数控系统的加工控制原理

1、第第2 2章章 数控系统的加工控制原理数控系统的加工控制原理 2.1 2.1 概述概述 2.1.12.1.1插补的基本概念插补的基本概念 数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、完成所谓的数据刀具的一系列加工点、完成所谓的数据“密化密化”工作。工作。 插补有二层意思：插补有二层意思： 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；等）； 二是用基本线型拟和其它轮廓曲线。二是用基本线型拟和其它轮廓曲线。 插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补

2、运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。国封锁的技术。 计算机数控：计算机数控： 利用计算机强大的数值计算和信息处理能力，利用计算机强大的数值计算和信息处理能力，对产品加工过程进行数字化信息处理与控制。对产品加工过程进行数字化信息处理与控制。 工艺分析数值计算后置处理轨迹插补信息处理运动控制机床驱动刀具工装机床结构数控加工信息机床控制信息几何工艺信息零件成品计算机 1数控编程计算机 2加工控制加工过程反馈信息 零件 CAD CAM 2.1

3、2.1 概述概述 零件CAD模型加工表面加工表面分解加工路径刀具路径计算刀具路径刀具路径分解数控曲线数控轨迹插补运动指令加工表面形成刀具轨迹合成坐标运动实现刀具轨迹坐标运动加工表面零件成品 分解 合成 * 数控加工原理与实现过程数控加工原理与实现过程 一、数控加工的一、数控加工的“分解与合成分解与合成”原理原理分解分解：将零件设计信息细化为控制机床坐标运动的细微指令。：将零件设计信息细化为控制机床坐标运动的细微指令。合成合成：通过驱动装置实现微小运动，通过机床结构及工艺过程：通过驱动装置实现微小运动，通过机床结构及工艺过程将各坐标轴的微小运动进行合成形成刀具运动轨迹及加工轨迹，将各坐标轴的微小

4、运动进行合成形成刀具运动轨迹及加工轨迹，通过加工轨迹合成形成工件表面。通过加工轨迹合成形成工件表面。 加工路径 加工表面 工件 刀具球心刀具路径加工路径接触点球头铣刀工件 1. 零件加工表面分解零件加工表面分解 加工表面加工表面 - - 加工路径加工路径 - - 刀具路径刀具路径 二、二、数控加工的实现过程数控加工的实现过程 2. 刀具运动路径分解刀具运动路径分解 刀具运动路径刀具运动路径分解分解: : 将刀具运动路径分解成数控系统所能接受和将刀具运动路径分解成数控系统所能接受和执行的最基本的数控曲线。执行的最基本的数控曲线。 分解方法分解方法： (1)(1)直接分解法直接分解法 (2)(2)

5、函数逼近法函数逼近法 (3)(3)曲线拟合法曲线拟合法 3. 数控轨迹插补数控轨迹插补路径、轨迹与轨迹插补：路径、轨迹与轨迹插补： 路径路径表示刀具将要走过的道路，只具有几何形状表示刀具将要走过的道路，只具有几何形状的概念，没有时间上的概念。的概念，没有时间上的概念。 轨迹轨迹表示刀具不仅要沿给定的路径运动，而且还表示刀具不仅要沿给定的路径运动，而且还规定了完成这一运动所需的时间，即轨迹不但具有几规定了完成这一运动所需的时间，即轨迹不但具有几何形状的概念何形状的概念, ,而且还包含速度和加速度等物理概念。而且还包含速度和加速度等物理概念。 插补插补是根据给定的基本数控曲线、刀具路径或零是根据给

6、定的基本数控曲线、刀具路径或零件表面等几何元素描述信息，在这些元素上的已知点件表面等几何元素描述信息，在这些元素上的已知点之间，按要求的精度和速度进行坐标点密化的过程。之间，按要求的精度和速度进行坐标点密化的过程。 X Y y x 被插补曲线 插补轨迹 Xs,Ys Xe,Ye Y X O Xs,Ys Xe,Ye 插补轨迹 被插补曲线 插补点 Y X O Xs,Ys Xe,Ye 粗插补直线段 被插补曲线 粗插补点 精插补点 轨迹插补方法轨迹插补方法(1)(1)脉冲增量插补脉冲增量插补(2)(2)数据采样插补数据采样插补(3)(3)混合插补混合插补 2.2 2.2 插补方法的分类插补方法的分类 硬

