第4章計算機數(shù)控系統(tǒng)4.1CNC系統(tǒng)的概述

4.2CNC系統(tǒng)的硬件功能

4.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4.4數(shù)控系統(tǒng)的插補原理

思考與練習(xí)題

4.1CNC系統(tǒng)的概述

4.1.1CNC系統(tǒng)的組成及其工作原理

1．CNC系統(tǒng)計算機數(shù)控（ComputerizedNumericalControl，CNC）系統(tǒng)是使用計算機控制加工功能實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分和全部數(shù)值控制功能，配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置。

CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）、可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController,PLC）、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成，

如圖4-1所示。

圖

4-1CNC系統(tǒng)的組成

CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計算機，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，

使用、

維護也方便，

并且有與上位機連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的功能。

2．CNC裝置的組成及其工作過程

CNC裝置由硬件和軟件組成，軟件在硬件的支持下工作，二者缺一不可。

CNC裝置的硬件除具有一般計算機所具有的微處理器（CPU）、存儲器（ROM，RAM）、輸入／輸出（I/O）接口外，還具有數(shù)控要求的專用接口和部件，即位置控制器、紙帶閱讀機接口、手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）接口和顯示（CRT）接口。CNC裝置硬件的組成如圖4-2所示。

圖

4-2CNC裝置硬件的組成框圖

CNC裝置的軟件是為了實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各功能而編制的專用軟件，稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，CNC裝置對輸入的加工程序自動進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成，

如圖4-3所示。

圖

4-3CNC裝置軟件的組成

CNC裝置的工作是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的全過程。軟件和硬件各有不同的特點，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度慢；硬件處理速度快，成本卻較高。因此在CNC裝置中，數(shù)控功能的實現(xiàn)方法大致分為三種情況：第一種情況是由軟件完成輸入、插補前的準(zhǔn)備，硬件完成插補和位置控制；第二種情況是由軟件完成輸入、插補前的準(zhǔn)備、插補，硬件完成位置的控制；第三種情況是由軟件完成輸入、插補前的準(zhǔn)備、插補及位置控制的全部工作。CNC裝置的工作流程及軟/硬件界面關(guān)系如圖4-4所示。

圖

4-4CNC裝置的工作流程及軟/硬件界面

4.1.2CNC系統(tǒng)的特點CNC系統(tǒng)具有以下特點：(1)靈活性大、

通用性強。(2)可以實現(xiàn)豐富、復(fù)雜的功能。(3)易于實現(xiàn)機電一體化。(4)可靠性高、使用維修方便。

4.1.3CNC系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能

1．基本功能

(1）控制功能?？刂乒δ苤饕从矯NC裝置能夠控制和能同時（聯(lián)動）控制的軸數(shù)。控制軸有移動軸和回轉(zhuǎn)軸，基本軸和附加軸。如數(shù)控車床至少需要兩軸聯(lián)動（X、Z），數(shù)控銑床、加工中心等需要具有三根或三根以上的控制軸?？刂戚S數(shù)越多，特別是聯(lián)動軸數(shù)越多，CNC裝置就越復(fù)雜，

編程也越困難。

(2）準(zhǔn)備功能。準(zhǔn)備功能（G功能）是指機床動作方式的功能。主要有基本移動、程序暫停、坐標(biāo)平面選擇、

坐標(biāo)設(shè)定、刀具補償、

基準(zhǔn)點返回、

公英制轉(zhuǎn)換、

絕對值與相對值轉(zhuǎn)換等指令。

(3）插補功能。插補功能是指CNC裝置可以實現(xiàn)各種曲線軌跡插補運算的功能，如直線插補、圓弧插補和其他二次曲線與多坐標(biāo)插補。插補運算要求實時性很強，即計算速度要同時滿足機床坐標(biāo)軸對進(jìn)給速度和分辨率的要求。它可用硬件或軟件兩種方式來實現(xiàn)，當(dāng)然用硬件方式插補速度快，如日本FANUC公司就采用DDA硬件插補專用集成芯片。但目前由于微處理機的位數(shù)和頻率的提高，大部分系統(tǒng)還是采用了軟件插補方式，并把插補功能劃分為粗、精插補兩步，以滿足其實時性要求。軟件每次插補一個小線段稱為粗插補。根據(jù)粗插補結(jié)果，將小線段分成單個脈沖輸出，稱為精插補。

(4）進(jìn)給功能。它反映了刀具進(jìn)給速度，一般用F代碼直接指定各軸的進(jìn)給速度。主要進(jìn)給功能有以下幾點：①切削進(jìn)給速度（每分鐘進(jìn)給量mm/min）。以每分鐘進(jìn)給距離的形式指定刀具切削進(jìn)給速度，用F字母和它后續(xù)的數(shù)值表示。ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定F1～F2位，對于直線軸,如[JP2]F15000表示每分鐘進(jìn)給速度是15000mm;對于回轉(zhuǎn)軸如F12表示每分鐘進(jìn)給速度為12°。

②同步進(jìn)給速度（每分鐘進(jìn)給量mm/r）。同步進(jìn)給速度即主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量規(guī)定的進(jìn)給速度,實現(xiàn)切削速度和進(jìn)給速度的同步,如0.01mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的機床才具有指令同步進(jìn)給速度，如螺紋加工。③快速進(jìn)給速度。數(shù)字控制器規(guī)定了快速進(jìn)給速度，它通過參數(shù)設(shè)定，用GOO指令來實現(xiàn)，

還可通過操作面板上的快速倍率開關(guān)分擋，

如快Ⅰ、

快Ⅱ等。

④進(jìn)給倍率。操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，可實時進(jìn)行人工修調(diào)。倍率一般在10%～200%之間變化。使用倍率開關(guān)可以不修改程序中的F代碼，就可以改變機床的進(jìn)給速度，對每分鐘進(jìn)給量和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量都有效。

(5）主軸功能。它是指主軸轉(zhuǎn)速功能，用字母S和它后續(xù)的2～4位數(shù)字表示。有恒轉(zhuǎn)速（r/min）和表面恒線速（m/min）兩種運轉(zhuǎn)方式。機床操作面板上設(shè)有主軸倍率開關(guān)，用它可以改變主軸轉(zhuǎn)速。

(6）刀具功能。它包括選擇的刀具數(shù)量和種類、刀具的編碼方式、自動換刀的方式。

用字母T和后續(xù)2～4位數(shù)表示。

(7）輔助功能。它也稱為M功能，用字母M和它后續(xù)的2位數(shù)字表示，可有100種。ISO標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一定義了這部分M功能，用來規(guī)定主軸的啟停和轉(zhuǎn)向、切削液的開關(guān)、刀庫的啟停、刀具的更換、工件的夾緊與松開等。

(8）字符顯示功能。CNC裝置可通過CRT顯示器實現(xiàn)字符顯示，如顯示程序、參數(shù)、各種補償量、坐標(biāo)位置和故障信息等。

(9）自診斷功能。CNC裝置有各種診斷程序，可以診斷故障。在故障出現(xiàn)后便能迅速查明故障的類型和部位，

便于及時排除故障，

減少故障停機時間。

2．選擇功能

(1）補償功能。

CNC裝置備有多種補償功能，可以對加工過程中由于刀具磨損或更換，以及機械傳動的絲杠螺距誤差和反向間隙所引起的加工誤差予以補償。CNC裝置的存儲器中存放著刀具長度和半徑的相應(yīng)補償量，加工是按補償量計算刀具的運動軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的零件。

(2）固定循環(huán)功能。該功能是指CNC裝置為常見的加工工藝所編制的、可多次循環(huán)加工的功能。在固定循環(huán)使用前，要有用戶選擇合適的切削用量和重復(fù)次數(shù)等參數(shù)，然后按固定循環(huán)約定的功能進(jìn)行加工。用戶若需編制適用自己的固定循環(huán)程序，可借助用戶宏程序功能來實現(xiàn)。

(3）圖形顯示功能。該功能一般需要高分辨率的CRT顯示器。某些CNC裝置可配置14英寸的彩色CRT顯示器，能顯示人機對話編程菜單、

零件圖形、

動態(tài)模擬刀具軌跡等。

(4）通信功能。該功能是CNC裝置與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。通常CNC裝置都有RS－232C接口，可與上級計算機進(jìn)行通信，傳送零件加工程序。有的還備有DNC接口，以利于實現(xiàn)直接數(shù)控。更高檔的CNC裝置還能與制造自動化協(xié)議MAP相連，進(jìn)入工廠通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)FMS、CIMS的要求。

(5）人機對話編程功能。該功能不但有助于編制復(fù)雜零件的程序，而且可以方便編程。如藍(lán)圖編程只要輸入圖樣上表示幾何尺寸的簡單命令，就能自動生成加工程序。對話式編程可根據(jù)引導(dǎo)圖和說明進(jìn)行示教編程，并具有工序、刀具、切削條件等自動選擇的智能功能。

