控制技术与系统第四章顺序控制

1、 控制技术与系统control technology and system 党学明 仪器科学与光电工程学院第四章 顺序控制主要内容：主要内容：第一节第一节 概述概述第二节第二节 PLC（略）（略） 第三节第三节 数控系统数控系统(CNC) （略）（略）第一节第一节 概述概述主要内容：主要内容：一、一、 顺序控制系统的组成顺序控制系统的组成二、二、 基本逻辑运算基本逻辑运算三、顺序控制系统的实现三、顺序控制系统的实现四、应用四、应用一、 顺序控制系统的组成 1、 自动控制系统技术被控变量的自动控制系统技术被控变量的时间特性时间特性可分为两大类型：可分为两大类型：v一类是一类是连续量的控制系统连续

2、量的控制系统，这类控制系统在时间特性上表现，这类控制系统在时间特性上表现为为连续量连续量，反馈控制反馈控制为这类控制系统的主流，包括为这类控制系统的主流，包括定值控制定值控制系统、随动控制系统系统、随动控制系统等。等。v另一类是另一类是断续量的控制系统断续量的控制系统，这类控制系统在时间特性上表，这类控制系统在时间特性上表示为示为离散量离散量，这类控制系统以，这类控制系统以顺序控制顺序控制为主流，包括为主流，包括时间顺时间顺序控制系统、逻辑顺序控制系统和条件顺序控制序控制系统、逻辑顺序控制系统和条件顺序控制系统等。系统等。顺序控制：顺序控制：控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求，在控制系统

3、根据生产工艺按预先规定的工艺要求，在各个输入信号的作用下，使生产过程的各个执行机构自动地各个输入信号的作用下，使生产过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作按预先规定的顺序动作2. 顺序控制的分类顺序控制的分类时间顺序控制系统时间顺序控制系统 逻辑顺序控制系统逻辑顺序控制系统条件顺序控制系统条件顺序控制系统1) 时间顺序控制系统时间顺序控制系统以固定时间程序的控制系统以固定时间程序的控制系统例如信号灯、设备启动或者关闭过程等例如信号灯、设备启动或者关闭过程等特点：特点：各设备运行时间是事先已确定的，各设备运行时间是事先已确定的， 一旦顺序执行，将按预定的时间执一旦顺序执行，将按预定的时间执

4、行操作指令行操作指令。 北向 南向 东向 西向 红 红 红 红 黄 黄 黄 黄 绿 绿 绿 绿 启动 停止 东西向 南北向 黄黄 红红 绿绿 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 交通信号灯控制盘 I0.0 I0.1 2）逻辑顺序控制系统逻辑顺序控制系统v按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与时间无按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与时间无严格的关系。执行操作指令的逻辑顺序关系不严格的关系。执行操作指令的逻辑顺序关系不变。变。v这类控制系统在工业生产过程的控制中应用较这类控制系统在工业生产过程的控制中应用较多。多。v例如化学反应、酒勾兑、混料等例如化学反应、酒勾兑、混料等3）

5、条件顺序控制系统条件顺序控制系统以执行操作指令的条件是否满足为依据，当条件满足时，以执行操作指令的条件是否满足为依据，当条件满足时，相应的操作就被执行，不满足时，将执行另外的操作。相应的操作就被执行，不满足时，将执行另外的操作。典型的例子是电梯控制系统、仓储管理等典型的例子是电梯控制系统、仓储管理等3 顺序控制系统的一般组成顺序控制系统的一般组成 系统控制器、输入输出电路、输入输出接口、信系统控制器、输入输出电路、输入输出接口、信号检测、显示电路、报警电路、操作台号检测、显示电路、报警电路、操作台 主要的五部分及功能主要的五部分及功能 (1)输入接口输入接口 实现输入信号的电平转换。实现输入信

6、号的电平转换。 (2)控制器控制器 接受控制输入信号，按一定的控制算法运接受控制输入信号，按一定的控制算法运算后控制器具有记忆功能，能实现所需的控制运算算后控制器具有记忆功能，能实现所需的控制运算功能。功能。 (3)输出接口输出接口 实现输出信号的功率转换。实现输出信号的功率转换。 (4)捡出检测器捡出检测器 检出或检测被控对象的状态信息。检出或检测被控对象的状态信息。 (5)显示报警装置显示报警装置 显示系统的输入、输出、状态、报显示系统的输入、输出、状态、报警等信息，便于了解过程运行状态和对过程的操作、警等信息，便于了解过程运行状态和对过程的操作、调试、事故处理等。调试、事故处理等。二、二

