第3章数字程序控制技术PPT讲稿.ppt

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1、第第3章数字程序控制技术章数字程序控制技术第1页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1数字程序控制基础数字程序控制基础 3.1.1数字程序控制原理数字程序控制原理 3.1.2数字程序控制方式数字程序控制方式 3.1.3开环数字程序控制开环数字程序控制 返返 回回第2页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1.1数字程序控制原理数字程序控制原理 一、数字程序控制原理概述一、数字程序控制原理概述1、概念、概念 数数字字程程序序控控制制:指指计计算算机机根根据据输输入入的的指指令令和和数数据据，控控制制生生产产机机械械（如如各各种种加加工工机机床床）按按规规定定的的工工作作顺顺序序，运运动动轨

2、轨迹迹，运运动动距距离离和和运运动动速速度度等等规规律律自自动动地地完完成成工工作作的的自自动动控控制制。主主要要应应用于机床自动控制。用于机床自动控制。第3页，共73页，编辑于2022年，星期一2、数控机床主要由以下几个部分组成：、数控机床主要由以下几个部分组成：机床本体机床本体：是数控机床加工运动的机械部分，主要包是数控机床加工运动的机械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主运动部件（主轴箱）、括支承部件（床身、立柱等）、主运动部件（主轴箱）、进给运动部件（工作台滑板、刀架）等进给运动部件（工作台滑板、刀架）等。数控系统数控系统：是数控机床的控制核心，一般是一台专：是数控机床的控制核心

3、，一般是一台专用的计算机用的计算机 驱驱动动装装置置：是是数数控控机机床床执执行行机机构构的的驱驱动动部部分分，包包括括主轴电机、进给伺服电机等主轴电机、进给伺服电机等。辅助装置辅助装置：指数控机床的一些配套部件，包括刀库、指数控机床的一些配套部件，包括刀库、液压、气动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械液压、气动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械手等。手等。第4页，共73页，编辑于2022年，星期一第5页，共73页，编辑于2022年，星期一3 3、数控机床加工的基本工作原理、数控机床加工的基本工作原理 数数控控机机床床加加工工时时，是是根根据据工工件件图图样样要要求求及及加加工工工

4、工艺艺过过程程，将将所所用用刀刀具具及及机机床床各各部部件件的的移移动动量量、速速度度及及动动作作先先后后顺顺序序、主主轴轴转转速速、主主轴轴旋旋转转方方向向及及冷冷却却等等要要求求，以以规规定定的的数数控控代代码码形形式式，编编制制成成程程序序单单，并并输输入入到到机机床床专专用用计计算算机中。机中。然然后后，数数控控系系统统根根据据输输入入的的指指令令，进进行行编编译译、运运算算和和逻逻辑辑处处理理后后，输输出出各各种种信信号号和和指指令令控控制制机机床床各各部部分分进进行行规规定定的的位位移移和和有有顺顺序序的的动动作作，加加工工出出各各种种不不同同形形状状的工件。的工件。第6页，共73

5、页，编辑于2022年，星期一4 4、数控机床加工精度：、数控机床加工精度：目前数控装置的脉冲当量（每输出一个脉冲后滑板目前数控装置的脉冲当量（每输出一个脉冲后滑板的移动量称为脉冲当量）一般为的移动量称为脉冲当量）一般为0.005-0.1mm 0.005-0.1mm，高精度的，高精度的数控系统可达数控系统可达0.0001mm0.0001mm。对于中、小型数控机床，定位精。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达到度普遍可达到0.03mm0.03mm。5 5、数控机床的应用范围、数控机床的应用范围(1)(1)多多品品种种小小批批量量零零件件（合合理理生生产产批批量量为为10_10010_100件件之

6、之间）；间）；(2).(2).结构较复杂，精度要求较高或必须用数学方法确定的结构较复杂，精度要求较高或必须用数学方法确定的复杂曲线、曲面等零件复杂曲线、曲面等零件 。第7页，共73页，编辑于2022年，星期一(3)(3)需要频繁改型的零件；需要频繁改型的零件；(4)(4)钻钻、镗镗、铰铰、锪锪、攻攻丝丝及及铣铣削削工工序序联联合合进进行行的的零件，如箱体、壳体等；零件，如箱体、壳体等；(5)(5)价格昂贵，不允许报废的零件；价格昂贵，不允许报废的零件；(6)(6)要求百分之百检验的零件；要求百分之百检验的零件；(7).(7).需要最小生产周期的急需零件需要最小生产周期的急需零件 。第8页，共7

