数控加工程序输入及预处理——数控加工程序输入

第二章 数控加工程序输入及预处理

本章主要介绍了数控加工程序的输入及插补前的预处理过程。输入方式包括光电式纸带阅读机输入、键盘方式输入、存储器方式输入和通信方式输入等。数控加工程序的预处理包括代码转换、译码、诊断和刀补计算等。其中重点介绍了刀具长度补偿和刀具半径补偿的基本原理及实现算法。最后还简单介绍了几个其他数据预处理环节。

第一节 数控加工程序输入

在启动数控机床正式加工之前，应将编写好的数控加工程序输入给数控系统，其途径有多种形式，下面介绍常用的几种方法。

一、纸带阅读机输入

纸带曾经是数控加工程序的理想信息载体，特别是在早期的硬件数控系统中尤其如此。由于当时的硬件数控系统内存容量非常有限，因此，在数控机床上加工零件时，纸带阅读机不得不读入一段，数控系统执行一段。每加工一个零件，纸带阅读机就得将加工程序读一遍。这种频繁的读带操作，使得纸带的寿命大大缩短，由此引发的误码现象时有发生。据有关资料统计，硬件数控系统中由纸带误码造成的系统故障，在所有的故障源中占有的比例最大。

纸带规格有两种：八单位穿孔带（如图2-1所示）和五单位穿孔带。我国以等效采用或参照ISO 有关穿孔纸带及穿孔尺寸的标准和数控加工程序代码的标准，制订了符合我国国情的数控代码标准，即穿孔带程序格式——准备功能G 和辅助功能M （JB3208-83）、轮廓/点位控制用穿孔带的可变程序格式（GB8870-88）等。

性整体输入或读入。加工零件时可从内存中一段接一段地读出执行。这样可以有效地提高纸带的使用寿命，减少误码的出现。

1．纸带阅读机工作原理

纸带阅读机又称为光电阅读机。其输入原理是通过光电转换技术，将穿孔纸带上记载的数控加工程序信息（有孔或无孔）转换成相应的电信号，经过放大、整形后送入数控装置。

纸带阅读机的组成及工作原理如图2-2所示，它主要由三部分组成，即机械传动部分（主动轮、压轮、导轮）、信号采集部分（光源、透镜、光敏管）、起停控制部分（起、停衔铁、触发器）。纸带输入时，起动衔铁工作，通过杠杆推动压轮压住纸带，同时释放制动衔铁。纸带在主动轮的带动下向前运动。制动时，制动衔铁工作，并夹持纸带，同时释放起动衔铁，使主动轮与压轮分离，从而使纸带失去前进的动力而停止前进。起动衔铁与制动衔铁的工作由专门的起停触发器控制。

在图2-2

中，通过聚焦透镜2将光源1的光线聚焦成平行光束照射在纸带上。在纸带的下方配有9只光敏元件，它们分别对应穿孔纸带的一行孔位。当纸带阅读机驱动纸带向前运动时，纸带上的穿孔信息可以相应地反映在光敏管上，即穿孔位有孔处的光敏管可得到光信号，无孔则没有光信号。通过光敏元件将光信号转换成电信号，再经过放大、整形，转换成标准的逻辑电平信号供数控装置读入。

2．纸带阅读机接口电路

纸带阅读机的光电转换电路可参阅有关书籍，这里仅对纸带阅读机的接口电路予以介绍。如图2-3所示，由8个D 触发器组成缓冲寄存器J A ，其Q 端输出经集电极开路的与门和计算机总线相连，其输入端则与放大整形后的纸带穿孔信号相连。中导孔的信号经放大整形及两次反相后用作J A 的CP 脉冲信号。由于中导孔的直径小于信号孔的直径，因此，中导孔信号的宽度比信号孔的宽度窄。当中导孔的信号CP 来到时，D 端的信号早已稳定了，从而保证了各个J A 输入穿孔纸带信号的可靠性。与此同时，中导孔脉冲的后沿用于起停触发器、中断请求触发器C D 、主动轮起停触发器C B 的控制。

当

数控装置执行启动纸带阅读机工作的指令时，SR 信号为“1”，打开所有相关的逻辑门，数控装置向纸带阅读机送一个启动信号S ，经SR 信号选通得到控制信号SSR ，使起停触发器动作，将C B 触发器置“1”，C D 触发器清零，即起停衔铁工作、制动衔铁释放，控制纸带前进。当纸带阅读机读到孔信号时，经放大、整形后加到对应J A 的D 端上。与此同时，纸带中导孔的脉冲信号一方面将纸带上的孔信息装入J A 中，另一方面将C B 触发器清零，C D 触发器置“1”，并使制动衔铁工作、起停衔铁释放，控制纸带停止前进。由此可见，C D 触发器置“1”，就意味着纸带上有一行孔信息被读入J A 。同时通过SR 信号的选通，向数控装置发出中断请求信号。当数控装置响应中断请求后，立即将J A 中的内容读入数控装置，并将C B 置“1”，C D 清零，同时将起停触发器置“1”，从而开始下一行孔的读入。

