数控系统的软件控制原理

1、数控系统的软件控制原理数控系统的软件控制原理6-1系统软件概述系统软件概述l 硬件硬件和和软件软件的关系是密不可分的。硬件为软件提的关系是密不可分的。硬件为软件提供了活动舞台，是软件的物理基础。而软件是整供了活动舞台，是软件的物理基础。而软件是整个系统的灵魂。整个系统是在软件的控制下，有个系统的灵魂。整个系统是在软件的控制下，有条不紊地进行工作的。条不紊地进行工作的。l 随着计算机技术的不断发展，软硬件在功能方面随着计算机技术的不断发展，软硬件在功能方面的界线越来越模糊，相互之间可替代。一般情况的界线越来越模糊，相互之间可替代。一般情况下，软件执行速度慢（毫秒级），而硬件的执行下，软件执行速度

2、慢（毫秒级），而硬件的执行速度快（微秒级）。为了提高运算速度，速度快（微秒级）。为了提高运算速度，FANUC公司的数控系统，将插补运算分为粗插补和精插公司的数控系统，将插补运算分为粗插补和精插补。目前数控系统都是在硬件、软件两个方面统补。目前数控系统都是在硬件、软件两个方面统筹兼顾和相互结合中寻求最佳的性能价格比。筹兼顾和相互结合中寻求最佳的性能价格比。l 软件分为软件分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两部分。两部分。一、系统软件的组成一、系统软件的组成1.1. 输入程序输入程序将编写好的数控加工程序输入给将编写好的数控加工程序输入给CNCCNC装置装置的方式有：纸带阅读机输入、键盘输入

3、、的方式有：纸带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的算机的DNC(DirectDNC(Direct Numerical Control) Numerical Control)接口输入。接口输入。 通常采用中断方式输入。通常采用中断方式输入。一、系统软件的组成一、系统软件的组成2. 数据预处理程序数据预处理程序 输入的零件加工程序，是用标准数控语言输入的零件加工程序，是用标准数控语言ISO编写的。编写的。预处理注意包括：代码转换、单位换算、语法检查、格预处理注意包括：代码转换、单位换算、语法检查、格式化处理、刀具补偿等。式化处理、刀

4、具补偿等。3. 插补运算程序插补运算程序 插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行上进行“数据点的密化数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。入一些中间点。根据输入的零件的加工程序的数据，经过运算，并根据根据输入的零件的加工程序的数据，经过运算，并根据结果分别向各坐标轴发出进给脉冲，这种运算称为结果分别向各坐标轴发出进给脉冲，这种运算称为“插插补运算补运算”。进给脉冲通过伺服系统驱动刀具和工作台作。进给脉冲通过伺服系统驱动刀具和工作台作相应的运动，进行程序规定的加工。尽可能缩短插补时相应的运动

5、，进行程序规定的加工。尽可能缩短插补时间是关键。间是关键。 一、系统软件的组成一、系统软件的组成4. 速度控制程序速度控制程序主要是控制进给速度。还有启动、停止速度。系主要是控制进给速度。还有启动、停止速度。系统能自动实现加减速的控制，以避免因速度突变统能自动实现加减速的控制，以避免因速度突变而造成驱动程序的失步。而造成驱动程序的失步。 5. 输出控制程序输出控制程序 伺服控制：伺服控制：将插补运算输出的进给脉冲，转变为有关将插补运算输出的进给脉冲，转变为有关坐标轴的进给运动；坐标轴的进给运动； 误差补偿：误差补偿：当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙当进给脉冲改变方向时，要进行反向间隙补偿处

6、理；补偿处理； M、S、T功能的输出：功能的输出：M功能：功能：辅助功能，控制主轴辅助功能，控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开关，的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀等；等；S功能：功能：主要完成主轴转速的控制；主要完成主轴转速的控制；T功能：功能：刀具刀具功能。功能。一、系统软件的组成一、系统软件的组成6. 管理程序管理程序 负责对数据输入、处理、插补运算等各个负责对数据输入、处理、插补运算等各个程序进行调度管理。还要对面板命令、时程序进行调度管理。还要对面板命令、时钟信

7、号、故障信号等引起的中断进行处理。钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。7. 诊断程序诊断程序 功能是在程序运行中及时发现系统的故障，功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件的功能是障发生后，检查系统各主要部件的功能是否正常，不正常时指出故障的部位。否正常，不正常时指出故障的部位。一、系统软件的组成一、系统软件的组成7. 诊断程序诊断程序 CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有启动诊启动诊断断和和在线诊断在线诊断。 启动诊断启动诊断是指是指CNC系统每次

8、从通电开始进入正常的运行系统每次从通电开始进入正常的运行准备状态中，系统相应的内诊断程序通过扫描自动检查准备状态中，系统相应的内诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设是否正常。只有当检查的每系统硬件、软件及有关外设是否正常。只有当检查的每个项目都确认正确无误之后，整个系统才能进入正常的个项目都确认正确无误之后，整个系统才能进入正常的准备状态。否则，准备状态。否则，CNC系统将通过报警方式指出故障的系统将通过报警方式指出故障的信息，此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运信息，此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。行。 在线诊断在线诊断是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应

9、是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的内装诊断程序，通过定时中断周期扫描检查的内装诊断程序，通过定时中断周期扫描检查CNC系统系统本身以及各外设。只要系统不停电，在线诊断就不会停本身以及各外设。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。止。二、系统软件的常见结构二、系统软件的常见结构1. 子程序结构子程序结构 子程序结构按照顺序执行，判断条件，如果满足就执行相应的子程序。子程序结构按照顺序执行，判断条件，如果满足就执行相应的子程序。2. 主程序加中断程序结构主程序加中断程序结构 主程序又称主程序又称后台程序后台程序，是系统的，是系统的主控程序主控程序，完成系统的初始化，程序，完成系统的初始化，程

