H

itf

相

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去

*

時

卸

第一節(jié)計算機數(shù)控裝置系統(tǒng)概述

■＞概念

CNC，BPComputerNumericallyControlledsystem,

是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組施、它通過

系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織管理數(shù)控

系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)

行部件，使數(shù)控機床按照操作者的要求進行自動加

Io

2011-6-52

八CNC裝置的組成

數(shù)控機床的CNC系統(tǒng)一去1咽下幾個部分組成：中

央處理單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器

(RAM)、輸入/輸出設(shè)備(I/O)、操作面板、PLC、顯示器

和鍵盤等。圖3.1所示為CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。

操作面板

紙帶閱讀機

光驅(qū)

CNC掙制器

軟物

磁帶機

電子手輪

數(shù)控PLC

系

統(tǒng)

硬

件

及

其

軟

件

打印機

穿孔機

電傳機

顯示器旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、脈沖編碼器、

光柵、磁柵等

2011-6-53

I、硬件組成

2011-6-54

2、軟件組成

CNC系統(tǒng)的任務(wù)

2011-6-5

三、CNC系統(tǒng)的功能和一般工作過程

LCNC系統(tǒng)的功底、

數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包建基本功能和選擇功

能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能

是供用戶根據(jù)機床特點和用途進行選擇的功能。

1）控制功能

2）G功能

3）插補功能I

4）進給功能W

5）主軸功能

2011-6-56

6）M功能

7）刀具功能、

8）補償功能

9）字符、圖形顯示功能

10）自診斷功能

11）通信功能

12）人機交互圖形編程功能

2011-6-57

2.CNC系統(tǒng)的二般工作過程

2011-6-58

四、CNC裝置的特點

1.具有較大的靈活性、

2.具有較強的通用性、

3.具有較高的可靠性

4.可以實現(xiàn)豐富的數(shù)控功能

5.使用維修方便

6.易于實現(xiàn)機電一體化

2011-6-59

第二節(jié)CNC數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

從CNC系統(tǒng)使用的CPU及結(jié)構(gòu)來分，CNC

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單CPU和多CPU結(jié)構(gòu)

兩大類。初期的CNC系統(tǒng)和現(xiàn)在的一些經(jīng)濟型

CNC系統(tǒng)一般采用單CPU結(jié)構(gòu)，而多CPU結(jié)

構(gòu)可以滿足數(shù)控機床高進給速度、高加工精度

和許多復(fù)雜功能的要求，適應(yīng)于并入FMS和

CIMS運行的需要，從而得到了迅速的發(fā)展，

也反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。

2011-6-510

圖3.3單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)框圖

2011-6-511

單CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的特點是：CNC系統(tǒng)

的所有功能都是通過一個CPU進行集中控制、分

時處理來實現(xiàn)的；該CPU通過總線與存儲器、

I/O控制元件等各種接口電路相連，構(gòu)成CNC系

統(tǒng)的硬件；結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；由于只有一個

CPU的控制，功能受字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力

和運算速度等因素的限制。

2011-6-512

二、多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)是指在CNC系統(tǒng)中有兩

個或兩個以上的CPU能控制系統(tǒng)總線或主存儲器

進行工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

多CPU主要根據(jù)各部分的工作特征而設(shè)計成

多個CPU控制。這種方式的優(yōu)點為：

①在同樣的性能下降低了CPU的負(fù)擔(dān)，既可

以用較低檔的CPU完成高性能的控制。

②從便于分塊開發(fā)的生產(chǎn)經(jīng)營的角度看便于

邊生產(chǎn)邊改進。

③適于多人開發(fā)，可以快出產(chǎn)品。

2011-6-513

1.多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

1）共享總線結(jié)構(gòu)

2011-6-514

2)共享存儲器結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，采用多端口存儲器來實現(xiàn)各

CPU之間的互連和通信，每個端口都配有一套

數(shù)據(jù)、地址、控制線，以供端口訪問，由多端

控制邏輯電路解決訪問沖突。

插補(CPU3)軸控制(CPU4)

2011-6-515

2.多CPU結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)基本功能模塊

(1)管理模塊I

⑵插補模塊\

⑶位置控制模塊

(4)PLC模塊

⑸命令與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊

(6)存儲器模塊

2011-6-516

第三節(jié)CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

CNC系統(tǒng)的軟件是為完成CNC系統(tǒng)

