轨迹控制原理在数控系统中的应用

数控系统信息处理的主要任务之一是进行轨迹控制。一般情况下，用户程序给出了轨迹的起点和终点，以及轨迹的类型（即是直线、圆弧或其他曲线），并规定其走向（如圆弧是顺时针还是逆时针）。由数控系统在控制过程中计算出轨迹运动的各个中间点，这个计算过程称之为插补。即“插入”、“补上”轨迹运动的各个中间点。插补的概念与常用的“插值法”类似，只是插值法一般只求一个中间点，而插补求的是很多个中间点，而这些中间点的坐标值与理想轨迹的误差应不超过机床的分辨率。插补结果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各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。

插补工作可用硬件或软件来完成。早期的硬件数控系统（NC）中，都采用硬件的数字逻辑电路来完成插补工作。以硬件为基础的NC系统中，数控装置采用了电压脉冲作为插补点坐标增量输出，其中每一脉冲都在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动，在这种系统中，一个脉冲（P）对应着一个基本长度单位（BLU），可表示为

P=BLU

这些脉冲可用以驱动开环控制系统中的步进电动机，也可驱动闭环控制系统中的直流伺服电动机。每发送一个脉冲，工作台相对刀具移动一个基本长度单位，我们称之为脉冲当量。

脉冲当量的大小决定了加工精度，发送给每一坐标轴的脉冲数目决定了相对运动距离，而脉冲的频率代表了坐标轴速度。

在计算机数控（CNC）系统中，插补工作一般由软件完成。也有用软件进行粗插补，用硬件进行细（精）插补的CNC系统。在CNC系统中，信息以二进制形式编排、处理和存储。二进制的每一位（Bit）代表一个基本长度单位（BLU），表示为

Bit=BLU(www.xing528.com)

例如16位字可表达65536个不同的坐标轴位置。如果系统的分辨率为基本长度单位0.01mm，则这个数字表示的最大运动距离可以达到655.36mm。沿用NC系统脉冲当量的概念，一个脉冲当量与二进制的Bit等价，所以

Bit=P=BLU

即在所有CNC系统中，二进制的每一位、脉冲及基本长度单位实际上是等效的。

软件插补方法可分为基准脉冲插补和数据采样插补两类。基准脉冲插补法是模拟硬件插补的原理，它把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，驱动工作台运动。每插补一次，发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位，即脉冲当量。输出脉冲的最大速度取决于执行一次插补运算所需的时间。该方法虽然插补程序比较简单，但进给速率受到一定的限制，所以常用在进给速度不很高的数控系统或开环数控系统中。基准脉冲插补有多种方法，最常用的是逐点比较插补法、数字积分插补法等。

软件插补的第二类方法是数据采样插补法。使用数据采样插补法的数控系统，其位置伺服通过计算机及测量装置构成闭环，插补结果输出的不是脉冲，而是数据。计算机定时地对反馈回路采样，得到的采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较后，输出用误差信号去驱动伺服电动机。采样周期各系统不尽相同，一般取10ms左右。采样周期太短计算机来不及处理，太长则会损失信息从而影响伺服精度。

另外还有一种硬件和软件相结合的插补方法。把插补功能分别分配给软件和硬件插补器，前者完成粗插补，即把加工轨迹分为大的段，而硬件插补器完成精插补，进一步密化数据点，完成程序段的加工。该方法对计算机的运算速度要求不高，并可余出更多的存储空间以存储零件程序，而且响应速度和分辨率都比较高。