计算机控制技术第五章.

第5章数字控制技术5.1数字控制系统5.2逐点比较法插补原理（掌握）5.3步进电机伺服控制技术（掌握）5.4直流伺服电机伺服控制技术什么是数字控制？数字控制，就是生产机械(如各种加工机床)根据计算机输出的数字信号，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控制方式。•数字控制主要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。•采用数字程序控制的机床叫做数控机床。•数控机床特点：能加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。数控机床例1数控机床例2数控机床例3普通机床例1普通机床例25.1数字控制系统5.1.1数字控制系统的组成数控系统一般由数控装置、控制介质、伺服系统和测量反馈系统等构成。数控装置由输入装置,输出装置,控制器和插补器等四大部分组成。其中,控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。。特征阶段年代典型应用工艺方法数控功能驱动特点研究开发1952～l969数控车床、铣床钻、铣床简单工艺NC控制3轴以下步进、液压电机推广应用l970～l985加工中心、电加工、锻压多种工艺方法CNC控制、刀具自动交换、五轴联动、较好的人机界面直流伺服电机系统化l982柔性制造单元(FMU)、柔性制造系统(FMS)复合设计加工友好的人机界面交流伺服电机高性能集成化l990至今计算机集成制造系统(CIMS)、无人化工厂复合设计加工多过程、多任务调度、模板化和复合化、数字智能化直线驱动数字控制系统发展概况如下图所示。5.1.2数字控制原理如图所示的平面曲形图形，如何用计算机在绘图仪或数控加工机床上重现，以此来说明数字控制的基本原理。图5.1曲线分段基本思路：－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。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。2.插补计算－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。插补运算的实质是折线逼近。•插补形式：直线插补、二次曲线插补两种。•直线插补：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：在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近。常用二次曲线：圆弧、抛物线和双曲线•3.折线逼近（脉冲分配）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。我们把对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用用△x,△y来表示，并且总是取△x＝△y。插补运算的实质是折线逼近。下图是一段用折线逼近直线的直线插补线段x方向步数：Nx＝(xe-x0)/△xy方向步数：Ny＝(ye-y0)/△y。图5.2用折线逼近直线段因此，插补计算就是如何分配x和y方向上的脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能地逼近理想轨迹。实现直线插补和二次曲线插补的方法很多，常见的有逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器等，其中又以逐点比较法使用最广。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。5.1.3数字控制系统的分类按照控制对象的运动轨迹1①点位控制：点位控制系统中，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。刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向趋近都无需规定，并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。在机床加工业中，采用这类控制的有钻床、镗床、冲床等。经济型数控立钻②直线切削控制：（1）控制行程的终点坐标值，（2）刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动（控制两点之间的移动速度和路径），（3）运动过程中进行切削加工。需要这类控制的有铣床、车床、镗床、加工中心等。立式铣镗加工中心五轴联动龙门加工中心20③轮廓切削控制：轮廓切削控制的特点：控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状，能够对两个或者两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓，计算图纸坐标点之间的中间点，向每一坐标轴发出运动指令。这类控制用于铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。数控立轴圆台平面磨床数控高速滚齿机三种控制方式比较：点位控制：最简单。运动轨迹无特别要求，运动时又不作加工，不需要插补计算。直线切削控制：进行直线加工（平行坐标轴直线运动），其控制电路要复杂一些，不需要插补计算。轮廓切削控制：要控制刀具准确地完成复杂的曲线运动，所以控制电路复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。计算机数控系统按照伺服控制方式主要分为开环数字程序控制和闭环数字程序控制两大类。根据有无检测反馈元件分类2①.闭环数字程序控制执行机构多采用直流伺服电机作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器(码盘)，光栅、感应同步器等。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，一些常规的数控系统很少采用。闭环数字程序控制②.开环数字程序控制没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动，驱动装置采用步进电机，步进电机接收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。刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，是没有任何检查的，因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来决定。开环数字程序控制特点：结构简单；可靠性高；成本低；易于调整和维护等。