的各項功能而專門設(shè)計和編制的，是數(shù)

控加工系統(tǒng)的一種專用軟件，又稱為系

統(tǒng)軟件（系統(tǒng)程序）。

2011-6-517

在CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件在邏輯上是

等價的，即由硬件完成的工作原則上也可以由

軟件來完成。

下圖給出了不同時期和不同產(chǎn)品中的3種

典型的CNC系統(tǒng)軟、硬件功能界面。

執(zhí)行L機床

電動機|

檢測廠

第二種：硬件—---------軟件--------fv—硬

第三種：硬件——------------軟件-------------硬件

2011-6-518

一、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)特點

1.CNC系統(tǒng)的多任務(wù)性

CNC系統(tǒng)的任務(wù)

2011-6-5

2.并行處理

并行處理是指計算機在同一時刻或同一時

間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相

同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。

2011-6-520

并行處理分為“資源重復(fù)”法、“時間重

疊”法和“資源共享”法等方法。

1）時間重疊流水并行處理方法

2011-6-521

2）資源重疊流水并行處理方法

圖3.11時間重疊流水并行處理

流水并行處理的關(guān)鍵是時間重疊，即在一

段時間間隔內(nèi)不是處理一個子過程，而是處理

兩個或更多的子過程。

2011-6-522

3.實時中斷處理

CNC系統(tǒng)的中斷管理主要由硬件完成，而

系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。

CNC系統(tǒng)的中斷類型如下

(1)外部中斷

(2)內(nèi)部定時中斷

(3)硬件故障中斷、

(4)程序性中斷

2011-6-523

二、CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式

CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)決定于系統(tǒng)采用的中

斷結(jié)構(gòu)。在常規(guī)的CNC系統(tǒng)中，有中斷型和前

后臺型兩種結(jié)構(gòu)模式。

1.中斷型結(jié)構(gòu)模式

中斷型結(jié)構(gòu)模式的特點是除了初始化程序

之外，整個系統(tǒng)軟件的各種功能模塊分別安排

在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是

一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各

級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來實現(xiàn)。

2011-6-524

上電/復(fù)位初始化程序

中斷管理序

圖5-4中斷型軟件結(jié)構(gòu)原理框圖

2011-6-525

2.前后臺型結(jié)構(gòu)模式

該結(jié)構(gòu)模式的CNC系統(tǒng)的軟件分為前臺程序

和后臺程序。前臺程序是指實時中斷服務(wù)程序，

實現(xiàn)插補、伺服、機床監(jiān)控等實時功能，這些功

能與機床的動作直接相關(guān)。后臺程序是一個循環(huán)

運行程序，完成管理功能和輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處

理等非實時性任務(wù)，也叫背景程序，管理軟件和

插補準(zhǔn)備在這里完成。

2011-6-526

圖3.13前后臺軟件結(jié)構(gòu)中實時中斷程序與后臺程序的關(guān)系

2011-6-527

第三節(jié)可編程邏輯控制器

一、PLC及其工作過程

可編程邏輯控制器(ProgrammableLogic

Controller)簡稱PLC,是一類以微處理器為基礎(chǔ)

的通用型自動控制裝置。它一般以順序控制為

主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計

時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能，既能控制開關(guān)量,

也能控制模擬量。

2011-6-528

1、PLC的基本功能

/PLC是由計算機簡化而來的。

/具有面向用戶的指令和專用于存儲用戶程序

的存儲器。

/用戶程序多采用圖形符號和邏輯順序關(guān)系與

繼電器電路十分近似的梯形圖編輯。

/PLC可與專用編程機、編程器、個人計算機

等設(shè)備連接。

/PLC沒有繼電器的接觸不良、觸點熔焊、磨

損和線圈燒斷等故障。

/PLC結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，便于實現(xiàn)數(shù)控機床

的機電一禰花。

2011-6-529

2.PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC實質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計算機,

PLC系統(tǒng)與微型計算機結(jié)構(gòu)基本相同，也是由

硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

1）通用型PLC的硬件結(jié)構(gòu)

2011-6-530

2)PLC軟件系統(tǒng)

PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程

序的集合。它包括系統(tǒng)程序和用戶程序。

(1)系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯容序及診斷

程序等。\.

