数控系统的信息处理

2.4　数控系统的信息处理

数控加工是由CNC 装置根据零件加工过程控制数控机床自动完成的，每一个加工程序段的处理过程按：输入→译码→刀具补偿→进给速度处理→插补运算→位置控制的顺序来完成。

1．信息输入

零件程序的输入因输入介质不同而采用不同的输入手段，最常见的方法是通过纸带阅读机或键盘进行。若采用计算机通信方式，则可经过CNC装置的串行通信接口输入。

在键盘工作方式中，除了可以手动输入零件程序外还可以手动输入或调整控制信息，如控制参数、补偿数据、编辑等。

2．存储

输入的零件程序存放在零件程序存储器中，零件程序一般按顺序存放在零件程序区内，在零件程序存储器中还开辟了目录区，以方便零件程序的调用。零件程序的有关信息按固定格式存放在目录中，形成目录表，目录表的每一项对应于一个零件程序，记录该零件程序的程序名称、零件程序存储区中的首地址和末地址等信息。

3．译码

输入的程序段含有零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等），计算机不能直接识别。译码程序就像一个翻译器，按照一定的语法规则将上述信息解释成计算机能够识别的数据形式，并按一定的数据格式存放在指定的内存专用区域，在译码过程中对程序段还要进行语法检查，有错报警。

以数控内部代码的形式存储在零件程序存储器内的零件程序需要通过译码，识别出其中哪些数据表示运动部分，哪些数据表示坐标值或速度值。译码的过程就是从零件程序缓冲器中逐个选入字符，识别其中的文字码和数字码以及文字码所代表的功能的地址字，并把数字码根据其前面的文字地址送到相应的缓冲单元中。所以，译码的主要工作内容有：代码识别和各功能码的译码。

（1）代码识别

在CNC系统中，代码识别由软件完成。译码程序按顺序将一个个字符句相应的数字进行比较，若相等就说明输入了该字符，译码可以在插补空闲时间完成，不占用实时工作时间。

译码时将每个字符与各文字码和符号码逐个比较，相符后就设立相应标志，并转相应处理子程序，对于数字码而言，其识别较简单，只要将各数字码转换成二进制即可。

（2）功能码的译码

对于不同的CNC系统来说，编程格式有各自的规则，对于各功能码的处理各不相同。译码程序根据代码识别时设置的各功能码的标志。确定存放其相应数码的地址，以便送入数据。对于数字码的处理，需要判别功能码标志，不同的功能码，其后面的数字位数和存放形式也有区别。有的需要转换成二进制，有的则以二～十进制（BCD码）形式存放。每个功能码后数字位数都有规定，如N后可接4位，坐标值（X、Y、Z等）后可接7位等，均因系统而异。

4．刀具补偿

数控系统对刀具的控制是以刀架参考点为基准的，零件加工程序给出零件轮廓轨迹，如不作处理，则数控系统仅能控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上是要用刀具的尖点实现加工的，这样需要在刀架的参考点与加工刀具的刀尖之间进行位置偏置。这种位置偏置由两部分组成：刀具长度补偿及刀具半径补偿。不同类型的机床与刀具，需要考虑的刀具补偿参数也不同。对铣刀而言，只有刀具半径补偿；对钻头而言，只有一个坐标长度补偿；但对车刀而言，却需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。

目前较好的CNC装置中，刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过度判别，即所谓的C刀补。

5．进给速度处理

进给速度处理应保证实现程编进给速度。程编进给速度是指沿运动轨迹方向上的速度，它是沿各坐标方向运动合成的结果。速度处理时，根据此合成速度计算出各坐标方向上的分速度。某些辅助功能如换刀、换挡等也在这里处理。

6．插补运算

插补是在已知曲线的种类、起点、终点和进给速度的条件下，在曲线的起点、终点之间进行“数据点的密化”。在每个插补周期内，运行一次插补程序，形成一个微小的直线数据段。插补完一个程序段（即加工一条曲线）通常需经过若干次插补周期。需要说明的是，只有辅助功能（换刀、换挡、切削液等）完成之后才能允许插补。

由于直线和圆弧是构成零件轮廓的基本线型，因此CNC系统一般都具有直线插补和圆弧插补两种基本类型，在三坐标以上联动的CNC系统中，一般还具有螺旋线插补和其他线型插补。插补运算所采用的原理和方法很多，一般可归纳为基准脉冲插补和数据采样插补两大类型。

（1）基准脉冲插补

基准脉冲插补又称为脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，因此各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。这类插补运算简单，容易用硬件电路来实现，早期的硬件插补都采用这类方法，在目前的CNC系统中，原来的硬件插补功能可以用软件来实现，但仅适用于一些中等速度和中等精度的系统，主要用于步进电机驱动的开环系统。也有的数控系统将其用做数据采样插补中的精插补。

基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器、矢量判别法、比较积分法、最小偏差法、单步追踪法等。应用较多的是逐点比较法和数字积分法。

（2）数据采样插补

数据采样插补又称数字增量插补、时间分割插补或时间标量插补，其运算采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长），以此来逼近轮廓曲线。数控装置将轮廓步长分解为各坐标轴的插补周期进给量，作为命令发送给伺服驱动装置。伺服系统按位移检测采样周期采集实际位移量，并反馈给插补器进行比较完成闭环控制。伺服系统中指令执行过程实质也是数据密化工作。闭环或半闭环控制系统都采用数据采样插补方法，它能满足控制速度和精度的要求。数据采样插补方法很多，如直线函数法、扩展数字积分法、二阶递归算法等。但都基于时间分割的思想。

7．位置控制

插补的结果是产生一个周期内的位置增量。位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。