畢業(yè)論文——數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)

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1、 繼續(xù)教育學(xué)院 畢業(yè)論文題目： 數(shù)控銑床的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí): 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20 年 月 數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)摘 要從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國(guó)民經(jīng)

2、濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。本文簡(jiǎn)要分析了數(shù)控機(jī)床高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢(shì)，并提出了我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的一些問題。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；高速化；高精度化；復(fù)合化；智

3、能化；開放化；網(wǎng)絡(luò)化 目 錄1 緒論-1 1.1提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵-1 1.2制造水平與管理手段-2 1.3影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的重要因素-2 1.4加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度-22 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)-32.1計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念-32.2微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成-32.3CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)-62.4CNC系統(tǒng)的工作過程-102.5運(yùn)動(dòng)軌跡括補(bǔ)的概念-122.6數(shù)據(jù)采樣法-182.7可編程控制器的設(shè)計(jì)-213 機(jī)械部分設(shè)計(jì)-233.1工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)-234 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-254.1數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-254.2銑床改造中應(yīng)注意的問題-255 數(shù)控銑床的主軸設(shè)計(jì)-

4、265.1高速加工對(duì)機(jī)床主軸的要求-265.2主軸逐漸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-276 分進(jìn)電機(jī)步細(xì)的設(shè)計(jì)-276.1細(xì)分電流波形的選擇及量化-276.2斬波恒流細(xì)分驅(qū)方案及硬件實(shí)現(xiàn)-307 結(jié)束語(yǔ)-338 致謝-349 參考文獻(xiàn)-35 1 緒論我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，19982004年國(guó)產(chǎn)控產(chǎn)業(yè)取 得數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)

5、、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機(jī)床進(jìn)口額為8.78億美元(7624臺(tái))，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺(tái))，相當(dāng)于同年國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2.7倍。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力

6、及數(shù)控人才缺乏等。 我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。 1.1 不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床水平的關(guān)鍵 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口，即使近幾年有些國(guó)內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購(gòu)重組以及國(guó)外采購(gòu)等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國(guó)外還有較大差距，

7、同樣難以得到大多數(shù)用戶的認(rèn)可。1.2 制造水平與管理手段依然落后 一些國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主，裝配調(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺(tái)賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國(guó)外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)周期過長(zhǎng)且很難控制。因此我們?cè)谝M(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。1.3 服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的一個(gè)重要因素 由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長(zhǎng)遠(yuǎn)利益

8、，對(duì)提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對(duì)服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對(duì)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解，不會(huì)使用或使用不好數(shù)控機(jī)床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床；有的對(duì)先進(jìn)高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對(duì)制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型，推薦先進(jìn)工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率。1.4 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展形式

9、來看需要三種層次的數(shù)控技術(shù)人才：第一種是熟悉數(shù)控機(jī)床的操作及加工工藝、懂得簡(jiǎn)單的機(jī)床維護(hù)、能夠進(jìn)行手工或自動(dòng)編程的車間技術(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識(shí)的中級(jí)人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和制造知識(shí)，能夠熟練應(yīng)用UG、PRO/E等CAD/CAM軟件，同時(shí)有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)、較高的英語(yǔ)水平并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；第三種是精通數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級(jí)人才。我國(guó)應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)的加大人才培養(yǎng)力度，為我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)人才支撐。 2 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 21 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念 計(jì)算機(jī)數(shù)控

10、（computerized numerical contro，簡(jiǎn)稱 CNC）系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成以前機(jī)床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 CNC系統(tǒng)由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC裝置、PLC、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給（伺眼）驅(qū)動(dòng)裝置組成。由于使用了CNC裝置，使系統(tǒng)具有軟件功能，又用 PLC取代了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，靈活性、通用性、可靠性更好，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用、維修也方便，并且具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。22 微處理器數(shù)控

11、（MNC）系統(tǒng)的組成 大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)裝置，故也可稱微處理器數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。MNC一般由中央處理單元（CPU）和總線、存儲(chǔ)器（ROM，RAM）、輸入/輸出（IO）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備、PLC、主軸控制單元、速度進(jìn)給控制單元等組成。圖2.2.1為MNC 的組成原理圖。 圖2.2.1 MNC的組成原理圖 2.2.1 中央處理單元（CPU）和總線(BUS）CPU是微型計(jì)算機(jī)的核心，由運(yùn)算器、控制器和內(nèi)寄存器組組成。它對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的部件及操作進(jìn)行統(tǒng)一的控制，按程序中指令的要求進(jìn)行各種運(yùn)算，使系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)整體?？偩€（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導(dǎo)線構(gòu)成

12、。CPU與存儲(chǔ)器、I/O 接口及外設(shè)間通過總線聯(lián)系?？偩€按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 2.2.2 存儲(chǔ)器(memory) (1)概述 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件（管理軟件和控制軟件）和零件加工程序等，并將運(yùn)算的中間結(jié)果和處理后的結(jié)果（數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)起來。數(shù)控系統(tǒng)所用的存儲(chǔ)器為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。 (2)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（讀寫存儲(chǔ)器）（random access memory）用來存儲(chǔ)零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲(chǔ)單元的內(nèi)容既可以讀出又可寫入或改寫。 只讀存儲(chǔ)器ROM(resd-onl

13、y memory)專門存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數(shù)）的存儲(chǔ)器，使用時(shí)其存儲(chǔ)單元的內(nèi)容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會(huì)因斷電而丟失內(nèi)容。 2.2.3 輸入/輸出（IO）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備(1)IO接口指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機(jī)與外設(shè)要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設(shè)與存儲(chǔ)器間不能直接通信，需靠CPU傳遞信息，通過CPU對(duì)IO接口的讀或?qū)懖僮?，完成外設(shè)與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設(shè)送出信息的接口稱為輸出接口，外設(shè)向CPU傳遞信息的接口稱輸入接口，此外還有雙向接口。微機(jī)中IO接口包括硬件電路和軟件兩部分。由于選用的IO設(shè)備或接口芯片不同，I/

