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1、第二章数控机床的插补原理第一页，本课件共有42页补，一边加工。而在本次处理周期内，插补程序的作用是计算下一个处理周期的位置增量。位置控制可以由软件也可以由硬件来实现。它的主要任务是在每个采样周期内，将插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，进而控制机床工作台（或刀具）的位移。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削加工。当一个程序段开始插补加工时，管理程序即着手准备下一个程序段的读入、译码、数据处理。即由它调动各个功能子程序，并保证在下一个程序段的数据准备，一旦本程序段加工完毕即开始下一个程序段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。插补运算的基本
2、原理 我们在工程数学中知道，微积分对研究变量问题的基本分析方法是：“无限分割，以直代曲，以不变代变，得微元再无限积累，对近似值取极限，求得精确值”，但在一些实际工程应用中，往往根据精确度要求，把这个无限用适当的有限来代替，对于机床运动轨迹控制的插补运算也正是按这一基本原理来解决的。概括起来，可描述为：“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹”。需要说明的是这个脉冲当量与其坐标显示分辩率往往是一致的，它与加工精度有关，它表示插补器每发出一个脉冲，使执行电机驱动丝杆所走的行程，单位通常为0.010.001mm脉冲。也就是说对各种斜线、圆弧、曲线均由以脉冲
3、当量为单位的微小直线线段来拟合，如图2-1所示。其插补运算精度（一般插补误差不会超过一个脉冲当量）也是影响数控加工精度的一项主要因素。二、插补方法的种类与特点二、插补方法的种类与特点 插补器的形式很多，按实现的方法来说，它均可用硬件逻辑电路或执行软件程序来完成。因而可分为硬件插补器和软件插补器，软件插补器利用CNC系统的微处理器执行相应的插补程序来实现，结构简单、灵活易变、可靠性好，目前微处理机的位数和频率的提高，第二页，本课件共有42页YOX87643521109A（6，4）125432110987611YOXA（6，0）B（0，6）图2-1用微小直线段来拟合曲线第三页，本课件共有42页大部
4、分CNC系统采用了软件插补方式。但由于硬件方式插补速度快，对要求高的CNC系统目前采用粗、精二级插补的方法来实现，以满足其实时性要求，软件每次插补一个小线段称为粗插补，根据粗插补结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。其中精插补往往采用了硬件插补器，如日本FANUC公司就采用DDA硬件插补专用集成芯片。从实现的功能来分，它有直线插补、二次（圆、抛物线等）曲线插补，及高次曲线插补等。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，又有许多插补方法。它可被分为两大类。(1)基准脉冲插补 它又称为行程标量插补或脉冲增量插补。这种插补算法的特点是每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲
5、代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示移动量。基准脉冲插补的实现方法比较简单（只有加法和位移），容易用硬件实现。也可以用软件完成这类算法。但它仅适用于一些中等精度和中等速度要求的计算机数控系统。基准脉冲插补方法又有下列几种：逐点比较法；数字积分法；数字脉冲乘法器插补法；矢量判别法；比较积分法；最小偏差法；目标点跟踪法；单步追踪法；直接函数法。(2)数据采样插补 它又称为时间标量插补或数字增量插补。这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字。插补运算分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近
