(完整版)逐点比较法插补程序程序设计与模拟毕业论文

大连民族学院本科毕业设计（论文）

逐点比较法插补程序程序设计与运行

模拟

学院（系）：机电信息工程学院_____

专业：机械设计制造及其自动化__

学生姓名： _________

指导教师：李文龙 __________

评阅教师：_________________________

完成日期：_________________________

大连民族学院

摘要

在数控编程时，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，但为了满足几何零件尺寸精度要求，必须在刀具（或工件）运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的在起点和终点之间的若干中间点，所以就有了插补。

本设计主要阐述了逐点比较法的基本原理，在四个象限直线、圆弧插补的插补原理以及如何实现。重点研究了逐点比较法的基本算法，控制程序的原理框图，对逐点比较法做了详细的研究，掌握基本的G代码的内容与运用，编写插补程序，并且基于vb平台演示插补过程。

从调试结果来看，本文所提供的运算与编程能够通过简洁的“输入输出”界面，较好的实现了计算机屏幕模拟。

关键词：简易数控；逐点比较法插补；G代码；VB；计算机屏幕模拟

Abstract

By-point comparison interpolation program design and run

the simulation program

In NC programming, generally only provide a description of the relevant parameters necessary for linear, but in order to meet the accuracy requirements of the geometric part size must be in the tool (or workpiece) during exercise to meet the real-time calculation and linear feed rate required at the start and some intermediate point between the endpoints, so there will be interpolated.

The design is mainly explained by-point comparison of the basic principles in the four quadrants linear and circular interpolation interpolation theory and a point by point comparison of the basic algorithm, a block diagram of the control program, right by-point comparison method to do a detailed study and master the basic content and the use of G-code, write interpolation procedures, and is based on interpolation vb platform demo process.

From the debugging results, provided computing and programming through simple "input output" interface, to achieve a better simulation of the computer screen

Keywords:Simple numerical control; interpolation point by point comparison；G code；VB；Computer simulation on the screen

目录

摘要 ........................................................................................................................... ABSTRACT....................................................................................................................目录 ...........................................................................................................................

1 绪论 ...................................................................................................................... - 1

1.1课题的背景..................................................................................................... -1

1.2课题的主要研究内容...................................................................................... -3

1.3课题的研究方案 ............................................................................................. -3

2 数控加工基本原理.................................................................................................... - 4

2.1概述................................................................................................................ -4

2.2数控编程内容................................................................................................. -4

2.3逐点比较法直线插补原理 .............................................................................. -5

2.3.1偏差计算公式........................................................................................ - 6

2.3.2插补计算过程........................................................................................ - 6

2.3.3终点判别 ............................................................................................... - 6

2.3.4不同象限的直线插补计算..................................................................... - 7

2.4逐点比较法圆弧插补原理 .............................................................................. -7

2.4.1偏差计算公式........................................................................................ - 7

2.4.2终点判别法 ........................................................................................... - 8

2.5VB基本原理 ................................................................................................... -8

3 逐点比较法总体方案设计 ...................................................................................... - 10

3.1程序设计简介............................................................................................... -10

3.2逐点比较法直线插补框图 ............................................................................ -11

3.3逐点比较法圆弧插补框图 ............................................................................ -12

4 逐点比较法方案的程序设计................................................................................... - 14

4.1逐点比较法直线插补运算 ............................................................................ -14

4.2逐点比较法圆弧插补运算 ............................................................................ -14

4.3准备功能G代码 ........................................................................................... -16

4.4插补界面设计............................................................................................... -16

5 VB调试 ................................................................................................................... - 17

5.1直线插补VB调试 .......................................................................................... -17

5.2圆弧插补VB调试 ......................................................................................... -17参考文献 .................................................................................................................... - 20附录A 直线和圆弧插补象限区分程序....................................................................... - 21致谢 .................................................................................................................... - 28

1 绪论

1.1课题的背景

数字控制简称数控，是由数字指令控制对象的一种自动控制技术。有早期使用的普遍数控系统和目前广泛使用的计算机数控系统，采用数控技术的自动控制系统称为数控系统。装备了数控系统能实现运动和加工过程自动控制的机床称为数控机床。随着生产的发展，数控技术已经广泛应用于金属切削机床、三坐标测量机、数控雕刻机等机械设备上。