14、O接口的操作方式也不同，因而應(yīng)用程序也不同。IO接口硬件電路主要由地址譯碼、IO讀寫譯碼和I/O接口芯片（如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器等）組成。在CNC系統(tǒng)中IO的擴(kuò)展是為控制對(duì)象或外部設(shè)備提供輸入/輸出通道，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的控制和管理功能，如開關(guān)量控制、邏輯狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鍵盤、顯示器接口等。IO接口電路同與其相連的外設(shè)硬件電路特性密切相關(guān)，如驅(qū)動(dòng)功率、電子匹配、干擾抑制等。（2）外部IO設(shè)備及IO接口MDI/CRT接口手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（MDI）是通過數(shù)控面板上的鍵盤（常為軟觸鍵）進(jìn)行操作的。當(dāng)CPU掃描到按下鍵的信號(hào)時(shí)，就將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，其輸出經(jīng)過報(bào)警檢查。若不報(bào)警，數(shù)據(jù)經(jīng)選擇門、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送

15、入RAM中；若報(bào)警則數(shù)據(jù)不送入RAM。 數(shù)據(jù)輸入/輸出串行接口 CNC裝置控制對(duì)立的單臺(tái)機(jī)床時(shí)，通常需要與下列設(shè)備相接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出。 (a)數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備 如光電紙帶閱讀機(jī)（PTR）、紙帶穿孔機(jī)（PP）、打印和穿復(fù)校設(shè)備（TTY）、零件的編程機(jī)和可編程控制器的編程機(jī)等。 (b)外部機(jī)床控制面板 尤其是大型機(jī)床，為操作方便常在機(jī)床上設(shè)外部的機(jī)床控制面板，可分為固定式或懸掛式兩種。 (c)通用的手搖脈沖發(fā)生器。 (d)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)線路 一般情況下它們與CNC裝置裝在同一機(jī)柜或相鄰機(jī)柜內(nèi)，與CNC裝置通過內(nèi)部連線相連，它們之間不設(shè)置通用輸出輸入接口。 此外，裝置還要與上級(jí)主計(jì)算機(jī)或計(jì)

16、算機(jī)直接通信，或通過工廠局部網(wǎng)絡(luò)相連，從而具有網(wǎng)絡(luò)通信功能。 （3）機(jī)床的IO控制通道 機(jī)床的IO控制通道是指微機(jī)與機(jī)床之間的聯(lián)接電路。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的控制，通常由數(shù)控系統(tǒng)中的IO控制器和IO控制軟件共同完成。 IO控制器的功能特點(diǎn) （a）能夠可靠地傳送控制機(jī)床動(dòng)作的相應(yīng)控制信息，并能夠輸入控制機(jī)床所需的有關(guān)狀態(tài)信息。 （b）能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。 （c）具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。2.3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 2.3.1 單微處理機(jī)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)只有個(gè)微處理機(jī)，采用集中控制、分時(shí)方法處理數(shù)控的各個(gè)任務(wù)。有的裝置雖有個(gè)以上的微

17、處理機(jī)，但其中只有個(gè)微處理機(jī)能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機(jī)成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲(chǔ)器，它們組成主從結(jié)構(gòu)（如系統(tǒng)）。這類結(jié)構(gòu)也屬于單微機(jī)結(jié)構(gòu)。 在這種單微機(jī)結(jié)構(gòu)中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由個(gè)微機(jī)來完成，因此裝置的功能將受到微處理器的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的影響和限制。 2.3.2 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能下圖2.3.1所示為 系統(tǒng)軟件的組成。系統(tǒng)軟件可分為管理軟件與控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制等功能軟件。 圖2.3.1 CNC

18、系統(tǒng)軟件的組成 (1)輸入程序 輸入程序的功能有兩個(gè)：一是把零件程序從閱讀機(jī)或鍵盤經(jīng)相應(yīng)的緩沖器輸入到零件程序存儲(chǔ)器；二是將零件程序從零件程序存儲(chǔ)器取出送入緩沖器。 (2)譯碼程序在輸入的零件加工程序中，含有零件的輪廓信息（線型，起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)值）、工藝要求的加工速度及其他輔助信息（換刀、冷卻液開/關(guān)等）。這些信息在計(jì)算機(jī)作插補(bǔ)運(yùn)算與控制操作之前，需按一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋成計(jì)算機(jī)容易處理的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在給定的內(nèi)存專用區(qū)間，即把各程序段中的數(shù)據(jù)根據(jù)其前面的文字地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中。譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或緩沖器中逐個(gè)讀入字符，先識(shí)別出其中的文字碼和數(shù)字碼，然后根據(jù)文

19、字碼所代表的功能，將后續(xù)數(shù)字碼送到相應(yīng)譯碼結(jié)果緩沖器單元中。 (3)數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)處理程序有三個(gè)任務(wù)，即刀具半徑補(bǔ)償，速度計(jì)算（即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度）以及輔助功能的處理等。 刀具半徑補(bǔ)償是把零件的輪廓軌跡轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡；速度計(jì)算確定加工數(shù)據(jù)段的運(yùn)動(dòng)速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進(jìn)給速度計(jì)算出頻率f，而閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)則根據(jù)算出位移量（）；輔助功能處理是指換刀，主軸啟動(dòng)、停止，冷卻液開、停等輔助功能的處理（即，T功能的傳送及其先后順序的處理）。 數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補(bǔ)工作及速度控制程序的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，故也稱為預(yù)計(jì)算。下面將著重介紹刀具半徑補(bǔ)償，速度處理將在插補(bǔ)計(jì)算程序中

20、的預(yù)計(jì)算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)容中介紹。 (a)刀具半徑補(bǔ)償?shù)母拍?在連續(xù)進(jìn)行輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑例如銑刀的半徑或線切割機(jī)的鉬絲（或銅絲）半徑等，所以刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡并不等于加工零件的輪廓。如下圖所示，在進(jìn)行內(nèi)輪廓加工時(shí)，要使刀具中心偏移零件的內(nèi)輪廓表面一個(gè)刀具半徑值，而在進(jìn)行外輪廓加工時(shí)，要使刀具中心偏移零件的外輪廓表面一個(gè)刀具半徑值。這種偏移即稱為刀具半徑補(bǔ)償。ABC”CBAG41刀具G42刀具編程軌跡刀具中心軌跡C 圖2.3.2為了分析問題方便ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進(jìn)方向的左邊時(shí)，稱為左刀補(bǔ)，用G41指令代碼表示，圖中所

