（检测技术与自动化装置专业论文）高性价比铣床数控系统.pdf

东南大学硕士毕业论文 摘要 本论文丰要围绕南京二 程学院委托研发项目“高性价比铣床数控系统”的十| = 发研制t 作展 开。众所周知，机械制造业是我国国民经济的基础产业平支 = 丰产业。机床是机械制造业中不可缺少 的重要生产r 具。数控系统是采用数字形式信息控制的数控机床的关键和核心组成部分，是机床的 主控制器：其对于数控机床的作片j 如同人脑对丁人体的作用。 目前，数控机床采用的数控系统按其性能大体上可分为高档型、普及型和经济型二类系统。高 档型数控系统功能强大，价格昂贵，动辄要上百万元，基本上要从国外进口，片j 丁国防、航空航天 等特殊的组台机械加t 领域。经济型数控系统指功能水平低且价格低廉的数控系统，价格通常在1 0 万元以内。普及型数控系统能加l ：复杂零什，这类系统功能实用，但价格比经济型贵不少，其售价 通常高选儿十万元。在我国介业生产经营中州到多数是经济型和普及型数控系统。由于经济犁数控 系统价格虽低但功能简单，加二 山的零件质最不高，无法充分满足生产需要；普及型数控系统功能 齐全，加l 质量高但价格相埘昂贵，对我国目前面广晕大的生产型中小班企业来说选用普及型数控 机床的实际投资效益和经济性往往欠佳。 因此，在充分分析我围国产数控机床技术现状和市场需求基础上，南京t 程学院数控研究所和 东南大学自控系决定合作研制高性价比铣床数控系统。该系统具有经济型系统的成本和普及型系统 的大多数功能，能很立r 地解决数拄系统加工功能和投资成本之间存在矛盾的问题。本数摔系统研制 成功将为州户提高生产效率，改善产：品质量，1 ，约投资成本提供一个 醚好的选择，具有良好的使用 价值和推广应剧前景。 本人在学位论文期间完成高性价比铣床数控系统的软硬件设计以及整个样机的嘲试和| 式运行工 作。该系统以高性价比1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，辅以先进的可编程逻辑器件c p l d 芯片对系 统进行精心的优化设计。从而使系统的数据处理速度平能力大大优于般常见的刷样以单片机为核 心的经济型系统；同时又避免了采川微处理器为核心的普及型系统冈微处理器芯片本身不带诸如m 口、计数器，定时器、串行通信接口和灵活的多级中断系统等外设而需外配人量i c 芯片和口j 编程控 制器所带来的成本r 升。 该系统具有编程、手动操作、参数设置、输入输出测试、自动加t 、通信、图形模拟、d n c 加 l ：共8 项功能；进给分辨率为1 m ，快速进给速度【达1 2 t 1 1 眦n ，零件轮廓段之间的加l 连续均匀， 能自动实现c 功能刀具补偿，达到了普及型数控系统通常所具有的功能和加一r 能力。 本学位论文各章节内容安排如此下： 第一章绪论，介绍本项目的背景、目的和意义：第一章介纠数控系统的功能要求和技术要求， 规划系统的总体技术方案；第三章讨沦数控系统加t 控制原理与应用设计：第四章介绍了系统硬件 电路的设计；第五章讨论rc p l d 模块设计，重点讨论了核心电路加l 轮廓精插补电路的蹬计： 第六章介绍了数挖系统的加t 指令邱系统参数设置：第七章讨论了系统软件设计，并给出符主要功 能模块的软件框图。第八章介绍了本系统调试的过程针对有代表性的加工稗序讨论和分析了系统 的调试过程。 关键词：数控系统，c p l d 芯片，刀具半径补偿，轮廓插补运算 东南大学颈士事业论文 a b s t r a c t t ! 地1 1 e s l sf o c u s e s0 1 it h ep r o j e c tr e s e c ha n dd e v e l o p m e n to h “h i g bd e r f o r m a n e ea n d l o wc o s tm l i l e r i n gn u m e r i c a lc o n t r o is y s t e m ”i ti s 孵l lk n o w nt h 8 t 日a c h i n em a n u f 8 c t u r i r 瞎 i st h eb a s i c a n db 8 e k b e n 8 di 喇u s c r yi nc h i n e $ en a t i o n a le c o n o m ht h em a c h l l l et o d li sa n u n a l e n a b l ep a r to fp r o d l i c t i o nt 1 s 。