第五 章 CNC轮廓加工的数学基础.ppt
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1、数控装置的轨迹控制原理数控装置的轨迹控制原理脉冲增量法插脉冲增量法插补原理原理数据采数据采样法插法插补原理原理插插补精度与插精度与插补速度控制速度控制第五章第五章数控装置的轨迹控制原理数控装置的轨迹控制原理第五章第五章 数控插补原理数控插补原理第一节第一节 概述概述一、插补的概念一、插补的概念 轮廓的形状是由各种线形构成的,用户在零件加工程序中,一般只提轮廓的形状是由各种线形构成的,用户在零件加工程序中,一般只提供描述该线形所必须的相关参数。为了实现轨迹控制,在运动过程中要供描述该线形所必须的相关参数。为了实现轨迹控制,在运动过程中要实实时时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点。计算出满足
2、线形和进给速度要求的若干中间点。插补插补就是根据给定进给速度和轮廓线形的要求,在轮廓的起点和终点就是根据给定进给速度和轮廓线形的要求,在轮廓的起点和终点之间,确定一些中间的方法。之间,确定一些中间的方法。对于轮廓控制系统来说,最重要的功能就是插补功能。因为插补运算对于轮廓控制系统来说,最重要的功能就是插补功能。因为插补运算是在机床运动过程中实时进行的,即在有限的时间内,必须对各坐标轴实是在机床运动过程中实时进行的,即在有限的时间内,必须对各坐标轴实时地分配相应的位置控制信息和速度控制信息。时地分配相应的位置控制信息和速度控制信息。插补算法的优劣,将直接影响插补算法的优劣,将直接影响CNC系统的
3、性能指标系统的性能指标。由于插补方法的重要性,不少学者都致力于插补算法的由于插补方法的重要性,不少学者都致力于插补算法的研究,使之不断有新的、更有效的插补方法应用于研究,使之不断有新的、更有效的插补方法应用于CNC系系统。统。目前,常用的插补算法大致可以分为两大类:目前,常用的插补算法大致可以分为两大类:脉冲增脉冲增量插补和数据采样插补。量插补和数据采样插补。1、脉冲增量插补、脉冲增量插补 脉冲增量插补是控制单个脉冲输出规律的插补方法。每输脉冲增量插补是控制单个脉冲输出规律的插补方法。每输出一个脉冲,移动部件都要相应的移动一定距离,这个距离出一个脉冲,移动部件都要相应的移动一定距离,这个距离称
4、为脉冲当量(称为脉冲当量(0.01mm0.1um)。)。通常用于步进电机控制系统。通常用于步进电机控制系统。2、数据采样插补、数据采样插补 数据采样插补法是在规定的时间(插补时间)内,计算出各数据采样插补法是在规定的时间(插补时间)内,计算出各坐标方向的增量值(坐标方向的增量值(X、Y、Z)。)。这些数据严格的限制在一个插补时间内(如这些数据严格的限制在一个插补时间内(如4ms)计算完毕,计算完毕,送给伺服系统,再由伺服系统控制移动部件运动。送给伺服系统,再由伺服系统控制移动部件运动。移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行程,因
5、此数据采样插补也称为时间标量插补,程,因此数据采样插补也称为时间标量插补,插补时间采用插补时间采用12ms、8ms、4ms、2ms等,对于运行速度较快等,对于运行速度较快的计算机,有的选用的更小。插补时间越短,机床的进给速度越的计算机,有的选用的更小。插补时间越短,机床的进给速度越快。现代数据机床的进给速度已超过快。现代数据机床的进给速度已超过15m/min30m/min,有些达有些达到到60m/min。它适用于直流伺服电动机和交流伺服电动机的闭环它适用于直流伺服电动机和交流伺服电动机的闭环或半闭环控制系统。或半闭环控制系统。第二节第二节脉冲增量插补脉冲增量插补主要介绍:主要介绍:逐点比较法逐
6、点比较法数字积分法数字积分法最小偏差法最小偏差法脉冲增量插补就是分配脉冲的计算,在插补过脉冲增量插补就是分配脉冲的计算,在插补过得中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲,控得中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲,控制机床坐标作相应的移动,制机床坐标作相应的移动,一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理基本原理:基本原理:数控装置在控制刀具按要求的轨迹移数控装置在控制刀具按要求的轨迹移动过程中,不断比较刀具与给定轮廓误差,由此动过程中,不断比较刀具与给定轮廓误差,由此误差决定下一步刀具移动方向,使刀具向减少误误差决定下一步刀具移动方向,使刀具向减少误差的方向移动,且只有一个方向移动。差的方
