插补刀补原理及速度控制课件

電腦數控裝置

下午6時18分數字控制機床1第一節

概述下午6時18分數控技術2在第一章我們就知道了數控裝置是機床數控系統的核心，並對其在系統中的主要作用也有了一個概括性的瞭解，由於它在整個系統中的重要性，故在本章我們將對其進行較詳細的討論。第一節概述下午6時18分數字控制機床3從自動控制的角度來看，CNC系統是一種位置（軌跡）控制系統，其本質上是以多執行部件(各運動軸)的位移量為控制對象並使其協調運動的自動控制系統，是一種配有專用操作系統的電腦控制系統。從外部特徵來看，CNC系統是由硬體（通用硬體和專用硬體）和軟體（專用）兩大部分組成的。.CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床4

CNC系統的硬體一般性結構結構：由電腦基本系統、設備支持層、設備層組成。計算機基本系統設備層設備支持層接口人機控制運動控制PMC其他I/O其他設備電腦系統顯示設備輸入/出設備機床機器人測量機...圖3-1CNC的一般性硬體結構.CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床5

CNC系統軟體的功能性結構本質特徵:CNC系統軟體是具有即時性和多任務性的專用操作系統，功能特徵:該操作系統由CNC管理軟體和CNC控制軟體兩部分組成。它是CNC系統活的靈魂。.CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床6操作系統管理軟體控制軟體零件程序管理顯示處理人機交互交互位置控制輸入輸出管理插補運算故障診斷處理速度處理機床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補償.......CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床7.CNC硬體軟體的作用和相互關係硬體是基礎，軟體是靈魂CNC裝置的系統軟體在系統硬體的支持下，合理地組織、管理整個系統的各項工作。CNC系統的硬體和軟體構成了CNC系統的系統平臺。以電腦標準硬體為基礎，軟體取代專有硬體（軟體化數控）是發展趨勢。.CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床8.CNC裝置的組成OURSLOGANIS:SOFTWAREISCNC軟體就是數控下午6時18分數字控制機床9

圖3-3CNC系統平臺硬體操作系統管理軟體應用軟體控制軟體數控加工程式

接口被控設備

機床機器人測量機

.......CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床10平臺有以下兩方面的含義：平臺提供CNC系統基本配置的必備功能；在平臺上可以根據用戶的要求進行功能設計和開發。.CNC裝置的組成下午6時18分數字控制機床11

具有靈活性和通用性CNC裝置的功能大多由軟體實現，且軟硬體採用模組化的結構，對設計和開發者而言，系統功能的修改、擴充變得較為靈活。CNC裝置其基本配置部分是通用的，不同的數控機床僅配置相應的特定的功能模組，以實現特定的控制功能。二.CNC裝置的優點下午6時18分數字控制機床12

2.數控功能豐富插補功能：二次曲線、樣條、空間曲面等插補補償功能：運動精度、隨機誤差補償、非線性誤差補償等人機對話功能：加工的動、靜態跟蹤顯示，高級人機對話窗口編程功能：G代碼、籃圖編程、部分自動編程功能。二.CNC裝置的優點下午6時18分數字控制機床13

3.可靠性高採用集成度高的電子元件、晶片、採用VLSI本身就是可靠性的保證。許多功能由軟體實現，硬體的數量減少。豐富的故障診斷及保護功能(大多由軟體實現)，從而可使系統的故障發生的頻率和發生故障後的修復時間降低。二.CNC裝置的優點下午6時18分數字控制機床144.使用維護方便操作使用方便：用戶只需根據菜單的提示，便可進行正確操作。編程方便：具有多種編程的功能、程式自動校驗和模擬仿真功能。維護維修方便：部分日常維護工作自動進行(潤滑，關鍵部件的定期檢查等)，數控機床的自診斷功能，可迅速實現故障準確定位。二.CNC裝置的優點下午6時18分數字控制機床155.

易於實現機電一體化數控系統控制櫃的體積小（採用電腦，硬體數量減少；電子元件的集成度越來越高，硬體的不斷減小），使其與機床在物理上結合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。二.CNC裝置的優點下午6時18分數字控制機床16功能：滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。基本功能——數控系統基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據實際使用要求選擇的功能。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床17

1。控制功能

——

CNC能控制和能聯動控制的進給軸數。CNC的進給軸分類：移動軸（X、Y、Z）和回轉軸（A、B、C）；

基本軸和附加軸（U、V、W）。聯動控制軸數越多，CNC系統就越複雜，編程也越困難。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床182.準備功能（G功能）

——

指令機床動作方式的功能。已在第二章介紹。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床193.

插補功能和固定迴圈功能——

插補功能數控系統實現零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運算的功能。——

固定迴圈功能數控系統實現典型加工迴圈（如：鑽孔、攻絲、鏜孔、深孔鑽削和切螺紋等）的功能三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床204.進給功能——進給速度的控制功能。進給速度——控制刀具相對工件的運動速度，單位為mm/min（inch/min）。同步進給速度——實現切削速度和進給速度的同步，單位為mm/r（inch/min）

。進給倍率（進給修調率-Override）——人工即時修調預先給定的進給速度。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床215.

主軸功能——主軸切削速度、周向位置控制功能。主軸轉速——主軸轉速的控制功能，單位：r/min。恒線速度控制——刀具切削點的切削速度為恒速的控制功能。單位：（m/min）三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床22主軸定向控制——主軸周向定位於特定位置控制的功能。C軸控制——主軸周向任意位置控制的功能。主軸修調率——人工即時修調預先設定的主軸轉速。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床236.

輔助功能（M功能）

——

用於指令機床輔助操作的功能。已在第二章介紹。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床24

7.

刀具管理功能——實現對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理功能。刀具幾何尺寸管理：管理刀具半徑和長度，供刀具補償功能使用；刀具壽命管理：管理時間壽命，當刀具壽命到期時，CNC系統將提示更換刀具；刀具類型管理：用於標識刀庫中的刀具和自動選擇加工刀具。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床25

8.