10、序的输入、编辑和修改、译码、数据处理和调度管理等功能。的输入、编辑和修改、译码、数据处理和调度管理等功能。 中断程序中断程序也叫也叫前台程序前台程序，实现主机对输入输出接口的控制、完成插补、，实现主机对输入输出接口的控制、完成插补、伺服输出、检测等有伺服输出、检测等有实时实时要求的功能。要求的功能。 主程序主程序是一个循环运行的程序，在运行的过程中，是一个循环运行的程序，在运行的过程中，实时程序实时程序不断插入，不断插入，共同完成零件的加工任务。共同完成零件的加工任务。3. 中断程序结构中断程序结构 主程序仅完成系统初始化的工作，初始化完成之后，即自动转入中断主程序仅完成系统初始化的工作，初始

11、化完成之后，即自动转入中断程序。整个软件就是一个大的中断系统，其管理功能主要通过各级中程序。整个软件就是一个大的中断系统，其管理功能主要通过各级中断服务程序之间互相通讯来实现。断服务程序之间互相通讯来实现。 这种结构适合于分布式微机数控方向发展这种结构适合于分布式微机数控方向发展.6-2 6-2 插补方法插补方法一、插补的概念一、插补的概念 插补插补就是完成零件轮廓起点至终点间各中就是完成零件轮廓起点至终点间各中间点的坐标值计算，对各坐标进行脉冲分配，间点的坐标值计算，对各坐标进行脉冲分配，使刀具走出规定的轨迹来。使刀具走出规定的轨迹来。机械零件的轮廓，大多由直线和圆弧构成。因机械零件的轮廓，

12、大多由直线和圆弧构成。因此大多数此大多数CNC系统一般都具有直线和圆弧的插系统一般都具有直线和圆弧的插补功能。补功能。硬件插补与软件插补硬件插补与软件插补插补运算的分类：插补运算的分类：脉冲增量插补：开环系统脉冲增量插补：开环系统数字增量插补：闭环系统数字增量插补：闭环系统脉冲增量插补脉冲增量插补 这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式送给个行程增量，以一个个脉冲的方式送给步进电机步进电机。算法简单，实现速度快。算法简单，实现速度快。 脉冲增量插补适用于以步进电机为驱动装置的开脉冲增量插补适用于以步进电机为驱动装置的开

13、环数控系统。在计算过程中不断向各个坐标轴发环数控系统。在计算过程中不断向各个坐标轴发出互相协调的进给脉冲，以驱动坐标轴电机运动。出互相协调的进给脉冲，以驱动坐标轴电机运动。 一个脉冲所产生的坐标轴的移动量称为脉冲当量一个脉冲所产生的坐标轴的移动量称为脉冲当量，目前普通机床取，目前普通机床取0.01mm，较精密的机床，较精密的机床取取1um或或0.1um 分为分为逐点比较法逐点比较法和和数字积分法数字积分法两种。两种。数字增量插补数字增量插补 这类插补算法的特点是插补运算分为两步这类插补算法的特点是插补运算分为两步来完成。第一步为来完成。第一步为粗插补粗插补，它是在给定起，它是在给定起点和终点的

14、曲线之间插入若干条小直线段点和终点的曲线之间插入若干条小直线段来逼近给定曲线；第二步为来逼近给定曲线；第二步为精插补精插补，它是，它是在每一条微小线段上再做在每一条微小线段上再做“数据点的密化数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。补。适用于闭环和半闭环的直流或交流伺适用于闭环和半闭环的直流或交流伺服系统服系统。二、逐点比较法二、逐点比较法原理：计算机在控制加工过程中，能逐点计算和原理：计算机在控制加工过程中，能逐点计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要的工件，用步进电机拖动机床，其

15、进工出所需要的工件，用步进电机拖动机床，其进给是步进式的，每走一步都要完成四个节拍：给是步进式的，每走一步都要完成四个节拍：1. 偏差判别：偏差判别：判别加工点对规定图形的偏离位置，以决判别加工点对规定图形的偏离位置，以决定进给方向。定进给方向。2. 进给：进给： 沿减少偏差的方向进给一步，以向规定的图形沿减少偏差的方向进给一步，以向规定的图形靠拢。靠拢。3. 偏差计算：偏差计算：计算出进给后的新偏差，作为下一步偏差计算出进给后的新偏差，作为下一步偏差判别的依据。判别的依据。4. 终点判别：终点判别：是否到达终点，若到则停止插补，否则回是否到达终点，若到则停止插补，否则回到第一拍，重复循环。（

16、见到第一拍，重复循环。（见图图6-2、6-3）P点在点在OE下方，下方，OP的斜率小于的斜率小于OE，有：，有： (Y/X)(Ye/Xe) =YXeYeX =YXe-YeX0时，时，P点位于直线点位于直线OE上方上方 F(Ye/Xe) =YXeYeX =YXe-YeX0直线插补运算直线插补运算偏差的判别偏差的判别设加工的轨迹为第一设加工的轨迹为第一象限的一条直线象限的一条直线OE，坐标起点为坐标起点为(0,0)，坐，坐标终点为标终点为(Xe,Ye)。刀具位置为刀具位置为P(X,Y)，有三种情况：有三种情况： 直线插补直线插补进给（第一象限）进给（第一象限）1. F=0，可以朝，可以朝+X或者或

