第3章 數(shù)字控制技術(shù)課件.pptx

1、 計算機(jī)控制Computer Control Technology 第3章 數(shù)字程序控制技術(shù)3.1 數(shù)字控制基礎(chǔ)3.2 逐點比較法插補原理3.3 多軸步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù) 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實現(xiàn)柔性制造（FM）和計算機(jī)集成制造（CIM）的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。 3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)3.1.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況特征階段年代典型應(yīng)用工藝方法數(shù)控功能驅(qū)動特點研究開發(fā)1952l969數(shù)控車床、銑床鉆、銑床簡單工藝NC控制3軸以下步進(jìn)、液壓電機(jī)推廣應(yīng)用l970l985加工中心、電加工、鍛壓多種工藝方法CNC控制、刀具自動交換、五軸聯(lián)動、較好的人機(jī)界面直流伺服電機(jī)系統(tǒng)化l982柔性制造單元(FMU) 、柔性制

2、造系統(tǒng)(FMS)復(fù)合設(shè)計加工友好的人機(jī)界面交流伺服電機(jī)高性能集成化l990至今計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、無人化工廠復(fù)合設(shè)計加工多過程、多任務(wù)調(diào)度、模板化和復(fù)合化、數(shù)字智能化直線驅(qū)動順序控制按時序或事序規(guī)定工作的自動控制方式。數(shù)字控制系統(tǒng)用代表加工順序、加工方式和加工參數(shù)的數(shù)字碼作為控制指令的控制系統(tǒng)。 數(shù)字程序控制計算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。數(shù)字程序控制系統(tǒng)由輸入裝置,輸出裝置,控制器和插補器等四大部分組成。其中,控制器和插補器功能以及部分輸入輸出功能由計算機(jī)承擔(dān)。3.1.2 數(shù)字

3、控制原理3.1.2 數(shù)字控制原理xyabcdStep1 將圖分割成三段。 Step3 把插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制該方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動畫筆、刀具或者線電極運動，從而繪出圖形或加工出符合要求的輪廓來。Step2 當(dāng)給定a,b,c,d各點坐標(biāo)值之后，還要確定各坐標(biāo)值之間的中間值。3.1.2 數(shù)字控制原理 從理論上講，插補的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補運算過程和加快插補速度，常用的是直線插補和二次曲線插補兩種形式。 直線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。 二次曲線插補是指在給定的兩

4、個基點之間用一條近似曲線來逼近，也就是實際的中間點連線是一條近似于曲線的折線弧。常用的二次曲線有圓弧、拋物線和雙曲線等。3.1.3 數(shù)字控制方式1. 點位控制控制刀具行程終點的坐標(biāo)值，即工件加工點準(zhǔn)確定位。2. 直線控制控制刀具行程終點的坐標(biāo)值，同時要求刀具相對于工件平行某一直角坐標(biāo)軸做直線運動。3. 輪廓控制控制刀具沿工件輪廓曲線運動，同時在運動過程中將工件加工成某一形狀。3.1.4 數(shù)字控制系統(tǒng)1. 開環(huán)數(shù)字控制 沒有反饋檢測元件，工作臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置來決定。 由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活，更易于實現(xiàn)各種插補運算和運

5、動軌跡控制。3.1.4 數(shù)字控制系統(tǒng)2.閉環(huán)數(shù)字控制 采用直流電機(jī)作為驅(qū)動元件，反饋測量元件采用光電編碼器（碼盤）、光柵、感應(yīng)同步器等，該控制方式主要用于大型精密加工機(jī)床，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于調(diào)整和維護(hù)，一些常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很少采用。3.1.5 數(shù)控系統(tǒng)的分類1. 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)硬件式數(shù)控，零件程序的輸入、運算、插補及控制功能均由專用硬件來完成。2. 開放式數(shù)控系統(tǒng)PC IN NC結(jié)構(gòu) NC IN PC結(jié)構(gòu)3. 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)背景下的數(shù)控系統(tǒng)3.2逐點比較法插補原理逐點比較法插補刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而

