第三章 数字程序控制技术.ppt

1 第3章数字程序控制技术NumericalProcessControlTechnique 3 1数字程序控制基础3 1 1数字程序控制原理3 1 2数字程序控制方式3 1 3开环数字程序控制 3 3步进电机控制技术3 3 1步进电机的工作原理3 3 2步进电机的工作方式3 3 3步进电机控制接口及输出字表3 3 4步进电机控制程序 3 2逐点比较法插补原理3 2 1逐点比较法直线插补3 2 2逐点比较法圆弧插补 2 数控铣床NumericalControlMillingmachine 3 1数字程序控制基础 3 数控车床NumericalControlturningmachine 数控车床怎样工作呢 数控车床怎样操作呢 4 3 1 1数字程序控制原理 按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制 sequencecontrol 计算机数字程序控制CNC ComputerNumericalControl 就是计算机根据输入的指令和数据 控制生产机械 如各种加工机床 按规定的工作顺序 运动轨迹 movementtrack 运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床 NumericalControlmachine 5 数字程序控制系统由输入装置 输出装置 控制器和插补器等四大部分组成 其中 控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担 插补器 interpolator 用于完成插补计算 就是按给定的基本数据 如直线的终点坐标 圆弧的起 终点坐标等 插补 插值 中间坐标数据 从而把曲线形状描述出来的一种计算 数字程序控制系统组成 6 x y A B C D 当给定A B C D各点坐标x和y值之后 如何确定各坐标值之间的中间值 1 求得这些中间值的数值计算方法称为插补interpolation 如何用计算机重现下面平面图形呢 7 插补计算的原则是通过给定的基点坐标 以一定的速度连续定出一系列中间点 而这些中间点的坐标值以一定的精度逼近给定的线段 从理论上讲 插补的形式可用任意函数形式 但为了简化插补运算过程和加快插补速度 常用的是直线插补和二次曲线插补两种形式 8 所谓直线插补是指在给定的两个基点 basepoint 之间用一条近似直线来逼近 也就是由此定出中间点连接起来的折线近似于一条直线 并不是真正的直线 所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近 也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧 如 圆弧 Circuit 抛物线 Parabola 和双曲线 Hyperbola 2 插补分类 直线插补 Straightlineinterpolation 二次曲线插补 Conicinterpolation 9 1 脉冲 impulse 每一个脉冲信号代表步进电机走一步 即绘图笔或刀具在x或y方向上移动一个位置 2 步长 steplength 对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量 impulseequivalent 又称为步长 常用 x和 y来表示 并且总是取 x y 3 脉冲个数 impulsenumber 线段在x轴和y轴的投影长度 和脉冲当量有关 3 中间点的输出控制问题 根据插补计算出的中间点 产生脉冲信号驱动x y方向上的步进电机 带动绘图笔 刀具等 从而绘出图形或加工所要求的轮廓 但是 向x和y轴分别送多少个信号 我们计算的标准是什么 先了解下面几个概念 10 x方向步数 Nx xe x0 xy方向步数 Ny ye y0 y 用折线逼近直线段 11 3 1 2数字程序控制方式 数字程序控制的3种方式 点位控制 直线切削控制 轮廓切削控制 1 点位控制 PointToPoint PTP 在一个点位控制系统中 只要求控制刀具行程终点的坐标值 即工件加工点准确定位 至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径 移动的速度 沿哪个方向趋近都无需规定 并且在移动过程中不做任何加工 只是在准确到达指定位置后才开始加工 定位 12 2 直线切削控制 Straightcutcontrol 这种控制也主要是控制行程的终点坐标值 不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴作直线运动 且在运动过程中进行切削加工 单轴切削 3 轮廓的切削控制 ContinuousPath CP 能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动 并在运动过程中将工件加工成某一形状 这种方式是借助于插补器进行的 插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令 以获得图纸坐标点之间的中间点 多轴切削 13 点位控制 驱动电路简单 无需插补直线切削控制 驱动电路复杂 无需插补轮廓切削控制 驱动电路复杂 需插补 三种方式比较 14 3 1 3数字程序控制分类 1 闭环数字程序控制 2 开环数字程序控制 15 1 闭环数字程序控制 这种结构的执行机构多采用直流电机 directcurrentmotor 作为驱动元件 反馈测量元件采用光电编码器 photoelectricencoder 光栅 grating 感应同步器 inductosyn 等 该控制方式主要用于大型精密加工机床 precisionmachinetool 但其结构复杂 难于调整和维护 一些常规的数控系统很少采用 16 2 开环数字程序控制 