(2)用戶程序'

用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用

PLC的程序語言編制的應(yīng)用程序，用以實現(xiàn)各

種控制要求

2011-6-531

3.PLC的工作過程

用戶程序通過編程器/頗輸入到用戶存儲

器，CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行，其

工作過程分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新

3個階段。

1）輸入采樣階段

2）程序執(zhí)行階段

3）輸出刷新階段

2011-6-532

重復(fù)T作

圖3.16PLC的工作過程

2011-6-533

4.PLC的規(guī)模

在實際運用中，較為普遍的做法是將I/O

點數(shù)的多少或者程序存儲器容量（字?jǐn)?shù)）的大小

作為評價的標(biāo)準(zhǔn)，把PLC分為小型、中型和大

型（或小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模）3類。

價指標(biāo)I/O點數(shù)

程序存儲容量

PLC規(guī)模j--—-（：昔總，點數(shù)?

小型PLC12s點以下1KB以下

中型PLC1）8?"）占1-4KB

大型PLC”2點以上4KB以上

2011-6-534

第四節(jié)CNC裝置的插補原理

-、概述

（一）加工軌跡插補的基本概念

所謂插補是指數(shù)據(jù)點密化的過程;在對數(shù)

控系統(tǒng)輸入有限坐標(biāo)點（例如起點、終點）的情

況下，計算機根據(jù)線段的特征（直線、圓弧、橢

圓等），運用一定的算法，實時地計算出各個中

間點的坐標(biāo)，通常把這個過程稱為“插補”。

2011-6-535

o

1X

（二）插補方法的種類與特點

1、基準(zhǔn)脈沖插補

又稱為行程標(biāo)量插補或寐沖增量插補。這

類插補算法是以脈沖形式輸出，每插補運算一

次，最多給每一軸一個進給脈沖。把每次插補

運算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動

工作臺運動，每發(fā)出一個脈沖，工作臺移動一

個基本長度單位，也叫脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量是

脈沖分配的基本單位。

2011-6-537

2、數(shù)據(jù)采樣插補

又稱為時間標(biāo)量插3或期字增量插補。這

類算法插補結(jié)果輸出的不是脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)二

進制數(shù)。根據(jù)程編進給速度，把輪廓曲線按插

補周期將其分割為一系列微小直線段，然后將

這些微小直線段對應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)進行輸出,

以控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標(biāo)軸的進給。

2011-6-538

、逐點比較插補法

所謂逐點比較法,^^走一步都要和給

定軌跡比較一次，根據(jù)比較結(jié)果來決定下一步

的進給方向，使刀具向減小偏差的方向并趨向

終點移動，刀具所走的軌跡應(yīng)該和給定軌跡非

常相象。

逐點比較法是以折線來逼近直線、圓弧或

各類曲線，它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大

誤差不超過一個脈沖當(dāng)量。因此，只要將脈沖

當(dāng)量（每走一步的距離）取得足夠小，就可達(dá)

到加工精度的要求。

2011-6-539

（一）逐點比較法直線插補

1、偏差計算公式'

假定加工如圖所示第一象限的直線0A。取直線起點為

坐標(biāo)原點，直線終點坐標(biāo)（Xe,丫力7已知的。M（Xm,

Ym）為加工點（動點），若m在OA直姿K則根據(jù)相似三

角形的關(guān)系可得

Y『丫二Y

YmYerae

A(Xe,Ye)

取Fm作為直線插補的判U式

若Fm=。，表明m點在OA直線上；,

Ymm(Xm,Y

表明m點在OA直線上方的、

m”若Fm＞。，

若Fm〈0,表明m點在OA直線下方m"

XmX

2011-6-5

對于第一象限直線從起點（即坐標(biāo)原點）出

發(fā)，當(dāng)FmNO時，沿+X軸方向走一步，當(dāng)Fm<0

時，沿+丫方向走一步，當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與

終點坐標(biāo)（Xe,Ye）相等時，發(fā)出到達(dá)終點信號，

停止插補。X

設(shè)在某加工點處，若FmK）時，應(yīng)沿+X方向

進給一步，走一步后新的坐標(biāo)值為

Xm+l=Xm+1,Ym+l=Ym

新的偏差為Fm+1—Fm—Ye

若Fm<0,應(yīng)向+丫方向進給一步，走一步后新的

巫標(biāo)值為

Xm+l=Xm，Ym+l=Ym+1

新的偏差為Fm+l=Fm+Xe

2011-6-541

2.終點判別法

第一種方法：

設(shè)置X、Y兩個減法計數(shù)器，加工開始前，

在X、Y計數(shù)器中分別存入終點坐標(biāo)值Xe、Ye,

在X坐標(biāo)（或Y巫標(biāo)）讓給一步時，就在X計數(shù)