4.2CNC系統(tǒng)的硬件功能

4.2.1CNC系統(tǒng)單微處理器結(jié)構(gòu)

所謂單微處理器結(jié)構(gòu)，即采用一個微處理器來集中控制，分時處理數(shù)控的各個任務(wù)。而某些CNC裝置雖然采用了兩個以上的微處理器，但能夠控制系統(tǒng)總線的只是其中的一個微處理器，它占有總線資源；其他微處理器作為專用的智能部件，它們不能控制系統(tǒng)總線，也不能訪問存儲器。這是一種主從結(jié)構(gòu)，故被納入單微處理器結(jié)構(gòu)中。如圖4-5所示，單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置包括了微型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如微處理器和存儲器、總線、接口等。其中,接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口,還包括數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如單位控制單元、可編程序控制器（PLC）、主軸控制單元、穿孔機和紙帶閱讀機接口以及其他選件接口等。

圖

4-5單微處理器CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)

1．微處理器和總線微處理器主要完成運算和控制兩方面的任務(wù)。運算任務(wù)是完成一系列的數(shù)據(jù)處理工作：譯碼、刀補計算、軌跡計算、插補計算和位置控制的給定值與反饋值的比較運算等?？刂迫蝿?wù)主要包括：內(nèi)部控制、零件加工程序輸入和輸出的控制，對機床加工現(xiàn)場狀態(tài)信息的記憶控制。內(nèi)部控制功能用于CNC裝置內(nèi)各功能部件的動作以及各部件間的協(xié)調(diào)。輸入、輸出控制用于保持對外聯(lián)系和機床的控制狀態(tài)信息的輸入和輸出。

CNC裝置中常用的微處理器有8位、16位和32位CPU，如Intel公司的8085、8086、80186、80286、80386、80486，Motorola公司的6800、6810、6820、6830，Zilog公司的Z80、Z800、Z80000等。選用CPU時，要根據(jù)實時控制、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度幾方面來考慮?，F(xiàn)在CNC裝置多以16位、32位乃至64位CPU為主。總線是CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三條總線。為適應(yīng)傳輸信息的高速度和多任務(wù)性，

總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。

2．存儲器

CNC裝置中的存儲器包括只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩類。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲器EPROM中，由CNC裝置生產(chǎn)廠家固化，即使斷電，系統(tǒng)程序也不會丟失。該程序只能被CPU讀出，不能寫入,必要時經(jīng)刪除后再重寫。加工的零件程序、機床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在有后備電池的CMOSRAM中，或者存放在磁泡存儲器中，這些信息在這種存儲器中能被隨機讀出，還可根據(jù)操作需要寫入或修改，斷電后信息仍保留。運算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息等存放在隨機存儲器RAM中，

它可以隨時讀出和寫入，

斷電后信息就消失。

3．位置控制元件

CNC裝置中的位置控制單元又稱位置控制環(huán)（位置控制器、位置控制模塊）。位置控制主要是對數(shù)控機床的進(jìn)給運動的坐標(biāo)進(jìn)行控制。例如機床工作臺前、后、左、右移動，主軸箱的上、下移動，圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運動等。軸控制是數(shù)控機床上要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運動和位置精度的控制有嚴(yán)格的要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各移動軸有很好地動態(tài)配合。對主軸的控制要求在很寬的范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào)，并在每一個速度下均能提供足夠的切削所需的功率和轉(zhuǎn)矩。在某些高性能的CNC機床上還要求主軸可任意控制（即C軸位置控制）。

1）位置控制芯片位置控制芯片MB8739的結(jié)構(gòu)如圖4－6所示，它是FANUC公司專門設(shè)計的，包括位置測量與反饋的全部線路，集成度非常高。CPU輸出的位置指令，經(jīng)過芯片MB8739處理后,送往D/A變換，再經(jīng)過速度控制單元以控制電機運動。電動機的軸上裝有光電脈沖發(fā)生器，隨著電動機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生系列脈沖。該脈沖經(jīng)接收器后反饋到MB8739，然后將其分為兩路，一路作為位置量的反饋，一路經(jīng)頻率/電壓（F/V）變換，作為速度量的反饋信號送往速度控制單元。

圖4-6位置控制芯片的結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：

(1)DDA插補器。該插補器是用作粗、精兩級插補結(jié)構(gòu)的第二級插補——精（細(xì)插補），它的輸入是來自第一級軟件插補一個插補周期的信息。

(2)CMR和DMR。CMR是指令值倍乘比，其作用是將指令值乘以一個比例系數(shù)。因為編程的指令單位與機床實際移動單位可能不一致，所以需要用CMR和DMR調(diào)整，以便進(jìn)行比較。DMR是實際值的倍乘比，其目的是與滾珠絲杠的螺距相匹配，使實際位移值的脈沖當(dāng)量乘DMR后等于乘CMR后的指令值當(dāng)量。

DMR的值由軟件根據(jù)實際的機床參數(shù)設(shè)定。

(3)誤差寄存器。進(jìn)行指令位置與實際位置的比較，并寄存比較后的誤差（實際上是多位可逆計數(shù)器）。指令值來自DDA插補器，反饋值來自鑒相器。

(4)位置增益控制。為了調(diào)整整個位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)增益Kv，對上述誤差乘以一定的比例系數(shù)。Kv是由軟件根據(jù)實際系統(tǒng)的要求設(shè)定的。

(5)漂移補償控制。伺服系統(tǒng)中經(jīng)常受到漂移的干擾，即在無位置指令輸出時，坐標(biāo)軸可能出現(xiàn)移動，從而影響機床的精度。漂移補償控制的作用是當(dāng)漂移到某一程度時（可用軟件參數(shù)設(shè)定），自動予以補償。

(6)誤差的脈寬調(diào)制PWM。誤差被調(diào)制成某一固定頻率，且寬度與誤差值成正比的矩形脈沖波，經(jīng)PWM調(diào)制后，輸出粗誤差指令，即CCMD1和CCMD2以及精度誤差指令VCMD。

(7)鑒相器。該線路用來處理脈沖編碼器的反饋信號，從接收器輸出的兩組相位差為90°的脈沖信號，經(jīng)該線路變?yōu)槟鼙硎具\動方向的一系列脈沖。該線路包括辨向與倍頻線路。

(8)參考計數(shù)器。當(dāng)機床坐標(biāo)回到參考點時，由參考計數(shù)器產(chǎn)生零點信號。

(9)地址譯碼。芯片內(nèi)部各數(shù)據(jù)和控制寄存器都由地址選擇，故設(shè)置此地址譯碼器。FANUC公司使用的位置控制芯片還有MB8720、

MB87103等。

2）位置控制模板采用位置控制模板的CNC裝置結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實現(xiàn)。其中，軟件負(fù)責(zé)跟隨誤差和進(jìn)給速度指令數(shù)值的計算。硬件由位置控制輸出模板和位置測量模板組成，用于接收進(jìn)給指令，進(jìn)行D/A變換，為速度單元提供指令電壓；同時位置反饋信號被處理，去“跟隨誤差計數(shù)器”與指令進(jìn)行比較。

圖

4-7位置控制模板框圖

4．可編程序控制器（PLC）

現(xiàn)代數(shù)控機床使用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器邏輯，利用PLC的邏輯運算功能實現(xiàn)各種開關(guān)量控制。PLC已成為CNC裝置的一個部件。數(shù)控機床上用的PLC可分為兩類：一是內(nèi)裝型PLC，這類PLC是專為實現(xiàn)數(shù)控機床順序控制而設(shè)計制造的，從屬于CNC系統(tǒng)，PLC與CNC間的信息傳送在CNC系統(tǒng)內(nèi)部即可實現(xiàn)；二是獨立性PLC，這類PLC接口技術(shù)規(guī)范，輸入／輸出點數(shù)、程序存儲容量以及運算控制功能均滿足數(shù)控機床的要求。數(shù)控機床中的PLC多采用內(nèi)裝型，如圖4-8所示，PLC與機床間通過CNC輸入／輸出接口電路實現(xiàn)信號傳送。

圖

4-8有內(nèi)裝型PLC的CNC機床系統(tǒng)

1）內(nèi)裝型PLC內(nèi)裝型PLC實際上是CNC裝置帶有的PLC功能，一般作為一種基本的或可選的功能提供給用戶。它具有以下特性：

(1)內(nèi)裝型PLC的輸入／輸出點數(shù)、程序最大步數(shù)、每步執(zhí)行時間、程序掃描時間、功能指令數(shù)目等性能指標(biāo)是根據(jù)從屬的CNC系統(tǒng)及使用機床的類型等確定的。其軟／硬件也是被作為CNC裝置的一部分與CNC裝置一起設(shè)計、制造的。因此，整體結(jié)構(gòu)緊湊，針對性強，技術(shù)指標(biāo)合理、實用。

