物联网控制技术 课件 A计控3数字控制技术

第三章

数字程序控制技术数字程序控制主要用于机床的自动控制。采用数字程序控制的机床叫做数控机床。1数字程序控制：是计算机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地完成工作的自动控制。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来完成。第一节数字程序控制基础2一、数字程序控制原理将曲线分割成若干段，将分段点的坐标存入计算机。图形分割原则：保证线段所连的曲线(或折线)与原图形的误差在允许范围之内。当给定各点坐标x和y值之后，如何确定各坐标值之间的中间值?求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。常用：直线插补和二次曲线插补两种形式。曲线分段xy0abdc3直线插补：在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，即以折线逼近直线。二次曲线插补：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。步长：对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量。常用Dx和Dy表示，并取Dx=Dy。用折线逼近直线段xy0(x0,y0)(xe,ye)4二、数字程序控制方式实现直线插补和二次曲线插补方法：逐点比较法(又称富士通法或醉步法)数字积分法(又称数字微分分析器一DDA法)数字脉冲乘法器(又称MIT法）数控系统按控制方式分三类：点位控制直线切削控制轮廓切削控制51、点位控制2、直线切削控制3、轮廓的切削控制

点位控制系统中，只要求控制刀具行程终点的坐标值。这种控制也主要是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。特点：能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令，以获得图纸坐标点之间的中间点。61、闭环数字程序控制2、开环数字程序控制三、开环数字程序控制闭环数字程序控制计算机工作台伺服电机驱动电路测量元件D/A伺服电机开环数字程序控制计算机工作台步进电机驱动电路步进电机7一、逐点比较法直线插补1、第一象限内的直线插补

逐点比较法插补：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，决定下一步的进给方向，以阶梯折线来便逼近给定轨迹。最大误差为一个脉冲当量(步长)。第二节逐点比较法插补原理

偏差：每一插值点(动点)的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差。偏差的正、负决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。

l）偏差计算公式8第一象限直线xyo(x0,y0)A(xe,ye)m(xm,ym)m’m’’xmym定义直线插补的偏差判别式为：

Fm=ymxe-xmye若Fm=0，表明点m在OA上；若Fm＞0，表明点m在OA的上方，即点m’处；若Fm＜0，表明点m在OA的下方，即点m”处。加工点(动点)9第一象限直线逐点比较法插补原理：从直线的起点(坐标原点)出发，当Fm≥0时，沿+x轴方向走一步；当Fm＜0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，停止插补。简化的插补计算递推公式：①设加工点正处于m点，当

Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿+x方向进一步至(m+1)点，该点的坐标值为：

xm+1=xm+1ym+1=ym该点的偏差为：

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye10②设加工点正处于m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向+y方向进给一步至(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

新的加工点的偏差Fm+1可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。

注意：加工的起点是坐标原点，起点的偏差是：F0=0。①设置Nx和Ny两个减法计数器。②用一个终点计数器Nxy，寄存两个坐标的总进给步数。2）终点判断方法①偏差判别(Fm)、 ②坐标进给(+x,+y)、③偏差计算(Fm+1)、 ④终点判断(Nxy)。3）插补计算过程112、四个象限的直线插补偏差符号与进给方向的关系xyA1(xe,ye)F<0F<0F<0F<0F

0F

0F

0F

0-x-yA2(-xe,ye)A3(-xe,-ye)A4(xe,-ye)直线插补的进给方向及偏差计算公式Fm

0所在象限进给方向偏差计算一、四+xFm+1=Fm-ye二、三-xFm

<0所在象限进给方向偏差计算一、四+yFm+1=Fm+xe二、三-y123、直线插补计算的程序实现1）数据的输入及存放2）直线插补计算的程序流程(图3.7)在计算机的内存中开辟6个单元，分别存放xe、ye、Nxy、Fm、直线所在象限值xoy和走步方向标志ZF。例3.1设加工第一象限直线OA，起点O(0,0)，终点A(6,4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。P69表3.2插补计算过程图3.8插补计算走步轨迹13二、逐点比较法圆弧插补1、第一象限内的圆弧插补第一象限逆圆弧xyoM(xm,ym)B(xe,ye)RRmA(x0,y0)Fm=0，表明加工点m在圆弧上；Fm>0，表明加工点m在圆弧外；Fm<0，表明加工点m在圆弧内。1）偏差计算公式14第一象限逆圆弧逐点比较法插补原理：从圆弧的起点出发，当Fm≥0时，沿-x方向走一步；当Fm＜0时，沿+y方向走一步；到达终点后停止插补。简化的插补计算递推公式：①设加工点正处于m点，当