6、给定曲线，每一微小直线段的长度L都相等，且与给定进给速度有关。粗插补在每个插补运第四页，本课件共有42页算周期中计算一次，因此，每一微小直线段的长度L与进给速度F和插补周期T有关，即L=FT。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。数据采样插补方法适用于闭环位置采样控制系统。粗插补在每个插补周期内计算出坐标实际位置增量值，而精插补则在每个采样周期内采样闭环位置增量值及插补输出的指令位置增量值。然后算出各坐标轴相应的插补指令位置和实际反馈位置，并将二者相比较，求得跟随误差。根据所求得的跟随误差算出相应轴的进给速度，并输出
7、给驱动装置。我们一般将粗插补运算用软件来实现。而精插补可以用软件，也可以用硬件来实现。数据采样插补方法很多，下面几种插补方法是常用的。直线函数法；扩展数字积分法；二阶递归扩展数字积分插补法；双数字积分插补法；角度逼近圆弧插补法。随着技术的发展，插补的方法也多种多样，限于篇幅，下面仅对两种最常用的插补方法作一具体介绍。第五页，本课件共有42页 第二节第二节 逐点比较插补法逐点比较插补法 逐点比较插补法也称醉步逼近法，即走一步看一看，边找边走，宛如醉人的脚步，具体说来是每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，视该点在给定轨迹的上方或下方，或在给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向，使
8、之趋近加工轨迹。如此，走一步，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定的轨迹。逐点比较法是以折线来逼近直线、圆弧或各类曲线，它与规定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量。因此，只要将脉冲当量（每走一步的距离）取得足够小，就可达到加工精度的要求。一、直线插补计算原理一、直线插补计算原理 (1)偏差计算公式 假定加工如图2-2所示第一象限的直线OA。取直线起点为坐标原点，直线终点坐标（Xe，Ye）是已知的。M(Xm，Ym)为加工点（动点），若m在OA直线上，则根据相似三角形的关系可得 取(2-1)作为直线插补的判别式。若 Fm0，表明m点在OA直线上；若 Fm0，表明m点在OA直线上方的m处
9、；若 Fm0，表明m点在OA直线下方m处。第六页，本课件共有42页图2-2第一象限直线YmYmOA（Xe，Ye）m XmX m（Xm，Ym）第七页，本课件共有42页对于第一象限直线从起点（即坐标原点）出发，当Fm0时，沿X轴方向走一步，当Fm0时，沿Y方向走一步，当两方向所走的步数与终点坐标(Xe，Ye)相等时，发出到达终点信号，停止插补。设在某加工点处，若Fm0时，应沿X方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm+1=Xm1，Ym+1=Ym新的偏差为 Fm+1=Ym+1XeXm+1Ye=FmYe （2-2）若Fm0，应向Y方向进给一步，走一步后新的坐标值为 Xm+1=Xm，Ym+1=Ym1 新
10、的偏差为 Fm+1=FmXe （2-3）式（2-2）、（2-3）为简化后的偏差计算公式，在公式中只有加、减运算，只要将前一点的偏差值与等于常数的终点坐标值Xe、Ye相加或相减，即可得到新的坐标点的偏差值。加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0=0，这样，随着加工点前进，新加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标值相加或相减得到。(2)终点判别法 逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介绍两种：第一种方法：设置X、Y两个减法计数器，加工开始前，在X、Y计数器中分别存入终点坐标值Xe、Ye，在X坐标（或Y坐标）进给一步时，就在X计数器（或Y计数器）中减去1，直到这两个计数器中的
