CN2650189Y - 一种数控三坐标圆弧插补装置 - Google Patents

Abstract

一种数控三坐标圆弧插补装置，属控制技术领域，用于克服现有数控系统进行曲面加工之不足。它由单片机、数据存储器、程序存储器、可编程接口电路、D/A转换器及信号放大器构成，数据存储器和程序存储器分别与单片机的相应端口相接；可编程接口电路与单片机的串行接口输出端相接，三个并行接口分别经D/A转换器、信号放大器而后送数控机床的伺服系统，根据需要可以输出脉冲或者电平控制信号。本实用新型可大大降低成本、提高加工精度和速度，且易于操作。可用于现有机床数控系统或者配置相应外围设备构成机床数控系统使用。

Description

一种数控三坐标圆弧插补装置

技术领域

本实用新型属控制技术领域，具体地说涉及一种数控加工机床中使用的三坐标圆弧插补装置。

背景技术

数控机床是先进的自动化机械加工设备，与普通机床相比，数控机床具备插补功能，现有的机床数控系统具有直线和圆弧插补功能，加工复杂零件的表面曲线或者曲面轮廓则通过直线或圆弧插补的组合加工来实现。如著名的德国siemensA2100系统、日本fanuc 18i、21i系统、德国heidenhain TNC 410M、426M系统及其它机床数控系统产品，能够进行二维与三维或者说是两坐标与三坐标的直线插补和两坐标平面圆弧的插补，但是不具备三坐标联动的空间圆弧插补功能。原因是三坐标空间圆弧插补方法和装置复杂、技术难度大，目前的数控系统不能实现直接加工复杂形状曲面的要求。其不足之处主要表现为在加工复杂零件的三维空间曲线或曲面时，数控机床只能用直线插补或者平面圆弧插补逼近，从而造成数控加工程序的极大增加，大量的数控加工程序段的调用、传输和加载，使数控加工过程的可靠性降低，从而影响了零件加工精度和加工效率。

对此，有人提出了一种多轴数控系统及联动控制方法，该数控系统由一台微机和数个单片机控制单元组合而成，控制单元与所需控制加工轴个数对应，数控系统将待加工曲面分解成小段曲面、每一小段曲面再分解为各运动轴的单元位移段、计算各运动轴在每一位移段相对于一个虚拟基准轴的位移量进行线性插补运算，由计算机根据运算结果对运动轴进行操作控制。该方法解决了单片机控制单元段的多轴联动控制难题，但此法的插补程序较为复杂，在实际应用中制约了机床加工速度的提高，相应该方法的数控装置电路复杂、成本较高，操作系统复杂、加工精度难以保证。

发明内容

本实用新型所要解决的问题是克服现有数控加工机床中插补装置的不足而提供一种能直接进行曲面加工、成本较低的数控三坐标圆弧插补装置。

本实用新型的问题是这样解决的：

一种数控三坐标圆弧插补装置，它由单片机1、数据存储器4、程序存储器2、可编程接口电路3、D/A转换器6构成，所述单片机为CPU80CI96，所述数据存储器为读写存储器RAM6264，与单片机相应端口相接，所述程序存储器为只读存储器EPROM27256，与单片机的相应端口相接，所述可编程接口电路为8255A，相应接口与单片机的串行接口输出端相接，三个并行接口A口、B口、C口分别经D/A转换器DA0809、信号放大器K接至数控机床的伺服系统。

上述数控三坐标圆弧插补装置，所述可编程接口电路、D/A转换器可采用可编程定时器5代替，可编程定时器采用8253，所述单片机的串行接口输出端与定时器电路的相应接口相接，定时器的三个脉冲输出接口分别接至数控机床的伺服系统。

本实用新型在进行圆弧插补计算时采用周期插补方式，插补过程分两次完成。在一个插补周期内，数控系统的计算机首先进行粗插补计算，算出各坐标在一个插补周期内的增量，然后由接口硬件完成各坐标增量值的精插补输出，把各坐标插补增量转变成电平或脉冲控制信号送给机床伺服系统，拖动数控机床工作台或刀具，完成加工运动，从而实现数控机床及设备的三坐标联动空间圆弧插补和平面、空间直线或平面圆弧插补。

本实用新型与现有技术相比具有下述优点：1.采用二维平面的插补计算方法实现了三维插补；2.可实现圆弧曲面的直接加工，二维、三维插补均可，可根据需要输出电平、脉冲两种信号；3.电路简单，制造成本大大降低，加工速度提高；4.周期插补。软件计算一段，硬件加工一段，时间分割，数控程序简化，加工速度、精度提高。本实用新型可用于现有机床数控系统或配置相应外围设备构成机床数控系统使用。

附图说明

图1是本实用新型的电原理图；

图2是三坐标空间圆弧曲线坐标变换示意图；

图3是相交多边形圆弧插补示意图；

图4是内接多边形示意图(图中e为多边形对圆弧的允许逼近误差)；

图5是插补程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

CPU采用80C196KC，插补计算程序和精插补输出控制程序存储在可擦除的只读存储器EPROM27256中，圆弧曲线起点和终点等数据通过单片机的串行接口输入读写存储器RAM6264中，插补程序通过插补计算算出x、y、z坐标轴的周期插补增量，精插补控制程序将x、y、z坐标插补增量分别送入可编程并行接口8255A的A口、B口和C口，8255A的A口、B口和C口的坐标插补增量通过3个DA0832芯片进行D/A转换，并经三个信号放大器K_X、K_Y、K_Z放大后输出控制数控机床坐标移动的电平信号；或者根据要求，精插补控制程序将坐标插补增量分别送入可编程定时器8253，由定时器T1、定时器T2和定时器T3输出对应坐标增量的插补脉冲，利用脉冲信号控制数控机床坐标的移动。输出电平控制信号或者脉冲控制信号，可以根据数控机床伺服系统对控制信号的要求而定。通过数控机床的伺服系统，拖动机床工作台或刀具，完成加工运动，最终实现三坐标空间圆弧插补和直线插补。

