第4章 顺序控制与数字程序控制技术.ppt

第4章顺序控制与数字程序控制技术 南京邮电大学电气工程系 OUTLINE 4 1顺序控制技术4 2数字程序控制4 3本章小结习题 4 1顺序控制技术 4 1 1顺序控制概述 4 1 2顺序控制系统组成 4 1 3微机顺序控制系统应用案例 4 1 1顺序控制概述 顺序控制概念顺序控制以预先规定好的时间或条件为依据 按预先规定好的动作次序 对控制过程各阶段顺序地进行自动化控制顺序控制原理根据应用的场合和工艺要求 划分各种不同的工步 然后按预先规定好的 时间 或 条件 按次序完成各工步的动作并保证各工步动作所需要的持续时间 例4 1冷加工自动线中钻孔动力头钻孔过程的顺序控制原理图 钻孔过程分为以下5步 1 动力头在起始位置 行程开关SQ1受压 按启动开关按钮SB1后 电磁阀YAl通电 动力头快进 2 快进到位时压下行程开关SQ2 使电磁阀YA2通电 YAl保持通电 动力头由快进转工进 钻孔 即一边加工一边进给 3 工进到位时压下行程开关SQ3 使YAl YA2断电 开始定时延迟 动力头原地镟削 精镗 4 延迟时间到 YA3通电 动力头快退 5 动力头退回到原位 行程开关SQ1又受压 YA3断电 动力头停止 例4 2机械手 图4 2机械手取放动作工件示意图 顺序控制系统的类型 按顺序执行的继电 接触器控制系统半导体逻辑顺序控制系统可编程顺序控制器系统微机顺序控制系统 根据其输入装置中的元器件及逻辑控制器件的特点 可分为 顺序控制系统的特点 顺序控制系统的输入 输出信号以开关量信号为主逻辑关系复杂控制程序客观可靠性要求高 图4 3典型微机顺序控制系统组成框图 4 1 2顺序控制系统的组成 典型的微机顺序控制系统是由系统控制器 信号检测 执行机构及被控对象等组成 4 1 3微机顺序控制系统应用案例 图4 4钻孔动力头顺序控制硬件 1 硬件框图 2 控制程序流程图 图4 5钻孔动力头顺序控制程序流程 START MOVA P1 读入现场信号ANLA 03HCJNEA 03H START SQl SBl 1 STEP1 SETBP1 5 是 动力头快进MOVA P1 读入现场信号ANLA 04HCJNEA 04H STEPl 判断SQ2 1 STEP2 SETBA P1 6 是 转入工进MOVA Pl 读人现场信号ANLA 08HCJNEA 08H STEP2 判断SQ3 1 CAlLDELAY 是 延时停留SETP3 MOVA 80HMOVP1 A YA3 l YAl YA2 0MOVA P1ANLA 02HCJNEA 02H SETP3 判断SQ1 1 CLRP1 7 是 YA3 0AJMPSTART 返回 转下次循环 3 控制程序 4 2数字程序控制技术 数字程序控制 能够根据数据和预先编制好的程序 控制生产机械按规定的工作顺序 运动轨迹 运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制数字程序控制系统一般由输入装置 输出装置 控制器 伺服驱动装置等组成数字程序控制系统中的轨迹控制策略是插补和位置控制 4 2数字程序控制技术 4 2 1数字程序控制基础 4 2 2逐点比较插补法 4 2 3步进电机的控制 图4 6曲线分段 4 2 1数字程序控制基础 数字程序控制的基本原理 曲线分割 插补计算根据给定的各曲线段的起点 终点坐标 确定各坐标值之间的中间值的数值计算方法称为插值或插补 常用的插补形式有直线插补和二次曲线插补两种形式 脉冲分配 按控制对象的运动轨迹分类点位控制直线切削控制轮廓切削控制 数字程序控制方式 根据有无检测反馈元件分类开环数字程序控制闭环数字程序控制 闭环数字程序控制 开环数字程序控制 数字程序控制方式 4 2 2逐点比较法插补原理 逐点比较法插补原理 每当画笔或刀具向某一方向移动一步 