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。开环数字程序控制本章主要讨论开环数字程序控制技术。5.1.4伺服控制系统（了解）•1.伺服控制系统•在计算机控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服控制系统。•2.伺服控制系统的构成伺服控制系统一般包括控制器、驱动器、执行机构、被控对象、测量/反馈环节等五部分组成。驱动器控制器执行机构被控对象测量、反馈环节给定输出测量-+•3.伺服控制系统的分类–1）按执行机构分类–步进伺服系统（使用步进电机）–直流伺服系统（使用直流电机）–交流伺服系统（使用交流电机）–2）按控制形式分类–开环伺服系统–半闭环伺服系统–闭环伺服系统•4.伺服控制系统的基本要求1）.稳定性当系统给定输入或外界干扰的作用下，能在暂短的调节过程后达到新的平衡态或恢复到原来的稳定状态。2）.伺服系统精度是指输出量复现输入量的程度，一般以误差的形式表现，包括动态误差和静态误差。5.2逐点比较法差值原理什么是逐点比较法插补？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，看这点是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，不断逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。30•逐点比较法特点：•逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线。•最大误差：一个脉冲当量。通过减小脉冲当量就能达到加工精度要求。1．第一象限内的直线插补(1)偏差计算公式根据逐点比较法插补原理，每走一步后要把每一插值点(动点)的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差，即“偏差”计算出来，根据偏差的正、负去决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。偏差计算是逐点比较法关键的一步。5.2.1逐点比较法直线插补ememmyxxyF0ememyxxyeemmyxyx如图所示，动点m(xm,ym)为加工点，若点m落在直线段OA上，则有即若动点m不在直线OA上，上式将不等于零，因而可用该式判别m与直线OA的关系偏差判别式：偏差计算公式可以看出：若Fm=0，表明点m在OA直线段上；若Fm0，表明点m在OA直线段的上方，即点m’处；若Fm0，表明点m在OA直线段的下方，即点m”处。mmemeFyxxy•第一象限直线逐点比较法插补的原理•从直线的起点O出发，计算Fm,•当Fm≥0时，沿+x轴方向走一步；•当Fm0时，沿+y轴方向走一步，重复计算Fm并插补，直到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。ememmyxxyF计算量大，要改进。mmmmyyxx111•(2)简化偏差计算公式•①设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿+x方向进一步至(m+1)点，(m+1)点的坐标值为:(m+1)点处的偏差为:emeememememememmyFyyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmyFyyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmyFyyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmyFyyxxyyxxyyxxyF)1(111②设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm0时，表明m点在OA下方，应向+y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为：111mmmmyyxx(m+1)点处的偏差为:emeememememememmxFxyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmxFxyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmxFxyxxyyxxyyxxyF)1(111emeememememememmxFxyxxyyxxyyxxyF)1(111•实用偏差计算公式：•当Fm0时：Fm+1=Fm-ye•当Fm0时：Fm+1=Fm+xe注意：加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0＝0(3)终点判断方法逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介绍两种方法：设置Nx和Ny两个减法计数器，加工开始前，Nx和Ny分别存入终点坐标值xe和ye，当x坐标(或y坐标)进给一步时，相应在Nx(或Ny)中减去1，直到Nx(或Ny)中的数都减到零时，即到达终点。用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy＝0，则达到终点。例1设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A（xe，ye），其值为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。解：坐标进给的总步数Nxy＝|6－0|+|4－0|＝10，xe＝6，ye＝4，F0=0；(4)插补计算举例40类比第一象限偏差计算公式推导，可得图中的偏差符号与进给方向的关系。四个象限直线插补的偏差计算公式和坐标进给方向汇总在表3.1中。该表中四个象限的终点坐标值xe和ye要取绝对值代入计算式中。2.四个象限的直线插补四个象限直线插补的偏差计算公式和坐标进给方向（1）数据的输入及存放：在计算机的内存中设6个单元：3．直线插补计算流程XE：终点X坐标YE：终点Y坐标NXY:总步数，Nxy＝Nx+NyXOY: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。FM:偏差。42象限值＋X－X+Y-Y1,42,31,23,4•图为直线插补计算的程序流程图，该图按照插补计算过程的4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。（2）直线插补计算的程序流程5.2.2逐点比较法圆弧插补1．第一象限内的圆弧插补(1)偏差计算公式设要加工逆圆弧AB，圆心在坐标