第3章计算机数控(CNC)系统1-课件

一、一、CNCCNC系统的构成与功能系统的构成与功能第第3 3章计算机数控章计算机数控(CNC)(CNC)系统系统3.1概述概述1.1.数字控制系统的任务：数字控制系统的任务：1 1）使刀具与工件的相对运动形成规定的几何轨迹控制，）使刀具与工件的相对运动形成规定的几何轨迹控制，即控制机床的成形运动；即控制机床的成形运动；2 2）与机床运动有关的能量流向的开关量控制；）与机床运动有关的能量流向的开关量控制；3 3）实现通讯，并具有开放与重构特性。）实现通讯，并具有开放与重构特性。12.CNC2.CNC系统的组成系统的组成 1 1）CNCCNC系统：系统：由输入输出设备、由输入输出设备、CNCCNC装置、装置、PLCPLC、主轴驱主轴驱动装置、进给驱动装置等组成。动装置、进给驱动装置等组成。2 2）CNCCNC控制器（系统）：控制器（系统）：数控专用计算机数控专用计算机（计算机硬件数控系（计算机硬件数控系统软件数控专用统软件数控专用I/OI/O接口）接口）PLCPLC。作用：接受信息作用：接受信息计算处理计算处理发出控制命令发出控制命令2CNCCNC系统组成：系统组成：输入输入输出输出装置装置主轴电动机主轴电动机MDIMDI面板面板操作面板操作面板强电输入强电输入伺服电动机伺服电动机位检元件位检元件机床电器机床电器PLCPLCPLCPLC计计算算机机数数控控装装置置检测反馈装置检测反馈装置CNCCNC控制器控制器速度控制单元速度控制单元主轴控制单元主轴控制单元强电控制装置强电控制装置33.3.CNCCNC控制器的工作过程控制器的工作过程 CNCCNC的工作过程，实际上就是一台工业的工作过程，实际上就是一台工业控制控制计算机执行数控软件的全过程计算机执行数控软件的全过程。包括零件程序的输入、译码、刀具补偿、包括零件程序的输入、译码、刀具补偿、插补运算、进给速度处理、位置控制、插补运算、进给速度处理、位置控制、I/OI/O开关量处开关量处理、加工信息显示及故障诊断等。理、加工信息显示及故障诊断等。CNCCNC控制器控制器4 1 1）零件程序的输入）零件程序的输入 CNC CNC系统的输入，包括零件程序和参数两部分系统的输入，包括零件程序和参数两部分输入。参数通过操作面板输入；零件程序的输入，输入。参数通过操作面板输入；零件程序的输入，包括纸带输入、键盘输入（包括纸带输入、键盘输入（MDIMDImanual data manual data inputinput）和计算机通信输入）和计算机通信输入(DNC(DNC接口，接口，RS232C,RS232C,direct numerical control)direct numerical control)。CNC CNC输入工作方式，可一次全部输入到输入工作方式，可一次全部输入到CNCCNC内内部程序存储器中，加工时把一个个程序段分别调部程序存储器中，加工时把一个个程序段分别调出执行，这称为出执行，这称为存储工作方式存储工作方式；另一种称为另一种称为NCNC工作方式工作方式，数控机床一边输入，数控机床一边输入零件程序一边加工，即机床在进行前一个程序段零件程序一边加工，即机床在进行前一个程序段加工的同时，正在输入后面的程序段。加工的同时，正在输入后面的程序段。52 2）译码处理）译码处理 译码处理，是将零件程序的一个程序段为单译码处理，是将零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起如起点、终点、直线或圆弧等点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息、加工速度信息(F(F代代码码)和其它辅助信息和其它辅助信息(M(M，S S，T T代码等代码等)按照一定按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间。间。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查。查。63)3)刀具补偿刀具补偿 刀具补偿包括长度补偿和刀具半径补偿。为使刀具补偿包括长度补偿和刀具半径补偿。为使编制的零件程序与刀具尺寸无关，零件程序是以编制的零件程序与刀具尺寸无关，零件程序是以零件轮廓轨迹来编制的。零件轮廓轨迹来编制的。刀具补偿的作用是根据不同刀具的尺寸把零件刀具补偿的作用是根据不同刀具的尺寸把零件轮廓轨迹转换成相应刀具中心的轨迹。轮廓轨迹转换成相应刀具中心的轨迹。现代现代CNCCNC刀具补偿的工作还包括程序段之间的刀具补偿的工作还包括程序段之间的自动转接和过切判别功能。自动转接和过切判别功能。4)4)进给速度处理进给速度处理 编程给定的刀具移动速度，是在各坐标的合成编程给定的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理是根据合成速度来计算各方向上的速度。速度处理是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度，为插补做准备。运动坐标方向的分速度，为插补做准备。75 5）插补）插补 插补是指在一已知起点和终点坐标的曲线上进插补是指在一已知起点和终点坐标的曲线上进行行“数据点的密化数据点的密化”工作。工作。