数控技术-数控插补原理

1,第三章数控插补原理,3.1概述3.2逐点比较法3.3数字积分法3.4数据采样插补3.5其他插补方法简介,2,3.1概述,3.1.1插补的基本概念,数控设备中，刀具的移动轨迹是折线，因此刀具不能严格沿着要求的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要求的运动轨迹曲线。数控系统根据一定方法确定刀具实时运动轨迹的过程称为插补。数控系统中完成插补工作的装置称为插补器，可以分为硬件插补器和软件插补器两类。,3,3.1概述,3.1.2插补方法的分类,从产生的数学模型来分，有一次插补器，二次插补器，高次曲线插补器等。也可以从插补器的基本原理来分类。从插补的计算方法来分，可以主要分为两类：,脉冲增量插补数据采样插补,4,脉冲增量插补脉冲增量插补又称为基准脉冲插补或行程标量插补，这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，即脉冲当量，脉冲当量是脉冲分配的基本单位。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，每个脉冲插补的实现方法较简单（只有加法和移位）可以用硬件实现。目前，随着计算机技术的迅猛发展，多采用软件完成这类算法。脉冲的累积值代表运动轴的位置，脉冲产生的速度与运动轴的速度成比例。由于脉冲增量插补的转轴的最大速度受插补算法执行时间限制，所以它仅适用于一些中等精度和中等速度要求的经济型计算机数控系统。,5,基准脉冲插补方法有以下几种：1、数字脉冲乘法器插补法；2、逐点比较法；3、数字积分法；4、矢量判别法；5、比较积分法；6、最小偏差法；7、目标点跟踪法；8、直接函数法；9、单步跟踪法；10、加密判别和双判别插补法；11、Bresenham算法,6,早期常用的脉冲增量式插补算法有逐点比较法、单步跟踪法、DDA法等。插补精度常为一个脉冲当量，DDA法还伴有运算误差。80年代后期插补算法有改进逐点比较法、直接函数法、最小偏差法等，使插补精度提高到半个脉冲当量，但执行速度不很理想，在插补精度和运动速度均高的CNC系统中应用不广。近年来的插补算法有改进的最小偏差法，映射法。兼有插补精度高和插补速度快的特点。总的说来，最小偏差法插补精度较高，且有利于电机的连续运动。,7,数据采样插补数据采样插补又称为时间分割插补或数字增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小的直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作，为了提高计算速度，缩短计算时间，按以下三种结构方式进行改进。1.采用软/硬件结合的两级插补方案。2.采用多CPU的分布式处理方案。3.采用单台高性能微型计算机方案。,8,数据采样插补方法很多，常用方法如下：1、直接函数法；2、扩展数字积分法；3、二阶递归扩展数字积分圆弧插补法；4、圆弧双数字积分插补法；5、角度逼近圆弧插补法；6、“改进吐斯丁”（ImprovedTustinMethod，ITM）法。近年来，众多学者又研究了更多的插补类型及改进方法。改进DDA圆弧插补算法，空间圆弧的插补时间分割法，抛物线的时间分割插补方法，椭圆弧插补法，Bezier、B样条等参数曲线的插补方法，任意空间参数曲线的插补方法。,9,3.2逐点比较法3.2.1概述逐点比较法又称代数演算法，是经济型数控系统应用较多的一种插补算法。所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”，并且最大偏差不超过一个脉冲当量。,10,逐点比较法的四个工作节拍：（1）偏差判别：判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置；（2）进给控制：根据判别结果控制某坐标工作台进给一步；（3）偏差计算：计算新的加工点对规定轨迹的偏差；（4）终点判别：判别是否到达规定轨迹的终点，到达则停止插补，否则返回第一步。