補償功能刀具半徑和長度補償功能：實現按零件輪廓編制的程式控制刀具中心軌跡的功能。傳動鏈誤差：包括螺距誤差補償和反向間隙誤差補償功能。非線性誤差補償功能：對諸如熱變形、靜態彈性變形、空間誤差以及由刀具磨損所引起的加工誤差等，採用AI、專家系統等新技術進行建模，利用模型即時線上補償。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床26

9.人機對話功能在CNC裝置中這類功能有：菜單結構操作介面；零件加工程式的編輯環境；系統和機床參數、狀態、故障資訊的顯示、查詢或修改畫面等。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床27三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床28下午6時18分數字控制機床29下午6時18分數字控制機床3010.自診斷功能——

CNC自動實現故障預報和故障定位的功能。

開機自診斷；線上自診斷；離線自診斷；遠程通訊診斷。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床3111.通訊功能——

CNC與外界進行資訊和數據交換的功能RS232C介面，可傳送零件加工程式，DNC介面，可實現直接數控，MAP(ManufacturingAutomationProtocol)製造自動化協議)模組，網卡適應FMS、CIMS、IMS等製造系統集成的要求。三.CNC裝置的功能下午6時18分數字控制機床32第二節

CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數控技術33第二節CNC裝置的硬體體系結構一、概述CNC裝置從它的硬體組成結構來看，若按其中含有CPU的多少來分，可分為:單機系統:整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統資源，通過分時處理的方式來實現各種NC功能。多機系統---〉下午6時18分數字控制機床34多機系統:CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統中的某些功能模組自身也帶有CPU，根據部件間的相互關係又可將其分為：主從結構，系統中只有一個CPU(稱為主CPU)對系統的資源有控制和使用權其他帶CPU的功能部件，只能接受主CPU的控制命令或數據，或向主CPU發出請求資訊以獲得所需的數據。即它是處於以從屬地位的，故稱之為主從結構。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床35多主結構：系統中有兩個或兩個以上帶CPU的模組部件對系統資源有控制或使用權。模組之間採用緊耦合，有集中的操作系統，通過仲裁器來解決匯流排爭用問題，通過公共（共用）記憶體進行交換資訊。分佈式結構：系統有兩個或兩個以上帶CPU的功能模組，各模組有自己獨立的運行環境，模組間採用松耦合，且採用通訊方式交換資訊。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床36二。單機或主從結構模組的功能介紹CNC裝置是按模組化設計的方法構造的。模組化設計方法：將控制系統按功能劃分成若干具有獨立功能的單元模組,並配上相應的驅動軟體。系統設計時按功能的要求選擇不同的功能模組，並將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統的方法。其中單元母板一般為匯流排結構的無源母板，它提供模組間互聯的信號通路。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床37實現CNC系統模組化設計的條件是匯流排(BUS)標準化。採用模組化結構時，CNC系統設計工作則可歸結為功能模組的合理選用。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床38I/O設備電腦主板顯示卡功能範本m功能範本1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模組主軸控制範本機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅動1功能驅動m…………系統總線（BUS）標準PC電腦CNC裝置CNC系統CNC系統硬體框圖1

第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床391。電腦主板和系統匯流排(母板)

電腦主板是CNC裝置的核心。功能結構：CPU及其週邊晶片；記憶體單元、cache及其週邊晶片；通訊介面(串口，並口，鍵盤介面)。軟、硬驅動器介面第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床40電腦主板的主要作用：對輸入到CNC裝置中的種種數據、資訊(零件加工程式，各種I/O資訊等)進行相應的算術和邏輯運算。並根據其處理結果，向各功能模組發出控制命令，傳送數據，使用戶的指令得以執行。

第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床41系統匯流排(母板)：由一組傳送數字資訊的物理導線組成，它是電腦系統內部進行數據或資訊交換的通道：數據匯流排地址匯流排：控制匯流排：工業用PC機的匯流排母板是獨立的無源四層板（走線面、元件面、電源層和地線層），它的可靠性高於兩層板。其規格有6槽、8槽、12槽、14槽等。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床422.顯示模組(顯示卡)顯示卡的主要作用：接收來自CPU的控制命令和顯示用的數據，經與CRT的掃描信號調製後，產生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產生所需要的畫面。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床43在CNC裝置中，CRT顯示是一個非常重要的功能，它是人機交流的重要媒介，它給用戶提供了一個直觀的操作環境，可使用戶能快速地熟悉適應其操作過程。顯示卡是一個通用性很強的模組。它不僅隨時可以在市場上買到，而且它還有非常豐富的支持軟體，因此無需用戶自己開發。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床443.輸入/出模組(多功能卡)它是CNC裝置與外界進行數據和資訊交換的介面板，即CNC裝置通過該介面可以從輸入設備獲取數據，也可以將CNC裝置中的數據送給輸出設備。該模組也是標準的PC機模組，一般不需要用戶自己開發。如果電腦主板選用的是ALL-IN-ONE主板，則此板可省略。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床45以上三部分，再配上鍵盤、電源、機箱，實際上是一部通用的微型電腦系統，它是CNC裝置的核心，從某種意義上講，CNC裝置的檔次和性能是由它決定的。因此，CNC裝置中電腦系統的合理選用是至關重要的。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床46

4.電子盤(存儲模組)電子盤是CNC裝置特有的存儲模組。在CNC裝置中它用來存放下列數據和參數：系統軟體、系統固有數據；系統的配置參數(系統所能控制的進給軸數，軸的定義，系統增益等)；用戶的零件加工程式。

第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床47電腦領域所用記憶體件有三類：磁記憶體件，如：軟/硬磁片（讀/寫）。光記憶體件，如：光碟（只讀）。電子（半導體）記憶體件，如RAM、ROM、FLASH等。前兩類一般用作外存儲器，其特點是容量大，價格低。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床48電子記憶體件一般用作內記憶體，其價格高於前兩類。若按其讀寫性能來看，它又可分為三類只讀存儲元件（ROM、PROM、EPROM）易失性隨機讀寫存儲元件（RAM）。非易失性讀寫存儲元件。這類器件有：