11、数都减到零时，便到达终点；第二种方法：用一个终点计数器，寄存X和Y两个坐标，从起点到达终点的总步数；X、Y坐标每进给一步，减去1，直到为零时，就到了终点。第八页，本课件共有42页(3)插补运算过程 插补计算时，每走一步，都要进行以下四个步骤（又称四个节拍）的算术运算或逻辑判断，其工作循环如图2-3所示。方向判定：根据偏差值判定进给方向；坐标进给：根据判定的方向，向该坐标方向发一进给脉冲；偏差计算：每走一步到达新的坐标点，按偏差公式计算新的偏差；终点判别：判别是否到达终点，若到达终点就结束该插补运算；如未到达再重复上述的循环步骤。插补开始YN插补结束方 向 判 定坐 标 进 给偏 差 计 算终点
12、到？图2-3逐点比较法工作循环图第九页，本课件共有42页进给方向判定偏差计算公式线 型Fm0时Fm 0时L1+X+Y Fm0时：Fm+1=FmYe Fm0时：Fm+1=Fm+XeL2X+YL3XYL4+XY 表表2-1 四象限直线插补进给方向判定和偏差计算公式四象限直线插补进给方向判定和偏差计算公式XYOL4L2L1L3Fm0，+YFm0，+XFm0，+XFm0，YFm0，+YFm0，XFm0，XFm0，Y (4)不同象限的直线插补计算 上面讨论的为第一象限的直线插补计算方法，其他三个象限的直线插补计算法，可以用相同的原理获得，表2-1列出了在四个象限中直线插补时，其偏差计算公式和进给脉冲方向
13、。计算时，公式中Xe，Ye均用绝对值。第十页，本课件共有42页二、圆弧插补计算原理二、圆弧插补计算原理(1)偏差计算公式 下面以第一象限逆圆弧为例讨论偏差计算公式。如图2-4所示，设需要加工圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，已知圆弧起点为A(Xo，Yo)，终点为B(Xe，Ye)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为m(Xm，Ym)，它与圆心的距离为Rm。比较Rm和R来反映加工偏差。因此，可得圆弧偏差判别式如下：RRmB（Xe，Ye）m（Xm，Ym）A（X0，Y0）YOX图2-4第一象限逆圆弧第十一页，本课件共有42页若Fm0，表明加工点m在圆弧上；Fm0，表明加工点m在圆弧外；Fm0，表明加工点m在圆弧
14、内。设加工点正处于m(Xm，Ym)点，其判别式为。若Fm0，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿X方向进给一步，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm1，Ym+1=Ym，新加工点的偏差为：(2-4)若Fm0，为了逼近圆弧应沿Y方向进给一步，到m+1点其坐标值为Xm+1Xm，Ym+1Ym+1，新加工点的偏差为：(25)由式（2-4）和式（2-5）可知，只要知道前一点的偏差，就可以求出新一点的偏差。因为加工是从圆弧的起点开始，起点的偏差F0=0，所以新加工的偏差总可以根据前一点的数据计算出来。(2)终点判别法 圆弧插补的终点判别方法和直线插补相同。可将从起点到终点X、Y轴走步步数的总和存入一个计数
15、器，每走一步，从中减去1，当=0时发出终点到达信号。也可以选择一个坐标的走步数作为终点判断，注意此时应选择终点坐标值小的那一个坐标。(3)插补计算过程 圆弧插补过程和直线插补计算过程相同，但是偏差计算公式不同，而且在偏差计算的同时还要进行动点瞬间坐标值计算，以便为下一点的偏差计算作好准备。(4)四个象限圆弧插补计算公式 圆弧所在象限不同，顺逆不同，则插补计算公式和进 第十二页，本课件共有42页给方向也不同。归纳起来共有8种情况，这8种情况的进给脉冲方向和偏差计算公式见表2-2，表中Xm，Ym，Xm+1，Ym+1都是动点坐标的绝对值。三、逐点比较法的改进逐点比较法的改进 从以上介绍可以看出，逐点
16、比较法每插补一次，要么在X轴方向走一步，要么在Y轴方向走一步，走步方向为+X、-X、+Y、-Y这四个方向之一。因此可称之为四方向逐点比较法。四方向逐点比较法插补结果以垂直的折线逼近给定轨迹，插补误差小于或等于一个脉冲当量。八方向逐点比较法与四方向逐点比较相比，它不仅以+X、-Y、+Y、-Y作为走步方向，而且两个坐标可以同时进给，即四个合成方向+X+Y、-X+Y、-X-Y、+X-Y也作为进给方向。八方向逐点比较法以45o折线逼近给定轨迹，逼近误差小于半个脉冲当量，加工出来的工件质量要比四方向逐点比较法的高。以四方向逐点比较法为基础，可以导出八方向逐点比较法的插补原理及算法。这里限于篇幅，不作具体