(2)在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC可與CNC共用CPU，也可以單獨使用一個CPU。硬件電路可與CNC其他電路制作在一塊印制電路板上，也可以單獨制成一塊附加板。內(nèi)裝型PLC一般使用CNC裝置本身的輸入／輸出電路。PLC控制電路及輸入／輸出電路（一般為輸入電路）所用電源由CNC裝置提供，不設(shè)另外電源。

(3)采用內(nèi)裝型PLC的CNC裝置具有某些高級控制功能，如梯形圖編輯和傳送功能；在CNC內(nèi)不可以直接處理大量的數(shù)據(jù)信息。

2）獨立型PLC獨立型PLC又稱為通用型PLC。它不屬于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，可以自己獨立使用。它具有如下特點：

(1)具有完整的功能結(jié)構(gòu)、CPU及其控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入／輸出接口電路、與程編機等外設(shè)通信的接口和電源等。

(2)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各功能模塊做成獨立的模塊或印刷電路插板，具有易擴展、安裝方便等優(yōu)點。例如，可采用通信模塊與外部輸入／輸出設(shè)備、編程設(shè)備、上位機等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；可采用D/A模塊對外部伺服裝置直接進(jìn)行控制；可采用計數(shù)模塊對加工工件數(shù)量、刀具使用次數(shù)、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)分度數(shù)進(jìn)行控制；可采用定位模塊直接對刀庫、轉(zhuǎn)臺、直線運動軸等機械運動部件或裝置進(jìn)行控制。

(3)獨立型PLC的輸入／輸出點數(shù)可以通過I/O模塊的增減來增加或減少。獨立型PLC可以用于大范圍的工業(yè)順序控制、

集中控制和網(wǎng)絡(luò)控制。

4.2.2多微處理器結(jié)構(gòu)

1．CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)

(1）主從結(jié)構(gòu)。在裝置中只有一個CPU（稱為主CPU）對整個裝置的資源（即存儲器、總線）有控制權(quán)和使用權(quán)，而其他帶有CPU的功能部件（統(tǒng)稱為智能部件）只能接受主CPU的控制命令和數(shù)據(jù)，或向主CPU發(fā)出請求信息以獲得所需的數(shù)據(jù)。從硬件的體系結(jié)構(gòu)來看，單微處理器結(jié)構(gòu)與主從結(jié)構(gòu)極其相似，因為主從結(jié)構(gòu)的從模塊與單微處理器結(jié)構(gòu)中相應(yīng)模塊在功能上是等價的。現(xiàn)在單微處理器結(jié)構(gòu)已被這種主從結(jié)構(gòu)所取代。

(2）多主結(jié)構(gòu)。有兩個或兩個以上帶CPU的功能部件對裝置資源有控制權(quán)和使用權(quán)。功能部件之間采用緊耦合，即均掛靠在裝置總線上，集中在一個機箱內(nèi)，有集中的操縱系統(tǒng)，通過總線仲裁器（軟件和硬件）來解決爭用總線問題，通過公共存儲器來交換裝置內(nèi)的信息。

(3）分布式結(jié)構(gòu)。該裝置有兩個或兩個以上帶有CPU的功能模塊，每個功能模塊有自己獨立的運行環(huán)境（總線、存儲器、操作系統(tǒng)等）。功能模塊間采用松耦合，即在空間上可以較為分散，各模塊之間采用通信方式交換信息。

2．多微處理器CNC裝置的典型結(jié)構(gòu)

多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置大多采用模塊化結(jié)構(gòu)，固化在硬件中。軟硬件模塊形成一個具有特定功能的單元，稱為功能模塊。功能模塊之間有明確的固定接口，按工廠或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造，于是可以組成積木式的CNC裝置。如果某一個模塊出了故障，其他模塊仍能照常工作，可靠性高。CNC裝置可根據(jù)需要，增加相應(yīng)的功能模塊。一般有以下幾種功能模塊組成：

(1）CNC管理模塊。該模塊執(zhí)行管理和組織整個CNC系統(tǒng)工作過程的職能，例如系統(tǒng)的初始化、中斷管理、總線裁決、

系統(tǒng)出錯的識別和處理、系統(tǒng)軟/硬件故障診斷等。

(2）CNC插補模塊。該模塊對零件加工程序進(jìn)行譯碼、刀具補償、坐標(biāo)位移量計算等插補前的預(yù)處理工作，然后按規(guī)定的插補類型的軌跡坐標(biāo)，通過插補計算為各個坐標(biāo)軸提供位置給定值。

(3）位置控制模塊。該模塊將插補后的坐標(biāo)位置指令值與位置檢測單元反饋回來的位置實際值進(jìn)行比較，并進(jìn)行自動加減速、回基準(zhǔn)點、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和漂移補償，最后得到速度控制的模擬電壓，

去驅(qū)動進(jìn)給伺服電機。

(4）PLC模塊。該模塊對零件加工中的開關(guān)功能和機床送來的信號進(jìn)行邏輯處理，實現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖。例如，機床電器設(shè)備的啟停、刀具交換、回轉(zhuǎn)臺分度、工件數(shù)量和運轉(zhuǎn)時間的計數(shù)等。

(5）數(shù)據(jù)輸入／輸出和顯示模塊。這里包括零件加工程序、參數(shù)和數(shù)據(jù),各種操作命令的輸入（如通過紙帶閱讀機、鍵盤或上級計算機等）和輸出（如通過穿孔機、打印機）,顯示（如通過CRT、液晶顯示器等）所需要的各種接口電路。

(6）存儲器模塊。它是存放程序和數(shù)據(jù)的主存儲器，也可以是功能模塊間傳遞數(shù)據(jù)用的共享存儲器。每個CPU控制模塊中還有局部存儲器。多微處理器的CNC裝置一般采用總線互聯(lián)方式，典型的結(jié)構(gòu)有共享總線型、共享存儲器型及它們的混合型結(jié)構(gòu)等。共享總線的CNC裝置的部分結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，這是一種具有多微處理器共享總線的結(jié)構(gòu)。按照功能，將系統(tǒng)劃分為若干功能模塊。帶CPU的稱為主模塊，不帶CPU的稱為從模塊。根據(jù)不同的配置可以選用7（或9、11、13）個功能模塊插件板，所有主從模塊都插在配有總線（FANUCbus）插座的機柜內(nèi)，通過共享總線把各模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種數(shù)據(jù)和信息，組成一個完整的多任務(wù)實時系統(tǒng)，實現(xiàn)CNC裝置預(yù)定的功能。

圖4-9共享總線的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

FANUC15系統(tǒng)CNC裝置的主CPU（基本CPU，與插補模塊做在一起）為68020（32位微處理器）。在可編程序控制器、插補、軸控制（進(jìn)給坐標(biāo)）、圖形控制、通信及自動編程模塊中都有各自的CPU，可構(gòu)成最小至最大系統(tǒng)，可控制2～15根軸。系統(tǒng)總線采用了32位高速多主總線結(jié)構(gòu)，信息傳送速度很快。FANUC15系統(tǒng)CNC裝置帶有內(nèi)裝PLC，CNC與PLC之間有很大的窗口。在系統(tǒng)中只有主模塊有權(quán)控制和使用系統(tǒng)總線。由于某一時刻只能有一個主模塊占有總線，設(shè)有總線仲裁器來解決多個主模塊同時請求使用總線造成的矛盾，每個主模塊按其擔(dān)負(fù)的任務(wù)的重要程度，已預(yù)先排好優(yōu)先級別順序?？偩€仲裁的目的是在它們爭用總線時，判別出各模塊的優(yōu)先權(quán)高低。

總線仲裁有串行和并行兩種方式。串行仲裁方式的優(yōu)先權(quán)的排列是按鏈接位置確定的。某個主模塊只有在前面優(yōu)先權(quán)更高的主模塊不占用總線時，才可以使用總線，同時通知它后面的優(yōu)先權(quán)較低的主模塊不得使用總線。并行仲裁方式要配備專用邏輯電路來解決主模塊的優(yōu)先權(quán)問題，通常采用優(yōu)先權(quán)編碼方案。這種結(jié)構(gòu)模塊之間的通信，大部分采用公共存儲器方式，公共存儲器直接插在總線上，有總線使用權(quán)的主模塊都能訪問。支持共享總線結(jié)構(gòu)的總線有STDbus（支持8位和16位字長），Multibus（Ⅰ型支持16位字長，Ⅱ型支持32位字長），S100bus（可支持16位字長），VERSAbus（可支持32位字長）以及VMEbus（可支持32位字長）等。共享總線結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點是系統(tǒng)配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，造價低。不足之處是會引起“競爭”，使信息傳輸率降低，而且總線一旦出現(xiàn)故障，會影響全局。圖4-10為共享存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖。其功能模塊之間通過公用存儲器連接耦合在一起，