7、、 基本逻辑运算基本逻辑运算v 顺序控制系统中大量的信号是数字量或开关量。顺序控制系统中大量的信号是数字量或开关量。对数字量或开关量，其基本的运算是逻辑运算。对数字量或开关量，其基本的运算是逻辑运算。v例如逻辑运算有例如逻辑运算有“与与运算运算yAB “或或“运算运算y=A+B； “非非”运算运算y 。基本运算：基本运算：交换交换律律： AB=BA A+B=B+A结合结合律：律： (AB)C= A ( BC ) (A+B)+C= A+ ( B+C)分配律：分配律：A ( B+C)=AB+ AC _A常用简化恒等式：常用简化恒等式：A 0=0 A 1=A A A=A A+0=A A+1=1 A+

8、A=A摩根定理：摩根定理： _=.AA1A A0AA ._ABA BA BA + B 三、顺序控制系统的实现三、顺序控制系统的实现可实现方案：可实现方案：v采用继电器组成的逻辑控制系统采用继电器组成的逻辑控制系统v采用晶体管的无触点逻辑控制系统采用晶体管的无触点逻辑控制系统v采用可编程序控制器的逻辑控制系统采用可编程序控制器的逻辑控制系统v采用计算机的逻辑控制系统采用计算机的逻辑控制系统1）采用继电器组成的逻辑控制系统）采用继电器组成的逻辑控制系统v控制功能全部由硬件完成，即采用继电器的常开常控制功能全部由硬件完成，即采用继电器的常开常闭触点、延时断开闭触点、延时断开/延时闭合触点等可动触点和

9、普通延时闭合触点等可动触点和普通继电器、时间继电器、接触器等执行装置完成所需继电器、时间继电器、接触器等执行装置完成所需的顺序逻辑功能。的顺序逻辑功能。v例如，电动机的开停控制等。例如，电动机的开停控制等。v特点：特点： 受继电器触点可靠性的影响和使用寿命的限制，受继电器触点可靠性的影响和使用寿命的限制，这类控制系统的使用故障较多，使用寿命较短，加这类控制系统的使用故障较多，使用寿命较短，加上因采用硬件完成顺序逻辑功能，因此更改不上因采用硬件完成顺序逻辑功能，因此更改不便维修困难。便维修困难。2）采用晶体管的无触点逻辑控制系统）采用晶体管的无触点逻辑控制系统v顺序逻辑控制因减少了接点的可动部件

10、，可靠性大大提高。顺序逻辑控制因减少了接点的可动部件，可靠性大大提高。晶体管、晶闸管等半导体晶体管组成的无触点体元器件的使晶体管、晶闸管等半导体晶体管组成的无触点体元器件的使用寿命也较继电器的触点使用寿命长，因此，在用寿命也较继电器的触点使用寿命长，因此，在20世纪世纪70年代得到了较大的发展。年代得到了较大的发展。v它也是用硬件组成顺序逻辑功能，更改也不很方便。但因采它也是用硬件组成顺序逻辑功能，更改也不很方便。但因采用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电器顺序逻辑控用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电器顺序逻辑控制系统要方便。制系统要方便。3）采用可编程序控制器的逻辑控制系统）采用可

11、编程序控制器的逻辑控制系统v 可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来的可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来的新一代顺序逻辑控制装置。与上述的组成方法不同、它用软新一代顺序逻辑控制装置。与上述的组成方法不同、它用软件完成顺序逻辑功能、用计算机来执行操作指令、实施操作。件完成顺序逻辑功能、用计算机来执行操作指令、实施操作。v因此顺序逻辑功能的更改十分方便。加上得益于计算机的因此顺序逻辑功能的更改十分方便。加上得益于计算机的高可靠性和高运算速度，使得可编程序控制器一出现就得到高可靠性和高运算速度，使得可编程序控制器一出现就得到了广泛的应用。了广泛的应用。 4)采用计算机的逻辑控