7、件插补器硬件插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器 软件插补器软件插补器 软硬件结合插补器软硬件结合插补器1.1.基准脉冲插补基准脉冲插补 每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。2.2.2 2.2.2 插补方法的分类插补方法的分类 2.2.数据采样插补数据采样插补 采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲

8、线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的近给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。 数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法等。一、基准脉冲插补一、基准脉冲插补 1 1 逐点比较法逐点比较法 早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法，适早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步法，适 用于开环系统。用于开环系统。1.1.插补原理及特点插补原理及特点 原理原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每

9、走一步都要通过通过偏差函数计算偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标同规定加工轨迹，判断偏差点的瞬时坐标同规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。 逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲安插补。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲安插补。特点特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。调节方便。 2.2.逐点比较法直线插补逐点比较

10、法直线插补（1 1）偏差函数构造）偏差函数构造 对于第一象限直线对于第一象限直线OAOA上任一点上任一点(X,Y):(X,Y):X/Y X/Y = = XeXe/Ye /Ye 若刀具加工点为若刀具加工点为PiPi（X Xi i，Y Yi i），），则该点的偏差函数则该点的偏差函数F Fi i可表示为可表示为 若若F Fi i= 0= 0，表示加工点位于直线上；表示加工点位于直线上；若若F Fi i 0 0，表示加工点位于直线上方；表示加工点位于直线上方；若若F Fi i 0 0，表示加工点位于直线下方。表示加工点位于直线下方。（2 2）偏差函数字的递推计算）偏差函数字的递推计算采用偏差函数的递

11、推式（迭代式）采用偏差函数的递推式（迭代式）既由前一点计算后一点既由前一点计算后一点0eeXYYXeieiiYXXYFYXF0Pi i (Xi i,Yi i)Ae (Xe,Ye)O F Fi i = =Y Yi i X Xe e - -X Xi iY Ye e若若F Fi i=0=0，规定向规定向 +X +X 方向走一步方向走一步 X Xi i+1 +1 = = X Xi i +1+1 F Fi i+1 +1 = = X Xe eY Yi i Y Ye e( (X Xi i +1+1) )= =F Fi i - -Y Ye e若若F Fi i00，规定规定 +Y +Y 方向走一步，则有方向走一

12、步，则有 Y Yi i+1 +1 = = Y Yi i +1+1 F Fi i+1 +1 = = X Xe e( (Y Yi i +1+1)-)-Y Ye eX Xi i = =F Fi i + +X Xe e（3 3）终点判别）终点判别直线插补的终点判别可采用三种方法。直线插补的终点判别可采用三种方法。1 1）判断插补或进给的总步数：；）判断插补或进给的总步数：；2 2）分别判断各坐标轴的进给步数；）分别判断各坐标轴的进给步数；3 3）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。 （4 4）逐点比较法直线插补举例）逐点比较法直线插补举例 对于第一象限直线对于

13、第一象限直线OAOA，终点坐标终点坐标X Xe e=6 ,Y=6 ,Ye e=4=4，插补从直线起点插补从直线起点O O开始，开始，故故F F0 0=0 =0 。终点判别是判断进给总步数终点判别是判断进给总步数N=6+4=10N=6+4=10，将其存入终点判别计数器将其存入终点判别计数器中，每进给一步减中，每进给一步减1 1，若，若N=0N=0，则停止则停止插补。插补。 步数步数判别判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0 0 F F0 0=0=0=10=101 1F=0F=0+X+XF F1 1=F=F0 0-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=10-1=9=10-1=9

14、2 2F0F0F0+X+XF F3 3=F=F2 2-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=8-1=7=8-1=74 4F0F0F0+X+XF F5 5=F=F4 4-y-ye e=4-4=0=4-4=0=6-1=5=6-1=56 6F=0F=0+X+XF F6 6=F=F5 5-y-ye e=0-4=-4=0-4=-4=5-1=4=5-1=47 7F0F0F0+X+XF F8 8=F=F7 7-y-ye e=2-4=-2=2-4=-2=3-1=2=3-1=29 9F0F0F0+X+XF F1010=F=F9 9-y-ye e=4-4=0=4-4=0=1-1=0=1-1=0OA987543