17、推导和详细说明。第十三页，本课件共有42页 表表2-2 四象限圆弧插补进给方向判定和偏差计算公式四象限圆弧插补进给方向判定和偏差计算公式进给方向判定偏差计算公式线 型Fm0时Fm0时SR1Y+X Fm0时：Fm+1=Fm2Ym+1 Xm+1=Xm Ym+1=Ym1 Fm0时：Fm+1=Fm+2Xm+1 Xm+1=Xm+1 Ym+1=YmSR3+YXNR2YXNR4+Y+XSR2+X+Y Fm0时：Fm+1=Fm2Xm+1 Xm+1=Xm1 Ym+1=Ym Fm0时：Fm+1=Fm+2Ym+1 Xm+1=Xm Ym+1=Ym+1SR4XYNR1X+YNR3+XY 顺园 S RSR3SR2SR4S
18、R1XYOFm0,+YFm0,+XFm0,XFm0,YFm0,+XFm0,+YFm0,YFm0,XNR3NR2NR4NR1XYOFm0,YFm0,XFm0,+XFm0,+YFm0,XFm0,YFm0,+XFm0,+Y 逆园 N R第十四页，本课件共有42页第三节第三节 数字积分插补法数字积分插补法 数字积分插补法又称数字微分分析法（DDA：Digital Diffential Analyzer），具有运算速度快、插补精度高、脉冲分配均匀、易实现多坐标联动等优点，因此应用较广泛。一、数字积分法原理一、数字积分法原理我们在前面插补运算的基本原理中曾提到“以直代曲，分段逼近相连成轨迹”。现在的问题是
19、以怎么样的微小直线逐段相连，来代替所要求的各种曲线轨迹更为合理？我们从微积分对变量问题的分析可知，用曲线中每一微小线段的相应切线来代替该小段曲线将为最合理。如图2-5所示，即要求刀具在每一微小曲线段上以切线方向切削，也就是说在对每一小段切削时，要求刀具向X方向的运动速度分量Vx与Y方向的运动速度分量Vy的比例关系等于该小段的切线斜率，既等于该曲线的导数dy/dx。如曲线函数为y=f(x)，则y对x求导得f(x)=dy/dx，而对每一小段曲线切削时的运动速度分量之比应为：vyi/vxi=dyi/dxi。数字积分法DDA插补器就是根据这一基本原理构成的。y=f(x)vivxivyiv1vx1vy1
20、YXO图2-5运动速度分量比值为切线斜率第十五页，本课件共有42页 图2-6为曲线函数为y=f(x)的DDA插补器的结构框图。它分别由Y轴、X轴两个数字积分器（图中虚框所示）组成。每个数字积分器在每小段时间t内所输出的脉冲数Sy（或Sx）乘以脉冲当量（0.01或0.001mm/个），即为控制每一轴的位移量y（或x）。频率为f的脉冲Y轴数字积分器K寄存器容量为2n的y积分累加器Ry容量为2n的x积分累加器RxX轴数字积分器Kdy/dx寄存器+y轴溢出脉冲数SyX轴溢出脉冲数Sx图2-6曲线y=f(x)的DDA插补器框图第十六页，本课件共有42页 现在我们先来分析其中一个数字积分器的工作过程，以弄
21、清在每小段t时间内各轴的位移量y（或x）与寄存器中值Kdy/dx（或K），累加器位数n以及频率f之间的关系：每来一个频率为f的序列脉冲，则寄存器里的数Kdy/dx（或K）与累加器里的随机值Ry（或Rx）相加，相加后结果若超过累加器容量2n，则就溢出一个脉冲，相加后结果（或余数）仍存放在累加器中，作为新的随机值Ry（或Rx）。由于在每小段时间t内的累加次数应等于ft。其结果在t时间内，每个轴的数字积分器溢出的脉冲数Sy（或Sx），乘以脉冲当量（设为1m个），即为每轴的位移量y（或x），它们分别为：也就是说：Y方向的速度分量 X方向的速度分量 两式相除得：其结果Y，X两方向所得的速度分量vy与vx
22、之比vy/vx。恰好等于该曲线函数y=f(x)的导数dy/dx，也就是每小段曲线的切线斜率。即达到了用曲线中每一微小段的相应切线来代替该小段曲线的插补要求。DDA插补运算，即可用硬件来实现，也可用软件来完成。图2-7为DDA插补运算程序流程图。初始化时分别把K，Kdy/dx送入两个数字积分器的相应寄存器内，并把两个累加器Rx、Ry清零，图中Rx、Ry分别表示累加器Rx、Ry中的当前值。具体的DDA插补器根据插补函数y=f(x)的不同，其形式也各有区别。第十七页，本课件共有42页y方向进给一个脉冲当量值Ry-2nRyRy+Kdy/dxRy 到终点否？起 始 初 始 化K，K0Rx,0RyRx+K
