数字程序控制技术课件

第三章数字程序控制技术1-----精品文档------

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。数字程序控制主要应用于机床控制,采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。组成:数字程序控制系统由输入装置,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。2-----精品文档------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。3-----精品文档------

步骤：

1.曲线分段：

－图中曲线分为三段，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。4-----精品文档------

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：

直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，

二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近－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。5-----精品文档------－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：Nx＝(xe-x0)/△x y方向步数：Ny＝(ye-y0)/△y6-----精品文档------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）7-----精品文档------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

8-----精品文档------3.1.3数字程序控制闭环方式

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，该控制方式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，一些常规的数控系统很少采用9-----精品文档------开环方式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。

10-----精品文档------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或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。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脉冲当量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即步长）取得足够小，就可达到加工精度的要求。

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）

11-----精品文档------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

12-----精品文档------第一象限内的直线插补

－偏差计算式：

在第一象限想加工出直线段OA，取直线段的起点为坐标原点，直线段终点坐标(xe，ye)是已知的。点m(xm,ym)为加工点（动点），若点m在直线段OA上，则有xm/ym=xe/ye

即ymxe-xmye＝0

于是取偏差计算式为

Fm=ymxe-xmye

13-----精品文档------

－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，则点m在OA直线段的下方。

进给方向确定：

当Fm>=0时，沿+x轴方向走一步；

当Fm<0，沿+y方向走一步；

当目前坐标与终点坐标相等，停止插补。14-----精品文档------

－偏差计算的简化：

（1）设加工点在m点，若Fm>=0，这时沿+x轴方向走一步至m＋1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，这时沿+y轴方向走一步至m＋1点。

推理有Fm+1=Fm+xe

15-----精品文档------

偏差计算简化为：

若m为起点0，则Fm=F0=0；

否则

：若Fm>=0，Fm+1=Fm–ye

若Fm<0，Fm+1=Fm+xe

－终点判断：

方法1：设置x，y轴两个减法计数器Nx和Ny

，加工前分别存入终点坐标xe和ye，x(y)轴每进给一步则Nx–1(Ny–1）,当Nx和Ny

均为0，则认为达到终点。

方法2：设置一个终点计数器Nxy,x或y轴每进给一步则Nxy–1，当Nxy

为0，则认为达到终点。

16-----精品文档------插补计算时，每走一步，都要进行以下四个步骤的插补计算过程，即①偏差判别②坐标进给③偏差计算④终点判断17-----精品文档------4象限内的直线插补

记忆：

2象限：1象限以y轴镜象

4象限：1象限以x轴镜象

3象限：1象限旋转180度

18-----精品文档------3.直线插补计算的程序实现6个内存单元数据

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，FM初值为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、–x、+y、-y方向进给。

19-----精品文档------流程图20-----精品文档------例3.1：加工第1象限直线OA，起点为O（0，0），终点为A(6，4)，试进行插补并作走步轨迹图。解：进给总步数Nxy＝|6-0|+|4-0|=10

xe=6，ye=4,F0=0,xoy=1 21-----精品文档------步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=022-----精品文档------3.2.2逐点比较法圆弧插补第一象限内的逆圆弧插补

－偏差定义

M点偏差

Fm=Rm2-R2=xm2+ym2-R2

－偏差判断

Fm=0，M点在圆弧上

Fm>0，M点在圆弧外

Fm<0，M点在圆弧内23-----精品文档------－第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：

从起点出发，当Fm>=0，向-x方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm<0，下一步向+y方向进给，并计算新的偏差。按上述步骤循环到达终点后结束。

24-----精品文档------－偏差的简化计算，以第一象限逆圆弧为例：当Fm>=0，向-x方向进给一步

（xm+1，ym+1)=(xm－1,ym) Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm–2xm+1

当Fm<0，向+y方向进给一步

（xm+1，ym+1)=(xm,ym+1

) Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm+2ym+1起点偏差Fm＝025-----精品文档------－终点判断

采用总步数Nxy设计数方法：Nxy初始设值为x和y轴进给总步数之和，x或y轴每进给一步则Nxy–1，当Nxy

为0，则认为达到终点。

－插补计算步骤

偏差判别->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

26-----精品文档------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Fm<0，向+x方向进给一步，

Fm+1=Fm+2xm+127-----精品文档------－四个象限的圆弧插补记忆：2象限：1象限以y轴镜象4象限：1象限以x轴镜象3象限：1象限旋转180度28-----精品文档------－圆弧插补计算工时和进给方向注意：表中坐标值为不带符号的数，如第四象限中的点（-4,-3)应用xm=4,ym=3查表计算。29-----精品文档------圆弧插补计算的程序实现

内存单元数据

X0：起点X坐标

Y0：起点Y坐标

NXY:总步数，

Nxy

＝Nx

+

Ny

FM：加工点偏差；

XM：xm

YM：

ym

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。

ZF：进给方向，

1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向进给。

30-----精品文档------流程图31-----精品文档------例3.2：加工第1象限逆圆弧AB，起点为A（4，0），终点为B(0，4)，试进行插补并作走步轨迹图。解：进给总步数Nxy＝|4-0|+|4-0|=832-----精品文档------33-----精品文档------3.3步进电机控制技术

数控机床的驱动元件常常是步进电机。步进电机是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。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。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（D／A）转换器。

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34-----精品文档------3.3.1步进电机的工作原理

三相反应式步进电机:一句话，内转子和定子构成。

定子：三对(三相,还有四相、五相等)磁极，六个齿

转子：四个齿，分别为0、1、2、3齿(其实一般有几十个齿)35-----精品文档------－工作过程：A相通电：A相磁极与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。B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐；则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐；这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；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。36-----精品文档------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。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。37-----精品文档------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θZ为θZ=2π／Z=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θ可以表示如下θ=θZ／N=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θ=360°/(3×4)=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θ=360°/(3×40)=3°38-----精品文档------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…39-----精品文档------－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->…

40-----精品文档------步进电机细分驱动：

切换时，绕组电流并非全部切除或通入，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)。41-----精品文档------优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声42-----精品文档------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

步进电机的控制中，要关心下列问题：①步进电机的精度问题：步进电机的工作精度问题；②速度调节问题：步进电机运动速度的快慢的调节；③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43-----精品文档------

－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

44-----精品文档------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

－例如：采用8255芯片控制x,y轴步进电机。45-----精品文档------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。

46-----精品文档------

－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。47-----精品文档------

－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->ADY2->…->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。

48-----精品文档------3.3.4步进电机控制程序步进电机走步控制程序流程图49-----精品文档------50-----精品文档------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：

51-----精品文档------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52-----精品文档------PWM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。

53-----精品文档------

－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54-----精品文档------直流电机调速实验

－采用PWM调速方式。

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