第10章 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)

1、school of automation engineering school of automation engineering 1. 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制的基本概念計(jì)算機(jī)數(shù)值控制的基本概念 n數(shù)值控制（數(shù)值控制（numerical control，即，即nc，簡稱數(shù)控），簡稱數(shù)控） ，就是將被加工的機(jī)械零件的相關(guān)要求，通過相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以數(shù)值形式來表示諸如形狀、尺寸、精度等信息，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制裝置所能夠接受的指令信號傳送到電子控制裝置，由該控制裝置驅(qū)動機(jī)床刀具（或工作臺、加工零件）等運(yùn)動而加工出所要求的零件。n計(jì)算機(jī)數(shù)值控制計(jì)算機(jī)數(shù)值控制 （computer numerical c

2、ontrol ，即，即cnc）,將計(jì)算機(jī)與數(shù)值控制直接結(jié)合起來，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)值計(jì)算，并直接發(fā)出控制指令參與控制過程，也稱為數(shù)值程序控制。 school of automation engineeringn一般地，所謂計(jì)算機(jī)數(shù)值程序控制計(jì)算機(jī)數(shù)值程序控制，就是計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序控制生產(chǎn)機(jī)械（如各種加工機(jī)床）或繪圖儀等按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動距離和運(yùn)動速度等規(guī)律自動地完成相關(guān)工作的自動化控制方法。n 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)（如柔性制造與計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)）的重要支撐技術(shù)。school of automation engineering2. 數(shù)值控制

3、基本原理數(shù)值控制基本原理 為了加工或繪制一條曲線，一般需要經(jīng)過以下步驟: n曲線分段曲線分段 為數(shù)值計(jì)算的方便，將待加工曲線分為若干線段，既可以是直線段，也可以是曲線段 。n插補(bǔ)計(jì)算插補(bǔ)計(jì)算 插補(bǔ)計(jì)算，就是由給定線段的基點(diǎn)坐標(biāo)，求得該線段中間點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)值計(jì)算方法。插補(bǔ)計(jì)算的基本原則是通過給定的基點(diǎn)坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn)，而這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段。 理論上，插補(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補(bǔ)運(yùn)算過程和加快插補(bǔ)速度，常用的是直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。school of automation engineeringn折線逼近折線逼近 把插補(bǔ)運(yùn)算過

4、程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號的形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓。 每個(gè)脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)走一步為一個(gè)（mm脈沖），或，用x和y來表示，通常取xy。 顯然，步長越小，折線就越逼近于理想的直線段。 school of automation engineering3. 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)一般組成計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)一般組成 n一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的一般 包括程序編制 、輸入裝置、數(shù)值控制裝置、伺服驅(qū)動與位置檢測、輔助控制裝置、機(jī)床本體等組成。school of automation engineering4. 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)計(jì)算

5、機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu) n開環(huán)數(shù)值控制開環(huán)數(shù)值控制 n閉環(huán)數(shù)值控制閉環(huán)數(shù)值控制n半閉環(huán)數(shù)值控制半閉環(huán)數(shù)值控制 school of automation engineering5. 數(shù)值控制系統(tǒng)的控制方式數(shù)值控制系統(tǒng)的控制方式 只要求控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，即工件加工點(diǎn)準(zhǔn)確定位，不要求具體路徑、速度、方向等，在移動過程中不做任何加工，只是在準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后才開始加工。 控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要求刀具相對于工件平行某一坐標(biāo)軸作直線運(yùn)動，且在運(yùn)動過程中進(jìn)行切削加工。 能夠控制刀具沿工件輪廓曲線不停地運(yùn)動，并在運(yùn)動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式借助于插補(bǔ)器，根據(jù)加工的工件輪廓向每一個(gè)坐標(biāo)

6、軸分配速度指令，以獲得圖紙坐標(biāo)之間的中間點(diǎn)。school of automation engineeringn定義定義 所謂逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)，就是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，從而決定下一步的進(jìn)給方向。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就向軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的里面，下一步就向軌跡的外面走。這樣走一步、比較一次、決定下一步的走向，以便逼近給定軌跡，即“一步一比較，步步來逼近”，故稱為逐點(diǎn)比較插補(bǔ)。 school of automation engineering1. 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理 n偏差計(jì)算偏差計(jì)算 根據(jù)逐點(diǎn)比較法插

7、補(bǔ)原理，必須把每一插值點(diǎn)（動點(diǎn)）的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置間的偏差計(jì)算出來，根據(jù)偏差的正、負(fù)決定下一步的走向，來逼近給定軌跡。因此，偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法中關(guān)鍵的一個(gè)步驟。 n 第一象限內(nèi)直線插補(bǔ)第一象限內(nèi)直線插補(bǔ) 直線oa將第一象限平面分成兩個(gè)區(qū)域，三個(gè)點(diǎn)集:第一個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)第一個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)m在直線在直線oa上，有上，有 ee0mmy xx y第二個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)第二個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)m 在直線在直線oa上方，有上方，有 ee0mmy xx y第三個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)第三個(gè)點(diǎn)集，動點(diǎn)m”在直線在直線oa下方，有下方，有 ee0mmy xx yschool of automation engineeringe

