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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)實現(xiàn)的自動控制系統(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)院伺服機構(gòu)實驗室研制出一臺三坐標(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 取而代之的是計算機數(shù)控(CNC Computer Numerical Control)裝置 它采用存儲程序的計算機 由軟件實現(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)計對一些數(shù)控算法的實現(xiàn)進行研究 圖 1 所示為基于單片機數(shù)控算法的總體框圖

2 基于 PC 的數(shù)控實現(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 利用鍵盤向計算機發(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)控體系軟件為實時多使命體系 體系中的各使命在數(shù)控實時操作體系控制下協(xié)調(diào)進行 體系中的各模塊功用如圖 2 所示

1 數(shù)控實時操作體系 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行調(diào)度 協(xié)調(diào)各模塊的高效運轉(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)軌道插補前的坐標(biāo)變換和刀補運算

3 軌道插補 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)備取得的實踐軌道信息 實時生成各坐標(biāo)軸的移動指令使刀具依據(jù)程序軌道運動

4 加工仿真模塊 該模塊以動畫方法對數(shù)控加工進程進行動態(tài)仿真 從而可在加工前查驗參數(shù)輸入正確性和機床運動合理性

4 數(shù)控插補技術(shù)

直線是構(gòu)成被加工零件輪廓的基本線型 插補的任務(wù)就是根據(jù)進給速度的要求 計算出每一段零件輪廓起點與終點之間的插入中間點的坐標(biāo)值

4.1Ⅰ象限直線插補原理偏差計算公式

在圖 3 中 OE 為要加工的直線輪廓 而動點 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(F<0) 當(dāng)?shù)毒咛幱谥本€上方區(qū)域時(F>0) 為了更靠攏直線輪廓 則要求刀具向(+X)方向進給一步 當(dāng)?shù)毒哒锰幱谥本€上時(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 再趨向直線進給 步步前進 直至終點 E 這樣 通過逐點比較的方法 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)每次進給的臺階(即脈沖當(dāng)量)很小時 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)為了簡化運算 通常采用遞推法 即每進給一步后新加工點的加工偏差值通過前一點的偏差遞推算出

現(xiàn)假設(shè)第 i 次插補后 動點坐標(biāo) N(Xi,Yi) 偏差函數(shù)為

軟件實現(xiàn)

逐點比較法軟件實現(xiàn)實際上就是利用軟件來模擬硬件插補的整個過程 顯然它具有極大的靈活性 但插補的精度和速度受到控制系統(tǒng)中所用計算機的字長和運算速度等方面的限制

根據(jù)前面總結(jié)出的四個節(jié)拍 可設(shè)計出逐點比較法第一象限直線插補的軟件流程圖如圖 4 所示

不同象限的直線插補

實際上 任何機床都必須具備處理不同象限 不同走向輪廓曲線的能力 而這時其插補計算公式和脈沖進給方向都是不同的 但為了處理和實現(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 提高插補質(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 起點在原點 O(0 0) 終點為 A(-Xe +Ye) 則仿照前面方法 很易推得對應(yīng)的插補算法及進給方向如下

當(dāng) Fi 0 時 進給(-X)方向 Fi+1=Fi-Ye

當(dāng) Fi< 0 時 進給(+Y)方向 Fi+1=Fi+Xe

與前面進行比較后發(fā)現(xiàn) 當(dāng)被插補直線處于不同象* 其計算公式及處理過程*一樣 僅僅是進給方向不同而已 進一步可總結(jié)出 L1 L2 L3 L4 的進給方向如圖 6 和表 1 所示

由此設(shè)計出四個象限內(nèi)直線插補的通用軟件流程圖如圖 7 所示

如果直接利用圖 7 來插補四個坐標(biāo)軸直線時 將會造成較大的插補誤差 顯然不太理想 為此 可對這四種特殊情況進行專門處理 即當(dāng)判出是插補四個坐標(biāo)軸直線時 可將(+X)軸直線插補歸入(+△X)進給方向類 將(-X)軸直線插補歸入(-△X)進給方向類 將(+Y)軸直線插補歸入(+△ Y)進給方向類 將(-Y)軸直線插補歸入(-△Y)進給方向類 這樣可將其插補誤差減小到零

5.結(jié)語

實現(xiàn)高速高精度加工一直是數(shù)控技術(shù)研究的重點 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 即具備這項功能 其數(shù)控系統(tǒng)的成本也相當(dāng)大

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