7、向移动,且只有一个方向移动。一、逐点比较法插补原理一、逐点比较法插补原理逐点比较法插补过程可按以下逐点比较法插补过程可按以下4 4个步骤个步骤(节拍节拍)进行:进行:第第1 1节拍节拍:偏差判别:偏差判别:判别刀具当前位置相对给定判别刀具当前位置相对给定轮廓的偏差情况轮廓的偏差情况,以此确定进以此确定进给方向。给方向。第第2 2节拍节拍:进给进给:使刀具向给定轮廓进给一步使刀具向给定轮廓进给一步,即向减少误差方向移动。即向减少误差方向移动。第第3 3节拍节拍:偏差计算:偏差计算:由于进给由于进给,刀具改变了位刀具改变了位置置,计算新位置与给定轮廓计算新位置与给定轮廓之间的偏差,作为下一步之间的
8、偏差,作为下一步判别依据。判别依据。第第4 4节拍节拍:终点判别终点判别:判断是否到达被加工轮廓判断是否到达被加工轮廓终点终点,若到达,结束插补;若到达,结束插补;否则,继续插补。否则,继续插补。5.2脉冲增量插补脉冲增量插补逐点比较法既可作为直线插补,又可作圆逐点比较法既可作为直线插补,又可作圆弧插补。这种算法的特点是:运算直观,弧插补。这种算法的特点是:运算直观,插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均匀,而且输出脉冲的速度变化小,调节方匀,而且输出脉冲的速度变化小,调节方便。因此,在两坐标联动的数控机床中应便。因此,在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。用
9、较为广泛。1.直线插补 (1)偏差计算 第一象限直线OE,起点O为坐标原点,直线的终点坐标E(Xe,Ye),直线方程为:动点动点P P与直线的位置关系与直线的位置关系有三种情况:有三种情况:动点在直线上动点在直线上;动点在直线上方动点在直线上方;动点在直线下方。动点在直线下方。YXeXYe0若P点在直线上,则有YXeXYe0若P1点在直线上方,则有Y1XeX1Ye0若P2点在直线下方,则有Y2XeX2Ye00时时,表示刀具在,表示刀具在OEOE上方,如点上方,如点P P1 1,应向应向X X向进给向进给.F F 000的情况一同考虑的情况一同考虑.下面将下面将F F 的运算采用递推算法予以简化
10、,动点的运算采用递推算法予以简化,动点 P Pi i(X Xi i,Y Yi i)的的F Fi i值为值为 若若F Fi i0,0,表明表明P Pi i(X Xi i,Y Yi i)点在点在OEOE直线上方或在直直线上方或在直线上,应沿线上,应沿X X 向走一步向走一步,假设坐标值的单位为脉假设坐标值的单位为脉冲当量,进给后新的坐标值为(冲当量,进给后新的坐标值为(X Xi+1i+1,Y Yi+1i+1),且且X Xi+1i+1=X Xi i+1+1,Y Yi+1i+1=Y Yi i,新点偏差为新点偏差为即即 Fi+1=Fi-Ye 若若F Fi i00F0,则动点位于圆弧外侧。,则动点位于圆弧
11、外侧。若若F=0F=0,则动点在圆弧上。,则动点在圆弧上。若若F0,Fy时,进给方向为时,进给方向为y方向和对角线方向;方向和对角线方向;当当xy时,进给方向为时,进给方向为x方向和对角线方向。方向和对角线方向。讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理二、圆弧插补二、圆弧插补2)偏差判别公式)偏差判别公式向向x方向进给一步,偏差函数为方向进给一步,偏差函数为;向对;向对角线方向走一步,偏差函数为:角线方向走一步,偏差函数为:讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理比较比较;选择小的进给方向。;选择小的进给方向。进给进给,则:,则:进给进给,则:,则:令:令:讨论一:最小