Fm≥0时，应沿-x方向进一步至(m+1)点，该点的坐标值为：

xm+1=xm-1ym+1=ym该点的偏差为：

15②设加工点正处于m点，当

Fm＜0时，应沿+y方向进一步至(m+1)点，该点的坐标值为：

xm+1=xm

ym+1=ym+1该点的偏差为：

因加工点是从圆弧起点开始：F0=0。2）终点判断方法①偏差判别(Fm)、 ②坐标进给、

③偏差计算(Fm+1)、 ④坐标计算、⑤终点判断(Nxy)。3）插补计算过程161）第一象限顺圆弧

P73图3.11四个象限顺圆弧插补的对应关系

P73表3.3圆弧插补计算公式和进给方向2、四个象限的圆弧插补第一象限顺圆弧xyoM(xm,ym)C(x0,y0)RmD(xe,ye)若Fm≥0，-y，Fm+l=Fm-2ym+1若Fm＜0，+x，Fm+l=Fm+2xm+11）四个象限的圆弧插补17第三节步进电机控制技术一、步进电机的工作原理步进转动。一般采用单极性直流电源。要使步进电机转动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。转子的齿数为Z，齿距角qZ为：P76

图3.14步进电机的工作原理分析图18步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。每一拍的步进：步距角q：

N：步进电机工作拍数，

Z：转子的齿数。若三相步进电机，采用三拍方式，则它的步距角：19二、步进电机的工作方式1、步进电机单三拍工作方式单相通电，双相通电，单相、双相交叉通电方式。工作性能：步距、定位精度、工作稳定性等。三相步进电机：单相三拍(简称单三拍)方式双相三拍(简称双三拍)方式三相六拍工作方式电机正向旋转，各相的通电顺序为：A

B

C

A

···ABC单三拍工作的电压波形203、步进电机的三相六拍工作方式2、步进电机双三拍工作方式各相的通电顺序为：AB

BC

CA

AB

···各相的的通电顺序为：

A

AB

B

BC

C

CA

A

···ABC三相六拍工作的电压波形双三拍工作的电压波形ABC21微机同时控制x轴和y轴两台三相步进电机。

P78

图3.18两台三相步进电机控制接口示意图8255PA口的PA0、PAl、PA2控制x轴三相步进电机，8255PB口的PB0、PB1、PB2控制y轴三相步进电机。按所确定的步进电机的工作方式，控制各相绕组的通电顺序，实现步进电机正转或反转。常规：脉冲分配器、驱动电路。微机控制：微机(脉冲分配器、控制走步数、转向、速度)、驱动电路三、步进电机控制接口及输出字表1、步进电机控制接口

P78表3．5三相六拍控制方式输出字表2、步进电机控制的输出字表221、步进电机走步控制程序图3.19步进电机三相六拍走步控制程序流程四、步进电机控制程序2、步进电机速度控制程序

控制步进动作时间，使步进电机按给定的速度规律工作。设：Ti为相邻两次走步之间的时间间隔(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)，则有一般离线计算延时时间表，运行时依次取出控制。23第三章重点1、数字程序控制的原理和方式。2、逐点比较法直线和圆弧插补原理，插补过程计算及程序实现。3、三相步进电机的各种方式，各种方式的各相通电顺序以及相应的输出控制字表。24设计实例：采用Atmel89C51单片机，设计一个X轴、Y轴步进电机的控制电路，画出原理图，并简述其工作原理及工作过程。系统要求：1）CPU采用Atmel89C51单片机（内含4KEPROM）。2）X轴、Y轴步进电机均为三相步进电机，具有三相单三拍和三相六拍二种工作方式，用一根外部控制线I1（开关量）来控制（U=24V时为三相六拍，U=0V时为三