21、示零件輪廓內(nèi)部的虛線軌跡。反之，當(dāng)?shù)毒咛幱诰幊誊壽E前進(jìn)方向的右邊時(shí)，稱右刀補(bǔ)，用G42表示，如圖中所示零件輪廓外部的虛線軌跡。當(dāng)不需要進(jìn)行刀補(bǔ)時(shí)，用G40表示。G41，G42和G40均屬于模態(tài)代碼，一旦執(zhí)行便一直有效，直到同組其他代碼出現(xiàn)后才被取消。 (b)C功能刀具半徑補(bǔ)償 C刀具半徑補(bǔ)償?shù)脑砑坝?jì)算 硬件數(shù)控機(jī)床常用的刀具半徑補(bǔ)償方法，其主要特點(diǎn)是在程序段轉(zhuǎn)換時(shí)（如折線或直線與圓弧不相切時(shí)）采用圓弧過渡。這種方法在拐角處銑刀刃與工件間的接觸產(chǎn)生一停頓時(shí)間，工藝性不好，不適合3坐標(biāo)以上的刀具半徑補(bǔ)償。理想的過渡形式應(yīng)是直線過渡形式。可見，這種刀補(bǔ)方法追免了刀具在尖角處的停頓現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)數(shù)控的

22、刀具半徑補(bǔ)償一般都采用直線過渡的方法，在系統(tǒng)程序中有一個(gè)刀具半徑補(bǔ)償子程序，需要時(shí)可調(diào)用之。 (4)插補(bǔ)計(jì)算程序 插補(bǔ)計(jì)算是系統(tǒng)中最重要的計(jì)算工作之一。裝置中采用的是硬件電路（即插補(bǔ)器）來實(shí)現(xiàn)各種軌跡的插補(bǔ)。為了在軟件系統(tǒng)中計(jì)算所需的插補(bǔ)軌跡，這些數(shù)字電路必須由計(jì)算機(jī)的程序來模擬。計(jì)算機(jī)由若干條指令來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)工作，但執(zhí)行每條指令都需要花費(fèi)一定的時(shí)間，而過去小型或微型計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度都不能滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給速度和分辨率的要求。在實(shí)際的系統(tǒng)中，常采用數(shù)據(jù)采樣的插補(bǔ)方法，將插補(bǔ)功能分割成軟件插補(bǔ)和硬件插補(bǔ)兩部分，控制軟件把刀具軌跡分割成若干段，而硬件電路再在段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”，使刀

23、具軌跡控制在允許的誤差之內(nèi)。即軟件實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)，硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)插補(bǔ)。 (5)伺服（位置）控制軟件伺服位置控制軟件的主要功能是對(duì)插補(bǔ)值進(jìn)行處理（取全值或取其半值），計(jì)算出位置的命令值，同時(shí)讀一次實(shí)際的反饋值，然后計(jì)算出命令值與反饋值間的差值（稱為位置跟隨誤差），再乘上增益系數(shù)，并加上補(bǔ)償量從而得到速度命令值。 (6)輸出程序 輸出程序的功能有如下幾項(xiàng)： (a)進(jìn)行伺服控制，如上所述。 (b)反向間隙補(bǔ)償處理 反向間隙值由程序預(yù)置。若某一軸由正向變成負(fù)向運(yùn)動(dòng)，則在反向前輸出 Q個(gè)正向脈沖；反之，若由負(fù)向變成正向運(yùn)動(dòng)，則在反向前輸出 Q個(gè)負(fù)向脈沖（Q為反向間隙，因?qū)嶋H情況而異）。 (c)進(jìn)行絲杠螺距誤差補(bǔ)

24、償（方法見后面相關(guān)內(nèi)容） (d)M，S，T輔助功能的輸出 M，S，T代碼大多是開關(guān)量控制，由機(jī)床強(qiáng)電執(zhí)行。 (7)管理程序 當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)段開始插補(bǔ)加工時(shí)，管理程序即準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼、處理，調(diào)用各功能子程序，準(zhǔn)備好下一段數(shù)據(jù)。一旦本數(shù)據(jù)段加工完畢便立即開始下一段插補(bǔ)。為數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個(gè)程序均由管理程序進(jìn)行調(diào)度。管理程序還要對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。 (8)診斷程序 完善的診斷程序可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大，在故障出現(xiàn)后，還可以迅速查明故障的類型和部位，減少故障停機(jī)時(shí)間。診斷分多種情況，有啟動(dòng)診斷、在線診斷、停機(jī)診斷、遠(yuǎn)程通信診斷等。2.4

25、CNC系統(tǒng)的工作過程 2.4.1 CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段歷程 一個(gè)數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至輸出位置控制值需要經(jīng)過圖2.4.1所示的幾個(gè)環(huán)節(jié)。經(jīng)過輸入系統(tǒng)的工作，將數(shù)據(jù)段送入零件程序緩沖器，然后由譯碼程序?qū)⑤斎氲牧慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識(shí)別的語(yǔ)言，送入譯碼結(jié)果寄存器。再通過數(shù)據(jù)處理程序?qū)㈩A(yù)計(jì)算出的刀補(bǔ)參數(shù)（刀補(bǔ)后的本程序段終點(diǎn)坐標(biāo)）、速度分量（L，L）及有關(guān)輔助功能送入數(shù)據(jù)處理結(jié)果緩沖器，經(jīng)插補(bǔ)后將本次插補(bǔ)周期的輸出位置增量值（X2，Y2 ）送至插補(bǔ)工作寄存器，再經(jīng)伺服（位置）控制處理，將段值（X2，Y2）經(jīng)計(jì)算成為新指令位置值，同時(shí)將反饋的位置增量（X1，Y1）加上原實(shí)際位置得出現(xiàn)在的實(shí)際位置值。