t h en 岫 e r i c a lc o n t l 0 1s y s t e i st c 口r oa n dt h ek e y o f 1 t l m e r i c a lc 【) n t c o il n a c h i n e o o l ，a n dt i em a l ne 堋t r o l l e ro ft h em 目c h i n et o o i i t sn n c t i o n i si u s tl l k e t h a to fb r a i n st o l u m a nb e i l l g s o wt h ef u n c t i o n so ft h en u m e r i c a lc o n t r o im a c h i d et o o js8 d o o tc a nf 1 1i n t ot h l e e c 8 t e g o r i e s 一t o pg r a d e 。 u n i v e r s a la n de e o i l o m i c i nt h e d a n u f a c n l r i n ga 1 1 dm a n a g n go f e n t e r p r i s e si nc h i n a ，l h ee a o n ( ) m i ca n d t b ei i n i v e r s a ln m h e ii ：a 1 c ( h l t r o ls y s t e ma r ew l d e l y i nl l s e 跌瞎0 l os l m p l ef h n o t i o n so fe c o n 伽i cr m m e r i c a lo o n t r o ls y s t 醐， t h ep a r t si t p r o o e 3 s e si sn o to fv e r yh j g h 叫8 l i t y8 融o a 绷o tn 1 1 l ym e e tt h ed e m 骱do fp r o d u e t _ i o n t h e “n i v e r s a lo n eh a sc o p r e h e n s i v e 釉n e t i o n sa 砖t h ep r o c e s s “喀q u a l l t vi sr a 1 e rh i g k n e v e r 曲e l e s s t h ep r l c ei sc o l p a r a t i v e l yh i g h 如ar e s i i 】tc o o s 二r l gt 把e c o n o m i ca r l dt h e u h 【v e r s a l8 y s t e m sisg o o df o r t h ep r a c t i c a ln c s t m e n tb e n e f i tf o r t h o s ee n 托r p r i s e so f i n t e r m e d i a r eo rs i n a l ls c a l e s s oa f t e rf u 】1 ya n a i y z i n gt b ec 毗+ r e n ts i t t i o no ft e c b n o l n g yo fm l m e r i c a ic o n t r 0 1 m a c h i n e t o o l g m d o i nc h i n a a n d t h em a r k e td e m a n d s ，t 自e n t 啦e 王i c a le o “r o lr e s e a r c h l n s t l “l e o fn a n j i n 目i n s t i t u t eo fe n g l i 掉e = l n ga n da 1 l t o m a t i o nd 印a r t 舯f l to fs o u t h e a s t 抽i v 8 f s i t y c l e c jd o d “) c o o p o r a feind v e i o e 】l n g l i g hp o f f f ) r 黜n c e a n d l o wc o s tm l e r i n g n u m e r i c a le 啦耽r o l s y s t e m 下h i ss y s t e mh a st h ec o s to ft h ee e o n o i oo n ea h dm 0 8 tf u n c t l o n so fu n i v e r s a lo n e ， a n dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ee o n f l i c t i n gp r o b l e mo fp r o c e s s n gf “n c t i o no ft b el l l 瑚e r i o a i s y 8 t e ma n dt 把i n v e s t m e n tc o s t h es u c c e s so f t b ed e v e l o u m e n to ft l em 鞋e r 沁3 ls y s t e m p r o y l d