第4章-数字程序控制技术课件

第4 4章 数字程序控制技术 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完成工作的自动控制，称为数字程序控制。4.1 数字程序控制基础4.1 4.1 数字程序控制基础数字程序控制基础4.1.1 4.1.1 数字程序控制原理数字程序控制原理 如图4-1所示平面图形，如何用计算机在绘图仪或加工装置上重现。1.基本思路：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2.步骤：1）曲线分段2）插补计算3）折线逼近4.1.2 4.1.2 数字程序控制方式 数字程序控制按运动控制的特点分为如下3种方式：点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制。1.点位控制(Point To Point-PTP)点位控制驱动电路简单，无需插补2.直线切削控制 直线切削控制驱动电路复杂，无需插补。3.轮廓的切削控制(Continuous Path-CP)轮廓切削控制驱动电路复杂，需插补。4.1.3 4.1.3 开环数字程序控制 数字程序控制按伺服系统的类型分为闭环方式和开环方式两种。1闭环数字程序控制2开环数字程序控制 4.2 4.2 逐点比较法插补原理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。4.2.1 4.2.1 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补1 1第一象限内的直线插补第一象限内的直线插补1)偏差计算公式 现定义直线插补的偏差计算式为:偏差判别：若Fm=0，表明点m在OA直线段上;若Fm 0，表明点m在OA直线段的上方Fm0即点m处；若 Fm=0还是F0；（2）坐标进给：根据所在象限和偏差判别的结果，决定进给坐标轴及其方向；（3）偏差计算：计算进给一步后新的偏差，作为下一步进给的偏差判别依据；（4）终点判断：进给一步后，终点计数器减1，判断是否到达终点，到达终点则停止运算；若没有到达终点，返回（1）。如此不断循环直到到达终点。2.2.四个象限的直线插补四个象限的直线插补 不同象限直线插补的偏差符号和进给方向如图4-5所示，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。计算时，公式中的终点坐标值xe和ye均采用绝对值。3.3.直线插补计算的程序实现直线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六个单元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分别存放终点横坐标xe、终点纵坐标ye、总步数Nxy、加工点偏差Fm、直线所在象限值xoe和走步方向标志。其中Nxy=Nx+Ny；XOY等于1、2、3、4分别代表第一、第二、第三、第四象限，XOY的值可由终点坐标(xe,ye)的正、负符号来确定；FM的初值为F0=0；ZF等于1、2、3、4分别代表+x、-x、+y、-y 走步方向。2)直线插补计算的程序流程 图4-6为直线插补计算的程序流程图，该图按照插补计算过程的四个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断来实现插补计算程序。偏差判别、偏差计算、终点判断是逻辑运算和算术运算，容易编写程序，而坐标进给通常是给步进电机发走步脉冲，通过步进电机带动机床工作台或刀具移动。【例4.1】设加工第一象限直线OA，起点坐标为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。解：xe6，ye4，进给总步数 Nxy=|6-0|+|4-0|=10,F0=0，插补计算过程如表4-1，走步轨迹如图4-7。4.24.2.2 2 逐点逐点比较法圆弧插比较法圆弧插补补1第一象限内的圆弧插补1)偏差计算公式 由图4-8所示的第一象限逆圆弧 可知，。因此，可定义偏差计算式为：（4-4）偏差判别：若 ，表明加工点m在圆弧上；，表明加工点m在圆弧外；，表明加工点m在圆弧内。由此可得第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理是：从圆弧的起点出发，当 ，为了逼近圆弧，下一步向-x方向进给一步，并计算新的偏差；若 ，为了逼近圆弧，下一步向+y方向进给一步，并计算新的偏差。如此一步步计算和一步步进给，并在到达终点后停止计算，就可插补出如图4-8所示的第一象限逆圆弧 。2）简化的偏差计算的递推公式（1）设加工点正处于 点，当 时，应沿-x方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为：。新的加工点的偏差为 （4-5）（2）同理，当 时，新的加工点偏差为 （4-6）由以上可知，只要知道前一点的偏差和坐标值，就可求出新的一点的偏差。因为加工点是从圆弧的起点开始，故起点的偏差 。3)终点判断方法 终点判断方法和直线插补相同，可以采用双计数器方法或单计数器方法。4)插补计算过程 圆弧插补计算过程比直线插补计算过程多一个环节，即要计算加工点瞬时坐标(动点坐标)值。因此圆弧插补计算过程分为五个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。5)顺圆弧插补偏差计算式 若要加工第一象限顺圆弧 ，如图4-9所示，圆弧的圆心在坐标原点，并已知起点 ，终点 ，设加工点现处于 点。当 时，沿-y轴方向走一步，新加工点的坐标为 ，偏差为 ；当 时，沿+x方向走一步，新加工点的坐标将是 ，同样可求出新的偏差为：（4-7）比较直线插补和圆弧插补可以看出前者的偏差计算使用终点坐标(xe,ye)；而后者的偏差计算使用前一点坐标(xm,ym)。2.四个象限的圆弧插补1）圆弧插补中，沿对称轴的进给的方向相同，沿非对称轴的进给的方向相反。2）所有对称圆弧的偏差计算公式，只要取起点坐标的绝对值，均与第一象限中的逆圆弧或顺圆弧的偏差计算公式相同。当 时,（4-8）；（4-9）当 时，（4-10），（4-11）这里，SR代表顺圆弧，NR代表逆圆弧，下标代表象限。3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、加工点偏差Fm、圆弧种类值RNS、xm、ym和进给方向标志。