6、決定下一步的進(jìn)給方向。走一步、看一看，比較一次，決定下一步走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點比較插補。 逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當(dāng)量，因此只要把脈沖當(dāng)量（每走一步的距離即步長）取得足夠小，就可達(dá)到加工精度的要求。3.2.1 逐點比較法直線插補（1）偏差計算公式 在第一象限想加工出直線段OA，取直線段的起點為坐標(biāo)原點，直線段終點坐標(biāo)(xe，ye)是已知的。點m(xm,ym)為加工點（動點），若點m在直線段OA上，則有 ym*xe-xm*ye0定義直線插補的偏差判別式為Fmymxe-xmye 若Fm0，表明點m在OA直線段上；

7、若Fm0，表明點m在OA直線段的上方，即點m處；若Fm0，表明點m在OA直線段的下方，即點m處。 由此可得第一象限直線逐點比較法插補的原理是：從直線的起點（即坐標(biāo)原點）出發(fā)，當(dāng)Fm0時，沿x軸方向走一步；當(dāng)Fm0時，沿y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(biāo)(xe,ye)相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。1第一象限內(nèi)的直線插補3.2.1 逐點比較法直線插補1第一象限內(nèi)的直線插補下面推導(dǎo)簡化的偏差計算公式： 設(shè)加工點正處于m點，當(dāng)Fm0時，表明m點在OA上或OA上方，應(yīng)沿x方向進(jìn)一步至(m1)點，該點的坐標(biāo)值為 xm+1=xm+1 ym+1=ym該點的偏差為 Fm+1=ym+1xe-xm+1y

8、e=ymxe-(xm+1)ye =Fm-ye 設(shè)加工點正處于m點，當(dāng)Fm0時，表明m點在OA下方，應(yīng)向y方向進(jìn)給一步至(m+1)點，該點的坐標(biāo)值為 xm+1=xm ym+1=ym+1 該點的偏差為 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe 簡化后偏差計算公式中只有一次加法或減法運算，新的加工點的偏差Fm+1都可以由前一點偏差Fm和終點坐標(biāo)相加或相減得到。F00。3.2.1 逐點比較法直線插補1第一象限內(nèi)的直線插補（2）終點判斷方法 設(shè)置Nx和Ny兩個減法計數(shù)器，在加工開始前，在Nx和Ny計數(shù)器中分別存入終點坐標(biāo)值xe和ye，在x坐標(biāo)（或y坐標(biāo)）進(jìn)給一步時，就

9、在Nx計數(shù)器（或Ny計數(shù)器）中減去1，直到這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零時，到達(dá)終點。 用一個終點計數(shù)器，寄存x和y兩個坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy，x或y坐標(biāo)進(jìn)給一步，Nxy就減1，若Nxy0，則就達(dá)到終點。 3.2.1 逐點比較法直線插補1第一象限內(nèi)的直線插補（3）插補計算過程 插補計算時，每走一步，都要進(jìn)行以下四個步驟的插補計算過程，即 偏差判別判別加工點對規(guī)定幾何軌跡的偏離位置 坐標(biāo)進(jìn)給根據(jù)判別結(jié)果控制某坐標(biāo)工作臺進(jìn)給一步 偏差計算計算新的加工點對規(guī)定軌跡的偏差 終點判斷 判別是否到達(dá)規(guī)定軌跡的終點，到達(dá)則停止插補，否則返回第一步3.2.1 逐點比較法直線插補2四個象限的直線插補用L1、L2、L

10、3、L4分別表示第、象限的直線。為適用于四個象限直線插補，插補運算時用X，Y代替X，Y，偏差符號確定可將其轉(zhuǎn)化到第一象限，動點與直線的位置關(guān)系按第一象限判別方式進(jìn)行判別。 結(jié)論： （1） 靠近Y軸區(qū)域偏差大于零，靠近X軸區(qū)域偏差小于零。（2）F0時，進(jìn)給都是沿X軸，不管是X向還是X向，X的絕對值增大；（3）F0時，進(jìn)給都是沿Y軸，不論Y向還是Y向，Y的絕對值增大。3.2.1 逐點比較法直線插補2四個象限的直線插補偏差1象限2象限3象限4象限偏差公式Fm0+x-x-x+xFm= Fm-yeFm0+y+y-y-yFm= Fm+xe3.2.1 逐點比較法直線插補3. 直線插補計算的程序?qū)崿F(xiàn)（1）數(shù)據(jù)

