第3章 數(shù)字控制技術(shù).ppt

1、計(jì)算機(jī)控制Computer Control Technology,任課教師：衛(wèi) 星,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(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 3.3 多軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù),數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性制造（FM）和計(jì)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,順序控制按時(shí)序或事序規(guī)定工作的自動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)地完成工作的自動(dòng)

2、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(bǔ)器等四大部分組成。其中,控制器和插補(bǔ)器功能以及部分輸入輸出功能由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。,3.1.2 數(shù)字控制原理,3.1.2 數(shù)字控制原理,Step1 將圖分割成三段。,Step3 把插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號(hào)形式去控制該方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)畫筆、刀具或者線電極運(yùn)動(dòng)，從而繪出圖形或加工出符合要求的輪廓來(lái)。,Step2 當(dāng)給定a,b,c,d各點(diǎn)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(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡(jiǎn)化插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)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。,直

3、線插補(bǔ)是指在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來(lái)逼近，也就是由此定出中間點(diǎn)連接起來(lái)的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。,二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來(lái)逼近，也就是實(shí)際的中間點(diǎn)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(diǎn)位控制控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，即工件加工點(diǎn)準(zhǔn)確定位。,2. 直線控制控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，同時(shí)要求刀具相對(duì)于工件平行某一直角坐標(biāo)軸做直線運(yùn)動(dòng)。,3. 輪廓控制控制刀具沿工件輪廓曲線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)環(huán)數(shù)字控制,沒(méi)有反饋檢測(cè)元件，

4、工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)裝置來(lái)決定。 由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活，更易于實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)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(dòng)元件，反饋測(cè)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(yùn)算、插補(bǔ)及控制功能均由專用硬件來(lái)完成。,2. 開(kāi)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

5、網(wǎng)絡(luò)背景下的數(shù)控系統(tǒng),3.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理,逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)比較插補(bǔ)。 逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來(lái)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(gè)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(zhǎng)）取得足夠小，就可達(dá)到加工精度的要求。,3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),（1）偏差計(jì)算公式 在第一象限想加工出直線段OA，取直線段的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，直線段終點(diǎn)坐標(biāo)(xe，ye)是

6、已知的。 點(diǎn)m(xm,ym)為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)），若點(diǎn)m在直線段OA 上，則有 ym*xe-xm*ye0 定義直線插補(bǔ)的偏差判別式為Fmymxe-xmye 若Fm0，表明點(diǎn)m在OA直線段上； 若Fm0，表明點(diǎn)m在OA直線段的上方，即點(diǎn)m處； 若Fm0，表明點(diǎn)m在OA直線段的下方，即點(diǎn)m處。 由此可得第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是：從直線的起點(diǎn)（即坐標(biāo)原點(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(hào)，停止插補(bǔ)。,1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ),3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ),下面推導(dǎo)簡(jiǎn)化的偏差計(jì)

7、算公式： 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上方，應(yīng)沿x方向進(jìn)一步至(m1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為 xm+1=xm+1 ym+1=ym 該點(diǎn)的偏差為 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =Fm-ye 設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm0時(shí)，表明m點(diǎn)在OA下方，應(yīng)向y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為 xm+1=xm ym+1=ym+1 該點(diǎn)的偏差為 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe 簡(jiǎn)化后偏差計(jì)算公式中只有一次加法或減法運(yùn)算，新的加工點(diǎn)的偏差Fm+1都可以由前一點(diǎn)偏差Fm和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。 F00

8、。,3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ),（2）終點(diǎn)判斷方法,設(shè)置Nx和Ny兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，在加工開(kāi)始前，在Nx和Ny計(jì)數(shù)器中分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和ye，在x坐標(biāo)（或y坐標(biāo)）進(jìn)給一步時(shí)，就在Nx計(jì)數(shù)器（或Ny計(jì)數(shù)器）中減去1，直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的數(shù)都減到零時(shí)，到達(dá)終點(diǎn)。 用一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，寄存x和y兩個(gè)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(diǎn)。,3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ),（3）插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程,插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，每走一步，都要進(jìn)行以下四個(gè)步驟的插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程，即 偏差判別判別加工點(diǎn)對(duì)規(guī)定幾何軌跡的偏離位置 坐標(biāo)進(jìn)給

9、根據(jù)判別結(jié)果控制某坐標(biāo)工作臺(tái)進(jìn)給一步 偏差計(jì)算計(jì)算新的加工點(diǎn)對(duì)規(guī)定軌跡的偏差 終點(diǎn)判斷 判別是否到達(dá)規(guī)定軌跡的終點(diǎn)，到達(dá)則停止插補(bǔ)，否則返回第一步,3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),2四個(gè)象限的直線插補(bǔ),用L1、L2、L3、L4分別表示第、象限的直線。為適用于四個(gè)象限直線插補(bǔ)，插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)用X，Y代替X，Y，偏差符號(hào)確定可將其轉(zhuǎn)化到第一象限，動(dòng)點(diǎn)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(shí)，進(jìn)給都是沿X軸，不管是X向還是X向，X的絕對(duì)值增大； （3）F0時(shí)，進(jìn)給都是沿Y軸，不論Y向還是Y向，Y的絕對(duì)值增大。,3.2.1

10、 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),2四個(gè)象限的直線插補(bǔ),3.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),3. 直線插補(bǔ)計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn),（1）數(shù)據(jù)的輸入及存放 在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中開(kāi)辟六個(gè)單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分別存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)xe、終點(diǎn)縱坐標(biāo)ye、總步數(shù)Nxy、加工點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)的正、負(fù)符號(hào)來(lái)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(diǎn)比較法直線插補(bǔ),（2）直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程,例31設(shè)加工第一