e sag o o do p p o r n u l “，yu tl i b l p n g “博t s e r s m p r o v e h cw o r k i n ge f f i c i e n c y ，b e t t e r p 酬t f ls l i i ya ds a v et h ei n v e s t m c c o s t k l r e f o r ei th 8 $ 8g o o d 净r o s p e c to fl l s i n g a n ds p r e a d i n 鲁 吼e n1w a sd o i n gt h et h e s i s ，if i n i s e d 址ed e 虹g no ft h os 。f ta n d h 耜d 髓r e so fm i n e r 拍g n u m e r i e a le o n t f o ls y s e a n dt h e 啪r ko fd e b n g g l n ga n dt e s tr 【王no ft h es a p l em a c h i n o t h e s y s t e m 1 a st h r eof1 6d i 9 1 ts 1 1 9 i ec h j p8 憾1 9 8 k ，s u p i ) l 船o n t e dw i t ha d 悄n c e dc p l dc h i a w h i c hc a nc a r r yo u tt h ed e l i c a t ed e s i g no ft h es y s t e m ，s ot h a tt h ed i g i tp r o e e s s i f l ；s 自e e d a 碰a b i l i t yi sm u c hb e t t e rt h a nt h en o 挪a le c o n o m 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o n t o 】s y s t e k e y 啪r 哇s ：n l 量e r i c a ie o n t r o ls y s t e m ， c p l d l融i f er 积i u sc o m 静e n s a t i d 札 i n t e r p o l 毪t i o h 东南大学硕士毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 机床数字控制技术顾名思义就是以数字化的信息实现机床控制的一技术，采用数字形式信息 控制的机床就称为数字控制机床，简称数控机床。白6 0 年代世界上第一台数控机床问世以来，随着 计算机、通信、电子、检测、控制和机械等相关技术的发展，数控技术也日新月异地飞速发展。 当今机床行业的数控化已成为机械制造技术进步的大趋势。数控机床是电子信息技术和传统机 械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通信、液雎气动、光电等多学科技术为一体， 具有高效率、高精度、高白动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。数控机床可大大 提高机械加_ l 的性能( 可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件) ，有效提高加工质量和效率，可 实现柔性自动化( 相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化) 及向智能化、集成化方向发 展。所以，可以毫不夸张地说，数控技术是现代先进制造技术的基础和核心。 数控系统是数控机床的核心和关键设备。数控系统用代码化的数字将刀具移动轨迹的信息记录 在程序介质之上，然后送入数控装置经过译码、运算，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出 所需要的上件。其对于数控机床的作用如同人脑对于人体的作片| 。 1 2 我国数控机床的现状 目前，我国机械加工工业中使用的数控机床按其数控系统性能大体上可分为高档型、普及型和 经济型三类高、中、低档系统。 i 经济型又称简易数控系统 这一档次的数控机床通常仅能满足一般精度要求的加t ，能加工形状较简单的直线、斜线、圆 弧及带螺纹类的零件e l 零件轮廓段之间的加上连接有停顿。其数控系统通常为单板机或单片机系统； 具有数码显示，c r t 字符显示功能；机床进给由步进电机实现开环驱动，控制联动轴数在3 轴或3 轴以下，进给分辨率为1 0 m ，快速移动速度可达8 叫曲n 。这类机床结构一般比较简单，精度中等， 价格也比较低廉通常在l o 万元以内，一般不具有通信功能。 2 普及型通常称之为全功能数控系统 这类数控系统功能较多，能加t 复杂零件，零件轮廓段之间的加工连续均匀。