E2PROM；FLASH；帶後備電池的RAM。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床49在CNC裝置中，常採用電子記憶體件作為外存儲器，主要是考慮到CNC裝置的工作環境有可能受到電磁干擾，磁性器件的可靠性低，而電子記憶體件的抗電磁干擾能力相對來講要強一些。因電子器件組成的存儲單元是按磁片的管理方式進行的，故稱其為電子盤:DOC(Diskonchip),DOM(DiskonModule-IDE),CF(CompactFlash),USB盤等電子盤的規格有：8MB、16MB、32MB、64MB,128MB等。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床505.PMC(ProgrammableMachineController)模組PLC模組：CNC裝置實現（開關量I/O)順序控制的模組。PLC模組的作用：接收來自操作面板、機床上的各行程開關、感測器、按鈕、強電櫃裏的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關信號，經處理後輸出去控制相應器件的運行。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床51CNC裝置與被控設備交換的資訊有三類：開關信號；模擬信號；脈衝信號。上述信號一般不能直接與CNC裝置相聯，需要一個介面對這些信號進行變換處理。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床52

PMC模組變換處理其目的：滿足CNC系統的輸入輸出要求。信號轉換主要包括以下幾個方面：電平轉換；A/D、D/A轉換；數字量與脈衝量相互轉換；功率匹配；阻斷外部的干擾信號進入電腦，在電氣上將CNC裝置與外部信號進行隔離，以提高CNC裝置運行的可靠性。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床53PMC模組實現方式有以下幾種：簡單I/O介面板：系統總線數字接口光電隔離器件A/DD/A轉換調理電路功率放大傳感元件功率放大光電隔離器件計數器計數脈衝濾波、倍頻整形

PMC模組硬體邏輯框圖開關量轉換脈衝量轉換模擬量轉換第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床54PLC（ProgrammableLogicController）控制：它是目前CNC系統用得最廣泛的方式。電源模塊通信功能人機接口編程調試和試驗功能至感測器和執行器的介面功能應用程式的執行操作系統功能應用程式存儲數據存儲信號處理功能操作者應用程式設計人員機器/過程

PLC系統的基本結構外部供電外部設備第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床55CNC機床用的PLC一般分為兩類：內裝型（Built-inType）PLC（或稱集成式、內含式）。獨立型（Stand-aloneType）PLC，或稱為“通用型”PLC軟體化PLC–IEC61131-3Isagraph第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床566.位置控制模組位置控制模組是進給伺服系統的重要組成部分，是實現軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅動系統連接的介面模組。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床57

常用的位置控制模組有：開環位置控制模組：CNC裝置與步進電機驅動電源的介面；閉環（含半閉環）位置控制模組：CNC裝置與直流、交流伺服驅動裝置的介面。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床587.功能介面模組實現用戶特定功能要求的介面板，實例：仿形控制器介面；鐳射加工焦點自動跟蹤器介面；刀具監控系統中的信號採集器介面板。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床59

三.華中Ⅰ型數控系統(硬體)簡介華中Ⅰ型數控系統是我國為數不多具有自主版權的高性能數控系統之一。它以通用的工業PC機（IPC）和DOS操作系統為基礎，採用開放式的體系結構，從而使華中Ⅰ型數控系統的可靠性和品質得到了保證。它適合多座標(2-5)數控鏜銑床和加工中心，在增加相應的軟體模組後，也可適應於其他類型的數控機床(數控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（鐳射加工機、線切割機等）。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床60ALL-IN-ONECPU卡顯示卡位置控制板n位置控制板1電子盤速度控制單元1速度控制單元n無源母板（系統總線BUS)標準PC電腦CNC裝置光隔I/O板機床開關量I/O按鈕站、狀態燈NC鍵盤CNC系統多功能板主軸控制範本主軸編碼器手搖脈衝發生器定制功能介面網路卡COM2串口………圖7華中Ⅰ型數控系統硬體結構圖採用模擬式交流/直流伺服單元第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床61ALL-IN-ONECPU卡顯示卡電子盤數字交流伺服單元1數字交流伺服單元4無源母板（系統總線BUS)標準PC電腦CNC裝置光隔I/O板機床開關量I/O按鈕站、狀態燈NC鍵盤CNC系統多功能板主軸控制模快主軸編碼器手搖脈衝發生器定制功能介面網路卡COM2串口……圖7華中Ⅰ型數控系統硬體結構圖四串口通信板第二節CNC裝置的硬體體系結構採用數字式交流伺服單元下午6時18分數字控制機床62印表機介面電腦主板顯示卡多功能板步進電機單元1步進電機單元8系統總線（BUS)標準PC電腦機床開關量I/O操作面板主軸編碼器手搖脈衝發生器控制面板定制功能介面網路卡……多功能NC介面板光隔I/O介面軟/硬碟驅動器控制櫃圖8華中Ⅰ型教學數控系統硬體結構圖教學型(經濟型)數控系統第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床63設備層現場匯流排網路拓撲結構圖下午6時18分數字控制機床64四.多主結構的CNC系統硬體簡介多主CPU結構中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間採用緊耦合，有集中的操作系統，通過匯流排仲裁器(由硬體和軟體組成)來解決匯流排爭用問題，通過公共記憶體來進行資訊交換。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床65多主結構的特點：能實現真正意義上的並行處理，處理速度快，可以實現較複雜的系統功能。容錯能力強，在某模組出了故障後，通過系統重組仍可繼續工作多主結構的結構形式：共用匯流排結構型共用記憶體結構型。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床66共用匯流排結構：FANUCBUS操作面板圖形顯示模組(CPU)通訊模組(CPU)自動編程模組(CPU)主存儲器模組插補模組(CPU)PLC模組(CPU)位置控制模組(CPU)主軸控制模組CRT/MDII/O單元伺服驅動單元主軸單元圖3-13FANUC15系統硬體結構第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床67結構特徵：功能模組分為帶有CPU或DMA（DirectMemoryAccess)的主模組和從模組(RAM/ROM，I/O模組);以系統匯流排為中心，所有的主、從模組都插在嚴格定義的標準系統匯流排上;採用匯流排仲裁機構(電路)來裁定多個模組同時請求使用系統匯流排的競爭問題。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床68共用匯流排結構的優點結構簡單、系統組配靈活、成本相對較低、可靠性高。共用匯流排結構的缺點匯流排是系統的“瓶頸”，一旦系統匯流排出現故障，將使整個系統受到影響；由於使用匯流排要經仲裁，使資訊傳輸率降低。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床69二.共用記憶體(SharedMemory)結構顯示CPU鍵盤中央CPU插補CPU串口和收發器CTRC並行接口回饋脈衝和處理EPROMEPROMRAM/EPROM512RAMRAM512