8、emmmfy xx y 若fm0，表明點(diǎn)m在oa直線上； fm0，表明點(diǎn)m在oa直線上方； fm0，表明點(diǎn)m在oa直線下方。 從直線的起點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)fm0時(shí)，沿x軸方向走一步；當(dāng)fm0時(shí)，沿y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)（xe，ye）相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到信號，停止插補(bǔ)。school of automation engineering 設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)。當(dāng)fm0時(shí)，表明m點(diǎn)在oa上或oa的上方，此時(shí)應(yīng)沿x方向進(jìn)給一步，走一步后新的坐標(biāo)值為: mmmmyyxx111該點(diǎn)的偏差為：emememememmyfyxxyyxxyf )1( 111school of automation engi

9、neering 同理，當(dāng)fm0時(shí)，應(yīng)向y 方向進(jìn)給一步，該點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差分別為：111mmmmxxyy111 (1) mmememememefyxxyyxxyfxschool of automation engineeringn終點(diǎn)判斷方法終點(diǎn)判斷方法 ：設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器nxy，寄存x、y兩個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)給的總步數(shù)，x 和 y 坐標(biāo)每進(jìn)給一步， nxy就減1，直到nxy 減到零，就達(dá)到終點(diǎn)。 ：設(shè)置nx、ny兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，在加工開始前，在nx、ny計(jì)數(shù)器中分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值xe、ye。加工時(shí)，x坐標(biāo)每進(jìn)給一步，就在nx計(jì)數(shù)器中減去1，y坐標(biāo)每進(jìn)給一步，就在ny計(jì)數(shù)器中減去1，直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器

10、中的數(shù)都減到零，就到達(dá)終點(diǎn)。 school of automation engineeringn直線插補(bǔ)步驟直線插補(bǔ)步驟 ：判斷上一步進(jìn)給后的偏差是f0還是f0； ：根據(jù)所在象限和偏差判別的結(jié)果，決定進(jìn)給坐標(biāo)軸及其方向； ：計(jì)算進(jìn)給一步后新的偏差，作為下一步進(jìn)給的偏差判別依據(jù)； ：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1，判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，到達(dá)終點(diǎn)則停止運(yùn)算；若沒有到達(dá)終點(diǎn)，返回。如此不斷循環(huán)直到到達(dá)終點(diǎn)。 school of automation engineering第一象限直線插補(bǔ)流程圖 school of automation engineering 例例10.1 設(shè)加工第一象限直線oa，起點(diǎn)坐標(biāo)為

11、o（0，0），終點(diǎn)坐標(biāo)為a（6，4），試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并畫出其進(jìn)給軌跡圖。 xe6，ye4， 進(jìn)給總步數(shù): nxy| 60 | 40 |10， f00， xoy =1 插補(bǔ)計(jì)算過程如下表所示： school of automation engineering直線插補(bǔ)過程步數(shù)步數(shù)偏差判別偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算偏差計(jì)算終點(diǎn)判斷終點(diǎn)判斷起點(diǎn)起點(diǎn) f00 nxy101f00 x f1f0ye04=4 nxy92f10y f2f1xe462 nxy83f20 x f3f2ye24=2 nxy74f30y f4f3xe264 nxy65f40 x f5f4ye440 nxy56f50 x f6f

12、5ye04 =4 nxy47f60y f7f6xe462 nxy3school of automation engineeringn進(jìn)給軌跡如圖school of automation engineering四象限的直線插補(bǔ)四象限的直線插補(bǔ) 不同象限直線插補(bǔ)的偏差符號和進(jìn)給方向如圖不同象限直線插補(bǔ)的偏差符號和進(jìn)給方向如圖 ；計(jì)算時(shí)，公式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算時(shí)，公式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和和ye均采用絕對值。均采用絕對值。 school of automation engineering四象限的直線插補(bǔ)進(jìn)給方向與偏差計(jì)算公式四象限的直線插補(bǔ)進(jìn)給方向與偏差計(jì)算公式 school of automatio

13、n engineering四象限直線插補(bǔ)流程圖四象限直線插補(bǔ)流程圖 school of automation engineering2. 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)原理 將將定義為定義為22222ryxrrfmmmmfm0 ，表明加工點(diǎn)，表明加工點(diǎn)m在圓弧上；在圓弧上；fm0 ，表明加工點(diǎn)，表明加工點(diǎn)m在圓弧外；在圓弧外；fm0 ，表明加工點(diǎn)，表明加工點(diǎn)m在圓弧內(nèi)。在圓弧內(nèi)。 school of automation engineering（2）插補(bǔ)規(guī)則）插補(bǔ)規(guī)則n當(dāng)fm0時(shí)，向x軸方向進(jìn)給一步，并計(jì)算新的偏差；n當(dāng)fm0時(shí)，向y軸方向進(jìn)給一步，并計(jì)算新的偏差；n如此，一步步計(jì)算

