数控系统与插补原理

四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分《数控机床电气系统检修》•计算机数控系统一、CNC系统的组成二、CNC系统的硬件结构三、插补原理四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•一、数控系统的基本原理•数控系统（NumericalComputerSystem）是指利用数字控制技术实现的自动控制系统。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的，因而被称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是当前广泛使用的计算机数控系统（ComputerNumericalControl，简称CNC系统）。•数控机床是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•一、数控系统的基本原理•数控系统的功能：•（1）准备功能：（2）控制功能：（3）进给功能：•（4）主轴转速功能：（5）刀具功能：（6）辅助功能：•（7）插补功能：插补功能是指CNC装置可以实现各种曲线轨迹插补运算的功能。•（8）补偿功能：（9）字符图形显示功能：（10）通信功能：•（11）自诊断功能：（12）人机对话编程功能：四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•一、数控系统的基本原理•数控系统工作过程：（1）输入输入零件加工程序和补偿数据等（2）译码将加工程序翻译成机器码（3）数据处理对补偿参数，加工速度和辅助功能等的处理（4）插补实现起点和终点之间数据的密化（5）伺服控制信号的控制和放大（6）管理程序程序的预读四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•数控系统硬件：（1）输入输出装置（2）数控装置（3）驱动控制装置（4）机床电器逻辑控制装置•控制对象：机床的主轴和进给四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分可编程控制器PLCCNC控制器计算机硬件与数控系统软件输出设备打印机穿孔机电传机显示设备输入设备编程计算机操作面板电子手轮纸带阅读机程序电气控制单元机床电器速度控制单元位置检测进给电机主轴控制单元主轴电机CNC系统的结构框图四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•单CPU结构CPU总线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口EPROM纸带阅读机接口I/O接口纸带阅读机机床操作主轴控制单元CRTPLC接口M~速度控制单元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分CPU总线穿孔机RAM电传机数控面板穿孔机和电传机接口MDI/CRT接口EPROM纸带阅读机接口I/O接口纸带阅读机机床操作主轴控制单元CRTPLC接口M~速度控制单元位置反馈位置控制速度反馈M进给电机四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•单CPU结构特点•（1）结构简单，容易实现•（2）采用总线结构•（3）对存储，插补，控制等运算采用分时控制•（4）进给速度慢四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•多CPU结构框图•主/从式多CPU系统结构图：四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•多CPU结构框图•共享总线的多CPU结构的CNC结构框图：会话式编程模块（CPU）管理模块（CPU）主存储器模块操作面板显示模块插补模块（CPU）PLC功能模块（CPU）位置控制模块（CPU）主轴控制模块四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•多CPU结构框图•共享存储器的多CPU结构框图共享存储器I/O（CPU1）CRT（CPU2）插补（CPU3）轴控制（CPU4）四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•多CPU结构特点•（1）运算速度快，性能价格比高•（2）适应性强，扩展容易•（3）可靠性高•（4）硬件易于规模生产四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•数控系统软件：•CNC任务分解CNC系统的任务位置控制I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补输入管理控制四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•数控系统软件：•多任务并行处理输入显示诊断控制I/O速度处理位置控制译码刀具补偿插补四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•数控系统软件：•实时中断处理优先级插补准备诊断初始化显示输入I/O处理中断优先级键盘位控插补四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•二、数控系统的结构•数控系统软件：•实时中断处理12341432143214321432N1N2N3N1N2N3Δt1Δt3Δt5Δt7Δt3Δt1Δt5输出输出输出输出输出时间时间空间空间资源重叠流水处理四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•三、典型数控系统介绍-西门子西门子PPT四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分插补原理•插补就是沿着规定的轮廓，在轮廓的起点和终点之间按一定算法进行数据点的密化。