26、經(jīng)比較計(jì)算出新指令位置和實(shí)際位置的差值（即跟隨誤差），乘上位置增益，得到位置控制的輸出值也X3，Y3，即為速度指令。之后便進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。 圖2.4.1 數(shù)據(jù)段歷程 2.4.2 CNC系統(tǒng)自動(dòng)工作時(shí)的總體流程 CNC系統(tǒng)的自動(dòng)工作狀態(tài)是其最主要的加工方式，圖2.4.2所示為它的總體流程。 零件加工程序通過紙帶輸入機(jī)、盒式磁帶機(jī)或MDI鍵盤（磁盤，或上級(jí)DNC接口輸入），按一定標(biāo)準(zhǔn)通過輸入程序輸入到內(nèi)存中的零件程序存儲(chǔ)區(qū)。又在輸入程序的支持下將零件加工程序從存儲(chǔ)區(qū)調(diào)出至緩沖區(qū)。然后，程序段逐段進(jìn)行譯碼，即置文字地址碼的標(biāo)志位，并將ASC碼由數(shù)控內(nèi)部碼譯成系統(tǒng)能識(shí)別的二進(jìn)制碼或特征碼。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)的

27、預(yù)計(jì)算，包括刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算刀心坐標(biāo)值，速度處理計(jì)算各軸分速度，算出線段長(zhǎng)（L及）以及，T代碼處理，為插補(bǔ)提供各種必要的數(shù)據(jù)。接著再進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算?？刂瞥绦?qū)⒏鶕?jù)零件加工程序中的進(jìn)給速度（F）和坐標(biāo)位移量，由預(yù)計(jì)算算出線段長(zhǎng)（L及），再計(jì)算出分配給每個(gè)坐標(biāo)的段值，即每個(gè)插補(bǔ)中斷周期中坐標(biāo)的位移量（，）。最后，在位置控制比較環(huán)節(jié)中，將插補(bǔ)輸出的段值（位移量）加上原坐標(biāo)指令值作為新的指令位置值。又將反饋位置增量加上原實(shí)際位置坐標(biāo)值作為新的實(shí)際位置值。將新的指令值與新的實(shí)際位置值相比較，算出跟隨誤差。通過計(jì)算機(jī)的軟件放大倍數(shù)調(diào)節(jié)功能乘上系數(shù)后，即為伺服輸入的速度指令值。再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成為速度命令電壓（

28、或頻率），最后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)或刀具位移。入口輸入紙帶或MDI將零件程序按ASCBCD形式輸入至存儲(chǔ)區(qū)或調(diào)出至緩沖區(qū)譯碼預(yù)計(jì)算插補(bǔ)伺服位置控制結(jié)束置標(biāo)志位“1”，BCDB等刀補(bǔ)，算刀心坐標(biāo)速度處理算段長(zhǎng)，M、S、T處理算段值X，Y，Z算跟隨誤差，乘上放大系數(shù)即為速度指令 2.4.2 運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)原理2.5 運(yùn)動(dòng)軌跡括補(bǔ)的概念 在數(shù)控機(jī)床中，刀具的最小移動(dòng)單位是一個(gè)脈沖當(dāng)量，而刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡為折線，并不是光滑的曲線。刀具不能嚴(yán)格地沿著所加工的曲線運(yùn)動(dòng)，只能用折線軌跡逼近所加工的曲線。在數(shù)控加工中，根據(jù)給定的信息進(jìn)行某種預(yù)定的數(shù)學(xué)計(jì)算，不斷向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖或數(shù)據(jù)，使被

29、控機(jī)械部件按指定路線移動(dòng)（即產(chǎn)生個(gè)坐標(biāo)軸以上的配合運(yùn)動(dòng)），這就是插補(bǔ)。換言之，插補(bǔ)就是沿著規(guī)定的輪廓，在輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間按一定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，給出相應(yīng)軸的位移量或用脈沖把起點(diǎn)和終點(diǎn)間的空白填補(bǔ)（逼近誤差要小于個(gè)脈沖當(dāng)量）。一般數(shù)控機(jī)床都具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。 2.5.1運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)的方法 脈沖增量法（標(biāo)準(zhǔn)脈沖插補(bǔ) reference pulse）行程標(biāo)量插補(bǔ)把每次插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生的指令脈沖輸出到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等伺服機(jī)構(gòu)，并且每次產(chǎn)生一個(gè)單位的行程增量，這就是脈沖增量插補(bǔ)，如逐點(diǎn)比較法、法及一些相應(yīng)的改進(jìn)算法等都屬此類。這類插補(bǔ)法比較簡(jiǎn)單，僅需幾次加法和移位操作就可完成，用硬件和軟件模擬都可

30、實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給速度指標(biāo)和精度指標(biāo)都難以滿足現(xiàn)在零件加工的要求，因此，這種插補(bǔ)法只適用于中等精度和中等速度的機(jī)床系統(tǒng)。主要用早期的采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)已很少采用這類算法了。 2.5.2 數(shù)據(jù)采樣法（sampled data）時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)在這種方法中，整個(gè)控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)而形成閉環(huán)，輸出的不是單個(gè)脈沖，而是數(shù)據(jù)，即標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制字。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法中較常見的有時(shí)間分割法插補(bǔ)，也就是根據(jù)編程進(jìn)給速度將零件輪廓曲線按插補(bǔ)周期分割為一系列微小直線段，然后將這些微小直線段對(duì)應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，用以控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸的進(jìn)給。這類插補(bǔ)算法適用于以直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的閉環(huán)