共三個CPU。

圖

4-10共享存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

CPU1為中央處理器,其任務(wù)是數(shù)控程序的編輯、譯碼、刀具和機床參數(shù)的輸入。此外，做為主處理器，它還控制CPU2和CPU3，并與之交換信息。CNC的控制程序（系統(tǒng)程序）有56K，存放在EPROM中，26K的RAM存放零件程序和預(yù)處理信息及工作狀態(tài)、標(biāo)志。為與CPU2和CPU3交換信息，它們各有512字節(jié)的公用存儲器，CPU1可以與公用存儲器交換信息。

CPU2為CRT顯示處理器，其任務(wù)是根據(jù)CPU1的指令和顯示數(shù)據(jù)，在顯示緩沖區(qū)中組成一幅畫面數(shù)據(jù)，通過CRT控制器、字符發(fā)生器和位移寄存器，將顯示數(shù)據(jù)串行送到視頻電路進(jìn)行顯示。此外，它還定時掃描鍵盤和倍率開關(guān)狀態(tài)，并送CPU1進(jìn)行處理。CPU2有16KEPROM用于存放顯示控制程序，還有2KRAM存儲器，其中512字節(jié)是與CPU1共用的公用存儲器，另外的512字節(jié)是對應(yīng)顯示屏幕的頁面緩沖區(qū)，其余1K字節(jié)用于數(shù)據(jù)、狀態(tài)及開關(guān)編碼等信息的存儲。

CPU3為插補處理器，它完成的工作是插補運算、位置控制、機床輸入／輸出接口和RS－232C接口控制。插補控制程序存儲在16KEPROM存儲器中，CPU3根據(jù)CPU1的命令及與處理結(jié)果進(jìn)行直線和圓弧插補。它定時回收各軸的實際位置，并根據(jù)插補運算結(jié)果計算各軸的跟隨誤差，以得到速度指令值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓到各伺服單元。另外CPU3通過它的512字節(jié)公用存儲器向CPU1提供機床操作面板開關(guān)的狀態(tài)及所需顯示的位置信息等。CPU3對RS－232C接口定時接收外設(shè)送來的數(shù)據(jù)，并通過公用存儲器轉(zhuǎn)到CPU1的零件存儲器中；或從公用存儲器將

CPU1送來的數(shù)據(jù)，

經(jīng)RS－232C接口送到外設(shè)。

MTC1數(shù)控裝置中的公用存儲器通過CPU1分別向CPU2或CPU3發(fā)送總線請求保持信號HOLD才被占用的。此時CPU2或CPU3處于保持狀態(tài)，CPU1與公用存儲器進(jìn)行交換。交換信息結(jié)束，CPU1撤銷HOLD信號，CPU1釋放公用存儲器，CPU2和CPU3恢復(fù)對公用存儲器的控制權(quán)。三個CPU都分別設(shè)有若干級中斷，CPU1通過中斷實現(xiàn)對CPU2和CPU3的控制。多微處理器CNC裝置采用共享總線，又共享存儲器的結(jié)構(gòu)形式能較好地完成并行多任務(wù)實時處理的數(shù)控功能。FANUC11CNC裝置就是這種硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-11所示。圖

4-11共享總線和存儲器的CNC裝置結(jié)構(gòu)框圖

功能模塊包括如下部分：

(1)主處理單元。完成基本的數(shù)控任務(wù)及系統(tǒng)管理，主CPU為68000，16位微處理器。

(2)圖形顯示單元。完成數(shù)控加工的圖形顯示（CPU為8086）和在線的人機對話自動編程（CPU為8086＋8087）。

(3)總線仲裁控制器（BAC）。BAC的功能是對請求總線使用權(quán)的CPU進(jìn)行裁決，按優(yōu)先級分配總線使用權(quán)以及產(chǎn)生信號，使沒有得到總線控制權(quán)的CPU處于等待狀態(tài)。此外，BAC還具有位操作、

并行DMA（直接存儲器存?。┛刂坪痛蠨MA控制等特殊功能。

(4)接口SSU。它是CNC裝置與機床和機器人等設(shè)備的接口，使系統(tǒng)支持單元。功能部件有：位置控制芯片（MB87103），其輸出接坐標(biāo)軸的進(jìn)給驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置，位置控制芯片的輸入為插補來的速度指令和位置測量元件的反饋信號；用于傳送高速信號的高速I/O口；2ms的插補定時器。

(5)輸入／輸出控制器IOC。它接收和傳送可編程控制器PMC與機床開關(guān)控制的按鈕、限位開關(guān)、繼電器等之間的信號。

PMC的CPU為68000。

(6)操作板控制器OPC。它用于和各種操作外設(shè)相連。主要包括：鍵盤信號的接收和驅(qū)動；CRT的控制接口；手搖脈沖發(fā)生器接口；用于和紙帶閱讀機、穿孔機等外設(shè)相連的RS－232C接口和20mA電流回路接口；操作開關(guān)和顯示器接口。

(7)存儲器。該系統(tǒng)有多種存儲器，除主存儲器外，各CPU都有各自的存儲器。大容量磁泡存儲器可達(dá)4MB，可存儲4km紙帶的零件程序。PMC的ROM為128KB。順序邏輯程序可達(dá)16000步。系統(tǒng)控制程序ROM容量為256KB。多CPU共享存儲器的CNC裝置還采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理器之間的互聯(lián)和通信，由多端口控制邏輯電路解決訪問沖突。

3．多微處理器CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點多微處理器CNC裝置結(jié)構(gòu)的特點如下：(1）

計算處理速度高。

(2）

適應(yīng)性和擴展性好。

(3）

可靠性高。

(4）

硬件易于組織規(guī)模生產(chǎn)。

4.2.3開放式CNC系統(tǒng)

開放式數(shù)控系統(tǒng)有如下兩種模式：

(1)以CP作為傳統(tǒng)CNC的前端接口。在CNC上插入一塊專門開發(fā)的個人計算機模板，原有的CNC進(jìn)行實時控制，而由PC進(jìn)行非實時性控制，這種模式的柔性有限，而且NC（數(shù)控）的內(nèi)核也不開放。

(2)將整個CNC單元（或運動控制模板）包括集成的PLC插入到個人計算機的標(biāo)準(zhǔn)槽中。CNC單元（或運動控制模板）作實時控制,個人計算機作實時處理。這種模式正變?yōu)殚_放式數(shù)控系統(tǒng)的主流。如美國DeltaTataSystem公司的PMAC－NC、OrmesSystem和Orion；德國Sinumerik840D、PA公司的PA8000和Indramat公司的MTC200都屬于這種模式。PMAC－NC是在個人計算機上插入一塊PMAC運動控制板，執(zhí)行全部的實時任務(wù)：輪廓加工、插補運算、伺服控制、刀具半徑補償和螺距誤差補償?shù)?。MTC200則是在PC中插入MTC[CD*2]PPLC板分別處理運動控制和PLC。這種模式的運動計算通常都是由32位數(shù)字信號處理器（DSP）處理，為了保持最大的吞吐量和簡化編程，

DSP與PC共享公共存儲器空間。

美國Cincinnati公司開發(fā)的雙PC平臺Acramatic2100也是這種模式的應(yīng)用實例，它的一個PC母板控制工作站功能，如車間編程和數(shù)據(jù)庫工作；另一個PC作實時伺服控制。據(jù)稱這樣做，CNC系統(tǒng)升級更容易，費用也更低。而OrmecSystem公司近兩年時間就開發(fā)出了以IBM－PC結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的CNC系統(tǒng)，它可控制14根軸運動。日本FANUC公司與富士通公司合作，由富士通提供PC機，F(xiàn)ANUC配置控制用基板、軟件、電機、伺服機構(gòu)等，并與牧野銑床制作所，森精機械制作所緊密合作，它的用戶改制自由度很大，個人計算機的硬件、軟件可以靈活地應(yīng)用，與過去的數(shù)控系統(tǒng)有連續(xù)性和互換性、可靠性得到提高。以這種模式開放的數(shù)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)下列三種不同層次的開放程度：

(1)第一種，CNC可以直接地或通過網(wǎng)絡(luò)運行各種應(yīng)用軟件，強有力的軟件包（例如數(shù)字化）能作為許可證軟件來執(zhí)行。各種車間編程軟件、刀具軌跡檢驗軟件、工廠管理軟件、通信軟件、多媒體軟件都可在控制器上運行，這大大改善了CNC的圖形顯示、動態(tài)仿真、編程和診斷功能。