当加工程序输入完毕后，可通过控制信号C 来实现阅读机停止工作的控制。C 经过控制门使C B 、C D 均清零，起停触发器也清零，至此纸带阅读机将不再工作。

在中断服务程序中，数控装置通常需要完成以下工作：读入一行穿孔信息；作相应检查；将无误的字符译成数控装置的内部代码；送入数控装置的缓冲器。其中的检查由融在中断服务程序中的诊断程序来完成。一般有水平和垂直校验，所谓水平校验是指检查纸带一行孔数的奇偶性，垂直校验是指在数控加工程序全长纸带上的校验，即判断是否丢失了数据行，是否需要剔除废码或跳过空白带等。

二、键盘方式输入

键盘是一种常用的输入方式。在现代数控机床上一般都配有键盘，供数控机床操作者输入数控加工程序（一般为部分或简单的数控加工程序）和控制信息，例如：控制参数、补偿数据等。这种输入方式称为手动数据输入（MDI ）方式。

键盘是CNC 系统中常用的人机对话输入设备，它是由一组排列成矩阵式的按键开关组成。根据键盘编码给出方式的不同，键盘分为全编码键盘和非编码键盘两种类型。所谓全编码键盘是指由硬件逻辑直接提供被按键相应的ASCII 码或其他编码的键盘。这种键盘使用方便，但硬件规模会随着按键数的增加而增加，键盘的制造成本也随之增加。因此，数控系统很少采用这种键盘。所谓非编码键盘是指只提供行列矩阵位置，至于识别被按键并产生相对应的编码、消除抖动、防止串键错误等服务工作由软件或专用芯片来完成的键盘。

这种键盘

硬件费用较低，可用程序实现键盘的某些操作，灵活性大。因此，在数控系统中应用比较广泛。

关于键盘的硬件接口电路，在很多文献中有详细的介绍，这里仅对CNC 系统键盘的输入处理过程予以介绍。

1．键盘输入功能

数控机床处在不同的工作方式下，要求键盘有不同的输入功能。为了便于操作人员检查与修改，一般要求显示器同步显示键盘输入的内容。在编辑方式下，键盘可以输入加工程序，即输入相应的字符，并对其进行编辑和存储。在运行方式下，键盘可以输入各种有关命令，对机床及外围设备进行控制，修订刀具参数以及工艺参数，使数控机床的加工更符合实际需要。

2．键盘的输入处理

键盘输入各种信息是通过中断方式来实现的。每按一次键，不论它是MDI 键盘的键还是操作面板的键，中断系统都会向CNC 装置中的CPU 发出中断请求。当CPU 响应中断后，由中断服务程序读入操作人员从键盘输入的内容，其处理过程如图2-4所示。如果键盘输入的是加工程序，中断服务程序将输入的字符转换成内码并存入MDI 缓冲器；若键盘输入的是命令，则转入相应的键盘命令处理程序。

输入命令的格式，对于具体的数控系统而言是事先约定好的。一般每一个键盘命令都含有一个命令结束符，当检测到

MDI 缓冲器的字符为结束符时，则表明一条完整的键盘命令已经装入缓冲器，此时可以转入该命令的处理程序。在键盘处理命令中，有一个重要的功能就是数控加工程序的键盘编辑处理功能，它包括数控加工程序的插入、删除、替换、修改等操作。一般这些操作是在CRT 显示器的配合下进行的。在执行编辑程序后，输入需检索的程序段号，编辑程序在光标移动的配合下，迅速检索该程序段并将其显示出来，等待编辑命令的输入，以便进行进一步的处理。

三、存储器方式输入

CNC 系统也可以通过存储器来获取数控加工程序，这种方式称为存储器方式输入。数控加工程序可存放在外部存储器中。例如：软磁盘或硬磁盘等磁性载体，称为外存储器方式。也可存放在内部存储器中，即CNC 装置内部的存储器，称为内存储器方式。

在内存储器方式中，数控加工程序缓冲器和数控加工程序存储器在本质上都是CNC 装置内部存储器的一部分，一般采用随机访问存储器(RAM)，只是这两者的规模和作用有些不同，为了便于分析问题，按它们各自的作用分别命名而已。

数控加工程序存储器用于存放整个数控加工程序。一般这种存储器的容量较大，有时还设计一个专用的存储器板供系统配置时选用。为了便于管理该存储器中各个数控加工程序，在这个存储器中还建立了程序目录区，同时在目录区中按约定格式存放每一个数控加工程序的有关信息，主要有对应的程序名称、该程序在存储区中存放的首末地址等，如图2-5所示。