23、RxX方向进给一个脉冲当量值Rx-2nRx插补结束NYNNYY图2-7数字积分法插补程序流程图 Rx/2n 1?Ry/2n 1?第十八页，本课件共有42页二、二、DDA直线插补器直线插补器 设要对XY平面上的直线OA进行插补，如图2-8所示，直线起点在原点O，终点A的坐标为（Xe，Ye）。由于直线的斜率每段是恒定的，即为YeXe，设K=Xe，所以K 图2-9为DDA直线插补器结构框图，其工作原理不言而喻，这里就不再赘述。需要说明的是由于溢出脉冲的离散性，即脉冲是一个一个不连续发生的，其实际所走的轨迹应是如图2-8中粗实线所示。XoyeYxeA(xe，ye)图2-8直线OA插补第十九页，本课件共
24、有42页频率为f的脉冲容量为2n的y积分累加器Ry终点坐标值ye寄存器+终点坐标值xe寄存器容量为2n的x积分累加器Rx+y轴溢出脉冲数SyX轴溢出脉冲数Sx图2-9直线DDA插补器框图第二十页，本课件共有42页三、三、DDA圆弧插补器圆弧插补器 圆心为坐标原点的圆弧方程式为x2+y2=r2，两边对x求导，得2X+2Ydy/dx=0,即dy/dx=-X/Y。设K=y，则Kdy/dx=-XY/Y=-X,代入上述图2-6框图中就得图2-10所示的DDA圆弧插补器结构框图。需要提醒注意的是：这里的x、y是一个变量，即随插补点位置的移动而相应地变化。频率为f的脉冲容量为2n的y积分累加器Ry-x寄存器
25、+y寄存器容量为2n的x积分累加器Rx+y轴溢出脉冲数SyX轴溢出脉冲数Sx图2-10园弧DDA的插补器框图第二十一页，本课件共有42页第四节第四节 刀具半径补偿刀具半径补偿一、刀具半径补偿的基本概念一、刀具半径补偿的基本概念 在数控加工过程中编程人员编程时是按零件轮廓进行编程的。由于刀具总有一定的半径(如铣刀半径、钼丝的半径)，刀具中心运动的轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，而是偏移轮廓一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值，加工内轮廓时，使刀具中心偏移零件内轮廓表面一个半径值(见图211)。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。现代CNC系统都具备较完
26、善的刀具半径补偿功能。刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编制程序，实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。在图211中，粗实线为所需加工的零件轮廓，虚线为刀具中心轨迹。根据ISO标准，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向左侧时，称为左刀具补偿（简称左刀补），用G41表示；反之，称为右刀补，用G42表示；当不需要进行刀具半径补偿时，用G40表示。在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般可分为三步：（1）刀具补偿建立 刀具从原点接近工件，刀具中心轨迹由G41或G42确定，在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短一个刀具半径值，即刀具中心从
27、与编程轨迹重合过度到与编程轨迹偏离一个刀具半径，如图212所示。（2）刀具补偿进行 一旦建立了刀具补偿状态则一直维持该状态，除非撤销刀具补偿。在刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。（3）刀具补偿撤消 刀具撤离工件，回到原点。和建立刀具补偿时一样，刀具中心轨 第二十二页，本课件共有42页 图211 B刀具补偿的交叉点和间断点第二十三页，本课件共有42页a)建立刀具补偿G4 b)建立刀具补偿G42 图212 建立刀具补偿迹也要比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。即刀具中心轨迹从与编程轨迹相距一个刀具半径值过渡到与编程轨迹重合。刀具补偿撤销用G40指令。二、刀具