字元發生器CRT模擬量輸出機床介面回饋信號收發器……XYZCW共用記憶體結構CNC系統硬體結構第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床70結構特徵：面向公共記憶體來設計的，即採用多端口來實現各主模組之間的互連和通訊，採用多端口控制邏輯來解決多個模組同時訪問多端口記憶體衝突的矛盾。由於多端口記憶體設計較複雜，而且對兩個以上的主模組，會因爭用記憶體可能造成記憶體傳輸資訊的阻塞，所以這種結構一般採用雙端口記憶體（雙端口RAM）。第二節CNC裝置的硬體體系結構下午6時18分數字控制機床71第三節

CNC系統軟體結構下午6時18分數控技術72

第三節CNC系統軟體結構

CNC系統軟體是一個典型而又複雜的即時系統。本節將首先介紹系統軟硬體介面的關係，然後從系統內數據流的角度來分析CNC裝置的數據轉換過程，並從多任務性和即時性的角度來分析CNC系統軟體的結構特點，最後介紹一個典型CNC裝置系統軟體的結構。下午6時18分數字控制機床73一、CNC裝置軟體和硬體的功能介面合理確定CNC裝置軟體硬體的功能分擔就是所謂的軟體和硬體的功能介面劃分的概念。在資訊處理方面，軟體與硬體在邏輯上是等價的，即硬體能完成的功能從理論上講也可以用軟體來完成。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床74硬體和軟體在實現各種功能時的特點：硬體處理速度快，但靈活性差，實現複雜控制的功能困難。軟體設計靈活，適應性強，但處理速度相對較慢。功能介面劃分的準則：系統的性能價格比

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床75數控系統功能介面的幾種劃分：輸入預處理位置檢測插補運算位置控制速度控制伺服電機程式硬體硬體硬體硬體軟體軟體軟體軟體軟體和硬體的功能介面

ⅠⅡⅢⅣ

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床76二、

CNC裝置的數據轉換流程

CNC系統軟體的主要任務之一就是如何將由零件加工程式表達的加工資訊，變換成各進給軸的位移指令、主軸轉速指令和輔助動作指令，控制加工設備的軌跡運動和邏輯動作，加工出符合要求的零件。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床77加工程式譯碼解碼緩衝區刀補處理刀補緩衝區速度預處理插補緩衝區插補處理運行緩衝區伺服驅動位控處理位置回饋PLC控制CNC裝置數據轉換流程示意圖

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床78

解碼(解釋)將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程式，以程式段為單位轉換成後續程式（本例是指刀補處理程式）所要求的數據結構（格式）。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床79StructPROG_BUFFER{charbuf_state；//緩衝區狀態，0空；1準備好。intblock_num；//以BCD碼的形式存放本程式段號。doubleCOOR[20]；//存放尺寸指令的數值（μm）。intF,S；//F（mm/min）S（r/min）。charG0；//以標誌形式存放G指令。charG1；charM0；//以標誌形式存放M指令。charM1；charT；//存放本段換刀的刀具號。charD；//存放刀具補償的刀具半徑值。}；

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床80以標誌形式存放G指令示例D7D6D5D4D3D2D1D0G000：無該指令；1：有該指令G010：無該指令；1：有該指令G020：無該指令；1：有該指令G030：無該指令；1：有該指令G90/G910：G90；1：G91｝G060：無該指令；1：有該指令00：G40；11：G4001：G41；10；G42

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床81在程式中一般都有由若干個這樣結構組成的程式緩衝區組，當前程式段被解釋完後便將該段的數據資訊送入緩衝區組中空閑的一個。後續程式（如刀補程式）從該緩衝區組中獲取程式資訊進行工作。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床82

N06G90G41D11G01X200Y300F200；123456789----------------------------------------StructPROG_BUFFER

{

charbuf_state；0：(開始)；1（；）⑨

intblock_num；06（N06）①

doubleCOOR[20]；COOR[1]=200000；（X200）⑥COOR[2]=300000；（Y300）⑦intF,S；F=200；（F200）⑧charG0；D5=0；（G90）②

D6,D7=0,1（G41）③

D1=1；（G01）⑤

……

charD；D=11（D11）④}；

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床83刀補處理的主要工作：根據G90/G91計算零件輪廓的終點座標值。根據R和G41/42，計算本段刀具中心軌跡的終點（P’e/P〃e）座標值。根據本段與前段連接關係，進行段間連接處理。.刀補處理(計算刀具中心軌跡)Pe(200,300)P0(72,148)XYG41G42P’eP”eR

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床843.速度預處理主要功能是根據加工程式給定的進給速度，計算在每個插補週期內的合成移動量，供插補程式使用。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床85速度處理程式主要完成以下幾步計算：計算本段總位移量：直線：合成位移量L；園弧：總角位移量α。該數供插補程式判斷減速起點和終點之用。計算每個插補週期內的合成進給量：

ΔL=FΔt/60（μm）

式中：F--進給速度值（mm/min）；△t--數控系統的插補週期（ms）Lα

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床864.插補計算主要功能：計算插補週期的實際合成位移量：

△L1=△L*修調值分解△L1

→（△X1、△Y1）

將△L1按插補的線形（直線，園弧等）和本插補點所在的位置分解到各個進給軸，作為各軸的位置控制指令（△X1、△Y1）。

經插補計算後的數據存放在運行緩衝區中，以供位置控制程式之用。插補模組以系統規定的插補週期△t定時運行。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床875.位置控制處理

