第3章数字程序控制技术.ppt

1、1,第3章 数字控制技术,本章主要内容：,1数字控制基础 2. 插补原理 3步进电机控制技术,2,能根据输入的指令和数据，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完成工作的自动控制，称为数字控制。,数字控制主要应用于机床的自动控制，如用于铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等的自动控制系统中。,什么是数字控制？,数字控制的应用,3,数控系统一般由数控装置，驱动装置，检测装置等构成。,数控装置包括输入装置、输出装置、控制器和插补器等四大部分组成。,4,采用数字程序控制的机床叫做数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工

2、零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。,数控机床,早期的数控(numerical control, CN)以数字电路技术为基础，随着小型和微型计算机的发展，70年代初在数控系统中用计算机代替控制装置，从而诞生了计算机数控CNC(Computer Numerical Control),为了满足高精度和高效率加工复杂零件的需要，1952年MIT伺服机构实验室开发出第一台数控机床。,5,数控立式铣床,卧式数控铣床,数控机床的种类,车床,磨床,6,数控技术的发展,1）数控机床的产生 生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂，而且改型频繁，需要机床满足高性能、高精度和高自动化。

3、1946年第一台电子计算机问世，奠定了数控机床产生的基础1947年产生数控机床的设想1949年美国开始研制1952年第一台三坐标镗铣床试制成功,7,2）数控机床的发展史（1）硬件直接数控（NC）： 1952年电子管 1959年晶体管 1965年集成电路 （2）计算机软件数控： 1968年小型计算机 1974年微处理器 基于工控PC机的通用型CNC系统 我国1958年研制了第一台数控机床,3）数控机床的产量情况 在数控系统不断更新换代的同时，数控机床的品种得以不断发展完善，几乎所有品种的机床都实现了数字化。,8,数控机床与普通机床相比，具有以下一些特点。 （1）可以加工具有复杂型面的工件 （2）

4、加工精度高，质量稳定 （3）生产率高 （4）改善劳动条件 （5）有利于生产管理现代化,数控机床加工的特点,9,从数控机床加工的特点可以看出，数控机床加工的主要对象有： （1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件； （2）几何形状复杂的零件； （3）精度及表面粗糙度要求高的零件； （4）加工过程中需要进行多工序加工的零件； （5）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。 由此可见，数控机床和普通机床都有各自的应用范围,数控机床的适用范围,10,数控技术的发展趋势与研究方向,1）高精度化 数控机床制造的几何精度和机床使用的几何精度两个方面。 普通加工和精密加工的精

5、度将提高几倍，超精度加工进入纳米时代。,2）高可靠性 衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障时间（MTBF）数控系统的MTBF值的提高,数控机床整机的可靠性水平的提高,11,3）高柔性化 适应加工对象变化的能力。 向单元柔性化和系统柔性化发展。 4）复合化 工序复合化和功能复合化 车、铣、镗、钻工序集中到一台机床 冲孔、成形与激光切割复合机床 等离子加工与冲压复合机床,12,5）高速度化 提高切削速度和减少辅助时间 提高主轴转速，减少非切削时间，提高快速移动速度、缩短换刀时间及工作台交换时间。 缩短换刀时间和工作台交换时间。,6）设计CAD和宜人化 设计方案选择，整机的静、动态特性的分析，计算

6、，预测和优化设计，对整机各工作部件进行动态仿真。 将功能设计与美学设计有机地结合在一起，技术与经济、文化、艺术的协调统一。,13,7）制造系统自动化 提高自动编程，自动换刀，自动上下料，自动加工、自动检测，自动监控，自动诊断，自动对刀，自动传输，自动调度，自动管理，提高标准化和进线的适应能力，达到“无人化”管理正常生产的目标。,14,3.1 数字程序控制基础,3.1.1. 运动轨迹插补的基本原理,曲线分段,（1）将曲线划分成若干段，分段线段可以是直线或弧线。 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）确定各线段的起点和终点坐标值等数据，并送入计算机。,15,（3）根

7、据各线段的性质，确定各线段采用的插补方式及插补算法。 插补就是按规定的函数曲线或直线，对其起点和终点之间，按照一定的方法进行数据点的密化计算和填充，并给出相应的位移量，使其实际轨迹和理论轨迹之间的误差小于一个脉冲当量，这个过程称为插补。 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 (在给定的两个基点之间用一条近似直线 来逼近) 二次曲线插补圆弧、抛物线、双曲线 (在给定的 两个基点之间用一条近似曲线来逼近),16,（4）将插补运算过程中定出的各