这种控制结构没有反馈检测元件 工作台由步进电机驱动 步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转 把刀具移动到与指令脉冲相当的位置 至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置 是不受任何检查的 因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置 actuator 来决定 17 3 2逐点比较法插补原理pointtopointcomparisoninterpolation 3 2 1逐点比较法直线插补 3 2 2逐点比较法圆弧插补 18 逐点比较法插补 刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次 决定下一步的进给方向 逐点比较法用阶梯折线逼近曲线 走一步 比较一次 决定下一步的走向逐点比较法的最大误差 一个脉冲当量 步长 19 3 2 1逐点比较法直线插补 插补步骤 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判断走一步 比较一次 决定下一步的走向 插补结束判断 20 1 第一象限内的直线插补 FirstQuadrant 根据逐点比较法插补原理 必须把每一插值点 动点 的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差 即 偏差 计算出来 根据偏差的正 负决定下一步的走向 来逼近给定轨迹 在第一象限想加工出直线段OA 取直线段的起点为坐标原点 直线段终点坐标 xe ye 是已知的 点m xm ym 为加工点 动点 21 1 偏差计算公式若点m在OA直线段上 则有 xm ym xe ye即ymxe xmye 0现定义偏差判别式为Fm ymxe xmye 22 2 偏差判别 deviationdiscrimination 偏差判别式 Fm ymxe xmye若Fm 0 则点m在OA直线段上 若Fm 0 则点m在OA直线段的上方 若Fm 0时 沿 x轴方向走一步 当Fm 0 沿 y方向走一步 当目前坐标与终点坐标相等 停止插补 23 4 偏差计算的简化 biascomputation 设加工点在m点 若Fm 0 这时沿 x轴方向走一步至m 1点 m 1点坐标值为 xm 1 ym 1 m 1点偏差为Fm 1 Fm ye 设加工点在m点 若Fm 0 这时沿 y轴方向走一步至m 1点 m 1点坐标值为 xm 1 ym 1 xm ym 1 m 1点偏差为Fm 1 ym 1xe xm 1ye ym 1 xe xmye Fm xe xm 1 ym ym 1xe xm 1ye ymxe xm 1 ye 24 偏差计算简化为 若m为起点0 则Fm F0 0 否则 若Fm 0 Fm 1 Fm ye若Fm 0 Fm 1 Fm xe 5 终点判断 terminaldiscretion 方法1 设置x y轴两个减法计数器Nx和Ny 加工前分别存入终点坐标xe和ye x 或y 轴每进给一步则Nx 1 或Ny 1 当Nx和Ny均为0 则认为达到终点 方法2 设置一个终点计数器Nxy x或y轴每进给一步则Nxy 1 当Nxy为0 则认为达到终点 25 2 四个象限的直线插补 FourQuadrants 记忆 2象限 1象限以y轴镜象4象限 1象限以x轴镜象3象限 1象限旋转180度 26 例3 1 设加工第一象限直线OA 起点为O 0 0 终点坐标为A 6 4 试进行插补计算并作出走步轨迹图 解 坐标进给的总步数Nxyxe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 插补计算过程如下表 6 0 4 0 10 27 若m为起点0 则Fm F0 0 否则 若Fm 0 Fm 1 Fm ye若Fm 0 Fm 1 Fm xe xe 6ye 4 28 直线插补的走步轨迹图如下 A 6 4 29 直线插补的步骤如下 1 偏差判别 即判别上一次进给后的偏差值Fm是大于等于零 还是小于零 2 坐标进给 即根据偏差判断的结果决定进给方向 并在该方向上进给一步 3 偏差计算 即计算进给后的新偏差值Fm 1 作为下一步偏差判别的依据 4 终点判别 即若已到达终点 则停止插补 若未到达终点 则重复上述步骤 3 直线插补运算的程序实现 30 1 数据的输入及存放 6个内存单元数据XE 终点X坐标xeYE 终点Y坐标yeNXY 总步数 Nxy Nx NyFM 加工点偏差Fm Fm初值为0XOY 象限值 1 2 3 4分别代表1 2 3 4象限ZF 进给方向 1 2 3 4代表在 x x y y方向进给 31 x x y y 2 直线插补的计算程序流程 32 Exercise 1 Processthestraightlineinthefirstquadrant startpointO 0 0 andendpointA 4 5 Require 1 Listcalculationaccordingtothepointtopointcomparisonmethod 2 Drawthewalkinglocus labelfeeddirectionandamountofstep 2 Processthestraightlineinthethirdquadrant startpointO 0 0 andendpointA 6 5 Require 1 Listcalculationaccordingtothepointtopointcomparisonmethod 2 Drawthewalkinglocus labelfeeddirectionandamountofstep 33 第一象限内的逆圆弧 Inversearc 插补 1 偏差定义 M点偏差 2 偏差判断 