插补点在每个插补周期运行一次，在每个插补插补点在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。数据段。通常经过若干次插补周期后，插补完一个程序通常经过若干次插补周期后，插补完一个程序段的加工，即完成从该程序段起点到终点的段的加工，即完成从该程序段起点到终点的“数据数据点密化点密化”工作。工作。一般一般CNCCNC能对直线、圆弧和螺旋进行插补计算，能对直线、圆弧和螺旋进行插补计算，在高档的在高档的CNCCNC中还能对椭圆、抛物线、正弦线和一中还能对椭圆、抛物线、正弦线和一些专用曲线进行插补计算。些专用曲线进行插补计算。86 6）位置控制）位置控制 位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，根根据差值控制进给伺服电机据差值控制进给伺服电机。在位置控制中，通常还要完成在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。以提高机床的定位精度。7 7）I IO O处理处理 I IO O处理主要是处理处理主要是处理CNCCNC装置与机床之间的强装置与机床之间的强电信号的输入、输出和控制电信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷如换刀、换挡、冷却等却等)。99 9）诊断）诊断 现代现代CNCCNC都具有联机和脱机诊断的能力。都具有联机和脱机诊断的能力。所谓联机诊断，指所谓联机诊断，指CNCCNC工作时运行工作时运行CNCCNC中的自诊中的自诊断程序，随时检查各个部件，故障时立即报警。断程序，随时检查各个部件，故障时立即报警。所谓脱机诊断，指所谓脱机诊断，指CNCCNC不工作时的诊断，通过运不工作时的诊断，通过运行专门的诊断程序，检查各个部件，及时消除故障，行专门的诊断程序，检查各个部件，及时消除故障，还可实现远程诊断。还可实现远程诊断。8 8）显示）显示 CNCCNC的显示主要有：零件程序的显示，参数显示，的显示主要有：零件程序的显示，参数显示，刀具位置显示，机床状态显示，报警显示等。刀具位置显示，机床状态显示，报警显示等。有些有些CNCCNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。图形显示。10CNCCNC信息信息流程流程 114.4.CNCCNC控制器的功能控制器的功能 通常包括基本功能和选择功能。基本功能是通常包括基本功能和选择功能。基本功能是CNCCNC系统必备的功能，选择功能是供用户根据机系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。主要功能：床特点和用途进行选择的功能。主要功能：1 1）轴控制功能）轴控制功能 指指CNCCNC能够控制的以及能够同时控制的轴数能够控制的以及能够同时控制的轴数（联动轴数）。控制轴有移动轴和回转轴，有基（联动轴数）。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。本轴和附加轴。一般数控车床只需一般数控车床只需2 2根同时控制轴，双刀架时根同时控制轴，双刀架时有有4 4根控制轴。数控铣床、镗床以及加工中心等根控制轴。数控铣床、镗床以及加工中心等需要有需要有3 3根或根或3 3根以上的控制轴。根以上的控制轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNCCNC就越复杂，编制程序也越困难。就越复杂，编制程序也越困难。122 2）准备功能）准备功能 准备功能也称准备功能也称G G功能，用来指令机床动作方式功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定等指的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定等指令。令。它用指令它用指令G G和它后续的两位数字表示。和它后续的两位数字表示。ISOISO标标准中推备功能从准中推备功能从G00G00至至G99G99共共100100种，数控系统可从种，数控系统可从中选用。中选用。3 3）插补功能）插补功能 CNCCNC是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹，是通过软件插补来实现刀具运动的轨迹，出于进给速度和分辨率的要求，出于进给速度和分辨率的要求，CNCCNC插补分为粗插插补分为粗插补和精插补。补和精插补。软件每次插补一个小线段称为粗插补；软件每次插补一个小线段称为粗插补；伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉伺服接口根据粗插补的结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。冲输出，称为精插补。实现插补运算的方法有逐点实现插补运算的方法有逐点比较法，数字积分法等。比较法，数字积分法等。134 4）进给功能）进给功能 进给功能用进给功能用“F”F”直接指令各轴的进给速度。直接指令各轴的进给速度。