8、中间点，以脉冲信号的形式去控制x和y方向上的步进电机，带动刀具加工出所要求的零件轮廓。 每个脉冲驱动步进电机走一步，为一个脉冲当量（mm脉冲），或步长，用x和y来表示，通常取xy。,x方向步数：Nx(xe-x0)/ x y方向步数：Ny(ye-y0)/ y,实现直线插补和二次曲线插补的方法很多，常见的有逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器。,17,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。,3.1.2 数字程序控制方式,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

9、定位置后才开始加工。（定位）具有点位控制功能的数控机床有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等,18,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）,19,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,20,数控钻床工作原理,21,举例： 数控钻床,22,举例： 数控车床,23,举例： 数控铣床,24,3.1.3 数字控制

10、系统,计算机控制系统主要分为开环数字控制和闭环数字控制两大类.,1.开环数字控制,刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，其可靠性和精度由步进电机和传动装置决定.,开环数字控制结构简单,具有可靠性高、成本低、易于调整和维护，由于采用步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，易于实现各种插补和运动轨迹控制。,25,2.闭环数字控制,主要用于大型精密加工机床，结构复杂，难于调整维护。,半闭环控制系统，克服了由于工作台的某些机械特性引起的特征参数变动，容易获得稳定的控制特性，广泛应用于连续控制的数控机床上。,26,3.1.4 数控系统的分类,1.传统数控系统,硬件式数控，是一

11、种专用的封闭体系结构，功能简单，柔性通用性差，设计研发周期长。,2.开放式数控系统,3.网络化数控系统,27,3.2 插补原理,在CNC机床上，各种曲线轮廓加工都是经过插补计算实现的，插补计算的任务就是在轮廓线的起点到终点之间计算出有限个中间坐标点。,插补的方法分为两大类：脉冲增量插补和数据采集插补,脉冲增量插补：控制单个脉冲输出规律的插补方法。,数据采集插补：在规定的时间内，计算每个坐标方向的增量值、刀具所在的位置及其他一些需要的值，在一个插补时间内计算完毕，送给伺服系统，再由伺服系统控制移动部件运动，移动部件必须在下一个插补时间内走完上一次计算给出的行程，因此也叫做时间标量插补。,28,主

12、要内容： 3.2.1 逐点比较法的直线插补 3.2.2 逐点比较法的圆弧插补 3.2.3 数字积分插补法,29,逐点比较法插补，就是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。 用阶梯折线逼近直线或圆弧曲线。 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 逐点比较法的直线插补,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,30,1 . 第一象限内的直线插补,（1）偏差判别式,若Fm0，表明点m在oA直线上； Fm0，表明点m在oA

13、直线上方； Fm0，表明点m在oA直线下方。,从直线的起点出发，当Fm0时，沿x轴方向走一步；当Fm0时，沿y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标（xe，ye）相等时，发出终点到信号，停止插补。,第一象限直线逐点比较法插补原理为：,第一象限直线,31,偏差判别式简化,当Fm0时，表明m点在oA上或oA的上方，此时应沿x方向进给一步，走一步后新的坐标值为,该点的偏差为,同理，当Fm0时，应向y方向进给一步，该点的偏差为,32,（2）终点判别方法,总步长法：设置一个终点计数器Nxy，寄存x、y两个坐标方向进给的总步数，x和y坐标每进给一步， Nxy就减1，直到Nxy减到零，就达到终点。,终点坐

14、标法：设置Nx、Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx、Ny计数器中分别存入终点坐标值xe、ye。加工时，x坐标每进给一步，就在Nx计数器中减去1，y坐标每进给一步，就在Ny计数器中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零，就到达终点。,33, 偏差判别：判断上一步进给后的偏差是F0还是F0； 坐标进给：根据所在象限和偏差判别的结果，决定进给坐标轴及其方向； 偏差计算：计算进给一步后新的偏差，作为下一步进给的偏差判别依据； 终点判断：进给一步后，终点计数器减1，判断是否到达终点，到达终点则停止运算；若没有到达终点，返回。如此不断循环直到到达终点。,逐点比较法直线插补计算的四个步骤：,34,2.