31、或半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 （1）逐點(diǎn)比較法的原理它的原理是以區(qū)域判別為特征，每走一步都要將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的走向。如果加工點(diǎn)走到圖形外面，那么下一步就要向圖形里面走；如果加工點(diǎn)在圖形里面，則下一步就要向圖形外面走，以縮小偏差。每次只進(jìn)行一個(gè)坐標(biāo)軸的插補(bǔ)進(jìn)給。通過這種方法能得到一個(gè)接近規(guī)定圖形的軌跡，而最大偏差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量。在逐點(diǎn)比較法中，每進(jìn)給一步都要4個(gè)節(jié)拍，如圖2.5.1所示。偏差判別插補(bǔ)開始坐標(biāo)進(jìn)給新偏差計(jì)算到終點(diǎn)？結(jié)束YN 圖2.5.1 （a)偏差判別 判別偏差符號(hào)，確定加工點(diǎn)是在規(guī)定圖形的外面還是里面。 （b）坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)偏差情況，

32、控制X坐標(biāo)或Y坐標(biāo)進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向規(guī)定圖形靠攏，縮小偏差。 （c）新偏差計(jì)算 進(jìn)給一步后，計(jì)算加工點(diǎn)與規(guī)定圖形的新偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)。 （d）終點(diǎn)判別 根據(jù)這一步的進(jìn)給結(jié)果，判定（比較）終點(diǎn)是否到達(dá)。如未到達(dá)終點(diǎn)，繼續(xù)插補(bǔ)工作循環(huán)，如果已到終點(diǎn)就停止插補(bǔ)。 (2)逐點(diǎn)比較法I象限直線插補(bǔ) （a）基本原理 偏差函數(shù)值的判別 如圖2.5.2所示，OE為象限直線，起點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)E的坐標(biāo)為E（Xe，Ye），還有一個(gè)動(dòng)點(diǎn)為N（Xi，Yi）?，F(xiàn)假設(shè)動(dòng)點(diǎn) N正好處于直線OE上，則有下式成立： 即 XeYiXiYe(Xe，Ye)Y直線圖2.5.2(Xm，Ym)(Xn，Yn) 假設(shè)動(dòng)點(diǎn)處

33、于 OE的下方N處，則直線 ON的斜率小于直線OE的斜率，從而有 即 XeYiXiYe 由以上關(guān)系式可以看出，（Xe YiXi Ye）的符號(hào)反映了動(dòng)點(diǎn)N與直線OE之間的偏離情況。為此取偏差函數(shù)為 FXe Yi - Xi Ye (3-1）依此可總結(jié)出動(dòng)點(diǎn) N（Xi ，Yi）與設(shè)定直線 OE之間的相對(duì)位置關(guān)系如下： 當(dāng) F0時(shí)，動(dòng)點(diǎn) N（Xi ，Yi）正好處在直線 OE上； 當(dāng) F0時(shí)，動(dòng)點(diǎn) N（Xi ，Yi）落在直線 OE上方的區(qū)域； 當(dāng) F0時(shí)，動(dòng)點(diǎn) N（Xi ，Yi）落在直線OE下方的區(qū)域。 坐標(biāo)進(jìn)給 以圖365為例。設(shè)OE為要加工的直線輪廓，而動(dòng)點(diǎn)N（Xi ，Yi）對(duì)應(yīng)于切削刀具的位置，終

34、點(diǎn) E坐標(biāo)為Xe4，Ye6，起點(diǎn)為 O，即 Xo0，Yo0。顯然，當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€下方區(qū)域時(shí)（F0），為了更靠攏直線輪廓，則要求刀具向（Y）方向進(jìn)給一步；當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€上方區(qū)域時(shí)（），為了更靠攏直線輪廓，則要求刀具向（）方向進(jìn)給一步；當(dāng)?shù)毒哒锰幱谥本€上時(shí)（），理論上既可向（）方向進(jìn)給一步，也可向（）方向進(jìn)給一步，但一般情況下約定向（）方向進(jìn)給，從而將F和兩種情況歸一類（）。根據(jù)上述原則，從原點(diǎn)（，）開始走一步，計(jì)算并判別的符號(hào)，再趨向直線進(jìn)給，步步前進(jìn)，直至終點(diǎn)。這樣，通過逐點(diǎn)比較的方法，控制刀具走出一條盡量接近零件輪廓直線軌跡，如圖2.5.3中的折線所示。當(dāng)每次進(jìn)給的臺(tái)階（即脈沖當(dāng)量）很小時(shí)

35、，就可以將這折線近似當(dāng)作直線來看待。顯然，逼近程度的大小與脈沖當(dāng)量的大小直接相關(guān)。 圖2.5.3 新偏差計(jì)算 由式（）可以看出，每次求時(shí)要作乘法和減法運(yùn)算，而這在使用硬件或匯編語(yǔ)言軟件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不大方便，還會(huì)增加運(yùn)算的時(shí)間。因此，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，通常采用遞推法，即每進(jìn)給一步后新加工點(diǎn)的加工偏差值通過前一點(diǎn)的偏差遞推算出。 現(xiàn)假設(shè)第次插補(bǔ)后動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為（i，i），偏差函數(shù)為 ieiie 若i，則向（）方向進(jìn)給一步，新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值為 i+1ii+1i 這里，設(shè)坐標(biāo)值單位是脈沖當(dāng)量，進(jìn)給一步即走一個(gè)脈沖當(dāng)量的距離（）。新的偏差函數(shù)為 i+1ei+1i+1ei一iee所以 i+1i （3-2)同樣，若，則

36、向（）方向進(jìn)給一步，新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值為 i+1i，i+1i+1因此新的偏差函數(shù)為 i+1ei+1i+1ei一iee所以 i+1ie (3-3)根據(jù)式（）和（一）可以看出，采用遞推算法后，偏差函數(shù)的計(jì)算只與終點(diǎn)坐標(biāo)值，e有關(guān)，而不涉及動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)i，i的值，且不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，新動(dòng)點(diǎn)的偏差函數(shù)可由上一個(gè)動(dòng)點(diǎn)的偏差函數(shù)值遞推出來（減Y或加e）。因此，該算法相當(dāng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但要一步步速推，且需知道開始加工點(diǎn)處的偏差值。一般是采用人工方法將刀具移到加工起點(diǎn)（對(duì)刀），這時(shí)刀具正好處于直線上，當(dāng)然也就沒有偏差，所以遞推開始時(shí)偏差函數(shù)的初始值為0。終點(diǎn)判別 由于插補(bǔ)誤差的影響，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡可能不通過被加工