在数控加工中，根据给定的信息进行某种预定的数学计算，不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按指定的路线移动，完成整个曲线的轨迹运行，以满足加工精度的要求，这就是插补。•目前，插补算法有很多种，归纳为两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分脉冲增量插补•脉冲增量插补就是通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。每个脉冲通过步进电动机驱动装置使步进电动机转过一个固定的角度（称为步距角），相应地使机床移动部分（刀架或工作台）产生一个单位的行程增量（脉冲当量——一个脉冲所对应的机床机械运动机构所产生的位移量）。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分1.逐点比较法•逐点比较法是通过逐点地比较刀具与所需插补曲线之间的相对位置，确定刀具的进给方向，进而加工出工件轮廓的插补方法。刀具每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。在逐点比较法中，每进给一步都要经过四个节拍，如图所示。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分逐点比较法工作流程图四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分（1）逐点比较法第I象限直线插补•①偏差函数值的判别如图所示，假设动点T正好处于直线OE上，则有下式成立：•即XeYi－XiYe＝０刀具与直线之间的位置关系XeYeXiYi四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分（1）逐点比较法第I象限直线插补•假设动点处于OE的上方，则直线OT的斜率大于直线OE的斜率，从而有••即XeYi－XiYe＞０刀具与直线之间的位置关系XeYeXiYi四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分（1）逐点比较法第I象限直线插补•设点T处于直线OE的下方，则有下式成立••即XeYi－XiYe＜０刀具与直线之间的位置关系XeYeXiYi四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•由以上关系式可以看出，（XeYi－XiYe）的符号反映了动点T与直线OE之间的偏离情况。为此取偏差函数为•F＝XeYi-XiYe•当F＝0时，动点在直线OE上；•当F＞0时，动点在直线OE上方的区域；•当F＜0时，动点在直线OE下方的区域。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分②坐标进给以图为例。直线插补轨迹四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•由式F＝XeYi-XiYe可以看出，每次求Ｆ时要作乘法和减法运算，而这在使用硬件或汇编语言软件实现插补时不大方便，还会增加运算的时间。因此，为了简化运算，通常采用递推法，即每进给一步后新加工点的加工偏差值通过前一点的偏差递推算出。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•现假设第ｉ次插补后动点坐标为T（Ｘi，Ｙi），偏差函数为•Ｆi＝ＸeＹi－ＸiＹe•若Ｆi≥０，则向（＋Ｘ）方向进给一步，新的动点坐标值为•Ｘi+1＝Ｘi＋１Ｙi+1＝Ｙi四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•新的偏差函数为•Ｆi+1＝ＸeＹi+1－Ｘi+1Ｙe•＝ＸｅＹi一ＸiＹe－Ｙe•＝Ｆi－Ｙｅ•所以Ｆi+1＝Ｆi－Ｙｅ（7－1）四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•同样，若Ｆ＜０，则向（＋Ｙ）方向进给一步，新的动点坐标值为•Ｘi+1＝Ｘi，Ｙi+1＝Ｙi+1•所以Ｆi+1＝Ｆi＋Ｘe（7－2）四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•根据公式可以看出，采用递推算法后，偏差函数Ｆ的计算只与终点坐标值Ｘｅ，Ｙe有关，而不涉及动点坐标Ｘi，Ｙi的值，且不需要进行乘法运算，新动点的偏差函数可由上一个动点的偏差函数值递推出来（减Yｅ或加Ｘe）。因此，该算法相当简单，易于实现。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分终点判别•终点坐标法是刀具每进给一步，就将动点坐标与终点坐标进行比较，即判别Ｘi—Ｘe＝０？和Ｙi一Ｙ＝０？是否成立，若等式成立，插补结束，否则继续。四川工程职业技术学院2020年2月7日4时32分•总步长法是根据刀具沿Ｘ、Y轴所走的总步数判断终点。从直线的起点Ｏ移动到终点Ｅ，刀具沿Ｘ轴应走的步数为Ｘe，沿Ｙ轴应走的步数为Ｙe，沿Ｘ，Ｙ两坐标轴应走的总步数∑为•∑＝｜Ｘｅ｜十｜Ｙｅ｜•刀具每进给一步，就执行∑—1→∑，即从总步数中减去1，这样当总步数为0时即表示已到达终点，插补结束。