(2)第二種，用戶操作界面的開放。這使得CNC系統(tǒng)的用戶接口有其自己的操作特點，而且更加友好，并具備特殊的診斷功能（如遠(yuǎn)距離診斷等）。

(3)第三種，NC內(nèi)核的深層次開放。通過執(zhí)行用戶自己的C或C＋＋語言開發(fā)的程序，就可以把應(yīng)用軟件加到標(biāo)準(zhǔn)CNC的內(nèi)核中，這稱為編譯循環(huán)。CNC內(nèi)核系統(tǒng)提供已定義的出口點，機床制造廠商或用戶把自己的軟件連接到這些出口點，通過編譯循環(huán)，就可把他們自己的知識、經(jīng)驗、訣竅等專用工藝集成到CNC系統(tǒng)中去形成獨具特色的個性化數(shù)控機床。而且?guī)в袑ｉT知識技能的應(yīng)用軟件永遠(yuǎn)屬于機床制造商或用戶自己。這樣三個層次的全部開放，就能滿足機床制造廠商和最終用戶的種種要求，這種控制技術(shù)的柔性，使用戶能十分方便地把CNC應(yīng)用到幾乎所有應(yīng)用場合?？傊瑹o論是以個人計算機（PC）為基體，加上CNC系統(tǒng)的主要控制部分而組成的數(shù)控系統(tǒng)，還是以CNC系統(tǒng)為主，加上個人計算機的有關(guān)部分而組成的數(shù)控系統(tǒng)，

都有各自的優(yōu)勢。

未來開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下：

(1)一是在控制系統(tǒng)技術(shù)，接口技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、軟件技術(shù)五大方面開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的、先進(jìn)的、適銷的、經(jīng)濟合理的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

(2)二是數(shù)控系統(tǒng)今后主攻方向是進(jìn)一步適應(yīng)高精度、高效率（高速）、高自動化加工的要求。特別是對有復(fù)雜任意曲線、任意曲面零件的加工，需要利用新的加工表述語言,簡化設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工過程,并減少數(shù)據(jù)存儲量，采用64位CPU實現(xiàn)CAD／CAM進(jìn)行三維曲面的加工。

(3)三是開放式個人計算機CNC系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，即CNC機床配上個人計算機開放式CNC系統(tǒng)，能在廠內(nèi)連網(wǎng)并與廠外通信網(wǎng)絡(luò)連接，對CNC機床能進(jìn)行作業(yè)管理、遠(yuǎn)距離監(jiān)視、情報檢索等。在實現(xiàn)高精度、高效率加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)無人化、智能化、集成化的高度自動化生產(chǎn)。

4.3CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4.3.1CNC系統(tǒng)軟件概述

CNC系統(tǒng)是一個典型而又復(fù)雜的實時控制系統(tǒng)，能對信息作出快速處理和響應(yīng)。一個實時控制系統(tǒng)包括受控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。受控系統(tǒng)由硬件設(shè)備組成，如電機及其驅(qū)動；

控制系統(tǒng)（在此為CNC裝置）由軟件及其支持硬件組成，

共同完成數(shù)控的基本功能。

CNC裝置的許多控制任務(wù)，如零件程序的輸入與譯碼、刀具半徑的補償、插補運算、位置控制以及精度補償?shù)榷际怯绍浖崿F(xiàn)的。從邏輯上講，這些任務(wù)可看成是一個個的功能模塊，模塊之間存在耦合關(guān)系；從時間上來講，各功能模塊之間存在一個時序配合。在許多情況下，某些功能模塊必須同時運行，同時運行的模塊是由具體的加工控制要求所決定。例如，在加工零件的同時，要求CNC裝置能顯示其工作狀態(tài)，如零件程序的執(zhí)行過程、參數(shù)變化和刀具運動軌跡等，以方便操作者。這時，在控制軟件運行時管理軟件中的顯示模塊也必須同時運行；在控制軟件運行過程中，其本身的一些功能也必須同時運行。為使刀具運行連續(xù)進(jìn)行，在各程序段之間無停頓，則要求譯碼、刀具補償和速度處理必須與插補同時進(jìn)行。CNC裝置各功能模塊之間的并行處理關(guān)系如圖4-12所示，具有并行處理的兩模塊之間用雙向箭頭表示。

圖

4-12并行處理關(guān)系

4.3.2CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)特點

1．CNC裝置軟件、硬件的界面

CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)取決于軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。硬件為軟件運行提供了支持環(huán)境。軟件和硬件在邏輯上是等價的，由硬件能完成的工作原則上也可以由軟件完成。硬件處理速度快，但造價高，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但處理速度慢。所以，在CNC裝置中，軟、硬件的分工是由性價比決定的。在現(xiàn)代CNC裝置中，軟件和硬件的界面關(guān)系是固定的。早期的NC裝置中，數(shù)控系統(tǒng)的全部功能都由硬件來實現(xiàn)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機參與了數(shù)控系統(tǒng)的工作，構(gòu)成了計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)，數(shù)控工作便由軟件來完成。隨著產(chǎn)品、功能要求的不同，軟件和硬件界面是不一樣的，三種典型CNC裝置的軟、

硬件界面關(guān)系如圖4-13所示。

圖

4-13三種典型的軟、

硬件界面關(guān)系

2．系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型

CNC系統(tǒng)是一個專用的實時多任務(wù)系統(tǒng)，CNC裝置通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)中。因此，它的系統(tǒng)軟件包括管理和控制兩大部分，如圖4-14所示。管理部分包括輸入、I／O處理、通信、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序；控制部分包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補和位置控制等軟件。數(shù)控的基本功能由這些功能子程序?qū)崿F(xiàn)。

這是任何一個計算機數(shù)控系統(tǒng)所必須具備的，功能增加，

自程序就增加。

圖

4-14CNC裝置軟件任務(wù)分解

不同的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中對這些子程序的安排方式不同，管理方式亦不同。在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)中，常采用前后臺型的軟件結(jié)構(gòu)和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。在多微處理器數(shù)控系統(tǒng)中將微處理器作為一個功能單元利用上面的思想構(gòu)成相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)類型，各個CPU分別承擔(dān)一定的任務(wù)，它們之間的通信依靠共享總線和共享存儲器進(jìn)行協(xié)調(diào)。在子系統(tǒng)較多時，也可采用相互通信的方法。無論何種類型的結(jié)構(gòu)，CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)都具有多任務(wù)并行處理和多重實時中斷的特點。

3．多任務(wù)并行處理

1）CNC裝置的多任務(wù)性數(shù)控加工時，CNC裝置要完成許多任務(wù)，圖4-14反映了它的多任務(wù)性。在多數(shù)情況下，管理和控制的某些工作必須同時進(jìn)行。例如，為使操作人員能及時來了解CNC裝置的工作狀態(tài)，顯示模塊必須與控制軟件同時運行；當(dāng)在插補加工運行時，管理軟件中的零件程序輸入模塊必須與控制軟件同時運行。而當(dāng)控制軟件運行時，其本身的一些處理模塊也必須同時運行，例如，為了保證加工過程的連續(xù)性，即刀具在各程序之間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理模塊必須與插補模塊同時運行，而插補程序又必須與位置控制程序同時進(jìn)行。

2）并行處理并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作。并行處理的優(yōu)點能提高運行速度。并行處理分為“資源重復(fù)”并行處理方法、“時間重疊”并行處理方法和“資源共享”并行處理方法。時間重疊是根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個部分。資源共享是根據(jù)“分時共享”的原則，使多個用戶按時間順序使用同一套設(shè)備。目前CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)中，已廣泛使用“資源重復(fù)”的并行處理技術(shù)。如采用多CPU的體系結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的速度。而在CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)中，主要采用“資源分時共享”和“資源重疊的流水處理”方法。

在單CPU的CNC裝置中，主要采用CPU分時共享的原則來解決多任務(wù)的同時運行。各任務(wù)何時占用CPU及各任務(wù)占用CPU時間的長短，是首先要解決的兩個時間分配問題。在CNC裝置中，各任務(wù)占用CPU使用循環(huán)輪流和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來解決。圖4-15是一個典型的CNC裝置各任務(wù)分享CPU的時間分配圖。

圖4-15CNC裝置分時共享CPU的時間分配

在完成初始化任務(wù)后，系統(tǒng)自動進(jìn)入時間分配循環(huán)中，在循環(huán)中依次輪流處理各任務(wù)。而對系統(tǒng)中一些實時性很強的任務(wù)則按優(yōu)先級排隊，分別處于不同中斷優(yōu)先級上作為環(huán)外任務(wù)，環(huán)外任務(wù)可以隨時中斷環(huán)內(nèi)任務(wù)的執(zhí)行。每個任務(wù)允許占用CPU的時間受到一定的限制，對于某些占有CPU時間較多的任務(wù)，如插補準(zhǔn)備（包括譯碼、刀具半徑補償和速度處理等）可以在其中的某些地方設(shè)置斷點，當(dāng)程序運行到斷點處時，自動讓出CPU，等到下一個運行時間里自動跳到斷點處繼續(xù)執(zhí)行。