15、21610YX3.3.逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补 （1 1）偏差函数）偏差函数 任意加工点任意加工点P Pi i（X Xi i，Y Yi i），），偏差函数偏差函数F Fi i可表示为可表示为若若F Fi i=0=0，表示加工点位于圆上；表示加工点位于圆上；若若F Fi i00，表示加工点位于圆外；表示加工点位于圆外；若若F Fi i0 0F 0（2 2）偏差函数的递推计算）偏差函数的递推计算 1 1） 逆圆插补逆圆插补 若若FF0 0，规定向规定向-X-X方向方向 走一步走一步 若若F Fi i00，规定向规定向+Y+Y方向方向 走一步走一步 2 2） 顺圆插补顺圆插补 若若F F

16、i i00，规定向规定向-Y-Y方向方向 走一步走一步 若若F Fi i00，规定向规定向+y+y方向方向 走一步走一步（3 3）终点判别）终点判别 1 1）判断插补或进给的总步数：）判断插补或进给的总步数： 2 2）分别判断各坐标轴的进给步数）分别判断各坐标轴的进给步数； , 12) 1(122211iiiiiiiXFRYXFXX12) 1(122211iiiiiiiYFRYXFYY12) 1(122211iiiiiiiYFRYXFYY12) 1(122211iiiiiiiXFRYXFXXbabaYYXXNbaxXXNbayYYN（4 4）逐点比较法圆弧插补举例）逐点比较法圆弧插补举例 对于

17、第一象限圆弧对于第一象限圆弧ABAB，起点起点A A（4 4，0 0），），终点终点B B（0 0，4 4） ABYX44步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给 偏差计算偏差计算坐标计算坐标计算终点判别终点判别起点起点 F F0 0=0=0 x x0 0=4, y=4, y0 0=0=0=4+4=8=4+4=81 1F F0 0=0=0-x-xF F1 1=F=F0 0-2x-2x0 0+1+1 =0-2 =0-2* *4+1=-74+1=-7x x1 1=4-1=3=4-1=3y y1 1=0=0=8-1=7=8-1=72 2F F1 100+y+yF F2 2=F=F1 1+2y+2y1

18、 1+1+1 =-7+2 =-7+2* *0+1=-60+1=-6x x2 2=3=3y y2 2=y=y1 1+1=1+1=1=7-1=6=7-1=63 3F F2 200+y+yF F3 3=F=F2 2+2y+2y2 2+1=-3+1=-3x x3 3=4, y=4, y3 3=2=2=5=54 4F F3 3000-x-xF F5 5=F=F4 4-2x-2x4 4+1=-3+1=-3x x5 5=4, y=4, y5 5=0=0=3=36 6F F5 5000-x-xF F7 7=F=F6 6-2x-2x6 6+1=1+1=1x x7 7=4, y=4, y7 7=0=0=1=18

19、8F F7 700-x-xF F8 8=F=F7 7-2x-2x7 7+1=0+1=0 x x8 8=4, y=4, y8 8=0=0=0=04.4.逐点比较法的速度分析逐点比较法的速度分析 式中：式中：L L 直线长度；直线长度；V V 刀具进给速度；刀具进给速度；N N 插补循环数；插补循环数；f f 插补脉冲的频率。插补脉冲的频率。所以：所以：刀具进给速度与插补时钟频率刀具进给速度与插补时钟频率f f 和与和与X X轴夹角轴夹角 有关有关 fNVLsincosLLYXNeecossinfV5.5.逐点比较法的象限处理逐点比较法的象限处理 （1 1）分别处理法）分别处理法 四个象限的直线插

20、补，会有四个象限的直线插补，会有4 4组计算公式，对于组计算公式，对于4 4个象限的逆个象限的逆时针圆弧插补和时针圆弧插补和4 4个象限的顺时针圆弧插补，会有个象限的顺时针圆弧插补，会有8 8组计算公组计算公式式（2 2）坐标变换法）坐标变换法 用第一象限逆圆插补的偏差函数进行第三象限逆圆和第二、用第一象限逆圆插补的偏差函数进行第三象限逆圆和第二、四象限顺圆插补的偏差计算，用第一象限顺圆插补的偏差函四象限顺圆插补的偏差计算，用第一象限顺圆插补的偏差函数进行第三象限顺圆和第二、四象限逆圆插补的偏差计算。数进行第三象限顺圆和第二、四象限逆圆插补的偏差计算。 顺圆顺圆逆圆逆圆2.3 2.3 数字积分