除了具有一般经 济型数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等；其数控系统通 常采用1 6 位或3 2 位微处理器，具有r s 2 3 2 通信接口：机床的进给多为交流或直流伺服系统，一般 系统的能实现4 轴或4 轴以下联动控制，进给分辨率为l m ，快速移动速度可达l o 2 0 州i i l i n ；其输 入输出的控制一般由可编程控制器来完成。但这类普及型价格比经济型贵不少，其售价通常高达几 十万元。 3 高档型数控系统 高档型数控系统通常指能加工复杂形状工件的多轴控制数控机床。其l ：序集中、自动化程度高、 功能强，具有高度柔性。其数控系统通常采用3 2 位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺 服驱动；除了具有一般数控系统的功能以外应该至少能实现5 轴或5 轴以上的联动控制，最小进 东南大学硕士毕业论文 给分辨率为o 1 l m ，最大快速移动速度能达到1 0 0 州i i l i n 或更高；具有三维动画图形功能和宜人的图 形用户界面：同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用 户的宏程序功能：还有很强的智能诊断和智能r 艺数据库，能实现加t 条件的自动设定：以及具有 计算机通信和联网功能。这类系统功能齐全，价格相当昂贵，动辄要上百万元，基本上要从国外进 口，用于国防、航空等特殊的组合机械加r 领域。 在我国企业生产经营中用得最多是经济型和i 普及型数控系统。由于经济型数控系统价格虽低但 功能简单，加丁出的零件质量不高，无法满足高精度和复杂零件生产加工需要；普及型数控系统功 能齐全，加工质量高但价格相对昂贵；对我国目前面广量大的生产型中小型企业来说选用普及型数 控机床中| 王= 期的实际总体投资效益和经济性往往欠佳。 1 3 本课题的目的和意义 近年米，数控机床现己逐渐成为我国许多企业机械加工生产的关键设备，但我国整个机械加工 t 业机床数控率仍远远低于日美等发达国家。据有关调查发现阻碍我国数控机床广泛推广应用的一 个重要因素是目前国内一般经济型数控系统和普及型数控系统存在上述性能和价格之间难以调和的 矛盾。 在充分分析我国国产数控机床技术现状和市场需求基础上，南京工程学院数控研究所和东南人 学白控系决定合作研制高性价比铣床数控系统。该系统具有经济型系统的成本和普及型系统的大多 数功能，能较好地解决数控系统性能和成本z 间存在矛盾的问题。 该系统具有编程、手动操作、参数设置、输入输出测试、自动加j ：、通信、图形模拟、d n c 加 工共8 项功能；进给分辨率达到通常普及型才能达到的l m 水平，快速进给速度可达1 2 州m i n ，零 件轮廓段之间的加f 连续均匀，能自动实现c 功能刀具补偿，达到了普及型数控系统通常所具有的 功能和加 能力。系统以高性价比1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，辅以先进的可编程逻辑器件c p l d 芯片对系统进行精心的优化设计。从而使系统的数据处理速度和能力大大优于一般常见的同以单片 机为核心的经济型系统；同时又避免了采用中高档微处理器为核心的普及型系统因微处理器芯片本 身不带诸如口、计数器，定时器、串行通信接口和灵活的多级中断系统等外设而需外配大量i c 芯 片和可编程控制器所带来的成本上升。本数控系统研制成功将为川户提高生产效率，改善产品质量， 节约投资成本提供一个很好的选择，具有良好的使用价值和推广应用前景。 2 东南大学硕士毕业论文 第二章系统总体方案设计 2 1系统的功能要求 本数控系统虑具有下列8 项功能： 1 编程功能 可现场输入、显示和编辑加工程序：系统可同时存储6 个1 6 k 字节的加_ l 程序，加j 二程序具有 掉电保护功能： 2 手动操作功能 该功能包括如f6 个子功能：1 ) 手动设置对刀坐标系：2 ) 手动连续移动坐标轴；3 ) 手动增量 移动坐标轴；4 ) 返回机床的参考点：5 ) 使用手轮移动坐标系：6 ) 执行s 、m 、t 、f 功能： 3 参数设置功能 可对数控系统中各项参数进行设置修改并具有掉电保护功能； 4 输入输山测试功能 具有读取和测试输入接口状态和手轮信号，对输出接口和模拟主轴接口的状态进行设置的功能： 5 自动加工功能 系统具有根据用户编制的加工程序进行自动加 的功能； 6 通信功能 具有将上位计算机中的加工程序下载到数控系统的存储器以及将存储器内的加i 程序上传到上 位计算机中的上传和下载通信功能； 7 图形模拟功能 在加工程序执行过程中，具有将刀具中心点运动轨迹在液晶屏上以图形方式实时显示功能； 8 ，d n c 加工功能 数控系统具有一边与上位计算机通信，下载加上语句，一边加工执行的d n c 加工功能( 数控 机床在 二业生产中一个重要应用是加二 各类模具，模具加工程序十分庞大、复杂，往往不可能由人 手动编程，而是在计算机上利用各类c a d ，c a m 软件自动生成，程序规模远远大于1 6 k 字节，不可 能一次f 载到数控系统的存储器内再执行加： ) 。 