计算机控制技术chapter3(55)

1、计算机控制技术电子教案第3章 数字程序控制技术3.1 数字程序控制基础3.2 插补原理逐点比较法3.3 步进电机控制技术 数字程序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中。采用数字程序控制的机床叫数控机床，它能加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等优点，是实现机床自动化的一个重要发展方向。本章主要介绍数字程序控制基础、逐点比较法插补原理以及作为数字程序控制系统输出装置的步进电机控制技术。3.1 数字程序控制基础 数字程序控制: 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

2、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。 数控数控 (Numerical Control - NC)系统 计算机计算机数控数控 (Computer Numerical Control - CNC)系统 数控数控系统组成: 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：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。世界上第一数控机床是1992年由MIT伺服机构实验室开发出来的，主要的目的是为了满足高精度和高

3、效率加工复杂零件的需要。一般来说，三维轮廓零件，即使二维轮廓零件的加工也是很困难的 ，而数控机床则很容易实现。早期的数控(NC)以数字电路技术为基础，现在的数控(CNC)以计算技术为基础。数控系统由输入装置、输出装置、控制器、插补器等四部分组成。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. 1 数字程序控制基础3.1.1 数字程序控制原理数字程序控制原理分为分为三段三段：显然：显然ab、bc可用直可用直线逼近，而线逼近，而cd可用圆弧逼近可用圆弧逼近当给定当给定a、b、c、d各点坐标各点坐标x、y值后可用值后可用插补的方法插补的方法来求各来求各中间点

4、的坐标中间点的坐标将插补运算过程中求出的各中将插补运算过程中求出的各中间点，以间点，以脉冲信号脉冲信号形式控制形式控制x、y方向上的步进电机，带动绘图方向上的步进电机，带动绘图笔刀具等，从而绘出图形或加笔刀具等，从而绘出图形或加工出所要求的轮廓工出所要求的轮廓图3-2 曲线分段a bcdxy1.上图两种实现方法 直线直线abab、直线、直线bcbc、直线、直线cdcd 直线直线abab、直线、直线bcbc、弧、弧cdcd2.2.插补计算插补计算 求给定点中间值的数值计算方法称为求给定点中间值的数值计算方法称为插值或插补插值或插补。 所谓直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，也就

5、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。常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。（1）脉冲：每一个脉冲信号代表步进电机走一步；代表的是加工过程中最小的加工单位，就是步长。（2）步长：对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用x和y来表示，并且总是取xy。（3）脉冲个数：线段在x轴和y轴的投影长度和脉冲当量有关。 只要求控制刀具行程终点的坐标,不管过程。采用这种控制的钻床、镗床、冲床等。1.点位控制 除了控制行程终点的坐标外还要求刀具相对于工件平

6、行某一直角坐标轴作直线运动。采用这种控制的有铣床、车床、磨床等。2.直线切削控制 能控制刀具沿工件轮廓曲线不停地运动，并将工件加工为某种形状，它是借助于插补器来进行的。采用这种控制的有钻铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。3.轮廓的切削控制机床数控概述机床数控概述 按控制系统系统分 点位控制数控机床 点位直线控制数控机床 轮廓控制数控机床数控加工的工艺与编程 数控加工程序包含的内容 程序的编号 工件原点的设置 所选刀具号,换刀指令,主轴旋转方向及相应的切削速度,进给量. 刀具引进和退出的路径 加工方法,刀具运动轨迹 其它说明,如冷却液的开、关，工件松、夹。3.1.3 3.1.3 开环数字程序控制

7、开环数字程序控制1.1.闭环数字程序控制闭环数字程序控制 2.2.开环数字程序控制开环数字程序控制 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(小惯量伺服电机和宽调速力矩电机)作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器(码盘)、光栅、感应同步器等。3.1.3 3.1.3 开环数字程序控制开环数字程序控制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，那是不受任何检查的，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来决定。 由于采