17、者+Y方向走一步，通常规定方向走一步，通常规定走走+X2. F0，控制刀具，控制刀具+X向走向走一步一步3. F=0F0进进给给L1+X+ YL2-X-YL3+X+ YL4-X- Y偏差计算偏差计算F=F-|Ye|F=F+|Xe|四象限直线插补四象限直线插补四象限直线插补四象限直线插补例例6-2 直线直线OA位于第三象位于第三象限，起点为坐标原点，限，起点为坐标原点，终点的坐标值为终点的坐标值为Xe=-3,Ye=-2,试用逐点比试用逐点比较法进行插补。较法进行插补。 解：终点的绝对坐标解：终点的绝对坐标值为值为|Xe|=3,|Ye|=2,因因直线位于第三象限，直线位于第三象限，故进给方向为故进

18、给方向为-X、-Y方向。计数长度方向。计数长度n=|Xe|+|Ye|=5,插补插补过程如图过程如图例例6-2表表6-3 例例6-2的插补过程的插补过程序号偏差判别进给偏 差 计 算终点判别刀具坐标0F0=0n=5（+0，+0）1F0=0-XF1=F0-|Ye|=-2n=4（-1，+0）2F1=-2-YF2=F1+|Xe|=1n=3（-1，-1）3F2=1-XF3=F2-|Ye|=-1n=2（-2，-1）4F3=-1-YF4=F3+|Xe|=2n=1（-2，-2）5F4=2-XF5=F4-|Ye|=0n=0（-3，-2）6插补结束插补结束圆弧插补运算圆弧插补运算 逐点比较法中，一般以圆心为坐标原

19、点，给出圆逐点比较法中，一般以圆心为坐标原点，给出圆弧起点坐标弧起点坐标(X0,Y0)和终点坐标和终点坐标(Xe,Ye)，给出逆，给出逆圆或顺圆（在零件加工程序中，用圆或顺圆（在零件加工程序中，用G02表示顺圆，表示顺圆，G03表示逆圆）表示逆圆） 圆弧的逐点比较插补，与直线逐点插补类同，仍圆弧的逐点比较插补，与直线逐点插补类同，仍采用偏差判别、进给、偏差计算和终点判别四拍。采用偏差判别、进给、偏差计算和终点判别四拍。1.1. 偏差判别偏差判别 设设P(Xi,Yi)为加工动点，则点相对于圆弧也有三为加工动点，则点相对于圆弧也有三种情况：种情况：若若P位于该圆弧上，有：位于该圆弧上，有： 若若P

20、位于该圆弧外，有：位于该圆弧外，有：若若P位于该圆弧内，有：位于该圆弧内，有：由此，可取偏差判别函数由此，可取偏差判别函数Fi:根据的根据的Fi值，可以判断点值，可以判断点P和圆弧的位置关系。和圆弧的位置关系。 圆弧插补运算圆弧插补运算 0222Ryxii0222Ryxii0222Ryxii222RyxFiii圆弧插补运算圆弧插补运算2. 进给（以第一象限逆圆为例）进给（以第一象限逆圆为例） 进给是向使偏差缩小的方向。在进行圆弧进给是向使偏差缩小的方向。在进行圆弧插补的时候，偏差的判别是以圆弧为界，插补的时候，偏差的判别是以圆弧为界，并据此确定进给的方向：并据此确定进给的方向：当当FiFi00

21、时，刀具向时，刀具向X方向（圆内）进给一步；方向（圆内）进给一步；当当FiFi00，则刀具向，则刀具向-X方向走一步，到达方向走一步，到达(X-1,Y)点，则新的偏差点，则新的偏差F有有:1212)(12) 1(222222222XFXRYXRYXXRYXF圆弧插补运算圆弧插补运算3. 偏差计算（第一象限逆圆）偏差计算（第一象限逆圆）设设P点在圆内，点在圆内，F0，则刀具向，则刀具向+Y方向走一步，到方向走一步，到达达(X,Y+1)点，则新的偏差点，则新的偏差F有有:1212)(12) 1(222222222YFYRYXRYYXRYXF 这样我们就可采用递推的方法来计算偏差了。这样我们就可采用

22、递推的方法来计算偏差了。圆弧插补运算圆弧插补运算4.终点判别终点判别 最常用的方法仍是设置一个长度计数器，其计数最常用的方法仍是设置一个长度计数器，其计数长度为两个方向进给步数之和，即长度为两个方向进给步数之和，即 n=|Xn=|Xe e-X-X0 0|+|Y|+|Ye e-Y-Y0 0| | 无论无论X轴还是轴还是Y轴，每发出一个进给脉冲，计数轴，每发出一个进给脉冲，计数长度减长度减1，当计数长度减到零时，表示到达终点，当计数长度减到零时，表示到达终点，插补结束。插补结束。 另外，我们也可以采用另外，我们也可以采用X X、Y Y向分别设置长度计向分别设置长度计数器的方法，进行终点判别。两个计

23、数器均减数器的方法，进行终点判别。两个计数器均减为零时，插补结束。为零时，插补结束。 圆弧插补运算圆弧插补运算 与直线插补不同，与直线插补不同，每进给一步后，每进给一步后，除进行新的偏差除进行新的偏差计算外，还要计计算外，还要计算出新的坐标值，算出新的坐标值，供下一次偏差计供下一次偏差计算用。算用。例例6-3 加工第一象限的一段圆弧加工第一象限的一段圆弧AB，起点，起点A的坐标值为的坐标值为X0=4,Y0=3，终点，终点B的坐标值为的坐标值为Xe=0,Ye=5。使。使用逐点比较法进行插补。用逐点比较法进行插补。解：因从起点开始插补，解：因从起点开始插补，故初始偏差故初始偏差F0=0，终点，终点