第三節CNC系統軟體結構f（）插補輸出△X1△Y1指令位置X1新Y1新跟隨誤差△X3△Y3X2新Y2新實際位置回饋位置增量△X2、△Y2X1舊Y1舊X2舊Y2舊速度指令VX、VY圖3-16位置控制轉換流程++-+++下午6時18分數字控制機床88位置控制完成以下幾步計算：計算新的位置指令座標值：X1新=X1舊+△X1；Y1新=Y1舊+△Y1；計算新的位置實際座標值：X2新=X2舊+△X2；Y2新=Y2舊+△Y2計算跟隨誤差(指令位置值—實際位置值)：△X3=X1新-X2新；△Y3=Y1新-Y2新；計算速度指令值：VX=f（△X3）；VY=f（△Y3）

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床89f()是位置環的調節控制演算法，具體的演算法視具體系統而定。這一步在有些系統中是採用硬體來實現的。VX、VY送給伺服驅動單元，控制電機運行，實現CNC裝置的軌跡控制。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床90.CNC裝置的軟體系統特點

CNC系統是典型的即時控制系統。CNC裝置的系統軟體則可看成是一個專用即時操作系統。由於其應用領域是工業控制領域（多任務性、即時性），因此，分析和瞭解這些要求是至關重要的，因為它既是系統設計和將來軟體測試的重要依據，也是確定系統功能和性能指標的過程。同時，這些要求也應是CNC系統軟體的特點。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床91.多任務性與並行處理技術CNC控制要求的多任務性任務定義：可併發（同時發生-concurrent）執行的程式在一個數據集合上的運行過程。CNC的功能則可定義為CNC的任務：顯示、解碼、刀補、速度處理、插補處理、位置控制、…CNC系統的任務要求並行-parallel處理：為了保證控制的連續性和各任務執行的時序配合要求，CNC系統的任務必須採用並行處理，而不能逐一處理。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床92

基於並行處理的多任務調度技術並行處理定義：系統在同一時間間隔或同一時刻內完成兩個或兩個以上任務處理的方法。採用並行處理技術的目的：合理使用和調配CNC系統的資源提高CNC系統的處理速度。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床93並行處理的實現方式：資源分時共用併發處理（例如：流水處理）這些實現方式與CNC系統的硬體結構密切相關。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床94資源分時共用（對單一資源的系統）在單CPU結構的CNC系統中，可採用“資源分時共用”並行處理技術。資源分時共用——在規定的時間長度（時間片）內，根據各任務即時性的要求，規定它們佔用CPU的時間，使它們分時共用系統的資源。“資源分時共用”的技術關鍵：其一：各任務的優先順序分配問題。其二：各任務佔用CPU的時間長度，即

時間片的分配問題。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床95…解碼刀補I/O顯示初始化位置控制插補運算背景程式4ms8ms16ms中斷級別高中斷級別低資源（CPU）分時共用圖

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床96背景程式各任務佔用CPU

時間示意圖

第三節CNC系統軟體結構0ms4ms8ms12ms16ms位置控制插補運算下午6時18分數字控制機床97資源分時共用技術的特徵:在任何一個時刻只有一個任務佔用CPU；在一個時間片（如8ms或16ms）內，CPU並行地執行了兩個或兩個以上的任務。因此，資源分時共用的並行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個任務還是逐一執行的。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床98併發處理和流水處理（對多資源的系統）在多CPU結構的CNC系統中，根據各任務之間的關聯程度，可採用以下兩種並行處理技術：若任務間的關聯程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時執行——

併發處理；若任務間的關聯程度較高，即一個任務的輸出是另一個任務的輸入，則可採取流水處理的方法來實現並行處理。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床99流水處理技術的涵義:

流水處理技術是利用重複的資源（CPU），將一個大的任務分成若干個子任務(任務的分法與資源重複的多少有關)，這些小任務是彼此關係的，然後按一定的順序安排每個資源執行一個任務，就象在一條生產線上分不同工序加工零件的流水作業一樣。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床100流水處理技術示意圖

1231232tt空間時間順序處理輸出輸出CPU1時間t+△tt空間111333222輸出輸出輸出CPU1CPU2CPU3並行處理

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床101併發處理和流水處理的特徵在任何時刻（流水處理除開始和結束外）均有兩個或兩個以上的任務在併發執行。併發處理和流水處理的關鍵是時間重疊，是以資源重複的代價換得時間上的重疊，或者說以空間複雜性的代價換得時間上的快速性。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床102

即時性和優先搶佔調度機制即時性任務的定義和分類即時性定義:任務的執行有嚴格時間要求（任務必須規定時間內完成或回應），否則將導致執行結果錯誤或系統故障的特性。即時性任務分類:

強即時性任務(hardrealtime)

即時突發性任務；即時週期性任務嚴格即時性任務(firmrealtime)弱即時性任務(softrealtime)

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床103

強即時性任務即時突發性任務：任務的發生具有隨機性和突發性，是一種非同步中斷事件。主要包括故障中斷(急停，機械限位、硬體故障等)、機床PLC中斷、硬體（按鍵）操作中斷等。即時週期性任務：任務是精確地按一定時間間隔發生的。主要包括插補運算、位置控制等任務。為保證加工精度和加工過程的連續性，這類任務處理的即時性是關鍵。在任務的執行過程中，除系統故障外，不允許被其他任何任務中斷。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床104弱即時性任務這類任務的即時性要求相對較弱，只需要保證在某一段時間內得以運行即可。在系統設計時，它們或被安排在背景程式中，或根據重要性將其設置成不同的優先順序（級別較低），再由系統調度程式對它們進行合理的調度。這類任務主要包括：CRT顯示、零件程式的編輯、加工狀態的動態顯示、加工軌跡的靜態模擬仿真及動態顯示等。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床105搶佔式優先調度機制