数控机床起源于美国，先后经历了两个阶段六个时代的发展：电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器以及基于pc机的通用CNC系统。前三代称为一个阶段称为普通数控系统（NC系统），主要由电路的硬件和连线组成，其特点是具有很多硬件和连接特点，电路复杂，可靠性不好。后三代称为第二个阶段，称为计算机数控系统（CNC系统）主要由计算机硬件和软件组成，其突出特点是利用存储器里的软件控制系统工作，这种系统容易扩展功能，柔性好，可靠性高。现在，开放式数控系统正在快速发展。

近几年的国际、国内机床展都表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。在第八届中国国际机床展览会，国内外厂商都推出了以先进的直线电机驱动机床、五轴联动加工机床和复合加工机床作为主打参展产品。展品的另一个惊喜是加工中心的主轴转速和精度都有了显著提高。高速度和高精度是现代数控伺服驱动的要求及发展趋势，当前世界先进的交直流伺服系统性能己经大大改进，但由于受传统机械结构(即旋转电动机十滚珠丝杠)进给传动模式的限制，伺服性能指标很难有突破性的提高。但由于受传统机械结构(即旋转电动机十滚珠丝杠)进给传动

模式的限制，伺服性能指标很难有突破性的提高。直线电机高速进给单元的应用使得进给传动链及其传动结构发生了深刻的变化，当代机床的高速进给系统形成了以直线电动机直接驱动工作台为主的发展方向。提高生产率是用户永无止境的追求目标，加工中心不仅加工时间短、精度高，而且可以大大缩短生产周期，实现精益生产，满足了用户需要。高速加工中心的主轴最高转速可达到40000:min，快速移动速度可达到60mmin。复合加工，即工序复合和工种复合，在一次安装情况下完成零件的全部加工，将会是今后制造技术发展的又一个趋势。“五轴联动加工机床是加工复杂曲面的先进手段，是航空、航天、船舶等工业的重要加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化水平新的标志”

[3]。智能化、开放性、柔性化和集成化智能化人工智能技术的发展与计算机技术相结合后，极大地推进了数控系统的智能化程度，进一步改善了系统的性能、功效和可操作性。智能化运用体现在数控系统以下几个方面:追求加工效率和加工质量方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等;操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。开放性，按照IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气及电子工程师学会)的定义：“开放性控制系统应能提供这样的能力：来自不同厂商的各种平系统上实现，并能和其他系统应用相互操作，且具有一致性的用户界面。”由此定义可知，开放性CNC系统是一个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点是:互操作性；可移植性；可扩展性；互换性。对于开放性控制系统，由于标准的系统平台提供了统一的接口规范，因而不同的数控系统提供商开发的功能模块只要遵守这一规范，

就能在不同的控制平台上运行，而各个功能单元在整个系统中是相对独立的。这种结构特点使得数控系统开发商在各自功能单元的开发过程中，只要考虑本身的性能，发挥各自优势并能进行广泛的合作即可;机床制造厂可以不依赖某个数控系统开发商，而是根据需要自由的配置各种功能模块，组成最适合的控制系统;而最终用户也可以任意选择不同的供应商提供的不同的功能模块单元来构筑自己所需要的控制系统，达到最优化、最合理的系统配置。数控系统体系结构的开放性主要是为了满足数控联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控技术迅速发展的要求。比如美国的NGC和OMAC计划，欧共体的OSA以计划以及日本的OSEC计划等。柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:一方面从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车l司独立制造、FA)、体 (CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展；另一方面注重向应用性和经济性方向发展。柔性化技术是制造业适应市场动态需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势是先进制造领域的基础技术，其重点是以提高系统的可靠性、实用性为前提，以易于实现联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓、完善，使CNC单机易于向高精度、高速度和高柔性方向发展;使数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展。

数控机床有很多优点，例如具有高度柔韧性，在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。加工质量可靠，加工同一

批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。加工精度高，数控机床的加工精度，一般可达到0.005～0.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。而且生产率高利于生产管理现代化，机床一般是封闭式加工，清洁又安全。总体来说就是具有高质量高效率高柔性和负责形状加工能力这四个特点。

数控机床适应的零件有：加工精度要求高、形状负责、用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量要求的零件，用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓的零件，具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒形零件，必须在一次夹装中合并并完成铣、镗、铰或攻螺纹等多工序零件。

现代制造业对数控技术提出了更高的要求，当前数控技术以及装备发展趋势主要体现在七个方面，下面一一列出，运行高速化加工高精化，功能复合化，控制智能化，体系开放化，驱动并联化，交互网络化和造型宜人化。

1.2课题的主要研究内容

用逐点比较法设计开放式数控技术插补运算的控制程序，绘制插补控制程序的原理框图，用Vb编写并调试其控制程序。首先要明白逐点插补基本原理，会插补算法，然后逐点插补的程序的编程，最后调试，看是否能在各自象限演示插补过程。