就进行一次偏差计算和偏差判别 即到达新的点位置和理想线型上对应点的理想位置坐标之间的偏离程度 然后根据偏差的大小确定下一步的移动方向 使画笔或刀具始终紧靠理想线型运动 起到步步逼近的效果 由于采用的是 一点一比较 一步步逼近 方法 因此称为逐点比较法 逐点比较法特点 是以直线或折线 阶梯状的 来逼近直线或圆弧等曲线 它与给定轨迹之间的最大误差为一个脉冲当量只要把运动步距取得足够小 便可精确地跟随给定轨迹 以达到精度的要求 1 逐点比较法直线插补 第一像限内的直线插补 偏差计算公式 当 表明m点在直线段OA下方 为逼近给定曲线 应沿 y方向走一步至m 1 该点的坐标值为 该点的偏差为 进给与偏差计算 当 表明m点在直线段OA上或OA上方 应沿 x方向走一步至m 1 该点的坐标值为 该点的偏差为 终点判别方法 每走一步比较一次直至两者相等为止取终点坐标中的较大者作为终点判别的依据用一个终点判别计数器 存放两个坐标的总步数 第一象限直线插补计算流程 偏差判别 判断上一步进给后的偏差值F 0还是F 0 坐标进给 根据偏差判别的结果和所在象限决定在哪个方向上进给一步 偏差计算 计算出进给一步后的新偏差值 作为下一步进给的判别依据 终点判别 终点判别计数器减1 判断是否到达终点 四个象限的直线插补 设A1 A2 A3 A4分别表示第一 第二 第三 第四象限的四种线型 加工起点均从坐标原点开始 凡F 0时 向x方向进给 在第一 四象限向 x方向进给 在第二 三象限 向 x方向进给 凡F 0时 向y方向进给 在第一 二象限向 y方向进给 在第三 四象限 向 y方向进给 不管是哪个象限 都采用与第一象限相同的偏差计算公式 只是式中的终点坐标值均取绝对值 表4 2四象限的进给脉冲和偏差计算 四象限直线插补计算流程图 直线插补计算的程序实现 设给定的加工轨迹为第一象限的直线OP 起点为坐标原点 终点坐标A xe ye 其值为 5 4 试进行插补计算并作出走步轨迹图 例4 3 图4 13逐点比较法圆弧插补 2 逐点比较法圆弧插补 1 第一象限圆弧插补计算原理 偏差判别偏差值F x2 y2 R2当P点位于圆弧上时 F 0当P点位于圆弧外时 F 0当P点位于圆弧内时 F 0 进给P点在圆弧外时 F 0 向圆外 x方向 进给一步 P点在圆弧内时 F0处理 设P点在圆外 F 0 F x 1 2 y2 R2 x2 2x l y2 R2 x2 y2 R2 2x l F 2x 1若P点在圆内 F 0 F x2 y 1 2 R2 x2 y2 2y l R2 x2 y2 R2 2y l F 2y l 偏差计算 总步数作为计数长度值 长度计数器的初值为Nxy xe x0 ye y0 每个坐标方向设一个计数器Nx xe x0 Ny ye y0 终点判别 第一象限逆圆插补的流程图 图4 15圆弧插补走步轨迹图 例4 6 第二象限顺圆的偏差计算公式 图4 16第二象限的顺圆 若F 0时 新的加工点坐标将是 x 1 y 可求出新的偏差为F F 2x 1若F 0时 新的加工点坐标将是 x y 1 可求出新的偏差为F F 2y 1 2 四象限的圆弧插补原理 在圆弧插补中 沿对称轴的进给方向相同 沿非对称轴的进给方向相反其次 所有对称圆弧的偏差计算公式 只要取起点坐标的绝对值 就与第一象限中NRl或SRl的偏差计算公式相同 表4 4八种圆弧插补的计算公式和进给方向 4 2 3步进电机控制技术 步进电机是一种能将电脉冲信号直接转变成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件 其速度与脉冲频率成正比 步进电机按转矩产生的原理可分为反应式 variablereluctance VR 步进电机永磁式 permanentmagnet PM 步进电机混合式 hybrid HB 步进电机 