deviationdiscrimination Fm 0 M点在圆弧上Fm 0 M点在圆弧外Fm 0 M点在圆弧内 3 2 2逐点比较法圆弧插补 34 3 坐标进给 coordinatefeeding 从起点出发 当Fm 0 向 x方向进给一步 并计算新的偏差 当Fm 0 下一步向 y方向进给 并计算新的偏差 按上述步骤循环到达终点后结束 35 4 偏差的简化 deviationcalculation 以第一象限逆圆弧为例 当Fm 0 向 x方向进给一步 xm 1 ym 1 xm 1 ym Fm 1 xm 12 ym 12 R2 Fm 2xm 1当Fm 0 向 y方向进给一步 xm 1 ym 1 xm ym 1 Fm 1 xm 12 ym 12 R2 Fm 2ym 1起点偏差Fm 0 36 5 终点判断 endpointdiscretion 采用总步数Nxy计数方法 Nxy初始设值为x和y轴进给总步数之和 x或y轴每进给一步则Nxy 1 当Nxy为0 则认为达到终点 6 插补计算步骤 interpolationstep 增加一个加工点瞬时坐标 动点坐标 值偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断直线插补 偏差计算使用终点坐标xe ye圆弧插补 偏差计算使用前一点坐标xm ym 37 2 四个象限的圆弧插补 1 第一象限顺圆弧 arc 的插补计算当Fm 0 向 y方向进给一步 Fm 1 Fm 2ym 1当Fm 0 向 x方向进给一步 Fm 1 Fm 2xm 1 38 2 四个象限的圆弧插补记忆 2象限 1象限以y轴镜象4象限 1象限以x轴镜象3象限 1象限旋转180度 总是趋近于原点的趋势 39 3 圆弧插补计算公式和进给方向 Arcinterpolationcalculationandfeedingdirection 注意 表中坐标值为不带符号的数 如第四象限中的点 4 3 应用xm 4 ym 3查表计算 40 3 圆弧插补计算的程序实现8个内存单元数据X0 起点X坐标Y0 起点Y坐标NXY 总步数 Nxy Nx NyFM 加工点偏差 XM 加工点X坐标xmYM 加工点Y坐标ymRNS 圆弧种类 1 2 3 4和5 6 7 8分别代表SR1 SR2 SR3 SR4和NR1 NR2 NR3 NR4 ZF 进给方向 1 2 3 4代表 x x y y方向 41 指明RNS 可以选择同样的偏差计算公式 判断Fm的值 判断Fm的值 y轴 x轴 流程图 42 例3 2 设加工第一象限逆圆弧 已知起点的坐标为A 4 0 终点的坐标为B 0 4 试进行插补计算并作出走步轨迹图 43 44 3 3步进电机控制技术 步进电机是数控机床的驱动元件 步进电机 是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式 electromechanical 数模 D A 转换器 脉冲电机 给一个脉冲电机转一下 数控系统的工作站或刀具总移动步数取决于指令脉冲的总数 而刀具移动的速度取决于指令脉冲的频率 输入 脉冲脉冲数 决定位移量输出 位移脉冲频率 决定位移的速度 45 3 3 1步进电机的工作原理 3 3步进电机控制技术 3 3 4步进电机控制程序 3 3 3步进电机控制接口及输出字表 3 3 2步进电机的工作方式 46 3 3 1步进电机的工作原理 1 步进电机的结构 转子和定子 定子 定子上有绕组 有3对磁极 这里三对磁极分别为A B C 通过开关轮流通电 实际上步进电机不仅有三相 还有四相 五相等等 转子 四个齿 分别为0 1 2 3齿 其实一般有几十个齿 47 2 工作原理 对于三相步进电机的A B C这三个开关 每个开关闭合 就会产生一个脉冲 A相与1 3对齐 A相通电 A相与0 2对齐 B相通电 C相通电 A相通电 B相与1 3对齐 C相与0 2对齐 48 结论 定子按A B C A相轮流通电 则磁场沿A B C方向转动360度角 转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置 齿数为4 齿距角90 即一个齿距转动90 49 步进电机的 相 phase和 拍 beat 相 绕组的个数 如A A B B C C 相 拍 绕组的通电状态 如 三拍表示一个周期共有3种通电状态 六拍表示一个周期有6种通电状态 每个周期步进电机转动一个齿距 50 齿距角 angularpitch Z和步距角 stepangle 1 如果步进电机转子的齿数为Z 则它的齿距角 Z为 Z 2 Z 360 Z 2 因步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置 而每一拍步进一次 则步距角 为 Z N 360 NZ 其中 N是步进电机工作拍数 Z是转子的齿数 例1 对于转子有4个齿的三相步进电机 若采用三拍方式 则它的齿距角是 Z 360 Z 360 4 90 例2 对于转子有20个齿且采用三拍方式的步进电机而言 其步距角是 360 3 20 6 51 3 3 2步进电机的工作方式 1 单三拍工作方式 单相通电2 双三拍工作方式 双相通电3 三相六拍工作方式 单相双相交叉通电 52 1 单三拍工作方式 单个绕组 单三拍就是每次只给一个绕组通电 其余的绕组断开 绕组的通电顺序 ABCABC 电压波形 53 2 双三拍工作方式 每次给两个绕组通电 绕组的通电顺序 ABBCCA 电压波形 54 3 三相六拍工作方式 每次给三个绕组通电 绕组的通电顺序 AABBBCCCAA 电压波形 55 3 3 3步进电机控制接口及输出字表 步进电机的精度问题 步进电机的工作精度问题 速度调节问题 步进电机运动速度的快慢的调节 计算机接口问题 和计算机接口应该注意的问题 56 1 步进电机常规控制电路 控制装置 脉冲分配器 功率放大器 RD 进给脉冲 direction