8、用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。本章主要是讨论开环数字程序控制技术。 3.2 逐点比较法插补原理 逐点比较法插补：刀具或绘图笔逐点比较法插补：刀具或绘图笔每走一步每走一步都要和给定轨迹上都要和给定轨迹上的的坐标比较坐标比较，判断该点在轨迹的上，判断该点在轨迹的上(外外) 或下或下(内内)，从而决定下步，从而决定下步的的进给方向进给方向 若该点在给定点上若该点在给定点上(外外)，下一步就向下，下一步就向下(内内)走走 若该点在给给定点下若该点在给给定点下(内内)，下一步就向上，下一步就向上(外外)走走 如此走一步，比较一次，决定进给方

9、向，逐步逼近给定轨迹如此走一步，比较一次，决定进给方向，逐步逼近给定轨迹逐点比较法逐点比较法：以阶梯折线来：以阶梯折线来逼近逼近直线或圆弧等曲线的，它与规直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差，为一个定的加工直线或圆弧之间的最大误差，为一个脉冲当量脉冲当量，因此，因此只要把脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求只要把脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求3. 2 逐点比较插补法原理3.2.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补（1）第第1象限内的直线插补象限内的直线插补 偏差计算公式偏差计算公式 xm/ym=xe/ye 即即 ymxe-xmye=0定义偏差公式为：

10、定义偏差公式为：Fm= ymxe-xmye图3-3 第一象限直线ymA(xe,ye)0 xmx ym(xm,ym) 若若Fm=0，表明点，表明点m在在OA直线段上直线段上 若若Fm0，表明点，表明点m在在OA直线段上方直线段上方 若若Fm0，表明点，表明点m在在OA直线段下方直线段下方简化的偏差计算公式 设加工点正处于m点，当Fm0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿x方向进一步至(m1)点，该点的坐标值为 xm+1=xm+1 ym+1=ym该点的偏差为 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye =Fm-ye 设加工点正处于m点，当Fm0时，表明m点在OA下方，应向y方

11、向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为 xm+1=xm ym+1=ym+1该点的偏差为 Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe简化后偏差计算公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。特别要注意，加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F00。3.2.1逐点比较法直线插补 从起点出发从起点出发 当若当若Fm0，沿，沿+X方向走一步方向走一步 当当Fm0时，沿时，沿+Y方向走一步方向走一步 两方向所走的步数与终点坐标两方向所走的步数与终点坐标(xe，ye)相等时，停止插补相等时，停止插补 直线直

12、线OA的插补原理的插补原理Fm计算式比较复杂计算式比较复杂, 用递推公式：用递推公式： Fm0 xm+1=xm+1 ym+1=ym Fm+1=Fm-ye Fm0 xm+1=xm ym+1=ym+1 Fm+1=Fm+xe（1 1）第第1象限内的直线插补象限内的直线插补3.2.1逐点比较法直线插补 设置设置x，y两个计数器两个计数器，初值设为，初值设为xe,ye在不同的坐轴进给时对在不同的坐轴进给时对应的计数器减一，两个计数器均减到零时，到达终点应的计数器减一，两个计数器均减到零时，到达终点 用用一个计数器一个计数器E，初值设为，初值设为E=xe+ye,无论在哪个坐标轴进给，无论在哪个坐标轴进给，

13、E计数器减一，计数器减到零时，到达终点计数器减一，计数器减到零时，到达终点 终点判断方法插补计算时，每走一步，插补计算时，每走一步，都要进行四个步骤的插都要进行四个步骤的插补计算过程补计算过程 插补计算过程插补计算过程 偏差判断偏差判断 坐标进给坐标进给 偏差计算偏差计算 终点判断终点判断（1 1）第第1象限内的直线插补象限内的直线插补3.2.1逐点比较法直线插补 直线插补计算举例直线插补计算举例 加工第一象限直线加工第一象限直线OA，设起点坐标为原点，终点坐标（，设起点坐标为原点，终点坐标（6，4）要求）要求进行插补计算并做出走步轨迹图进行插补计算并做出走步轨迹图（1 1）第第1象限内的直线

14、插补象限内的直线插补图图3-8 直线插补走步轨迹图直线插补走步轨迹图y-y-xxF0F0F0F0，表明点，表明点m在在AB圆弧外圆弧外 若若Fm0，表明点，表明点m在在AB圆弧内圆弧内 3.2.2 逐点比较插补法原理 逆圆弧的插补原理逆圆弧的插补原理4. 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补（1 1）第第1象限内的圆弧插补象限内的圆弧插补 从圆弧起点出发，当若从圆弧起点出发，当若Fm0，沿，沿-X方向走一步，并计算新偏差方向走一步，并计算新偏差 当当Fm0时，沿时，沿+Y方向走一步，并计算新偏差方向走一步，并计算新偏差 在到达终点时停止计算在到达终点时停止计算 Fm0 xm+1=xm-1 ym