21、法数字积分法 用数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的位移，数用数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的位移，数 字积分法又称数字微分分析（字积分法又称数字微分分析（DDA）法法.1. DDA直线插补直线插补 （1）原理：）原理：积分的过程可以用微小量的累加近似：积分的过程可以用微小量的累加近似： 由右图所示由右图所示 则则X、Y方向的位移方向的位移 （积分形式）（积分形式） tVYtVXYX KYVXVLVeYeX tKYYtKXXee XYA(Xe,Ye)VyXYA(Xe,Ye)VxVyVO Y X t0dteKYYt0dteKXXL （累加形式）（累加形式） 其中，其中，m为累加次数（容量）取为整

22、数，为累加次数（容量）取为整数，m=0=02 2N-1-1，共，共2 2N 次次( (N N为累加器位数为累加器位数) )。令令t t =1,=1,mK K =1 =1，则则K =K =1/m=1/1/m=1/2N。 则则（2 2）结论：）结论：直线插补从始点走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每经过一个直线插补从始点走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每经过一个单位时间间隔，分别以增量单位时间间隔，分别以增量kxkxe e（x xe e / / 2N ）及）及k k （y ye e / / 2N ）同时累加的过程。）同时累加的过程。累加的结果为：累加的结果为： m1ieem1ieetmKYtYK

23、YtmKXtXKX mieNemieNeYYYXXX1122eeYYXX DDADDA直线插补：以直线插补：以X Xe/2e/2N N 、y ye/2e/2N N （二进制小数，形式上即（二进制小数，形式上即X Xe e、y ye e ）作为被积函数，同时进行积分（累加），）作为被积函数，同时进行积分（累加），N N为累加器的位数为累加器的位数，当累加值大于当累加值大于2 2N N -1-1时，便发生溢出，而余数仍存放在累加器中。时，便发生溢出，而余数仍存放在累加器中。积分值积分值= =溢出脉冲数代表的值溢出脉冲数代表的值+ +余数余数 当两个积分累加器根据插补时钟脉冲同步累加时，用这些溢出当

24、两个积分累加器根据插补时钟脉冲同步累加时，用这些溢出脉冲数（最终脉冲数（最终X X坐标坐标X Xe e个脉冲、个脉冲、Y Y坐标坐标y ye e个脉冲个脉冲）分别控制相应坐标分别控制相应坐标轴的运动，加工出要求的直线。轴的运动，加工出要求的直线。（3 3）终点判别）终点判别 累加次数、即插补循环数是否等于累加次数、即插补循环数是否等于2 2N N可作为可作为DDADDA法直线插补判法直线插补判别终点的依据。别终点的依据。 （4 4）组成：二坐标）组成：二坐标DDADDA直线插补器包括直线插补器包括X X积分器和积分器和Y Y积分器，每个积积分器，每个积分器都由被积函数寄存器分器都由被积函数寄存

25、器J JVXVX（速度寄器）和累加器速度寄器）和累加器J JRXRX（余数寄存余数寄存器）组成。初始时，器）组成。初始时，X X被积函数寄存器存被积函数寄存器存X Xe e， Y Y被积函数寄存器存被积函数寄存器存y ye e。2.DDADDA法直线插补举例法直线插补举例插补第一象限直线插补第一象限直线OEOE，起点为起点为O O（0 0，0 0），），终点为终点为E E（5 5，3 3）。）。取被积函数取被积函数寄存器分别为寄存器分别为J JVXVX、J JVYVY，余数寄存器余数寄存器分别为分别为J JRXRX、J JRYRY，终点计数器为终点计数器为J JE E，均均为三位二进制寄存器。

26、为三位二进制寄存器。 累加次数 X积分器 Y积分器 终点计数器JE 备 注 JVX(Xe)JRX溢出 Jvy(Ye)JRy溢出0101000011000000初始状态1101101011011001第一次迭代21010101011110010X溢出31011110110011011Y溢出41011001011100100X溢出51010011011111101X溢出61011100110101110Y溢出71010111011101111X溢出810100010110001000X,Y溢出tA(5,3)XY3. DDA3. DDA法圆弧插补法圆弧插补(1)(1)DDADDA法圆弧插补的积分表达

