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摘 要：当前最主流的数控技术就是开放式数控系统，这种技术最大的特点就是能够实现开放性、可更换性、可移植性以及可伸缩性的数控功能。数控技术最关键的部分就是插补模块，她直接影响着整个数控系统的性能。本文对现在国内外的数控技术进行了梳理，针对于开放式数控系统的插补模块进行了系统的分析与研究，并给出了插补技术的改进措施。
关键词：数控机床 插补算法 精度测试
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0074-01
数控技术发展至今已经有着50多年的历程，这期间数控技术主要经历了5个重要发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。传统机床安装上数控系统之后，可以大大的提高机床的加工精度以及速度，同时提高机床的加工效率。随着相关技术的不断发展，人们对数控技术有着更高的要求，能够代替机床设计师以及操作者大脑，能够将一些特殊加工工艺以及操作技能集成的智能数控系统将是这项技术未来的发展方向。开放式数控系统大致可以分为两种结构：（1）CNC+PC主板：在传统CNC机器中直接插入一块PC主板，通过这个PC板对系统进行实时控制。对于以坐标轴运动为主要形式的实时控制是通过CNC来实现；（2）PC+运动控制板：在PC机的标准插槽中直接插入一个运动控制板，实现对运行过程的实时控制。这种结构中，PC机主要是辅助作用，进行非实时控制。虽然开放式数控系统早在上世纪90年代初就已经出现，但是随着工业水平的不断发展，越来越多的数控系统使用厂家，更多关注的是系统的运行可靠性。特别是PC系统可能出现的死机情况，是生产厂家所不能够接受的。可靠性只是使用数控系統所需要满足的一方面，之所以要使用数控技术，最为关键的还是高精度、高速度加工。现在CAD/CAM技术也在不断的发展成熟，这对于工业的推动有着相当大的作用，机械加工可以说已经进入了自动化时代。传统复杂零件的加工，高精度、高速度自动化加工技术等现代化工业水平逐渐的成为现实，数控技术使得机床的功能得到了非常大的扩展，极大地促进了制造业的变革。下面将就开放式数控系统中最为关键的部分--插补模块进行简要的介绍与分析。
1 插补算法
当前在数控系统中应用最为广泛的插补算法主要有以下两种：脉冲增量插补和数字采样插补。
（1）脉冲增量插补。
该算法最大的特点就是在每一次的插补运算结束时都会得到一个行程增量，而且仅此一个。这个增量会以脉冲的形式输出至步进电机。在实现方法上较其他算法而言简单的多，一般情况下使用加法或者位移这些简单方式就可以进行插补操作。所以不论从硬件实现，还是从运算速度上来说，这种插补算法均有着很大的优势。当前该算法还可以直接通过软件来实现，但是只出现于中等精度（0.01 mm）或中等速度（1～3 m/min）要求的CNC系统。脉冲增量插补算法需要约20余条指令才能够顺利执行，假设CPU的时钟设置为2.5 MHz，那么可以计算得出一个脉冲当量所需的时间为20μs。在脉冲当量为lμm时，极限速度就可以达到1.5 m/min。虽然通过研究可以发现上述规律，但是我们可以通过降低一定程度的精度来实现加工速度的进一步提高。
（2）数字增量插补。
该算法要求在一定的插补时间范围内，计算出立体坐标轴每一个坐标方向上的增量，也就是ΔX、ΔY以及ΔZ这三个值，而且这里的插补时间要严格控制，必须要在时间范围内计算完毕，并将计算结构发送至伺服系统，通过伺服系统来实现对移动部件运动过程的实时控制，同时移动部件必须要保证在此插补时间范围内运行完整个行程。实质上，数字增量插补算法是通过数值量来控制整个机床的运行过程，所以机床各个坐标上的运行速度是通过插补运算所得到数值量以及插补时间得到的。
2 插补技术的改进
（1）参数曲线恒速插补算法。
通常情况下，参数曲线方程的表达式为：
；；