11、的輸入及存放 在計算機(jī)的內(nèi)存中開辟六個單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分別存放終點橫坐標(biāo)xe、終點縱坐標(biāo)ye、總步數(shù)Nxy、加工點偏差Fm、直線所在象限值xoy和走步方向標(biāo)志。 Nxy=Nx+Ny,xoy等于1、2、3、4分別代表第一、第二、第三、第四象限，xoy的值可由終點坐標(biāo)(xe,ye)的正、負(fù)符號來確定，F(xiàn)m的初值為F00，ZF1、2、3、4分別代表+x、-x、+y、-y走步方向。 3.2.1 逐點比較法直線插補（2）直線插補計算的程序流程例31設(shè)加工第一象限直線OA，起點為O(0，0)，終點坐標(biāo)為A(6，4)，試進(jìn)行插補計算并作出走步軌跡圖。解坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy=|6

12、-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1.步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算終點判斷起點F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F10+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F30+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F60+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F80+xF10=F9-ye=0Nxy=0軌跡如圖3.2.2 逐點比較法圓弧插補1第一象限內(nèi)的圓弧插補設(shè)要加工逆圓弧AB，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點，并已知圓弧的起點為A(x0,y0)，終點B(xe,ye)，圓弧半徑為R。 由圖所示的第一象限逆圓弧

13、AB可知， Rm=xm2+ym2 R2=x02+y02 可定義偏差判別式為 FmRm-R2=xm+ym2-R2 若Fm=0，表明加工點m在圓弧上；Fm0，表明加工點在圓弧外；Fm0，表明加工點在圓弧內(nèi)。 由此可得第一象限逆圓弧逐點比較插補的原理是：從圓弧的起點出發(fā)，當(dāng)Fm0，為了逼近圓弧，下一步向-x方向進(jìn)給一步，并計算新的偏差；若Fm0，為了逼近圓弧，下一步向+y方向進(jìn)給一步，并計算新的偏差。如此一步步計算和一步步進(jìn)給，并在到達(dá)終點后停止計算，就可插補出圖所示的第一象限逆圓弧AB 。 （1）偏差計算公式3.2.2 逐點比較法圓弧插補1第一象限內(nèi)的圓弧插補簡化的偏差計算公式 設(shè)加工點正處于m(

14、xm,ym)點，當(dāng)Fm0時，應(yīng)沿-x方向進(jìn)給一步至(m+1)點，其坐標(biāo)值為 ： xm+1=xm-1 ym+1=ym 新的加工點的偏差為 Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1 設(shè)加工點正處于m(xm,ym)點，當(dāng)Fm0時，應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點，其坐標(biāo)值為： xm+1=xm ym+1=ym+1 新的加工點偏差為 Fm+1=xm+12+ym+12-R2=xm+(ym+1)2-R2=Fm2ym+1 可知，只要知道前一點的偏差和坐標(biāo)值，就可求出新的一點的偏差。因為加工點是從圓弧的起點開始，故起點的偏差F00。3.2.2 逐點比較法圓弧插補1

15、第一象限內(nèi)的圓弧插補（2）終點判斷方法 圓弧插補的終點判斷方法和直線插補相同?？蓪方向的走步步數(shù)Nx=|xe-x0|和y方向的走步步數(shù)Ny=|ye-y0|的總和Nxy作為一個計數(shù)器，每走一步，從Nxy中減1，當(dāng)Nxy=0時發(fā)出終點到信號。（3）插補計算過程 圓弧插補計算過程比直線插補計算過程多一個環(huán)節(jié)，即要計算加工點瞬時坐標(biāo)（動點坐標(biāo)）值。 3.2.2 逐點比較法圓弧插補1第一象限內(nèi)的圓弧插補五個步驟Step1 偏差判別Step2 坐標(biāo)進(jìn)給Step3 偏差計算Step4 坐標(biāo)計算Step5 終點判斷3.2.2 逐點比較法圓弧插補2四個象限的圓弧插補（1）第一象限順圓弧的插補計算 第一象限順圓

16、弧CD，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點，并已知起點C(x0,y0)，終點D(xe,ye),如圖所示。設(shè)加工點現(xiàn)處于m(xm,ym)點， 若Fm0,則沿-y方向進(jìn)給一步，到(m+1)點，新加工點坐標(biāo)將是(xm,ym-1)，可求出新的偏差為 Fm+1=Fm-2ym+1 若Fm0，則沿+x方向進(jìn)給一步至(m+1)點，新加工點的坐標(biāo)將是(xm+1,ym)，同樣可求出新的偏差為 Fm+1=Fm+2xm+13.2.2 逐點比較法圓弧插補2四個象限的圓弧插補（2）四個象限的圓弧插補 其它象限的圓弧插補可與第一象限的情況相比較而得出，因為其它象限的所有圓弧總是與第一象限中的逆圓弧或順圓弧互為對稱。 而且，對于圓弧插補，

