讲义-第三章--数字程序控制技术(共12页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第三章 数字程序控制技术补：数控是采用数字电子技术和计算机技术，对生产机械进行自动控制的系统，它包括顺序控制和数字程序控制两部分。顺序控制：微机顺序控制方式是指以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序顺序地进行工作。一般地，把按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制。顺序控制的特点：(1)控制系统的输入和输出信号都是开关量信号。(2)顺序控制系统控制生产机械依次顺序动作，动作的转换是根据现场输入信号的逻辑判断或时序的判断来决定的。(3)为了保证系统可靠的工作，有的系统中，需对执行机构或控制对象的实际状态进行检测或测量，将结果及时地反馈给系统控制器，这就

2、需要增加检测机构；为了调整方便，并实现工作时的监视以及故障时的报警，一般要有显示和报警电路。数字程序控制主要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。采用数字程序控制的机床叫做数控机床，数控机床页：1钻床：在金属或其他材料的零件上加工圆孔用的机床。工件不动，刀具一面旋转，一面推进。最常用的有立式钻床，旋臂钻床等。镗床：用来加工工件上孔眼的机床。工件固定在工作台上，刀具装在旋转的金属杆上，伸进工件的孔眼里进行切削，使原有的孔眼扩大，光滑而精确。冲床：用冲压的方法使金属板成形或在金属板上冲孔的加工机器。汽车外壳和酒瓶瓶盖等就是用冲床加工制成的。铣

3、床：切削金属用的一种机床。装有棒状或者盘状的多刃刀具，用来加工平面，曲面和各种凹槽。工作时刀具旋转，工件移动着跟刀具接触。种类很多，如立式铣床，万能卧式铣床等。刨床：用于金属材料的平面加工和各种直线的成型面的加工的一种机床。龙门刨，牛头刨。车床：最常用的一种金属切削机床。主要用来做内圆，外圆和螺纹等成型面的加工。工作时工件旋转，车刀移动着进行切削。也叫旋床。磨床：装有高速旋转的砂轮，用来磨制工件表面的机床，作用是使工件表明光洁，提高零件的精确度。摘自现代汉语词典具有能够加工形状复杂的零件，加工精度高，生产效率高等特点，是实现机床自动化的一个重要的发展方向。本章主要介绍数字程序控制基础，逐点比较

4、法插补原理，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（如各种加工机械）按照规定的顺序，运动轨迹，运动距离和运动速度等规律自动的完成工作的自动控制。世界上第一台数控机床是1952年美国麻省理工学院（MIT：Massachusettes Institute of Technology马萨诸塞州）伺服机构实验室开发出来的，主要目的是为了满足高精度和高效率的加工复杂零件的需要。在零件的加工过程中，二维和三维轮廓零件的加工是很困难的，而有了数控机床后则显得非常容易。早期的数控（NC: Numerical Control）机床是以数字电路技术为基

5、础来实现的，随着小型和微型计算机的迅速发展，70年代初期在数控系统中利用了计算机来实现控制，从而诞生了计算机数控（CNC）。数控系统一般由输入装置，输出装置，控制器和插补器等四大部分组成，这些功能都由计算机系统来完成。计算机数控系统(Computer Numerical Control)，简称CNC系统。它是通过软件实现控制，要想改变控制功能，只需改变相应的控制程序，硬件电路不作或只作极少改动，所以通用性和灵活性都很好。3.1.1微机数控系统的组成当CNC系统中的计算机采用微机时，就成为微机数控(MNC)系统了，其组成如图3.1所示。(1)输入装置一般指微机的输入设备，如键盘。其作用是输入数控

6、系统对生产机械进行自动控制时所必需的各种外部控制信息和加工数据信息。图3.1微机数控系统组成框图 (2)微机微机是MNC系统运算和控制的核心。在系统软件指挥下，微机根据输入信息，完成数控插补器和控制器运算，并输出相应的控制和进给信号。若为闭环数控系统，则由位置检测装置输出的反馈信息也送入微机进行处理。(3)输出装置一般包括输出缓冲电路、隔离电路、输出信号功率放大器、各种显示设备等。在微机控制下，输出装置一方面显示加工过程中的各有关信息，另一方面向被控生产机械输出各种有关的开关量控制信号(冷却、启、停等)，还向伺服机构发出进给脉冲信号等。(4)伺服机构一般包括各种伺服元件和功率驱动元件。其功能是

