计算机数字控制技术

1、第1部分 PC数控原理 第二章 PC数控的基本原理 PC系统的基本原理 PC控制加工过程的基本原理 PC数控加工系统的组成 PC数控系统的基本结构与运行原理 PC数控装置的主要模块 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 2.1PC系统的基本原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 PC的发展历程 1978年，Intel公司，16位微处理器8086,8088 1981年，IBM公司，第一台PC（8088）, 微软MS-DOS 30多年发展，处理器16位64位，主频 5MHz几GHz，操作系统发展视窗、多 任务；工业PC，嵌入式PC等。 第1部分 PC数控原理 2.1PC

2、系统的基本原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 普通PC系统的组成 主机：CPU、内存、I/O、接口电路，电源、硬盘、 光驱等 外部设备：显示器、键盘、鼠标等 扩充外设：打印机、扫描仪、投影仪等等 工业PC 无源底板+独立插板 PC104 由CPU、电子盘、信号采集等功能模块堆栈而成 第1部分 PC数控原理 2.1PC系统的基本原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 PC系统的工作原理（图2.2） PC用于工业控制的基本原理（图2.3) 第1部分 PC数控原理 2.2PC控制加工过程的基本原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 数控加工的基本概念（图2.4) PC数控加工的实现过

3、程(图2.52.7） 加工路径 刀具路径 数控轨迹 数控轨迹插补 定义：根据给定的基本数控曲线、刀具路径或零件 表面等几何元素描述信息，在这些元素上的已知 点之间，按要求的精度和速度进行坐标点密化的 过程。具体实现方法可分为脉冲增量插补、数据 采样插补、混合插补三大类（图2.82.10） 第1部分 PC数控原理 2.2PC控制加工过程的基本原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 坐标运动的实现方法 步进实现法 连续实现法 刀具运动轨迹合成及精度 加工轨迹与工件表面的形成 第1部分 PC数控原理 2.3PC数控加工系统的组成 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 单机系统 多机系统（分布式结

4、构图2.12） 第1部分 PC数控原理 2.4PC数控系统的基本结构与运行原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 数控系统的概念 PC数控系统的基本结构 基本结构（图2.13) 控制器 执行环节 被控对象 第1部分 PC数控原理 2.4PC数控系统的基本结构与运行原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 PC数控系统的运行方式与原理 自动方式 手动方式 返参方式 MDI（Manual Data Input)方式 管理方式 第1部分 PC数控原理 2.5PC数控装置的主要模块（图2.14） 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 人机交互与信息输入模块 联网通信与控制模块 加工信息处理模块

5、反馈信息处理模块 轨迹插补模块 进给轴控制模块 主轴控制模块 辅助控制模块 系统管理与控制模块 第1部分 PC数控原理 2.5PC数控装置的主要模块 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 人机交互与信息输入模块 操作信息输入 加工程序输入 运行信息动态显示 第1部分 PC数控原理 2.5PC数控装置的主要模块 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 联网通信与控制模块 联网通信 联网控制 加工信息处理模块 语法校验 程序译码 几何计算 速度处理 第1部分 PC数控原理 2.5PC数控装置的主要模块 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 反馈信息处理模块 轨迹插补模块 插补计算 速度控制 自动加减

6、速控制 进给轴控制模块 进给轴运动控制 误差控制 第1部分 PC数控原理 2.5PC数控装置的主要模块 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 主轴控制模块 主轴转速与方向控制 主轴准停控制 主轴伺服控制（联动） 辅助控制模块 M、S、T处理 开关量控制 系统管理与控制模块 方式管理、运行管理、资源管理、系统维护、加工准备等。 第1部分 PC数控原理 第三章 PC数控的轨迹插补原理与方法 PC数控轨迹插补的基本原理 PC数控轨迹插补的基本方法 PC数控的高速采样插补方法 PC数控的螺纹加工控制方法 PC数控的数字-脉冲转换方法 PC数控的柔性加减速控制方法 计算机数字控制技术计算机数字控制技术

7、第1部分 PC数控原理 3.1 PC数控轨迹插补的基本原理 轨迹插补任务：实现数控轨迹的密化 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 插补模块与驱动模块之间的信息传递方式： 数字方式或脉冲方式 输入：输入：数控轨迹 的描述信息 输出：输出：数控轨迹上各密 化点的坐标值或密化点 之间的坐标增量值 插补运算 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.1.1 数字方式下的轨迹插补原理 数字方式所对应的二类系统： 基于模拟伺服的数控系统；基于全数字伺服驱动的数控系统 图3-1插补轨迹 图3-2插补轨迹的分解 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.1.2

