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1 引言

數(shù)控是數(shù)字控制(Numerical Control 縮寫為 NC)的簡稱數(shù)控系統(tǒng)是用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 其被控對象可以是各種生產(chǎn)過程

自 1952 年美國的麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床以來數(shù)控系統(tǒng)在制造業(yè)中得以廣泛地應(yīng)用半個(gè)世紀(jì)以來數(shù)控技術(shù)無論在硬件還是軟件方面發(fā)展都很迅速目前在市面上已經(jīng)看不到普通的數(shù)控(NC)裝置取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC Computer Numerical Control)裝置它采用存儲(chǔ)程序的專用計(jì)算機(jī) 由軟件實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能具有良好的柔性容易通過改變軟件來更改功能 CNC 裝置由硬件和軟件組成軟件在硬件的支撐下運(yùn)行離開軟件硬件無法工作二者缺一不可

本文從軟件和硬件的設(shè)計(jì)對一些數(shù)控算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究圖 1 所示為基于單片機(jī)數(shù)控算法的總體框圖

2 基于 PC 的數(shù)控實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分主要是鍵盤輸入顯示輸出的接口電路利用鍵盤向計(jì)算機(jī)發(fā)布命令傳送數(shù)據(jù) 控系統(tǒng)硬件總體利用數(shù)碼管顯示計(jì)算結(jié)果狀態(tài)信息

3 依據(jù) PC 的數(shù)控完結(jié)軟件構(gòu)造

數(shù)控體系軟件為實(shí)時(shí)多使命體系體系中的各使命在數(shù)控實(shí)時(shí)操作體系控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行體系中的各模塊功用如圖 2 所示

1 數(shù)控實(shí)時(shí)操作體系它是數(shù)控完結(jié)軟件中的中心體系它對體系中的資本進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)各模塊的高效運(yùn)轉(zhuǎn) 并輔佐完結(jié)各使命間的通訊和信息交流

2 信息預(yù)處理該模塊完結(jié)輸入信息譯碼完結(jié)軌道插補(bǔ)前的坐標(biāo)變換和刀補(bǔ)運(yùn)算

3 軌道插補(bǔ) 它是數(shù)控體系的中心模塊其使命是依據(jù)信息預(yù)處理給出的期望軌道和從檢測設(shè)備取得的實(shí)踐軌道信息實(shí)時(shí)生成各坐標(biāo)軸的移動(dòng)指令使刀具依據(jù)程序軌道運(yùn)動(dòng)

4 加工仿真模塊該模塊以動(dòng)畫方法對數(shù)控加工進(jìn)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真從而可在加工前查驗(yàn)參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性

4 數(shù)控插補(bǔ)技術(shù)

直線是構(gòu)成被加工零件輪廓的基本線型插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求計(jì)算出每一段零件輪廓起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的插入中間點(diǎn)的坐標(biāo)值

4.1Ⅰ象限直線插補(bǔ)原理偏差計(jì)算公式

在圖 3 中 OE 為要加工的直線輪廓而動(dòng)點(diǎn) N(Xi,Yi)對應(yīng)切削刀具的位置當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€下方區(qū)域時(shí)(F<0) 當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€上方區(qū)域時(shí)(F>0) 為了更靠攏直線輪廓則要求刀具向(+X)方向進(jìn)給一步當(dāng)?shù)毒哒锰幱谥本€上時(shí)(F=0)根據(jù)上述原則從 O(0 0)開始走一步算一算判別 F 符號(hào) 再趨向直線進(jìn)給步步前進(jìn) 直至終點(diǎn) E 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的軌跡如圖 3 中折線所示當(dāng)每次進(jìn)給的臺(tái)階(即脈沖當(dāng)量)很小時(shí) 就可將這條折線近似當(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)為了簡化運(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 i 次插補(bǔ)后動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo) N(Xi,Yi) 偏差函數(shù)為

軟件實(shí)現(xiàn)

逐點(diǎn)比較法軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)際上就是利用軟件來模擬硬件插補(bǔ)的整個(gè)過程顯然它具有極大的靈活性但插補(bǔ)的精度和速度受到控制系統(tǒng)中所用計(jì)算機(jī)的字長和運(yùn)算速度等方面的限制

根據(jù)前面總結(jié)出的四個(gè)節(jié)拍可設(shè)計(jì)出逐點(diǎn)比較法第一象限直線插補(bǔ)的軟件流程圖如圖 4 所示

不同象限的直線插補(bǔ)

實(shí)際上任何機(jī)床都必須具備處理不同象限不同走向輪廓曲線的能力而這時(shí)其插補(bǔ)計(jì)算公式和脈沖進(jìn)給方向都是不同的但為了處理和實(shí)現(xiàn)的方便起見盡量尋找其間共同規(guī)律以利于優(yōu)化程序設(shè)計(jì) 提高插補(bǔ)質(zhì)量

現(xiàn)將第Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ象限內(nèi)直線分別記為 L1 L2 L3 L4現(xiàn)不妨假設(shè)有Ⅱ象限直線如圖 5 所示起點(diǎn)在原點(diǎn) O(0 0) 終點(diǎn)為 A(-Xe +Ye) 則仿照前面方法很易推得對應(yīng)的插補(bǔ)算法及進(jìn)給方向如下

當(dāng) Fi 0 時(shí) 進(jìn)給(-X)方向 Fi+1=Fi-Ye

當(dāng) Fi< 0 時(shí) 進(jìn)給(+Y)方向 Fi+1=Fi+Xe

與前面進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn) 當(dāng)被插補(bǔ)直線處于不同象限時(shí) 其計(jì)算公式及處理過程完全一樣僅僅是進(jìn)給方向不同而已進(jìn)一步可總結(jié)出 L1 L2 L3 L4 的進(jìn)給方向如圖 6 和表 1 所示

由此設(shè)計(jì)出四個(gè)象限內(nèi)直線插補(bǔ)的通用軟件流程圖如圖 7 所示

如果直接利用圖 7 來插補(bǔ)四個(gè)坐標(biāo)軸直線時(shí) 將會(huì)造成較大的插補(bǔ)誤差顯然不太理想為此可對這四種特殊情況進(jìn)行專門處理即當(dāng)判出是插補(bǔ)四個(gè)坐標(biāo)軸直線時(shí) 可將(+X)軸直線插補(bǔ)歸入(+△X)進(jìn)給方向類將(-X)軸直線插補(bǔ)歸入(-△X)進(jìn)給方向類將(+Y)軸直線插補(bǔ)歸入(+△ Y)進(jìn)給方向類將(-Y)軸直線插補(bǔ)歸入(-△Y)進(jìn)給方向類這樣可將其插補(bǔ)誤差減小到零

5.結(jié)語

實(shí)現(xiàn)高速高精度加工一直是數(shù)控技術(shù)研究的重點(diǎn) 但目前多數(shù) CNC 系統(tǒng)在軌跡控制上依然只有直線等功能并不具備曲線尤其是任意曲線的加工功能即具備這項(xiàng)功能其數(shù)控系統(tǒng)的成本也相當(dāng)大

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