器（或Y計數(shù)器）中減去1,直到這兩個計數(shù)器

中的數(shù)都減到零時，便到達(dá)終點；

第二種方法：\

用一個終點計數(shù)器，寄存X和Y兩個坐標(biāo)，

從起點到達(dá)終點的總步數(shù)口X、Y坐標(biāo)每進給

一步，X減去1,直到X為零時，就到了終點。

2011-6-542

插補計算時，每走一步，都要進行以下四

個步驟（又稱四個節(jié)拍）的算術(shù)運算或邏輯判

斷，其工作循環(huán)如圖2-3所示。

①方向判定：根據(jù)偏差值判定進秀列'

②坐標(biāo)進給：根據(jù)判定的方向，向該坐標(biāo)方向

發(fā)一進給脈沖；

③偏差計算：每走一步到達(dá)新的坐標(biāo)點，按偏

差公式計算新的偏差；

④終點判別：判別是否到達(dá)終點，若到達(dá)終點

就結(jié)束該插補運算；如未到達(dá)再重復(fù)上述的循

環(huán)步驟。

2011-6-543

開始

偏差判別

坐標(biāo)進給

偏差計算

終點判別

圖3-18逐點比較法工作循環(huán)圖

4.不同象限的直線插補土

進給;

YFm<0,+△丫

Fm<0,+AY偏差計算公式

4.1線型FmNO時F,n司時

\+AY、

Fm>0,+AXLI+AX

Fm>0,一AX

XFm>OHt：

Fm>0,-AXF.X=F

Fm>0,AX

L2-AX+AY

Fm<0時:

7L4

\L3-AX-AYFm+1

Fm<0,一AYFm<0,-AY

L4+AX-AY

2011-6-545

2011-6-546

圖3-19四象限直線偏差符號和進給方向

例:加工第一象限直線0E,如圖3-19所示，起點為坐

標(biāo)原點，終點坐標(biāo)為￡(4,3)式圍逐點比較法對該段

直線進行插補，并畫出插補軌跡。

圖3-19直線插補過程實例

2011-6-547

序號偏差判別坐標(biāo)進給偏差計算終點判別

起點我oE=7

片=&與7-3

1Fo=O+xE=6

E=5

2Fi<0+Y%=尸2-4=一共^

3F2>0+Xe=4

弓=%+天e=，

4F3<O+Y￡瓜

尸5=El-=-1

5F>O+X￡=2

3尸771V，

尸6-廠5+*e-3

6F5<O+Yppyc\JI

產(chǎn)7一六6與一UE=0^

7F6>0+X

Y/卜

*4,3)

3

2

1z

111_____

0234X1

1

2011-6-548

設(shè)加工點正處于m(Xm,Ym)電，其判別式為：

若FmNO,對于第一象限的逆圓，為@近圓弧，應(yīng)沿

一X方向進給一步，到m+1點，其坐隔臉Cm+l=Xm

-1,Ym+l=Ym,新加工點的偏差為：

匚、='\；+)；―/?，=[2工〃+1

若Fm<0,_為了逼近圓弧應(yīng)沿+Y方向進給一步，

到m+1點其坐標(biāo)值為Xm+1=Xm,Ym+1=Ym+l,^H

1川L點的偏差為：

%=王3+匕-&2=乙+2，+11

2011-6-5

2、終點判別法

圓弧插補的終點判別方法和直線插補相同。可將

從起點到終點X、Y軸走步步數(shù)的總和￡存入一個計數(shù)

器，每走一步，從Z中減去1，當(dāng)2=0時發(fā)出終點到達(dá)