24、判断计数器长度判断计数器长度n=|Xe-X0|+|Ye-Y0|=6表6-4 例6-3的插补过程序号偏差判别进给偏 差 计 算终点判别0F0=0，X=4，Y=3n=61F0=0-XF1=F0-2X+1=-7，X=4-1=3，Y=3n=52F1=-70+YF2=F1+2Y+1=0，X=3，Y=3+1=4n=43F2=0-XF3=F2-2X+1=-5，X=3-1=2，Y=4n=34F3=-50-XF5=F4-2X+1=1，X=2-1=1，Y=5n=16F5=10-XF6=F5-2X+1=0，X=1-1=0，Y=5n=0其它象限圆弧的插补其它象限圆弧的插补 我们已经介绍了第一象限逆圆插补的方法，我们已

25、经介绍了第一象限逆圆插补的方法，实际中圆弧还可能位于第二、三、四象限，实际中圆弧还可能位于第二、三、四象限，且每个象限可能是顺圆，也可能是逆圆。且每个象限可能是顺圆，也可能是逆圆。 我们用符号我们用符号SR1、SR2、SR3、SR4和和NR1、NR2、NR3、NR4分别代表各象限的顺圆、分别代表各象限的顺圆、逆圆。逆圆。 根据它们的偏差判别和进给方向，可将它根据它们的偏差判别和进给方向，可将它们归纳成两组。们归纳成两组。其它象限圆弧的插补其它象限圆弧的插补NR1、SR2、NR3、SR4为一组为一组共同特点：共同特点： F=0，X向进给向进给 F=0F=0，Y向进给向进给 F=0F=0,+X,F

26、=F-2|X|+1 F0, +Y,F=F+2|Y|+1O(-4,3)yx(0,5)序号序号偏差判别偏差判别 进给进给偏差计算偏差计算刀具坐标刀具坐标终点判别终点判别0F=0(-4,3)N=61F=0+XF=F-2|X|+1=-7(-3,3)N=52F=-70+YF=F+2|Y|+1=0(-3,4)N=43F=0+XF=F-2|X|+1=-5(-2,4)N=34F=-50+XF=F-2|X|+1=1(-1,5)N=16F=1+XF=F-2|X|+1=0(0,5)N=0圆弧过象限圆弧过象限 为了加工两个象限或两个以上象限的圆弧，为了加工两个象限或两个以上象限的圆弧，圆弧插补程序必须具有自动过象限功

27、能。圆弧插补程序必须具有自动过象限功能。自动过象限包括象限边界处理、过象限判自动过象限包括象限边界处理、过象限判别及数据处理等模块。别及数据处理等模块。 象限边界处理，同起点在坐标轴上的圆弧。象限边界处理，同起点在坐标轴上的圆弧。自动过象限处理自动过象限处理 对于经济型对于经济型CNC系统从系统从插补运算的实时性考虑，插补运算的实时性考虑，可以把自动过象限处理可以把自动过象限处理放在插补之前的预处理放在插补之前的预处理中进行。通过自动过象中进行。通过自动过象限产生单个象限插补数限产生单个象限插补数据，存入插补缓冲区。据，存入插补缓冲区。这样，插补时就可以省这样，插补时就可以省去自动过象限处理时

28、间，去自动过象限处理时间，而只进行一个象限接一而只进行一个象限接一个象限的插补运算和脉个象限的插补运算和脉冲输出。冲输出。数字积分法数字积分法 数字积分法又称数字微分分析法数字积分法又称数字微分分析法DDA(Digital differential Analyzer)，是在，是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补数字积分器的基础上建立起来的一种插补算法。数字积分法的优点是，易于实现多算法。数字积分法的优点是，易于实现多坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次坐标联动，较容易地实现二次曲线、高次曲线的插补，并具有运算速度快，应用广曲线的插补，并具有运算速度快，应用广泛等特点。泛等特点。数字积分法插

29、补原理数字积分法插补原理 设有一函数设有一函数Yf(t)，求，求此函数在此函数在t0tn区间的积区间的积分，就是求出此函数曲分，就是求出此函数曲线与横坐标线与横坐标t在区间（在区间（t0，tn）所围成的面积。如）所围成的面积。如果将横坐标区间段划分果将横坐标区间段划分为间隔为为间隔为t的很多小区的很多小区间，当间，当 t取足够小时，取足够小时，此面积可近似地视为曲此面积可近似地视为曲线下许多小矩形面积之线下许多小矩形面积之和。和。 Y Y=f(t) Yi t0 ti tn t 函数函数Y=f(t)的积分的积分数字积分法插补原理数字积分法插补原理 从微分的几何概念来看，从时刻从微分的几何概念来看

30、，从时刻t0到到t求函数求函数y=f(t)曲线所包围的面积时，可用积分公式曲线所包围的面积时，可用积分公式 如果将如果将0t的时间划分为时间间隔的时间划分为时间间隔t的有限区的有限区间，当间，当t足够小时，可得近似公式足够小时，可得近似公式 如果将如果将t取得足够小，就可以满足我们所需要取得足够小，就可以满足我们所需要的精度。的精度。 dttfSt0 niittydttfS00DDA直线插补直线插补 设在平面中有一直线设在平面中有一直线OA，其起点坐标为原点，其起点坐标为原点O，终点为，终点为A(Xe,Ye)，则该直线方程为，则该直线方程为: 将上式化为对时间将上式化为对时间t的参量方程：的参

