第五章 數(shù)字控制技術(shù)(2014).ppt

1、1.數(shù)字控制（NC）是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)。 2. NC廣泛應(yīng)用在各種機(jī)床的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 3. 數(shù)控機(jī)床具有加工特別復(fù)雜形狀和加工工件、并且精度高、重復(fù)性好、效率高等特點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床代表先進(jìn)生產(chǎn)力、是實(shí)現(xiàn)柔性制造和計(jì)算機(jī)集成制造的關(guān)鍵方向。 本章介紹： 數(shù)字控制基礎(chǔ)、曲線插補(bǔ)原理、數(shù)控裝置的步進(jìn)控制技術(shù)。,第5章 數(shù)字控制技術(shù),數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用-數(shù)控機(jī)床,5 September 2020,-3-,第5章 數(shù)字控制技術(shù),5.1 數(shù)字控制基礎(chǔ) 5.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 5.3 多軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 5.4 多軸伺服驅(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（Flexible

2、Manufacturing，F(xiàn)M）和 計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。,5 September 2020,-4-,5.1 數(shù)字控制基礎(chǔ),定義： 數(shù)字控制生產(chǎn)機(jī)械由數(shù)字計(jì)算機(jī)給定數(shù)字信號(hào)，按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)完成工作的控制方式。,5.1.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況,1952年由MIT牽頭開(kāi)發(fā)、目的是實(shí)現(xiàn)二維高精度和高效率 零件加工、早期用數(shù)字邏輯電路控制，計(jì)算機(jī)發(fā)展后，用計(jì)算 機(jī)和程序代替控制裝置。 出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control CNC）.,5 Sep

3、tember 2020,-5-,表 5.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀,5 September 2020,-6-,歸納總結(jié)：,1. 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成： 數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、可編程控制器、和檢測(cè)裝置等。 2. 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，有特殊計(jì)算機(jī)（或PLC）承擔(dān)。 數(shù)控裝置-能接受零件圖樣加工要求的信息、進(jìn)行插值運(yùn)算、并實(shí)時(shí)向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度和運(yùn)動(dòng)指令。 驅(qū)動(dòng)裝置-快速響應(yīng)跟蹤指令信號(hào)。 檢測(cè)裝置-實(shí)際檢查坐標(biāo)值，反饋給調(diào)節(jié)裝置，及時(shí)糾正運(yùn)動(dòng)偏差。,5 September 2020,-7-,5.1.2 數(shù)字控制原理,按時(shí)序或事序規(guī)定工作的自動(dòng)控制成為順序控制。 用代表加工順序、加工方式和加工參數(shù)的數(shù)

4、字碼作為控制指令的數(shù)字控制系統(tǒng)（numericalcontrolsystems）。 所謂數(shù)字程序控制 就是計(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)控制。 數(shù)字程序控制主要應(yīng)用于機(jī)床控制,采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機(jī)床叫做數(shù)控機(jī)床。 組成: 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。 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)。,5 September 2020,-8-,x,y,a,b,c,d,當(dāng)給定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值之后，如何確定各坐標(biāo)值之間的中間值?,求得這些中

5、間值的數(shù)值計(jì)算方法稱為插值或插補(bǔ)。 插補(bǔ)計(jì)算的宗旨是通過(guò)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。,首先用計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)下面平面圖形，以此來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)字程序控制的基本原理。,5 September 2020,-9-,直線插補(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。,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)

6、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。,5 September 2020,-10-,圖5-2所示是一段用折線逼近直線的直線插補(bǔ)方法。,圖5.2 用折線逼近直線段,5 September 2020,-11-,歸納小結(jié)：,1. 直線插補(bǔ)法常用的有： 逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法（DDA）、數(shù)字脈沖乘法器等。 2. 逐點(diǎn)比較法使用最廣。 二次曲線插補(bǔ)法： 圓弧法、拋物線法、雙曲線等 圓弧法使用較多。,5 September 2020,-12-,5.1.3 數(shù)字控制方式,點(diǎn)位控制 點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，要求刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，移動(dòng)過(guò)程中不做加工。到了終點(diǎn)坐標(biāo)后才開(kāi)始加工。 主要是鉆床、鏜

7、床和沖床等孔加工業(yè)務(wù)。,2. 直線控制 也是控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值。不過(guò)還要求刀具相對(duì)于某一坐標(biāo)值作直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)行切削加工。 如：銑床、車床和磨床等,5 September 2020,-13-,3. 輪廓控制 要控制刀具沿工件輪廓曲線不斷運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將工件加工成某一種形狀。需要根據(jù)插補(bǔ)器計(jì)算結(jié)果修訂運(yùn)動(dòng)方向，距離和速度等。 如銑床、車床、切割機(jī)等等。,以上三種控制方式中： 點(diǎn)位控制最為簡(jiǎn)單。 直線控制（多用于切削 控制）要邊運(yùn)行邊加工， 走直線，控制較為復(fù)雜。 輪廓切割需要準(zhǔn)確加工 完成復(fù)雜的曲線加工，控制 電路更為復(fù)雜，需要進(jìn)行插 補(bǔ)計(jì)算和判斷。,5 Septemb