15、四个象限直线插补,四个象限直线的偏差符号和方向,不同象限直线插补的偏差符号和进给方向如图 ； 在插补计算中可以使坐标值带有符号，使插补计算为有符号数学运算，也可以使坐标值不带符号，用坐标的绝对值进行计算. 记忆: 2象限：1象限以y轴镜像 4象限：1象限以x轴镜像 3象限：1象限旋转180度,35,直线插补公式（坐标值带符号 ）,直线插补公式（坐标值为绝对值）,36,内存单元数据 XE：终点X坐标 YE：终点Y坐标 NXY: 总步数， Nxy Nx + Ny FM: 加工点偏差，初值F0=0 XOY: 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

16、、x、+y、-y方向进给。,3.直线插补计算的程序实现,37,直线插补计算程序流程,38,例31 设加工第一象限直线oA，起点坐标为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。,直线插补走步轨迹图,解 xe6，ye4，进给总步数Nxy| 60 | 40 |10，F00，插补计算过程如表，走步轨迹如图。,39,直线插补过程,40,3.2.2 逐点比较法圆弧插补,（1）逆圆弧插补偏差判别式,图8 第一象限逆圆弧,Fm0 ，表明加工点m在圆弧上； Fm0 ，表明加工点m在圆弧外； Fm0 ，表明加工点m在圆弧内。,当Fm0时，x轴方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm0时，向

17、y轴方向进给一步，并计算新的偏差。如此，一步步计算，一步步进给，并在到达终点时停止计算，就可插补出如图所示的第一象限逆圆弧。,第一象限逆圆弧插补原理为：,1.第一象限内的圆弧插补,41,当Fm0时，应沿x轴方向进给一步，到m1点，其坐标值为,偏差判别式简化,新加工点的偏差为,同理，当Fm0时，新加工点的偏差为,42,（2）终点判断,同直线插补计算，将x轴方向的走步步数Nx| xex0 | 与y轴方向的走步步数Ny| yey0 | 之和NxyNxNy作为一个计数器，每走一步，从Nxy中减1，Nxy减到零时，就到达终点。,43,（3）逐点比较法圆弧插补计算的五个步骤：,偏差判别，坐标进给，偏差计算

18、， 坐标计算，终点判断。,注意：在偏差计算的同时，要进行动点瞬时坐标值的计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。,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,44,（1）顺圆弧插补偏差判别式,图9 第一象限顺圆弧,若偏差Fm0，沿 轴方向进给一步，新加工点的坐标为 ，偏差为,若Fm0，下一步向x轴方向进给一步，新加工点的坐标为 ，偏差为,2.四个象限的圆弧插补,45,2）四个象限圆弧插补,四个象限圆弧插补的对称关系,圆弧插补中，沿对称轴的进给的方向相同，沿非对称轴的进给的方向相反。 所有对称圆弧的偏差计算公式，只要取起点坐标的绝对值，均与第一象限中的逆圆

19、弧或顺圆弧的偏差计算公式相同。,46,47,3. 圆弧插补的程序实现,X0：始点X坐标 Y0：始点Y坐标 NXY: 总步数， FM: 加工点偏差，初值F0=0 RNS: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，可由起点和终点的坐标正负符号来确定。 XM：当前点的 X坐标 YM：当前点的 Y坐标 ZF：进给方向， 1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向,1)内存单元数据,48,2)四象限圆弧插补程序流程图,49,例32 设加工第一象限逆圆弧AB，已知圆弧的起点坐标为A（4，0），终点坐标为B（0，4），试进行插

20、补计算并作出走步轨迹图。 解: 进给总步数 Nxy |4-0|+|4-0|=8 插补计算过程如表，走步轨迹如图。,圆弧插补走步轨迹图,50,圆弧插补计算过程,51,3.3 步进电机控制技术,步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的电磁装置，其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，运动的方向由步进电机各相的通电顺序决定。 输入：脉冲 输出：位移 脉冲数：决定位移量 脉冲频率：决定位移的速度 步进电机具有控制简单、运行可靠、惯性小等优点，主要用于开环数字程序控制系统中。,52,3.3.1 步进电机的分类,按力矩产生的原理：反应式和励磁式。,反应式：转子中无绕组，由定子磁场对转子产

21、生的感应电磁力矩实现步进运动。,励磁式：定子和转子均有绕组，由它们之间的电磁力矩实现步进运动。有的励磁式电机转子无励磁绕组，而是由永久磁铁制成，转子有永久磁场，这种步进电机称为混合式步进电机。,有较高的力矩转动惯量比，步进频率高，频率响应快，结构简单。,混合式步进电机具有步距较小，有较高的启动和运动频率，消耗功小，效率高，不通电时有定位转矩，不能自由转动。,53,3.3.2 步进电机的工作原理,三相反应式步进电机 定子：三对磁极，六个齿,分别为A、B、C，通过开关轮流通电。 转子：四个齿，分别为0、1、2、3齿,（1）步进电机的结构：一句话，内转子和定子构成。,54,A相通电：A相磁极与0、2