从上式中可以直观的看出，在三维坐标轴中，每一个坐标分量均可以看作是变量u的函数。依照现代数控插补思想知道，数控插补技术不仅仅需要对零件的轮廓加工进行科学有效的控制，还需要保证加工效率以及进给速度等工艺信息得到有效的调整控制。想要达到这一目的，最简单最便捷的方法就是对参数进行均匀分割。同时我们还知道，工件的加工信息是否能够进行有效控制是用来评价插补算法是否具有实时性以及其可靠性的重要标准，所以只从有效控制加工工件的轮廓信息来评价算法的优越性显然是不足够的。只有在此前提下，更为细致的分析恒速进问题，才是最终实现恒速插补算法的重中之重。
（2）恒速插补算法的改进。
恒速插补算法中的恒速实质上是指将刀具的加工速度控制在规定的范围之内，并不是说保证速度一直处于某一个数值。相反，如果加工速度一直处于某一个数值反而会出现一些问题。譬如，当加工工件的参数曲线曲率逐渐变小时，加工效率就会因为加工速度的恒定而大幅度的降低；当参数曲线曲率逐渐变大时，恒定的加工速度会极大的影响工件轮廓的加工误差。所以恒速加工必须要与轮廓误差分析相结合，才能够实现工件加工过程的有效控制。
这里提出了基于数据采样的插补改进算法。不同的曲线参数，所对应的参数表达式也不同。我们规定曲线起点为q0（x0，y0），终点为qn（xn，yn）。按照CNC系统采样插补原理可以分析得到，实时插补的任务就是在一定的进给速度下，形成相应的插补直线段，通过这些直线段来逼近获得实际曲线，进而得到三维坐标中每一个坐标轴的进给增量。所以，上述内容可以表示如下：
；
为进给步长。
进而得到CNC系统插补周期无约束进给步长为：
T为CNC系统插补周期；
F为当前系统的进给速度。
当进行高速加工时，曲线的曲率半径一定是不断变化的，假设按照一定的速度进行加工处理，那么就会超过最大允许进给速度。因此，一定要保证进给速度与曲线曲率半径的变化一致，也就是说曲率半径减小时，进给速度要相应的自动下降，进给步长缩短。
参考文献
[1] 游有鹏，王抿，缪群华.样条曲线脉冲增量插补控制[J].制造技术与机床，2000（3）：40-43.
[2] 游有鹏，王珉，朱剑英.参数曲线的自适应插补算法[J].南京航空航天大学学报，2001（6）：66-67.
[3] 史先传.基于CAN总线的开放式数控系统硬件设计与实现[D].南京航空航天大学，2001，3.
[4] 杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005，8.
关键词：数控机床 插补算法 精度测试
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0074-01
数控技术发展至今已经有着50多年的历程，这期间数控技术主要经历了5个重要发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。传统机床安装上数控系统之后，可以大大的提高机床的加工精度以及速度，同时提高机床的加工效率。随着相关技术的不断发展，人们对数控技术有着更高的要求，能够代替机床设计师以及操作者大脑，能够将一些特殊加工工艺以及操作技能集成的智能数控系统将是这项技术未来的发展方向。开放式数控系统大致可以分为两种结构：（1）CNC+PC主板：在传统CNC机器中直接插入一块PC主板，通过这个PC板对系统进行实时控制。对于以坐标轴运动为主要形式的实时控制是通过CNC来实现；（2）PC+运动控制板：在PC机的标准插槽中直接插入一个运动控制板，实现对运行过程的实时控制。这种结构中，PC机主要是辅助作用，进行非实时控制。虽然开放式数控系统早在上世纪90年代初就已经出现，但是随着工业水平的不断发展，越来越多的数控系统使用厂家，更多关注的是系统的运行可靠性。特别是PC系统可能出现的死机情况，是生产厂家所不能够接受的。可靠性只是使用数控系統所需要满足的一方面，之所以要使用数控技术，最为关键的还是高精度、高速度加工。现在CAD/CAM技术也在不断的发展成熟，这对于工业的推动有着相当大的作用，机械加工可以说已经进入了自动化时代。传统复杂零件的加工，高精度、高速度自动化加工技术等现代化工业水平逐渐的成为现实，数控技术使得机床的功能得到了非常大的扩展，极大地促进了制造业的变革。下面将就开放式数控系统中最为关键的部分--插补模块进行简要的介绍与分析。