12、制系统v计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系统计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系统或工控机守实现顺序逻辑控制功能的控制系统。在或工控机守实现顺序逻辑控制功能的控制系统。在大型的顺序逻辑控制和连续控制相结合的工程应用大型的顺序逻辑控制和连续控制相结合的工程应用中中v在这类控制系统中，有连续量的控制和开关量的控在这类控制系统中，有连续量的控制和开关量的控制，采用计算机对它们进行操作和管理，必要时，制，采用计算机对它们进行操作和管理，必要时，把信息传送到上位机或下送到现场控制器和执行机把信息传送到上位机或下送到现场控制器和执行机构。构。v可编程序控制器可编程序控制器将与其他将与其他计算

13、机控制装置计算机控制装置是工业控制领域的主流控制装置。是工业控制领域的主流控制装置。四、应用 (1)工业生产流水线工业生产流水线 在机械电子等制造工业中，产品采用流水线的工作方式按先后在机械电子等制造工业中，产品采用流水线的工作方式按先后次序进行，在这类工业生产过程中，部分控制操作是按时间次序进行，在这类工业生产过程中，部分控制操作是按时间的次序进行的大部分控制操作是按逻辑顺序进行的。这类的次序进行的大部分控制操作是按逻辑顺序进行的。这类顺序控制系统的应用十分广泛顺序控制系统的应用十分广泛.例如数控机床、柔性制造系统、物料输送系统、生产流水线等。例如数控机床、柔性制造系统、物料输送系统、生产流

14、水线等。 (2)安全生产监控系统安全生产监控系统 在石油化工、核电、冶金等工业领域由于工作环境具有高在石油化工、核电、冶金等工业领域由于工作环境具有高温、高压、易燃、易爆、核辐射等特点，因此，必须对操作温、高压、易燃、易爆、核辐射等特点，因此，必须对操作的过程参数进行控制，一旦它们偏离规定的范围，就会发少的过程参数进行控制，一旦它们偏离规定的范围，就会发少事故造成设备损坏或人员伤亡。在这些工业生产过程中，事故造成设备损坏或人员伤亡。在这些工业生产过程中，要设置控制系统用于防止事故的发生。要设置控制系统用于防止事故的发生。(3)家电产品家电产品 在家电产品中，顺序控制系统也有较广泛的应用。在家电

15、产品中，顺序控制系统也有较广泛的应用。洗衣机的顺序控制、冰箱的温度控制、空调系统等顺序逻辑洗衣机的顺序控制、冰箱的温度控制、空调系统等顺序逻辑控制系统是较常见的应用例子，家用电器的一些模糊控制系控制系统是较常见的应用例子，家用电器的一些模糊控制系统、自动烹调系统等也得到应用。总之，在这一领域、顺序统、自动烹调系统等也得到应用。总之，在这一领域、顺序控制系统还刚开始进入应用，有很大发展。控制系统还刚开始进入应用，有很大发展。第三节第三节 数控系统数控系统(CNC)一、一、 基本概念基本概念1. 数字控制数字控制 (数控数控NC) (Numerical Control ) 它是指用数字化信号对机床

16、运动及其加工过程中进行控制它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。的一种方法。2. 数控系统（数控系统（NC Control System） 数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数控控制系统。它由程序输入、输出设备、计算机数字控制控控制系统。它由程序输入、输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。3. 数控机床（数控机床（NC Machine Tools） 数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效数控机床是一种装有程序控制系统（数控系

17、统）的高效自动化机床。它综合了计算机、自动控制、精密测量、机自动化机床。它综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。床的机构设计与制造等方面的最新成果。4.4.直接数字控制系统（直接数字控制系统（DNCDNC） 使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。机床进行零件加工或装配的系统。5.开放式数控系统开放式数控系统 世界上许多数控系统生产厂家利用世界上许多数控系统生产厂家利用PCPC机丰富的软、机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放

18、式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。网络化。二、二、 数控系统的组成数控系统的组成 从自动控制从自动控制的角度来看，的角度来看，CNC系统是一系统是一种位置（轨迹）种位置（轨迹）控制系统。控制系统。 从外部特征从外部特征来看，来看，CNC系系统是由硬件统是由硬件（通用硬件和（通用硬件和专用硬件）和专用硬件）和软件（专用）软件（专用）两大部分组成两大部分组成的。的。I/O设备计算机主板显 示 卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控