15、+1=ym Fm+1=Fm-2xm+1 Fm=0, Fm+1=Fm-2ym+1(第一、三象限) Fm+1=Fm-2xm+1(第二、四象限) 当Fm0, Fm+1=Fm+2xm+1(第一、三象限) Fm+1=Fm+2ym+1(第二、四象限)（2 2）四个象限的圆弧插补四个象限的圆弧插补3.2.2 逐点比较插补法原理4. 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补（2）四个象限的圆弧插补四个象限的圆弧插补3.2.2 逐点比较插补法原理4. 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补(2)四个象限的圆弧插补四个象限的圆弧插补但是，这里不要求大家刻意的去记忆，要求大家学会分析，从原理入手，分析任意一段弧的偏差计算

16、式子Fm，而且都不会用多长时间。掌握偏差计算式子Fm最原始的算式的意义，是最重要的。3.2.2 逐点比较插补法原理实际上，若考虑坐标平移、坐标旋转以及实际的实际上，若考虑坐标平移、坐标旋转以及实际的加工方法，逆圆、顺圆的区别可以不考虑，而象限的加工方法，逆圆、顺圆的区别可以不考虑，而象限的区分更是没有任何实际意义区分更是没有任何实际意义圆弧插补的讨论圆弧插补的讨论4. 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补 (4)圆弧插补计算的程序实现 1)数据的输入及存放 在计算机的内存中开辟八个单元XO、YO、NXY、FM、RNS、XM、YM和ZF，分别存放起点的横坐标x0、起点的纵坐标y0、总步数Nxy、

17、加工点偏差Fm、圆弧种类值RNS、xm、ym和走步方向标志。这里Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|；RNS等于1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4，RNS的值可由起点和终点的坐标的正、负符号来确定；Fm的初值为F0，xm和ym的初值为x0和y0；ZF=1、2、3、4分别表示+x、-x、+y、-y走步方向。2)圆弧插补计算的程序流程 按照插补计算的五个步骤来实现插补计算程序。即： 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断指明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轴举例：设加工第一象限逆圆弧 ，已

18、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。 作业3.1 什么是数字程序控制？什么是数字程序控制？3.2 什么是逐点比较插补法？什么是逐点比较插补法？3.3 设加工第一象限直线设加工第一象限直线OA，起点，起点O的坐标为（的坐标为（0，0），终点），终点A的坐标为（的坐标为（9，6）。按逐点比较法进行插补计算并做出走步）。按逐点比较法进行插补计算并做出走步轨迹图轨迹图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 步进电机控制技术是数控技术中最常用的

19、一种控制方法。一个数控机床，它的驱动元件常常是步进电机。步进电机早先属于控制电机，是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。那么，靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数决定于指令脉冲的总数，而刀具移动的速度则取决于指令脉冲的频率。很明显，步进电机不是连续的变化，而是跳跃的，离散的。 步进电机：脉冲电机，给一个脉冲电机转一下。它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模(DA)转换器。 3.3.1 步进电机的工作原理（1）步进电机的结构：一句话，内转子和定子构成。 定子：定子上有绕组，教材上这个电机是三相电机，有3对磁极，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等等。三对磁极分别

20、为A、B、C，通过开关轮流通电。 转子：上面带齿。为了说明问题，这里只画了4个齿。（其实一般有几十个齿）（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，现在我们一块看一下工作过程。 初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。这就相当于初始化。 当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，产生一个扭矩，使得转子的1、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。 开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、

21、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。 当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。很明显，这时转子移动了一个齿距角。 如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那对A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍。对A、B、C三相轮组轮流通电一次称为一个周期。从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。由于按ABCA相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动了360空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。在图中，转子的齿数为4，故齿距角90，

