论文部分内容阅读
[摘 要]插补技术是实现轨迹控制的基础，它的任务是通过实时计算轨迹数据并最终求出各轴进给分量，从而实现精确的轨迹走线。文章主要讨论了时间分割法的直线、圆弧插补及实现过程，最后在软件上编程实现，使运动控制系统的性能更加高效、精准。
[关键词]插补技术；时间分割法；直线插补；圆弧插补
中图分类号：TD742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0310-01
插补技术是通过计算轨迹数据并最终求出运动控制系统的各轴进给分量，从而实现精确的轨迹走线。实现插补功能的硬件部件叫插补器。在早期的数控设备中，插补功能是由单纯的硬件电路完成的，缺点是灵活性和可维护性都非常差。在现在的CNC系统中，为了提高插补的精准度、可靠性、灵活性，插补由软件或者软硬件联合来实现。在要求较低的数控设备中采用软件实现插补，而在高端的数控设备中采用软硬件相结合来实现更为精确的插补，其中软件部分实现粗略插补功能，硬件部分实现精细插补功能。
一、插补算法决定数控系统加工效率和精度
在机床运动控制系统中，运动控制分为点位控制、直线控制和轮廓控制三类。点位控制又称为点到点控制，能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹。直线控制除了控制终点坐标值之外，同时还要保证运动轨迹是一条直线，这类运动不仅控制终点位置的准确定位，还要控制运动速度。轮廓控制既要保证终点坐标值，还要保证运动轨迹在两点间沿一定的曲线运动，即这类运动必须保证至少两个坐标轴进行连续运动控制。
数控系统基本都有两轴及多轴联动的功能。数控系统是根据用户的要求进行设计，按照编制好的控制算法来控制运动的。其数控系统不同，功能和控制方案也不同，所以数控系统的控制算法是设计的关键，对系统的精度和速度影响很大。
插补是数控系统中实现运动轨迹控制的核心。数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，对于简单的曲线，数控系统比较容易实现，但对于较复雜的形状，若直接生成算法会变得很复杂，计算机的工作量也会很大。因此可以采用小段直线或者圆弧去拟合，这种“数据密化”机能就是插补。插补的任务就是根据轮廓形状和进给速度的要求，在一段轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点的坐标值。插补的实质就是“数据点的密化”。
因此，在轮廓控制系统中，加工效率和精度取决于插补算法的优劣。
二、插补算法体现数控系统的核心技术
1.插补算法的研究途径
目前对插补方算法的研究有：一是基于圆弧参数方程的、以步进角为中间变量的新型圆弧插补算法；结合计算机数值运算的特点，改进了距离终点判别方法，利用下一插补点与插补终点的距离作为终点判别依据。二是割线进给代替圆弧进给的插补方法和递推公式，这种方法计算简便、快速，容易达到精度要求，避免了原来算法的近似取值的缺点，能够提高数控机床的插补精度和加工效率。三是距离判断、角度判断以及符号判断的圆弧插补终点判断方法。实验验证结果表明，在一般加减速速度条件下，这种方法可以实现圆弧插补、整圆插补的终点判断。
2.插补算法决定了路径误差
插补算法一般由插入器和升降速算法组成。插补算法的最终结果是以良好的内插值替换的，然后通过译成指令对位置进行循环控制，即控制机床主轴的运动，对未加工材料进行加工。在常规的插补算法中，每个单位时间内的移动距离是沿着X、Y、Z轴计算，并通过升降速实现进给运动。在这种情况下，路径误差是由插补生成的理想曲线轮廓和实际沿X、Y、Z轴升降速的步进间距组成的。最终这种路径误差体现在实际的数控加工过程中。另外，路径误差呈现出的不同误差情况还取决于不同的升降速方法。
3.插补信息提供了满足各种特征的功能
如果数控程序被计算机数控的主CPU解读，有关插补点与进给速度的信息都将传送到包括运动控制器在内的插补程序中。这种插补程序不仅提供直线、圆弧插补功能，还可以提供螺旋、渐开线、样条等插补功能，以便更好地满足未加工材料的二维、三维各种特征的需要。
插补程序包括生成理想曲线的插入器和用于输出的升降速算法。在沿轴心运动的控制中，升降速算法能使机械系统在开始或减慢轴向运动时不受振动或冲击。
4.常规插补算法体现其优越性
常规插补算法广泛应用于工业生产，插入器首先要计算出沿理想曲线的运动距离以及在笛卡尔坐标下偏离X、Y、Z轴的偏置值。在每个采样周期内，它要计算出单位时间内零件沿理想轮廓曲线移动的距离，以及在同一插补程序采样周期和给定的进给速度下，在单位时间内零件沿X、Y、Z轴移动的距离。然后，将计算出的这些微小距离增量传送到升降速算法器中，使其在运动控制中的输出量能很好地由输入指令传送到插入器中。常规插补算法的优越性体现在其简单易行的插入器和升降速算法。这是因为它（常规插补算法）实现了彻底的独立插补。在常规的插补算法中，升降速算法相当于一个低通滤波，使各轴之间产生一个延时，最终协调出各自的一个沿X、Y、Z轴的步长距离，产生误差。这个路径误差最终表现为与理想曲线和实际加工曲线都不同的一条曲线。此外，这种算法能根据不同的升降速算法呈现出不同的路径误差类型。
总之，为了使数控系统能够充分发挥其功能，高速高精度的插补算法一直是国内外科研人员研究的重点和难点。因此插补算法将成为未来数控系统中不可或缺的核心技术。
参考文献
[1] 张志强，汪文津，王太勇.基于开放式计算機数控系统的插补软件模块开发[J].机床与液压，2010，（20）.