信號。也可以選擇一個坐標(biāo)的走步數(shù)作為終點判斷，

注意此時應(yīng)選擇終點坐標(biāo)值小的那一個坐標(biāo)。

3、插補計算過程\

圓弧插補過程和直線插補計算過程相同，但是偏差

計算公式不同，而且在偏差計算的同時還要進行由點

瞬間坐標(biāo)值計算，以便為下一點的偏差計算作好準(zhǔn)備。

4、四個象限圓弧插補計算公式

2011-6-551

表3-5圓弧插補進給方向判定和偏差計算公式

進給方向判定偏差計算公式

中時Fm<0時

SR1+AXFmK）時：

+AY^Frm+l=Frm—2Y1m+11

&-AX

SR3Xm+l-Xm

Y=Y—1

NR-AY1m+l1m1

2Fm<0時：

=F+2X+1

h|B+lmn1

Xm&+1

NR4+AYYm+.m、

川時：

+AX+AYL

SR2J

FmllFm-2Xm+l

x.=x-i

SR-AX-AYmm

4丫“一=丫武

%<0時y

NR1-AX+AY

Fm+l=Fm+2Ym+l

Xm-fW

丫"=丫四+1I

NR3+AX-AY1

開始

例：現(xiàn)欲加工第一象限順圓弧48,如圖3-11所示，起點

A(0,4),終點5(4,0),試用逐點比較法進行插補。

圖3-20圓弧插補實例

2011-6-554

表3-2圓弧插補過程

步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進給偏差計算坐標(biāo)計算終點判別

起點Fo=。Xo=O,Y（）=4E=8

尸i=%—2丫0+1=—7

1Fo=O-YXi=0,Y]=3Z=7

F2=Fx+2X]+1=—6

2Fi<0+xX2=1,Y2=3L=6

￡=%+2X2+1=-3

丫￡二

3F2<0+x*3=2,3=35

F=F+2X3+1=2

43L=4

4F3<O+xX4=3,Y4=3

尸5=A4-2Y4+1=-3

5F4>O-YX5=3,Y5=2E=3

尸6=尸5+2文5+1=4

6F5<O+xX6=4,Y6=2Z=2

ppY?11

E

7F6>O-YX7—4,Y7—1

1F8—1F7、一x27+1一u八

丫￡二

8F7>O-YX7=4,7=00

三、數(shù)據(jù)采樣法

（一）時間分割法原理

這種方法是根據(jù)程編進去速腐尸，將給定

輪廓曲線按插補周期r（某一單位時間間隔）

分割為插補進給段（輪廓步長），即用一系列

首尾相連的微小線段來逼近給定曲線。每經(jīng)過

一個插補周期就進行一次插補計算，算出下一

個插補點，即算出插補周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的進給

量，得出下一個插補點的指令位置。

2011-6-556

1、采樣周期T

設(shè)T為插補周期，

廠為進給速度，則輪

2011-6-557

(7F)2

P=

87?

分析：

1、插補周期T越長，插補計算誤女大;

2、進給速度F越大，插補計算誤差越大;

3、T一定時，F(xiàn)與e「成正比；

4、T、,一定時，F(xiàn)的最大值確定;

5、對于直線插補，不會造成軌跡誤差。在圓

弧插補中，會帶來軌跡誤差。

2011-6-558

（二）圓弧插補

AVXjH—AA^X/H—Icoscc

AY_2__2

■Y：--AyY：--1sina

12z2

X+]=X,+AX

丫川二匕+AY

圓弧插補

2011-6-5

用弦線逼近圓弧，因此插補誤差主要為半徑的

絕對誤差。因插補周期是固定的，該誤差取決于進給

速度和圓弧半徑，當(dāng)加工的圓弧半徑確定后，為了使

徑向絕對誤差不超過允許值，對進給速度要有一個限

制。

2011-6-561

四、進給速度控制原理

（一）為什么要控制進給速度

對于任何一個數(shù)控機床來說，都要求能夠?qū)M給

速度進行控制，它不僅直接影響到加工零件的表面粗

糙度和精度，而且與刀具和機床的壽命和生產(chǎn)效率密

切相關(guān)。

按照加工工藝的需要，進給速度的給定一般是將

所需的進給速度用F代碼編入程序。對于不同材料的零

件，需根據(jù)切削速度、切削深度、表面粗糙度和精度

的要求，選擇合適的進給速度。

在進給過程中，還可能發(fā)生各種不能確定或沒有

意料到的情況，需要隨時改變進給速度，因此還應(yīng)有

操作者可以手動調(diào)節(jié)進給速度的功能。數(shù)控系統(tǒng)能提

供足夠的速度范圍和靈活的指定方法。

2011-6-562

另外，在機床加工過程中，由于進給狀態(tài)