以上8 项功能的实现构成了一个完整的数控系统。 2 2系统的技术性能指标 本数控系统主要技术性能指标如下： 1 既可驱动步进伺服电机也可驱动全数字交流伺服系统，加l 快速移动速度最快达1 2 州1 1 1 l n 2 能实现x 、y 、z 、a 四轴联动控制，进给分辨率达到o0 0 l m m ：各轴进给运动连续无问隙 3 能提供l o v 和5 v 两种主轴模拟电压控制信号； 4 能自动实现8 把不同刀具的半径补偿；井与外部p l c 配台，系统能实现自动换刀； 5 与上位计算机具有r s 2 3 2 通信功能： 6 具有1 6 路输入、1 2 路输出开关量控制功能； 7 中文操作菜单。 东南大学硕士毕业论文 2 3系统总体方案设计 本数控系统的功能要求和技术性能指标介于经济型和普及型数控系统之间，但要求具有经济型 数控系统的价格。因此在系统方案殴计时必须统一考虑两方面的需求。 系统的总体设计框图如图2 1 所示。 图2 1 数拄系统总体框图 本系统可分为七大模块：主控制模块、存储器模块、液晶显示模块、输入，输出开关量接口模块、 进给伺服电机接口模块、模拟主轴接口模块、输入面板模块、m p g 接口模块和电源模块( 为系统各 电路供电) 。 一、主控制模块 从系统的造价和性能要求来看，选择高性价比单片机作为系统中央处理器、部分口、外中 断控制器和串行通信口。从系统功能要求和技术指标来看，8 位单片机虽然在市场上应用最7 ，但 在数据处理功能和速度上很难满足系统要求，因此本系统决定采用h i t e l1 6 位高性能单片机 8 0 c 1 9 6 k c 作为系统的中央处理器。 二、存储器模块 8 0 c 1 9 6 k c 单片机内部只有2 5 6 字节寄存器，远远无法满足系统程序和数据存储需求，因此系 统的程序存储器和数据存储器都要由外部扩展。 本数控系统要求实现的功能较多，所以程序存储器最少需6 4 k 字节。系统数控加工程序和参数 要具有掉电保护能力，所以扩展的数据存储器必须由易失性和非易失性两类存储器组成。 本系统的存储器模块包括：e p r o m2 7 c 5 1 2 程序存储器一片，s r a m6 2 8 1 2 8 和f l a s hm e m o r y 2 9 f 0 1 0 数据存储器各一片。数据存储器的地址译码采用了数据分页技术。荐存储器的地址译码由可 多次殴训开发的c p l d 器件e p m 7 1 2 8 完成。 三、液品显示模块 系统要求有中文操作菜单；在加上程序执行时，在线实时显示刀具移动坐标值并具有一定的图 形显示功能，所以选择日本。阿t e x 公司点阵图形式平板液晶d m f 5 0 1 7 4 n b ，该显示器视域尺寸 为1 1 2 9 2 ( m m ) 、阵列为3 2 0 2 4 0 ，是外配控制器型液晶显示模块。外配器件有s e d l 3 3 5 显示控 制器，驱动电源( d c d c ) 电路、冷阴极管( c f l ) 背光源驱动电源。为设计方便这三个配件应与 d m f 5 0 1 7 4 n b 同时配套购买。 四、输入，输出开关量接口模块、电机伺服接口模块 4 东南大学硕士毕业论文 系统的输入输出开关量接口和电机伺服接口若由单片机程序( 软件) 直接控制，难以实现4 轴 联动控制以及进给分辨率达到l m 和1 2 r i l ，m i n 快速移动速度的技术指标，为此，经反复权衡，我” 把以上接口设计成由c p l d 器件e p f l 0 k 2 0 硬件实现逻辑控制，从而大大增强了本系统的可靠性和 控制的灵活性。系统的输入输出开关量信号线与被驱动功率器件间发计了光电隔离电路，从而进一 步提高了抗干扰性能和本系统的可靠性。 五、模拟主轴接口模块 平稳驱动主轴需要连续平滑变化的模拟信号，因此主轴接口模块的设计从实质上来说是一个 d a 变换为核心昀功能模块电路。由于8 0 c 1 9 6 k c 本身具有脉宽调制( p w m ) 输出功能，故直接使 用单片机p w m 引脚实现数模变换可省略d ，a 转换器，降低系统成本。 本系统采用8 0 c 1 9 6 k c 删引脚发山驱动主轴的模拟信号，该信号经光电隔离再通过7 4 h c l 4 和r c 网络滤波，最后经o p - 9 0 放大器放大就得到主轴变频器所需的模拟控制信号。 穴、输入面板模块 为了满足本系统人机交流的要求，扩展了一个8 * 8 的面板键盘共6 4 个按键。按键的扫描和键 值读取帕陈列利用e p m 7 1 2 8 充足的门阵列再次开发实现，从而提高了e p m 7 1 2 8 资源利用率和本 系统的集成度。 七、电源模块 本系统直接采用外购+ 5 v 电源作为以单片机为核心的主体数字集成电路芯片的v c c 。 