,11,3.2.2逐点比较法第一象限的直线插补计算方法,1偏差判别：Fi=YiXe-XiYe（Fi为偏差函数）Fi=0，插补点P1在直线上；（见图3-1）Fi0，插补点P2在直线上方；Fi=0，向X正向进给一步；Fi0当P点在圆弧内侧时，则OP小于圆弧半径R，即Xi2Yi2R20，插补点P2在圆弧上方（up）；Fi=0，插补点P3在圆弧下方（down）；2进给控制：当Fi0时，向X负向进给一步；当Fi0时，向Y正向进给一步；3新偏差计算：如果向Y正向进给一步，则Fi1=（Xi1）2（Yi1）2R2=Xi2（Yi1）2R2Fi2Yi1同理，如果向X负向进给一步，则Fi1=（Xi1）2（Yi1）2R2=（Xi-1）2Yi2R2Fi-2Xi14终点判别：N=|Xe-Xs|+|Ye-Ys|,四个工作节拍,19,图3-4第一象限逆圆弧插补,20,例3-2设第一象限有一逆圆弧AB，起点A的坐标（6，0），终点B的坐标（0，6）。试用逐点比较法插补。,图3-5逆圆弧插补,21,22,23,圆弧插补进给方向和偏差计算,24,例3-3现欲加工第一象限顺圆弧AB，如图3-6所示，起点A（0，4），终点B（4，0），试用逐点比较法进行插补。图3-6圆弧插补实例,25,圆弧插补过程,26,3.3数字积分法插补,数字积分法又称数字微分分析器（DigitalDifferentialAnalyzer,简称DDA)。采用该方法进行插补，具有运算速度快，逻辑功能强，脉冲分配均匀等特点，且只输入很少的数据，就能加工出直线、圆弧等较复杂的曲线轨迹，精度也能满足要求，而且易于实现多轴联动。因此，该方法在数控系统中得到广泛的应用。,3.3.1概述,27,数字积分的基本原理如图：从时刻t=0到t，函数Y=f(t)曲线所包围的面积可表示为：S=f(t)dt若将0t的时间划分成时间间隔为t的有限区间，当t足够小时，可得公式：S=f(t)dt=Yit即积分运算可用一系列微小矩形面积累加求和来近似。,T,O,Y,Y=f(t),t,Yo,t,t,0,0,t,i=0,n-1,28,若t取最小基本单位“1”，则上式可简化为：S=Yi(累加求和公式或矩形公式）这种累加求和运算，即积分运算可用数字积分器来实现。,n-1,i=0,被积函数寄存器,+,累加器（余数寄存器）,t,Y,存放Y值,29,若取的脉冲当量足够小，求和运算代替积分运算所引起的误差可以不超过允许的数值。数字积分器具有两个寄存器和一个全加器构成。被积函数寄存器JV，和累加寄存器或称余数寄存器JR如取寄存器的容量为一个单位面积值，则累加过程中JR的溢出一个脉冲就表示获得一个单位的面积值。JR总溢出脉冲数即为所求得积分值。,30,被积函数寄存器与累加器相加的计算方法：例：被积函数寄存器与累加器均为3位寄存器，被积函数为5，求累加过程。101101101101+）000+）101+）010+）111101010111100101101101101+）100+）001+）110+）011001110011000经过2=8次累加完成积分运算，因为有5次溢出，所以积分值等于5。,3,31,3.3.2数字积分直线插补,定义：,可得直线参数方程：,在OA点区间内积分：,积分值为从当前点经过（tn-t0）时间后的坐标增量，因为起点是原点，这里积分值即为终点坐标。,32,3.3.2数字积分直线插补,用累加代替积分得：,若取t为1，得：,由上式可知，kn=1，或者k=1/n,令：,则在X，Y方向分别经过n步后，可移动到终点。,33,3.3.2数字积分直线插补,选择k时，应使每次的增量X、Y不大于1，这样保证各坐标轴每次分配进给脉冲是不会超过一个。,其中Xe、Ye的最大允许值受被积函数寄存器容量的限制。假定寄存器有n位，则Xe、Ye的最大允许值为：,若取：,这样可以选定k值满足要求，且累加次数为：,取t为1时的累加为：,（*）,将（*）式代入上式：,34,例：插补第一象限直线OA，起点为O(0,0)，终点为A(5,3)。取被积函数寄存器分别为JVx，JVy，余数寄存器分别为JRx、JRy，终点计数器为JE，且都是三位二进制寄存器。试写出插补计算过程并绘制轨迹。,X,O,Y,1,2,3,4,5,1,2,3,A(5,3),35,插补计算过程如下,累加次数(t）,X积分器,JVx,JRx,溢出X,Y积分器,JVy,JRy,溢出Y,终点计数器JE,备注,0,1,2,3,4,5,6,7,8,101,000,011,000,初始状态,101,101,000,101,101,101,101,101,101,101,011,011,011,011,011,011,011,011,011,111,第一次累加,010,1,110,JRx有进位，X溢出,110,111,001,1,101,JRy有进位，Y溢出,100,1,100,100,X溢出,001,1,111,011,X溢出,110,010,1,010,Y溢出,011,1,101,001,X溢出,000,1,000,1,000,X,Y同时溢出JE=0，插补结束,36,加工轨迹如下：,X,O,Y,1,2,3,4,5,1,2,3,A(5,3),37,3.3.3数字积分圆弧插补如图所示，设加工半径为R的第一象限逆时针圆弧AB，坐标原点定在圆心上，A(Xo,Yo)为圆弧起点，B(Xe,Ye)为圆弧终点，Pi(Xi,Yi)为加工动点。