2)圆弧插补计算的程序流程 图4-11为圆弧插补计算的程序流程图，该图按照插补计算过程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、坐标计算和终点判断。【例4-2】设加工第一象限逆圆弧AB，已知圆弧的起点坐标为A（4，0），终点坐标为B（0，4），试进行插补计算并做出进给轨迹图。解：插补计算过程如表4-2，进给轨迹如图4-12。43 步进电机控制技术 4.3.1 步进电机的工作原理1.步进电机的结构 如图4-13所示是三相反应式步进电机结构简图。可见步进电机由内转子和定子构成。定子上有绕组，这个电机是三相电机，有3对磁极6个齿，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等。三对磁极分别为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），相邻两齿对应的角度为齿距角，齿距角为 ，其中Z是转子齿数。当 时，。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。1）初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的1、3号齿对齐，同时转子的2、4号齿和B、C相磁极形成错齿状态。这就相当于初始化。2）当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的2、4号齿之间的磁力线作用，产生一个扭矩，使得转子的2、4号齿和B相磁极对齐，则转子的1、3号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。3）开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子1、3号之间的磁力线的作用，使得转子1、3号齿和C相磁极对齐，这时转子的2、4号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。4）当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子2、4号齿之间的磁力线的作用，使转子2、4号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的1、3号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。很明显，这时转子共移动了一个齿距角。4.3.2 步进电机的工作方式 以三相步进电机为例，有以下三种工作方式：（1）单三拍工作方式，各相通电顺序为：正向旋转，ABCA；或反向旋转，ACBA。数学模型如表4-3所示。（2）双三拍工作方式，各相通电顺序为：正向旋转，ABBCCAAB；或反向旋转，ACCBBAAC。数学模型如表4-4所示。（3）三相六拍工作方式，各相通电顺序为：正向旋转，AABBBCCCAA；或反向旋转，AACCCBBBAA。数学模型如表4-5所示。4.3.3 步进电机的脉冲分配程序1步进电机控制接口1步进电机控制接口 在传统的步进电机控制电路中，如图4-14(a)所示，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，电路复杂，可靠性差。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，如图4-14(b)所示。用微机控制比较简单，要改变控制，只要改变程序就可以了。假定微机同时控制 轴和 轴两台三相步进电机，控制接口如图4-15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 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。2.步进电机控制的输出字表 8255端口的输出数据问题，PA和PB口的输出数据的变化规律由步进电机的相数和工作方式决定。这种输出规律由输出字来表示，为了便于寻找，输出字以表的形式存放于计算机指定的存储区域。用“1”表示绕组通电；用“0”表示相应的绕组断电。按照相应方式下的控制字从PA和PB口的输出，就可以使电机转动。在两次输出数据之间有时间间隔，这个间隔的长短，就是调速问题，也就是频率问题。输出字送的快，电机转速高，反之，则低。正反转问题的实现，可以将控制字按正向转动的反向顺序输出即可。3.步进电机的脉冲分配程序 设要控制x、y 两个方向的步进电机，用ADX、ADY分别表示x方向和y方向步进电机输出字表的取数地址指针，以ZF1、2、3、4分别表示+x、-x、+y、-y进给方向，则x、y两个方向步进电机的脉冲分配控制程序流程图如图4-16所示。将步进电机的脉冲分配控制程序和插补计算程序结合起来，并修改程序的初始化和循环控制判断等内容，可实现二维或三维曲面零件加工的数字程序控制。4.3.4 步进电机的速度控制程序 对步进电机的控制可以分为：按预定的方式分配各绕组的通电脉冲和步进电机速度控制，使其始终遵循加速匀速减速的规律工作。步进电机的速度控制，就是控制步进电机产生步进动作的时间，即控制步进电机各相绕组通电状态的切换时间，使步进电机按照给定的速度规律进行工作。图4-17描述了一个步进电机的加速过程及其进给脉冲序列。图4-17(b)中的实线代表理想的位置时间曲线，曲线上的圆点代表步进位置，该图中的虚线表示步进电机对变速命令作出的振荡性响应。图4-17(a)表示步进电机的速度时间曲线，其中实线代表进给一步后的末速度，虚线代表每段时间间隔内的实际速度。因此，如果要产生一个接近线性上升的加速过程，就可控制进给脉冲序列的时间间隔，由疏到密地命令步进电机产生步进动作。步进电机的速度控制 曲线如图4-18所示。此图按 匀加速原理画出来的，对于 某些场合也可采用变加速原 理来实现速度控制。习题四1.什么是顺序控制？顺序控制系统有何特点？2.顺序控制系统有哪几种类型？3.什么是数字程序控制？数字程序控制有哪几种方式？4.什么是逐点比较法？5.直线插补过程分哪几个步骤？有几种终点判别方法？6.圆弧插补过程分哪几个步骤？7.设给定的加工轨迹为第一象限的直线OP，起点为坐标原点，终点坐标A（xe，ye）,其值为（8,6），试进行插补计算，做出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。8.简述反应式步进电机的工作原理。