7、3页，编辑于2022年，星期一二、数字程序控制基本原理二、数字程序控制基本原理1、将将曲曲线线分分割割成成若若干干段段，可可以以是是直直线线段段或或曲曲线段。线段。原原则则：保保证证线线段段所所连连成成的的曲曲线线（折折线线）与与原原图形的误差在允许的范围内。图形的误差在允许的范围内。图中分割成三段图中分割成三段：（不是 ）将a,b,c,d四点(基点)坐标送给计算机。第9页，共73页，编辑于2022年，星期一2、根根据据a,b,c,d四四点点坐坐标标确确定定各各基基点点之之间间的的中中间间点点的坐标值。的坐标值。求求得得这这些些中中间间点点坐坐标标值值的的数数值值计计算算方方法法称称为为插插值

8、或插补。值或插补。插插补补的的目目的的：以以一一定定的的速速度度连连续续定定出出一一系系列列中中间间点点，而而这这些些中中间间点点的的坐坐标标值值以以一一定定的的精精度度逼逼近近给定的线段。给定的线段。常用的插补形式常用的插补形式：为简化插补运算过程和加快：为简化插补运算过程和加快插补速度，常用直线插补和二次曲线插补两种形插补速度，常用直线插补和二次曲线插补两种形式。式。第10页，共73页，编辑于2022年，星期一（1）直线插补）直线插补 指指在在给给定定的的两两个个基基点点之之间间用用一一条条近近似似直直线线来来逼逼近近，也也即即由由直直线线插插补补定定出出的的中中间间点点(中中间间点点不不

9、一一定定在在实实际际线线段段和和近近似似直直线线上上)连连接接起起来来的的折折线线近近似似于于一条直线，而不是一条真正的直线。一条直线，而不是一条真正的直线。（2）二次曲线插补）二次曲线插补 指指在在给给定定的的两两个个基基点点之之间间用用一一条条近近似似曲曲线线来来逼逼近近，也也就就是是由由曲曲线线插插补补定定出出的的中中间间点点连连线线是是一一条条近近似似于于曲曲线线的的折折线线弧弧。常常用用的的二二次次曲曲线线有有圆圆弧弧，抛抛物物线和双曲线等。线和双曲线等。对图对图3.1所示曲线，所示曲线，ab、bc段用直线插补，段用直线插补，cd段段用圆弧插补。用圆弧插补。第11页，共73页，编辑于

10、2022年，星期一3、根据插补运算过程中定出的各中间点坐标，、根据插补运算过程中定出的各中间点坐标，以以脉冲信号形式脉冲信号形式去控制去控制x、y方向上的步进电机，带方向上的步进电机，带动绘图笔或刀具等，从而绘出图形或加工出所要动绘图笔或刀具等，从而绘出图形或加工出所要求的轮廓来。求的轮廓来。脉冲当量脉冲当量(步长步长)：每一个脉冲每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在或刀具在X或或Y方向移动一个位置，方向移动一个位置，把对应于每个脉冲刀具所移动的相对把对应于每个脉冲刀具所移动的相对位置称为脉冲当量，或步长，常用位置称为脉冲当量，或步长，常用x、y表

11、示，且总取表示，且总取x=y 实质：用折线逼近理想轨迹实质：用折线逼近理想轨迹第12页，共73页，编辑于2022年，星期一（x0,y0）代表线段的起点坐标，）代表线段的起点坐标，（xe,ye）代表终点坐标，）代表终点坐标，则则x方向和方向和y方向应移动的总步数方向应移动的总步数Nx、Ny分别为：分别为：若若把把脉脉冲冲当当量量x、y定定义义为为坐坐标标增增量量值值，即即x0、y0、xe、ye均是以脉冲当量定义的坐标值，则均是以脉冲当量定义的坐标值，则第13页，共73页，编辑于2022年，星期一 因此，插补运算就是因此，插补运算就是如何合理分配如何合理分配X和和Y方向方向上的脉冲数上的脉冲数，使

12、实际的中间点轨迹尽可能逼近理想轨，使实际的中间点轨迹尽可能逼近理想轨迹。迹。增量值增量值x、y 越小，越逼近理想轨迹越小，越逼近理想轨迹返返 回回第14页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1.2数字程序控制方式数字程序控制方式 按按控控制制轨轨迹迹分分，可可以以分分为为点点位位控控制制、直直线线切削控制和轮廓切削控制。切削控制和轮廓切削控制。一、点位控制（一、点位控制（Point To Point-PTPPoint To Point-PTP）只只要要求求保保证证点点与与点点之之间间的的准准确确定定位位，即即只只控控制制刀刀具具行行程程终终点点的的坐坐标标值值，而而对对点点与与点点之之间间