19、制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统 CNCCNC系统硬件系统硬件 微机基本系统微机基本系统 人机界面接口人机界面接口: :键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器 通讯接口、通讯接口、 RS232RS232、RS485RS485串行接口、网络接口串行接口、网络接口 进给轴位置控制接口进给轴位置控制接口 主轴控制接口主轴控制接口 辅助功能（辅助功能（MST MST 辅助辅助 主轴主轴 刀具刀具 指令指令）控制接口）控制接口 CPU R O M

20、R A M IN 接接口口0UT接接口口其它其它 接接 口口 通 讯通 讯控 制控 制接接 口口 位 置位 置控 制控 制接接 口口 主 轴主 轴控 制控 制接口接口MDI/CRT接口接口手摇脉手摇脉冲发生冲发生器接口器接口2. CNC2. CNC系统软件的功能结构系统软件的功能结构 从本质特征来看，从本质特征来看，CNCCNC系统软件是具有实时性和多任务系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNCCNC管理软件和管理软件和CNCCNC控制软件两部分组成。它是控制软件两部分组成。它是CNCCNC系统活的系统活的灵

21、魂。其结构框图如图所示。灵魂。其结构框图如图所示。操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿. CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系CNC系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .硬件是基础，软件是灵魂硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工

22、作，实现各种数控功能，使数控机管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。系统的系统平台。三、三、 CNC系统的主要工作过程系统的主要工作过程1. 1. 正常工作前的准备工作正常工作前的准备工作 在接通电源后，在接通电源后，CNCCNC装置将对数控系统及数控机床的各组装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2. 2. 零件加工控制信息的输入零件加工控

23、制信息的输入 CNCCNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。原点相对机床原点的坐标值。数控加工程序存储器：数控加工程序存储器：用于存放整个数控加工程序，当存储用于存放整个数控加工程序，当存储有多个加工程序时，一般在存储器中开辟一个目录区。有多个加工程序时，一般在存储器中开辟一个目录区。数控加工程序缓冲器：数控加工程序缓冲器：只能存放一个或几个程序数据段，规只能存放一个或几个程序数据段，规模较小。是数控加工程序输入

24、通路的重要组成部分。模较小。是数控加工程序输入通路的重要组成部分。v3. 数控加工程序的译码和预处理数控加工程序的译码和预处理v 加工控制信息输入后，启动加工运行，此时加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。变换等）。v 所谓所谓译码译码就是将输入的程序段按照一定的规则就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的翻译成数控系统能够识别的数据形式，并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲

25、器中。形式存放在指定的译码结果缓冲器中。具体来讲，就是从数控加工程序缓冲器或具体来讲，就是从数控加工程序缓冲器或MDIMDI缓冲器缓冲器逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码代表的功能，将后续数字码送到相然后根据文字码代表的功能，将后续数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中，可见，译码主要包括应的译码结果缓冲器单元中，可见，译码主要包括代码识别和功能解释两大部分。代码识别和功能解释两大部分。4. 插补计算插补计算 一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。处理。所谓所谓“插补插补”

26、就是指在一条已知起点和终点的曲就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。都确定的运动序列指令。5. 位置控制位置控制 各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移

27、作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。四、四、CNCCNC装置的优点装置的优点q 具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性qCNCCNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，使系统功能的修改、扩充变得较为灵活。结构，使

28、系统功能的修改、扩充变得较为灵活。qCNCCNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。 数控功能丰富数控功能丰富q插补功能：插补功能：二次曲线、样条、空间曲面插补二次曲线、样条、空间曲面插补q补偿功能：补偿功能：运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差运动精度补偿、随机误差补偿、非线性误差补偿等补偿等q人机对话功能：人机对话功能：加工的动、静态跟踪显示，高级人机对加工的动、静态跟踪显示，高级人机对话窗口话窗口q编程功能：编程功能：G G代码、篮图编程、

29、部分自动编程功能。代码、篮图编程、部分自动编程功能。 可靠性高可靠性高qCNCCNC装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用装置采用集成度高的电子元件、芯片、采用VLSIVLSI本身就是本身就是可靠性的保证。可靠性的保证。q许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。许多功能由软件实现，使硬件的数量减少。q丰富的故障诊断及保护功能丰富的故障诊断及保护功能( (大多由软件实现大多由软件实现) )，从而可使系统，从而可使系统的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。的故障发生的频率和发生故障后的修复时间降低。 使用维护方便使用维护方便q操作使用方便：操作使用方便：用户只需根据菜单的提示，便可进行正用户只

