数控技术原理

数控技术原理吴玉国安徽工业大学数控技术中心一、数控技术的基本概念与特点1、数控技术的概念：定义：就是以数字量编程实现控制机械或其它设备自动工作的技术。2、数控技术的特点：⑴提高加工精度：消除了人为误差对加工的影响。⑵提高生产效率：加工过程自动化，可以合理利用时间。⑶改善了劳动条件，减轻了劳动强度：简化了工人的操作。⑷对加工对象的适应性强：通过改变加工程序来改变加工对象。⑸有利于生产管理的现代化：能准确地计划零件的加工工时。⑹有利于向高级计算机控制与管理方面发展：计算机联网。二、数控系统的分类数控技术首先是在机床行业获得较广泛的应用。1、按运动轨迹分类：⑴点位控制系统：定义：只要求控制刀具从一点移动到另一点的准确位置，运动轨迹不进行控制的数控系统。⑵连续控制系统（又称轮廓控制系统）：定义：要求能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的、不间断的控制，即运动轨迹要进行控制的数控系统。①两轴联动②两轴半联动③三轴联动④四轴联动⑤五轴联动三、插补原理及控制方法1、插补计算（算法）定义：就是数控系统根据输入的基本数据（如起点、终点等），通过计算，将工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向坐标发出进给指令，即称之为插补计算。如：N3G01X-450Y-750F1502、插补方法的分类：插补工作可由硬件逻辑电路或执行软件程序来完成，在CNC系统中，插补工作一般由软件完成，软件插补结构简单、灵活易变、可靠性好。目前普遍应用的两类插补方法为基准脉冲插补和数据采样插补。（1）基准脉冲插补基准脉冲插补又称脉冲增量插补，这类插补算法是以脉冲形式输出，每插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动，每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，也叫脉冲当量，脉冲当量是脉冲分配的基本单位。（2）数据采样插补数据采样插补又称时间增量插补，这类算法插补结果输出的不是脉冲，而是标准二进制数。根据程编进给速度，把轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，以控制伺服系统实现坐标轴的进给。插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作，为了提高计算速度，缩短计算时间，按以下三种结构方式进行改进。a.采用软/硬件结合的两级插补方案。b.采用多CPU的分布式处理方案。c.采用单台高性能微型计算机方案。3、逐点比较法插补原理是基准脉冲插补方法。应用广泛，能实现平面直线、圆弧、二次曲线插补，精度高。（1）逐点比较法直线插补yoxA(xe,ye)脉冲当量δ相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：0.01mm0.005mm0.001mm①基本原理在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小误差的方向进给。其算法最大偏差不会超过一个脉冲当量δ。每进给一步需要四个节拍：坐标进给偏差判别新偏差计算终点比较②算法分析（第Ⅰ象限）偏差判别P(xi,yj)F0F0A(xe,ye)yox0eijeyxyx0eijeyxyxeeijxyxy0eijeyxyxeeijxyxyeijeijyxyxFeeijxyxy直线上直线上方直线下方偏差判别函数点在直线下方点在直线上方点在直线上000坐标进给0ijF0ijF0ijFj,iF11j,iFF0F0yox直线上直线上方直线下方+△x或+△y方向+△x方向+△y方向A(xe,ye)eijeyxyx)1(eeijeyyxyxej,iyFeijeyxyx)1(eeijexyxyxej,ixF新偏差计算+△x进给：+△y进给：终点比较用Xe+Ye作为计数器，每走一步对计数器进行减1计算，直到计数器为零为止。第一拍判别第二拍进给第三拍运算第四拍比较0ijF0ijFejijiyFF,,1ejijixFF,1,1终EEjieijeijyxyxFxy总结③Ⅰ象限逐点比较法直线插补运算逻辑框图：Ⅰ、MF：可变频脉冲发生气。作用：改变进给速度。Ⅱ、三个移位寄存器：Jxe：用于寄存输入数据XeJye：用于寄存输入数据YeJp：用于寄存偏差值Ⅲ、减法计数器JE：用于寄存偏差值，预减1Ⅳ、运算开关Tc：控制运算进行或终止Ⅴ、时序脉冲发生器：t1：偏差判别脉冲t2：进给脉冲t3：移位脉冲序列，脉冲数与寄存器位数相同，用于进行偏差运算t4：终点判别脉冲，当JE减至到-1时，使Te置1，当t4脉冲到来时，使Tc翻转并关闭，停止运算。④直线插补运算Ⅰ象限软件程序框图：开始初始化x,y,J,FF≥0？+x走一步F-ye→FJ-1→JF+Xe→F+y走一步J=0？结束YNNY例3-1加工第一象限直线OE，如图3-5所示，起点为坐标原点，终点坐标为E（4，3）。试用逐点比较法对该段直线进行插补，并画出插补轨迹。