28、半径补偿计算二、刀具半径补偿计算 刀具半径补偿计算就是要根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具中心的运动轨迹。对于一般的CNC装置，所能实现的轮廓控制仅限于直线和圆弧。对直线而言，刀具补偿后的刀具中心轨迹仍然是与原直线平行的直线，因此刀具补偿计算只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标值。对于圆弧而言，刀具补偿后刀具中心轨迹仍然是一个与原圆弧同心的第二十四页，本课件共有42页一段圆弧。因此对圆弧的刀具半径补偿计算只须计算出刀补后圆弧的起点和终点坐标值以及刀具补偿后的圆弧半径值。(1)直线刀具补偿计算 如图213所示，被加工直线段的起点在坐标原点，终点A的坐标为(X,Y)。假定上一段程序加工完成后，刀
29、具中心在O点且其坐标已知。刀具半径为r，现在要计算的刀具补偿后直线段OA的终点坐标(X,Y)。设直线段终点刀具补偿矢量AA的投影坐标为(X新,Y新)。图213 直线刀具补偿(2-5)第二十五页，本课件共有42页因为所以(2-6)将式（26）代入（25）得(2-7)上式是直线刀具半径补偿计算公式，但是在增量编程方式下推出得。事实上，如果是绝对编程方式，仍然可以用（25）来计算直线刀具补偿，所不同得是（25）中和都应是绝对坐标值。(2)圆弧刀具半径补偿计算 如图214所示。被加工圆弧的圆心在坐标原点，圆弧半径为R，圆弧起点A的坐标为(X0,Y0)，圆弧终点B的坐标为(Xe,Ye)，刀具半径为r。假
30、定上一程序段加工结束后刀具中心点为A，且其坐标为已知。那么圆弧刀具半径计算的目的就是要计算出刀具中心圆弧AB的终点坐标(X,Y)。设BB在两个坐标轴上的投影为(X新,Y新)，则(2-8)第二十六页，本课件共有42页 图214 圆弧刀具半径补偿因故(2-9)将式（29）代入式（28）得圆弧刀具补偿计算公式为第二十七页，本课件共有42页三、三、C C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 1功能刀具半径补偿的基本概念 通过以上介绍可以看出，一般的刀具半径补偿(也称为B刀具补偿)只能计算出直线或圆弧终点的刀具中心值，而对于两个程序段之间在刀补后可能出现的一些特殊情况没有给予考虑。实际上，当程序编制人员按零
31、件的轮廓编制程序时，各程序段之间是连续过渡的，没有间断点，也没有重合段。但是，在进行了刀具半径补偿（刀具补偿）后。在两个程序段之间的刀具中心轨迹就可能会出现间断点和交叉点，如图215所示，粗线为编程轮廓，当加工内轮廓时，会出现交叉点。对于只有刀具补偿的CNC系统，编程人员必须事先估计出在进行刀具补偿后可能出现的间断点和交叉点的情况，并进行人为的处理。如遇到间断点时，可以在两个间断点之间增加一个半径为刀具半径的过渡圆弧段。遇到交叉点时，事先在两个程序段之间增加一个过渡圆弧段，圆弧的半径必须大于所使用的刀具的半径，显然，这种仅有B刀具补偿功能的CNC系统对编程人员是很不方便的。但是，最早也是最容易
32、为人们所想到的刀具半径补偿办法，就是由数控系统根据和实际轮廓完全一样的编程轨迹，直接算出刀具中心轨迹的转接交点C和C。然后再对原来的程序轨迹作伸长或缩短的修正。从前，和点不易求得，主要是由于NC装置的运算速度和硬件结构的限制。随着CNC技术的发展，系统工作方式，运算速度及存储容量都有了很大的改进和增加。采用直线或圆弧过渡，直接求出刀具中心轨迹交点的刀具半径补偿方法已经能够实现了，这种方法被称之为C功能刀具半径补偿（简称C刀具补偿）。2C刀具补偿的基本设计思想 从前的刀具补偿方法（B刀具补偿）对程序限制的主要原因是再确定刀具中心轨迹时，都采用了读一段，算一段，再走一段的控制方法。这样，就无法预计