另外利片j 机床提供的+ 2 4 v 电源，经过7 8 l 0 5 和7 8 ll 2 电源转换模块得到+ 5 v 和+ 1 2 v 两个稳压 电源供光电隔离电路和主轴模拟信号调制电路使用。 东南大学硕士毕业论文 第三章数控系统加工控制原理与应用设计 3 1数控系统的工作过程 数控机床自动加二零件，需经过预先将零件加工轨迹的图形、尺寸和：= | = = 艺参数以及辅助功能等 各种信息编制成按一定格式书写的数控加工程序，然后把这些程序存入系统数据存储器，对其进行 译码、数据处理、运算、输出控制和功率驱动等操作过程才能实现。 数控语言程序是由一个个程序段组成的，而程序段一般用文字代码( a s c 码) 表示，如程序 段：n 1 0 0 g o ix 2 0 0 y 1 5 0 f 5 0 0 。其中n 1 0 0 代表程序段顺序段号，g o i 代表直线插补，x 2 0 0 和y 1 5 0 代表x 轴和y 轴移动的距离，f 代表进给速度是5 0 0 i i i l “i n i n 。本系统采1 1 1 ；j 的代码功能含义可参考本 论文第六章的解释说明。 数控系统自动加工流程如图3 1 所示。 一一塑壁塑一一， 图3 i数控系统自动加工工作流程图 数控系统上作时首先将根据零件加 要求编制的数控语言程序，通过面板键盘或上位机下载输 入存储器。自动加工时，在系统数据存储器中开辟一个加工程序缓冲区，将整个零件加工源程序一 次送入加f 程序缓冲区，随后再逐段进行处理。在d n c 加工时，加工程序很大，无法一次f 载到加 j ：程序缓冲区中，此时系统采用的措施是：数控系统一边加工处理，一边与上位计算机通信下载加 工程序，通过适当选择通信波特率，保证系统与上位计算机下载加工程序的通信速度大于系统加工 速度。这样就能做到在零件加上= 完毕之前，加1 程序缓冲区始终不会为空，程序段之间的加工就不 会有停顿，也就不会产生加工停刀刀痕。 加工程序输入后，启动数控系统运行，系统从加1 ：程序缓冲区逐段读山数控加j 二程序进行解释 译码，生成供插补程序和机床各种控制程序需要的内部形式信息表。译码结束后，接着进行数据预 处理，为插补运算作准备。预处理进给方向判断、进给速度换算和机床辅助功能判断等，以最直接、 最方便形式的数据送入零件加工缓冲区提供给系统进行插补运算。本系统的解释译码软件设计详见 笫七章。 插补运算是为了控制加：【：运动轨迹所必需的种运算。它根据数控语言g 代码提供的轨迹类型 ( 直线、顺圆或逆圆) 及所在的象限、平面等选择相应的插补运算公式，保证在一定精度范冈内计 算出一段直线或圆弧一系列中间点的坐标，并逐次以增量坐标值的脉冲序列形式输出，使伺服电机 以一定速度移动，控制刀具按预定的轨迹加t 。 输出环节实现对机床的进给伺服电机和m 、s 、t 和f 等辅助功能的控制，从而实现启动机床主 轴、改变主轴速度、换刀和控制加上进给运动等整个数控加工功能。因为数控系统是一个弱电系统， 单片机和c p l d 芯片i ，o 引脚输出信号的功率不足以直接驱动机电设备，因此通常通过中间继电器 实现弱控强转换驱动。中间继电器和机床由机床厂家根据不同的机床动作要求自行设计配置，故奉 论文不再深入讨论。 6 东南大学硕士毕业论文 3 2轮廓插补 数控系统如何使切削加工刀具运动沿着预定的零件轮廓轨迹运动呢? 这实际上是数控系统如何 实时进行插补运算，并及时实现按一定规律分配进给脉冲控制伺服电机的进给方向和进给量，使电 机按照预定的零件轮廓轨迹运动的问题。目前，数控系统采用的插补运算算法人体上可归纳为两类： 一类称“一次插补法”，其特点是每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，常用的有逐点比较 法和数字积分器，这类算法进给速度受到限制；另一类称“二次插补法”，它将插补功能分为粗插补 和精插补两部分完成，常用的有时间分割法和扩展数字积分器法。这类算法，在每个插补运算周期 输出的不是单个脉冲，而是线段，因而能显著提高进给速度和加工效率。本数控系统采用的就是加 t 效率相对提高的“二次插补法”。 本数控系统用“时间分割法”进行粗插补运算，求出一个插补刷期内各联动轴应移动的进给增 量值，这部分的运算由c p u 外部中断程序完成：再用“数字积分法”进行精插补运算，将各轴进给 增量值变换成进给脉冲序u 控制伺服电机运动，这部分的运算由白行设计开发的c p l d 模块完成， 不l j _ 崩c p u 资源。因此本数控系统粗插补与精插补从时间上看是同步进行的。系统在c p l d 进行 本次插补周期的精插补运算的同时c p u 进行r 一个插补周划的粗插补运算，从真正意义上实现了电 机无间隙运动，这是目前经济型数控系统无法实现的。 3 2 1 粗插补时间分割法 时间分割法的插补运算原理是根据进给速度，计算出每个吲定时间( 插补周期) 内的总进给量 然后进行插补运算，求出这个插补周期各联动轴应移动的进给增量值。 一、直线插补 空间直线o a 的起点。