,X,O,Y,A(Xo,Yo),B(Xe,Ye),Pi(Xi,Yi),38,如图所示，可以得到：VVxVyRYiXi即Vx=KYi，Vy=KXi因而可以得到坐标微小位移增量为：X=Vxt=KYitY=Vyt=KXit设t=1，K=1/2则有：,X,O,Y,A(Xo,Yo),B(Xe,Ye),Pi(Xi,Yi),R,V,Vx,Vy,=,=,=K,n,X=,1/2,i=1,m,Yi,Y=,1/2,i=1,m,Xi,n,n,39,由可看出，用DDA法进行圆弧插补时，是对加工动点的坐标Xi和Yi的值分别进行累加，若积分累加器有溢出，则相应坐标轴进给一步，则圆弧积分插补器如图所示：,X=,1/2,i=1,m,Yi,Y=,1/2,i=1,m,Xi,n,n,40,圆弧积分插补器：,JVx(Y)(被积函数寄存器),+,JRy(累加器),JRx(累加器),JVy(X)(被积函数寄存器),+,t,X,X轴溢出脉冲,Y轴溢出脉冲,Y,41,例：设圆弧AB为第一象限逆圆弧，起点A（，0）,终点为B（0,），用DDA法加工圆弧AB。,X,O,Y,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,42,插补计算过程如下：,累加次数(t）,X积分器,JVx（Yi),JRy,溢出X,Y积分器,Jvy(Xi),JRx,溢出Y,X终点计数器,备注,0,1,2,3,4,5,000,000,101,101,初始状态,000,000,000,000,001,001,001,010,010,011,101,101,101,101,101,101,101,第一次累加,000,010,Y溢出,修正Yi,100,001,101,111,100,X,Y无溢出,010,100,011,Y溢出修正Yi,100,001,010,Y溢出修正Yi,1,1,Y终点计数器,101,101,101,101,1,101,43,插补计算过程如下：,累加次数(t）,X积分器,JVx（Yi),JRy,溢出X,Y积分器,Jvy(Xi),JRx,溢出Y,X终点计数器,备注,6,7,9,11,011,111,101,010,无溢出,011,010,110,100,100,100,101,101,101,010,101,100,100,011,011,011,001,XY同时溢出,修正Xi,Yi,010,011,011,000,XY同时溢出,Y到终点停止迭代,100,X溢出修正Xi,Y终点计数器,101,100,010,1,1,8,110,100,100,111,无溢出,1,1,10,111,011,011,1,44,插补计算过程如下：,累加次数(t）,X积分器,JVx（Yi),JRy,溢出X,Y积分器,Jvy(Xi),JRx,溢出Y,X终点计数器,备注,12,101,001,010,X溢出修正Xi,101,101,001,000,Y终点计数器,001,14,011,000,001,1,13,110,001,001,无溢出,1,X溢出修正Xi,X到达终点。,45,3.4数据采样法3.4.1数据采样法原理数据采样插补又称为时间分割法，与基准脉冲插补法不同，数据采样插补法得出的不是进给脉冲，而是用二进制表示的进给量。这种方法是根据程编进给速度F，将给定轮廓曲线按插补周期T（某一单位时间间隔）分割为插补进给段（轮廓步长），即用一系列首尾相连的微小线段来逼近给定曲线。每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出下一个插补点，即算出插补周期内各坐标轴的进给量，如等，得出下一个插补点的指令位置。插补周期越长，插补计算误差越大，插补周期应尽量选得小一些。CNC系统在进行轮廓插补控制时，除完成插补计算外，数控装置还必须处理一些其它任务，如显示、监控、位置采样及控制等。,46,因此，插补周期应大于插补运算时间和其它实