33、到由于刀具半径所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响。于是，对于给定的加工轨迹来说，当加工内轮廓时，为了避免刀具干涉，合理的选择刀具的半径以及 第二十八页，本课件共有42页在相邻加工轨迹转接处选用恰当的过渡圆弧等问题，就不得不靠程序员来处理。为了解决下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，在计算完本段轨迹后，提前将下一段程序读入，然后根据他们浙江转接的具体情况，再对本段的轨迹作恰当的修正，得到正确的本段加工轨迹。图216（a）中，是普通NC系统的加工方法，程序轨迹作为输入数据送到工作寄存器AS后，由运算器进行刀具补偿计算，运算结果送输出寄存器OS，直接作为伺服系统的控制信号。图216(b)中是
34、改进后的NC系统的工作方法。与图a相比，增加了一组数据输入的缓冲器BS，节省了数据读入时间。往往是AS中存放着正在加工的程序段信息，而BS中已经存放了下一段所要加工的信息。图216（c）中是在CNC系统中采用C刀具补偿方法的原理框图。与从前方法不同的是，CNC装置内部又设置了一个刀具补偿缓冲区CS。零件程序的输入参数在BS，CS和AS中的存放格式是完全一样的。实际上，BS，CS和AS各自包括一个计算区域。程编轨迹的计算及刀具补偿修正计算都是在这些计算区域中进行的。当系统启动后，第一段程序先被读入BS，在BS中算的第一段程编轨迹送到CS暂存后，又将第二段程序读入BS，算出第二段程编轨迹。接着，对
35、第一、第二两端程编轨迹的连接方式进行判别，根据派别结果，再对CS中的第一段程编轨迹作相应的修正。修正结束后，顺序地将修正后的第一段程编轨迹又CS送到AS，第二段程编轨迹由BS送入CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送到伺服装置予以执行。当修正了的第一段程编轨迹开始被执行后，利用插补间隙，CPU又命令第三段程序读入BS。随后，又根据BS，CS中的第三、第二段程编轨迹的连接方式，对CS中的第二段程序轨迹进行修正。依次进行，可见在刀补状态时，CNC装置内部总是同时存有三个程序段的信息。第二十九页，本课件共有42页 a）一般方法 b）改进后的方法 c）采用C刀具补偿的方法
36、图216 几种数控系统的工作流程第三十页，本课件共有42页四、程序段间转接情况程序段间转接情况 在普通的CNC装置中，实际所能控制的轮廓轨迹只有直线段的圆弧。随着前后两段程编轨迹的年角方式不同，相应有一下集中转接方式：直线与直线转接，直线与圆弧转接，圆弧与圆弧转接。根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀具补偿方向的不同，又可以有以下几种转接过渡方式：伸长型，缩短型，插入型一直线过渡型和圆弧过渡型。1.直线与直线转接 图217是直线与直线相交，进行左刀具补偿的情况。图中程编轨迹为 在图217a、b中，AB，AD为刀具半径。对应于程编轨迹OA，OF，刀具中心轨迹JB与DK将在C点相交。这样，相对于OA与A
37、F来说，将缩短CB与DC的长度。因此称为这种转接为缩短型转接 在图217d中，C点将处于JB与DK的延长线上，因此称之为伸长型转接。对图217c，e来说，若仍采用伸长型转接，势必要增加刀具非切削的空行程时间，为了解决这个问题，可用两种方法：1）插入直线 令BC等于CD且等于刀具半径长度AB和AD，同时在中间插入过渡直线CC，也就是说，刀具中心除了沿原来的程编轨迹伸长移动一个刀具半径长度外，还必须增加一个沿直线CC的移动。对于原来程序段，等于在中间再插入一个程序段，称这种转接型式为插入型转接 2）插入圆弧 在刀具中心轨迹JB与DK之间插入一个圆弧BD，该圆弧的圆心在A点，其半径为刀具半径长度AB
38、。显然，圆弧插入型转接要比直线插入型转接更加简单。但是圆弧插入型也有一个缺点，当刀具从B点沿圆弧BD移动到D点时轮廓尖角处始终是处于切削状态，尖角加工地工艺性比较差，这在磨削加工中尤为突出，所需加工的尖角往往会被加工成小圆角。第三十一页，本课件共有42页 a）、b）缩短型转接 c）、e）插入型转接 d）伸长型转接 图217 G41直线与直线转接情况第三十二页，本课件共有42页 a）伸长型转接 b）、e）插入型转接 c）、d）缩短型转接 图218 G42直线与直线转接情况第三十三页，本课件共有42页 图218所示式直线接直线时，进行右刀具补偿情况。在同一个坐标平面内直线接直线时，当第一段程编矢量