31、量方程： 式中式中K为比例系数。为比例系数。 再对参量方程对再对参量方程对t求微分得求微分得 xxyyeetKyytKxxee,dtKydydtKxdxee,DDA直线插补直线插补 然后再积分可得：然后再积分可得： 上式积分如果用累加的形式表达，则近似为上式积分如果用累加的形式表达，则近似为 写成近似微分形式写成近似微分形式dtyKdyydtxKdxxee,nienietKyytKxx11,tKyytKxxee,DDA直线插补直线插补动点从原点出发走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每隔一个单位动点从原点出发走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每隔一个单位时间，分别以增量时间，分别以增量KXe及及

32、KYe同时对两个累加器累加的过程。当累加同时对两个累加器累加的过程。当累加值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出。溢出脉冲驱动伺服系值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出。溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量，从而走出给定直线。统进给一个脉冲当量，从而走出给定直线。若经过若经过m次累加后，次累加后，X和和Y分别到达终点，即下式成立（分别到达终点，即下式成立（t=1）：）： 由此可见，比例系数由此可见，比例系数K和累加次数和累加次数m之间有如下之间有如下关系：关系：Km=1,即即m1/KeemieeemieymKyKyyxmKxKxx11DDA直线插补直线插补 K的数值与累加器的容量有关。累

33、加器的容的数值与累加器的容量有关。累加器的容量应不小于各坐标轴的最大坐标值。一般量应不小于各坐标轴的最大坐标值。一般二者的位数相同，以保证每次累加最多只二者的位数相同，以保证每次累加最多只溢出一个脉冲。设累加器有溢出一个脉冲。设累加器有n位，则位，则K=1/2n 故累加次数故累加次数m=1/K=2n 另一种方法：也可取位移量最大的轴为主另一种方法：也可取位移量最大的轴为主导轴，以主导轴的位移值作为累加计数值。导轴，以主导轴的位移值作为累加计数值。每次都有脉冲输出，提高插补速度。每次都有脉冲输出，提高插补速度。DDA直线插补直线插补综上所述，数字积分法插补过程可归纳如下：综上所述，数字积分法插补

34、过程可归纳如下：设置参数：被积函数设置参数：被积函数KXe、KYe，累加次数，累加次数m=2n，（或，（或m=max|Xe-X0|，|Ye-Y0|。比例常数。比例常数K=1/m，积分初值，积分初值X=0、Y=0。累加：每来一个控制脉冲。累加一次，即累加：每来一个控制脉冲。累加一次，即 XX+KXe YY+KYe 进给：若累加值进给：若累加值X1，则输出一个，则输出一个X方向的进给脉冲，同方向的进给脉冲，同时累加使累加值减时累加使累加值减1，其余数继续参加下一次的累加。对，其余数继续参加下一次的累加。对累加值累加值Y也同样处理。也同样处理。终点判别：每累加一次，累加次数终点判别：每累加一次，累加

35、次数m减减1，若，若m减到减到0则插则插补结束，否则返回步骤，继续累加、进给。补结束，否则返回步骤，继续累加、进给。 例例6-4 设设OA为第一象限直线，为第一象限直线，起点为坐标原点，终点起点为坐标原点，终点坐标值坐标值Xe=7、Ye=5，试用试用DDA法进行插补法进行插补 解解:因因Xe=7，Ye=5，均，均小于小于23，故取，故取m=23=8，K=1/8，则被积函数，则被积函数KXe=7/80.875，KYe=5/8=0.625，设积，设积分初值分初值X=Y=0。表6-7 例6-4的插补过程序号进给+X累加X=X+KXe进给+Y累加Y=Y+KYe判终m10.000+0.8750.000+

36、0.625720.875+0.8750.625+0.6256310.750+0.87510.250+0.6255410.625+0.8750.875+0.6254510.500+0.87510.500+0.6253610.375+0.87510.125+0.6252710.250+0.8750.750+0.6251810.125+0.87510.375+0.6250110.00010.000表6-7 例6-4的插补过程序号进给+X累加X=X+KXe进给+Y累加Y=Y+KYe判终m10.000+0.8750.000+0.625720.875+0.8750.625+0.6256310.750+0.

37、87510.250+0.6255410.625+0.8750.875+0.6254510.500+0.87510.500+0.6253610.375+0.87510.125+0.6252710.250+0.8750.750+0.6251810.125+0.87510.375+0.6250110.00010.0006-3进给速度控制进给速度控制 对数控机床来说，进给速度步进直接影响对数控机床来说，进给速度步进直接影响到加工零件的粗糙度和精度，而且与刀具、到加工零件的粗糙度和精度，而且与刀具、机床的寿命和生产效率密切相关。机床的寿命和生产效率密切相关。 在加工的过程中，为了保证运动部件的稳在加工的

38、过程中，为了保证运动部件的稳定性和精确定位，当速度超过一定数值时，定性和精确定位，当速度超过一定数值时，在启动和停止阶段还要进行加减速控制。在启动和停止阶段还要进行加减速控制。进给速度的给定进给速度的给定进给速度的给定一般用进给速度的给定一般用F代码编入程序，称代码编入程序，称F代码为代码为“指指令进给速度令进给速度”。分为两种情况：。分为两种情况：1.程序给定程序给定 用用F代码来指定进给速度，其单位为代码来指定进给速度，其单位为mm/min，在进给速，在进给速度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻丝或套扣等，使用度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻丝或套扣等，使用单位单位mm/rev。 直接制定进给

