数字程序控制技术.pptx

1 1 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数字程序控制主要应用于机床控制,采用数采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。字程序控制系统的机床叫做数控机床。组成组成:数字程序控制系统由输入装置由输入装置,输出装输出装置置,控制器和插补器等四大部分组成。其中控制器和插补器等四大部分组成。其中,控制控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。机承担。第1页/共59页2 23.1.1 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。第2页/共59页3 3 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。第3页/共59页4 4 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。第4页/共59页5 5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)/y 第5页/共59页6 63.1.2 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）第6页/共59页7 7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 第7页/共59页8 83.1.3 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统很少采用第8页/共59页9 9开环方式这种控制结构没有这种控制结构没有反馈检测元件反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。，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步进电机和传动装置来决定。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。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。本章主要是讨论开环数字程序控制技术。第9页/共59页10103.2 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，来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，。如。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近此，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。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。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）第10页/共59页11113.2.1 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 第11页/共59页1212第一象限内的直线插补 偏差偏差计算式：算式：在在第第一一象象限限想想加加工工出出直直线线段段OAOA，取取直直线线段段的的起起点点为为坐坐标标原原 点点，直直 线线 段段 终终 点点 坐坐 标标(xe(xe，ye)ye)是是 已已 知知 的的。点点m(xm,ym)m(xm,ym)为为加加工工点点（动动点点），若若点点mm在在直直线线段段OAOA上上，则有有xm/ym=xe/ye 即即ymxe-xmye0 于是取偏差于是取偏差计算式算式为 Fm=ymxe-xmye 第12页/共59页1313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时，沿+x轴方向走一步；当Fm=0，这时沿+x轴方向走一步至m1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，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。第15页/共59页1616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 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 第16页/共59页17174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 第17页/共59页18183.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0XOY: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。第18页/共59页1919流程图第19页/共59页2020例：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第20页/共59页2121步数步数步数步数偏差判别偏差判别偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算偏差计算偏差计算终点判断终点判断终点判断终点判断起点起点起点起点F F0 0=0=0N Nxyxy=10=101 1F F0 0=0 0+x xF F1 1=F=F0 0-y-ye e=-4=-4N Nxyxy=9=92 2F F1 1 0 0+x xF F3 3=F=F2 2-y-ye e=-2=-2N Nxyxy=7=74 4F F3 3 0 0+x xF F5 5=F=F4 4-y-ye e=0=0N Nxyxy=5=56 6F F5 5=0 0+x xF F6 6=F=F5 5-y-ye e=-4=-4N Nxyxy=4=47 7F F6 6 0 0+x xF F8 8=F=F7 7-y-ye e=-2=-2N Nxyxy=2=29 9F F8 8 0 0+x xF F1010=F=F9 9-y-ye e=0=0N Nxyxy=0=0第21页/共59页22223.2.2 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 Fm0，M点在圆弧外 Fm=0，向-x方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm=0，向-x方向进给一步 （xm+1，ym+1)=(xm1,ym)Fm+1=xm+12+ym+12-R2=Fm 2xm+1 当Fm 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 第25页/共59页2626四个象限的圆弧插补 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FmB-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。第36页/共59页3737齿踞角和步踞角：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对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z Z，它的齿距，它的齿距角角 Z Z为为 Z Z=2=2Z=360/Z Z=360/Z 而步进电机运行而步进电机运行NN拍可使转子转动一个齿距位置。拍可使转子转动一个齿距位置。步进电机的步距角步进电机的步距角 可以表示如下可以表示如下 =Z ZN=360/(NZ)N=360/(NZ)其中：其中：NN是步进电机工作拍数，是步进电机工作拍数，Z Z是转子的齿数。是转子的齿数。对于三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是对于三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是 =360/(34)=30=360/(34)=30对于转子有对于转子有4040个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步距角是距角是 =360/(340)=3=360/(340)=3第37页/共59页38383.3.2 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 第38页/共59页3939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-第39页/共59页4040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)。第40页/共59页4141优点：达到更高分辨率，减小振动和噪声第41页/共59页42423.3.3 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：步进电机的控制中，要关心下列问题：步进电机的精度问题：步进电机的工作精度问题；步进电机的精度问题：步进电机的工作精度问题；速度调节问题：步进电机运动速度的快慢的调节；速度调节问题：步进电机运动速度的快慢的调节；计算机接口问题：和计算机接口应该注意的问题。计算机接口问题：和计算机接口应该注意的问题。1 1步进电机控制接口步进电机控制接口2 2步进电机控制的输出字表步进电机控制的输出字表第42页/共59页4343 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 第43页/共59页4444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。第44页/共59页4545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。第45页/共59页4646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。第46页/共59页4747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。第47页/共59页48483.3.4 步进电机控制程序 步进电机走步控制程序流程图第48页/共59页4949第49页/共59页5050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：第50页/共59页5151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第51页/共59页5252PWM 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。第52页/共59页5353PWM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定时中断第53页/共59页5454直流电机调速实验 采用PWM调速方式。8031产生PWM波，驱动电路功率放大。第54页/共59页5555PWM波形的产生：采用延时方式产生PWM波形，脉宽固定，电机恒速。T=X*T0,T1=Y*T0，T2=Z*T0。X为T周期参数，放在20H单元。Y为T1延时参数，Z为T2延时参数，放在21H单元，X=Y+Z。T0为延时的时间基数，由定时器确定，参数置 22H，2 3H单元中。第55页/共59页5656ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TT0；跳转到定时器0中断程序 ORG 1000H MAIN:SETB P1.0；脉冲的高电平 MOV R0,21H；(21H)初始值为Y，存入R0中，延时T1 MOV TMOD,#01H MOV TL0,22H；时间基数T0的定时参数 MOV TH0,23H SETB TR0；定时中断设置 SETB ET0第56页/共59页5757SETB EA L1:CJNE R0,#00H,L2；CPL P1.0;延时R0*T0时间后，输出取反 R0在运行前为MOV A,20H；取X,T周期时间。Y，则运行后为 SUBB A,21H；A=X-(21H),若（21H)=Y,A=Z,X;运行前为X 若（21H)=Z,A=Y;，则运行后为Y。MOV 21H,A;A存到(21H)R0交替置入高 MOV R0,A;低电平延时时间。L2:AJMP L1 TT0:MOV TL0,22H；T0 定时中断 MOV TH0,23H DEC R0;R0-1 RETI第57页/共59页5858实验编程：用8086和8255，改为PA0口，编程控制直流电机，在第1个10秒慢速转动，第2个10秒快速转动，并不断循环。第58页/共59页5959感谢您的观看！第59页/共59页