为坐标原点，终点a 的坐标值是x e 、y e 、z e ，见图3 2 。 设伺服电机进给速度f ( i n 州曲n ) ，本数控系 统插补周期为l o m s ，每l o m s 中断一次进行粗插补 计算每l o m s 的合成插补进给量为f t ( m ) 。则 有f t = f l o o o 1 0 ，( 6 0 1 0 0 0 ) = f ，6 随后，根据编程的终点坐标值x e 、y e 、z e 可计算 出直线o a 在各坐标轴上的分量： xp ：_ 7 垒一： x 2 + 2 + 乙2 y 。e ： 亏丝亍i q x e 。+ y e + z e 2 图3 2 空间直线插补 z 。= 1兰!： 妇2 + 2 + 乃2 从而求得每1 0 m s 各坐标轴的进给位移量( 简称段值) ： x = f ，x p ： y = l 妇： z = f ，z p： 假设x r 、y r 、z r 为加工程序段中尚未插补输出的量( 简称剩余量) ，它”j 的初值分别为 7 东南大学硕士毕业论文 x r = x e： y r = y e： z r = z e： 每进行一次插补运算，输出一组段值x 、l ，、z ，同时进行一次如下计算 x r = x r 一x = ，r 一y z r = z r 一娩 从而递推求得新的剩余值。 当 l 刮 l 从 l 叫c 眇i 俐 o ，z i x 。i ，故取x 轴为k 轴。这时先求x 。根据图中几何关系得： l x 1 = c o s ( 口h + 口) c o s 胪c o s - t + 扣：幕：等z ， 式( 3 - 2 ) 的右边有未知数文y ，可采用近似处理来获得。 由丁占：r 一石丽i 脉冲当量，且d l x i 时，应取y 轴作为长轴，这时戍先求b = l s i n 心一。+ 口2 ) ，同理可 y 尸篑cb + ；硝。， 缱尸归i l i 砰 2 算法实现 通过上述分析斤，可将圆弧插补的公式汇总如下： 当m 忖丛- ：等( 呓峨) 毕肛i l i 西了 当阻眺忖晔等( k 哇峨- ) x 产一墨一尺2 一(+ y f ) ! x ：、e 的初值为蚪。= 0 t k = o 。 g 一5 ) o 一6 ) g 一7 n ) g 一7 6 ) g 一8 a ) g 一曲) 动点坐标为：x 。= x h + 趟。，= e 一+ ，】； ( 3 9 ) 对于式3 7 和式3 8 中“”号的选取与圆弧所在象限和i x 域有关。根据长轴和短轴的定义条 件可用两条直线y = x 和y = 一x 将x o y 平面的四个象限 划分成如图3 5 所示的四个区域i 区、i i 区、i i i 区和区。 显然，式3 7 适用丁i 区和i i t 区，式3 8 适用于i f 区和i v 区。 进一步对丁i 区而言，由丁，o ，吲此t 一。+ x o 。 即一。+ i = i 丁二i i ：i 面o = 一一+ i 了二i 夏_ ；= i 面 ，所以 ( 3 一l o ) 对于i 区而言，由于y 0 ，因此，一。+ i o 。即 。+ = 一0 f 二五：了面万蔓o ， 所以有 i = 一誓一。一i f 二i i _ ：= i 可( 3 - 1 1 ) 图3 5x o y 中面区域划分图 同理，对于i i 区而言，根据x o ，可推得：“。= 一x 。+ 、压f i 军了五矿 ( 3 一1 2 ) 对丁二区而言，根据x 0 ，可推得：甜= 一x 一、k 2 一( f + y ) 2 ( 3 - 1 3 ) 通过比较式3 一l o 3 一1 3 可以看出，这里只需要采用i 区和i i 区的两套插补公式就足够了，而i i i 区和区的情况则通过符号标志w l 的转换来实现。另外，由于以上推导过程均是在刀具沿顺时针 方向运动情况下进行，若进一步考虑逆圆插补( 刀具沿逆时针方向运动情况) 后，则还需引入另一 个符号标志w 2 来实现转换。据此殴计山软件中断程序流程图如图3 6 所示。冈在插补算法中全部采 用带符号的代数值进行运算，所以，上述算法不仅能适用下顺、逆圆的插补，而且还能实现自动过 东南大学硕士毕业论文 象限功能。在插补运算中每个插补周期计算出的各轴增量值存在增量值变量x 1 s 、y l s 、z r n s 中。 图36 圆弧插补运算流程图 3 终点判别 对于用时间分割法进行圆弧插补，由于插补点坐标和进给坐标增量均采削带符号的代数形式进 行运算。显然利用当前插补点( x ，y i ) 与该零件圆弧轮廓终点( x e ，y 。) 之间的距离s i 米进行终 点判别是最简单明了的，即判断到达终点的条件为 s = ( x 一k ) + ( y i y e ) 2 印 当加工速度f 很小时，f t 也很小，如f 等于l m m ，m i n 时f t 约等于o 1 6 7 m ，小于系统的最小分辨率 l m ，此时插补点永远无法满足上式，这种情况下的终点判别要通过设定最小终点允许误差e 删n 实 现。当插补点满足 ( x i k ) 2 + ( y i y e ) 2 e l i l i n 2 认为圆弧插补到达终点。