12、偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理若若,说明,说明,进给进给,否,否则,进给则,进给。设任一时刻加工点的坐标为设任一时刻加工点的坐标为;比较函数;比较函数为:为:讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理为简化计算,用讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理3)坐标值的修改)坐标值的修改讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理4)计算公式和进给方式的修改)计算公式和进给方式的修改讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理4)计算公式和进给方式的修改)计算公式和进给方式的修改讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理4)计算公式和进给方
13、式的修改)计算公式和进给方式的修改讨论一:最小偏差法插补原理(讨论一:最小偏差法插补原理(2)第第2种插补方法种插补方法1)进给规则)进给规则向向x坐标轴方向进给或坐标轴方向进给或y方向进给。方向进给。2)偏差判别公式)偏差判别公式向向x方向进给一步,偏差函数为方向进给一步,偏差函数为;向;向y方方向走一步,偏差函数为:向走一步,偏差函数为:讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理比较比较;选择小的进给方向。;选择小的进给方向。进给进给,则:,则:进给进给,则:,则:令:令:讨论一:最小偏差法插补原理讨论一:最小偏差法插补原理若若,说明,说明,进给进给,否则,否则,进给进给。设任一
14、时刻加工点的坐标为设任一时刻加工点的坐标为;比较函数;比较函数为:为:讨论二:目标点跟踪法插补原理讨论二:目标点跟踪法插补原理直线插补直线插补圆弧插补圆弧插补讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理单步追踪法特点:单步追踪法特点:1)运算简单,多坐标直线插补容易,速度)运算简单,多坐标直线插补容易,速度控制方便;控制方便;2)误差小于)误差小于0.73个脉冲当量。个脉冲当量。讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补在相同的时间内,令在相同的时间内,令x和和y方向的进给方向的进给脉冲均匀分布,则可获得直线插补。脉冲均匀分布,则可获得直线插补。什么样
15、的脉冲分布,能获得最小的插什么样的脉冲分布,能获得最小的插补误差哪?补误差哪?根据最小偏差法可以得到。根据最小偏差法可以得到。讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补两个重要结论:两个重要结论:(1)两个方向进给脉冲间隔之比等于两个方向)两个方向进给脉冲间隔之比等于两个方向终点坐标值的反比。即:终点坐标值的反比。即:(2)x向首脉冲至向首脉冲至y向首脉冲的间隔等于向首脉冲的间隔等于x向末向末脉冲至脉冲至y向末脉冲的间隔。向末脉冲的间隔。讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补将上述两条结论推广到一般情况,则将上述两条结论推
16、广到一般情况,则得到下图所示的脉冲分配方案。得到下图所示的脉冲分配方案。讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补它的插补误差最小,是理想的脉冲分配。两它的插补误差最小,是理想的脉冲分配。两个方向首(末)脉冲之间的间隔用个方向首(末)脉冲之间的间隔用表示,则:表示,则:讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补脉冲的时间间隔究竟选多大,有两种方案。脉冲的时间间隔究竟选多大,有两种方案。方案一:方案一:取取讨论三:单步追踪法插补原理讨论三:单步追踪法插补原理一、直线插补一、直线插补方案二:方案二:取取讨论三:单步追踪法插补原理讨
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- 第五 CNC轮廓加工的数学基础 CNC 轮廓 加工 数学 基础
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