数控系统插补原理和数据处理.ppt
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1、第二章 数控系统的加工控制原理,第二章 数控系统 插补原理和数据处理,授课内容,1、概述 2、逐点比较法 3、数字积分法 4、数据采样插补法 5、其他插补方法简介 6、刀具补偿,程序输入,译码,数据处理,插补,位置控制,输入/输出处理控制,显示,诊断,纸带阅读机,键盘,磁盘,通信接口输入,内部存储器,工件的轮廓信息,加工速度,辅助功能信息,以一个程序段为单位,按一定规则将编程信息翻译成计算机内部能识别的数据形式,以约定格式存储在指定内存区间,刀具半径补偿,速度计算,辅助功能处理,在每个采样周期内将插补计算的理论位置和实际反馈位置相比较,用差值控制进给电动机,启动诊断和在线诊断,机床和CNC装置
2、间来往信号的输入输出控制,数控装置的工作原理,校验和代码转换,硬件或软件,系统处于正常运行状态中,由系统相应的内装诊断程序定时中断周期扫描检查CNC装置本身以及各外设。,第一节 概述,一、插补的定义 数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据(直线起点、终点坐标、圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速度等)运用一定的算法,自动的在有限坐标点之间形成一系列的坐标数据,从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配,完成整个线段的轨迹运行,以满足加工精度的要求。 要求:实时性好,算法简单误差小、精度高、速度均匀性好 插补运算速度直接影响系统的控制速度,而插补运算精度又影响到整个CNC系统的精度。因此人们一直在努力探
3、求一种计算速度快同时精度又高的插补算法。 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。,二、插补分类,插补是数控系统必备功能,NC中由硬件完成,CNC中由软件完成,两者原理相同。 (一)基准脉冲插补 1、逐点比较法 2、数字积分法 3、数字脉冲乘法器 4、矢量判别法 5、比较积分法 (二)数字增量插补法(数据采样插补法) 1、时间分割法 2、扩展DDA法,(一)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,每次插补运算后,输出的脉冲增量通常为1个或0个,最多给每一轴进给一个脉冲,产生一个脉冲当量值的位移量。每发出一个脉冲,工作台移动一个基本长度单位,即脉
4、冲当量。脉冲当量是脉冲分配的基本单位。 输出脉冲的最大速度取决于插补软件进行一次插补运算所需时间。 这类算法速度受到限制,常用于开环步进电机驱动的数控系统,(二)数字增量插补法(数据采样插补法) 时间增量插补法,插补结果输出的不是脉冲,而是标准二进制数(插补周期内的增量数据),根据程编进给速度,把轮廓曲线按插补周期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。这种算法的进给速度不受限制,但插补程序比较复杂。 插补计算是计算机数控系统中实时性很强的一项工作,必须在有限的时间内完成计算任务,为了提高计算速度,缩短计算时间,按以下三种结构方式
5、进行改进:,.采用软/硬件结合的两级插补方案 由计算机软件先将加工轮廓按插补周期分割成若干微小直线段,这个过程为粗插补,接着利用硬件插补器对粗插补输出的线段再进行插补,以脉冲形式输出,这个过程为精插补。通过两者的配合,可实现高性能轮廓插补。采用粗、精二级插补的方法,对计算机的运算速度要求不高。该方法的响应速度和分辨率都比较高。 .采用多CPU的分布式处理方案 首先将数控系统的全部功能划分为几个子功能模块,并分别分配一个独立的CPU来完成该项子功能,可以专门有一个CPU来承担插补工作,然后由系统软件来协调各个CPU之间的工作。 .采用单台高性能微型计算机方案,第二节 逐点比较插补法,应用广泛,能
6、实现平面直线、圆弧、二次曲线插补,精度高。 所谓逐点比较法,就是每走一步都要与给定轨迹比较一次,根据比较结果来决定下一步的进给方向,使刀具向减小偏差的方向进给,并趋向终点移动。直线和圆弧 逐点比较法的特点:运算简单,过程清晰,插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均匀,输出脉冲速度变化小,调节方便,但不易实现两坐标以上的插补。,一、逐点比较法直线插补 1.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,使刀具向减小偏差的方向进给,其算法最大偏差不会超过一个脉冲当量。刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。 2.算
7、法分析: 偏差判别:根据刀具当前的位置确定进给方向 坐标进给:使加工点向给定轨迹趋进,即向减小误差方向移动。 偏差计算:计算新加工点与给定轨迹之间的偏差,作为下一步判别依据 终点判别:判断是否到达终点,若到达,结束插补;否则,继续以上四个步骤。 逐点比较法算法框图:,3.运算举例: 例1: 欲加工直线段终点Xe=4,Ye=2 设点(Xi,Yj)为当前所在位置, F值为Fi,j=XeYj-XiYe 若沿+X方向走一步则: Xi+1=Xi+1 Fi+1=YjXe-(Xi+1)Ye=Fi,j-Ye,若沿+Y方向走一步,则 Yj+1=Yj+1 Fi,j+1=(Yj+1)Xe-XiYe=Fi,j+Xe