的變化，如起動、升速、降速和停止，為了防

止產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩等，保證運動

平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位，必須按一定規(guī)律完成升速和

降速的過程。7y

（二）基準(zhǔn)脈沖法進給速度控制和加減速控制

1.速度控制

進給速度控制方法和所采用的插補算法有關(guān)O

基準(zhǔn)脈沖插補多用于以步進電機作為執(zhí)行元件

的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，各坐標(biāo)的進給速度是通過

控制向步進電機發(fā)出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，所

以進給速度處理是根據(jù)程編的進給速度值來確

定呼沖源頻率的過程。進給速度F與脈沖源頻

率笈J用夾索為

2011-6-563

F=60討

式中一為脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；

脈沖源頻率(Hz)；

F一進給速度(mm/min)。

脈沖源頻率為

f二九os)

2011-6-564

下面介紹程序計時法，利用調(diào)用延時子程序的方

法來實現(xiàn)速度控制。

根據(jù)要求的進給速度尸，求出與之對應(yīng)的脈沖頻

率九再計算出兩個進給脈沖的時間間隔（插補周

期），

在控制軟件中，只要控制兩個脈沖的間隔時間，

就可以方便地實現(xiàn)速度控制。進給脈沖的訶隔時間長,

進給速度慢；反之，進給速度快。這一間隔時間，通

常由插補運算時間和程序計時時間G兩部分組成，

由于插補運算所需時間一般來說是固定的，因此只要

改變程序計時時間就可控制進給速度的快慢。程序計

時時間（每次插補運算后的等待時間），可用空運轉(zhuǎn)

循環(huán)來實現(xiàn)。用CPU執(zhí)行延時子程序的方法控制空運轉(zhuǎn)

循環(huán)時間，延時子程序的循環(huán)次數(shù)少，空運轉(zhuǎn)等蔣時

間短，進給脈沖間隔時間短，速度就快；延時子程序

的循環(huán)次數(shù)多，空運轉(zhuǎn)等待時間長，進給脈沖間隔時

間長，速度就慢。

2011-6-565

例3-5已知系統(tǒng)脈沖當(dāng)量d=0.01mm/脈沖，進給速度產(chǎn)=

300mm/min,插補運算時間，ch=Q?lms,延時子程序延時

時間為4=0.1ms,求延時子程序循環(huán)次數(shù)。

F300

脈沖源頻率f=5。吆)

60s60x0.1x60

插補周期-=0.002(5)=2(加s)

程序計時時間/=T—《h=L9(ms)

循環(huán)次數(shù)〃=%j〃y=19

程序計時法比較簡單，但占用CPU時間較長，適合于較簡單

的控制過程。

2011-6-566

（三）數(shù)據(jù)采樣法進給速度控制和加減速控制

1.速度控制

數(shù)據(jù)采樣插補方式多用于以直流電機或交流電機

作為執(zhí)行元件的閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，速度計算

的任務(wù)是確定一個插補周期的輪廓步長，即一個插補

周期T內(nèi)的位移量。\

AL=—FT

60

式中廠一程編給出的合成進給速度（mm/min）；

7^插補周期（ms）；

AZ—每個插補周期小直線段的長度gm）。'、

以上給出的是穩(wěn)定狀態(tài)下的進給速度處理關(guān)系。

當(dāng)機床起動、停止或加工過程中改變進給速度時，系

統(tǒng)應(yīng)自動進行加減速處理。

2011-6-567

2.加減速控制

自動加減速處理可按常用的指數(shù)加減速或直線加

減速規(guī)律進行。加減速控制多數(shù)采用軟件來實現(xiàn)。

Vt)

AB

O加速勻速減速Ct

圖3-48指數(shù)加減速圖3-49直線加減速

2011-6-568

指數(shù)加減速控制的目的是將起動或停止時的速度

突變變成隨時間按指數(shù)規(guī)律加速或減速，如圖3-48所

示。指數(shù)加減速的速度與時間的關(guān)系為

(_t\

加速時/(%)=匕1-e(3-53)

式中一時I1—、以

1

勻速時

/⑺=vc(3-54)

t

減速時(3-55)