13、刀刀具具所所移移动动的的轨轨迹迹不不加加控控制制。在在移移动动过过程程中中，刀具也不进行切削。如钻床，镗床，冲床等。刀具也不进行切削。如钻床，镗床，冲床等。第15页，共73页，编辑于2022年，星期一二、直线切削控制二、直线切削控制 除除了了控控制制点点与与点点之之间间的的准准确确定定位位外外，还还要要保保证证刀刀具具在在被被控控制制的的两两点点之之间间的的运运动动轨轨迹迹相相对对于于工工件件平平行行某某一一直直角角坐坐标标轴轴是是一一条条直直线线，且且在在运运动动过过程程中中，刀刀具具按按给给定定的的进进给给速速度度进进行行切切削削。如如铣铣床床，车车床床，磨磨床床，加加工中心等。工中心等。

14、三、轮廓切削控制（三、轮廓切削控制（Continuous PathContinuous PathCPCP）轮轮廓廓控控制制(又又称称连连续续控控制制)可可实实现现点点与与点点之之间间的的各各种种复复杂杂运运动动轨轨迹迹的的控控制制，如如直直线线、圆圆弧弧、二二次次曲曲线线和和高高次次曲曲线线等等，并并保保证证对对给给定定的的零零件件尺尺寸寸和和轮轮廓廓进进行行连连续续加加工工控控制制。要要求求数数控控装装置置能能对对两两个个及及以以上上的的坐坐标标方方向向实实现现严严格格的的连连续续控控制制，并并准准确确地地保保证证每每个个坐坐标标的的行行程程控控制制和和速速度度控控制制之之间间的的关关系系。

15、须须借借助助于于插插补补器器。如如铣铣床，床，车车床，磨床，床，磨床，齿轮齿轮加工机床、加工中心等。加工机床、加工中心等。返返 回回第16页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1.3开环数字程序控制开环数字程序控制 闭环方式方式 执行机构多采用直流电机作为驱动元件执行机构多采用直流电机作为驱动元件 反馈测量元件采用光电编码器、光栅、感应同步器等反馈测量元件采用光电编码器、光栅、感应同步器等开开环方式方式 第17页，共73页，编辑于2022年，星期一2 2、开环数字程序控制、开环数字程序控制 优点：结构简单，可靠性高，成本低，易于调整优点：结构简单，可靠性高，成本低，易于调整和维护，应用广泛

16、。和维护，应用广泛。缺点：控制精度较差。可靠性和精度由步进电机和传缺点：控制精度较差。可靠性和精度由步进电机和传动装置决定。可采用高精度步进电机作为伺服元件动装置决定。可采用高精度步进电机作为伺服元件。1 1、闭环数字程序控制、闭环数字程序控制优点：定位精度高，调节速度快。优点：定位精度高，调节速度快。缺点：稳定性较难解决，系统结构复杂，成本高，难于调整缺点：稳定性较难解决，系统结构复杂，成本高，难于调整和维护，很少采用。（传动系统的刚性不足及间隙、导轨的和维护，很少采用。（传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素）爬行等各种因素）第18页，共73页，编辑于2022年，星期一3、半闭环数

17、字程序控制、半闭环数字程序控制(工作台未包括在闭环内)通通过过测测量量传传动动机机构构的的转转角角推推算算出出工工作作台台的的位位移移量量，并并与与指指令令值值比比较较，得得到到误误差差信信号号并并形形成成控控制制量量控控制制工工作作台台的的运运动动。检检测测元元件件安安装装在在电电机机的的端端头头或或丝丝杠杠的的端端头头，通通过过检检测测丝丝杠杠或或电电机机轴轴上上的的转转角角间间接接地地测测量量工工作作台台的的位位移移量量，然然后后反反馈馈给给数数控控装装置置。精精度度介介于于开开环环与与闭环之间，结构较简单，调试与维护易于掌握。闭环之间，结构较简单，调试与维护易于掌握。指令指令 位置比较

