專利名稱：一種數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種數(shù)控加工機(jī)床中使用的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)的自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具備插補(bǔ)功能，現(xiàn)有的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，加工復(fù)雜零件的表面曲線或者曲面輪廓?jiǎng)t通過直線或圓弧插補(bǔ)的組合加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。如著名的德國(guó)siemensA2100系統(tǒng)、日本fanuc 18i、21i系統(tǒng)、德國(guó)heidenhain TNC 410M、426M系統(tǒng)及其它機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，能夠進(jìn)行二維與三維或者說是兩坐標(biāo)與三坐標(biāo)的直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)平面圓弧的插補(bǔ)，但是不具備三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的空間圓弧插補(bǔ)功能。原因是三坐標(biāo)空間圓弧插補(bǔ)方法和裝置復(fù)雜、技術(shù)難度大，目前的數(shù)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)直接加工復(fù)雜形狀曲面的要求。其不足之處主要表現(xiàn)為在加工復(fù)雜零件的三維空間曲線或曲面時(shí)，數(shù)控機(jī)床只能用直線插補(bǔ)或者平面圓弧插補(bǔ)逼近，從而造成數(shù)控加工程序的極大增加，大量的數(shù)控加工程序段的調(diào)用、傳輸和加載，使數(shù)控加工過程的可靠性降低，從而影響了零件加工精度和加工效率。
對(duì)此，有人提出了一種多軸數(shù)控系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)控制方法，該數(shù)控系統(tǒng)由一臺(tái)微機(jī)和數(shù)個(gè)單片機(jī)控制單元組合而成，控制單元與所需控制加工軸個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)，數(shù)控系統(tǒng)將待加工曲面分解成小段曲面、每一小段曲面再分解為各運(yùn)動(dòng)軸的單元位移段、計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸在每一位移段相對(duì)于一個(gè)虛擬基準(zhǔn)軸的位移量進(jìn)行線性插補(bǔ)運(yùn)算，由計(jì)算機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行操作控制。該方法解決了單片機(jī)控制單元段的多軸聯(lián)動(dòng)控制難題，但此法的插補(bǔ)程序較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中制約了機(jī)床加工速度的提高，相應(yīng)該方法的數(shù)控裝置電路復(fù)雜、成本較高，操作系統(tǒng)復(fù)雜、加工精度難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的問題是克服現(xiàn)有數(shù)控加工機(jī)床中插補(bǔ)裝置的不足而提供一種能直接進(jìn)行曲面加工、成本較低的數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置。
本實(shí)用新型的問題是這樣解決的一種數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，它由單片機(jī)1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4、程序存儲(chǔ)器2、可編程接口電路3、D/A轉(zhuǎn)換器6構(gòu)成，所述單片機(jī)為CPU80CI96，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為讀寫存儲(chǔ)器RAM6264，與單片機(jī)相應(yīng)端口相接，所述程序存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器EPROM27256，與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接，所述可編程接口電路為8255A，相應(yīng)接口與單片機(jī)的串行接口輸出端相接，三個(gè)并行接口A口、B口、C口分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DA0809、信號(hào)放大器K接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
上述數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，所述可編程接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器可采用可編程定時(shí)器5代替，可編程定時(shí)器采用8253，所述單片機(jī)的串行接口輸出端與定時(shí)器電路的相應(yīng)接口相接，定時(shí)器的三個(gè)脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