22、转动了一个齿距也即转动了90。同样的，如果转子有40个齿，则转完一个周期是9。 齿踞角和步踞角：对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距角Z为 Z=2Z=360/Z 而步进电机运行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 =ZN=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/(34)=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/(340)=33.3.2 步进电机的工作方式步进电机单三拍工作方式步进电机单三拍工作方式2 2步进电机的双三拍工作方式步进电机的双三拍工作

23、方式 3 3步进电机的三相六拍工作方式步进电机的三相六拍工作方式 1.单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电，其余的绕组断开。 绕组的通电顺序： A B C A B C 电压波形 在这里，步进电机是由脉冲控制的。而脉冲的输出受计算机的控制。2步进电机的双三拍工作方式 绕组的通电顺序： AB BC CA 电压波形3步进电机的三相六拍工作方式 绕组的通电顺序： A AB B BC C CA A 电压波形3.3.3 步进电机控制接口及输出字表在知道工作原理和工作方式以后，我们来学习步进电机的控制；在步进电机的运行过程中，我们要关心下列问题： 步进电机的精度问题：步进电机的工作精度问题； 速度

24、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。1步进电机控制接口2步进电机控制的输出字表 1步进电机控制接口步进电机与硬件电路是怎样接口的呢？ 在传统的步进电机控制电路中，用脉冲发生器来产生脉冲，再用环形的脉冲分配器给各相送脉冲，也就是说，传统的步进电机控制是由分立元件实现的，而现在步进电机的控制由微机控制，用微机取代脉冲分配器。用微机控制比较简单，要改变控制，只要改变程序就可以了。 步进电机由定子和转子构成，定子上面有线圈绕组。这就是我们要通电的地方，假如我们要控制一台电机，就是通过通电的顺序和频率来控制。 步进电动机的环形分配器步进电动机的环形分配器

25、微型机控制步进电机原理系统图微型机控制步进电机原理系统图 假定微机同时控制x轴和y轴两台三相步进电机，控制接口如图所示。此接口电路可选用可编程并行接口芯片8255，8255 PA口的PA0、PA1、PA2控制x轴三相步进电机，8255 PB口的PB0、PB1、PB2控制y轴三相步进电机。 只要确定了步进电机的工作方式，就可以控制各相绕组的通电顺序，实现步进电机正转或反转。 微型机控制步进电机要点微型机控制步进电机要点主要解决如下几个问题：主要解决如下几个问题： (1) 用软件的方法实现脉冲序列；用软件的方法实现脉冲序列； (2) 步进电机的方向控制；步进电机的方向控制； (3) 步进电机控制程

26、序的设计步进电机控制程序的设计步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 1脉冲序列的生成脉冲序列的生成脉冲序列脉冲序列微机控制技术步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 脉冲幅值脉冲幅值 由数字元件电平决定。由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。接通和断开时间可用延时的办法控制。 要求：确保步进到位。要求：确保步进到位。微机控制技术 2方向控制方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相步进电机有三种工作方式：三相步进电机有三种工作方式： 单三拍，通电顺序为单三拍，通电顺序为 AB

27、C ； 双三拍，双三拍， 通电顺序为通电顺序为 ABBCCA ； 三相六拍，通电顺序为三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理微机控制技术 改变通电顺序可以改变步进电机的转向改变通电顺序可以改变步进电机的转向 步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理3.步进电机通电模型的建立：步进电机通电模型的建立：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用【例如】用 8255 控制三相步进电机时，控制三相步进电机时， 可用可用 PC.O、PC.1、PC.2 分别接至步进电机的分别接至步进电机的 A、 B、 C 三

28、相绕组。三相绕组。（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方式的数学模型。应控制方式的数学模型。 上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：微机控制技术 三相单三拍三相单三拍微机控制技术 三相双三拍三相双三拍用用 P1P1口口 的的 P1.2 P1.2 、P1.1P1.1、P1.0 P1.0 对应对应 C C、B B、A A 相相 进进行控行控制制 。步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 同理，可以得出三相六拍的控制模型：同理，可以得出三相六拍的控制模型： 三相六拍三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。向转动。微机控制技术步进电机与微型机的接口及程序设计 4.步进电机与微型机的接口电路步进电机与微型机的接口电路（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与与 步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。 接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口接口电路可以是锁