37、直線的終點(diǎn)（，e）。即在有些情況下，刀具的橫坐標(biāo)i與縱坐標(biāo)i不可能同時(shí)滿足以下兩式 因此，不能用以上條件來判斷直線是否加工完畢。通常根據(jù)刀具沿、Y軸所走的總步數(shù)判斷終點(diǎn)。 從直線的起點(diǎn)（圖3.6.5）移動(dòng)到終點(diǎn)，刀具沿軸應(yīng)走的步數(shù)為e，沿軸應(yīng)走的步數(shù)為e，沿，兩坐標(biāo)軸應(yīng)走的總步數(shù)為 十 刀具運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)P（i，Yi）時(shí)，沿，軸已經(jīng)走過的步數(shù)為 iYi 若與相等，說明直線已加工完畢，插補(bǔ)過程應(yīng)該結(jié)束。否則，說明直線還沒有加工完畢。 對(duì)于逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，每進(jìn)行一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)，刀具或者沿軸走一步，或者沿軸走一步，因此插補(bǔ)循環(huán)數(shù)與刀具沿，軸已走的總步數(shù)相等。這樣就可以根據(jù)插補(bǔ)循環(huán)數(shù)與具沿，軸應(yīng)進(jìn)給的總步數(shù)是

38、否相等判斷終點(diǎn)，即直線加工結(jié)束的條件為 (3-4)2.6 數(shù)據(jù)采樣法 數(shù)據(jù)采樣法實(shí)質(zhì)上就是用一系列首尾相連的微小直線段來逼近給定的曲線。由于這些線段是按加工時(shí)間進(jìn)行分割的，所以，也稱為“時(shí)間分割法”。一般分割后得到的小線段相對(duì)于系統(tǒng)精度來講仍是比較大的。為此，必須進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的密化工作。微小直線段的分割過程也稱為粗插補(bǔ)，而后續(xù)進(jìn)一步的密化過程稱為精插補(bǔ)。通過兩者的緊密配合即可實(shí)現(xiàn)高性能的輪廓插補(bǔ)。 一般數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法中的粗插補(bǔ)是由軟件實(shí)現(xiàn)的。由于其算法中涉及到一些三角函數(shù)和復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，所以大多采用高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言完成。而精插補(bǔ)算法大多采用前面介紹的脈沖增量法。它既可由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由硬件實(shí)

39、現(xiàn)。由于相應(yīng)的算術(shù)運(yùn)算較簡(jiǎn)單，所以軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)大多采用匯編語(yǔ)言完成。 2.6.1 插補(bǔ)周期與位置控制周期 插補(bǔ)周期s是相鄰兩個(gè)微小直線段之間的插補(bǔ)時(shí)間間隔。位置控制周期c是數(shù)控系統(tǒng)中伺服位置環(huán)的采樣控制周期。對(duì)于給定的某個(gè)數(shù)控系統(tǒng)而言，插補(bǔ)周期和位置控制周期是兩個(gè)固定不變的時(shí)間參數(shù)。 通常sc，并且為了便于系統(tǒng)內(nèi)部控制軟件的處理，當(dāng)s與c不相等時(shí)，一般要求s是c的整數(shù)倍。這是由于插補(bǔ)運(yùn)算較復(fù)雜，處理時(shí)間較長(zhǎng)，而位置環(huán)數(shù)字控制算法較簡(jiǎn)單，處理時(shí)間較短，所以每次插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果可供位置環(huán)多次使用。現(xiàn)假設(shè)編程進(jìn)給速度為，插補(bǔ)周期為s，則可求得插補(bǔ)分割后的微小直線段長(zhǎng)度為（暫不考慮單位）： s（一40）

40、插補(bǔ)周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，但對(duì)被加工輪廓的軌跡精度有影響，控制周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和輪廓誤差均有影響。因此選擇s時(shí)主要從插補(bǔ)精度方面考慮，而選擇c時(shí)則從伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)跟蹤誤差兩方面考慮。 一般插補(bǔ)周期s越長(zhǎng)，插補(bǔ)計(jì)算的誤差也越大。因此單從減小插補(bǔ)計(jì)算誤差的角度考慮，插補(bǔ)周期s應(yīng)盡量選得小一些。但s也不能太短，因?yàn)橄到y(tǒng)在進(jìn)行輪廓插補(bǔ)控制時(shí)，其裝置中的不僅要完成插補(bǔ)運(yùn)算，還必須處理一些其他任務(wù)（如位置誤差計(jì)算、顯示、監(jiān)控、I處理等），因此s不單是指完成插補(bǔ)運(yùn)算所需的時(shí)間，而且還必須留出一部分時(shí)間用于執(zhí)行其他相關(guān)的任務(wù)。一般要求插補(bǔ)周期s必須大于插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間和完成其他相關(guān)任務(wù)所需時(shí)間之和。

41、系統(tǒng)位置控制周期的選擇有兩種形式。一種是 cs，另一種是為c的整數(shù)倍。 2.6.2 插補(bǔ)周期與精度、速度之間的關(guān)系在數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ)過程中，由于給定的輪廓本身就是直線，則插補(bǔ)分割后的小直線段與給定直線是重合的，也就不存在插補(bǔ)誤差問題。但在圓弧插補(bǔ)過程中，一般采用切線、內(nèi)接弦線和內(nèi)外均差弦線來逼近圓弧，顯然這些微小直線段不可能完全與圓弧相重合，從而造成了輪廓插補(bǔ)誤差。插補(bǔ)誤差er與被插補(bǔ)圓弧半徑、插補(bǔ)周期以及編程進(jìn)給速度有關(guān)。若s越長(zhǎng)，越大，越小，則插補(bǔ)誤差就越大。但對(duì)于給定的某段圓弧輪廓來講，如果將s選得盡量小，則可獲得盡可能高的進(jìn)給速度，從而提高了加工效率。同樣在其他條件相同的情況下，大曲