30、需根据菜单的提示，便可进行正确操作。确操作。q编程方便：编程方便：具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟具有多种编程的功能、程序自动校验和模拟仿真功能。仿真功能。q维护维修方便：维护维修方便：部分日常维护工作自动进行部分日常维护工作自动进行( (润滑，关润滑，关键部件的定期检查等键部件的定期检查等) )，数控机床的自诊断功能，可迅，数控机床的自诊断功能，可迅速实现故障准确定位。速实现故障准确定位。 易于实现机电一体化易于实现机电一体化 数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数控系统控制柜的体积小（采用计算机，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件数量减少；电子元件的集成度越来越高，硬件

31、的不断减小），使其与机床在物理上结合在一的不断减小），使其与机床在物理上结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。起成为可能，减少占地面积，方便操作。五、分类1.按伺服系统的类型按伺服系统的类型 开环控制数控机床开环控制数控机床 闭环控制数控机床闭环控制数控机床v半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床2按机床运动轨迹按机床运动轨迹1).1).点位控制数控机床点位控制数控机床 为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控制。这如何，只要刀具最后能正确到达目

32、标位置的控制方式，称为点位控制。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。点位控制加工原理图点位控制加工原理图2). 2). 直线控制数控机床直线控制数控机床 除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。 简易数控车床、数控镗铣床，一般有简易数控车床、数控镗铣床，一般有2 2 3 3个可个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个控坐标轴，但同时控制

33、的坐标轴只有一个。3). 3). 轮廓控制的数控机床轮廓控制的数控机床 能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。2轴控制，同时控制两个坐标轴控制，同时控制两个坐标 3)按控制器的结构来划分按控制器的结构来划分，有，有硬件数控硬件数控和和计算机数控计算机数控；计算机数控计算机数控(当前主要是微机数控当前主要是微机数控)，可分为单微机，可分为单微机系统和多微机系统。系统和多微机系统。v早期：早期：由数字逻辑电路来处理数字信息的，也就是由数字逻辑电路来处理数字信息的

34、，也就是硬件数控，习惯上称之为硬件数控，习惯上称之为NC系统，十硬件数控因系统，十硬件数控因其功能少，线路复杂，可靠性低等缺点。其功能少，线路复杂，可靠性低等缺点。v现代数控系统的主流是微机数控系统现代数控系统的主流是微机数控系统。v 随着机械制造技术的发展，对数控系统提出了复随着机械制造技术的发展，对数控系统提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度等要求。随着微杂功能、高进给速度和高加工精度等要求。随着微处理器的价格降低，多个微处理器在处理器的价格降低，多个微处理器在”个数控系个数控系统中可以并行完成单个微处理器难以完成的复杂功统中可以并行完成单个微处理器难以完成的复杂功能，而且速度快，有较高

35、的性能价格比。基于功能、能，而且速度快，有较高的性能价格比。基于功能、价格等因素权衡多微处理器的数控系统得到了迅价格等因素权衡多微处理器的数控系统得到了迅速发展。微机数控系统根据一速发展。微机数控系统根据一个系统中微处理器的个系统中微处理器的多少，可分为单微机系统和多微机系统。多少，可分为单微机系统和多微机系统。4)按功能水平来划分按功能水平来划分，可分为高、中、低，可分为高、中、低(经济型经济型)三三类。类。划分标准：划分标准：(1)分辨力和进给速度分辨力和进给速度 分辨力为分辨力为10um进给速度为进给速度为815mmin为低挡；分辨力为为低挡；分辨力为lum，进给速度为，进给速度为152

36、0mmin为为中挡；分辨力为中挡；分辨力为0.1um，进给速度为，进给速度为1520mmin为高挡。为高挡。(2)坐标联动功能坐标联动功能 低挡最多低挡最多23轴联动；中、高档联动轴为轴联动；中、高档联动轴为35轴以上。轴以上。(3)显示功能显示功能 低挡一般只有数码管显示或简单的低挡一般只有数码管显示或简单的CRT字符显示；字符显示；中挡的中挡的CRT显示有图形功能；高档的一般有三维动态图形显显示有图形功能；高档的一般有三维动态图形显示功能。示功能。(4)通信功能通信功能 低挡数控系统一般无通信功能：中挡系统有低挡数控系统一般无通信功能：中挡系统有Rs232或或DNC(直接数控直接数控)通信