本實(shí)用新型在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)計(jì)算時(shí)采用周期插補(bǔ)方式，插補(bǔ)過程分兩次完成。在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)，數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)首先進(jìn)行粗插補(bǔ)計(jì)算，算出各坐標(biāo)在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的增量，然后由接口硬件完成各坐標(biāo)增量值的精插補(bǔ)輸出，把各坐標(biāo)插補(bǔ)增量轉(zhuǎn)變成電平或脈沖控制信號(hào)送給機(jī)床伺服系統(tǒng)，拖動(dòng)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀具，完成加工運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床及設(shè)備的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)空間圓弧插補(bǔ)和平面、空間直線或平面圓弧插補(bǔ)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下述優(yōu)點(diǎn)1.采用二維平面的插補(bǔ)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了三維插補(bǔ)；2.可實(shí)現(xiàn)圓弧曲面的直接加工，二維、三維插補(bǔ)均可，可根據(jù)需要輸出電平、脈沖兩種信號(hào)；3.電路簡(jiǎn)單，制造成本大大降低，加工速度提高；4.周期插補(bǔ)。軟件計(jì)算一段，硬件加工一段，時(shí)間分割，數(shù)控程序簡(jiǎn)化，加工速度、精度提高。本實(shí)用新型可用于現(xiàn)有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)或配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用。


圖1是本實(shí)用新型的電原理圖；圖2是三坐標(biāo)空間圓弧曲線坐標(biāo)變換示意圖；圖3是相交多邊形圓弧插補(bǔ)示意圖；圖4是內(nèi)接多邊形示意圖(圖中e為多邊形對(duì)圓弧的允許逼近誤差)；圖5是插補(bǔ)程序框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明CPU采用80C196KC，插補(bǔ)計(jì)算程序和精插補(bǔ)輸出控制程序存儲(chǔ)在可擦除的只讀存儲(chǔ)器EPROM27256中，圓弧曲線起點(diǎn)和終點(diǎn)等數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的串行接口輸入讀寫存儲(chǔ)器RAM6264中，插補(bǔ)程序通過插補(bǔ)計(jì)算算出x、y、z坐標(biāo)軸的周期插補(bǔ)增量，精插補(bǔ)控制程序?qū)、y、z坐標(biāo)插補(bǔ)增量分別送入可編程并行接口8255A的A口、B口和C口，8255A的A口、B口和C口的坐標(biāo)插補(bǔ)增量通過3個(gè)DA0832芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并經(jīng)三個(gè)信號(hào)放大器KX、KY、KZ放大后輸出控制數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)移動(dòng)的電平信號(hào)；或者根據(jù)要求，精插補(bǔ)控制程序?qū)⒆鴺?biāo)插補(bǔ)增量分別送入可編程定時(shí)器8253，由定時(shí)器T1、定時(shí)器T2和定時(shí)器T3輸出對(duì)應(yīng)坐標(biāo)增量的插補(bǔ)脈沖，利用脈沖信號(hào)控制數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)的移動(dòng)。輸出電平控制信號(hào)或者脈沖控制信號(hào)，可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)的要求而定。通過數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)，拖動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或刀具，完成加工運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)空間圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)。
本發(fā)明中的圓弧插補(bǔ)具體計(jì)算方法為，設(shè)經(jīng)過某段曲線球面的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)O，圓弧曲線可以看成球面和過球面圓心平面π的交線的一部分。在坐標(biāo)系O-xyz中，空間圓弧曲線的起點(diǎn)為p0(x0，y0，z0)，終點(diǎn)為pn(xn，yn，zn)。為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，在平面π上建立新坐標(biāo)系O-uvw，新坐標(biāo)系的原點(diǎn)與原坐標(biāo)系O-xyz的原點(diǎn)重合，新坐標(biāo)系的Ou、Ov坐標(biāo)軸在平面π上，Ow坐標(biāo)軸取平面π的法線方向。這樣，在坐標(biāo)系O-xyz中的空間圓弧曲線在新坐標(biāo)系O-uvw中變換成為平面π上的一條平面圓弧曲線，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)分別為p0(u0，v0)和pn(un，vn)。根據(jù)空間直角坐標(biāo)變換原理，具有相同原點(diǎn)的兩坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系完全由他們的坐標(biāo)軸之間的夾角，也就是坐標(biāo)向量之間的夾角來(lái)決定。設(shè)Ox軸與Ou、Ov、Ow軸的夾角分別為α1、α2和α3，Oy、Oz軸與Ou、Ov、Ow軸的夾角分別為β1、β2、β3和γ1、γ2、γ3，則能得到如下坐標(biāo)變換公式 在新坐標(biāo)系O-uvw中，圓弧曲線的w坐標(biāo)恒等于零，即在坐標(biāo)系O-xyz中表示的空間圓弧曲線在坐標(biāo)系O-uvw中轉(zhuǎn)換成為了一平面圓弧曲線。確定Ou、Ov坐標(biāo)軸，利用上式及方向余弦之間的關(guān)系，可以計(jì)算出圓弧曲線在坐標(biāo)系O-uvw中的起點(diǎn)坐標(biāo)p0(u0，v0)和終點(diǎn)坐標(biāo)pn(un，vn)。以p0(u0，v0)和pn(un，vn)為圓弧起點(diǎn)和終點(diǎn)作平面圓弧插補(bǔ)。
插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，采用相交多邊形(或內(nèi)接多邊形，但不如前者效果好)逼近圓弧，其中相交多邊形的每一個(gè)線段的兩個(gè)端點(diǎn)在圓弧的外面。設(shè)圓弧曲線的半徑為R，多邊形對(duì)圓弧的允許逼近誤差為e，當(dāng)線段的端點(diǎn)和中點(diǎn)對(duì)圓弧的逼近誤差相等時(shí)，線段對(duì)圓弧逼近達(dá)到了最大長(zhǎng)度，從而取得最佳的逼近效果。經(jīng)推導(dǎo)整理后，得到圓弧周期插補(bǔ)遞推運(yùn)算公式為(2)ui+1＝Rcos(βi+α)＝aui-bvi，vi+1＝Rsin(βi+α)＝aui+bvi (i＝0，1，2，……n-2).(2)公式中常數(shù)