1.3课题的研究方案

首先原理分析了解逐点比较法的基本原理,逐点比较法的基本原理是刀具（或工件）每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹,向减小偏差的方向进给。

然后偏差判别，坐标进给偏差计算终点判别，画出逐点插补程序的原理框图。其次通过加工程序，分析判断圆弧插补还是直线插补，在第几象限内的插补，顺时针还是逆时针插补等，然后调用前面编制好的子程序。

最后编写插补控制程序区域判别法插补原理G00、G01、G02、G03等代码程序，逐点插补程序的调试查找总控程序相关语法、算法错误，运行查看与预想结果之区别，调试相关程序段，编程时注重对模块化和子程序的应用。

2 数控加工基本原理

2.1概述

实际加工中零件的轮廓形状是由各种线形（如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、自由曲线）构成的。其中最主要的是直线和圆弧。数控编程时，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，为满足零件几何尺寸要求必须在刀具运动中实时计算出满足线形和进给速度要求的起点和终点之间的若干个中间点，称为插补。插补的结果是输出运动轨迹的中间点坐标值，机床伺服系统根据此坐标值控制个坐标轴协调运动，走出预定轨迹。

数控系统中，完成插补运算的装置称为插补器。插补运算可由硬件或软件来完成，早期的NC系统完全由硬件(即逻辑电路)来实现插补，在计算机数控（CNC）系统中，由软件（即程序）完成插补，具有结果简单、灵活多变、可靠性好等优点。现代计算机数控系统为了满足插补精度和插补速度，采用软件与硬件相结合的办法，由软件完成插补，硬件完成精插。

2.2数控编程内容

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。分析零件图样和制定工艺方案，这项工作的内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。数学处理，在确定了

工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。编写零件加工程序，在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。下面简单介绍一下程序编写过程中经常使用的字和字的功能：（1）字符与代码

字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。数控系统只能接受二进制信息，所以必须把字符转换成8BIT信息组合成的字节，用“0”和“1”组合的代码来表达。国际上广泛采用两种标准代码： ISO国际标准化组织标准代码；EIA美国电子工业协会标准代码。这两种标准代码的编码方法不同，在大多数现代数控机床上这两种代码都可以使用，只需用系统控制面板上的开关来选择，或用G功能指令来选择。

（2）字

在数控加工程序中，字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。如：“X2500”是一个字，X为地址符，数字“2500”为地址中的内容。

（3）字的功能

组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义，以下是以FANUC-0M 数控系统的规范为主来介绍的，实际工作中，请遵照机床数控系统说明书来使用各个功能字。

（4）准备功能字G

准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。后续数字一般为1～3位正整数. （5）尺寸字

尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。其中，第一组X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R 用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组A，B，C，D，E 用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组 I，J，K 用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。在一些数控系统中，还可以用P指令暂停时间、用R指令圆弧的半径等。

（6）程序检验

将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。

2.3逐点比较法直线插补原理

逐点比较法就是刀具（或工件）每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧，其最大误差不超过一个设定单位（脉冲当量），它运算直观，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便，在两坐标数控机床中应用较为普遍。

2.3.1偏差计算公式

假设加工如图所示第一象限的直线OA，

Y A

M’