27、式法圆弧插补的积分表达式由由令令则则圆弧插补时，是对切削点的圆弧插补时，是对切削点的即时坐标即时坐标X Xi i与与Y Yi i的数值的数值分别进行累加分别进行累加 KXVYVRViYiXiXKYViYKXV 1tNK21miiNmiiNXYYX112121VVyVxPABRXYO (2) 其特点是：其特点是：1) 各累加器的初始值为零，各寄存器为起点坐标值；各累加器的初始值为零，各寄存器为起点坐标值；2) X被寄函数积存器存被寄函数积存器存Yi ,Y被寄函数积存器存被寄函数积存器存Xi，为动点坐标；为动点坐标；3) Xi 、 Yi在积分过程中，产生进给脉冲在积分过程中，产生进给脉冲X、Y时，

28、要对相应时，要对相应 坐标进行加坐标进行加1或减或减1的修改；的修改；4) DDA圆弧插补的终点判别要有二个计数器，哪个坐标终点到了，圆弧插补的终点判别要有二个计数器，哪个坐标终点到了， 哪个坐标停止积分迭代；哪个坐标停止积分迭代；5) 与与DDA直线插补一样，直线插补一样，JVX、JVY中的值影响插补速度。中的值影响插补速度。4.4.DDADDA圆圆弧弧插插补补举举例例 YX次序 X积分器X终 Y积分器Y终注(Yi)(Xi)000000001011010000101初始100000001011011010101200000100001011010101100修正Yi3001001010110

29、11110100400101001001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001011000111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000110111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000结束2.4 2.4 数据采样插补数据采样插补 2.4.1 2.4

30、.1 概述概述 1.1.数据采样插补的基本原理数据采样插补的基本原理 粗插补：采用时间分割思想，根据进给速度粗插补：采用时间分割思想，根据进给速度F F和插补周期和插补周期T T，将廓型曲线分割成一段段的轮廓步长将廓型曲线分割成一段段的轮廓步长L L, ,L L= =FTFT，然后计算出每个插然后计算出每个插补周期的坐标增量。补周期的坐标增量。 精插补精插补：根据位置反馈采样周期的大小，由伺服系统完成。根据位置反馈采样周期的大小，由伺服系统完成。 2.2.插补周期和检测采样周期插补周期和检测采样周期 插补周期大于插补运算时间与完成其它实时任务时间之和插补周期大于插补运算时间与完成其它实时任务时

31、间之和 ，现代数控系统一般为现代数控系统一般为24ms，有的已达到零点几毫秒。有的已达到零点几毫秒。插补周期插补周期应是应是位置反馈位置反馈检测采样周期检测采样周期 的整数倍。的整数倍。3.3.插补精度分析插补精度分析 直线插补时，轮廓步长与被加工直线重合，没有插补误差。直线插补时，轮廓步长与被加工直线重合，没有插补误差。 圆弧插补时，轮廓步长作为弦线或割线对圆弧进行逼近，存圆弧插补时，轮廓步长作为弦线或割线对圆弧进行逼近，存在半径误差。在半径误差。eraYYXXOOerlr*rraeriera采用弦线（采用弦线（l）逼近时，见左图。半径为）逼近时，见左图。半径为r的被逼近圆弧最大半径误差的被

32、逼近圆弧最大半径误差er，其对其对应的圆心角为应的圆心角为，由图可推导出：由图可推导出：当采用内外均差（当采用内外均差（ era = eri ）的割线时，半径误差更小，是内接弦的一半；）的割线时，半径误差更小，是内接弦的一半；若令二种逼近的半径误差相等，则内外均差弦的轮廓步长或步距角是内接弦若令二种逼近的半径误差相等，则内外均差弦的轮廓步长或步距角是内接弦时的时的 倍。但由于内外均差割线逼近时，插补计算复杂，很少应用。倍。但由于内外均差割线逼近时，插补计算复杂，很少应用。由上面分析可知：由上面分析可知：圆弧插补时的半径误差圆弧插补时的半径误差er与圆弧半径与圆弧半径r成反比，与插补周期成反比，与插补周期T 和进给速度和进给速度F 的平方成正比。的平方成正比。 r8FTr8le22r 22.4.2 2.4.2 数据采样法直线插补数据采样法直线插补 1.1.插补计算过程插补计算过程