42、率半徑的輪廓曲線可獲得較高的允許切削速度。 2.6.3 數(shù)據(jù)采樣法直線插補(bǔ) 假設(shè)刀具在平面內(nèi)加工直線輪廓，起點(diǎn)為（ ），終點(diǎn)為（Xe，Ye），動(dòng)點(diǎn)為i（i，i），編程進(jìn)給速度為，插補(bǔ)周期為s，如圖3.6.30所示。 在1個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)進(jìn)給直線長(zhǎng)度為s，根據(jù)圖2.6.1中的幾何關(guān)系，很容易求得插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的位置增量為： 圖2.6.1 （3）式中為被插補(bǔ)直線的長(zhǎng)度，（mm）；K為每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速率數(shù)，L（s）L。這樣很容易得出下一個(gè)動(dòng)點(diǎn) i的坐標(biāo)值為 利用數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)直線時(shí)的算法相當(dāng)簡(jiǎn)單，可在裝置中分兩步完成。第一步是插補(bǔ)準(zhǔn)備，完成一些常量的計(jì)算工作，如 ，K的計(jì)算等（一般對(duì)于每個(gè)

43、零件輪廓段僅執(zhí)行一次）；第二步是插補(bǔ)計(jì)算，每個(gè)插補(bǔ)周期均執(zhí)行一次，求出該周期對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)增量值（i，i）及動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值（i，i）。 數(shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)過程中所使用的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)及插補(bǔ)所得到的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)都是帶有符號(hào)的代數(shù)值，而不像脈沖增量插補(bǔ)算法那樣使用絕對(duì)值參與插補(bǔ)運(yùn)算。并且這些坐標(biāo)值也不一定轉(zhuǎn)換成以脈沖當(dāng)量為單位的整數(shù)值，即數(shù)據(jù)采樣法中涉及到的坐標(biāo)值是帶有正、負(fù)號(hào)的真實(shí)坐標(biāo)值。另外，求取坐標(biāo)增量值和動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的算法并非唯一，例如也可利用輪廓直線與橫坐標(biāo)夾角的三角函數(shù)關(guān)系來求得。 2.7 可編程控制器的設(shè)計(jì) 2.7.1 可編程序控制器的定義及作用可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC）是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合

44、了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化和通信技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，采用可編程存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出方式控制各種類型的機(jī)器或生產(chǎn)過程。可編程控制器具有很強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力，而且PLC的輸入/輸出接口適應(yīng)了工業(yè)過程的需要，具有功率放大的功能，可直接帶負(fù)載運(yùn)行，這就是PLC在工業(yè)控制上優(yōu)于普通微型計(jì)算機(jī)的地方。作用：完成各種輔助功能 (1) 機(jī)床主軸的起停、正反轉(zhuǎn)控制及主軸轉(zhuǎn)速的控制、倍率的選擇。 (2) 機(jī)床冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)的接通和斷開。 (3) 機(jī)床刀庫(kù)的起停和刀具的選擇、

45、更換。 (4) 機(jī)床卡盤的夾緊、松開。 (5) 機(jī)床自動(dòng)門的打開、閉合。 (6) 機(jī)床尾座和套筒的起停、前進(jìn)、后退控制。（7) 機(jī)床排屑等輔助裝置的控制。 2.7.2 可編程序控制器在機(jī)床數(shù)控中的應(yīng)用 （1）PLC的應(yīng)用類型 的應(yīng)用范圍非常廣泛。根據(jù)功能的不同大致可分為以下種應(yīng)用類型。 （a) 開關(guān)邏輯控制類型 (b) 閉環(huán)過程控制類型 (c) 組成多級(jí)控制系統(tǒng)類型(d) 控制機(jī)器人類型 (e）組合數(shù)字控制類型 (2) 系統(tǒng)中的系統(tǒng)內(nèi)部處理的信息大致可分為兩大類。一是控制坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的連續(xù)數(shù)字信息，這種信息主要由系統(tǒng)本身去完成。另一類是控制刀具更換、主軸啟停、換向變速、零件裝卸、冷卻液開八亭和控

46、制面板等的邏輯離散信息。在系統(tǒng)中是介于裝置與機(jī)床之間的中間環(huán)節(jié)。它根據(jù)輸入的離散信息，在內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并完成輸出功能。系統(tǒng)中用實(shí)現(xiàn)控制的類型可分為內(nèi)裝型和獨(dú)立型兩類。(a) 內(nèi)裝型 （）所謂內(nèi)裝型 是指 內(nèi)含在 裝置內(nèi)，從屬于裝置，并與裝置集于一體，如圖2.7.1所示。 圖2.7.1 由于的硬件和軟件都被作為系統(tǒng)的基本功能而統(tǒng)一設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)也由系統(tǒng)來確定。內(nèi)裝型與所從屬的裝置之間的信號(hào)傳送均在內(nèi)部進(jìn)行，并且內(nèi)裝型一般也不單獨(dú)配置 接口，而是通過 裝置本身的 電路完成輸入輸出功能。這樣內(nèi)裝型的硬件電路既可以單獨(dú)設(shè)計(jì)在其本身的印刷電路板內(nèi)，也可安排在裝置的某一塊電路板中（如有的數(shù)控系統(tǒng)將內(nèi)

47、裝型電路設(shè)計(jì)在裝置的板上）。 采用內(nèi)裝型擴(kuò)大了內(nèi)部直接處理數(shù)據(jù)的能力，因此可以使用梯形圖方式進(jìn)行編輯，傳送復(fù)雜的控制功能。又因?yàn)椴捎眠@種方法的造價(jià)很低，從而提高了的性能價(jià)格比。 (b) 獨(dú)立型（）獨(dú)立型實(shí)際上是通用型，它完全獨(dú)立于裝置，具有完備的硬件和軟件，能夠獨(dú)立完成系統(tǒng)所要求的控制任務(wù)。獨(dú)立型與數(shù)控機(jī)床之間的關(guān)系如圖2.7.2所示。 圖2.7.2 獨(dú)立型不但要進(jìn)行機(jī)床側(cè)的連接，還要進(jìn)行裝置側(cè)的連接，因此和均具有自己的接口電路。獨(dú)立型一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，裝在插版式機(jī)籠內(nèi)，點(diǎn)數(shù)和規(guī)?？赏ㄟ^ 模塊插板的增減而靈活配置。對(duì)于數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心等單臺(tái)數(shù)控設(shè)備，所需的點(diǎn)數(shù)大多在點(diǎn)以下（少數(shù)復(fù)

