数控系统插补算法实验

数控系统数控编程及插补算法实验一、实验目的1. 了解数控编程的基本概念；2. 了解数控编程的常用方法；3. 学习数控编程的主要步骤；4．了解插补算法的原理；5．了解插补算法在数控系统中的实现。

二、实验原理数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。

有手工编程和自动编程两种方法。

总之,它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。

2.1机床坐标系机床坐标系的确定(1) 机床坐标系的规定标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。

例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。

在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。

标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。

则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。

2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。

(2) 运动方向的规定增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，下图为数控车床上两个运动的正方向。

坐标轴方向的确定①Z坐标Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。

②X坐标X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。

确定X轴的方向时，要考虑两种情况：1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。

下图所示为数控车床的X坐标。

③Y坐标在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。

④机床原点的设置机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。

它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。

数控编程是数控加工准备阶段的主要内容，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。

总之,它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。

2.2 编程常用方法2.2.1 手工编程1.定义手工编程是指编程的各个阶段均由人工完成。

利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。

这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。

适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。

2. 编程步骤人工完成零件加工的数控工艺分析零件图纸制定工艺决策确定加工路线选择工艺参数计算刀位轨迹坐标数据编写数控加工程序单验证程序手工编程3. 优点主要用于点位加工（如钻、铰孔）或几何形状简单（如平面、方形槽）零件的加工，计算量小，程序段数有限，编程直观易于实现的情况等。

4. 缺点对于具有空间自由曲面、复杂型腔的零件，刀具轨迹数据计算相当繁琐，工作量大，极易出错，且很难校对，有些甚至根本无法完成。

2.2.2自动编程（图形交互式）1. 定义对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。

随着数控技术的发展，先进的数控系统不仅向用户编程提供了一般的准备功能和辅助功能，而且为编程提供了扩展数控功能的手段。

FANUC6M数控系统的参数编程，应用灵活，形式自由，具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现普通编程难以实现的功能。

数控编程同计算机编程一样也有自己的"语言",但有一点不同的是,现在电脑发展到了以微软的Windows为绝对优势占领全球市场.数控机床就不同了,它还没发展到那种相互通用的程度,也就是说,它们在硬件上的差距造就了它们的数控系统一时还不能达到相互兼容.所以,当我要对一个毛坯进行加工时,首先要以我们已经拥有的数控机床采用的是什么型号的系统.2. 基本步骤①分析零件图确定工艺过程对零件图样要求的形状、尺寸、精度、材料及毛坯进行分析，明确加工内容与要求；确定加工方案、走刀路线、切削参数以及选择刀具及夹具等。

②数值计算根据零件的几何尺寸、加工路线、计算出零件轮廓上的几何要素的起点、终点及圆弧的圆心坐标等。

③编写加工程序在完成上述两个步骤后，按照数控系统规定使用的功能指令代码和程序段格式，编写加工程序单。

④将程序输入数控系统程序的输入可以通过键盘直接输入数控系统，也可以通过计算机通信接口输入数控系统。

⑤检验程序与首件试切利用数控系统提供的图形显示功能，检查刀具轨迹的正确性。

对工件进行首件试切，分析误差误差产生的原因，及时修正，直到试切出合格零件。

虽然,每个数控系统的编程语言和指令各不相同,但其间也有很多相通之处.2.3 功能代码2.3.1字与字的功能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。

国际上广泛采用两种标准代码：1）ISO国际标准化组织标准代码2）EIA美国电子工业协会标准代码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。

（1）顺序号字N顺序号又称程序段号或程序段序号。

顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。

其作用为校对、条件跳转、固定循环等。

使用时应间隔使用，如N10 N20 N30……（2）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。

G00～G99（3）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。

（4）进给功能字F进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。

对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。

F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。

（5）主轴转速功能字S主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。

单位为r/min。

（6）刀具功能字T刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号,如T01。

对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用，如T0101。

（7）辅助功能字M辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，如M00～M99。

2.4 程序格式2.4.1 程序段格式一个数控加工程序是若干个程序段组成的。

程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。

程序段格式举例：N30G01X88.1Y30.2F500S3000T02M08；N40 X90；（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T02，M08”，但它们的功能仍然有效）在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：移动目标：终点坐标值X、Y、Z；沿怎样的轨迹移动：准备功能字G；进给速度：进给功能字F；切削速度：主轴转速功能字S；使用刀具：刀具功能字T；机床辅助动作：辅助功能字M。

2.4.2程序格式1）程序开始符、结束符程序开始符、结束符是同一个字符，ISO代码中是%，EIA代码中是EP，书写时要单列段。

2）程序名程序名有两种形式：一种是英文字母O（%或P）和1～4位正整数组成；另一种是由英文字母开头，字母数字多字符混合组成的程序名(如TEST1 等)。

一般要求单列一段。

3）程序主体程序主体是由若干个程序段组成的。

每个程序段一般占一行。

4）程序结束程序结束可以用M02或M30指令。

一般要求单列一段。

加工程序的一般格式举例：% // 开始符O2000 // 程序名N10 G54 G00 X10.0 Y20.0 M03 S1000 // 程序主体N20 G01 X60.0 Y30.0 F100 T02 M08N30 X80.0 ……N200 M30 // 程序结束% // 结束符2.5 插补算法在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，各式各样。

严格说来，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成。

然而，对于简单的曲线，数控装置易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成，势必会使算法变得很复杂，计算机的工作量也相应地大大增加。

因此，在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近，有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近（或称为拟合）。

所谓插补是指数据密化的过程。

在对数控系统输入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，即所谓数据密化，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，以满足加工精度的要求。

机床数控系统的轮廓控制主要问题就是怎样控制刀具或工件的运动轨迹。

无论是硬件数控（NC）系统，还是计算机数控（CNC）系统或微机数控（MNC）系统，都必须有完成插补功能的部分，只是采取的方式不同而已。

在CNC或MNC中，以软件（程序）完成插补或软、硬件结合实现插补，而在NC中有一个专门完成脉冲分配计算（即插补计算）的计算装置——插补器。

无论是软件数控还是硬件数控，其插补的运算原理基本相同，其作用都是根据给定的信息进行数字计算，在计算过程中不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲，使被控机械部件按指定的路线移动。

有关插补算法问题，除了要保证插补计算的精度之外，还要求算法简单。