a=R2-6Re+e2(R+e)2,]]>b=4(R-e)Re(R+e)2.]]>根據(jù)直角坐標(biāo)變換原理，利用下式，可以將公式(2)計(jì)算出來(lái)的平面圓弧插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)(ui+1，vi+1)變換到原坐標(biāo)系O-xyz中，得到公式(3) 公式(3)給出的就是三坐標(biāo)空間圓弧周期遞推插補(bǔ)的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值，用本次插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值分別減去上次插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值，就得到了本次圓弧插補(bǔ)的各坐標(biāo)增量。上述方法實(shí)現(xiàn)了三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)空間圓弧的數(shù)控粗插補(bǔ)計(jì)算。
插補(bǔ)計(jì)算程序和精插補(bǔ)輸出控制程序存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中。
以下給出本實(shí)用新型進(jìn)行插補(bǔ)的兩個(gè)具體實(shí)例例1設(shè)空間圓弧中心在坐標(biāo)系原點(diǎn)o，圓弧允許逼近誤差為e＝0.001mm，圓弧半徑R＝280mm，圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)x0＝257.741，y0＝58.215，，z0＝92.630；圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)xn＝109.405，yn＝232.131，z0＝112.009；圓弧周期插補(bǔ)次數(shù)為n＝112次，最大插補(bǔ)誤差0.0012mm。
例2設(shè)空間圓弧中心在坐標(biāo)系原點(diǎn)o，圓弧允許逼近誤差為e＝0.001mm，圓弧半徑R＝500mm，圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)x0＝469.846，y0＝-171.01，z0＝0.066；圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)xn＝8.726，yn＝489.074，z0＝103.589；圓弧周期插補(bǔ)次數(shù)為n＝336次，最大插補(bǔ)誤差0.0014mm。
權(quán)利要求1.一種數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，其特征在于，它由單片機(jī)[1]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[4]、程序存儲(chǔ)器[2]、可編程接口電路[3]、D/A轉(zhuǎn)換器[6]構(gòu)成；所述單片機(jī)為CPU80C196，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為讀寫存儲(chǔ)器RAM6264，與單片機(jī)相應(yīng)端口相連，所述程序存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器EPROM27256，與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接，所述可編程接口電路為8255A，相應(yīng)接口與單片機(jī)的串行接口輸出端相接，三個(gè)并行接口A口、B口、C口分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器D/A0809、信號(hào)放大器K接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，其特征在于，所述可編程接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器采用定時(shí)器8253代替，定時(shí)器電路的相應(yīng)接口與單片機(jī)的串行接口輸出端相接，定時(shí)器的三個(gè)脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
專利摘要一種數(shù)控三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，屬控制技術(shù)領(lǐng)域，用于克服現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行曲面加工之不足。它由單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、可編程接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器及信號(hào)放大器構(gòu)成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器分別與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接；可編程接口電路與單片機(jī)的串行接口輸出端相接，三個(gè)并行接口分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器而后送數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)，根據(jù)需要可以輸出脈沖或者電平控制信號(hào)。本實(shí)用新型可大大降低成本、提高加工精度和速度，且易于操作?？捎糜诂F(xiàn)有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)或者配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用。
文檔編號(hào)G05B19/41GK2650189SQ20032011111
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者韓慶瑤 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)