14、，一步步進(jìn)給，并在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停止。school of automation engineering（3）偏差計(jì)算簡化）偏差計(jì)算簡化n當(dāng)fm0時(shí)，應(yīng)沿x軸方向進(jìn)給一步，到m1點(diǎn)，其坐標(biāo)值為 111mmmmxxyy新點(diǎn)的偏差為22222111(1)21mmmmmmmfxyrxyrfx 同理，當(dāng)fm0時(shí)，新加工點(diǎn)的偏差為22222111(1)21 mmmmmmmfxyrxyrfyschool of automation engineering（4）第一象限逆圓弧插補(bǔ)步驟）第一象限逆圓弧插補(bǔ)步驟 n偏差判別n坐標(biāo)進(jìn)給n偏差計(jì)算n坐標(biāo)計(jì)算n終點(diǎn)判斷與直線插補(bǔ)計(jì)算不同，圓弧插補(bǔ)在偏差計(jì)算的同時(shí)，要進(jìn)行動點(diǎn)

15、瞬時(shí)坐標(biāo)值的計(jì)算，以便為下一點(diǎn)的偏差計(jì)算做好準(zhǔn)備。school of automation engineering第一象限逆圓弧插補(bǔ)的流程圖 school of automation engineering如表所示 【例【例2】 設(shè)加工第一象限，已知圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)為a（4，0），終點(diǎn)坐標(biāo)為b（0，4），試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出進(jìn)給軌跡圖。0004408xyeenxxyy步數(shù)步數(shù)偏差判別偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別終點(diǎn)判別起點(diǎn)f00 x04，y00 nxy81f00 xf1f02x017x1x013，y10 nxy72f10y f2f12y116x23，y2y11

16、1 nxy63f20y f3f22y213x33，y3y212 nxy54f30y f4f32y312x43，y4y313 nxy45f40 xf5f42x413x5x412，y53 nxy36f50y f6f52y514x62，y6y514 nxy2school of automation engineeringn進(jìn)給軌跡圖 school of automation engineeringn第一象限順圓弧插補(bǔ)原理第一象限順圓弧插補(bǔ)原理 若偏差fm0，沿 y 軸方向進(jìn)給一步，新加工點(diǎn)的坐標(biāo)為 (xm , ym1) ，偏差為121 mmmyff 若fm0，向x軸方向進(jìn)給一步，新加工點(diǎn)的坐標(biāo)為(x

17、m 1, ym) ，偏差為121 mmmxffschool of automation engineeringn四象限圓弧插補(bǔ)四象限圓弧插補(bǔ) sr=順圓弧nr=逆圓弧四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)的對稱關(guān)系四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)的對稱關(guān)系 圓弧插補(bǔ)中，沿對稱軸的進(jìn)給的方向相同，沿非對稱軸的進(jìn)給的方向相反。school of automation engineering偏差計(jì)算公式偏差計(jì)算公式n所有對稱圓弧的偏差計(jì)算公式，只要取起點(diǎn)坐標(biāo)的，均與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的偏差計(jì)算公式相同。 school of automation engineering程序?qū)崿F(xiàn)流程程序?qū)崿F(xiàn)流程 其中，r 存放圓弧類型值。 所有坐標(biāo)

18、均采用絕對值參與運(yùn)算 school of automation engineering1.1.步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)工作原理三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 school of automation engineering：a相磁極與1、3號齒對齊；：由于磁力線作用，b相磁極與2、4號齒對齊；：由于磁力線作用，c相磁極與1、3號齒對齊；：由于磁力線作用，a相磁極與2、4號齒對齊。school of automation engineering 、 等。 、（） abca，或，或 acba（） abbccaab 或或 accbbaacaabbbcccaa 或或 aacccbbbaaschool o

19、f automation engineeringn輸入一個(gè)電脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角s ，對于步進(jìn)電機(jī)的三相單三拍工作方式，每切換一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為1/3齒距角，經(jīng)過一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子走了3步，轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。 mkznzn 360360zs 式中：z轉(zhuǎn)子齒數(shù)； n步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，nmk； m定子繞組相數(shù)； k與通電方式有關(guān)的系數(shù)， 單相通電方式 k1，單、雙相通電方式k2 school of automation engineering2. 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算機(jī)控制 n步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般組成 school of automation engineeringn步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的作用是將計(jì)算機(jī)輸出的控制脈沖進(jìn)行功率放大，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作所需要的勵磁電流。 school of automation engineeringn步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配 school of automation engineering 以x軸步進(jìn)電機(jī)控制為例，假定pa0、pa1、pa2