4．實時中斷處理

CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的另一個特點是實時中斷處理。CNC系統(tǒng)程序以零件加工為對象，每個程序有許多子程序，它們按預(yù)定的順序反復(fù)執(zhí)行，各步驟間關(guān)系十分密切，有許多子程序?qū)崟r性很強，這就決定了中斷成為整個系統(tǒng)不可少的重要組成部分。CNC系統(tǒng)的中斷管理主要靠硬件完成，而系統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)決定了軟件結(jié)構(gòu)。

1）CNC系統(tǒng)的中斷類型

CNC系統(tǒng)有外部中斷、

內(nèi)部定時中斷、

硬件故障中斷和程序性中斷等幾種類型。

(1)外部中斷主要有光電閱讀機中斷、外部監(jiān)控中斷（如緊急停、量儀到位等）和鍵盤、操作面板輸入中斷。前兩種中斷的實時性要求很高，將它們放在較高的優(yōu)先級上。

(2)內(nèi)部定時中斷主要有插補周期定時中斷和位置采樣定時中斷。在有些系統(tǒng)中這兩種定時中斷合二為一。但在處理時，總是先處理位置控制，然后處理插補運算。

(3)硬件故障中斷是各種硬件故障檢測裝置發(fā)出的中斷。如存儲器出錯、定時器出錯、插補運算超時等。

(4)程序性中斷是程序出現(xiàn)的異常情況的報警中斷。如各種溢出、除零等。

2）CNC系統(tǒng)的中斷結(jié)構(gòu)模式在前后臺軟件結(jié)構(gòu)中，前臺程序是一個中斷服務(wù)程序，完成全部的實時功能。后臺（背景）程序是一個循環(huán)運行程序，管理軟件和插補準(zhǔn)備在這里完成，后臺程序運行中，實時中斷程序不斷插入，與后臺程序相配合，共同完成零件加工任務(wù)。在中斷型軟件結(jié)構(gòu)中，其軟件結(jié)構(gòu)的特點除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)。其管理的功能主要通過各級中斷服務(wù)程序之間的相互通信來解決。

4.3.3CNC系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)模式

1．前后臺型結(jié)構(gòu)

在前后臺型結(jié)構(gòu)的CNC裝置中，整個系統(tǒng)分為兩大部分，即前臺程序和后臺程序。前臺程序是一個實時中斷服務(wù)程序，幾乎承擔(dān)了全部的實時功能（如插補、位置控制、機床相關(guān)邏輯和監(jiān)控等），實現(xiàn)與機床動作直接相關(guān)的功能。后臺程序是一個循環(huán)執(zhí)行程序，一些實時性要求不高的功能，如輸入譯碼、數(shù)據(jù)處理等插補準(zhǔn)備工作和管理程序等均由后臺程序承擔(dān)，

后臺程序又稱背景程序。

在后臺程序循環(huán)運行的過程中，前臺的實時中斷程序不停地定時插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。如圖4-15所示，程序一經(jīng)啟動，經(jīng)過一段初始化程序后便進(jìn)入背景（后臺）程序循環(huán)。同時開放定時中斷，每隔一定時間間隔發(fā)生一次中斷，執(zhí)行完畢后返回背景程序，如此循環(huán)往復(fù)，共同完成數(shù)控的全部功能。前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流動過程如圖4-16所示。零件程序段進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)過圖中的流動處理，輸出運動軌跡信息和輔助信息。

圖

4-16前后臺型軟件結(jié)構(gòu)中的信息流

1）背景程序背景程序的主要功能是進(jìn)行插補前的準(zhǔn)備和任務(wù)的管理調(diào)度。它一般由三個主要服務(wù)組成，為鍵盤、單段、自動和手動四種工作方式服務(wù)，如圖4-17所示。各服務(wù)方式的功能見表4-1。

圖

4-17背景程序結(jié)構(gòu)

表4-1背景程序四種工作方式的功能

加工工作方式在背景程序中處于主導(dǎo)地位。在操作前的準(zhǔn)備工作（如由鍵盤方式調(diào)零件程序、由手動方式使刀架回到機床原點）完成后，一般便進(jìn)入加工方式。在加工工作方式下，背景程序要完成程序段的讀入、譯碼和數(shù)據(jù)處理（如刀具補償）等插補前的準(zhǔn)備工作，如此逐個程序段地進(jìn)行處理，直到整個零件程序執(zhí)行完畢為止。自動循環(huán)工作方式如圖4-18所示，

在正常情況下，背景程序在1→2→3→4中循環(huán)。

圖4-18自動循環(huán)工作方式

圖4-19實時中斷服務(wù)程序流程

2）實時中斷服務(wù)程序?qū)崟r中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)的核心。實時控制的任務(wù)包括位置伺服、面板掃描、PLC控制、實時診斷和插補。在實時中斷服務(wù)程序中，各種程序優(yōu)先級排隊，按時間先后順序執(zhí)行。每次中斷有嚴(yán)格的最大運行時間限制，如果前一次中斷尚未完成，又發(fā)生了新的中斷，說明發(fā)生服務(wù)重疊，系統(tǒng)進(jìn)入急停狀態(tài)。

實時中斷服務(wù)程序流程如圖4-19所示。

2．中斷型結(jié)構(gòu)中斷型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件除初始化程序之外，將CNC的各種功能模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由軟件和硬件組成）對各級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。也就是說，所有功能子程序均安排成級別不同的中斷程序，整個軟件就是一個大的中斷系統(tǒng)，其管理功能通過各級中斷程序之間的相互通信來解決。各中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級別與其作用和執(zhí)行時間密切相關(guān)。級別高的中斷程序可以打斷級別低的中斷程序。

優(yōu)先級及其功能見表4-2。

表4-2中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級及其功能

中斷服務(wù)程序的中斷有兩種來源：外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求信號，稱為硬件中斷（如第0、1、4、6、7、8、9、10級）；另一種是由程序產(chǎn)生的中斷信號，稱為軟件中斷，這是由2ms的實時時鐘在軟件中分頻得出的（如第2、3、5級）。硬件中斷請求又稱為外中斷，要求受中斷控制器（如Intel8259A）的統(tǒng)一管理，由中斷控制器進(jìn)行優(yōu)先排隊和鑲嵌處理；而軟件中斷是由中斷指令產(chǎn)生的中斷，每出現(xiàn)4次2ms時鐘中斷時，產(chǎn)生第5級8ms軟件中斷，每出現(xiàn)8次2ms時鐘中斷時，分別產(chǎn)生第3級和第2級16ms軟件中斷，各軟件中斷的優(yōu)先順序由程序決定。因為軟件中斷有既不使用中斷控制器也不能被屏蔽的特點，因此為了將軟件中斷的優(yōu)先嵌入硬件中斷的優(yōu)先級中，在軟件中斷服務(wù)程序的開始處，要通過改變屏蔽優(yōu)先級比其低的中斷，

軟件中斷返回前，

再恢復(fù)初始屏蔽狀態(tài)。

3．功能模塊軟件結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中的實時性和并行性的任務(wù)，越來越多地采用多微處理器結(jié)構(gòu)，從而使數(shù)控裝置的功能進(jìn)一步增強，結(jié)構(gòu)更加緊湊，更適合于多軸控制、高速進(jìn)給速度、高精度和高效率的數(shù)控系統(tǒng)的要求。

多微處理器CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個微處理器分管各自的任務(wù)，形成特定的功能模塊。相應(yīng)的軟件也模塊化，形成功能模塊軟件結(jié)構(gòu)，固化在對應(yīng)的硬件功能模塊中。各功能模塊之間有明確的軟、硬件接口。

圖4-20所示的功能模塊軟件結(jié)構(gòu)主要由三大模塊組成，即人機通信（MMC）模塊、數(shù)控通道（NCK）模塊和可編程控制器（PLC）模塊。每個模塊都有一個微處理器系統(tǒng)，三者可以互相通信。

各模塊的功能見表4-3。

圖4-20功能模塊軟件結(jié)構(gòu)表4-3三大模塊的功能

4.4數(shù)控系統(tǒng)的插補原理

4.4.1概述

1．插補基本概念

在數(shù)控機床中，刀具或工件的最小位移量是機床坐標(biāo)軸運動的一個分辨單位，由檢測裝置辨識，稱為分辨率（閉環(huán)系統(tǒng)）或稱為脈沖當(dāng)量（開環(huán)系統(tǒng)），又叫做最小設(shè)定單位。因此刀具的運動軌跡在微觀上是由小段構(gòu)成的折線，不可能絕對地沿著刀具所要求的零件輪廓形狀運動，只能用折線逼近所要求的廓形曲線。機床數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)一定方法確定刀具運動的軌跡，進(jìn)而產(chǎn)生基本廓形曲線，如直線、圓弧等。其他需要加工的復(fù)雜曲線由基本廓形曲線逼近，這種擬合方法稱為“插補”（Interpolation）。

