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1、第三章 数字程序控制技术,3.1 数字程序控制基础 3.2 逐点比较法插补原理 3.3 步进电机控制技术,数字程序控制主要用于机床的自动控制，如铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等。,数控电火花线切割机床,数控车床(德国特劳伯公司）,数控铣床,数控动梁龙门镗铣床,3.1.1 数字程序控制原理,3.1 数字程序控制基础,步骤： 1. 曲线分段： 图中曲线分为三段，分别为ab、bc、cd，将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。,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
2、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： 直线插补二次曲线插补圆弧、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。,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,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。 1、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
3、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） 2、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）,3、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，或多轴联动切削） 4、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,3.1.3 系统控制结构 闭环方式 开环方式,3.2 逐点比较法插补原理 逐点比较插补刀具
4、或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次，决定下 步的进给方向： 用阶梯折线逼近曲线。 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）,一、第一象限内的直线插补 偏差计算式： 若点m在OA直线段上，则有xm/ym=xe/ye 即ymxe-xmye0 于是取偏差计算式为 Fm=ymxe-xmye( 偏差函数),A(xe,ye),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；使刀具运动+x 当Fm 0，沿+y方向走一步；使刀具运动+y 当目前坐标与终点坐标相
5、等，停止插补。,Fij递推公式:,向x方向进给一步(+x) Fi+1,j=xeyj-(xi+ x)ye =xeyj- xiye- xye =Fi,j- xye 当x取1时，Fi+1,j =Fi,j- ye,向y方向进给一步(+y) Fi,j+1=xe(yj+ y )-xiye =xeyj+xey- xiye =Fi,j+ xey 当y取1时，Fi+1,j =Fi,j+ xe,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=1,二、不同象限内的
6、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,三、直线插补计算的程序实现 1、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 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。,2、控制拍节,3、流程图,Xe、Ye按绝对值,机床在实际加工中常常不是一条直线，如下图所示：,0,x,y,x,分段采用不同的坐标系,作业 P80 3.2、3.4,3.2.2 逐点比较法圆弧插补 一、第一象限内的圆弧插补 xm2+ ym2= Rm2
7、 x02+y02 = R2 偏差函数 : Fm=Rm2- R2=xm2+ ym2 (x02+y02) = （xm2- x02 ）+ (ym2-y02) 偏差判断 Fm=0，M点在圆弧上 Fm0，M点在圆弧外 Fm0，M点在圆弧内,递推公式：,Fij=0时，xi+1=xi- x, x=1时， xi+1=xi- 1,Fi+1，j=(xi-1)2-x02+yj2-y02 =xi2-2xi+1-x02+yj2-y02 =Fij-2xi+1,Fij0时，yj+1=yj+ y, y=1时， yj+1=yj+ 1,Fi，j+1=xi2-x02+(yj+1)2-y02 =xi2-x02+(yj+1)2-y02
8、 =Fij+2yj+1,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,2、四个象限的圆弧插补 （1）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Fm0，向+x方向进给一步， Fm+1= Fm +2xm +1,（2）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
9、象 3象限：1象限旋转180度,（3）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。,流程图,(4) 过象限问题,方法一、将圆弧按所在象限分段。例如插补AC，则分成AB和BC，也就是给出2个圆弧的插补命令。,方法二、在控制程序中考虑自动过象限的问题,过象限判断：或 时必有x=0 或 时必有y
10、=0,过象限的走向 顺圆：SR1SR4SR3SR2 逆圆：NR1NR2NR3NR4,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|=8,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|=8,作业 P80 3.5、SR2流程图,3.3 步进电机控制技术 步进电机：是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数摸（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,
11、Step Motor- KP4M4-001 The original floppy disk drive for IBM-PCs and compatibles was the Tandon TM100.,3.3.1 步进电机的工作原理 三相反应式步进电机 定子：三对磁极，六个齿 转子：四个齿，分别为0、1、2、3齿,工作过程： A相通电：A相磁极与0、2号齿对齐； B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐； C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐； A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐； 结论：定子按AB C A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动360
12、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：步进电机的相数 Z：转子的齿数。 齿距角360/(mNZ) ：步进电机每拍步进的角度，单拍和双拍时，m=1；单双拍时，m=2,3.3.2 步进电机的工作方式,单三拍工作方式：A-B-C-A-B- 双三拍工作方式：AB-BC-CA-AB- 六拍工作方式：A-AB-B-BC-C-CA-,一、步进电机的工
13、作方式,三相步进电机工作方式示意图,二、步进电机的主要特性参数,1、步距角 Q 2、最大静态转矩Mjmax 3、最大启动转矩 4、最高启动、停止频率（突跳频率） 5、连续运行的最高工作频率,三、使用步进电机要注意的问题,1、低频振荡 2、升降速特性曲线 3、运行前应先定位,四、步进电机的选择,1、负载转矩的计算 M/Mjmax=0.20.5，M为负载转矩，Mjmax最大静态转矩 2、步距角Q与机械系统的匹配 3、负载惯量和机床所要求的启动频率、最高工作频率,五、步进电机的驱动,脉冲信号 源（变频）,环形分配器,功率放大器,步进电机,插补器,1、脉冲信号源,频率可变的脉冲发生器,2、环形分配器
14、a、硬件环形分配器（以三相三拍为例）,正转,1,3,2,4,6,5,A,B,C,DA,DB,DC,1 0 0,1 1 0,1 1 0,0 1 0,0 1 0,0 1 1,0 1 1,0 0 1,0 0 1,1 0 1,1 0 1,1 0 0,1,5,6,4,2,3,反转,A,B,C,DA,DB,DC,1 0 0,1 0 1,1 0 1,0 0 1,0 0 1,0 1 1,0 1 1,0 1 0,0 1 0,1 1 0,1 1 0,1 0 0,反转,正转,b、软件环形分配器,分配输出口 PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0 C B A 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0
15、1 0 0 1 0 1,在内存中作一表,例: A6= 1，3，2，6，4，5 int i，k i=0; Outputb Port，Ai）；定位 delay(x)；或定时器定时 if(k) if(i=5) i=0 else i+; eles if(i=0) i=5; else i-; ,3、功率放大电路,使用L298N芯片驱动电机,步进电机驱动电路,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,步进电机微机控制方式1 微机 环形分配器 功放,步进电机微机控制方式2 微机 功率放大 环形分配器,驱动,驱动,3.3.4 步进电机控制程序 步进电机走步控制程序流程图,步进电机 控制程序 示意框图,3.3.5 步进电机的速度控制,1、匀速控制,步进电机用固定不变的频率运行即可，如何实现？,用定时/计数器定时中断,例、请设计一8086步进电机控制系统（1片8253、1片8259、1片8255）。,A0,A1,2、自动升降速控制,步进电机细分驱动： 切换时，