多任務系統的任務調度方法：迴圈調度法簡單迴圈調度法時間片輪換調度法優先調度法搶佔式優先調度法非搶佔式優先調度法

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床106搶佔式優先調度機制功能搶佔（pre-emptive)方式：在CPU正在執行某任務時，若另一優先順序更高的任務請求執行，CPU將立即終止正在執行的任務，轉而回應優先順序高任務的請求優先(priority)調度：在CPU空閒時，當同時有多個任務請求執行時，優先順序高的任務將優先得到滿足。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床107搶佔式優先調度機制的實現方式硬體主要提供支持中斷功能的晶片和電路，如中斷管理晶片（8259或功能相同的晶片），定時器計數器（8253、8254等）等。軟體主要完成對硬體晶片的初始化、任務優先順序的定義、任務切換（中斷點的保護與恢復、中斷向量的保存與恢復等）等。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床108CNC系統中採用的任務調度機制搶佔式優先調度；時間片輪換調度；非搶佔式優先調度。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床109.CNC系統軟體結構模式結構模式：指系統軟體的組織管理方式，即系統任務的劃分方式、任務調度機制、任務間的資訊交換機制以及系統集成方法等。結構模式的功能：組織和協調各個任務的執行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關係，以滿足CNC系統的各種控制要求。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床110.前後臺型結構模式該模式將CNC系統軟體劃分成兩部分：前臺程式:主要完成插補運算、位置控制、故障診斷等即時性很強的任務，它是一個即時中斷服務程式。後臺程式(背景程式):

完成顯示、零件加工程式的編輯管理、系統的輸入/出、插補預處理等弱即時性的任務，它是一個迴圈運行的程式，在運行過程中，不斷地被前臺程式定時打斷，前後臺相互配合來完成零件的加工任務。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床111前後臺程式運行關係圖

前臺程式故障處理位置控制插補運算……後臺程式譯碼刀補處理速度預處理輸入/輸出顯示中斷執行迴圈執行

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床112前後臺型結構模式的特點任務調度機制:優先搶佔調度和迴圈調度。前臺程式的調度是優先搶佔式的；前臺和後臺程式內部各子任務採用的是順序調度。資訊交換:緩衝區。前臺和後臺程式之間以及內部各子任務之間的。即時性差。在前臺和後臺程式內無優先順序等級、也無搶佔機制。該結構僅適用於控制功能較簡單的系統。早期的CNC系統大都採用這種結構。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床113.中斷型結構模式這種結構是將除了初始化程式之外，整個系統軟體的各個任務模組分別安排在不同級別的中斷服務程式中，然後由中斷管理系統（由硬體和軟體組成）對各級中斷服務程式實施調度管理。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床114中斷型軟體系統結構圖

初始化中斷管理系統（硬體+軟體）0級中斷服務程式

級中斷服務程式

級中斷服務程式級中斷服務程式………………1n2

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床115中斷型結構模式的特點任務調度機制：搶佔式優先調度。資訊交換：緩衝區。即時性好。由於中斷級別較多（最多可達8級），強即時性任務可安排在優先順序較高的中斷服務程式中。模組間的關係複雜，耦合度大，不利於對系統的維護和擴充。二十世紀80～90年代初的CNC系統大多採用這種結構。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床116.基於即時操作系統的結構模式

即時操作系統（RealTimeOperatingSystem

RTOS）是操作系統的一個重要分支，它除了具有通用操作系統的功能外，還具有任務管理、多種即時任務調度機制（如優先順序搶佔調度、時間片輪轉調度等）、任務間的通信機制（如郵箱-mailbox、消息佇列-massage、信號燈-signal、旗語－semaphore、先入先出－FIFO、共用記憶體－Sharememory等）等功能。由此可知，CNC系統軟體完全可以在即時操作系統的基礎上進行開發。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床117基於即時操作系統軟體結構圖

RTOS模組（任務）1模組（任務）2模組（任務）

……

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床118基於即時操作系統的結構模式的優點弱化功能模組間的耦合關係

CNC各功能模組之間在邏輯上存在著耦合關係，在時間上存在著時序配合關係。為了協調和組織它們，前述結構模式中，需用許多全局變數標誌和判斷、分支結構，致使各模組間的關係複雜。在本模式中，設計者只須考慮模組自身功能的實現，然後按規則掛到即時操作系統上，而模組間的調用關係、資訊交換方式等功能都由即時操作系統來實現。從而弱化了模組間的耦合關係。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床119系統的開放性和可維護性好從本質上講，前述結構模式採用的是單一流程加中斷控制的機制，一旦開發完畢，系統將是的完全封閉（對系統的開發者也是如此），若想對系統進行功能擴充和修改將是困難的。在本模式中，系統功能的擴充或修改，只須將編寫好的任務模組（模組程式加上任務控制塊（TCB）），掛到即時操作系統上（按要求進行編譯）即可。因而，採用該模式開發的CNC系統具有良好的開放性和可維護性。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床120減少系統開發的工作量

在CNC系統軟體開發中，系統內核（任務管理、調度、通信機制）的設計開發的往往是很複雜的，而且工作量也相當大。當以現有的即時操作系統為內核時，即可大大減少系統的開發工作量和開發週期。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床121基於即時操作系統開發CNC系統的方法在商品化的即時操作系統下開發CNC系統，國外有些著名CNC系統廠家採用了這種方式。將通用PC機操作系統（DOS、WINDOWS）擴充擴展成即時操作系統，然後在此基礎上開發CNC系統軟體。目前國內有些CNC系統的生產廠家就是採用的這種方法。該法的優點在於DOSWINDOWS是得到普遍應用的操作系統，擴充擴展相對較容易，有利於形成具有我國自主版權的數控軟體，這是一種適合我國國情的好方法。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床122.華中I型數控系統軟體結構介紹華中I型數控系統軟體的即時操作環境是在DOS操作系統上擴充擴展而成的。以該環境為內核，實現了一個開放式的數控系統軟體平臺，它能提供方便的二次開發環境，使之能靈活地組配不同類型的數控系統和擴充系統的功能。因而，這種結構具有良好的開放性和可維護性。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床123華中I