图3-5直线插补轨迹过程实例YX2E(4,3)O134123表3-1直线插补运算过程序号偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点00F∑=71F0=0+X301eYFF∑=62F10+Y112eXFF∑=53F20+X223eYFF∑=44F30+Y234eXFF∑=35F30+X145eYFF∑=26F50+Y356eXFF∑=17F60+X067eYFF∑=0⑵逐点比较法圆弧插补：①算法分析（第Ⅰ象限逆圆弧）偏差判别0)()(202202yyxxji0)()(202202yyxxji202022yxyxji0)()(202202yyxxji202022yxyxji)()(202202yyxxFjiij202022yxyxji圆弧上圆弧外圆弧内偏差判别函数点在圆弧内点在圆弧外点在圆弧上000yoxP(x0,y0)F0F0坐标进给jiF,11,jiF11iixx11jjyyjjyyiixx0ijF0ijF0ijF圆弧上圆弧外圆弧内新偏差计算yoxF0F0-△x或+△y方向-△x方向+△y方向P(x0,y0)202202)1(yyxxji12iijxF202202)1(yyxxji12jijyF终点比较用(X0-Xe)+(Ye-Y0)作为计数器，每走一步对计数器进行减1计算，直到计数器为零为止。总结第一拍判别第二拍进给第三拍运算第四拍比较0ijF0ijF12,,1ijijixFF12,1,jjijiyFF1终EEji11iixxjjyy11jjyyiixx）（）（202202yyxxFjiijxy②Ⅰ象限逐点比较法圆弧插补运算逻辑框图：与直线插补的差别：①Jx、Jy：起始时计入的是起点A的两坐标值；②插补运算过程中Jx、Jy计入的是加工点M的两即时坐标值。③圆弧插补运算Ⅰ象限软件程序框图：开始初始化x,y,J,FF≥0？－x走一步F－2x+1→Fx=x－1J－1→JF+2y+1→Fy=y+1+y走一步J=0？结束YNNY4、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•字积分法又称数字微分分析（DDA）法.⑴DDA直线插补•①原理：积分的过程可以用微小量的累加近似：•由右图所示•则•X、Y方向的位移（积分形式）tVYtVXYXKYVXVLVeYeXtKYYtKXXeeXYA(Xe,Ye)VyXYA(Xe,Ye)VxVyVO△Y△Xt0dteKYYt0dteKXX••（累加形式）••其中，m为累加次数（容量）取为整数，m=2N，共2N次(N为累加器位数)。•令△t=1,mK=1，则K=1/m=1/2N。••则••②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单位时间间隔，分别以增量kxe（xe/2N）及kye（ye/2N）同时累加的过程。累加的结果为：•mieeemieeeYtmKYtYKYXtmKXtXKX11mieNemieNeYYYXXX1122•DDA直线插补：以Xe/2N、ye/2N（二进制小数，形式上即Xe、ye）作为被积函数，同时进行积分（累加），N为累加器的位数，当累加值大于2N-1时，便发生溢出，而余数仍存放在累加器中。积分值=溢出脉冲数代表的值+余数•当两个积分累加器根据插补时钟脉冲同步累加时，用这些溢出脉冲数（最终X坐标接收Xe个脉冲、Y坐标接收ye个脉冲）分别控制相应坐标轴的运动，加工出要求的直线。•③终点判别•累加次数、即插补循环数是否等于2N可作为DDA法直线插补判别终点的依据。•④组成：二坐标DDA直线插补器包括X积分器和Y积分器，每个积分器都由被积函数寄存器JVX（速度寄器）和累加器JRX（余数寄存器）组成。初始时，X被积函数寄存器存Xe，Y被积函数寄存器存ye。⑤DDA法直线插补举例•插补第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。取被积函数寄存器分别为JVX、JVY，余数寄存器分别为JRX、JRY，终点计数器为JE，均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tA(5,3)XY⑵DDA法圆弧插补①DDA法圆弧插补的积分表达式由令则圆弧插补时，是对切削点的即时坐标Xi与Yi的数值分别进行累加KXVYVRViYiXiXKYViYKXV1tNK21miiNmiiNXYYX112121VVyVxPABRXYO②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；2)X被寄函数积存器存Yi,Y被寄函数积存器存Xi，为动点坐标；3)Xi、Yi在积分过程中，产生进给脉冲△X、△Y时，要对相应坐标进行加1或减1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，哪个坐标停止积分迭代；5)与DDA直线插补一样，JVX、JVY中的值影响插补速度。③•DDA•圆•弧•插•补•举•例YX次序X积分器X终Y积分器Y终注JVX(Yi)JRX△XJVY(Xi)JRY△Y000000001011010000101初始100000001011011010101200000100001011010101100修正Yi300100101011011110100400101001011011001011修正Yi501001110001011010011010修正Yi601111101011011100010701110001011001010111001修正Yi修正Xi810011001001001110001910010101010111000111000修正Yi修正Xi101011110011011111010011001011010修正Xi121010011001010001修正Xi131011100001001141010111000001000结束5、数据采样插补⑴概述①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F和插补周期T，将廓型曲线分割成一段段的轮廓步长L,L=FT(一个插补采样周期的轮廓步长)，然后计算出每个插补周期的坐标增量。•精插补：根据位置反馈采样周期的大小，由伺服系统完成。②插