17、我們也是要先首先清楚第一步的走步方向，后面的就很容易了。（總是趨近于原點的趨勢） 當(dāng)Fm=0, Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限） Fm+1=Fm-2xm+1（第二、四象限） 當(dāng)Fm0, Fm+1=Fm+2xm+1（第一、三象限） Fm+1=Fm+2ym+1（第二、四象限） 3.2.2 逐點比較法圓弧插補2四個象限的圓弧插補3.2.2 逐點比較法圓弧插補2四個象限的圓弧插補舉例：設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，已知起點的坐標(biāo)為A(4，0)，終點的坐標(biāo)為B(0，4)，試進(jìn)行插補計算并作出走步軌跡圖。 步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算坐標(biāo)計算終點判斷起點F0=0 x0=0,y0=0Nxy=81F0=

18、0-xF1=F0-2x0+1=-7x1=x0-1=3,y1=0Nxy=72F10+yF2=F1+2y1+1=-6x2=3,y2=y1+1=1Nxy=63F20+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=y2+1=2Nxy=54F30-xF5=F4-2x4+1=-3x5=x4-1=2,y5=3Nxy=36F5=0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,y6=y5+1=4Nxy=27F60-xF8= 7-2x7+1=0 x8=x7-1=0,y8=4Nxy=03.3多軸步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動元件常常是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)類中比較特殊的一種，它是靠脈沖來驅(qū)動的。 靠步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動的數(shù)

19、控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù)，而刀具移動的速度則取決于指令脈沖的頻率。 步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)的變化，而是跳躍的，離散的。 步進(jìn)電機(jī)：脈沖電機(jī)，給一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一下。它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電式數(shù)模（DA）轉(zhuǎn)換器。 3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理（1）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子：定子上有繞組，教材上這個電機(jī)是三相電機(jī)，有3對磁極，實際上步進(jìn)電機(jī)不僅有三相，還有四相、五相等等。三對磁極分別為A、B、C，通過開關(guān)輪流通電。 轉(zhuǎn)子：上面帶齒。為了說明問題，這里只畫了4個齒。（其實一般有幾十個齒）（2）工作原理 對于三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C這三個開關(guān)，每個開關(guān)閉合，就會產(chǎn)生一個脈沖

20、，現(xiàn)在我們一塊看一下工作過程。3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 初始狀態(tài)時，開關(guān)A接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B、C相磁極形成錯齒狀態(tài)。這就相當(dāng)于初始化。 當(dāng)開關(guān)A斷開，B接通，由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號齒之間的磁力線作用，產(chǎn)生一個扭矩，使得轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B相磁極對齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號齒就和A、C相繞組磁極形成錯齒狀態(tài)。 開關(guān)B斷開，C接通，由于C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號齒和C相磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān)C斷開，A接通后，由于A相繞組磁極和轉(zhuǎn)子1、3號齒之間的磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子1、3號

21、齒和A相繞組磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的0、2號齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。很明顯，這時轉(zhuǎn)子移動了一個齒距角。3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 如果對一相繞組通電的操作稱為一拍，那對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。對A、B、C三相輪組輪流通電一次稱為一個周期。從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距，需要三拍操作。由于按ABCA相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動了360空間角，而這時轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置。在圖中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4，故齒距角90，轉(zhuǎn)動了一個齒距也即轉(zhuǎn)動了903.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理齒踞角和步踞角對于一個步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，它的齒距角Z為 Z=2Z=360/Z 而步進(jìn)電機(jī)運行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。步進(jìn)電機(jī)的步距角可以表示如下 =ZN=360/(NZ)其中：N是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。對于三相步進(jìn)電機(jī)，若采用三拍方式，則它的步距角是 =360/(34)=30對于轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機(jī)而言，其步距角是 =360/(340)=33.3.2 步進(jìn)電機(jī)的工作方式單三拍工作方式 ABCA 2. 雙三拍工作方式 AB BC CA AB 3. 三相六拍工作方式A