直線加減速控制算法使機床在起動和停止時，速

度沿一定斜率的直線上升或下降，如圖3-49所示，速

度變化曲線是OABC。

2011-6-569

進行加減速控制，首先要計算出穩(wěn)定速度和瞬時

速度。所謂穩(wěn)定速度，就是系統(tǒng)處于穩(wěn)定進給狀態(tài)時,

每插補一次（一個插補周期）的進給量。在數(shù)據(jù)采樣

系統(tǒng)中，零件程序段中速度命令（或快速進給）的產(chǎn)值

（mm/min）,需要轉(zhuǎn)換成每個插補周期的進給量。另

外為了調(diào)速方便，設(shè)置了快速和切削進給二種倍率開

關(guān)，一般CNC系統(tǒng)允許通過操作面板上進給速度倍率

修調(diào)旋鈕，進行進給速度倍率修調(diào)。

穩(wěn)定速度的計算公式如下:

(3-56)

式中Kv一穩(wěn)定速度（mm/插補周期）；

T一插補周期（ms）；

F一程編指令速度（mm/min）；

K—速度系數(shù)，調(diào)節(jié)范圍在0?200%之間，它包括快速

倍率，切削進給倍率等。

2011-6-570

穩(wěn)定速度計算完之后，進行速度限制檢查，如果穩(wěn)

定速度超過由參數(shù)設(shè)定的最高速度，則取限制的最高

速度為穩(wěn)定速度。

所謂瞬時速度勺即系統(tǒng)在每二瞬時，每個插補周期

的進給量。當(dāng)素統(tǒng)處于穩(wěn)定進給狀態(tài)時，%當(dāng)

系統(tǒng)處于加速狀態(tài)時，v.<v^當(dāng)系統(tǒng)處于誡速狀態(tài)時

現(xiàn)以直線加減速說明其計算方法。

線性加減速的加速度可按下式計算

4=1.67x10-5—

（3-57）

式中F一進給速度（mm/min）；

t一加速時間（ms）；

一加速度（mm/（ms）2）。

2011-6-571

加速時，系統(tǒng)每插補一次都要進行穩(wěn)定速度、瞬

時速度和加速處理。當(dāng)上一個插補周期瞬時進給速度

匕小于當(dāng)前穩(wěn)定速度％時，則要加速，每加速一次，

瞬時速度為____________

%1=%+"

(3-58)

新的瞬時速度匕+i參加插補計算，對各坐標(biāo)軸進行

分配。當(dāng)上一個插補周期瞬時進給速度匕大于當(dāng)前穩(wěn)

定速度匕時，則要減速。減速時，首先計算出減速區(qū)

域長度S,當(dāng)穩(wěn)定速度5和設(shè)定的加速度確定后，S可

由下式求得

V2

S—359)

2011-6-572

減速時，系統(tǒng)每進行一次插補計算，都要

進行終點判別，計算出離開終點的瞬時距離牛

若本程序段要減速，且開始減速處理。

每減速i，瞬時速4

小"T

(3-60)

新的瞬時速度匕+i參加插補運算,對各坐

標(biāo)軸進行分配。一直減速到新的穩(wěn)定速度或減

到零。若要提前二段距離開始減速,將提前量

△S作為睿數(shù)預(yù)免設(shè)置好由下式計算

S=^y+A^

2aT2

(36)

2011-6-573

在每次插補結(jié)束后，系統(tǒng)都要根據(jù)求出的各軸的插補進

給量，來計算刀具中心離開本程序段終點的距離與然

后進行終點判別。

直線插補時總的計算應(yīng)用公式

XIz.II-I+AX

ZTT+AY(3-62)

計算其各坐標(biāo)分量值，取其長軸（如君由），則瞬時點4

離終點￡距離號為

Si=Xe-Xi——(3-63)