(1)(1)切削进给速度切削进给速度(每分钟进给量每分钟进给量)；(2)(2)同步进给速度同步进给速度(每转进给量每转进给量)，指主轴每转，指主轴每转进给量规定的送给速度，如进给量规定的送给速度，如0.01mm/r0.01mm/r；(3)(3)快速进给快速进给(G00)(G00)速度速度，可设定；，可设定；(4)(4)进给倍率进给倍率，倍率在，倍率在0 0200200之间变化，每档之间变化，每档间隔间隔10%10%，车螺纹时无效。，车螺纹时无效。5 5）主轴功能）主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能，用主轴功能就是指定主轴转速的功能，用S S字母和字母和它后续的数值表示，有它后续的数值表示，有S2S2位和位和S4S4位，多用位，多用S4S4位。位。S S的的单位是单位是r rminmin。面板设有主轴倍率开关。面板设有主轴倍率开关。146 6）辅助功能）辅助功能 辅助功能用来规定主轴的起动、停止、转向，辅助功能用来规定主轴的起动、停止、转向，冷却泵的接通和断开，刀库的起、停等。用冷却泵的接通和断开，刀库的起、停等。用M M字字母和它后续的母和它后续的2 2位数值表示，位数值表示，ISOISO标准中辅助功标准中辅助功能有能有100100种。种。7 7）刀具功能和第二辅助功能）刀具功能和第二辅助功能 刀具功能用来选择刀具，用刀具功能用来选择刀具，用T T字母和它后续的字母和它后续的2 2位或位或4 4位数值表示。位数值表示。第二辅助功能用来指定工作台的分度，用第二辅助功能用来指定工作台的分度，用B B字字母和它后续的母和它后续的3 3位数值表示。位数值表示。159 9）字符图形显示功能）字符图形显示功能 CNCCNC可配置单色或彩色可配置单色或彩色CRTCRT，通过软件和接口实，通过软件和接口实现字符和图形的显示。现字符和图形的显示。现代数控系统都采用现代数控系统都采用LCDLCD显示器。显示器。8 8）补偿功能）补偿功能 CNCCNC采用补偿功能，可把采用补偿功能，可把刀具长度或直径刀具长度或直径(铣刀铣刀直径直径)的相应补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙的相应补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量误差的补偿量预先输入预先输入CNCCNC的存储器，的存储器，CNCCNC就能按补就能按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件，消除加工误差。工出符合要求的零件，消除加工误差。16 CNCCNC装置的控制功能、准备功能、插补功能、进装置的控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、刀具功能、主轴功能、辅助功能、字符显给功能、刀具功能、主轴功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等是示功能、自诊断功能等是CNCCNC的基本功能。的基本功能。1010）自诊断功能）自诊断功能 CNCCNC装置中设置各种诊断程序，故障时报警。装置中设置各种诊断程序，故障时报警。1111）通信功能）通信功能 CNCCNC通常具有通常具有RS232CRS232C接口，有的还备有接口，有的还备有DNCDNC接接口，它设有缓冲存储器，以口，它设有缓冲存储器，以NCNC格式输入，还可以格式输入，还可以二进制格式输入，进行高速传输。二进制格式输入，进行高速传输。1212）人机交互编程功能）人机交互编程功能 复杂零件的复杂零件的NCNC程序是要通过通用计算机或自程序是要通过通用计算机或自动编程机编制；有的动编程机编制；有的CNCCNC具有根据蓝图直接编程具有根据蓝图直接编程的功能。的功能。17二、二、CNCCNC的硬件结构的硬件结构 CNCCNC硬件结构硬件结构按印制电路板的插接方式可以分按印制电路板的插接方式可以分为大板结构和总线式模块化结构为大板结构和总线式模块化结构；按按CNCCNC中微处理中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构；结构；按按CNCCNC硬件的制造方式，可以分为专用计算硬件的制造方式，可以分为专用计算机型结构和工控计算机型结构。机型结构和工控计算机型结构。1.1.大板结构和模块化结构大板结构和模块化结构1 1）大板结构）大板结构 大板结构大板结构CNCCNC由电路主板和相关子板构成，主由电路主板和相关子板构成，主板上装有主板上装有主CPUCPU和各轴的位置控制电路等系统主和各轴的位置控制电路等系统主要部件。主板是大印制电路板，其它小电路板插要部件。主板是大印制电路板，其它小电路板插在主板插槽内，结构类似于个人电脑的结构。在主板插槽内，结构类似于个人电脑的结构。18大板结构的大板结构的FANUC 0-TDFANUC 0-TD数控系统数控系统 192 2）总线式模块化结构）总线式模块化结构 整个整个CNCCNC按功能分为若干个模块。硬件和软件按功能分为若干个模块。硬件和软件的设计都采用模块化结构，每一个功能模块做成的设计都采用模块化结构，每一个功能模块做成尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软件固化在其中。件固化在其中。功能模块通过有明确定义的标准功能模块通过有明确定义的标准固定接口通讯、交换信息。固定接口通讯、交换信息。