39、逆时针旋转到第二段程编矢量的夹角在0360范围内变化时，相应刀具中心轨迹的转接将顺序地以上述三种方式进行。在图217和图218中，为第一段程编矢量，为第二段程编矢量，夹角即为逆时针转向的。对应图217和图218，表23列出了直线和直线连接时转接的全部分类情况。表表23 直线和直线转接时的分类情况直线和直线转接时的分类情况第三十四页，本课件共有42页 2圆弧与圆弧转接 和直线接直线时一样，圆弧接圆弧时转接类型的区分为可以通过相接两圆的起点和终点半径矢量的夹角的大小来判别，但是，为了分析方便，往往将圆弧等效于直线处理。在图219中，当编程轨迹为PA接AQ时，Q1A，Q2A分别为起点和终点半径矢量，
40、若为G41左刀具补偿，角将仍为 。以图219a）为例 比较图217与图219，它们的转接型式分类和判别式完全相同的，即左刀具补偿顺圆弧接圆G41G02/G41G02时，它的转接类型的判别等效于左刀具补偿直线接直线G41G01/G41G01。3.直线与圆弧的转接 图219还可以看作是直线与圆弧的转接，亦即G41G01/G41G02（OA接AQ）和 G41G02/G41G01（PA接AF）。因此，它们的转接类型的判别也等效于直线接直线 G41G01/G41G01。由上述分析可知，根据刀具补偿方向、等效规律及角的变化这三个条件，各种轨迹间的转接形式的分类是不难区分的。图220是直线接直线时转接分类判
41、别的软件实现框图。第三十五页，本课件共有42页a）、b）等效于图217a）、b）c）等效于图217c）d）等效于图217d）图219圆弧接圆弧转接情况第三十六页，本课件共有42页图220直线与直线转接分类的软件实现第三十七页，本课件共有42页五、接转交点矢量的计算五、接转交点矢量的计算 1伸长型交点矢量AC的计算 以图219为例，图中OA、AF和AD均为已知矢量，所以 、亦为已知角 和 ，rD=AB=AD现在求算出AC 先求出AC的X矢量ACx。图中则,，而所以于是用同样方法可求得AC的Y分量：一旦AC求出，那么对于编程轨迹OA、AF来说。对应的刀具中心轨迹显然为OA+（AC-AB）与（AD-
42、AC）+AF。第三十八页，本课件共有42页2插入型交点矢量AC、AC的计算 根据刀补方向G41和G42 的不同，插入型交点矢量的计算可相应地分为插入型和插入型两种。插入型，可由图217c求得插入型，可由图218b求得当求出AC，AC后，对应于编程轨迹与的刀具中心轨迹求出为OA+AC-AB、AC-AC和AD-AC+AF。第三十九页，本课件共有42页3缩短型交点矢量AC的计算 （1）直线与直线的连接 直线与直线连接时的缩短型交点矢量的计算与伸长型交点矢量的计算是完全一样的，但要注意转接矢量的方向性，这不难从图218和图219中看出。（2）直线与圆弧连接 图221所示，已知量为直线矢量FA和圆弧起点
43、矢量OA，刀具半径矢量rD亦为已知量。对的AC计算是先求得OC，再减去OA得到的。OC的求法如下:（2-11）第四十页，本课件共有42页六、六、C C功能刀具半径补偿的实例功能刀具半径补偿的实例 图222中粗实线为加工零件轮廓，虚线为刀具中心轨迹（程编轨迹），系统完成从O点到H点的程编轨迹的加工步骤如下：图221 直线与直线连接时的缩短型交点矢量的情况图222C 功能刀具半径补偿第四十一页，本课件共有42页 读入OA，算出OA。因此刀具补偿建立，所以继续读下一段。读入AA。因是插入型转接，算出rD2，Af，Ak，rD1，AA。由于上一段是刀具补偿建立，直接命令走Oe，Oe=OA+rD1。读入AF。由于判断出仍为插入型转接，因此，算出rD3，Ai，rD2，AF。命令走ef。ef=Af-rDi。继续走fg，fg=Ag-Af。走gh，gh=AA-Ag+Ah。读入FG因判出是缩短型转换，所以只算出rD4，Fj，rD3，FG。继续走hi，。读入GH（假定由撤消刀具补偿G40命令）。由于判断出是伸长型转接，所以尽管是撤消刀具补偿，但仍要算出rD5。继续走jk。由于上段是刀具补偿撤消，所以要作特殊处理，直接命令走KL。最后走lH。加工结束。第四十二页，本课件共有42页