48、雜設(shè)備在點(diǎn)以上），因此選用小型即可。而對(duì)于大型數(shù)控機(jī)床，如 ，等，則需要選用中型或大型。 獨(dú)立型的造價(jià)較高，所以其性能價(jià)格比不如內(nèi)裝型。一般內(nèi)裝型多用于單微處理器的系統(tǒng)，而獨(dú)立型主要用于多微處理器的系統(tǒng)。但它們的作用是一樣的，都是配合裝置實(shí)現(xiàn)刀具軌跡控制和機(jī)床順序控制。 2.7.3 ，功能的實(shí)現(xiàn)(1) 功能的實(shí)現(xiàn) 功能也稱輔助功能，根據(jù)代碼的編程，可以控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止、主軸齒輪箱的變速。冷卻液的開關(guān)、卡盤的夾緊和松開以及自動(dòng)換刀裝置的取刀和還刀等。 (2) S功能的實(shí)現(xiàn)功能主要完成對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的控制，常用位代碼形式和位代碼形式進(jìn)行編程。所謂位代碼編程是指 代碼后跟隨 位進(jìn)制數(shù)字指定主軸轉(zhuǎn)速

49、。這種代碼形式共有100級(jí)（）分度，并且按等比級(jí)數(shù)遞增，其公式為.，即相鄰分度的后一級(jí)速度比前一級(jí)速度增加約 。這樣根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的上、下限和上述等比關(guān)系就可以獲得一個(gè)位代碼與主軸轉(zhuǎn)速（碼）的對(duì)應(yīng)表格，用于位代碼的譯碼。 所謂代碼編程是指 代碼后跟隨位進(jìn)制數(shù)字，直接指定主軸轉(zhuǎn)速。例如 1500表示主軸轉(zhuǎn)速為 ?？梢娢淮a表示轉(zhuǎn)速的范圍為 。 （3）功能的實(shí)現(xiàn) 功能即為刀具功能工代碼后跟隨位數(shù)字表示要求的刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)代碼通過可以管理刀庫(kù)，自動(dòng)更換刀具。即根據(jù)刀具和刀具座的編號(hào)，可以簡(jiǎn)便、可靠地進(jìn)行選刀和換刀控制。根據(jù)取刀還刀位置是否固定，可將換刀功能分為隨機(jī)存取換刀控制和固定存

50、取換刀控制。在隨機(jī)存取換刀控制中，取刀和還刀與刀具座編號(hào)無關(guān)，還刀位置是隨機(jī)變動(dòng)的。在執(zhí)行換刀的過程中，當(dāng)取出所需的刀具后，刀庫(kù)不需轉(zhuǎn)動(dòng)，而是在原地立即存入換下來的刀具，由數(shù)控系統(tǒng)記憶每把刀具在刀庫(kù)中的實(shí)際位置。這時(shí)取刀、換刀、存刀一次完成，縮短了換刀時(shí)間提高了生產(chǎn)效率，但刀具的控制和管理要復(fù)雜一些。在固定存取換刀控制中，被取刀具和被還刀具的位置都是固定的，也就是說換下的刀 具必須放回預(yù)先安排好的固定位置。顯然這種方法增加了換刀時(shí)間，但其控制要簡(jiǎn)單些。 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1 工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)因?yàn)楦脑旌蟮幕A(chǔ)主要加工圓弧、凸輪一類平面曲線的輪廓，所以采用微機(jī)數(shù)控實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，工作臺(tái)縱

51、向（軸）、橫向（軸）及垂直方向（軸）的運(yùn)動(dòng)，分別由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)。由于銑削時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，所以要選擇大功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而大功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)較困難。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有過載能力，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩下降很多，容易丟步。要使改造后的銑床進(jìn)給伺服性能較好，在改造采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。改造方案如圖3.1.1所示。圖3.1.1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)仍采用手動(dòng)操作，縱、橫向進(jìn)給改造后既可機(jī)動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜零件的計(jì)算機(jī)數(shù)控加工，又可手動(dòng)操作完成簡(jiǎn)單零件的加工或用于數(shù)控加工前

52、的對(duì)刀工作。（2）保留原機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)動(dòng)部分，將離合器脫開，去掉手輪。將手輪軸通過一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工時(shí)，將離合器脫開，使原來的機(jī)動(dòng)進(jìn)給停止工作。（3）工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)方面，在原手輪安裝位置，安裝減速齒輪及步進(jìn)電機(jī)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。（4）采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)元件，伺服電動(dòng)機(jī)的軸端為光軸，齒輪與電動(dòng)機(jī)軸，電動(dòng)機(jī)軸與傳動(dòng)軸采用錐環(huán)無鍵連接消除連接器的結(jié)構(gòu)。這種連接的特點(diǎn)是不需要開鍵槽，而且兩連接件的相對(duì)角度可任意調(diào)節(jié)，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形，靠磨擦力與套連接，消除配合間隙，保證對(duì)中性。 4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控部分采用MCS-51系列的8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的主控制。用8031外接3片2764（E-PROM）,一片6264（RAM）及一片8255（擴(kuò)展I/O），一片8155芯片，擴(kuò)展成一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。2764用作程序存儲(chǔ)器，6264用來擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器， 8155用作鍵盤和顯示接口，8255用于接收控制面板上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制信號(hào)。圖2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制X、Y軸某一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)單動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)銑床橫向、縱向的直線進(jìn)給；當(dāng)控制X-Y軸配合聯(lián)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)直線、斜線、圓弧及復(fù)合軌跡的加工