coscr

式中f由（長軸）與直線的夾角，見圖3-50所示。

2011-6-574

圖3-50直線插補終點判別

2011-6-575

圓弧插補時￡的計算分圓弧所對應(yīng)圓心角小于兀和

大于兀兩種情況。小于兀時，瞬時點離圓弧終點

的直線距離越來越小，如圖3-51a所示。A(%,

匕)為順圓插補上某一瞬時點，B(4,yb)為

圓弧的終點；4P為4點在X方向上離終點的距

2011-6-576

圖圓弧插補終點判別

2011-6-53-5177

大于兀時，設(shè)4點為圓弧48的起點，。點為

離終點的弧長所對應(yīng)的圓心角等于兀時的分界

點，。點為插補到離終點的弧長所對應(yīng)的圓心

角小于兀的桌一瞬時點，如囪3-51b所示。顯然,

此時瞬時點離圓弧終點的距離耳的變化規(guī)律是,

當(dāng)從圓弧起點4開始，插補到C占時，品越來越

大，直到￡等于直徑；當(dāng)插補越過分界占。后，

斗越來越小，與圖3-51a的情況相同。為此，計

算，時首先判別￡的變化趨勢。￡若變大，則不

進行終點判別處理，直到越過分界點；若y變

小，再進行終點判別處理。

2011-6-578

第五節(jié)刀具半徑補償

一、刀具半徑補償?shù)幕靖拍?/p>

在數(shù)控加工過程中.編程人員編程時是按零件輪廓進行編程的。由于刀具總有一定的

半徑（如銃刀半徑、鋁絲的半徑），刀具中心運動的軌跡笄不等于所需加工零件的實際輪廓,

而是偏移輪廓一個刀具半徑值。在進行外輪廓加工時，使刀具中心偏移零件的外輪廓表面

一個刀具半徑值，加工內(nèi)輪廓時，使刀具中心偏移零件內(nèi)輪廓表面一個半徑值（見圖2—

n）o這種偏移習(xí)慣上稱為刀具半徑補償。

現(xiàn)代CNC系統(tǒng)都具備較完善的刀具半徑補償功能。刀具半徑補償通常不是程序編制人

員完成的，程序編制人員只是按零件的加工輪廓編制程序，實際的刀具半徑補償是衽CNC

系統(tǒng)內(nèi)部由計算機自動完成的。在圖2—11中，粗實線為所需加工的零件輪廓，虛線為刀

具中心軌跡。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進方向左側(cè)時一,

稱為左刀具補償（簡稱左刀補），用G41表示；反之，稱為右刀補，用G42表示；當(dāng)不需要

進行刀具半徑補償時，用G40表示。\■

在實際輪廓加工過程中，刀具半徑補償執(zhí)行過程一般可分為三步：\

（1）刀具補償建立刀具從原點接近工件，刀具中心軌跡由G41或G42確定，在原來的程

序軌跡基礎(chǔ)上伸長或縮短一個刀具半徑值，即刀具中心從與編程軌跡重合過度到與編程軌

跡偏離一個刀具半徑，如圖2—12所示。\

（2）刀具補償進行一旦建立了刀具補償狀態(tài)則一直維持該狀態(tài)，除非撤銷刀具補償。

在刀具補償進行期間，刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個刀具半徑值的距離。■■

（3）因晶處4嘗撤消刀具撤離工件，回到原點。和建立刀具補償時一樣，刀具中心軌

圖2—11B刀具補償?shù)慕徊纥c和間斷點

2011-6-580

a）建立刀具補償G4b）建立刀具補償G42

圖2—12建立刀具補償

跡也要比編程軌跡伸長或縮短一個刀具半徑值的距離。即刀具中心軌跡從與編程軌跡相距

一個刀具半徑值過渡到與編程軌跡重合。刀具補償撤銷用G40指令。\1

二、刀具半徑補償計算

刀具半徑補償計算就是要根據(jù)零件尺寸和刀具半徑值計算出刀具中心的運動軌跡。對

于一般的CNC裝置，所能實現(xiàn)的輪廓控制僅限于直線和圓弧。對直線而言，刀具補償后的

刀具中心軌跡仍然是與原直線平行的直線，因此刀具補償計算只要計算出刀具中心軌跡的

起點和終點坐標(biāo)值。對于圓弧而言，刀具補償后刀具中心軌跡仍然是一個與原圓弧同心的

2011-6-581

?段圓弧。因此對圓弧的刀具半徑補償計算只須計算出刀補后圓弧的起點和終點坐標(biāo)值以

及刀具補償后的圓弧半徑值

(1)直線刀具補償計算

「如圖2二13所示，被加工直線段的起點在坐標(biāo)原點，終點A的坐標(biāo)為(X,Y)。假定上一

段程序加工完成后，刀具中心在0'點且其坐標(biāo)已知。刀具半徑為r,現(xiàn)在要計算的刀具補

償后直線段O'Az的終點坐標(biāo)(X',丫，)。設(shè)直線段終點刀具補償矢量AA'的投影坐標(biāo)為

(△X新，AY新)。

圖2—13直線刀具補償

x=x+Ax新

(2-5)

y=y+Ay新

2011-6-582

因為AXOA=AAAK=a

(2-6)