数字程序控制技术

1、第三章第三章 数字程序控制技术数字程序控制技术第3章 数字程序控制技术 计算机数字程序控制CNC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、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。 数控系统：输入装置、输出装置、控制器和插补器。 3.1.1 数字程序控制原理 基本思路： 逐点输入加工轨迹的坐标不现实。 数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成，也可能有一些非圆曲线轮廓，因此可以用分段曲线（曲线基点和曲线属性）拟合加工轮廓。 输出装置为步进电机，驱动每个轴以一定距离的步长运动，实际加工轮廓是以折线轨迹拟合光滑曲线。 步骤： 1. 曲线分段： 图中曲线分

2、为三段，分别为ab、bc、cd，a、b、c、d四点坐标送计算机。 分割原则：应保证线段所连的曲线与原图形的误差在允许范围之内。 2. 插补计算： 插补计算： 给定曲线基点坐标，求得曲线中间值的数值计算方法。 插补计算原则：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，这些中间点的坐标值以一定的精度逼近给定的线段。 插补： 直线插补 二次曲线插补圆弧、抛物线、双曲线 3. 折线逼近： 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。步长：刀具对应于每个脉冲移动的相对位置，可以用 x, y表示，一般 x y x方向步数：N

3、x(xe-x0)/ x y方向步数：Ny(ye-y0)/ y 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。 点位控制 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，对刀具的移动路径、移动速度、移动方向不作规定，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） 直线切削控制 控制行程的终点坐标值，还要求刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。（单轴切削）轮廓的切削控制 控制刀具沿工件轮廓曲线运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式借助于插补器进行。（多轴切削） 三种方式比较 点位

4、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 3.1.3 数字程序控制 闭环方式 开环方式 3.2 逐点比较法插补原理 逐点比较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： 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）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 第一象限内的直线插补 偏差计算式： 若点m在OA直线段上，则有xm

5、/ym=xe/ye 即ymxe-xmye0 于是取偏差计算式为 Fm=ymxe-xmye 偏差判别： 偏差判别式： 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，这时沿+x轴方向走一步至m1点。 ( xm+1， ym+1) = ( xm+1, ym ) Fm+1= ym+1xe-xm+1ye= ymxe-(xm+1)ye = ymxe-xmye -ye= Fm ye （2）设加工点在m点，若Fm = 0，Fm+1= Fm ye 若Fm 0，M点在圆弧外 Fm=0，向-x方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm

6、 =0，向-x方向进给一步 （xm+1， ym+1) = ( xm1, ym ) Fm+1= xm+12+ym+12-R2= Fm 2xm +1 当Fm 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 四个象限的圆弧插补 第一象限顺圆弧的插补计算 当Fm=0，向-y方向进给一步， Fm+1= Fm 2ym +1 当FmB-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，齿距角为90度，即1个齿距转动了90度。 步进电机的“ 相”和“ 拍” “ 相”绕组的

7、个数 “ 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。 步进电机的步距角的计算： N：步进电机的拍数 Z：转子的齿数。 齿距角360/(NZ) ：步进电机每拍步进的角度。 3.3.2 步进电机的工作方式 步进电机的通电方式 单相通电方式、双相通电方式、单相双相交叉通电方式。 三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。 单三拍工作方式 A-B-C-A 双三拍工作方式 AB-BC-CA-AB- 三相六拍工作方式 A-AB-B-BC-C-CA-A- 步进电机细分驱动： 切换时，绕组电流并非

8、全部切除或通入，只改变额定值的一部分（如1/4)，转子也只转动步距角的一部分（如1/4)。优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声3.3.3 步进电机控制接口及输出字表 步进电机常规控制电路 脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给脉冲放大器的各相输入端，又称环形分配器。 输入：步进脉冲，1个脉冲为1拍，走一步； 方向选择 ，正转或反转。 输出：各相绕组的驱动脉冲。 功率放大器：脉冲分配器的输出电路不足以驱动步进电机，进行功率放大。 步进电机微机控制方式一 微机 环形分配器 功放 运动控制及脉冲产生 脉冲脉冲分配 步进电机微机控制方式2 微机 驱动电路 运动控制和脉冲分配 功率放大 步进电机控制接口

9、例如：采用8255芯片控制x, y轴步进电机。步进电机控制的输出字表 8255的PA、PB口分别控制x, y轴步进电机。 输出数据“ 1”表示通电，“ 0”表示断电。 输出字以表的形式顺序存放在内存： 正转访问顺序：ADX1-ADX2-ADX6 ADY1-ADY2-ADY6 反转访问顺序：ADX6-ADX5-ADX1 ADY6-ADY5-ADY1 微机的运动控制功能 改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数； 改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转； 改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。输出字以表的形式顺序存放在内存： 正转输出顺序：ADX1-ADX2-ADX6 ADY1-AD

10、Y2-ADY6 反转输出顺序：ADX6-ADX5-ADX1 ADY6-ADY5-ADY1 微机的运动控制功能 改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数； 改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转； 改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速。 3.3.4 步进电机控制程序 步进电机走步控制程序流程图步进电机速度控制程序 步进电机调速：改变输出脉冲的频率。 可采用延时或定时器方法。 延时或定时时间的计算： 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，有： 步进电机控制实验 四相八拍工作方式。 8086：采用延时方式进行速度控制 8031：采用定时器方式进行速度控制PWM

11、 直流电机调速 PWM：脉冲宽度调制技术。 输出脉冲频率不变，脉冲宽度受输入信号调制 在电机控制领域应用广泛。 PWM直流电机调速的优点： （1）功耗小，效率高。 （2）以高频脉冲电流给绕组供电，由于绕组为感性负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小,电机发热量小。 （3）系统的响应频带宽，起制动非常快。 （4）系统抗负载扰动的性能好。 （5）高频输出避开了电机及传动机械的共振点，所以运行平稳，噪声低。 微机产生PWM波形的方法 程序延时：高电平延时低电平延时PWM周期时间 定时器中断：PWM周期T定时中断高电平t定时中断直流电机调速实验 采用PWM调速方式。 8031产生PWM波，驱动电路功率放

12、大。PWM波形的产生： 采用延时方式产生PWM波形，脉宽固定，电机恒速。 T=X*T0, T1=Y*T0，T2=Z*T0。X为T周期参数，放在20H单元。Y为T1延时参数，Z为T2延时参数，放在21H单元，X=Y+Z 。T0为延时的时间基数，由定时器确定，参数置 22H，2 3H单元中。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TT0 ； 跳转到定时器0中断程序 ORG 1000H MAIN: SETB P1.0 ； 脉冲的高电平 MOV R0,21H；(21H) 初始值为Y，存入R0中，延时T1 MOV TMOD, #01H MOV TL0,22H ；时间基数T0的定时参数 MOV TH0,23H SETB TR0 ； 定时中断设置 SETB ET0SETB EA L1:CJNE R0, #00H, L2 ； CPL P1.0 ; 延时R0*T0时间后，输出取反 R0在运行前为MOV A,20H ； 取X, T周期时间。 Y，则运行后为 SUBB A,21H； A=X-(21H), 若（21H)=Y, A=Z, X; 运行前为X 若（21H)=