8、er 2020,-14-,5.1.4 數(shù)字控制系統(tǒng),1.開(kāi)環(huán)數(shù)字控制 2.閉環(huán)數(shù)字控制 ,由于控制原理不同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化很大。,5 September 2020,-15-,1. 開(kāi)環(huán)數(shù)字控制,這種控制結(jié)構(gòu)沒(méi)有反饋檢測(cè)元件，工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)來(lái)的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，把刀具移動(dòng)到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢?，至于刀具是否到達(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種控制的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。,5 September 2020,-16-,

9、2. 閉環(huán)數(shù)字控制,這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流電機(jī)（小慣量伺服電機(jī)和寬調(diào)速力矩電機(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(pán)）、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。,5 September 2020,-17-,5.1.5 數(shù)控系統(tǒng)的分類,傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) 又叫硬件式數(shù)控，零件程序的輸入、運(yùn)算、插補(bǔ)及控制均由硬件來(lái)完成，這是一種封閉體系結(jié)構(gòu)。功能簡(jiǎn)單，柔性適應(yīng)性差。 2. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) （1）把PC和NC聯(lián)系在儀器，既有原數(shù)控系統(tǒng)工作可靠，比原系統(tǒng)開(kāi)放靈活，人機(jī)界面靈活，方便使用。 （2）運(yùn)動(dòng)控制卡插入PC，就可

10、以構(gòu)成一套可單獨(dú)使用的數(shù)控系統(tǒng)。具有可靠、功能強(qiáng)大、性能好的特定，獲得廣泛使用。,5 September 2020,-18-,3. 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng) 是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化，信息技術(shù)應(yīng)用提高了生產(chǎn)規(guī)模和加工效率。 目前數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線（有線和無(wú)線），現(xiàn)代化生產(chǎn)模式發(fā)展迅速。,網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)可以方便組建大型計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工中心,5 September 2020,-19-,5.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理,所謂逐點(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，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

11、方向。如果原來(lái)在給定軌跡的下方，下一步就向給定軌跡的上方走，如果原來(lái)在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走，。如此，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。 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。 5.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) 5.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),5 September 2020,-20-,5.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ) （1）偏差計(jì)算公式 ：偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步

12、。 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 xm/ymxe/ye 即 ym*xe-xm*ye0 現(xiàn)定義直線插補(bǔ)的偏差 判別式為 Fmymxe-xmye,斜率相同,5 September 2020,-21-,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

13、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)。,5 September 2020,-22-,下面推導(dǎo)簡(jiǎn)化的偏差計(jì)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+

14、xe,但： 如果按前面5-1 式計(jì)算偏差，運(yùn)算復(fù)雜，速度受到影響。,5 September 2020,-23-,（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)。,簡(jiǎn)化后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。特別注意，加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)

15、的偏差是已知的，即F00。,5 September 2020,-24-,（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 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判斷,5 September 2020,-25-,2.四個(gè)象限的直線插補(bǔ),5 September 2020,-26-,3.直線插補(bǔ)運(yùn)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

16、、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。 （2）直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程 下圖為直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程圖，該圖按照插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程的四個(gè)步驟即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算程序。偏差判別、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判斷是邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，容易編寫(xiě)程序，而坐標(biāo)進(jìn)給通常是給步進(jìn)電機(jī)發(fā)走步脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或刀具移動(dòng)。,5 September 2020,-27-,5 September 2020,-28-,【例51】設(shè)加工第一象限直線OA，起點(diǎn)為O(0, 0)，終點(diǎn)坐標(biāo)

17、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。 根據(jù)插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算和偏差計(jì)算公式，得到插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如表5-3所示：,5 September 2020,-29-,表5-3 插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果,5 September 2020,-30-,直線插補(bǔ)后的走步軌跡如下圖：,圖5-8 直線插補(bǔ)走步軌跡圖,5 September 2020,-31-,5.2.2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ),1第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ) （1）偏差計(jì)算公式 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

18、,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 （式5-4）,5 September 2020,西電科大信息處理研究所課件制作,-32-,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)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3-9所示的第一象限逆圓弧AB。 按3-4式，每次計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)，計(jì)算復(fù)雜（有乘法、開(kāi)方等）,5 September 2020,-33-,