本发明中的圆弧插补具体计算方法为，设经过某段曲线球面的圆心在坐标原点O，圆弧曲线可以看成球面和过球面圆心平面π的交线的一部分。在坐标系O-xyz中，空间圆弧曲线的起点为p0(x0，y0，z0)，终点为pn(xn，yn，zn)。为了实现坐标变换，在平面π上建立新坐标系O-uvw，新坐标系的原点与原坐标系O-xyz的原点重合，新坐标系的Ou、Ov坐标轴在平面π上，Ow坐标轴取平面π的法线方向。这样，在坐标系O-xyz中的空间圆弧曲线在新坐标系O-uvw中变换成为平面π上的一条平面圆弧曲线，其起点和终点的坐标分别为p0(u0，v0)和pn(un，vn)。根据空间直角坐标变换原理，具有相同原点的两坐标系之间的位置关系完全由他们的坐标轴之间的夹角，也就是坐标向量之间的夹角来决定。设Ox轴与Ou、Ov、Ow轴的夹角分别为α1、α2和α3，Oy、Oz轴与Ou、Ov、Ow轴的夹角分别为β1、β2、β3和γ1、γ2、γ3，则能得到如下坐标变换公式：

在新坐标系O-uvw中，圆弧曲线的w坐标恒等于零，即在坐标系O-xyz中表示的空间圆弧曲线在坐标系O-uvw中转换成为了一平面圆弧曲线。确定Ou、Ov坐标轴，利用上式及方向余弦之间的关系，可以计算出圆弧曲线在坐标系O-uvw中的起点坐标p0(u0，v0)和终点坐标pn(un，vn)。以p0(u0，v0)和pn(un，vn)为圆弧起点和终点作平面圆弧插补。

插补计算时，采用相交多边形(或内接多边形，但不如前者效果好)逼近圆弧，其中相交多边形的每一个线段的两个端点在圆弧的外面。设圆弧曲线的半径为R，多边形对圆弧的允许逼近误差为e，当线段的端点和中点对圆弧的逼近误差相等时，线段对圆弧逼近达到了最大长度，从而取得最佳的逼近效果。经推导整理后，得到圆弧周期插补递推运算公式为(2)：

ui+1＝Rcos(βi+α)＝aui-bvi，

vi+1＝Rsin(βi+α)＝aui+bvi      (i＝0，1，2，……n-2).    (2)

公式中常数

$a=\frac{R^2-6\mathrm{Re}+e^2}{{(R+e)}^2},$

$b=\frac{4(R-e)\sqrt{\mathrm{Re}}}{{(R+e)}^2}.$

根据直角坐标变换原理，利用下式，可以将公式(2)计算出来的平面圆弧插补点坐标(ui+1，vi+1)变换到原坐标系O-xyz中，得到公式(3)：

公式(3)给出的就是三坐标空间圆弧周期递推插补的插补点坐标值，用本次插补点坐标值分别减去上次插补点的坐标值，就得到了本次圆弧插补的各坐标增量。上述方法实现了三坐标联动空间圆弧的数控粗插补计算。

插补计算程序和精插补输出控制程序存储在程序存储器中。

以下给出本实用新型进行插补的两个具体实例：

例1：设空间圆弧中心在坐标系原点o，圆弧允许逼近误差为e＝0.001mm，圆弧半径R＝280mm，圆弧起点坐标x₀＝257.741，y₀＝58.215，，z₀＝92.630；圆弧终点坐标x_n＝109.405，y_n＝232.131，z₀＝112.009；圆弧周期插补次数为n＝112次，最大插补误差0.0012mm。

例2：设空间圆弧中心在坐标系原点o，圆弧允许逼近误差为e＝0.001mm，圆弧半径R＝500mm，圆弧起点坐标x₀＝469.846，y₀＝-171.01，z₀＝0.066；圆弧终点坐标x_n＝8.726，y_n＝489.074，z₀＝103.589；圆弧周期插补次数为n＝336次，最大插补误差0.0014mm。

Claims (2)

1.一种数控三坐标圆弧插补装置，其特征在于，它由单片机[1]、数据存储器[4]、程序存储器[2]、可编程接口电路[3]、D/A转换器[6]构成；所述单片机为CPU80C196，所述数据存储器为读写存储器RAM6264，与单片机相应端口相连，所述程序存储器为只读存储器EPROM27256，与单片机的相应端口相接，所述可编程接口电路为8255A，相应接口与单片机的串行接口输出端相接，三个并行接口A口、B口、C口分别经D/A转换器D/A0809、信号放大器K接至数控机床的伺服系统。

2.根据权利1所述的数控三坐标圆弧插补装置，其特征在于，所述可编程接口电路、D/A转换器采用定时器8253代替，定时器电路的相应接口与单片机的串行接口输出端相接，定时器的三个脉冲输出接口分别接至数控机床的伺服系统。

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