39、速度：常用直接制定进给速度：常用F后跟后跟4位或位或5位数字的格式表示位数字的格式表示 F后跟后跟2位或位或1位数字来指定，速度按等比进级位数字来指定，速度按等比进级2.手动调节手动调节 加工过程中，对于一些事先不能确定或意外的情况，随加工过程中，对于一些事先不能确定或意外的情况，随时用手动调节进给速度。手动调节通过操作面板上的旋时用手动调节进给速度。手动调节通过操作面板上的旋钮开关和按键来进行。钮开关和按键来进行。进给速度的控制方法进给速度的控制方法 l 在在CNC系统中，通常用软件来实现进给速度的控制。当指系统中，通常用软件来实现进给速度的控制。当指令进给速度采用令进给速度采用F4或或F5

40、的方法给定时，满足下述关系：的方法给定时，满足下述关系： F60f式中式中f进给脉冲频率（进给脉冲频率（Hz）脉冲当量（脉冲当量（mm） F给定的进给速度（给定的进给速度（mm/min）根据给定的进给速度，求得进给脉冲频率：根据给定的进给速度，求得进给脉冲频率： f=F/60l 进给脉冲频率一般由软件延时法和时钟中断法来控制。相进给脉冲频率一般由软件延时法和时钟中断法来控制。相应的也就有应的也就有程序延时法程序延时法和和时钟中断法时钟中断法两种控制进给速度的两种控制进给速度的方法。方法。程序延时法程序延时法 l 两次插补之间的时间间隔两次插补之间的时间间隔T=1/f，它，它由两部分组成：一是每

41、次插补由两部分组成：一是每次插补运算运算所需要的所需要的时间时间，设为，设为T1，二是延时，二是延时子程序的子程序的延时等待时间延时等待时间，设为，设为T2。因此有因此有 T=T1+T2l 其中插补时间其中插补时间T1是一定的；延时等是一定的；延时等待时间待时间T2由延时子程序的循环次数由延时子程序的循环次数决定。若决定。若T2不断增大，则进给频率不断增大，则进给频率不断下降，就可获得减速控制，反不断下降，就可获得减速控制，反之获得增速控制。之获得增速控制。l 这种控制方法一般用于点位直线这种控制方法一般用于点位直线切削系统，如数控镗床。插补运算切削系统，如数控镗床。插补运算简单，时间短，两次

42、脉冲间能有一简单，时间短，两次脉冲间能有一定的等待时间。定的等待时间。例：已知系统脉冲当量例：已知系统脉冲当量0.01mm/脉冲，进给速度脉冲，进给速度F300mm/min，插补运算时间，插补运算时间tch0.1ms，延时子程序，延时子程序延时时间为延时时间为ty0.1ms，求延时子程序循环次数。，求延时子程序循环次数。脉冲源频率脉冲源频率 插补周期插补周期 程序计时时间程序计时时间 tjTtch1.9(ms)循环次数循环次数 n=tj/ty19程序计时法比较简单，但占用程序计时法比较简单，但占用CPU时间较长，适合于较时间较长，适合于较简单的控制过程。简单的控制过程。)1(500601 .

43、06030060sFf)(2)(002. 01mssfT时钟中断法时钟中断法 用中断的方法，每隔规定的时间向用中断的方法，每隔规定的时间向CPU发出中断发出中断请求，请求，CPU响应中断，在中断服务程序中输出一响应中断，在中断服务程序中输出一个进给脉冲。因此，改变中断请求信号的频率，个进给脉冲。因此，改变中断请求信号的频率，就等于改变了进给速度。改变时间常数就等于改变了进给速度。改变时间常数Tc，就可，就可以改变中断请求信号的频率。以改变中断请求信号的频率。 如使用如使用MCS51单片机中的定时器单片机中的定时器/计数器作定计数器作定时器，它工作在方式时器，它工作在方式1时的定时时间为时的定时

44、时间为 T12(216-Tc)/fosc 又由于进给脉冲的周期为：又由于进给脉冲的周期为：T=1/f=60/F/F可得：可得： Tc=216-5 f fosc/ F/ F式中为式中为脉冲当量（脉冲当量（mm），），f fosc为单片机的晶振频为单片机的晶振频率（率（Hz），），F F为进给速度（为进给速度（mm/min）。）。时间常数的处理程序时间常数的处理程序 查表法查表法：对每一种：对每一种F，预先算出对应的，预先算出对应的Tc值，值，按表格存放。工作的时候，根据输入的按表格存放。工作的时候，根据输入的F值，值，查表找出对应的查表找出对应的Tc值，装入定时器，从而值，装入定时器，从而得到指

45、定的进给速度，适用于有级变速。得到指定的进给速度，适用于有级变速。 计算法计算法：根据输入的：根据输入的F的值，由前式算出相的值，由前式算出相应的应的Tc值，便于实现无级调速。值，便于实现无级调速。时钟中断法时钟中断法 中断法实现进给速度控制中断法实现进给速度控制的过程：根据给定的进给的过程：根据给定的进给速度速度F，求出相应的时间，求出相应的时间常数常数Tc，然后装入定时器，然后装入定时器，开始定时，定时一到，就开始定时，定时一到，就发出中断请求，发出中断请求，CPU开始开始执行中断服务程序，输出执行中断服务程序，输出一个进给脉冲。一个进给脉冲。 在定时器工作的同时，主在定时器工作的同时，主

46、程序进行插补运算，进行程序进行插补运算，进行速度调节，并准备好下一速度调节，并准备好下一个时间常数。主程序发出个时间常数。主程序发出进给脉冲之后，重新装入进给脉冲之后，重新装入时间常数。循环，进给速时间常数。循环，进给速度的控制贯穿于整个插补度的控制贯穿于整个插补过程之中。过程之中。步进电机的升降速控制步进电机的升降速控制 步进电机本身性能限制，步进电机本身性能限制，起动频率较低，一般为起动频率较低，一般为几百赫兹，而数控系统几百赫兹，而数控系统得工作频率往往远大于得工作频率往往远大于步进电机的起动频率，步进电机的起动频率，必须采取升降速措施。必须采取升降速措施。 步进电机的升降速控制步进电机

