基于89C51的数控算法的研究.doc

基于89C51的数控算法的研究摘要：本文以89C51为软件开发工具来完成数控机床的模拟功能，提出了插补概念，重点提出了实现零件加工的逐点比较法算法。 关键字：数控 插补 逐点比较法The research of Numerical Control analog based on 89C51SHAO WenAbstract:Realize Numerical Control Engine Beds analog function with the software of 89C51。Introduced the concept of interpolation, the most important, introduce the algorithm for the generation of straight lines.Key words:Numerical Control;interpolation;the generation of straight lines数控是数字控制（Numerical Control缩写为NC）的简称。数控系统是用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程。自1952年美国的麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控系统在制造业中得以广泛地应用。半个世纪以来，数控技术无论在硬件还是软件方面发展都很迅速。目前，在市面上已经看不到普通的数控（NC）装置，取而代之的是计算机数控（CNCComputer Numerical Control）装置。它采用存储程序的专用计算机，由软件实现部分或全部数控功能，具有良好的“柔性”，容易通过改变软件来更改功能。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支撑下运行，离开软件硬件无法工作，二者缺一不可。本文从软件和硬件的设计对一些数控算法的实现进行研究。图1所示为基于单片机数控算法的总体框图:图1 总体框图一、 基于PC的数控实现硬件结构硬件部分主要是键盘输入、显示、输出的接口电路。利用键盘向计算机发布命令、传送数据，控系统硬件总体，利用数码管显示计算结果、状态信息。二、 基于PC的数控实现软件结构数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调进行。系统中的各模块功能如图2所示：数控实时操作系统信息预处理加工仿真轨迹插补 图2 基于PC数控系统软件结构1、数控实时操作系统：它是数控实现软件中的核心系统，它对系统中的资源进行调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的通讯和信息交换。2、信息预处理：该模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运算。3、轨迹插补：它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成各坐标轴的移动指令，使刀具根据程序轨迹运动。4、加工仿真模块：该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而可在加工前检验参数输入正确性和机床运动合理性。三、 数控插补技术 直线是构成被加工零件轮廓的基本线型，插补的任务就是根据进给速度的要求，计算出每一段零件轮廓起点与终点之间的插入中间点的坐标值。 （一）象限直线插补原理偏差计算公式在图3中， OE为要加工的直线轮廓，而动点N（Xi，Yi）对应切削刀具的位置。当刀具处于直线下方区域时(F0)， 为了更靠拢直线轮廓，则要求刀具向(+X)方向进给一步；当刀具正好处于直线上时(F=0)，根据上述原则从O(0，0)开始，走一步，算一算，判别F符号，再趋向直线进给，步步前进，直至终点E。这样，通过逐点比较的方法，控制刀具走出一条尽量接近零件轮廓直线的轨迹，如图3中折线所示。当每次进给的台阶(即脉冲当量)很小时，就可将这条折线近似当作直线来看待。显然，逼近程度的大小与脉冲当量的大小直接相关。Y E (Xe，Ye) F0 F=0 F0O X 图3 象限直线插补轨迹为了简化运算，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。 现假设第i次插补后，动点坐标N（Xi，Yi），偏差函数为 若Fi0，则向(+X)方向进给一步，新的动点坐标值为， 因此新的偏差函数为 所以 （3-1） 同样，若Fi0，则向(+Y)方向进给一步，新的动点坐标值为， 因此新的偏差函数为 所以 （3-2） 根据式3-1和3-2可以看出，采用递推算法，偏差函数F的计算只与终点坐标值Xe、Ye有关，新动点的偏差函数可以由上一个动点的偏差函数值递推出来。因此，算法相当简单，易于实现。 综上所述，第一象限内偏差函数与进给方向的对应关系如下： 当F0时，进给(+X)方向，新的偏差函数 当FF FYeF-1=0？Y N 结 束图4 象限逐点比较法直线插补软件流程图（三）不同象限的直线插补实际上，任何机床都必须具备处理不同象限、不同走向轮廓曲线的能力，而这时其插补计算公式和脉冲进给方向都是不同的，但为了处理和实现的方便起见，尽量寻找其间共同规律，以利于优化程序设计，提高插补质量。现将第、象限内直线分别记为L1、L2、L3、L4；现不妨假设有象限直线如图5所示，起点在原点O(0，0)，终点为A(-Xe，+Ye)，则仿照前面方法，很易推得对应的插补算法及进给方向如下：当Fi0时，进给(-X)方向，；当Fi 0时，进给(+Y)方向，。与前面进行比较后发现，当被插补直线处于不同象限时，其计算公式及处理过程完全一样，仅仅是进给方向不同而已。进一步可总结出L1、L2、L3、L4的进给方向如图6和表3-1所示。 +Y +Y A(-Xe，+Ye) L2 L1-X +X -X +X -Y L3 -Y L4 图5 象限直线插补 图6 四个象限直线插补进给方向 表3-1 四个象限直线插补进给方向和偏差计算 线 型 偏差计算 进 给偏差计算 进 给 F0 F0 L1 L2 L3 L4 F-YeFe 由此设计出四个象限内直线插补的通用软件流程图如图7所示。开 始初始化|Xe|Jx，|Ye|Jy f ，=|Xe |+|Ye |Jz F0?L和？L和？J f+ Jx J fJ f- Jy J fJz-1=0? 结束图7 逐点比较法四象限直线插补流程图如果直接利用图7来插补四个坐标轴直线时，将会造成较大的插补误差，显然不太理想。为此，可对这四种特殊情况进行专门处理，即当判出是插补四个坐标轴直线时，可将（+X）轴直线插补归入（+X）进给方向类，将（-X）轴直线插补归入（-X）进给方向类，将（+Y）轴直线插补归入（+ Y）进给方向类，将（-Y）轴直线插补归入（-Y）进给方向类，这样可将其插补误差减小到零。四、结语实现高速高精度加工一直是数控技术研究的重点，但目前多数CNC系统在轨迹控制上依然只有直线等功能，并不具备曲线尤其是任意曲线的加工功能，即具备这项功能，其数控系统的成本也相当大。参 考 文 献1关美华.数控技术TG.重庆：重庆大学出版社.1998.