7、将输出装置发出的进给脉冲转换成生产机械相应部件的机械位移(线位移、角位移)运动。(5)加工机械即数控系统的控制对象，各种机床、织机等。目前已有专门为数控装置配套设计的各种机械，如各种数控机床，它们的机械结构与普通机床有较大的区别。3.1.2 微机数控系统的分类1按用途分类普通数控系统多坐标数控系统2按控制对象的运动轨迹分类数控系统按控制方式来分类，可以分为点位控制，直线切削控制和轮廓切削控制。这三种控制方式都是运动的轨迹控制。 点位控制（Point to Point，PTP）点位控制系统中，只要求控制刀具形成终点的坐标值，即工件加工点可以准确定位，至于刀具从一个加工点到下一个加工点走什么路径，

8、速度快慢，方向如何并无明确规定，因为在移动的过程中不做任何加工，只是到达指定位置后才开始加工。在机床中，采用这类控制的有钻床，镗床，冲床等。 直线切削控制主要控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。需要此类控制的有铣床，车床，磨床，刨床，加工中心等。页：3按理说，工件中只要是有直线切削要求，通过摆放其位置，总能够使要加工的直线与两个坐标轴的某一个平行，但实际上有些工件虽是需要直线切削，但是可能由于各种原因导致其不好固定，使其待加工直线不能平行于某一坐标轴，因此刀具也不能作直线切削运动。而对绝大部分的机床来说，其加工刀具一般只能研横

9、，纵两个坐标轴来动作，少数可以沿对角线方向加工。因此并不是说工件上的任意直线切削都可以简单进行，必须使其与坐标轴或对角线平行。所以要以x，y方向的刀具运动来代替斜线。 轮廓的切削控制（Continuous Path：CP）这类控制的特点是能够控制刀具沿工件的轮廓曲线不断的运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状，这就需要插补器来进行刀具控制。主要用于铣床，车床，磨床，加工中心等。3 按对伺服机构的控制方式分类 闭环数字程序控制执行机构多采用直流电机，反馈测量元件采用光电编码器，光栅等，主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，较少采用。 开环数字程序控制：没有反馈检测元件，工作台

10、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，把刀具移动到指定的位置，至于刀具是否真的到达了规定的位置，是不作检查反馈的。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。开环数字程序控制结构简单，可靠性高，成本低，易于调整和维护，应用最为广泛。由于采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，易于实现。3.1.3 数字程序控制原理OXYabcd图3.2 曲线分段例：图3.2的曲线分段1 将图中的曲线分成了三段，。可见用弧线cd要比直线段cd更能准确的替代原曲线。将a，b，c，d四个点的坐标输入到计算机中去。曲线分割的原则应该保证线段所连的曲线应

11、该与原曲线的误差在允许范围内。2 求取曲线中间各个点的数值计算方法称为插值或者插补。数字程序控制系统的插补器用于完成插补计算，插补计算就是按照给定的基本数据（如直线或圆弧的起点和终点坐标），插补（插值）其中间的坐标数据，从而把曲线形状描述出来的一种计算。插补器实际上是一个函数发生器，能按给定的基本数据产生一定的函数曲线，并以增量的形式（脉冲）向各坐标连续输出，以控制刀具按给定的图形运动。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续的定出一系列中间点，这些中间点的坐标值是以一定的精度逼进给定的线段。理论上讲，插补的形式可以用任意的函数形式，但是为了简化插补的运算过程和加快插补的速度，常用

12、的是直线插补和二次曲线插补两种形式。所谓直线插补，就是在给定的两个基点之间用一条近似的直线来逼进，但并不是真正的直线。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进，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。对图3.2所示的曲线来说，显然ab和bc是用直线插补，cd用圆弧插补是合理的。3 把插补运算过程中定出的各个中间点，以脉冲信号形式去控制x，y方向上的步进电机，带动绘图笔，刀具等，从而绘出图形或者加工出所要求的轮廓来。这里的每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在x或y方向上移动一个位置。XYO图3.3 用折线逼近直线

13、段对应于每一个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，也称为步长，常用来表示，并且总是规定。图3.3就是一段用折线逼近直线插补线段，其中代表起点坐标，代表终点坐标值，则x方向和y方向应移动的总步数和分别为：，令1，则。因此，插补运算就是如何分配x和y方向上的脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能的逼近理想的轨迹。实际上中间点连线并不是一条直线，只是由于实际的很小，眼睛可能分辩不出来，看起来和直线一样而已。实现直线插补和二次曲线插补的方法有很多，常见的有逐点比较法（富士通法或醉步法），数字积分法（数字微分分析器DDA：Digital Differential Analyger法），数字脉冲乘法器（MIT法）等

