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数控系统的实时插补以及加减速控制1 前言在数控系统中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超行程或振荡,必须有专门的加、减速控制规律程序,以使机床在各种加工作业的情况下都能按照这个规律快速、准确地停留在给定的位置上,这就是所谓的加减速控制。
对于连续切削的数控机床,其进给速度不仅直接影响到加工零件的表面粗糙度和精度,而且刀具和机床的寿命以及生产效率也与进给速度密切相关。
对于不同材料的工件、加工刀具、加工方式和条件,应选择合适的进给速度。
而进给速度的控制方法则与采用的插补算法有关。
插补运算是数控系统根据输入的基本数据(如直线的起点和终点,圆弧的起点、终点和圆心,进给速度,刀具参数等),在轮廓起点和终点之间,计算出若干中间点的坐标值,通过计算,将工件轮廓描述出来。
插补的任务就是根据起点、终点、轨迹轮廓、进给速度,按数控系统的当量,对轮廓轨迹进行细化。
插补精度和插补速度是插补的两项重要指标,它直接决定了数控系统的控制精度和控制速度,所以插补是整个数控系统控制软件的核心。
由于每个中间点计算所需的时间影响系统的进给速度,而插补中间点的精度又影响到加工精度,因此,本文所采用的插补算法正是满足精度要求和实时性的关键所在。
2 系统采用的插补及加减速控制插补本系统采用的插补算法是时间分割法,或称采样插补法。
因为此法非常适合于以交流伺服电机为执行机构的半闭环位置采样控制系统,且能够满足实时性要求。
这种方法是把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔,称为单位时间间隔(或插补周期)。
每经过一个单位时间间隔就进行一次插补运算,算出在这一时间间隔内各坐标轴的进给量,边计算,边加工,直至加工到终点。
在加工某一直线段或圆弧段时,先通过控制加速度来计算速度轨迹,然后通过速度计算,将进给速度分割成单位时间间隔的插补进给量,也就是轮廓步长,又称为一次插补进给量。
根据刀具运动轨迹与各坐标轴的几何关系,就可求出各轴在一个插补周期内的插补进给量,按时间间隔以增量形式给各轴送出一个个插补增量,通过执行机构使机床完成预定轨迹的加工。
方向走一小段，依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样，实际轮廓就由一段段的折线拼接而成，虽然是折线，但是如果我们每一段走刀线段都非常小（在精度允许范围内），那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的--------这就是直线插补.圆弧插补圆弧插补（Circula : Interpolation）这是一种插补方式，在此方式中，根据两端点间的插补数字信息，计算出逼近实际圆弧的点群，控制刀具沿这些点运动，加工出圆弧曲线。
复杂曲线实时插补算法传统的CNC 只提供直线和圆弧插补，对于非直线和圆弧曲线则采用直线和圆弧分段拟合的方法进行插补。
这种方法在处理复杂曲线时会导致数据量大、精度差、进给速度不均、编程复杂等一系列问题，必然对加工质量和加工成本造成较大的影响。
许多人开始寻求一种能够对复杂的自由型曲线曲面进行直接插补的方法。
近年来，国内外的学者对此进行了大量的深入研究，由此也产生了很多新的插补方法。
如A(AKIMA）样条曲线插补、C(CUBIC）样条曲线插补、贝塞尔（Bezier）曲线插补、PH(Pythagorean-Hodograph）曲线插补、B 样条曲线插补等。
由于B 样条类曲线的诸多优点，尤其是在表示和设计自由型曲线曲面形状时显示出的强大功能，使得人们关于自由空间曲线曲面的直接插补算法的研究多集中在它身上。
刀具半径补偿刀具半径补偿（Cutter Compensation）垂直于刀具轨迹的位移，用来修正实际的刀具半径与编程的刀具半径的差异。
数控系统刀具半径补偿的含义是将刀具中心轨迹，沿着程编轨迹偏置一个距离，加工程序与刀具半径大小无关，它的功能是仅用一个程序就可以完成粗、精加工，或采用不同刀具直径加工时，可以不要重写加工程序。
通常刀具半径补偿功能仅适用于二维编程加工，数控系统中规定沿着刀具加工方向向右偏置，称为右补，采用指令G42；向左偏置，称为左补，采用指令G41。
插补原理数控车床的运动控制中，工作台（刀具）X、Y、Z轴的最小移动单位是一个脉冲当量。
第3章数控编程中的数学处理（一）目的与要求通过本章内容的学习，使学生了解数控编程前数学处理的主要内容和基本方法，掌握利用三角函数计算基点坐标，为数控编程做准备。
（二）教学内容1．三角函数法计算基点坐标2．非圆曲线节点坐标的概念3．辅助坐标点的设定与计算（三）教学要求1．掌握利用三角函数计算基点坐标的方法2．了解非圆曲线节点坐标的概念3．掌握辅助坐标点的计算（四）重点与难点重点：利用三角函数计算基点坐标难点：辅助坐标点的设定与计算（五）学习指导1、数值计算的内容对零件图形进行数学处理是编程前的一个关键性的环节。
数值计算主要包括以下内容。
（1）基点和节点的坐标计算零件的轮廓是由许多不同的几何元素组成。
如直线、圆弧、二次曲线及列表点曲线等。
各几何元素间的联结点称为基点，显然，相邻基点间只能是一个几何元素。
当零件的形状是由直线段或圆弧之外的其他曲线构成，而数控装置又不具备该曲线的插补功能时，其数值计算就比较复杂。
将组成零件轮廓曲线，按数控系统插补功能的要求，在满足允许的编程误差的条件下，用若干直线段或圆弧来逼近给定的曲线，逼近线段的交点或切点称为节点。
编写程序时，应按节点划分程序段。
逼近线段的近似区间愈大，则节点数目愈少，相应地程序段数目也会减少，但逼近线段的误差d应小于或等于编程允许误差d允，即d≤d允。
考虑到工艺系统及计算误差的影响，d允一般取零件公差的1/5～1/10。
（2）刀位点轨迹的计算刀位点是标志刀具所处不同位置的坐标点，不同类型刀具的刀位点不同。
对于具有刀具半径补偿功能的数控机床，只要在编写程序时，在程序的适当位置写入建立刀具补偿的有关指令，就可以保证在加工过程中，使刀位点按一定的规则自动偏离编程轨迹，达到正确加工的目的。
这时可直接按零件轮廓形状，计算各基点和节点坐标，并作为编程时的坐标数据。
当机床所采用的数控系统不具备刀具半径补偿功能时，编程时，需对刀具的刀位点轨迹进行数值计算，按零件轮廓的等距线编程。
第一章绪论简答题答案，没有工艺题的1 什么是数控机床答：简单地说，就是采用了数控技术（指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机床机械设备进行控制的一门技术）的机床；即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的道具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。
2 数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要作用是什么？答：（1）程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。
（2）数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。
（3）伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
（4）机床主体（主机）：包括机床的主运动、进给运动部件。
执行部件和基础部件。
3 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类？它们特点是什么？答：（1）点位控制数控机床：要求保证点与点之间的准确定位（它只能控制行程的终点坐标，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求；对于此类控制的钻孔加工机床，在刀具运动过程中，不进行切削加工）。
（2）直线控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。
（3）轮廓控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行；即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。
4 什么是开环、闭环、半闭环伺服系统数控机床？它们之间有什么区别？答：(1)开环：这类机床没有来自位置传感器的反馈信号。
数控系统将零件程序处理后，输出数字指令后给伺服系统，驱动机床运动；其结构简单、较为经济、维护方便，但是速度及精度低，适于精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。