1 插补算法
当前在数控系统中应用最为广泛的插补算法主要有以下两种：脉冲增量插补和数字采样插补。
（1）脉冲增量插补。
该算法最大的特点就是在每一次的插补运算结束时都会得到一个行程增量，而且仅此一个。这个增量会以脉冲的形式输出至步进电机。在实现方法上较其他算法而言简单的多，一般情况下使用加法或者位移这些简单方式就可以进行插补操作。所以不论从硬件实现，还是从运算速度上来说，这种插补算法均有着很大的优势。当前该算法还可以直接通过软件来实现，但是只出现于中等精度（0.01 mm）或中等速度（1～3 m/min）要求的CNC系统。脉冲增量插补算法需要约20余条指令才能够顺利执行，假设CPU的时钟设置为2.5 MHz，那么可以计算得出一个脉冲当量所需的时间为20μs。在脉冲当量为lμm时，极限速度就可以达到1.5 m/min。虽然通过研究可以发现上述规律，但是我们可以通过降低一定程度的精度来实现加工速度的进一步提高。
（2）数字增量插补。
该算法要求在一定的插补时间范围内，计算出立体坐标轴每一个坐标方向上的增量，也就是ΔX、ΔY以及ΔZ这三个值，而且这里的插补时间要严格控制，必须要在时间范围内计算完毕，并将计算结构发送至伺服系统，通过伺服系统来实现对移动部件运动过程的实时控制，同时移动部件必须要保证在此插补时间范围内运行完整个行程。实质上，数字增量插补算法是通过数值量来控制整个机床的运行过程，所以机床各个坐标上的运行速度是通过插补运算所得到数值量以及插补时间得到的。
2 插补技术的改进
（1）参数曲线恒速插补算法。
通常情况下，参数曲线方程的表达式为：
；；
从上式中可以直观的看出，在三维坐标轴中，每一个坐标分量均可以看作是变量u的函数。依照现代数控插补思想知道，数控插补技术不仅仅需要对零件的轮廓加工进行科学有效的控制，还需要保证加工效率以及进给速度等工艺信息得到有效的调整控制。想要达到这一目的，最简单最便捷的方法就是对参数进行均匀分割。同时我们还知道，工件的加工信息是否能够进行有效控制是用来评价插补算法是否具有实时性以及其可靠性的重要标准，所以只从有效控制加工工件的轮廓信息来评价算法的优越性显然是不足够的。只有在此前提下，更为细致的分析恒速进问题，才是最终实现恒速插补算法的重中之重。
（2）恒速插补算法的改进。
恒速插补算法中的恒速实质上是指将刀具的加工速度控制在规定的范围之内，并不是说保证速度一直处于某一个数值。相反，如果加工速度一直处于某一个数值反而会出现一些问题。譬如，当加工工件的参数曲线曲率逐渐变小时，加工效率就会因为加工速度的恒定而大幅度的降低；当参数曲线曲率逐渐变大时，恒定的加工速度会极大的影响工件轮廓的加工误差。所以恒速加工必须要与轮廓误差分析相结合，才能够实现工件加工过程的有效控制。
这里提出了基于数据采样的插补改进算法。不同的曲线参数，所对应的参数表达式也不同。我们规定曲线起点为q0（x0，y0），终点为qn（xn，yn）。按照CNC系统采样插补原理可以分析得到，实时插补的任务就是在一定的进给速度下，形成相应的插补直线段，通过这些直线段来逼近获得实际曲线，进而得到三维坐标中每一个坐标轴的进给增量。所以，上述内容可以表示如下：
；
为进给步长。
进而得到CNC系统插补周期无约束进给步长为：
T为CNC系统插补周期；
F为当前系统的进给速度。
当进行高速加工时，曲线的曲率半径一定是不断变化的，假设按照一定的速度进行加工处理，那么就会超过最大允许进给速度。因此，一定要保证进给速度与曲线曲率半径的变化一致，也就是说曲率半径减小时，进给速度要相应的自动下降，进给步长缩短。
参考文献
[1] 游有鹏，王抿，缪群华.样条曲线脉冲增量插补控制[J].制造技术与机床，2000（3）：40-43.
[2] 游有鹏，王珉，朱剑英.参数曲线的自适应插补算法[J].南京航空航天大学学报，2001（6）：66-67.
[3] 史先传.基于CAN总线的开放式数控系统硬件设计与实现[D].南京航空航天大学，2001，3.
[4] 杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005，8.