8、终点判别:运动总步数n=Xe+Ye n=n-1 n=0 总步数n=4+2=6,直线插补过程,例2: 加工第一象限直线OE,如图所示,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。,表3-1 直线插补运算过程,4、其他象限的直线插补 假设有第三象限直线OE(图3-6),起点坐 标在原点O,终点坐标为E(Xe,Ye),在 第一象限有一条和它对称于原点的直线,其终点 坐标为E(Xe,Ye),按第一象限直线进行插补 时,从O点开始把沿X轴正向进给改为X轴负向进 给,沿Y轴正向改为Y轴负向进给,这时实际插补 出的就是第三象限直线,其偏差计算公式与第一 象限直线
9、的偏差计算公式相同,仅仅是进给方向 不同,输出驱动,应使X和Y轴电机反向旋转。,图3-6 第三象限直线插补,图3-7 四象限直线偏差符号和进给方向,图3-7 四象限直线偏差符号和进给方向,总结:其它象限的直线插补原则: 偏差计算公式全部和第一象限相同,但是当终点坐标有负值时要取绝对值后再参加运算。当F0时,都是走X方向,不管正负,都是向使X的绝对值增大的方向走;F0时,都是走Y方向,不管正负,都是向使Y的绝对值增大的方向走。F=0时,需判断进给方向。,其余象限习题: 习题一:加工第二象限直线,起点为坐标原点,终点坐标为(-3,6),试用逐点比较法对该段直线进行插补,并画出插补轨迹。 习题二:加
10、工第三象限直线,起点为坐标原点,终点坐标为(-7,-2),试用逐点比较法对该段直线进行插补,并画出插补轨迹。 习题三:加工第四象限直线,起点为坐标原点,终点坐标为(4,-6),试用逐点比较法对该段直线进行插补,并画出插补轨迹。,5.逐点比较法实际判断 终点(4,3),Y Y A F0 D SR1 NR1 F0 F0 F0 B O X C O X a) 顺圆弧 b) 逆圆弧 图3-9 第一象限顺、逆圆弧,2、举例说明 例1:逐点比较法第一象限逆圆插补 起点(4,1),终点(1,4),终点判别:N=|Xe-X0 | +|Ye-Y0|,圆弧插补过程,例2: 现欲加工第一象限顺圆弧AB,如图3-11所
11、示,起点A(0,4),终点B(4,0),试用逐点比较法进行插补。 判别函数计算公式: 图3-11 圆弧插补实例,解:从起点到终点,坐标增大,坐标减小,所以进给方向是、,当0时,沿方向进给,当0时,沿方向进给。,表 圆弧插补过程,3、逐点比较法圆弧插补实际算法 起点A(0,4),终点B(4,0),4、 四个象限中圆弧插补 1.处理方法及计算公式 例:如果插补计算都用坐标的绝对值,将进给方向另做处理,四个象限插补公式可以统一起来,当对第一象限顺圆插补时,将X轴正向进给改为X轴负向进给,则走出的是第二象限逆圆,若将X轴沿负向、Y轴沿正向进给,则走出的是第三象限顺圆。,如图所示,用SR1、SR2、SR
12、3、SR4分别表示第、象限的顺时针圆弧,用NR1、NR2、NR3、NR4分别表示四象限的逆时针圆弧,四个象限圆弧的进给方向如下。,圆弧过象限,即圆弧的起点和终点不在同一象限内。若坐标采用绝对值进行插补运算,应先进行过象限判断,当X0或Y0时过象限。如图3-13所示,需将圆弧AC分成两段圆弧AB 和BC,到X0时,进行处理,对应调用顺圆2和顺圆1的插补程序。 若用带符号的坐标值进行插补计算,在插补的同时,比较动点坐标和终点坐标的代数值,若两者相等,插补结束。 图3-13 跨象限圆弧,2. 终点判别问题 设置一个终点减法计数器 设置两个终点减法计数器 设置两个坐标中进给量大的为终点计数器,总结:四
13、个象限的圆弧插补做题步骤: 1 ).根据圆弧所在象限及走向判断、坐标的进给方向 2 ).推导判别函数F的计算公式 3 ).计算总的步数作为终点判别的依据 4 ).计算表 5 ).画出走步轨迹图,图和表可以互相验证。 对于跨象限圆弧,即圆弧的起点和终点不在一个象限内,可将圆弧从X0或0处分成两段分别考虑。,5、逐点比较法的合成进给速度,插补直线时,为加工直线和X轴的夹角;圆弧插补时,为圆心和动点连线的夹角。,第三节 数字积分插补法,数字积分法易于实现多坐标联动,较容易实现二次曲线、高次曲线的插补,并具有运算速度快、应用广泛等特点。 一、DDA基本原理 定积分的定义: 积分的过程可以用累加的 方式
14、来近似,取 则上式可简化为:,数字积分器简介:每隔t时间发出一个脉冲,与门打开一次,将函数寄存器中的函数值送累加器里累加一次,令累加器的容量为一个单位面积,当累加和超过累加器的容量时便发出溢出脉冲,这样累加过程所产生的溢出脉冲总数就等于所求的总面积。 图3-15 函数Y=f(t)的积分 图3-16 数字积分器结构框图,二、 数字积分法直线插补,直线OE,起点为坐标原点O,终点坐标为E(7,4)。设寄存器和累加器容量为1,将Xe7,Ye4分别分成8段,每一段分别为7/8,4/8,将其存入X和Y函数寄存器中。 第一个时钟脉冲来到时,累加器里的值分别为7/8,4/8,因不大于累加器容量,没有溢出脉冲
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