常用的功能模板有常用的功能模板有CPUCPU控制板、位置控制板、控制板、位置控制板、I/OI/O板、板、PLCPLC板、存储器板、图形板和通信板等。板、存储器板、图形板和通信板等。FANUCFANUC系统系统1515系列就采用了模块化结构。系列就采用了模块化结构。用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就组成了自己需要的就组成了自己需要的CNCCNC系统的控制装置。系统的控制装置。20模块化结构的模块化结构的FANUC 15FANUC 15数控系统数控系统 212.2.单微处理器结构和多微处理器结构单微处理器结构和多微处理器结构1)1)单微处理器结构单微处理器结构 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。等都需要通过总线与微处理器相连。2)2)多微处理器结构多微处理器结构 结构上结构上CNCCNC中有两个或两个以上的中有两个或两个以上的CPUCPU，每个每个CPUCPU通过数据总线或通信方式进行连接，共享系通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与统的公用存储器与I/OI/O接口，接口，每个每个CPUCPU分担系统的分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。一部分工作，这就是多微处理器系统。目前使用的多目前使用的多CPUCPU系统有主从式结构、总线式系统有主从式结构、总线式结构和分布式结构三种结构。结构和分布式结构三种结构。22单微处理器单微处理器结构结构CNCCNC23带有带有4 4个个CPUCPU的数控系统的数控系统(共享总线共享总线)24 3.3.计算机型计算机型CNCCNC结构结构 专机数控的计算机是数控系统生产厂为其专机数控的计算机是数控系统生产厂为其CNCCNC系统专门设计的，结构较合理，性能价格比高，系统专门设计的，结构较合理，性能价格比高，一般有较大批量的规模生产。一般有较大批量的规模生产。PC PC数控，考虑到可靠性，所用的计算机一般数控，考虑到可靠性，所用的计算机一般采用工控机采用工控机(IPC)(IPC)，其构成与个人计算机相似，其构成与个人计算机相似，开发成本相对较低，常见于经济型数控系统中。开发成本相对较低，常见于经济型数控系统中。PCPC型型CNCCNC的硬件结构有：的硬件结构有：专用计算机数控装置（简称专机数控）；专用计算机数控装置（简称专机数控）；通用计算机数控装置（简称通用计算机数控装置（简称PCPC数控）。数控）。254.4.基于基于PCPC的开放式的开放式CNCCNC体系结构简介体系结构简介 2)2)基于基于PC(IPCPC(IPC和和PC)PC)的开放式的开放式CNCCNC体系硬件体系硬件 在计算机基本配置基础上，在计算机基本配置基础上，增加一块运动控制增加一块运动控制卡，和各种卡，和各种I/OI/O卡卡，实现机床的运动控制和辅助功，实现机床的运动控制和辅助功能控制，所用的处理器通常是能控制，所用的处理器通常是DSP(DSP(数字信号处理数字信号处理)类型，类型，常见类型：常见类型：PCPC直接数控：运动控制卡不带直接数控：运动控制卡不带CPUCPU嵌入式数控：运动控制卡带一个或多个嵌入式数控：运动控制卡带一个或多个CPUCPU1)1)开放式开放式CNCCNC体系特征：体系特征：可互操作性，可移植性，可缩放性，可替代性。可互操作性，可移植性，可缩放性，可替代性。26三、三、CNCCNC的软件结构的软件结构 1 1）软件和硬件在逻辑上的等价性：）软件和硬件在逻辑上的等价性：一个事件：一个事件：由硬件完成时，处理速度较快，专业性强，但由硬件完成时，处理速度较快，专业性强，但造价较高；造价较高；由软件完成时，设计灵活，适应性强，但处理由软件完成时，设计灵活，适应性强，但处理通度较慢。通度较慢。1.CNC1.CNC的软硬件界面的软硬件界面 CNCCNC装置是由软件和硬件组成的，硬件为软装置是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供了支持环境。件的运行提供了支持环境。软、硬件的分配比例是由性价比决定的。现代软、硬件的分配比例是由性价比决定的。现代CNCCNC中软件和硬件的界面关系是不固定的。中软件和硬件的界面关系是不固定的。272 2）三种典型）三种典型CNCCNC软硬件界面：软硬件界面：282.CNC2.CNC软件系统的多任务并行处理与实时中断软件系统的多任务并行处理与实时中断零件程序输入输出零件程序输入输出人机界面人机界面诊断诊断 通信通信 管理软件管理软件 CNCCNC系统软件系统软件 译码译码 刀具补偿刀具补偿控制软件控制软件 速度控制速度控制 插补运算插补运算 位置控制位置控制 1 1）CNCCNC系统软件的多任务性：系统软件的多任务性：292 2）并行处理与实时中断处理）并行处理与实时中断处理 (1)CNC(1)CNC多任务并行处理需求多任务并行处理需求 30(2)(2)并行处理并行处理 并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上的工作。常用有隔内完成两种或两种以上的工作。常用有资源重资源重复、时间重叠、资源分时共享复、时间重叠、资源分时共享等方法。等方法。