型數控系統軟體結構

編輯程式參數設置解釋程式PLC管理MDI故障顯示……過程控制軟體NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟體過程層軟體NCBASE

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床124

軟體結構概述華中Ⅰ型數控系統的系統軟體由兩部分組成：底層軟體（軟體平臺）和上層軟體(過程層軟體)

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床125底層軟體（軟體平臺）圖中虛線以下的部分:DOS、RTM和NCBIOS

RTM模組：為自主開發的即時多任務管理模組，負責CNC系統的任務管理調度。NCBIOS模組：為基本輸入輸出系統，管理CNC系統所有的外部控制對象，包括設備驅動程式（I/O）的管理、位置控制、PLC控制、插補計算以及內部監控等。NCBASE：RTM和NCBIOS的統稱。編輯程式參數設置解釋程式PLC管理MDI故障顯示……過程控制軟體NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟體過程層軟體NABASE

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床126上層（過程控制層）軟體：虛線以上部分。主要功能模組：編輯程式、參數設置、譯碼程式、PLC管理、MDI、

故障顯示等與用戶操作有關功能子模組。不同數控系統，其系統功能的區別和增減均在這一層實現。各功能模組都通過NCBIOS與底層進行資訊交換，使上層模組與系統的硬體無關。這便是本系統具有開放性的關鍵所在。

第三節CNC系統軟體結構……編輯程式參數設置解釋程式PLC管理MDI故障顯示過程控制軟體NCBIOSRTMMS-DOS位置控制I/O控制PLC控制低層軟體過程層軟體NABASE下午6時18分數字控制機床127.NCBASE的功能

即時多任務調度該功能由RTM模組實現，它是通過DOS的INT08中斷(8253定時中斷）功能構造的調度核心來實現對多任務調度的。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床128調度核心結構及其多任務調度圖

刀補運算譯碼解釋動態顯示人機界面PLC功能數據采集插補運算位置控制時鐘中斷服務程式任務調度程式調度核心

第三節CNC系統軟體結構970ms481216位置控制插補運算後臺程式實線表示從調度核心進入任務或任務在一個時間片內沒有運行完返回調度核心,虛線表示任務在時間片內運行完返回調度核心.下午6時18分數字控制機床129調度核心程式框圖

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床130

CNC任務的劃分及優先順序的確定華中I型將任務劃分為8個，優先順序從高到低排列為：位置控制任務（4ms）；插補計算任務（8ms）；數據採集任務（12ms）；PLC任務（16ms）；刀補運算任務（條件（緩衝區）驅動）；解碼解釋任務（條件（緩衝區）驅動）；動態顯示任務（96ms）；人機介面（菜單管理，一次性死迴圈任務）。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床131設備驅動程式功能：滿足不同的控制對象（加工中心、銑床、車床、磨床等）不同硬體配置對不同驅動程式的要求。實現系統的通用性。實現：在配置系統時，將所有的硬體模組的驅動程式都在NCBIOS的NCBIOS.CFG（類似於DOS的CONFIG.SYS檔）中說明。系統在運行時，NCBIOS根據NCBIOS.CFG的預先的設置，調入對應模組的驅動程式，建立相應的介面通道。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床132位置控制位置控制是NCBIOS的一個固定程式，其主要功能是接受插補運算程式送來的位置控制指令，經進行螺距誤差補償、傳動間隙補償、極限位置判別等處理後，輸出速度指令值給位置控制模組。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床133插補器華中I型為數控系統多通道（最多可達4通道）數控系統，每個通道有一個插補器，相應就創建一個插補任務。該任務主要完成以下工作：直線、圓弧、螺紋、攻絲以及微小直線段（供自由曲線和自由曲面加工用）等的插補運算。下午6時18分數字控制機床134PLC調度

PLC調度的主要任務是：故障報警處理、MST指令處理、急停和複位處理、虛擬軸驅動處理、刀具壽命管理、操作面板開關處理、指示燈及突發事件處理等。

第三節CNC系統軟體結構下午6時18分數字控制機床135.NCBIOS提供給上層軟體的介面

NC功能調用介面插補器介面：供插補預處理（解碼、刀補、速度預處理）的數據給底層軟體；故障資訊交換介面；設備調用介面。下午6時18分數字控制機床136數據通訊區上層軟體通過數據區觀察系統的狀態，包括坐標軸狀態（軸位置、跟隨誤差、運動速度）、輸入/輸出狀態、PLC內部狀態等。下午6時18分數字控制機床137第四節

CNC裝置的插補原理下午6時18分數控技術138第四節CNC裝置的插補原理一.概述

1。插補的概念插補(Interpolation)：根據給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法或插補原理。插補演算法：對應於每種插補方法(原理)的各種實現演算法。插補功能是輪廓控制系統的本質特徵。下午6時18分數字控制機床139.評價插補演算法的指標

穩定性指標插補運算是一種迭代運算，存在著演算法穩定性問題，插補演算法穩定的充必條件：在插補運算過程中，對計算誤差和舍入誤差沒有累積效應。插補演算法穩定是確保輪廓精度要求的前提。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床140插補精度指標插補精度：插補輪廓與給定輪廓的符合程度，它可用插補誤差來評價。插補誤差分類：逼近誤差（指用直線逼近曲線時產生的誤差）；計算誤差（指因計算字長限制產生的誤差）；圓整誤差（指計算結果取整產生的誤差）其中，逼近誤差和計算誤差與插補演算法密切相關。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床141提高插補精度的方法採用逼近誤差和計算誤差較小的插補演算法；採用優化的小數圓整法，如：逢奇（偶）四捨五入法、小數累進法等。上述三誤差的綜合效應一般要求小於系統的最小運動指令或脈衝當量。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床142合成速度的均勻性指標合成速度的均勻性：插補運算輸出的各軸進給率，經運動合成的實際速度（Fr）與給定的進給速度（F）的符合程度。速度不均勻性係數：合成速度均勻性係數應滿足：

λmax≤1%第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床143插補演算法要盡可能簡單，要便於編程因為插補運算是即時性很強的運算，若演算法太複雜，電腦的每次插補運算的時間必然加長，從而限制進給速度指標和精度指標的提高。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床144.插補方法的分類

