数控技术及应用第二章数控机床的插补原理

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1、第二章数控机床的插补原理第一节概述一、加工轨迹插补的基本概念⒈插补运算与加工轨迹的位置控制机床数控加工中最基本的问题就是如何根据所输入的零件加工程序中有关几何形状、轮廓尺寸的原始数据及其指令，通过相应的插补运算，按一定的关系向机床各个坐标轴的驱动控制器分配进给脉冲，从而使得伺服电机驱动工作台相对主轴（即工件相对刀具）的运动轨迹，以一定的精度要求逼近于所加工零件的外形轮廓尺寸。对于平面曲线的运动轨迹需要二个运动坐标协调的运动，对于空间曲线或立体曲面则要求三个以上运动坐标产生协调的运动，才能走出其轨迹。CNC数控系统需通过实时控制软件来进行插补运算

2、与相应的位置控制。插补运算要求实时性很强，即计算速度要同时满足机床坐标轴对进给速度和分辨率的要求。插补运算和位置控制是一般都在控制机床运动的中断服务程序中进行。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期中，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期加工完一个程序段，即从数据段的起点走到终点。计算机数控系统是一边插补，一边加工。而在本次处理周期内，插补程序的作用是计算下一个处理周期的位置增量。位置控制可以由软件也可以由硬件来实现。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进

3、给电机，进而控制机床工作台（或刀具）的位移。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削加工。当一个程序段开始插补加工时，管理程序即着手准备下一个程序段的读入、译码、数据处理。即由它调动各个功能子程序，并保证在下一个程序段的数据准备，一旦本程序段加工完毕即开始下一个程序段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。⒉插补运算的基本原理我们在工程数学中知道，微积分对研究变量问题的基本分析方法是：“无限分割，以直代曲，以不变代变，得微元再无限积累，对近似值取极限，求得精确值”，但在一些实际工程应用中，往往根据精确度要求，把这个无限用适

4、当的有限来代替，对于机床运动轨迹控制的插补运算也正是按这一基本原理来解决的。概括起来，可描述为：“以脉冲当量为单位，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹”。需要说明的是这个脉冲当量与其坐标显示分辩率往往是一致的，它与加工精度有关，它表示插补器每发出一个脉冲，使执行电机驱动丝杆所走的行程，单位通常为0.01～0.001mm／脉冲。也就是说对各种斜线、圆弧、曲线均由以脉冲当量为单位的微小直线线段来拟合，如图2-1所示。其插补运算精度（一般插补误差不会超过一个脉冲当量）也是影响数控加工精度的一项主要因素。二、插补方法的种类

5、与特点插补器的形式很多，按实现的方法来说，它均可用硬件逻辑电路或执行软件程序来完成。因而可分为硬件插补器和软件插补器，软件插补器利用CNC系统的微处理器执行相应的插补程序来实现，结构简单、灵活易变、可靠性好，目前微处理机的位数和频率的提高，YOX87643521109A（6，4）125432110987611YOXA（6，0）B（0，6）图2-1用微小直线段来拟合曲线大部分CNC系统采用了软件插补方式。但由于硬件方式插补速度快，对要求高的CNC系统目前采用粗、精二级插补的方法来实现，以满足其实时性要求，软件每次插补一个小线段称为粗插补，根据粗插

6、补结果，将小线段分成单个脉冲输出，称为精插补。其中精插补往往采用了硬件插补器，如日本FANUC公司就采用DDA硬件插补专用集成芯片。从实现的功能来分，它有直线插补、二次（圆、抛物线等）曲线插补，及高次曲线插补等。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，又有许多插补方法。它可被分为两大类。(1)基准脉冲插补它又称为行程标量插补或脉冲增量插补。这种插补算法的特点是每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示移动量。基准脉冲插补的实现方法比较简单（只有加法和位移），容易

7、用硬件实现。也可以用软件完成这类算法。但它仅适用于一些中等精度和中等速度要求的计算机数控系统。基准脉冲插补方法又有下列几种：①逐点比较法；②数字积分法；③数字脉冲乘法器插补法；④矢量判别法；⑤比较积分法；⑥最小偏差法；⑦目标点跟踪法；⑧单步追踪法；⑨直接函数法。(2)数据采样插补它又称为时间标量插补或数字增量插补。这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字。插补运算分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度ΔL都相等，且与给定进给速度有关

8、。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此，每一微小直线段的长度ΔL与进给速度F和插补周期T有关，即ΔL=FT。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一