[2] 崔铁.数控机床的嵌入式运动控制器的设计[D].沈阳：东北大学，2009.
[关键词]插补技术；时间分割法；直线插补；圆弧插补
中图分类号：TD742 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0310-01
插补技术是通过计算轨迹数据并最终求出运动控制系统的各轴进给分量，从而实现精确的轨迹走线。实现插补功能的硬件部件叫插补器。在早期的数控设备中，插补功能是由单纯的硬件电路完成的，缺点是灵活性和可维护性都非常差。在现在的CNC系统中，为了提高插补的精准度、可靠性、灵活性，插补由软件或者软硬件联合来实现。在要求较低的数控设备中采用软件实现插补，而在高端的数控设备中采用软硬件相结合来实现更为精确的插补，其中软件部分实现粗略插补功能，硬件部分实现精细插补功能。
一、插补算法决定数控系统加工效率和精度
在机床运动控制系统中，运动控制分为点位控制、直线控制和轮廓控制三类。点位控制又称为点到点控制，能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹。直线控制除了控制终点坐标值之外，同时还要保证运动轨迹是一条直线，这类运动不仅控制终点位置的准确定位，还要控制运动速度。轮廓控制既要保证终点坐标值，还要保证运动轨迹在两点间沿一定的曲线运动，即这类运动必须保证至少两个坐标轴进行连续运动控制。
数控系统基本都有两轴及多轴联动的功能。数控系统是根据用户的要求进行设计，按照编制好的控制算法来控制运动的。其数控系统不同，功能和控制方案也不同，所以数控系统的控制算法是设计的关键，对系统的精度和速度影响很大。
插补是数控系统中实现运动轨迹控制的核心。数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，对于简单的曲线，数控系统比较容易实现，但对于较复雜的形状，若直接生成算法会变得很复杂，计算机的工作量也会很大。因此可以采用小段直线或者圆弧去拟合，这种“数据密化”机能就是插补。插补的任务就是根据轮廓形状和进给速度的要求，在一段轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点的坐标值。插补的实质就是“数据点的密化”。
因此，在轮廓控制系统中，加工效率和精度取决于插补算法的优劣。
二、插补算法体现数控系统的核心技术
1.插补算法的研究途径
目前对插补方算法的研究有：一是基于圆弧参数方程的、以步进角为中间变量的新型圆弧插补算法；结合计算机数值运算的特点，改进了距离终点判别方法，利用下一插补点与插补终点的距离作为终点判别依据。二是割线进给代替圆弧进给的插补方法和递推公式，这种方法计算简便、快速，容易达到精度要求，避免了原来算法的近似取值的缺点，能够提高数控机床的插补精度和加工效率。三是距离判断、角度判断以及符号判断的圆弧插补终点判断方法。实验验证结果表明，在一般加减速速度条件下，这种方法可以实现圆弧插补、整圆插补的终点判断。
2.插补算法决定了路径误差
插补算法一般由插入器和升降速算法组成。插补算法的最终结果是以良好的内插值替换的，然后通过译成指令对位置进行循环控制，即控制机床主轴的运动，对未加工材料进行加工。在常规的插补算法中，每个单位时间内的移动距离是沿着X、Y、Z轴计算，并通过升降速实现进给运动。在这种情况下，路径误差是由插补生成的理想曲线轮廓和实际沿X、Y、Z轴升降速的步进间距组成的。最终这种路径误差体现在实际的数控加工过程中。另外，路径误差呈现出的不同误差情况还取决于不同的升降速方法。
3.插补信息提供了满足各种特征的功能
如果数控程序被计算机数控的主CPU解读，有关插补点与进给速度的信息都将传送到包括运动控制器在内的插补程序中。这种插补程序不仅提供直线、圆弧插补功能，还可以提供螺旋、渐开线、样条等插补功能，以便更好地满足未加工材料的二维、三维各种特征的需要。
插补程序包括生成理想曲线的插入器和用于输出的升降速算法。在沿轴心运动的控制中，升降速算法能使机械系统在开始或减慢轴向运动时不受振动或冲击。
4.常规插补算法体现其优越性
常规插补算法广泛应用于工业生产，插入器首先要计算出沿理想曲线的运动距离以及在笛卡尔坐标下偏离X、Y、Z轴的偏置值。在每个采样周期内，它要计算出单位时间内零件沿理想轮廓曲线移动的距离，以及在同一插补程序采样周期和给定的进给速度下，在单位时间内零件沿X、Y、Z轴移动的距离。然后，将计算出的这些微小距离增量传送到升降速算法器中，使其在运动控制中的输出量能很好地由输入指令传送到插入器中。常规插补算法的优越性体现在其简单易行的插入器和升降速算法。这是因为它（常规插补算法）实现了彻底的独立插补。在常规的插补算法中，升降速算法相当于一个低通滤波，使各轴之间产生一个延时，最终协调出各自的一个沿X、Y、Z轴的步长距离，产生误差。这个路径误差最终表现为与理想曲线和实际加工曲线都不同的一条曲线。此外，这种算法能根据不同的升降速算法呈现出不同的路径误差类型。
总之，为了使数控系统能够充分发挥其功能，高速高精度的插补算法一直是国内外科研人员研究的重点和难点。因此插补算法将成为未来数控系统中不可或缺的核心技术。
参考文献
[1] 张志强，汪文津，王太勇.基于开放式计算機数控系统的插补软件模块开发[J].机床与液压，2010，（20）.
[2] 崔铁.数控机床的嵌入式运动控制器的设计[D].沈阳：东北大学，2009.