时间重叠时间重叠31单单CPUCPU分时资源共享分时资源共享32 (3)(3)实时中断处理实时中断处理 CNCCNC系统软件的另一个重要特征是实时中断处系统软件的另一个重要特征是实时中断处理。理。CNCCNC系统的多任务性和实时性决定了系统系统的多任务性和实时性决定了系统中中断成为整个系统必不可少的重要组成部分，断成为整个系统必不可少的重要组成部分，中断中断结构决定了系统软件的结构。结构决定了系统软件的结构。中断类型：中断类型：外部中断外部中断外部设备中断；外部设备中断；内部中断内部中断位置采样定时、插补周期中断；位置采样定时、插补周期中断；硬件故障中断硬件故障中断硬件故障中断；硬件故障中断；程序性中断程序性中断执行程序时的各种溢出，除零等。执行程序时的各种溢出，除零等。333.CNC3.CNC的软件结构的软件结构 CNCCNC的软件结构取决于系统的中断结构模的软件结构取决于系统的中断结构模式，常见有两种：式，常见有两种：1 1）中断型结构模式）中断型结构模式 特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务分别安排在不同级别的中断服务程序中。各种任务分别安排在不同级别的中断服务程序中。整个软件就是一个大的中断系统，其管理的功整个软件就是一个大的中断系统，其管理的功能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。2 2）前后台型结构模式）前后台型结构模式 特点是特点是前台程序前台程序是一个中断服务程序，它几乎是一个中断服务程序，它几乎承担了全部实时功能承担了全部实时功能(如插补和位置控制如插补和位置控制)。而管。而管理软件和插补准备则在背景程序中完成。理软件和插补准备则在背景程序中完成。34 背景程序背景程序循环运行，循环运行，前台程序前台程序实时中断执行，实时中断执行，如图所示，共同完成零件加工任务。如图所示，共同完成零件加工任务。背景程序背景程序(后台后台)前台程序前台程序35 华中华中HNCHNCFANUCFANUCSIEMENSSIEMENS四、常见数控系统四、常见数控系统363.23.2 CNCCNC的轨迹控制原理的轨迹控制原理 数控机床最突出的优点是：可以根据编程，数控机床最突出的优点是：可以根据编程，加工出较为复杂的曲线，比如圆、抛物线等。加工出较为复杂的曲线，比如圆、抛物线等。为什么数控机床能加工出这些曲线？怎样把为什么数控机床能加工出这些曲线？怎样把单个的坐标运动组合成理想曲线呢？这就是插补单个的坐标运动组合成理想曲线呢？这就是插补所解决的问题！所解决的问题！插补是一种运算程序，经过运算，判断出每插补是一种运算程序，经过运算，判断出每一步应进哪一个坐标，进多少，以此来完成数据一步应进哪一个坐标，进多少，以此来完成数据点的密化工作。点的密化工作。371.1.插补要解决的问题：插补要解决的问题：n让单独的坐标分别运动合成理想的轨迹；让单独的坐标分别运动合成理想的轨迹；n几个坐标同时进，还是每次进一个；几个坐标同时进，还是每次进一个；n判断进给哪一个坐标使下一步误差更小；判断进给哪一个坐标使下一步误差更小；n进给多少；进给多少；n如果同时进给，各个坐标进给的比例是多少；如果同时进给，各个坐标进给的比例是多少；同时，还要解决选用什么样的实际轨迹合成后与同时，还要解决选用什么样的实际轨迹合成后与理想轨迹误差最小。理想轨迹误差最小。插补协调坐标运动，通过坐标的简单运动组插补协调坐标运动，通过坐标的简单运动组合和分段协调成的简单曲线合和分段协调成的简单曲线(直线和圆弧直线和圆弧)来拟合来拟合实际复杂轮廓曲线。实际复杂轮廓曲线。382.2.插补方法的分类插补方法的分类插补算法归纳为两类：插补算法归纳为两类：“一次插补法一次插补法”，即脉冲增量插补，基特点：，即脉冲增量插补，基特点：常用的有常用的有逐点比较法和数字积分法。逐点比较法和数字积分法。这类算法，这类算法，每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。“二次插补法二次插补法”，即数据采样插补，即数据采样插补，基特点：基特点：插补分粗插补和精插补两部分。常用的有插补分粗插补和精插补两部分。常用的有时间时间分割法和扩展数字积分器法分割法和扩展数字积分器法，这类算法，这类算法在每个插在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。因而能显著提高进给速度，应用广泛。因而能显著提高进给速度，应用广泛。393.3.逐点比较插补法逐点比较插补法 数控机床的进给运动，如果每次只在一个坐数控机床的进给运动，如果每次只在一个坐标方向进给一小步，怎样进给误差最小？标方向进给一小步，怎样进给误差最小？先计算每次坐标进给后的位置与理想位置先计算每次坐标进给后的位置与理想位置（轮廓）的误差，然后，根据误差，选择一个（轮廓）的误差，然后，根据误差，选择一个减小误差的坐标方向进给，这样就有利于减小减小误差的坐标方向进给，这样就有利于减小误差，然后依次进给到终点。误差，然后依次进给到终点。逐点比较思想：走一步，看一步，决策一步。逐点比较思想：走一步，看一步，决策一步。又称代数运算法、醉步法。又称代数运算法、醉步法。40逐点比较算法解决两件事：逐点比较算法解决两件事：用最简捷的方式逐点计算单坐标进给后的位用最简捷的方式逐点计算单坐标进给后的位置误差；置误差；比较误差，判定进给坐标。