14、，其中以逐点比较法使用最广。注：工件固定，机床的刀具在二维平面上不能斜着走， 3.2 逐点比较法插补原理所谓逐点比较法插补，就是刀具或者绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方还是下方，或是给定轨迹的里面还是外面，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就往上方走，如果原来在给定轨迹的里面下一步就往外面走。走一走，看一看，比一比，从而逼近给定的轨迹，形成逐点比较插补。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或者圆弧曲线的，它与规定的加工曲线之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要脉冲当量（每一步的步长）取得足够小，就可达到加工精度的要求。3.2.1 逐点比

15、较法直线插补1. 直线插补运算原理(1)偏差及其计算公式设给定加工直线OE位于第一象限，如图3.4所示。直线的起点为坐标原点O(0，0)，直线终点在E(Xe,Ye)点，直线的斜率为当某一时刻加工点到达M(Xm,Ym)点时，则直线OM的斜率为 点M偏离给定直线OE的情况可用OM与OE的斜率之差来表示，即 图3.4 第一象限直线示意图当F=0时，M点在直线OE上；当F0时，M点在直线OE上方；当F0时，M点在直线OE下方。偏差可表示为根据Fm的符号就可以判别M点的偏离方向。在采用逐点比较法的加工过程中，每一步的进给方向都是沿平行于坐标轴的方向逼近给定曲线的，再根据Fm的符号来决定下一步的进给方向。

16、对于第一象限的直线OE，起始点为坐标原点O(0，0)，那么当Fm=0时，M点在直线OE上，此时规定沿+x轴方向进给一步；当Fm0时，M点在直线OE的上方，沿+x轴方向进给一步；当Fm0时，M点在直线OE的下方，沿+y轴方向进给一步。按照上式计算偏差，要做两次乘法，一次减法，比较麻烦，因此需要进一步简化，也是为了便于编程，得到偏差计算的递推公式。对于第一象限的直线，若加工到M点时，Fm0，则向+x轴方向进给一步，新加工点的坐标为，它与M点的坐标关系是则偏差为若加工到M点时Fm0时，则向+y轴方向进给一步，新加工点坐标与M点的坐标关系是因而新加工点的偏差为(2)终点判别终点判别有多种方法，下面介绍

17、其中的两种方法。设置两个计数器Nx和Ny，分别对x坐标方向和y坐标方向的总步数进行计数。设一个总步数计数器Nxy，对x坐标方向和y坐标方向的总步数进行计数。根据上述分析，可知直线插补的步骤如下： (1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步； (3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。注意：页：6第一象限内的直线插补注：在第一象限里，取直线段的起点为坐标原点，因此终点坐标始终是大于起点坐标的

18、，所以每走一步，新一点的横坐标或者纵坐标总有一个是增加的。注：第一步，规定总是横坐标方向先走的，如果先朝y方向走，也是可以的。注：看所画直线的具体情况，完全有可能在某一个方向连着走几步。注：终点判断方法中的第二种方法，用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数，当它减到0时，到达终点。这种方法如果出错，不易检查。如果因为某些原因导致x或y方向多走一步，则最后的终点不准确，检查时无法查出到底是那个方向的问题。注：插补计算过程中，偏差判别，是指判别偏差是大于，等于还是小于0。坐标进给，是决定下一步的进给方向，偏差计算，是计算出新的偏差，终点判断，是判断计数器是否减为0，是否到达目标终点。注：

19、这里讲的是四方向插补，也有八方向插补的，就是说电机带动刀具有一个45度方向的进给。2. 直线插补计算举例例3.1设加工第一象限直线OA，起点为(0，0)，终点坐标为(6，4)试进行插补计算，并作出走步轨迹图。（参考书中例题P69）坐标进给的总步数：表3.1给出了本题的插补计算过程。步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点1+x2+y3+x4+y5+x6+x7+y8+x9+y10+x3. 四象限直线插补公式根据第一象限的插补原理及偏差计算式的推导过程，可得出其他三个象限的进给方向及偏差计算式。图3.5 四象限偏差符号与进给方向的关系注：从图3.5中可以发现规律，关于对称轴的两个线段的进给方向一致