“插補”實質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線形的有限信息（如直線的起點、終點，圓弧的起點、圓心等），計算出刀具的一系列加工點,完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。插補有兩層意思：一是生產(chǎn)基本線型，二是用基本線型擬合其他輪廓曲線。插補運算具有實時性，要滿足刀具運動實時控制的要求。其運算速度和精度會直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2．插補運算的基本原理

根據(jù)數(shù)控機床的精度要求，運用微積分的方法，以脈沖當(dāng)量為單位，進(jìn)行有限分段，以折線代替直線，以弦代替圓弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡。常用機床的脈沖當(dāng)量為0.01～0.001mm／脈沖，脈沖當(dāng)量越小數(shù)控機床精度越高，各種斜線、圓弧、曲線均可由脈沖當(dāng)量為單位的微小直線擬合而成，

如圖4-21所示。

圖4-21用微小直線段來擬合曲線

3．插補方法的分類數(shù)控系統(tǒng)中完成插補運算的裝置或程序稱為插補器，根據(jù)插補器的結(jié)構(gòu)可分為硬件插補器、軟件插補器和軟硬件結(jié)合插補器三種類型。早期NC系統(tǒng)的插補運算由專門設(shè)計的數(shù)字邏輯電路裝置來完成，稱為硬件插補，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在CNC系統(tǒng)中插補功能一般由計算機程序來完成，稱為軟件插補。由于硬件插補具有速度高的特點，為了滿足插補速度和精度的要求，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)也采用軟件與硬件相結(jié)合的方法，由軟件完成粗插補，由硬件完成精插補。由于直線和圓弧是構(gòu)成零件輪廓的基本線型，因此CNC系統(tǒng)一般都具有直線插補和圓弧插補兩種基本類型，在三坐標(biāo)以上聯(lián)動的CNC系統(tǒng)中，一般還具有螺旋線插補和其他線型插補。為了方便對各種曲線、曲面的直接加工，人們一直研究各種曲線的插補功能，在一些高檔CNC系統(tǒng)中，已經(jīng)出現(xiàn)了拋物線插補、漸開線插補、正弦線插補、樣條曲線插補、球面螺旋線插補以及曲面直接插補等功能。

(1）基準(zhǔn)脈沖插補。它又稱為脈沖增量插補或行程標(biāo)量插補，其特點是每次插補結(jié)束僅向各運動坐標(biāo)軸輸出一個控制脈沖，因此各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量或行程的增量。脈沖序列的頻率代表坐標(biāo)運動的速度，而脈沖的數(shù)量代表運動位移的大小。這類插補運算簡單，容易用硬件電路來實現(xiàn)，早期的插補都是采用這類方法，在目前的CNC系統(tǒng)中原來的硬件插補功能可以用軟件來實現(xiàn)，但僅適用于一些中等速度和中等精度的系統(tǒng)，主要用于步進(jìn)電機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)。也有的數(shù)控系統(tǒng)將其用作數(shù)據(jù)采樣插補中的精插補?；鶞?zhǔn)脈沖插補的方法很多，如逐點比較法、數(shù)字積分法、脈沖乘法器、矢量判別法、比較積分法、最小偏差法、單步追蹤法等。應(yīng)用較多的是逐點比較法和數(shù)字積分法。

(2）數(shù)據(jù)采樣插補。它又稱數(shù)字增量插補、時間分割插補或時間標(biāo)量插補，其運算采用時間分割思想，根據(jù)編程的進(jìn)給速度將輪廓曲線分割為每個插補周期的進(jìn)給直線段（又稱為輪廓步長），以此來逼近輪廓曲線。數(shù)控裝置將輪廓步長分解為各坐標(biāo)軸的插補周期進(jìn)給量，作為命令發(fā)送給伺服驅(qū)動裝置。伺服系統(tǒng)按位移檢測采樣周期采集實際位移量，并反饋給插補器進(jìn)行比較完成閉環(huán)控制。伺服系統(tǒng)中指令執(zhí)行過程實質(zhì)也是數(shù)據(jù)密化工作。閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)都采用數(shù)據(jù)采樣插補方法，它能滿足控制速度和精度的要求。數(shù)據(jù)插補方法很多，如直線函數(shù)法、擴展數(shù)字積分法、二階歸算法等。但都基于時間分割的思想。4.4.2基準(zhǔn)脈沖插補

1．逐點比較法

1）插補原理及特點逐點比較法是我國早期數(shù)控機床中廣泛采用的一種方法，又稱為代數(shù)運算法或醉步法。其基本原理是每次僅向一個坐標(biāo)軸輸出一個進(jìn)給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，判斷偏差點的瞬時坐標(biāo)同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差函數(shù)計算和終點判別四個步驟組成。逐點比較法可進(jìn)行直線插補、圓弧插補，也可用于其他曲線的插補，其特點是運算直觀，插補誤差不大于一個脈沖當(dāng)量，脈沖輸出均勻，調(diào)節(jié)方便。

2）逐點比較法直線插補

(1)偏差函數(shù)構(gòu)造。直線插補時，通常將坐標(biāo)原點設(shè)在直線起點上。對于第一象限直線OA，如圖4-22所示，其方程可表示為改寫為

若刀具加工點為

Pi(Xi,Yi),則該點的偏差函數(shù)Fi可表示為

若Fi=0,表示加工點位于直線上；若Fi＞0,表示加工點位于直線上方；若Fi

＜0,表示加工點位于直線下方。

圖4-22逐點比較法直線插補

(2)偏差函數(shù)的遞推計算。為了簡化式(4－1)的計算,通常采用偏差函數(shù)的遞推式(迭代式)。若Ｆi≥0，規(guī)定向+X方向走一步，

若坐標(biāo)單位用脈沖當(dāng)量表示，

則有

(4－2)

若Fi＜0，規(guī)定＋Y方向走一步，則有

(4－3)(3)終點判別。直線插補的終點判別可采用以下三種方法:①判斷插補或進(jìn)給的總步數(shù)：N=Xe+Ye。②分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。③

僅判斷進(jìn)給步數(shù)較多的坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。

圖4-23逐點比較法直線插補軌跡

(4)逐點比較法直線插補舉例。對于第一象限直線OA，終點坐標(biāo)Xe=6,Ye=4，其插補運算過程如表4-4所示,插補軌跡如圖4-23所示。插補從直線起點O開始，故F0=0。終點判別是判斷進(jìn)給總步數(shù)N=6+4=10,將其存入終點判別計數(shù)器中，每進(jìn)給一步減1，若N=0,則停止插補。表4-4逐點比較法直線插補過程

3）逐點比較法圓弧插補

(1)偏差函數(shù)構(gòu)造。若加工半徑為R的圓弧AB，將坐標(biāo)原點定在圓心上，如圖4－24所示。對于任意加工點Pi（Xi,Yi）,其偏差函數(shù)Fi可表示為(4-4)顯然，若Fi=0，則表示加工點位于圓上；若Fi＞0，則表示加工點位于圓外；若Fi＜0,則表示加工點位于圓內(nèi)。

圖4-24逐點比較法圓弧插補

(2)偏差函數(shù)的遞推計算。為了簡化式(4-4)的計算，需采用其遞推式(或迭代式)。圓弧加工可分為順時針加工或逆時針加工，與此相對應(yīng)的便有逆圓插補和順圓插補兩種方式，下面就第一象限圓弧，對其遞推式公式加以推導(dǎo)。若Fi＜0，

規(guī)定向＋Y方向走一步，則有

(4-6)(4-5)①逆圓插補。若Fi≥0,規(guī)定向－X方向走一步，則有②

順圓插補。若Fi≥0,規(guī)定向－Y方向走一步，則有

(4-7)若Fi＜0，

規(guī)定向＋X方向走一步，

則有

(4-8)

(3)終點判別。終點判別可采用與直線插補相同的方法:

①判斷插補或進(jìn)給的總步數(shù)：N=|Xa-Xb|+|Ya-Yb|。②分別判斷各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)：Nx=|Xa-Xb|,Ny=|Ya-Yb|。

(4)逐點比較法圓弧插補舉例。對于第一象限圓弧AB，起點A(4,0),終點B(0,4),如圖4-25所示。要求采用逆圓插補方法，其運算過程如表4-5所示，插補軌跡如圖4-26所示。圖4-25逐點比較法圓弧插補軌跡