47、的升降速控制：指步进电机以较低的频指步进电机以较低的频率起动后，逐步升速，率起动后，逐步升速，以保证不丢步，升速到以保证不丢步，升速到规定频率，开始恒速运规定频率，开始恒速运行，在到达终点前要逐行，在到达终点前要逐步降速，降到起动频率步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。以下，以保证准确定位。步进电机的升降速控制步进电机的升降速控制 在在CNC系统中，升降速的系统中，升降速的控制一般是由软件控制实控制一般是由软件控制实现。在运行过程中，不断现。在运行过程中，不断改变定时器的时间常数改变定时器的时间常数Tc，就可以连续改变脉冲的频就可以连续改变脉冲的频率，从而达到升速和降速率，从而达到升速和

48、降速控制的要求。控制的要求。 步进电机的升降速程序，步进电机的升降速程序，可以按指数规律递增或递可以按指数规律递增或递减的原理来设计，也可按减的原理来设计，也可按线性增、减的方式设计，线性增、减的方式设计，右图为一种比较简单的阶右图为一种比较简单的阶梯方式升降速曲线。梯方式升降速曲线。步进步进电机升降速曲线还可以是：电机升降速曲线还可以是：斜线、抛物线、双曲线、斜线、抛物线、双曲线、指数曲线、指数曲线、S曲线曲线步进电机的升降速控制步进电机的升降速控制 设设T0为对应于起动频为对应于起动频率率f0的时间常数，的时间常数，TF为为对应于工作频率对应于工作频率fF的时的时间常数，间常数，T为对应于

49、为对应于f的时间常数的阶梯的时间常数的阶梯增量。则升速时，时增量。则升速时，时间常数自动按间常数自动按T0、T0- T、 T0- 2TTF逐逐次递减；次递减； 降速时反过来降速时反过来l 对升降速总的要求：对升降速总的要求：一是运行平稳，不失一是运行平稳，不失步；二是升降速的时步；二是升降速的时间要短，一般不超过间要短，一般不超过一秒。一秒。l 通常阶梯数可以取得通常阶梯数可以取得多一点，每个阶梯步多一点，每个阶梯步数少一点。数少一点。l 升降速曲线的具体数升降速曲线的具体数据及其优化必须通过据及其优化必须通过一系列一系列试验试验来完成，来完成，这决定着控制的优劣。这决定着控制的优劣。6.4

50、输入和数据处理输入和数据处理 一一系统的输入系统的输入 二二数据处理数据处理 系统输入系统输入 系统的输入主要是指零件程序的输入，以及加工中心必要系统的输入主要是指零件程序的输入，以及加工中心必要参数的输入。参数的输入。 零件程序由若干程序段组成。一个程序段对应着零件的一零件程序由若干程序段组成。一个程序段对应着零件的一段加工，它由段加工，它由序号字序号字、若干、若干数据字数据字和和段结束符段结束符三部分组成，三部分组成，用标准数控语言（用标准数控语言（ISO）编写成。例如：）编写成。例如： N01 G70 LF N02 G90 LF N03 G50 X15 Z5 LF N04 M03 N05

51、 G00 X13 Z0.5 F1000 T1 S800 LF系统的输入系统的输入系统的输入主要是零件程序的输入，以及加工中必要的参数的输入。系统的输入主要是零件程序的输入，以及加工中必要的参数的输入。输入有两种：一是手动数据输入方式（输入有两种：一是手动数据输入方式（MDI），一般用键盘输入；二），一般用键盘输入；二是自动方式输入，一般用穿孔纸带通过光电阅读机输入，或由上一级是自动方式输入，一般用穿孔纸带通过光电阅读机输入，或由上一级计算机与数控系统通信输入。计算机与数控系统通信输入。从计算机数控系统内部来看，存储数控程序的程序存储器分两部分：从计算机数控系统内部来看，存储数控程序的程序存储器

52、分两部分：一部分是数控加工程序缓冲器；另一部分是数控加工程序存储器。下一部分是数控加工程序缓冲器；另一部分是数控加工程序存储器。下图是数控加工程序的输入过程图。图是数控加工程序的输入过程图。程序输入MDI键盘上一级计算机数控加工程序存储器穿孔纸带阅读机数控加工程序缓冲器MDI缓冲器译码处理键盘输入键盘输入 在在CRT提示下输入，适合于提示下输入，适合于手动操作时临时输入若干程手动操作时临时输入若干程序段，或对程序进行编辑操序段，或对程序进行编辑操作，还用于输入一些加工必作，还用于输入一些加工必要数据。要数据。 在进行输入操作时，输入的在进行输入操作时，输入的数据一面进入数据一面进入MDI缓冲器

53、，缓冲器，一面在一面在CRT上显示，以便于上显示，以便于操作者检查和修改。直到按操作者检查和修改。直到按下下LF键后，将该段程序从缓键后，将该段程序从缓冲区中取出，存入程序存储冲区中取出，存入程序存储器。并自动生成新的段号，器。并自动生成新的段号，准备输入下一程序段。准备输入下一程序段。 其它输入其它输入l纸带输入纸带输入l预先把零件加工程序制作在专用的穿孔纸带上。预先把零件加工程序制作在专用的穿孔纸带上。l现在的现在的CNC数控系统中，一般采用连续输入方法。数控系统中，一般采用连续输入方法。一次输入全部零件加工程序，存放在内存中的一个特一次输入全部零件加工程序，存放在内存中的一个特定区域中，