18、位置比较 速度控制速度控制 进给电机进给电机 机床工作台机床工作台 速度反馈速度反馈 半闭环半闭环 位置反馈位置反馈 闭环闭环 半闭环、闭环系统比较示意图半闭环、闭环系统比较示意图第19页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 逐点比较法插补逐点比较法插补：步进：步进电机每走一步到达某一点之电机每走一步到达某一点之后，都要与给定轨迹上的坐后，都要与给定轨迹上的坐标值进行一次比较。看该点标值进行一次比较。看该点是在给定轨迹上方、下方，是在给定轨迹上方、下方，还是在给定轨迹的内部、外还是在给定轨迹的内部、外部，再决定下一步的进给方部，再决定下一步的进给方向向

19、，如图中箭头方向所示。若该点在给定轨迹下方，下一如图中箭头方向所示。若该点在给定轨迹下方，下一步就向给定轨迹上方走；反之亦反步就向给定轨迹上方走；反之亦反.（沿起点到终点的方沿起点到终点的方向进行加工，以逼近轨迹为原则向进行加工，以逼近轨迹为原则）第20页，共73页，编辑于2022年，星期一 显然，它是按照显然，它是按照“走一走，看一看，比较一次走一走，看一看，比较一次”的规则来决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹的。逐的规则来决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹的。逐点比较算法又称为点比较算法又称为逐点比较插补算法逐点比较插补算法。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲逐点比较法是以阶梯折线

20、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线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为最大误差为一个脉冲当量一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量，因此只要把脉冲当量(每走一步的距离每走一步的距离即步长即步长)取得足够小，就可达到加工精度的要求。取得足够小，就可达到加工精度的要求。下面分别介绍平面直线插补算法和平面圆弧插补算下面分别介绍平面直线插补算法和平面圆弧插补算法的原理。法的原理。第21页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2.1逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补一、第一象限内的直线插补一、第一象限内的直线插补1、偏差计算公式、偏差计算公式 如图所示，设待加工直线如图所示

21、，设待加工直线OAOA在平面的第一象限上，在平面的第一象限上，起点为坐标原点起点为坐标原点O O(x x0 0,y y0 0)终点坐标为终点坐标为A A(x xe e,y ye e)。若加工点若加工点(动点动点)m m(x xm m,y ym m)在直在直线上线上，第22页，共73页，编辑于2022年，星期一则有：即即 ymxe-xmye=0在直线插补时，定义在直线插补时，定义“偏差偏差”的判断计算公式如下：的判断计算公式如下：Fm=ymxe-xmye (3.2.1)式式(3.2.1)表明：表明：若若Fm0，则则加加工工点点在在直直线线上上，如如图图中中m(xm,ym)点点所所示。此时，规定下

22、一步沿示。此时，规定下一步沿x方向走一步。方向走一步。第23页，共73页，编辑于2022年，星期一 若若Fm0（即即 ），则则加加工工点点在在直直线线上上方方，如图中如图中m点所示。下一步必然沿点所示。下一步必然沿x方向走一步。方向走一步。若若Fm0（即即 ），则则加加工工点点在在直直线线下下方方，如图中如图中m点所示。下一步必然沿点所示。下一步必然沿y方向走一步。方向走一步。如如果果在在进进行行直直线线插插补补时时，按按式式(3.2.1)计计算算偏偏差差决决定定走走向向，则则计计算算机机要要做做两两次次乘乘法法运运算算、一一次次减减法法运运算算，这这样样做做比比较较复复杂杂、耗耗时时。因因此

23、此，应应寻求新的偏差计算方法寻求新的偏差计算方法。第24页，共73页，编辑于2022年，星期一简化的偏差计算方法：简化的偏差计算方法：当当Fm0时时，m点点应应在在OA线线上上或或OA线线的的上上方方，此此时时，都都应应沿沿+x轴轴方方向向进进给给一一步步，而而走走一一步步后后的的新坐标为新坐标为 该点偏差为该点偏差为 F Fm m+1+1=y ym m+1+1x xe e-x xm m+1+1y ye e=y ym mx xe e-(-(x xm m+1)+1)y ye e=F Fm m-y ye e (3.2.2)(3.2.2)第25页，共73页，编辑于2022年，星期一 若若Fm0时时，

24、m点点在在OA线线的的下下方方，应应向向+y方方向向进进给给一一步步，而走一步后的新坐标为而走一步后的新坐标为 xm+1=xm ym+1=ym+1 该点偏差为该点偏差为 Fm+1=ym+1 xe-xm+1 ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe (3.2.3)偏差计算的新方法十分简单，它只有加减运算。在偏差计算的新方法十分简单，它只有加减运算。在判断进给方向后，将前一点的偏差判断进给方向后，将前一点的偏差Fm与等于常数的终点与等于常数的终点坐标值坐标值xe或或ye进行相加或相减运算，即可递推求出下一进行相加或相减运算，即可递推求出下一步进给时的偏差值步进给时的偏差值Fm+1。加工起点是坐