8、 脉冲方式下的轨迹插补原理 脉冲方式下，轨迹插补过程分为2个部分（图3-5）： 1、数据采样插补 2、数字脉冲转换 脉冲方式亦对应二类系统： 基于步进电动机驱动的数控系统； 基于脉冲控制式伺服驱动的数控系统 第1部分 PC数控原理 3.2 PC数控轨迹插补的基本方法 PC数控系统广泛采用基于绝对坐标的数据采样插补方法 避免误差累积 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.1 空间直线插补方法 1.插补原理（图3-6） 2.插补预处理 222 eee zyxL 1）计算直线段长度 2）计算单位向量N在各坐标轴的分量 LzN Ly

9、N LxN ez ey ex / / / NLOP ii iii LLL 1 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.实时插补计算 60000 TF L i i 1）通过加减速处理得到当前瞬时进给速度Fi(mm/min) 2）根据Fi和插补周期T(ms),计算当前插补周期中 的插补直线段长度Li(mm) 3）计算当前插补点到直线起点的距离Li iii LLL 1 4）求出当前插补点的坐标值 y ziiyiixii NLzNLNLx 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.2 多轴线性插补方法 1.三轴扩展法 在多坐标系数控系统中，常采用多

10、轴线性插补方法进 行轨迹控制，典型方法有三轴扩展法与直接计算法。以具 有旋转坐标A、B的五轴线性插补为例： 1）计算插补直线段长度 222 LzyxL eee 2）计算各坐标进给比例系数：Kx、Ky、Kz、KA、KB 4）计算当前插补点的坐标值：xi、yi、zi、Ai、Bi 3）计算当前插补点到直线起点的距离：Li L长度修正量，取决于旋转坐标影响的大小 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.2 多轴线性插补方法 2.直接计算法 在许多情况下，数控程序给出的不是进给速度，而 是完成一段程序所需的时间t（min），此时插补计算将 比较简单。设插补周期为T(ms）

11、1）完成一个程序段所需插补个数 T t n 60000 2）一个插补周期中，某坐标轴的位移 KS TF S t T S n S S eee e 6000060000 F进给率=1/t，K比例系数 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 各轴在一个插补周期内的增量 各插补点的坐标值 Kxx e Kyy e KBB e . xixi BiB . yiyi 3）据此，可求出当前插补点的坐标值 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.3 圆弧插补方法 1.插补原理（图3-7） iiii RyRxsin ,cos 根据进给方向、进给速度和精度要求控制

12、的增减， 即可实现逆圆或顺圆插补 i 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.3 圆弧插补方法 2.实现方法 1）速度控制 R TF R L ii i 60000 2）误差控制 R eRe)2(2 max 3) 速度与精度的关系 3.sin和cos的快速计算（三次样条函数逼近法） iii 1 22 ) 2 ( R RRe 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.4 椭圆插补方法 1.插补原理（图3-8） 2.实现方法 A、B分别为椭圆的长短半轴，教材中位置角表达有误！ 1）速度控制 iiii ByAxsin ,cos d ds Li

13、i iii 1 R TF L i i 60000 2222 cossinBA d ds 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 2）误差控制 速度与精度的关系应满足 )2(2 max A A B L max LLi 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.2.5 螺旋线插补方法 1.插补原理 2.实现方法：速度与误差控制 iiiiii BzRyRx ,sin ,cos 2 L B 其中：B为导程系数 第1部分 PC数控原理 3.3 PC数控的高速采样插补方法 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.3.1 低频采样插补存在的问题 2 ) 2 (

14、11 L 插补误差 在一定的进给速度下，插补频率低对应的插补直线段较长， 对曲率半径小的曲线曲面，将产生明显的插补误差 限制了进给速度的提高 由于插补直线段较长，通常需采用2级插补，增加了数控 系统软硬件的复杂性，导致成本提高，可靠性下降 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.3.2 提高采样插补性能的思路 1）大幅提高插补频率 )2(460 1000 F f 2）有效提高系统分辨率 3）实现粗精插补合一 4）通过软硬件紧密结合发挥综合优势 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 3.3.3 高速高精度插补的硬件环境 思考题： 1、阐述零件加工

15、表面、加工路径、刀具路径的概念 及相互关系。 2、简要介绍三轴系统空间直线轨迹插补的基本原理 与插补计算过程。 3、以平面圆弧为例，说明进给速度、插补频率及插 补误差的关系 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 NLOP ii 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数字控制技术 第1部分 PC数控原理 计算机数字控制技术计算机数