37、接口；高挡系统有通信接口；高挡系统有MAP(制造自动制造自动化协议化协议)等高性能通信接口，具有联网功能。等高性能通信接口，具有联网功能。 (5)主主CPU档次档次 低挡数控系统一般采用低挡数控系统一般采用8位或位或16位位CPU， 中、中、高档系统采用高档系统采用32位以上的微处理器为主位以上的微处理器为主CPU(6) 进给伺服装置水平。进给伺服装置水平。六、插补器 插补运算的任务就是在已知加工轨迹曲线的起插补运算的任务就是在已知加工轨迹曲线的起点和终点间进行点和终点间进行“数据点的密化数据点的密化”。 插补是在每个插补周期（极短时间，一般为毫秒级）插补是在每个插补周期（极短时间，一般为毫秒

38、级）内，根据指令、进给速度计算出一个微小直线段的内，根据指令、进给速度计算出一个微小直线段的数据，刀具沿着微小直线段运动，经过若干个插补数据，刀具沿着微小直线段运动，经过若干个插补周期后，刀具从起点运动到终点，完成轮廓的加工。周期后，刀具从起点运动到终点，完成轮廓的加工。基本长度单位以硬件为基础的以硬件为基础的NC系统中系统中，数控装置采用了电压数控装置采用了电压脉冲作为插补点坐标增量输出，其中每一脉冲都在脉冲作为插补点坐标增量输出，其中每一脉冲都在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动、在相应的坐标轴上产生一个基本长度单位的运动、在这种系统中，一个脉冲这种系统中，一个脉冲P对应着一对应着一

39、个基本长度单位个基本长度单位BLU可表示为：可表示为： PBLUv在在CNC系统中系统中，信息以二进制形式编排、处，信息以二进制形式编排、处理和存储。二进制的每一位理和存储。二进制的每一位Bit代表一个基本代表一个基本长度单位长度单位BLU，表示为，表示为 BitBLU1. 1. 插补方法的分类插补方法的分类 硬件插补器硬件插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器完成插补运算的装置或程序称为插补器 软件插补器软件插补器 软硬件结合插补器软硬件结合插补器1 1）. .基准脉冲插补基准脉冲插补 每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅

40、产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。法器等。2 2）. .数据采样插补数据采样插补 采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线。然后步长）进行数据密化，

41、以此来逼近轮廓曲线。然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的近给量），作为指令发给伺服驱动装置。补周期的近给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，有误差运动，误差为零停止，给插补器与指令比较，有误差运动，误差为零停止，从而完成闭环控制。从而完成闭环控制。 数据采样插补方法有：数据采样插补方法有：直线函数法、扩展直线函数法、扩展DDADDA、二阶递归、二阶递归算法等。算法等。2 2 逐点比较法逐点比较法 早期数控机床广泛采用的方法，又称

42、代数法、醉步早期数控机床广泛采用的方法，又称代数法、醉步伐，适用于开环系统。伐，适用于开环系统。1).1).插补原理及特点插补原理及特点 原理原理：每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过走一步都要通过偏差函数计算偏差函数计算，判断偏差点的瞬时判断偏差点的瞬时坐标同规定加工轨迹之间的偏差坐标同规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步，然后决定下一步的的进给方向进给方向。每个插补循环由。每个插补循环由偏差判别、进给、偏偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别差函数计算和终点判别四个步骤组成。四个步骤组成。 逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其

43、逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其它曲安插补。它曲安插补。特点：特点：运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。冲输出均匀，调节方便。插补步骤：插补步骤： 偏差判别偏差判别 - 坐标进给坐标进给 - 偏差计算偏差计算 - 终点判断终点判断 走一步走一步 - 比较一次比较一次 - 决定下决定下 插补结束判断插补结束判断 一步的走向一步的走向 第一象限内的直线插补第一象限内的直线插补 偏差计算式：偏差计算式： 若点若点M在在OA直线段上，则有直线段上，则有ym/xm=ye/xe 即即ymxe-xmye0 于是取偏差计算式为于是取偏差计算式为 Km=ym/xm-ye/xe=ymxe-ye