25、标原点，加工起点是坐标原点，则则F0=0第26页，共73页，编辑于2022年，星期一2.终点判断终点判断 终终点点判判断断有有很很多多方方法法，采采用用微微机机控控制制系系统统控控制制时时，常常将将微微机机中中的的定定时时器器/计计数数器器设设定定为为减减法法计计数数器器，实实施施进给步数的控制，具体方法如下：进给步数的控制，具体方法如下：(1)双计数器法。双计数器法。x、y方向进给步数分别存入独立计数方向进给步数分别存入独立计数Nx、Ny (2)单计数器法。单计数器法。x、y方向进给步数总和存入计数方向进给步数总和存入计数Nxy第27页，共73页，编辑于2022年，星期一 3.插补计算过程插

26、补计算过程 插补计算时，都要依次进行下述四个步骤：插补计算时，都要依次进行下述四个步骤：偏偏差差判判断断，即即判判别别偏偏差差是是Fm0还还是是Fm0，M点在圆弧外 Fm00，加工点在圆弧外，如图中，加工点在圆弧外，如图中m m点，为了逼近圆点，为了逼近圆弧，下一步应向弧，下一步应向-x x方向进给，并算出新偏差。方向进给，并算出新偏差。若若F Fm m00，加工点在圆弧内，如图中，加工点在圆弧内，如图中m m点，为了逼点，为了逼近圆弧，下一步应向近圆弧，下一步应向+y y方向进给，并算出新偏差方向进给，并算出新偏差第36页，共73页，编辑于2022年，星期一简化算法：简化算法：当当Fm0Fm

27、0时，加工点处在时，加工点处在m m(x xm m,y ym m)点，根据式点，根据式(3.2.4)(3.2.4)描述的圆弧插补偏差的基本判别式，由图可描述的圆弧插补偏差的基本判别式，由图可知下一步的坐标知下一步的坐标:X Xm+1m+1=X=Xm m-1-1 Y Ym+1m+1=Y=Ym m新的加工点的偏差为新的加工点的偏差为:(3.2.6)第37页，共73页，编辑于2022年，星期一 当当F Fm m00时，应沿轴时，应沿轴+y y方向进给一步，进给到方向进给一步，进给到m m+1+1点，点，它的新坐标值为：它的新坐标值为：新的加工点的偏差为新的加工点的偏差为(3.2.8)第38页，共73

28、页，编辑于2022年，星期一.终点判断终点判断 圆弧插补终点判断方法与直线插补相同圆弧插补终点判断方法与直线插补相同 插补计算过程插补计算过程 圆圆弧弧插插补补计计算算过过程程包包括括偏偏差差判判别别、坐坐标标进进给给、偏偏差差计算、坐标计算和终点判断五个步骤计算、坐标计算和终点判断五个步骤。与与直直线线插插补补不不同同的的是是：按按式式(3.2.6)(3.2.6)和和式式(3.2.8)(3.2.8)计计算算偏偏差差值值；需需要要按按x xm m+1+1 =x xm m-1-1 和和y ym m+1+1 =y ym m+1+1计计算算加加工工点点瞬时坐标瞬时坐标(动点坐标动点坐标)值。值。第3

29、9页，共73页，编辑于2022年，星期一2、四象限圆弧插补、四象限圆弧插补 其它象限的圆弧插补可由第一象限的圆弧插其它象限的圆弧插补可由第一象限的圆弧插补类推得到补类推得到。四个象限圆弧插补的对称关系圆弧分为八种：圆弧分为八种：SR1、NR1、SR2、NR2SR3、NR3、SR4、NR4第40页，共73页，编辑于2022年，星期一偏差偏差圆弧种类圆弧种类进给方向进给方向偏差计算偏差计算坐标计算坐标计算Fm0SR1、NR2-yFm+1=Fm-2ym+1xm+1=xmym+1=ym-1SR3、NR4+yNR1、SR4-xFm+1=Fm-2xm+1xm+1=xm-1ym+1=ymNR3、SR2+xF