20、，另一方向相反。注：即使忘记进给方向，只要记住，不论在哪个象限，其走步方向始终是从起点往终点走即可。表3.2中给出了直线插补的进给方向及偏差计算公式。表3.2 直线插补的进给方向及偏差计算公式所在象限进给方向偏差计算所在象限进给方向偏差计算一、四x一、二y二、三x三、四y图3.6 直线插补计算程序流程4. 直线插补程序设计流程3.2.2 逐点比较法圆弧插补1 第一象限内的圆弧插补在圆弧加工中，圆弧的圆心是坐标的原点。根据圆弧的形成方向和它在坐标中的位置，可将圆弧曲线分成顺向四个象限和逆向四个象限八种情况。SR1、SR2、SR3和SR4分别表示第1、2、3、4象限的顺圆弧；NR1、NR2、NR3

21、和NR4分别表示第1、2、3、4象限的逆圆弧。下面以加工SR1为例，讨论其插补计算原理。(1)偏差及其计算公式(P8485)设加工如图3.7所示的第一象限顺向圆弧SR1。圆心是坐标的原点，圆弧起点为A(xa,ya)，终点为E(xe,ye)，半径为R，则有图3.7第一象限顺圆弧示意图偏差判别式为若Fm=0，则表明加工点M在圆弧上；Fm0，表明加工点在圆弧外；Fm0，表明加工点在圆弧内。为了使新的加工点逼近给定圆弧，对于SR1，进给方向应为：当Fm0时，应向-y轴方向进给一步；当Fm0时，应向+x方向进给一步。仿照直线插补的做法，导出圆弧偏差计算的递推公式。若Fm0，则应沿-y轴方向走一步，新加工

22、点的偏差为：， 若Fm0，则应沿+x轴走一步，新加工点的偏差为， (2)终点判别圆弧加工时，终点判别的方法与直线加工时相同，可采用前面讲述过的两种方法之一。2. 圆弧插补计算举例例3.2 设加工第一象限的逆圆，圆弧起点为A(4，0)，终点为E(0，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。计算过程见书P863. 四象限圆弧插补计算公式用与推导第一象限顺圆弧插补公式相同的方法很容易推导出其余七种类型的圆弧插补计算公式。（见书P85）注页：9对圆弧曲线的插补，可否用直线插补法来作？所在点斜率和圆弧上点的斜率无法比较，因为圆弧上所有点的斜率是不一样的。虽然肉眼可以容易的判断点是在圆弧上还是下，但是要用计

23、算机来计算的话，难度就很大。： 3.3 步进电机控制技术补：伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。页：9servo伺服(系统)A closed system for controlling mechanical position or motion using feedback from the mechanical part of the device as an input.利用反馈来控制机件的位置或运动的一种闭环系统,反馈输入来自设备的机件部分。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又

24、称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。在开环数字程序控制系统中，输出的控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机，又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制

25、脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机控制线路接收计算机发来的脉冲指令，控制步进电机作相应的转动，来带动机床的工作台或刀具。指令脉冲的总数就决定了数控机床的工作台或刀具的总移动量，指令脉冲的频率就决定了移动的速度。因此，指令脉冲能否被可靠的执行，基本上决定于步进电机的性能。3.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其步进过程可以用图3.8来说明。步进电机的转子上没有绕组，而是在转子圆周上均匀分布着40个矩形小齿，相邻两齿之间的夹角为9°，转子中的小齿和定子的小齿形状相同，齿距也相同。当某相绕组通电时，相对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁

26、路，如果这时定子的小齿没有对齐，则在磁场作用下，转子转动一定的角度，使转子与定子齿对齐，可见通电相中定、转子齿的错位是促使步进电机旋转的条件。三相反应式步电电机剖面示意图如图3.8所示。图3.8反应式步进电机剖面示意图假如按ABCA顺序依次通电，初始状态A相通电，而B、C两相都不通电，在磁场作用下使转子齿和A相的定子齿对齐，并设与A相磁极中心对齐的转子齿为0#齿，由于B相磁极与A相磁极相差120°，有120°/9°=40/3不为整数，说明此时的转子齿不可能与B相定子齿对齐，只是第13#小齿靠近B相磁极的中心线，且与中心线相差3°。如果此时突然变为B相通电

27、，而A，C两相都不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，这样整个转子就转动了3°，此时，称电机走了一步。同理，变为C相通电，而A，B两相都不通电时，整个转子也转动了3°，如果按ABCA顺序通电一周，则转子转动9°。由此可知，由一种通电状态变换到另一种通电状态，转子转动一步，我们称之为一“拍”。对于转子有Z个齿，采用N拍方式运行的步进电机，其步距角为：注：如果定位不准确，转的步距角与实际应该转的不同，称为“丢步”。“失步”的原因有两种，一是转子的加速度慢于旋转磁场，也就是低于换相速度。二是转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，转子在步进过程中获得了较多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当严重时就会失步。补：步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80