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加工中心数控系统的插补原理——（一）

日期：2010年01月25　来源：沈阳第一机床厂　关键字：加工中心
    一个连续切削控制的数控系统，除了使工作台准确定位之外，还必须进行轨迹控制，即控制刀具相对于工件以给定的速度，沿着指定的路径运动、加工中心切削工件轮廓，并且要保证切削过程中的精度和表面粗糙度值。
    数控系统在处理轨迹控制信息时，一般情况，用户编程时给出了轨迹的起点和终点，摇臂钻床以及轨迹的类型(即是直线、圆弧或是其他曲线)，并规定其走向(如圆弧是顺时针还是逆时针)，然后由数控系统在控制过程中计算出运动轨迹的各个中间点，这个过程称之为插补，即“插入”、“补上”轨迹运动的中间点。插补结果输出运动轨迹的中间点的坐标值，机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。
    对插补计算的要求
    1)对插补所需要的数据最少。
    2)插补理论误差要满足精度要求。
    3)沿插补路线或称插补矢摇臂钻床量的合成进给速度要满足轮廓表面粗糙度一致性的工艺要求，加工中心也就是进给速度变化要在许可范围内。
    4)控制联动坐标轴数的能力强，也就是易实现多坐标轴的联动控制。
    5)插补算法简单可靠。
    插补算法的种类
    插补工作可用硬件(插补器)或软件来完成，也可由软硬件结合一起来完成。早期的数控系统(NC)中，插补器是一个由专门的硬件接成的数字电路装置，这种插补称之为硬件插补，它把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，驱动工作台运动。每插补运算一次，便发出一个脉冲，工作台就移动一个基本长度单位，即脉冲当量。它的柔性较小，计算能力较弱，但其计算速度快，它采用电压脉冲作为插补坐标增量输出，加工中心称之为基准脉冲插补法(也称脉冲增量插补法)，它包括逐点比较插补法、数字积分插补法等；随着计算机数控系统(CNC)的发展，摇臂钻床因软件插补法柔性好，计算能力强，可以进行复杂轮廓的插补，所以应用得越来越广。软件插补法可分成基准脉冲插补法和数据采样插补法(Sampled—data)(也称数字增量插补法)两类。基准脉冲软件插补法是模拟硬件插补的原理，其插补输出仍是脉冲；数字增量插补法，在每个插补周期内进行一次插补运算，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，然后计算出动点坐标，经过若干个插补周期即可完成一个程序段的插补。插补结果输出的是二进制数据，依靠二进制数据控制进给系统运动。现在大多数数控系统将软件插补法与硬件插补法结合起来，软件插补完成粗插补，加工中心硬件完成精插补，既可获得高的插补速度又能完成较高的插补精度。
    逐点比较插补法是插补时每走一步都要与给定轨迹上的坐标值进行比较，看实际加工点在给定轨迹的什么位置，上方还是下方(直线)，外面还是里面(曲线)，从而决定下一步的进给方向。其进给方向摇臂钻床总是向着给定轨迹的方向逼近，如果实际加工点在给定轨迹的上方，下一步进给就向给定轨迹的下方逼近；加工中心如果实际加工点在给定轨迹的里面，下一步进给就向给定轨迹的外面逼近。
    逐点比较法直线插补
    1．逐点比较法直线插补计算原理
    (1)偏差计算公式  数控系统必须根据设计者给定的数学模型才能进行工作。根据逐点比较法的原理，每走一步可以将动点(插值点)  的实际位置与给定轨迹的理想位置以“偏差”形式计算出来，然后根据偏差的正、负决定下一步的走向，以逼近给定轨迹。因此，摇臂钻床确定偏差的计算方法是逐点比较法的关键一步。加工中心下面以第一象限平面直线为例来推导偏差计算公式。
    假定加工直线OA。取直线起点为坐标原点，已知直线终点坐标为止(x，y)，即直线OA为给定轨迹。m(x，y，)点为加工点(动点)。

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