表4-5逐點比較法圓弧插補過程

4）逐點比較法的速度分析刀具進(jìn)給速度是插補方法的重要性能指標(biāo)，也是選擇插補方法的重要依據(jù)。

(1)直線插補的速度分析。直線加工時，有

式中,L為直線長度；v為刀具進(jìn)給速度；N為插補循環(huán)數(shù)；f為插補脈沖的頻率。

(4-9)式中,α為直線與X

軸的夾角。式(4-9)說明刀具進(jìn)給速度與插補時鐘頻率f

和與X

軸夾角α有關(guān)。若保持f

不變,加工0°和90°傾角的直線時刀具進(jìn)給速度最大(為f),加工45°傾角直線時速度最小(為0.707f),如圖4-26所示。圖

4-26逐點比較法直線插補速度的變化

(2)圓弧插補的速度分析。如圖4-27所示，P是圓弧AB上任意一點,cd是圓弧在P點的切線,切線與X

軸夾角為α。圖

4-27逐點比較法圓弧插補速度分析

顯然刀具在P點的速度可認(rèn)為與插補切線

cd的速度基本相等。因此，由式（4-9）可知加工圓弧時刀具的進(jìn)給速度是變化的，除了與插補時鐘的頻率成正比外，還與切削點處的半徑同Y軸的夾角α有關(guān)，在0°和90°附近進(jìn)給速度最快(為f)，在45°附近速度為最慢(為0.707f)，進(jìn)給速度在(1～0.707)f

間變化。

5）逐點比較法的象限處理

(1)分別處理法。前面討論的插補原理與計算公式，僅適用與第一象限的情況。對于其他象限的直線插補和圓弧插補，可根據(jù)上面的分析方法，分別建立其偏差函數(shù)的計算公式。這樣對于四個象限的直線插補，會有四組計算公式，對于四個象限的逆時針圓弧插補和四個象限的順時針圓弧插補，會有八組計算公式，其刀具的偏差和進(jìn)給方向可用圖4-28簡單加以表示。圖

4-28圓弧與直線插補中刀具偏差與進(jìn)給方向簡圖

(2)坐標(biāo)變換法。通過對圖4-27進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)能通過坐標(biāo)變換減少偏差函數(shù)計算公式。若將原坐標(biāo)系

OXY

變換為O′X′Y′,且(4-10)則可用第一象限的直線插補的偏差函數(shù)完成其余三個象限直線插補的偏差計算，用第一象限逆圓插補的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限逆圓和第二、四象限順圓插補的偏差計算，用第一象限順圓插補的偏差函數(shù)進(jìn)行第三象限順圓和第二、四象限逆圓插補的偏差計算。

2．?dāng)?shù)字積分法

1）插補原理及其特點數(shù)字積分法又稱DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)法。它是利用數(shù)字積分的方法，計算刀具沿各坐標(biāo)軸的位移，以便加工出所需要的線型。若加工圖4-29的圓弧AB，刀具在X、Y軸方向的速度必須滿足式中,vX、vY為刀具在X、Y

軸方向的進(jìn)給速度；v為刀具沿圓弧運動的切線速度；α為圓弧上任一點處切線同X

軸的夾角。用積分法可以求得刀具在

X、Y

方向的位移,即

其數(shù)字積分表達(dá)式為

(4-11)式中,Δt為插補循環(huán)周期。

2）DDA法直線插補

(1)DDA法直線插補的積分表達(dá)式對于圖4-29所示的直線

OA,有

（4-12）

式中,L為直線長度；K為比例系數(shù)。則vX=KXe，vY=KYe,代入式(4-11)得(4-13)圖

4-29

DDA法直線插補原理

令Δt=1，K=1／2N，則

（4-14）

式中,N為積分累加器的位數(shù)。

式(4-14)便是DDA直線插補的積分表達(dá)式。因為N

位累加器的最大存數(shù)為2N-1,當(dāng)累加數(shù)等于或大于2N時，便發(fā)生溢出，而余數(shù)仍存放在累加器中。這種關(guān)系式還可以表示為積分值=溢出脈沖數(shù)代表的值+余數(shù)

當(dāng)兩個積分累加器根據(jù)插補時鐘進(jìn)行同步累加時，溢出脈沖數(shù)必然符合式(4-13)，用這些溢出脈沖數(shù)分別控制相應(yīng)坐標(biāo)軸的運動，必然能加工出所要求的直線。Xe、Ye

又稱作積分函數(shù)，而積分累加器又稱為余數(shù)寄存器。DDA法直線插補的進(jìn)給方向的判別比較簡單，因為插補是從直線起點即坐標(biāo)原點開始，坐標(biāo)軸的進(jìn)給方向總是直線終點坐標(biāo)絕對值增加的方向。

(2)終點判別。若累加次數(shù)m=2N，

由式(4-14)可得

(4-15)因此，累加次數(shù),即插補循環(huán)數(shù)是否等于2N可作為DDA法直線插補終點判別的依據(jù)。

(3)DDA法直線插補舉例。插補第一象限直線OA，起點為O(0,0)，終點為A（5,3）。取被積函數(shù)寄存器分別為JVX

、JVY，余數(shù)寄存器分別為JRX、JRY，終點計數(shù)器為JE，均為三位二進(jìn)制寄存器。插補過程如表4-6所示，插補軌跡如圖4-30所示。從圖中可以看出，DDA法允許向兩個坐標(biāo)軸同時發(fā)出進(jìn)給脈沖，這一點與逐點比較法不同。圖4-30DDA法直線插補軌跡表4-6DDA直線插補過程

3）DDA法圓弧插補

(1)

DDA法圓弧插補的積分表達(dá)式。對圖4-31所示的第一象限圓弧，圓心O位于坐標(biāo)原點，半徑為R，兩端點為Ａ（XA,YA)、B(XB，ＹB),刀具位置為P(Xi,Yi),若采用逆時針加工,有

（4-16）

則vX=KYi,vY=KXi，代入式(4-16)中,令Δt=1，K=1／2N(N

為累加器的位數(shù))，則有(4-17)圖

4-31DDA法圓弧插補原理

顯然用DDA法進(jìn)行圓弧插補時，是對切削點的即時坐標(biāo)Xi與Yi

的數(shù)值分別進(jìn)行累加。若累加器產(chǎn)生溢出，則在相應(yīng)坐標(biāo)方向進(jìn)給一步，進(jìn)給方向則必須根據(jù)刀具的切向運動方向在坐標(biāo)軸上的投影方向來確定，即決定于圓弧所在象限和順圓或逆圓插補，如表4-7所示。

表4-7DDA法圓弧插補的進(jìn)給方向

(2)終點判別。DDA法圓弧插補的終點判別不能通過插補運算的次數(shù)來判別，而必須根據(jù)進(jìn)給次數(shù)來判別。由于利用兩坐標(biāo)方向進(jìn)給的總步數(shù)進(jìn)行終點判別時，會引起圓弧終點坐標(biāo)出現(xiàn)大于一個脈沖當(dāng)量，但小于兩個脈沖當(dāng)量的偏差，偏差較大，一般采用分別判斷各坐標(biāo)方向進(jìn)給步數(shù)的方法，即NX=|XA-XB|,NY=|YA-YB|。

(3)DDA法圓弧插補舉例。對于第一象限的圓弧，兩端點為A(5,0)和

B(0,5)，采用逆時針圓弧插補，插補脈沖計算過程如表4-8所示，插補軌跡如圖4-32所示。因為插補中要對刀具位置坐標(biāo)數(shù)值進(jìn)行累加，因此一旦累加器發(fā)生溢出，即說明刀具在相應(yīng)坐標(biāo)方向走了一步，則必須對其坐標(biāo)值,即被積函數(shù)進(jìn)行修改。該例中，兩坐標(biāo)的進(jìn)給步數(shù)均為5。在插補中，一旦某坐標(biāo)進(jìn)給步數(shù)達(dá)到了要求，

則停止該坐標(biāo)方向的插補運算。

圖

4-32

DDA法圓弧插補軌跡表4-8DDA法圓弧插補過程

4）DDA法插補的速度分析由式(4-12)和式(4-16)可將直線插補與圓弧插補時的進(jìn)給速度分別表示為

（4-18）

式中,f為插補時鐘頻率；δ為坐標(biāo)軸的脈沖當(dāng)量。顯然，進(jìn)給速度受到被加工直線的長度和被加工圓弧半徑的影響，特別是行程長且走刀快，行程短且走刀慢，引起各程序段進(jìn)給速度的不一致，影響加工質(zhì)量和加工效率，為此人們采取了許多改善措施。

(1)設(shè)置進(jìn)給速率數(shù)FRN。利用G93，設(shè)置進(jìn)給速率數(shù)FRN(FeedRateNumber)，

即

（4-19）

則v＝FRN·L或v＝FRN·R，通過FRN調(diào)整插補時鐘頻率f，使其與給定的進(jìn)給速度相協(xié)調(diào)，消除線長

L與圓弧半徑R對進(jìn)給速度的影響。

(2)左移規(guī)格化。所謂左移規(guī)格化是當(dāng)被積函數(shù)過小時將被積函數(shù)寄存器中的數(shù)值同時左移，使兩個方向的脈沖分配速度擴大同樣的倍數(shù)而兩者的比值不變，提高加工效率，同時還