Y

M

M

O

X

图2.1逐点比较法直线插补

直线的起点O为坐原点，终点A坐标为（X

E ,Y

E

）。设M（X

N

,Y

M

）为任

意一加工点。若M在直线OA上，则根据相似三角形的关系可得出

Y

M X

M

=Y

E

X

E

取F

M =Y

M

X

E

-X

M

Y

E

作为直线插补的偏差判别式。

若M在OA直线上，则Y

M X

M

=Y

E

X

E

，F

m

=0；

若M在OA直线的上方处，则Y

M X

M

>Y

E

X

E

，F

m

>0；

若M在OA直线的下方处，则Y

M X

M

E

X

E

，F

m

<0；

设在某加工点处，有F

m

≥0时，为了逼近给定的轨迹，应沿+X方向进给一步，走一步后新的坐标值为

X

m+1=X

M

+1,Y

M+1

=Y

M

新的偏差为

F

M+1= Y

M+1

X

E

- X

M

+1Y

E

= F

M

-Y

E

若F

M

<0，为了逼近给定轨迹，应向+Y方向进给一步，走出一步后的新坐标为

X

m+1=X

M

，Y

M+1

=Y

M

+1

新偏差为

F

M+1= F

M

+X

e

2.3.2插补计算过程

插补计算时，每走一步，都要进行以下4个步骤（又称4个节拍）的逻辑运算和算数运算，即偏差判别、坐标计算和进给、偏差计算、终点判别。

2.3.3终点判别

逐点比较法的终点判别有两种：第一种是设置X、Y两个减法计数

器，加工开始前，在X、Y计数器中分别存入终点坐标X

E 、Y

E

，在X坐标

（或Y坐标）进给一步时，就在X计数器（或Y计数器）中减去1，直到这两个计数器中的数都减到0时，便达到终点。

第二种是用一个终点计数器，寄存从起点到达终点的总步数Σ（Σ

=X

E =Y

E

），XY坐标每进给一步，Σ减去1，直到Σ为0时，就到达终点。

2.3.4不同象限的直线插补计算

上面讨论的为第一象限哦直线插补计算方法，其他三个象限的直线插补计算方法可以用相同的原理获得，如表所示，列出了四个象限的直线插补时的偏差计算公式和脉冲进给方向，注意在偏差计算时，无论哪个象限的直线，均用坐标的绝对值来计算。

表2.1四个象限的直线插补运算

2.4逐点比较法圆弧插补原理

2.4.1偏差计算公式

圆弧轨迹的形式有顺时针方向和逆时针方向的不同，也有坐标象限

的区别。现以第一象限逆圆为列讨论偏差计算公式。如图2.1

Y B

M

R

M

R A

O X

图2.2逐点比较法圆弧插补

设需要加工圆弧AB，圆弧的圆心在坐标系原点，已知圆弧的起点A

（X

O ,Y

O

），终点B（X

e

,Y

e

），圆弧半径为R。比较R

M

和R反映加工差。

R

M 2= X

m

2+Y

m

2，R2= X

o

2+Y

o

2

因此，可得圆弧偏差判别式为

F

m 2= R

M

2- R2= X

m

2+Y

m

2- R2

若F

m

=0，表明加工点在圆弧上；

若F

m

>0，表明加工点在圆弧外；

若F

m

<0，表明加工点在圆弧内。

设加工点正处于M点，若F

m

≥0，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆

弧，应沿-X方向进给一步，到m+1点，其坐标值为X

m+1=X

m

-1，Y

m+1

= Y

m

。

新加工点的偏差应为

F

m+1= X2

m+1

+ Y2

m+1

-R2=F

m

-2X

m

+1

若F

m

<0，为了逼近圆弧，应沿+Y方向进给一步，到m+1点，其坐标

值为X

m+1= X

m

，Y

m+1

= Y

m

+1，新加工点的偏差为

F

m+1= X2

m+1

+ Y2

m+1

-R2=F

m

+2Y

m

+1

因为加工是从圆弧的起点开始，起点的偏差F

=0，所以新加工点的偏差总可以根据前一点的数据来计算出来。

2.4.2终点判别法

圆弧插补的终点判别方法和直线插补基本相同，可将起点到达终点X、Y轴所所走步数的总和Σ存入一个计数器，即

Σ=｜X

e -X

｜+｜Y

e

-Y

｜

无论是X轴还是Y轴每进给一步，从Σ中减去1，当Σ=0时，便发出终点到达信号。四个象限圆弧插补计算公式

表2.2四个象限的圆弧插补计算

2.5 VB基本原理

Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言——不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨VB的开发者的数量，它源自于BASIC

编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件，程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。

VB 使得大量的外界控件有了自己的生存空间，大量的第三方控件针对 VB 提供。VB 也提供了建立、使用和重用这些控件的方法，但是由于语言问题，从一个应用程序创建另外一个并不简单。

使用Visual Basic 解决编程问题时已经可以用到其他一些Visual Studio开发工具了。Visual Basic 6.0作为Visual Studio开发工具组件，不但为程序设计提供了一个可视的程序开发环境，还提供了与其他工具集成的可能性。利用这个编程环境，单个程序开发人员可以快速的创建出一个简单的应用程序，而一个开发小组则可以创建出一个复杂的、分布式的应用程序。

VB 的中心思想就是要便于程序员使用，无论是新手或者专家。VB使用了可以简单建立应用程序的GUI 系统，但是又可以开发相当复杂的程序，VB 的程序是一种基于窗体的可视化组件安排的联合，并且增加代码来指定组件的属性和方法，因为默认的属性和方法已经有一部分定义在了组件内，所以程序员不用写多少代码就可以完成一个简单的程序。过去的版本里面 VB 程序的性能问题一直被放在了桌面上，但是随着计算机速度的飞速增加，关于性能的争论已经越来越少。