系统取e r n i n 等于4 u m 。 综上所述，当插补点坐标值满足上述两式中任何一个时，认定动点到达轮廓圆弧曲线的终点， 将相应标志位j 噜o n g 嗵h e a d 】g n a g 清o ，结束本段圆弧插补运算a 三、误差分析 在直线插补过程中，由于给定轮廓本身就是直线，插补分割后的小线段与给定直线是重合的， 东南大学硕士毕业论文 也就不存在插补误差问题。但在圆弧插补过程中采用切线内接弦线，显然，这些微小直线不可能完 全与圆弧相重合，从而造成了轮廓径向误差，从前面的插补公式可知轮廓插补误差主要来自轮廓径 向误差。为保证轮廓插补误差在本系统加工精度要求l “m 内，下面对轮廓径向误差与进给速度的关 系加以分析。 如图3 7 所示弦线逼近圆弧的情况，其最大径向误差 一 e 。为： p ，= 尺l l c o s ( 口，2 ) l ( 3 一1 4 ) 。 式中r 为被插补圆弧半径：口为步距角，每个插补周 期1 0 m s 所走弦线对应的圆心角，且 口= l ，尺= f ，( 6 尺)( 3 1 5 ) ： 为了满足本系统加工精度要求，系统给定的最大径向误 差e r 为l m 后，也可求出最大的步距角口为 rp 、 。= 2a r c c 0 8 l1 一音l 。 n 由于口很小，现将c o s ( 口2 ) 按幂级数展开，有 。 。( 垒兰) ：l 一! 垒竺! ! ! ：+ ! 垒竺! 型：一 22141 图37 圆弧插补 x 现取其中的前两项，带入式3 1 4 和3 1 5 ，得： 铲足一r l l 一型i ：堡r ：上f ：( 3 _ 1 6 ) l 21 j 82 8 8 r 可见在圆弧插补过程中，插补周期固定时，插补误差e ，与被插补圆弧半径r 和加工程序指定的 进给速度f 有关若f 越大或r 越小，则插补误差就越大。但对于加工程序给定的某段圆弧轮廓来 讲r 是固定的，必须将进给速度控制在一定范围内才能达到加工精度。 由式3 一1 6 可知，为了保证晟大径向误差不超过l “m ，j i ! l j 要求进给速度f 满足公式3 1 7 ： f 、愿面i 丽( 3 1 7 ) 本系统通过设定系统加上参数“最大切削速度”米保证进给速度f 满足精度要求。 3 2 2精插补数字积分法 精插补的任务是将粗插补运算得到的各轴直线进给增量值x m s 、y m s 、z m s 、a m s 变换成进给 脉冲序列控制伺服电机运动。 数字积分法也称d d a 法( d 垮i t a id i f f e r e n t i a la n a l y z e r ) ，数字积分法插补的最大优点一是易于 用硬件逻辑电路实现积分运算，可以在c p l d 模块中实现，不占用c p u 资源；二是易丁| 实现三个或 三个以上坐标轴的插补，因为每个坐标轴的插补对应一个d d a 模块，多个d d a 模块的组合就可以 实现多个坐标轴联动的插补。基丁上述理由本系统采用数字积分法完成精插补。 一、积分法基本原理 从几何上讲，一个平面内，任意一条曲线x = ，( f ) 所包括的面积s 为： s = j ，出 当址取得足够小时，上式公式可变为累加求和的公式： s = j ，( f ) 出= f 若t 取最小单位为i 时，则 s = 崩 l ：0 这样，求积分的运算就化为求坐标值累加运算了。若令累加器的容量为一个单位面积，累加过 东南大学硕士毕业论文 程中超过一个单位面积时，产生溢出，那么累加过程中所产生的溢出脉冲总数，就是要求的总面积， 也就是所要求的积分值。 二、数字积分直线插补 由于在粗插补运算时，已经得到的各轴直线进给增量值x r n s 、y m s 、z r n s 、a m s ，精插补运算 只需要对这些增量进行数字积分直线插补。 以x o y 平面为例，如图3 8 加工速度与坐标存在这以下关系 旦：旦：旦：d o px m sy m s d 为比例常数。利用上式能很容易求得出时 的位移量。即 x = v x 垃= d x m s & ； y = 屹f = d f ： 上式是积分公式求利的瞬间值，它也可利用 累加求和的办法分别求出x 、y 的位移量，即 x = 似= d 胁越； f = i y = y = d 血。； # i 上式中的d 、x m s 、y m s 都是常数，如取f = l y y ox x 图38 速度与坐标的关系图 则上式变为 y m s ) x = d x s j = 如x m s ； 2 l y = d 妇越= 如s ： 忙e 由上式中的如= l ，有d = l ，n 。即加工粗插补所得的增量直线o p ，先将坐标值x m s 、y r n s 缩 小到d 砌 和d y ，m ，而后经n 次累加就可得出符合增量直线轨迹的坐标值。 在具体实现时，每个轴的数字积分器通常可由两个容量相容的寄存器j r 、j 。和一个加法器( ) 组成，如图39 所示，其中j v 存放被积增量坐标值x r n s 、y