22、号齿对齐； B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐； C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐； A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；,工作过程：,55,Z转子齿数。Z4时， 。,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。相邻两齿对应的角度为齿距角，齿距角为:,56,“ 相” 绕组的个数 “ 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“ 相”和“ 拍”,57,输入一个电脉冲信号，转子转过的角度称

23、为步距角s ，对于步进电机的三相单三拍工作方式，每切换一次通电状态，转子转过的角度为1/3齿距角，经过一个周期，转子走了3步，转过一个齿距角 。,式中：Z转子齿数； N步进电机工作拍数，,58,3.3.2步进电机的工作方式,步进电机有三相、四相、五相、六相等多种，每一种均可工作于单相通电方式，双相通电方式，或单、双相交叉通电方式。, 单三拍工作方式，各相通电顺序为 ABCA，或 ACBA；,以三相步进电机为例，有以下三种工作方式：,59, 双三拍工作方式，各相通电顺序为 ABBCCAAB，或ACCBBAAC； 三相六拍工作方式，各相通电顺序为 AABBBCCCAA，或 AACCCBBBAA。,

24、60,3.3.3 步进电机控制接口与输出字表,（1）步进电机控制接口,步进电机控制接口框图,61,三相六拍控制方式状态字表,（2）步进电机控制的输出字表,以x轴步进电机控制为例，DO0、DO1、DO2输出数据为“1”时，相应的绕组通电，为“0”时断电。 对三相六拍控制方式，存 “输出字”在计算机中，低8位按表的规律送出控制信号，就可以控制步进电机的各相绕组依此通电，从而控制步进电机按三相六拍方式正转或反转。,62,（3）步进电机的脉冲分配控制程序,设要控制x、y两个方向的步进电机，用ADX、ADY分别表示x方向和y方向步进电机输出字表的取数地址指针，以ZF1、2、3、4分别表示x、x、y、y进

25、给方向，则x、y两个方向步进电机的脉冲分配控制程序流程图如下图。,63,步进电机的脉冲分配程序流程图,将步进电机的脉冲分配控制程序和插补计算程序结合起来，并修改程序的初始化和循环控制判断等内容，可实现二维或三维曲面零件加工的数字程序控制。,64,3.3.4 步进电机的速度控制程序,步进电机的速度控制，就是控制步进电机产生步进动作的时间，即控制步进电机各相绕组通电状态的切换时间，使步进电机按照给定的速度规律进行工作。 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,（a）速度-时间曲线； （b）位置-时间曲线； （c）进给脉冲序列,步进电机的加速过程,65,因此，如果要产生一个接近线

26、性上升的加速过程，就可控制进给脉冲序列的时间间隔，由疏到密地命令步进电机产生步进动作。,设Ti为相邻两个进给脉冲之间的时间间隔（s），Vi 为进给一步后的末速度（步s），a为进给一步的加速度（步s2），则得,则：,通常离线计算求得各个Ti ，存表，把Ti 编入程序中。,曲线A：代表总步数大于达到最高速度的加速和减速步数 曲线B：代表进给步数较少，不能达到最高运行速度 步进电机的速度控制曲线,66,3.3.5 数控系统设计举例-三轴步进电机控制,1. 数控系统的硬件系统结构及主要部件 “NC嵌入PC”方案 PC+多轴运动控制器 （1）工业控制机（IPC） （2）运动控制卡 2. 数控系统的软件结

27、构及主要功能模块 该软件为多任务操作系统，系统主要模块的功能如下: （1）多任务操作模块 （2）人机接口模块 （3）轨迹插补模块 （4）运动学算法模块 （5）位置控制模块 （6）方式控制模块 （7）程序控制模块 （8）参数管理模块 （9）运动仿真模块、动态显示模块等,工控机,四轴高速步进 电机控制卡 PCI-1240,驱动器1,驱动器2,驱动器3,步进电机,步进电机,步进电机,67,3.4 多轴伺服驱动控制技术,3.4.1 伺服系统 在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。例如，数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。 1.伺服系统及其组成 伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件，即伺服电机)组成。高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。 2.伺服系统的基本要求和特点 （1）伺服系统的基本要求 （2）伺服系统的主要特点,68,3.4.2 现代运动控制技术,1.伺服电机控制 （1）伺服电机及其分类 （2）控制系统对伺服电机的基本要求 （3）直流伺服电机的工作原理和控制方式 （4）交流伺服电机的工作原理和控制方式,69,