反应式步进电机的结构 图4 18三相反应式步进电机结构 步进电机的工作原理 定子 由硅钢片叠成的 每相有一对磁极 N S极 每个磁极的内表面都分布着多个小齿 它们大小相同 间距相同 该定子上共有3对磁极 每对磁极都缠有同一绕组 也即形成一相 这样3对磁极有3个绕组 形成三相 可以得出 四相步进电动机有4对磁极 4相绕组 五相步进电动机有5对磁极 5相绕组 依此类推 转子 由软磁材料制成的 其外表面也均匀分布着小齿 这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同 形状相似 反应式步进电机的工作原理 A相导通 B相导通 C相导通 A相导通 对于步进电机 如果转子的齿数为z 则齿距角 z为 z 2 z 360 z步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置 步进电机的步距角 可以表示如下 z n 360 nz 其中 n是步进电机工作拍数 z是转子的齿数 对于三相步进电机 若采用三拍方式 则它的步距角是 360 3 4 30 对于转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机而言 其步距角是 360 3 40 3 齿踞角和步踞角 步进电机的工作方式 对于三相步进电机则有单拍 简称单三拍 方式 双相三拍 简称双三拍 方式 三相六拍方式 单三拍工作方式 通电顺序为A B C A 双三拍工作方式 通电顺序为AB BC CA AB 三相六拍工作方式 通电顺序为A AB B BC C CA A如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电 则步进电机正向转动 反之 如果通电方向与上述顺序相反 则步进电机反向转动 步进电机控制接口及输出字表 步进电机控制接口 步进电机输出字表 步进电机控制程序 三相六拍步进电机走步控制程序流程 步进电机速度控制程序 注意两点 速度往往和输出字的输送频率有关按正序或反序取输出字可控制步进电机正转或反转 输出字更换得越快 步进电机的转速越高 调速过程总是有加速问题控制延时的时间常数 即可达到调速的目的 Ti为相邻两次走步的时间间隔 Vi为进给一步后速度 a为加速度 数控系统设计举例 基于PC的多轴运动控制 1 多轴运动控制卡 PMAC美国DELTATAU公司生产的可编程多轴控制器PMAC ProgrammableMulti AxisController 是目前世界上功能较强的运动控制器之一 是完全开放体系结构 PC机平台上的运动控制卡该产品使用高速DSP 提供全新的高性能技术和Windows平台 其最新产品TURBOPMAC可以控制32个轴 CPU速度为150MHz 具有光纤通讯 MACRO链等功能 2 基于PMAC开放式数控系统的硬件设计 运动控制器采用的是PMAC四轴运动控制卡PMACLite 板卡配置有双端口RAM以ACC 34A作为I O扩展接口板 共有62个带光隔的I O结点ACC 8P为普通接线器 便于PMAC与各伺服驱动器的连接伺服驱动电机选用的是松下永磁同步交流伺服电机 电机自身配有2500线光电编码器作为速度和位置反馈元件 主轴电机采用变频器实现主轴的无级调速PMAC与IPC之间的通信可以通过PC总线和双端口RAM两种方式进行 双端口RAM主要用于与PMAC的快速数据通讯和命令通讯当IPC向PMAC写数据时 双端口RAM能够在实时状态下快速地将位置指令数据或程序信息进行下载当从PMAC中读取数据时 IPC通过双端口RAM可以快速地获取系统的状态 电机的位置 速度 跟随误差等各种数据因而 利用双端口RAM大大提高了数控系统的响应能力和加工精度 同时也方便了用户的编程和开发 3 基于PMAC开放式数控系统的软件设计