30、mB-C-A相相轮轮流流通通电电，则则磁磁场场沿沿A、B、C方方向向转转动动360度度角角，转转子子沿沿ABC方方向向转转动动了了一一个个齿齿距距的的位位置置。齿齿数数为为4，齿齿距距角角为为90度度，即即1个个齿齿距距转转动了动了90度。度。第50页，共73页，编辑于2022年，星期一 3、有关：、有关：拍拍、齿距角齿距角和和步距角步距角 拍拍：步进电机每执行一次步进称为一拍。也是绕组的通电：步进电机每执行一次步进称为一拍。也是绕组的通电状态的反映。状态的反映。此例中，每相绕组通电一次为一拍。此例中，每相绕组通电一次为一拍。步进电机每转过一个齿距称为一个步进电机每转过一个齿距称为一个周期周期

31、。此例中，对此例中，对A，B，C三相绕组轮流通电一次为一个周期三相绕组轮流通电一次为一个周期(需要三拍需要三拍)。第51页，共73页，编辑于2022年，星期一 N为步进电机一个周期的工作拍数，为步进电机一个周期的工作拍数，Z是转子的齿数。是转子的齿数。返返 回回齿距角齿距角：转子转过一个齿距所对应的角度：转子转过一个齿距所对应的角度 若转子的齿数为若转子的齿数为Z，则齿距角为：，则齿距角为：步距角步距角:一个脉冲当量一个脉冲当量(一拍一拍)电机转过的角度。电机转过的角度。此例中：此例中：此例中：此例中：第52页，共73页，编辑于2022年，星期一1、特点、特点 快快速速起起动动、反反转转和和制

32、制动动，并并有有较较宽宽的的调调速速范范围围；定定位位精精度度高高。在在负负载载能能力力范范围围内内，其其转转速速不不受受电电源源电电压压波波动动或或负负载载环环境境条条件件的的影影响响，仅仅与与脉脉冲冲频频率率成成正比正比。2、应用场合、应用场合 在在数数字字控控制制系系统统中中得得到到广广泛泛应应用用，如如应应用用于于数数控机床，自动绘图机和自动记录仪等。控机床，自动绘图机和自动记录仪等。3、分类、分类 按定子数目分按定子数目分：单定子，双定子，多定子。单定子，双定子，多定子。按各相的相对排列位置分按各相的相对排列位置分：轴向分相式和径向轴向分相式和径向分相式步进电动机。分相式步进电动机。

33、二、步进电机及其相关参数二、步进电机及其相关参数第53页，共73页，编辑于2022年，星期一 按转矩产生的原理分按转矩产生的原理分：激磁式和反应式激磁式和反应式 激磁式定、转子均有绕组，靠电磁力矩使激磁式定、转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。转子转动。反应式步进电动机转子无绕组，定子绕组反应式步进电动机转子无绕组，定子绕组激磁后产生反应力矩使转子转动。激磁后产生反应力矩使转子转动。按功率分按功率分：功率式与伺服式步进电动机，功率式与伺服式步进电动机，功率式有较大的输出转矩，能直接带动较功率式有较大的输出转矩，能直接带动较大的负载，大的负载，伺服式只能带动较小负载，对于大负载需伺服式只能带动较

34、小负载，对于大负载需通过液压放大元件等实现转矩放大。通过液压放大元件等实现转矩放大。第54页，共73页，编辑于2022年，星期一4、主要参数和特性、主要参数和特性 相数相数(定子绕组的组数定子绕组的组数)：三、四、五、六、八相。三、四、五、六、八相。步距角步距角：反映系统的分辨能力，一个脉冲当量电反映系统的分辨能力，一个脉冲当量电机转过的角度机转过的角度 其中，其中，Z为为转子转子的齿数，的齿数，N为转子转动一个齿距位为转子转动一个齿距位置步进电机运行的拍数置步进电机运行的拍数，一般有一般有0.375、0.5、0.75、56、l、111、1.5、1.8、215、222、3、3.6、430、6等

35、十种。等十种。以以0.75、1.5、3用得较用得较多。多。第55页，共73页，编辑于2022年，星期一 步步距距精精度度：以以实实测测的的步步距距角角度度与与理理论论的的步步距距角角度度之之差差来来衡衡量量，以以分分()表表示示。它它是是步步进进电电动动机机的的一一项项主主要要指指标标。一一般般伺伺服服型型电电机机的的步步距距精精度度为为1030，也也有有达达25，功功率率型型电电机机的的步步距距精精度为士度为士2025 最最大大静静态态转转距距和和输输出出转转距距：定定子子绕绕组组中中通通过过额额定定电电压压、电电流流时时，转转子子吸吸在在一一固固定定位位置置上上，在在电电机机轴轴的的力力臂