比较误差，判定进给坐标。第一步：偏差判别第一步：偏差判别第二步：坐标进给第二步：坐标进给第三步：偏差计算第三步：偏差计算第四步：终点判别第四步：终点判别 逐点比较法控制机床作出一个坐标进给包含逐点比较法控制机床作出一个坐标进给包含四个节拍：四个节拍：411 1）逐点比较直线插补）逐点比较直线插补偏差判别偏差判别第一象限直线第一象限直线OAOA的方程为：的方程为：则：插补动点则：插补动点P P位于直线上方，下方和直线上：位于直线上方，下方和直线上：对于对于直线上方直线上方的点，有：的点，有：F(F(xi,yj)0 0 对于对于直线上直线上的点，的点，有：有：F(F(xi,yj)=0=0 对于对于直线下方直线下方的点，有：的点，有：F(F(xi,yj)0 0 A(xe,ye)P(xi,yj)P(x,y)P(x,y)P”(xi,yj)O(0,0)42坐标进给：坐标进给：为了逼近直线，显然当：为了逼近直线，显然当：y A(xe,ye)P P P P”O(0,0)x偏差计算：偏差计算：沿沿X X走一步走一步 沿沿+Y+Y走走一步一步43直线插补归纳：直线插补归纳：当当Fi,j00时，沿时，沿+X+X方向走一步，计算方向走一步，计算:Fi1,j=Fi-Ye；N=N-1 当当Fi,j0 0时，沿时，沿+Y+Y方向走一步，计算方向走一步，计算:Fi,j1=Fi+Xe；N=N-1终点判别：终点判别：有二种方法：有二种方法：一是一是：取终点坐标大者作为结束标志取终点坐标大者作为结束标志N N，每在该坐标，每在该坐标上走一步上走一步N-1N-1，等于零时，插补结束。，等于零时，插补结束。二是二是：取终点坐标和作为结束标志取终点坐标和作为结束标志N N，即，即N=Xe+YeN=Xe+Ye，每走一步每走一步N-1N-1，直到，直到N=0N=0时为止时为止。44直直线线插插补补软软件件流流程程图图45例例1 1 设终点坐标为设终点坐标为A(5,3)A(5,3)，脉冲当量为，脉冲当量为xxyy1 1，试给出加工直线，试给出加工直线OAOA的逐点比较插补运算表，的逐点比较插补运算表，并画出插补轨迹图。并画出插补轨迹图。解：解：N=XeN=XeYeYe8 8序号序号工作节拍工作节拍偏差判别偏差判别 坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别起点起点F0=0N=81F0=0+XF1=0-3=-3N=72F10+XF3=2-3=-1N=54F30+XF5=4-3=1N=36F50+XF6=1-3=-2N=27F60+XF8=3-3=0N=0 x x进给时：进给时：F Fi i1=F1=Fi i-Y-Ye ey y进给时：进给时：F Fi i1 1=F Fi i+X+Xe e46直线插补轨迹图直线插补轨迹图A(5,3)A(5,3)O(0,0)O(0,0)X XY Y47X Y 2 2）逐点比较圆弧插补）逐点比较圆弧插补偏差判别偏差判别 设第一象限逆圆设第一象限逆圆ABAB弧，弧，圆心为原点，圆弧起点坐圆心为原点，圆弧起点坐标标(X(X0 0,Y,Y0 0)和终点坐标和终点坐标(Xe,Ye)(Xe,Ye)如图。如图。设圆弧上任一点坐标为设圆弧上任一点坐标为(X(Xi i,Y,Yi i)，则下式成立：，则下式成立：选择判别函数选择判别函数F F为为 B(xe,ye)P P P P”A(xo,yo)48 根据动点根据动点P P所在区域不所在区域不同，有下列三种情况：同，有下列三种情况：F0,F0,动点动点PP在圆弧在圆弧外外 F=0,F=0,动点动点P P在圆弧上在圆弧上 F0,F0-X2F10+Y3F20+Y4F30+Y6F50-X8F70-X55圆圆弧弧插插补补软软件件流流程程图图563 3）逐点比较插补的象限处理）逐点比较插补的象限处理四象限直线插补：四象限直线插补：前面研究的直线插补运算公式，只适用于前面研究的直线插补运算公式，只适用于第第1 1象限的直线，对于第象限的直线，对于第2 2，3 3，4 4象限，由于控象限，由于控制方向不同，偏差函数有所不同。制方向不同，偏差函数有所不同。线线型型Fi,j0进给进给方向方向Fi,j0进给进给方向方向偏差计算偏差计算L1+X+YL2+Y-XL3-X-YL4-Y+X57四象限圆弧插补：四象限圆弧插补：前述为第前述为第1 1象限的逆圆插补计算，对于第象限的逆圆插补计算，对于第2 2，3 3，4 4象限，由于圆弧方向和控制方向不同，偏差象限，由于圆弧方向和控制方向不同，偏差函数有所不同，归纳计有函数有所不同，归纳计有8 8种情况。种情况。线线型型Fi,j0进给进给方向方向Fi,j0进给进给方向方向偏差计算偏差计算R1-X+YR2-Y+XR3-Y-XR4+X+Y58线线型型Fi,j0进给进给方向方向Fi,j0进给进给方向方向偏差计算偏差计算R5+X-YR6+Y-XR7+Y+XR8-X-Y四象限圆弧插补：四象限圆弧插补：593.33.3 CNCCNC的刀补控制原理的刀补控制原理1 1、刀具补偿：、刀具补偿：是是补偿补偿实际加工时所用的刀具与编程时使实际加工时所用的刀具与编程时使用的理想刀具或对刀时使用的基准刀具之间的用的理想刀具或对刀时使用的基准刀具之间的偏差值偏差值，保证加工零件符合图纸要求的一种处，保证加工零件符合图纸要求的一种处理方法。理方法。