脈衝增量插補(行程標量插補)特點：每次插補的結果僅產生一個單位的行程增量（一個脈衝當量）。以一個一個脈衝的方式輸出給步進電機。其基本思想是：用折線來逼近曲線（包括直線）。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床145插補速度與進給速度密切相關。因而進給速度指標難以提高，當脈衝當量為10μm時，採用該插補演算法所能獲得最高進給速度是3-4m/min。脈衝增量插補的實現方法較簡單，通常僅用加法和移位運算方法就可完成插補。因此它比較容易用硬體來實現，而且，用硬體實現這類運算的速度很快的。但是也有用軟體來完成這類演算法的。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床146這類插補演算法有：逐點比較法；最小偏差法；數字積分法；目標點跟蹤法；單步追蹤法等它們主要用早期的採用步進電機驅動的數控系統。由於此演算法的速度指標和精度指標都難以滿足現在零件加工的要求，現在的數控系統已很少採用這類演算法了。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床147數字增量插補(時間標量插補)特點：插補程式以一定的時間間隔定時(插補週期)運行，在每個週期內根據進給速度計算出各坐標軸在下一插補週期內的位移增量（數字量）。其基本思想是：用直線段（內接弦線，內外均差弦線，切線）來逼近曲線（包括直線）。下午6時18分數字控制機床148插補運算速度與進給速度無嚴格的關係。因而採用這類插補演算法時，可達到較高的進給速度（一般可達到10m/min以上）。數字增量插補的實現演算法較脈衝增量插補複雜，它對電腦的運算速度有一定的要求，不過現在的電腦均能滿足要求。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床149這類插補方法有：數字積分法(DDA)、二階近似插補法、雙DDA插補法、角度逼近插補法、時間分割法等。這些演算法大多是針對圓弧插補設計的。這類插補演算法主要用於交、直流伺服電機為伺服驅動系統的閉環，半閉環數控系統，也可用於以步進電機為伺服驅動系統的開環數控系統，而且，目前所使用的CNC系統中，大多數都採用這類插補方法。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床150二、脈衝增量插補逐點比較法是這類演算法最典型的代表，它是一種最早的插補演算法，該法的原理是：CNC系統在控制過程中，能逐點地計算和判別運動軌跡與給定軌跡的偏差，並根據偏差控制進給軸向給定輪廓靠近，縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓。第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床151逐點比較法工作過程圖

偏差判別終點判別進給輸出偏差計算終點到退出第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床1521。逐點比較法加工的原理（直線）

A(Xe，Ye)(Xm，Ym)Y直線X直線:

Fm=Xe

*Ym

-Ye

*Xm

Fm＞0在直線上方，向+X輸出一步Fm＝0在直線上，向+X輸出一步Fm＜0在直線下方，向+Y輸出一步第四節CNC裝置的插補原理O插補步驟：1、偏差判別，判別Fm>=0或Fm<0，確定座標進給方向和偏差計算方法2、座標進給：根據象限及偏差符號，決定沿＋X,-X,+Y,-Y四個方向的哪個方向前進3、偏差計算：進給一步後，計算新的加工點的偏差，作為下次偏差的依據3、終點判別：進給一步，終點計數器減一，當其為0時，到達終點。下午6時18分數字控制機床153下午6時18分數字控制機床154下午6時18分數字控制機床1552。逐點比較法加工的原理（圓弧）圓弧:

Fm=Xm2+Ym2–R2第一象限順圓：Fm＞0在圓外，向-Y輸出一步Fm＝0在圓上，向+X輸出一步Fm＜0在圓內，向+X輸出一步RXY(Xm，Ym)

圓弧

第四節CNC裝置的插補原理下午6時18分數字控制機床156第四節CNC裝置的插補原理1、偏差計算順園第一象限（SR1)2、終點判別X,Y座標的總和－>SUM,每走一步，SUM=SUM-1,直到SUM＝0.3、插補計算下午6時18分數字控制機床157下午6時18分數字控制機床158第四節CNC裝置的插補原理3、數字積分插補法，又稱數字微分分析器（Digitaldifferentialanalyzer)，簡稱DDA.數字積分法是利用數字積分的方法，計算刀具沿各坐軸的位移，使得刀具沿著所加工的曲線運動。利用數字積分的原理構成的插補裝置叫做數字積分器，又稱數字微分分析器(Digitaldifferentialanalyzer)，簡稱DDA。數字積分器具有運算速度快、脈衝分配均勻、易於實現多座標聯動，進行空間直線插補及描繪平面各種函數曲線的特點。因此，數字積分器在輪廓控制數控系統中有著廣泛的應用。下麵分別介紹數字積分原理、直線插補原理。下午6時18分數字控制機床159第四節CNC裝置的插補原理（一）數字積分原理設被積函數Y=f(t),從t0-tm區間的面積為：取

ti為一個單位時間(如等於一個脈衝週期時間)則有：由此可見，函數的積分運算變成了變數求和運算。如果所選取的脈衝當量足夠小，則用求和運算來代替積分運算所引起的誤差一般不會超過容許的數值。這樣．可以採用被積函數寄存器JV和累加器JR(又叫餘數寄存器)兩個奇存器和一個全加器QJ構成數字積分器.見書中圖4－5。下午6時18分數字控制機床160第四節CNC裝置的插補原理（二）數值積分法直線插補假定Vx和Vy分別表示動點在X和Y方向的移動速度，則在X和y方向上的移動距離微小增量X和Y應為對直線函數來說，VX和VY是常數，則下式成立:式中K為比例係數。在t時間內X和Y位移增量的參數方程為:動點從原點走向終點的過程，可以看作是各座標每經過一個單位時間間隔t分別以增量KXe．和KYe同時累加的結果。經過m次累加後，z和y分別都到達終點E(Xe，Ye)，即下式成立:下午6時18分數字控制機床161第四節CNC裝置的插補原理上式表明，比例係數K和累加次數m的關係是互為倒數。因為m必須是整