36、臂上上用用弹弹簧簧或或砝砝码码测测得得转转子子离离开开平平衡衡位位置置的的极极限限力力矩矩值值，称称为为最最大大静静态态转转矩矩(保保持持转转矩矩)。它它反反映步进电动机承受外加转矩的特性映步进电动机承受外加转矩的特性。输输出出转转矩矩为为步步进进电电机机等等速速运运转转时时输输出出的的扭扭矩矩，它总是它总是小于小于最大最大静态转距静态转距。第56页，共73页，编辑于2022年，星期一 起起动动频频率率：即即电电动动机机不不丢丢步步地地起起动动的的最最高高频频率率，它它反反映映了了带带有有步步进进电电机机的的系系统统的的工工作作速速度度及及可可靠靠性性。起起动动频频率率的的值值是是和和一一定定

37、的的负负载载条条件件相相对对应应的的，空空载载条条件件下下称称为为空空载载起起动动频频率率；额额定定负负载载时时，称称为为额定起动频率额定起动频率。负载越小，电机的起动频率越高。负载越小，电机的起动频率越高。最最高高运运行行频频率率：步步进进电电动动机机连连续续正正常常运运行行时时所所能能接接受受的的最最高高控控制制脉脉冲冲频频率率称称为为最最高高运运行行频频率率通常远大于起动频率。通常远大于起动频率。第57页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2步进电机的工作方式步进电机的工作方式 一、工作方式一、工作方式 步步进进电电机机可可工工作作于于单单相相通通电电方方式式、双双相相通通电方式

38、和单相、双相交叉通电方式。电方式和单相、双相交叉通电方式。选选用用不不同同的的工工作作方方式式，可可使使步步进进电电机机具具有有不不同同的的工工作作性性能能，诸诸如如减减小小步步距距、提提高高定定位位精精度度和和工工作作稳稳定定性性等等。若若以以三三相相步步进进电电机机逆逆时时针针旋转为例，则有以下三种方式：旋转为例，则有以下三种方式：第58页，共73页，编辑于2022年，星期一1、单三拍工作方式、单三拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：各相通电的电压波形各相通电的电压波形P77如图如图3.15所示。所示。第59页，共73页，编辑于2022年，星期一2、双三拍工作方式、双三拍工作方式通电顺序为：

39、通电顺序为：各相通电的电压波形如图各相通电的电压波形如图3.16所示。所示。第60页，共73页，编辑于2022年，星期一3、三相六拍工作方式、三相六拍工作方式通电顺序为：通电顺序为：A相通电相通电AB相通电相通电B相通电相通电第61页，共73页，编辑于2022年，星期一二、步进电机控制二、步进电机控制 改改变变输输出出脉脉冲冲数数，控控制制步步进进电电机机的的走走步步数数，即即控制位移量；控制位移量；改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转；转向，正转、反转；改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速第62页

40、，共73页，编辑于2022年，星期一1、脉冲序列的生成、脉冲序列的生成 用软件实现脉冲波的方法是：用软件实现脉冲波的方法是：先输出一高电平，然后利用软件延时一段时间，先输出一高电平，然后利用软件延时一段时间，再输出低电平，并延时。再输出低电平，并延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。2方向控制方向控制 如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，则步进电机正向转动。反之，如果按上述相反的方则步进电机正向转动。反之，如果按上述相反的方向进行通电，则步进电机反向转动。向进行通电，则步进电机反向转动。3、控制程序

41、、控制程序 判别旋转方向；判别旋转方向；按顺序传送控制脉冲；按顺序传送控制脉冲；判断所要求的控制程序是否传送完毕。判断所要求的控制程序是否传送完毕。第63页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.3 步进电机控制接口及输出字表步进电机控制接口及输出字表 一、步进电机控制接口一、步进电机控制接口 可可选选用用8255可可编编程程并并行行接接口口芯芯片片控控制制各各相相绕组的通电顺序，实现步进电机正转或反转。绕组的通电顺序，实现步进电机正转或反转。用用8255的的A口的口的PA0、PA1、PA2分别控分别控制制x轴三相步进电机的轴三相步进电机的A、B、C相绕组。相绕组。用用8255的的B口的口

42、的PB0、PB1、PB2分别控制分别控制Y轴三轴三相步进电机的相步进电机的A、B、C相绕组相绕组 根据所选定的步进电机及控制方式写出根据所选定的步进电机及控制方式写出相应的控制方式的输出字，实现电机的正、反相应的控制方式的输出字，实现电机的正、反转。转。第64页，共73页，编辑于2022年，星期一第65页，共73页，编辑于2022年，星期一存储地存储地址标号址标号控控制制位位7 6 5 4 3 2 1 0工作工作状态状态PA口口输出字输出字ADX00 0 0 0 0 0 0 1A01HADX10 0 0 0 0 0 1 1AB03HADX20 0 0 0 0 0 1 0B02HADX30 0