11、象限直線OA，起點(diǎn)為O(0，0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為A(6，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖。 解坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy=|6-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1.,軌跡如圖,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ),設(shè)要加工逆圓弧AB，圓弧的圓心在坐標(biāo) 原點(diǎn)，并已知圓弧的起點(diǎn)為A(x0,y0)，終點(diǎn) B(xe,ye)，圓弧半徑為R。 由圖所示的第一象限逆圓弧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(diǎn)m在圓弧上；Fm0，表明加工點(diǎn)在圓弧外；Fm0，表明加工點(diǎn)

12、在圓弧內(nèi)。 由此可得第一象限逆圓弧逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的原理是：從圓弧的起點(diǎn)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(jì)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(jì)算新的偏差。如此一步步計(jì)算和一步步進(jìn)給，并在到達(dá)終點(diǎn)后停止計(jì)算，就可插補(bǔ)出圖所示的第一象限逆圓弧AB 。,（1）偏差計(jì)算公式,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ),簡(jiǎn)化的偏差計(jì)算公式 設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm0時(shí)，應(yīng)沿-x方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為 ： xm+1=xm-1 ym+1=ym 新的加工點(diǎn)的偏差為 Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1

13、)2+ym2-R2=Fm-2xm+1 設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm0時(shí)，應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為： xm+1=xm ym+1=ym+1 新的加工點(diǎn)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(diǎn)的偏差和坐標(biāo)值，就可求出新的一點(diǎn)的偏差。因?yàn)榧庸c(diǎn)是從圓弧的起點(diǎn)開(kāi)始，故起點(diǎn)的偏差F00。,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ),（2）終點(diǎn)判斷方法 圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判斷方法和直線插補(bǔ)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(gè)計(jì)數(shù)

14、器，每走一步，從Nxy中減1，當(dāng)Nxy=0時(shí)發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)。 （3）插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程 圓弧插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程比直線插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程多一個(gè)環(huán)節(jié)，即要計(jì)算加工點(diǎn)瞬時(shí)坐標(biāo)（動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)）值。,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ),五個(gè)步驟 Step1 偏差判別 Step2 坐標(biāo)進(jìn)給 Step3 偏差計(jì)算 Step4 坐標(biāo)計(jì)算 Step5 終點(diǎn)判斷,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),2四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ),（1）第一象限順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算 第一象限順圓弧CD，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，并已知起點(diǎn)C(x0,y0)，終點(diǎn)D(xe,ye),如圖所示。設(shè)加工點(diǎn)現(xiàn)處于m(xm,ym)點(diǎn)， 若Fm0,則沿-y方向進(jìn)給一步，

15、到(m+1)點(diǎn)，新加工點(diǎn)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(diǎn)， 新加工點(diǎn)的坐標(biāo)將是(xm+1,ym)，同樣可求出 新的偏差為 Fm+1=Fm+2xm+1,3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),2四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ),（2）四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ) 其它象限的圓弧插補(bǔ)可與第一象限的情況相比較而得出，因?yàn)槠渌笙薜乃袌A弧總是與第一象限中的逆圓弧或順圓弧互為對(duì)稱。 而且，對(duì)于圓弧插補(bǔ)，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(diǎn)的趨勢(shì)） 當(dāng)Fm=0, Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限） Fm+1

16、=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(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),2四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ),3.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),2四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ),舉例：設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，已知起點(diǎn)的坐標(biāo)為A(4，0)，終點(diǎn)的坐標(biāo)為B(0，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖。,3.3多軸步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù),數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)的。 靠步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動(dòng)步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù)，而刀具移動(dòng)的速度則取決于指令脈沖的頻率。 步

17、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(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一下。它是一種將電脈沖信號(hào)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(gè)電機(jī)是三相電機(jī)，有3對(duì)磁極，實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)不僅有三相，還有四相、五相等等。三對(duì)磁極分別為A、B、C，通過(guò)開(kāi)關(guān)輪流通電。 轉(zhuǎn)子：上面帶齒。為了說(shuō)明問(wèn)題，這里只畫了4個(gè)齒。（其實(shí)一般有幾十個(gè)齒） （2）工作原理 對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)的 A、B、C這三個(gè)開(kāi)關(guān)，每 個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，就會(huì)產(chǎn)生一 個(gè)脈沖，現(xiàn)在我們一塊看 一下工作過(guò)程。,3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理,初始狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)A接通

18、，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B、C相磁極形成錯(cuò)齒狀態(tài)。這就相當(dāng)于初始化。 當(dāng)開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，B接通，由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒之間的磁力線作用，產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使得轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B相磁極對(duì)齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒就和A、C相繞組磁極形成錯(cuò)齒狀態(tài)。 開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，C接通，由于C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號(hào)之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號(hào)齒和C相磁極對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開(kāi)關(guān)C斷開(kāi)，A接通后，由于A相繞組磁極和轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒之間的磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒和A相繞組磁極對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。很明顯，這時(shí)轉(zhuǎn)子移動(dòng)了一個(gè)齒距角。,3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理,如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一拍，那對(duì)A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。對(duì)A、B、C三相輪組輪流通電一次稱為一個(gè)周期。 從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，需要三拍操作。由于按ABCA相輪流通電，則磁場(chǎng)沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動(dòng)了360空間角，而這時(shí)轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。在圖中