54、供加工时逐段调用。定区域中，供加工时逐段调用。l磁带输入、磁盘输入磁带输入、磁盘输入l预先将程序存放在磁带或磁盘上，加工时将磁带或磁预先将程序存放在磁带或磁盘上，加工时将磁带或磁盘上的零件加工程序输入内存，供加工时逐段调用。盘上的零件加工程序输入内存，供加工时逐段调用。l由上一级计算机与数控系统通信的方式输入。由上一级计算机与数控系统通信的方式输入。数据处理数据处理 数据处理包括对零件加法指令的整理和数数据处理包括对零件加法指令的整理和数学运算，使之成为便于执行的数据形式，学运算，使之成为便于执行的数据形式，供插补程序直接取用。供插补程序直接取用。 由于由于CNC系统是采用系统是采用ISO语言

55、编写的，而语言编写的，而CPU只能执行用机器语言编写的程序，所只能执行用机器语言编写的程序，所以要进行指令译码。以要进行指令译码。1.换码换码 换码是将指令代码换成数控系统的内部代码，内部代码由换码是将指令代码换成数控系统的内部代码，内部代码由数控系统数控系统自行设定自行设定，目的是为了识别和处理方便。如下表，目的是为了识别和处理方便。如下表所示：所示：表6-8 某系统内部代码与字符关系字符ISO码内部代码字符ISO码内部代码G47H01H030H0(0000)M4DH02H131H1(0001)S53H03H232H2(0010)TD4H04H333H3(0011)FC6H05H434H4(

56、0100)XD8H06H535H5(0101)Y59H07H636H6(0110)Z5AH08H737H7(0111)N4EH09H838H8(1000)LF0AH0AH939H9(1001)1.换码换码 对于对于G、M等功能字，等功能字，若以若以ISO代码存储要占用代码存储要占用3个个字节，用内部代码存放需要字节，用内部代码存放需要2个字节，高字节存放功能字，个字节，高字节存放功能字，低字节存放数字。低字节存放数字。 数控系统在执行加工程序时，数控系统在执行加工程序时，取出功能字到取出功能字到DPTR寄存器，寄存器，先判断高先判断高8位位DPH，若为，若为1，则为则为G功能，若为功能，若为2

57、，则为，则为M功能，若为功能，若为3，则为，则为S功能等功能等 若若DPH1，转入，转入G功能处理，功能处理，然后对功能字的低字节进行判然后对功能字的低字节进行判断。断。 2.单位换算单位换算 为方便插补运算，将尺寸全部转化为脉冲数，若为方便插补运算，将尺寸全部转化为脉冲数，若尺寸值为尺寸值为L，则相应的脉冲数为：，则相应的脉冲数为：脉冲脉冲数数L/ 若结果为小数，则四舍五入取整后再存入相应的若结果为小数，则四舍五入取整后再存入相应的内存单元。内存单元。 为便于加工时的进给速度控制，还应将进给速度为便于加工时的进给速度控制，还应将进给速度值转换成输出脉冲的频率，即值转换成输出脉冲的频率，即 f

58、=F/60 F的单位为的单位为mm/min，单位为单位为mm/p，f的单的单位为位为Hz3.语法检查语法检查 在进行换码、坐标值变换的同时，还要进行语法在进行换码、坐标值变换的同时，还要进行语法检查，包括非法指令代码、坐标值超限等。检查，包括非法指令代码、坐标值超限等。 尽早发现错误，防止故障扩大。尽早发现错误，防止故障扩大。 一般可检查的语法错误：一般可检查的语法错误： 非法字符非法字符 非法功能字非法功能字 格式错误格式错误 坐标值超限坐标值超限 结束标志错误：结束标志错误：M024.格式化处理格式化处理 零件程序的各程序段之间，各尺寸字之间零件程序的各程序段之间，各尺寸字之间差别是很大的

59、，若对它们直接进行解释执差别是很大的，若对它们直接进行解释执行，将会使解释程序变得很复杂。为此，行，将会使解释程序变得很复杂。为此，可对程序段进行格式化处理，将他们转换可对程序段进行格式化处理，将他们转换成一种标准的固定格式，以这种固定格式成一种标准的固定格式，以这种固定格式为基础，再去解释执行要方便得多。为基础，再去解释执行要方便得多。 单一标准格式单一标准格式 分别使用的标准格式分别使用的标准格式5.刀具补偿刀具补偿 刀具补偿处理是插补计算前必须完成的一项预备处理工作。刀具补偿处理是插补计算前必须完成的一项预备处理工作。通过工具补偿将被加工通过工具补偿将被加工零件的轮廓轨迹零件的轮廓轨迹转

60、换为转换为刀具中心轨刀具中心轨迹迹。 数控系统的刀补即垂直于刀具轨迹的位移，用来修正刀具数控系统的刀补即垂直于刀具轨迹的位移，用来修正刀具的实际半径或直径与其程序规定值的差。的实际半径或直径与其程序规定值的差。 数控系统对刀具的控制是数控系统对刀具的控制是以刀架参考点为基准以刀架参考点为基准的，而零件的，而零件加工程序给出零件轮廓轨迹，如不作处理，则数控系统仅加工程序给出零件轮廓轨迹，如不作处理，则数控系统仅能控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上是要用刀具能控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上是要用刀具的尖点实现加工的。这样需要在刀架的参考点与加工刀具的尖点实现加工的。这样需要在刀架的参考