43、0 0 0 1 1 0BC06HADX40 0 0 0 0 1 0 0C04HADX50 0 0 0 0 1 0 1CA05H二、步进电机输出字表二、步进电机输出字表第66页，共73页，编辑于2022年，星期一 以数据输出为以数据输出为“1”表示相应的绕组通电，为表示相应的绕组通电，为“0”表示相应的绕组断电。表示相应的绕组断电。为为便便于于查查找找，一一般般输输出出字字以以表表的的形形式式存存放放在在计计算机指定的存储区域。算机指定的存储区域。X轴电机正转时，按轴电机正转时，按ADX0ADX1ADX2ADX3ADX4ADX5的顺序向的顺序向PA口送输出字即口送输出字即可，如果按上述逆顺序向可

44、，如果按上述逆顺序向PA口送输出字，则口送输出字，则X轴轴步进电机将反转。由此可知，所谓步进电机方向步进电机将反转。由此可知，所谓步进电机方向控制，实际上就是按上述某一控制方式（根据需控制，实际上就是按上述某一控制方式（根据需要进行选定）所规定的顺序送脉冲序列（输出字）要进行选定）所规定的顺序送脉冲序列（输出字），即可达到控制步进电机方向的目的，即可达到控制步进电机方向的目的。返返 回回第67页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.4步进电机控制程序步进电机控制程序 一、步进电机走步控制程序一、步进电机走步控制程序 程序流程图如程序流程图如P79图图3.19所示。所示。用用ADX、ADY

45、分分别别表表示示X轴轴和和Y轴轴步步进进电电机机输出字表的取数地址指针，输出字表的取数地址指针，ZF1、2、3、4分分别别为为+X、-X、+Y、-Y走步方向走步方向。第68页，共73页，编辑于2022年，星期一步进电机三相六拍走步控制程序流程第69页，共73页，编辑于2022年，星期一二、步进电机速度控制二、步进电机速度控制1、直接控制方式、直接控制方式 通过程序延时的办法直接控制步进电机转速。通过程序延时的办法直接控制步进电机转速。即即CPU送出前一组数据后，进入程序延时，时间到，送出前一组数据后，进入程序延时，时间到，再取第二组数据送出。延时长转速就慢，延时短转再取第二组数据送出。延时长转

46、速就慢，延时短转速就快。通过改变延时时间可改变步进电机的转速。速就快。通过改变延时时间可改变步进电机的转速。2、中断控制方式、中断控制方式 外加一个变频振荡器，振荡器输出脉冲作为中外加一个变频振荡器，振荡器输出脉冲作为中断申请信号从接口输入，中断一次就更换一次输出断申请信号从接口输入，中断一次就更换一次输出字。调节字。调节 振荡器的频率就可调节步进电机的转速。振荡器的频率就可调节步进电机的转速。采用这种方式，操作者可根据不同工况随时调节振采用这种方式，操作者可根据不同工况随时调节振荡频率，从而控制步进电机到合适的转速荡频率，从而控制步进电机到合适的转速。第70页，共73页，编辑于2022年，星

47、期一三、说明三、说明 由于计算相邻两次走步间的时间间隔由于计算相邻两次走步间的时间间隔Ti比较繁比较繁琐，因此一般不在线计算，而采用离线计算求得各琐，因此一般不在线计算，而采用离线计算求得各个个Ti，存入延时时间表，编入程序，然后按照表地，存入延时时间表，编入程序，然后按照表地址依次取出下一步进给的址依次取出下一步进给的Ti值，通过延时程序或定值，通过延时程序或定时器产生给定的时间间隔时器产生给定的时间间隔Ti，发出相应的走步命令，发出相应的走步命令，并重复此过程直到全部进给完结为止。并重复此过程直到全部进给完结为止。返返 回回第71页，共73页，编辑于2022年，星期一 思考题：思考题：试将试将P74图图3.12和和P79图图3.19组合成完整的采用组合成完整的采用圆弧插补算法的步进电机控制流程图。圆弧插补算法的步进电机控制流程图。第72页，共73页，编辑于2022年，星期一第三章结束第三章结束第73页，共73页，编辑于2022年，星期一