因此为了实现轨迹控制及顺园弧或逆园弧，因此为了实现轨迹控制就必须就必须在运动过程中实时地计算出满足线形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，即进行插和进给要求的若干中间点的位置，即进行插
33、补运算。补运算。目前常用的插补方法有脉冲增量插补和数目前常用的插补方法有脉冲增量插补和数字增量插补。字增量插补。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(包括直线包括直线)。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
34、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。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，
35、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 假设加工如图假设加工如图7-5所示的第一象限的直线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7-5 第一象限直线插补第一象限直线插
36、补 图图7-6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
37、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，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)控控制。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图分别见图7-7、图、图7-8所示。所示。图图7-7四象限步进方向四象限步进方向 图图7-8四象限直线插补流程图四象限直线插补流程图 园弧插补园弧插补设要加工图设要加工图7-9所所示第一象限逆时示第一象限逆时针走向的园弧，针走向的园弧，园心坐标为坐标园心坐标为坐标原点，起点为原点，起点为 A(Xo，Yo)，终点，终点为为 E(Xe,Ye)。图图7-9 第一象限逆园
38、弧插补第一象限逆园弧插补 图图7-10 第一第一象限逆园弧插象限逆园弧插补流程补流程 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，如图况，如图7-11所所示示为园弧插补四为园弧插补四个象限的动点走个象限的动点走向向。图图7-11 园弧插补四个象限的动点走向园弧插补四个象限的动点走向 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
39、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。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7-13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：式中式中K为比例常数。为比例常数。图图7-13 直线直线OE的的DDA插补插补 动点从原
40、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：取取 ti=1(一个单位时间间隔一个单位时间间隔)，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：由此可得：由
41、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：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
42、：，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XeJy(y)-寄存寄存Y坐标坐标的终点值的终点值YeJRx-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)直线插补器如图直线插补器如图7-14所示，它具有所示，它具有四条位移寄存器：四条位移寄存器：图图7-14 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
43、 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设加工如图7-15所示的逆园弧，所示的逆园弧，园心为坐标原点，起点为园心为坐标原点
44、，起点为A(Xo,Yo)，终点为，终点为E(Xe,Ye)，半径为半径为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：其中：其中：K为比例常数。为比例常数。图图7-15 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：（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）取取 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）显然，园弧插补是对动点坐标的累加，显然，园弧插补是对动
45、点坐标的累加，园弧插补器框图如图园弧插补器框图如图7-16所示。所示。插补过程如下：运算开始Jx(x)、Jy(y)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。图图7-16 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
46、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。2.数字增量插补数字增量插补数字增量插补也称数据采样插补或时间分割法插补数字增量插补也称数据采样插补或时间分割法插补(时间标量插补时间标量插补)。插补程序以一定的时
47、间间隔插补程序以一定的时间间隔(插补周期插补周期)运行，在每运行，在每个周期内，根据进给速度计算出各坐标轴在下一插个周期内，根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量补周期内的位移增量(数字量数字量)，这种增量不是单个，这种增量不是单个脉冲，而是相应的动点命令位置坐标。脉冲，而是相应的动点命令位置坐标。其基本思想是用首尾相连的微小直线段其基本思想是用首尾相连的微小直线段(内接弦线，内接弦线，内外均差弦线、切线内外均差弦线、切线)来逼近给定的曲线来逼近给定的曲线(包括直线包括直线)。为了提高精度，数字增量插补分两步进行。为了提高精度，数字增量插补分两步进行。将曲线分割成微小直线段的过程
48、称为粗插补；将曲线分割成微小直线段的过程称为粗插补；对每个微小直线段进行密化的过程称为精插对每个微小直线段进行密化的过程称为精插补。补。这种插补运算速度对进给速度影响小，因而这种插补运算速度对进给速度影响小，因而可实现较高的进给速度，但计算比较复杂，对可实现较高的进给速度，但计算比较复杂，对计算机的运算速度有一定的要求，现代的计算机的运算速度有一定的要求，现代的CNC系统，大多采用这类插补方法。系统，大多采用这类插补方法。插补周期插补周期T与位置控制周期与位置控制周期TC插补周期插补周期T是是CNC系统调用插补程序的时间系统调用插补程序的时间间隔；间隔；位置控制周期位置控制周期TC是位置反馈装
49、置的采样时是位置反馈装置的采样时间间隔，也称为采样周期。间间隔，也称为采样周期。T与与TC是采用数字增量插补的是采用数字增量插补的CNC系统中两系统中两个重要的时间参数，一旦系统给定，则这个重要的时间参数，一旦系统给定，则这两个参数也就确定了。两个参数也就确定了。直线插补时，这类插补法用微直线插补时，这类插补法用微小直线段来逼近直线，不会产小直线段来逼近直线，不会产生误差。生误差。但对曲线插补时，如图但对曲线插补时，如图7-17所所示，用弦来逼近园弧，则最大示，用弦来逼近园弧，则最大半径误差为：半径误差为：插补周期插补周期T与进给速度与进给速度V、加工精度之间的关系、加工精度之间的关系图图7-
50、17 用弦逼近园弧用弦逼近园弧 因因代入上式代入上式则：则：由此可知，插补周期由此可知，插补周期T与进给速度与进给速度V、园弧半径、园弧半径R、逼近、逼近误差误差 有关。有关。当当V、R一定时，一定时，T越小，越小，也越小；也越小；当当、R一定时，一定时，T越小，则允许进给速度越小，则允许进给速度V就越大。就越大。实际上，插补周期实际上，插补周期T受插补运算时间、位置控制周期限受插补运算时间、位置控制周期限制，它是固定的，因此为了减小误差，常对进给速度进制，它是固定的，因此为了减小误差，常对进给速度进行限制，以满足精度要求。行限制，以满足精度要求。插补周期插补周期T与插补运算时间、位置控制周期