一、刀具补偿的概念一、刀具补偿的概念2 2、刀具补偿的意义：、刀具补偿的意义：1)1)编程是对编程是对“点点”的控制，的控制，实际实际刀具刀具(尖尖)有尺寸；有尺寸；2)2)编程时可以按刀尖或刀架编程时可以按刀尖或刀架(具具)中心编制；中心编制；3)3)刀具磨损、换刀带来加工轮廓的失真；刀具磨损、换刀带来加工轮廓的失真；4)4)粗加工时加工余量通过修改偏置参数实现。粗加工时加工余量通过修改偏置参数实现。60刀具补偿刀具补偿刀具的几何补偿刀具的几何补偿 （T TXXXXXXXX实现）实现）刀具刀具(尖尖)圆弧半径补偿圆弧半径补偿 （G41G41、G42G42实现）实现）几何位置补偿几何位置补偿磨损补偿磨损补偿二、刀具补偿的种类二、刀具补偿的种类3 3、刀补的任务：、刀补的任务：1)1)铣刀和圆头车刀：铣刀和圆头车刀：根据编程轨迹和刀具根据编程轨迹和刀具半径计算刀具中心轨迹；半径计算刀具中心轨迹；2)2)尖头车刀：尖头车刀：根据刀尖轨迹与刀架中心基根据刀尖轨迹与刀架中心基准点之间的偏差计算刀架中心基准点的轨迹。准点之间的偏差计算刀架中心基准点的轨迹。61三、刀具的几何补偿三、刀具的几何补偿1 1、几何位置补偿、几何位置补偿 1 1）含义：）含义：刀具几何位置补偿刀具几何位置补偿是用于补偿各刀具安装是用于补偿各刀具安装好后，其刀位点（如刀尖）与编程时理想刀具好后，其刀位点（如刀尖）与编程时理想刀具或基准刀具刀位点的位置偏移或基准刀具刀位点的位置偏移。在车床上，通常是在所用的多把车刀中选在车床上，通常是在所用的多把车刀中选定一把车刀作基准车刀，对刀编程主要是以该定一把车刀作基准车刀，对刀编程主要是以该车刀为准。车刀为准。622 2）几何位置补偿图示结构：）几何位置补偿图示结构：Xm,Xm,ZmZm：磨损补偿量磨损补偿量63 主要是针对某把主要是针对某把车刀而言，车刀而言，当某把车当某把车刀批量加工一批零件刀批量加工一批零件后，刀具自然磨损后后，刀具自然磨损后而导致刀尖位置尺寸而导致刀尖位置尺寸的改变，的改变，此即为该刀此即为该刀具需要的磨损补偿。具需要的磨损补偿。2 2、磨损补偿、磨损补偿3 3、刀具几何补偿的合成、刀具几何补偿的合成 若设定的刀具若设定的刀具几何位置补偿几何位置补偿和和磨损补偿磨损补偿都有效都有效存在时，实际几何补偿将是这两者的存在时，实际几何补偿将是这两者的矢量和。矢量和。X=X=Xj+Xj+XmXm、Z=Z=Zj+Zj+ZmZmXm,Xm,ZmZm：磨损补偿量磨损补偿量64 刀具的几何补偿是通过引用程序中使用的刀具的几何补偿是通过引用程序中使用的TxxxxTxxxx来实现的。来实现的。T T x xx x x xx x 当前刀具号当前刀具号 刀补地址号刀补地址号4 4、刀具几何补偿的实现、刀具几何补偿的实现过程：过程：1 1）将某把车刀的几何偏置和磨损补偿值存入相）将某把车刀的几何偏置和磨损补偿值存入相应的刀补地址中。应的刀补地址中。2 2）程序执行）程序执行 TxxxxTxxxx指令时，调用刀偏参数，换指令时，调用刀偏参数，换刀并驱动刀架拖板进行相应的位置调整。刀并驱动刀架拖板进行相应的位置调整。注：注：T XX 00T XX 00取消几何补偿。取消几何补偿。65程程编编轮轮廓廓实际轮廓实际轮廓2 2、刀具半径对零件轮廓的影响、刀具半径对零件轮廓的影响铣削刀具：铣削刀具：使工件的实际使工件的实际轮廓比程编轮廓小一个刀轮廓比程编轮廓小一个刀具半径。具半径。圆弧头车刀：圆弧头车刀：在加工锥面在加工锥面或圆弧面时，会造成过切或圆弧面时，会造成过切或欠切。或欠切。四、刀具半径补偿基本功能四、刀具半径补偿基本功能1 1、刀具半径补偿、刀具半径补偿 根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的刀具根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的刀具半径偏置参数，半径偏置参数，CNCCNC装置能实时自动生成刀具中心装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。66圆头车刀造成的圆头车刀造成的正锥欠切正锥欠切A A零件轮廓零件轮廓B B不补偿实际轮廓不补偿实际轮廓C C刀补后假想刀尖轮廓刀补后假想刀尖轮廓A A假想刀尖假想刀尖B B刀具中心刀具中心673 3、刀具半径补偿对铣削带来的新问题、刀具半径补偿对铣削带来的新问题在两轮廓段转接尖角过渡时，在两轮廓段转接尖角过渡时，外轮廓产生间断，外轮廓产生间断，内轮廓产生过切；内轮廓产生过切；在间断、交接过切的轮廓需要人工处理；在间断、交接过切的轮廓需要人工处理；间断间断的的B B刀补刀补处理处理68C C刀补：在两轮廓转接刀补：在两轮廓转接尖角过渡处尖角过渡处通过伸长、通过伸长、缩短、插入刀具中心缩短、插入刀具中心轨迹，实现轨迹，实现刀具中心刀具中心轨迹直线过渡的轨迹直线过渡的刀补刀补方法方法。ABC”CBAG41G42编程轨迹编程轨迹CO刀具刀具刀具刀具刀具中心轨迹刀具中心轨迹4 4、刀具半径补偿分类：、刀具半径补偿分类：B B刀补：在两轮廓转刀补：在两轮廓转接尖角过渡处接尖角过渡处人工插人工插入入圆弧的刀补方法；圆弧的刀补方法；间断的间断的B B刀刀补处理补处理695 5、刀具半径补偿执行及计算、刀具半径补偿执行及计算1 1）刀具半径补偿执行过程）刀具半径补偿执行过程起刀点起刀点起刀点起刀点G41G41G42G42 根据根据ISOISO规定，当刀具中心轨迹在程序规定的规定，当刀具中心轨迹在程序规定的前前进方向的右边时称为右刀补进方向的右边时称为右刀补，用用G42G42表示表示；反之称为反之称为左刀补，用左刀补，用G41G41表示表示。