1、2020 5 13 1 第3章开环数字程序控制 本章主要内容 1 数字程序控制基础2 逐点比较法插补原理3 步进电机控制技术 2020 5 13 2 能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 数字程序控制主要应用于机床的自动控制 如用于铣床 车床 加工中心 线切割机以及焊接机 气割机等的自动控制系统中 什么是数字程序控制 数字程序控制的应用 2020 5 13 3 3 1数字程序控制基础 1 运动轨迹插补的基本原理 图1曲线分段 1 将曲线划分成若干段 分段线段可以是直线或弧线 2 确定各线段的起点和终点坐
2、标值等数据 并送入计算机 3 根据各线段的性质 确定各线段采用的插补方式及插补算法 4 将插补运算过程中定出的各中间点 以脉冲信号的形式去控制x和y方向上的步进电机 带动刀具加工出所要求的零件轮廓 每个脉冲驱动步进电机走一步为一个脉冲当量 mm 脉冲 或步长 用 x和 y来表示 通常取 x y 2020 5 13 4 图3闭环数字程序控制 图2开环数字程序控制 2 数字程序控制系统分类 按伺服控制方式分类 2020 5 13 5 3 2逐点比较法插补原理 1 逐点比较法直线插补 以第一象限为例 1 直线插补的偏差判别式 若Fm 0 表明点m在oA直线上 Fm 0 表明点m在oA直线上方 Fm
3、0 表明点m在oA直线下方 从直线的起点出发 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 发出终点到信号 停止插补 第一象限直线逐点比较法插补原理为 图4第一象限直线 2020 5 13 6 偏差判别式简化 当Fm 0时 表明m点在oA上或oA的上方 此时应沿 x方向进给一步 走一步后新的坐标值为 该点的偏差为 同理 当Fm 0时 应向 y方向进给一步 该点的偏差为 2020 5 13 7 2 终点判别方法 总步长法 设置一个终点计数器Nxy 寄存x y两个坐标方向进给的总步数 x和y坐标每进给一步 Nxy就减1 直到Nx
4、y减到零 就达到终点 终点坐标法 设置Nx Ny两个减法计数器 在加工开始前 在Nx Ny计数器中分别存入终点坐标值xe ye 加工时 x坐标每进给一步 就在Nx计数器中减去1 y坐标每进给一步 就在Ny计数器中减去1 直到这两个计数器中的数都减到零 就到达终点 2020 5 13 8 偏差判别 判断上一步进给后的偏差是F 0还是F 0 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 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 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 如此不断循环直到到达终点 逐点比较
5、法直线插补计算的四个步骤 2020 5 13 9 3 四个象限直线插补 图5四个象限直线的偏差符号和方向 不同象限直线插补的偏差符号和进给方向如图 计算时 公式中的终点坐标值xe和ye均采用绝对值 2020 5 13 10 4 直线插补计算的程序实现 设置六个存储单元XE YE NXY FM XOY和ZF 分别存放直线的终点横坐标值xe 终点纵坐标值ye 进给总步数Nxy 加工点偏差Fm 直线所在象限标志及进给方向标志 图6直线插补计算程序流程 2020 5 13 11 例3 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 图7直线插补走步
6、轨迹图 解xe 6 ye 4 进给总步数Nxy 6 0 4 0 10 F0 0 插补计算过程如表 走步轨迹如图 2020 5 13 12 表1直线插补过程 2020 5 13 13 2逐点比较法圆弧插补 以第一象限为例 1 逆圆弧插补偏差判别式 图8第一象限逆圆弧 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 当Fm 0时 x轴方向进给一步 并计算新的偏差 当Fm 0时 向 y轴方向进给一步 并计算新的偏差 如此 一步步计算 一步步进给 并在到达终点时停止计算 就可插补出如图所示的第一象限逆圆弧 第一象限逆圆弧插补原理为 2020 5 13 1
7、4 新加工点的偏差为 当Fm 0时 应沿 x轴方向进给一步 到m 1点 其坐标值为 偏差判别式简化 同理 当Fm 0时 新加工点的偏差为 2020 5 13 15 2 终点判断 同直线插补计算 将x轴方向的走步步数Nx xe x0 与y轴方向的走步步数Ny ye y0 之和Nxy Nx Ny作为一个计数器 每走一步 从Nxy中减1 Nxy减到零时 就到达终点 2020 5 13 16 逐点比较法直线插补计算的五个步骤 偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断 注意 在偏差计算的同时 要进行动点瞬时坐标值的计算 以便为下一点的偏差计算做好准备 2020 5 13 17 3 顺圆弧插补偏差