在调用某个数控加工程序时，根据调用命令指定的程序名称查阅目录。若指定的程序不

在目录表中，则认为编程出错，否则将该程序的首末地址取出存放到指定的单元，然后逐段取出并执行被调用的程序，直至取完为止。

数控加工程序缓冲器的存储容量较小，一般只存放一个或几个程序段。但它是数控加工程序输入输出通道上极其重要的组成部分。在加工时，数控加工缓冲器中的程序段直接与后续的译码程序相联系。当缓冲器每次只能容纳一个程序段时，缓冲器的管理操作很简单，但当缓冲器能存放多个程序段时，就应对缓冲器配置相应的管理程序，并按先入先出的顺序原则管理缓冲器。

四、通信方式输入

现代CNC 装置一般都配置了标准通信接口，使得数控机床能够方便地与编程机或微型计算机相连，进行点对点的通信，从而实现数控加工程序、工艺参数的传送。随着工厂自动化（FA ）和计算机集成制造系统（CIMS ）的发展，CNC 装置作为分布式数控系统（DNC ）及柔性制造系统（FMS ）的基础组成部分，应该具有与DNC 计算机或上位主计算机以及网络直接通信的功能。

所谓通信是指计算机与计算机或计算机与外部设备之间的信息交换。按信息交换方式的不同，通信方式可分为并行通信和串行通信。并行通信是指数据各位同时传送的通信方式，串行通信则指数据各位按序一位一位地传送方式。由此可见，并行通信效率高，但每个数据位必须占用一条传输线，当数据位数较多时，会大大增加传输成本。串行通信效率较并行通信低，但数据传送仅需一至两条传输线，传输成本较低。

随着微型计算机的发展和应用，总线结构在微机数控系统中占有重要的地位。所谓总线就是各种信号线的集合，它是系统内各插件之间或系统与系统之间的标准信息通道。在数控系统中通过总线可以实现与上位计算机或其他外部设备之间的通信。

有些数控系统不仅有串行通信接口，而且还配置了网络接口或者数据高速通道等接口，使得数控系统与外部的信息交换渠道更畅通。

例如：FANUC 15系列的CNC 装置，不仅配置有RS-422接口，而且还可配置MAP3.0接口接入MAP 工业局域网络。SINUMERIK 850/880系列的CNC 装置，除了配置有RS-232C 接口以外，还配置了SinecH1和SinecH2网络接口。SinecH1网络类似于Ethernet （以太网），遵循IEE802.3协议，而SinecH2网络则遵循MAP3.0协议（与IEE802.4相符合）。A-B 公司的8600系列CNC 装置配置有小型DNC 接口、远距离输入/输出接口以及相当于工业局域网络通信接口的数据高速通道。

综上所述，从广义上讲数控加工程序的输入都是针对缓冲器而言的，它可能是数控加工程序缓冲器，也可能是MDI 缓冲器。为此，现将数控加工程序的输入过程汇总成如图2-6所示。

五、数控加工程序的存储

数控加工程序在输入后可以采取直接存储，即按输入代码的先后次序直接存放，也可以将输入的代码按先后次序转换成内码后存放。当采用直接存储方式时，键盘的中断服务程序占时少，但译码速度受到限制，特别是ISO 代码和EIA 代码并用的数控机床更是如此。转换成内码后存储，可使译码速度加快。

由于ISO 代码和EIA 代码均有水平校验，因此，补偶或补奇后ISO 代码、EIA 代码具有排列规律不明显的特点。为了便于后续的译码处理，将ISO 代码和EIA 代码转变成具有一定规律的数控内部代码（简称为内码），使得ISO 代码、EIA

代码与内码有对应的关系。内码

是按属性加编码构成的内部代码。所谓属性是指代码的分类，ISO与EIA代码大致可分为数字码、字母码、功能码三大类。常用的ISO与EIA代码在内码中属性标识用0、1、2等来标注，见表2-1。所谓编码则是该种属性代码的排序码，对于数字码而言，按大小顺序排序，对于字母码和功能码则按数控加工程序段中各个地址符出现的先后顺序排列。

表2-1 常用数控加工代码及对应内码

（*）在EIA代码中EOR的字符为ER；在ISO代码中EOR的字符为%。

现以实例来说明数控加工程序的存储。例如：采用ISO代码编写的程序段如下：

N05 G90 G01 X203 Y-17 F46 M03 LF （2-1）已知该程序段在数控加工程序存储器中存放的首地址为2000H，那么，该程序段在存储器中的内码存储见表2-2。

表2-2 数控加工程序存储区内部信息

由于内码的使用，使得ISO代码、EIA代码在译码前具有统一的格式，并将各种属性的代码加以区分，从而可加快译码的速度。