70刀补建立刀补建立即刀具以起刀点接近工件，由刀补方向即刀具以起刀点接近工件，由刀补方向G41/G42G41/G42决决定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长还是缩短一个刀具半径值。还是缩短一个刀具半径值。刀补进行刀补进行一旦刀补建立则一直维持，直至被取消。在刀补一旦刀补建立则一直维持，直至被取消。在刀补进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。刀具半径值的距离。在转接处，采用伸长、缩短在转接处，采用伸长、缩短和插入三种直线过渡方式（和插入三种直线过渡方式（C C刀补）刀补）。刀补撤消（刀补撤消（G40G40）即刀具撤离工件，回到起刀点。和建立刀具补偿即刀具撤离工件，回到起刀点。和建立刀具补偿一样，刀具中心轨迹也要比编程轨迹伸长或缩短一样，刀具中心轨迹也要比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。一个刀具半径值的距离。71刀具半径补偿的工作过程如图：刀具半径补偿的工作过程如图：723 3）B B刀补的计算刀补的计算 B B刀补为基本的刀具半径补偿，它仅根据本段刀补为基本的刀具半径补偿，它仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，计算刀具程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，计算刀具中心的运动轨迹。中心的运动轨迹。对于直线而言：对于直线而言：只要计算出刀具中心轨迹的只要计算出刀具中心轨迹的起起点和终点坐标点和终点坐标，刀具中心轨迹即可确定；，刀具中心轨迹即可确定；对于圆弧而言：对于圆弧而言：圆弧的刀具半径补偿，需要计圆弧的刀具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹圆弧的算出刀具中心轨迹圆弧的起点、终点和圆心坐起点、终点和圆心坐标标。73直线的刀具补偿计算直线的刀具补偿计算如图，加工的直线终点为如图，加工的直线终点为A(x,y)A(x,y)，刀具半径为，刀具半径为R R 设终点刀具半径偏设终点刀具半径偏置矢量置矢量AAAA的坐标投影的坐标投影为为(X,Y)(X,Y)则有则有:74因为故故AA点的坐标为点的坐标为显然：故O点的坐标为(X,Y)(X,Y)75圆弧的刀具半径补偿计算圆弧的刀具半径补偿计算如图，被加工圆弧的圆心在坐标原点，半径为如图，被加工圆弧的圆心在坐标原点，半径为R R 。圆弧圆弧ABAB的坐标为：的坐标为：A(XA(X0 0,Y,YO O),B(X),B(Xe e,Y,Ye e)，半径为半径为R R，刀具半径为，刀具半径为r r。则补偿后的则补偿后的AA点的点的坐标为：坐标为：76补偿后的BB点的坐标为：点的坐标为：77五、五、C C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿 由于由于B B刀补对加工轮廓的连接都是以园弧进行刀补对加工轮廓的连接都是以园弧进行的。其缺点是：的。其缺点是：在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。终处于切削状态，尖角的加工工艺性差。在内轮廓尖角加工时，为防止过切，需要人在内轮廓尖角加工时，为防止过切，需要人工在零件轮廓中插入一个半径大于刀具工在零件轮廓中插入一个半径大于刀具r r的园的园弧，使编程复杂。弧，使编程复杂。C C刀补的主要特点是用直线来过渡轮廓段转接刀补的主要特点是用直线来过渡轮廓段转接换换。一般轮廓转换有。一般轮廓转换有直线到直线，直线到直线，直线到园弧，直线到园弧，直线到园弧，直线到园弧，园弧到直线，园弧到直线，园弧到园弧园弧到园弧园弧到园弧园弧到园弧四种四种四种四种。1 1、C C刀补转接过渡方式刀补转接过渡方式78刀具中心轨迹刀具中心轨迹编程轨迹编程轨迹非加工侧非加工侧加工侧加工侧非加工侧非加工侧编程轨迹编程轨迹刀具中心轨迹刀具中心轨迹加工侧加工侧1 1）过渡方式）过渡方式 轨迹过渡时矢量夹角轨迹过渡时矢量夹角：指两编程轨迹在交点指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角处非加工侧的夹角，如图：，如图：内轮廓内轮廓 外轮廓外轮廓79 根据两段程序轨迹的矢量夹角根据两段程序轨迹的矢量夹角 和刀补方向和刀补方向的不同，又有以下几种转接过渡方式：的不同，又有以下几种转接过渡方式：缩短型：缩短型：矢量夹角矢量夹角180180 刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。伸长型：伸长型：矢量夹角矢量夹角9090180180 刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。插入型：插入型：矢量夹角矢量夹角9090 在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。方式。80