8、判别式 图9第一象限顺圆弧 若偏差Fm 0 沿轴方向进给一步 新加工点的坐标为 偏差为 若Fm 0 下一步向 x轴方向进给一步 新加工点的坐标为 偏差为 2020 5 13 18 4 四个象限圆弧插补 图10四个象限圆弧插补的对称关系 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 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 2020 5 13 19 5 圆弧插补计算的程序实现 图11四象限圆弧插补程序流程图 2020 5 13 20 例3 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
9、4 试进行插补计算并作出走步轨迹图 解插补计算过程如表 走步轨迹如图 图12圆弧插补走步轨迹图 2020 5 13 21 表2圆弧插补计算过程 2020 5 13 22 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电磁装置 其转子的转角与输入的电脉冲数成正比 转速与脉冲频率成正比 运动的方向由步进电机各相的通电顺序决定 步进电机具有控制简单 运行可靠 惯性小等优点 主要用于开环数字程序控制系统中 2020 5 13 23 1 步进电机工作原理 图13步进电机结构及工作原理图 下图是三相反应式步进电机结构简图 假设转子上只有四个齿 相邻两齿对应的角度为齿距角 齿距角为 Z 转
10、子齿数 Z 4时 2020 5 13 24 输入一个电脉冲信号 转子转过的角度称为步距角 s 对于步进电机的三相单三拍工作方式 每切换一次通电状态 转子转过的角度为1 3齿距角 经过一个周期 转子走了3步 转过一个齿距角 式中 Z 转子齿数 N 步进电机工作拍数 N mK m 定子绕组相数 K 与通电方式有关的系数 单相通电方式K 1 单 双相通电方式K 2 2020 5 13 25 2 步进电机的工作方式 步进电机有三相 四相 五相 六相等多种 每一种均可工作于单相通电方式 双相通电方式 或单 双相交叉通电方式 单三拍工作方式 各相通电顺序为A B C A 或A C B A 双三拍工作方式
11、各相通电顺序为AB BC CA AB 或AC CB BA AC 三相六拍工作方式 各相通电顺序为A AB B BC C CA A 或A AC C CB B BA A 以三相步进电机为例 有以下三种工作方式 2020 5 13 26 3 步进电机的脉冲分配程序 1 步进电机控制接口 图14步进电机控制接口框图 2020 5 13 27 表3三相六拍控制方式状态字表 2 步进电机控制的输出字 以x轴步进电机控制为例 假定PA口的PA0 PA1 PA2输出数据为 1 时 相应的绕组通电 为 0 时断电 对三相六拍控制方式 存 输出字 在计算机中 PA口按表的规律送出控制信号 就可以控制步进电机的各相
12、绕组依此通电 从而控制步进电机按三相六拍方式正转或反转 2020 5 13 28 3 步进电机的脉冲分配控制程序 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ZF 1 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下图 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 2020 5 13 29 图15步进电机的脉冲分配程序流程图 2020 5 13 30 4步进电机的速度控制程序 步进电机的速度控制
13、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 a 速度 时间曲线 b 位置 时间曲线 c 进给脉冲序列 图16步进电机的加速过程 2020 5 13 31 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 设Ti为相邻两个进给脉冲之间的时间间隔 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 则得 则 通常离线计算求得各个Ti 存表 把Ti编入程序中 曲线A 代表总步数大于达到最高速度的加速和减速步数曲线B 代表进给步数较少 不能达到最高运行速度图17步进电机的速度控制曲线
