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數(shù)字控制技術(shù) 3 1數(shù)字控制基礎(chǔ)3 2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理3 3多軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)3 4多軸伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性制造 FlexibleManufacturing FM 和計(jì)算機(jī)集成制造 ComputerIntegratedManufacturing CIM 的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一 3 1數(shù)字控制基礎(chǔ) 3 1 1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況3 1 2數(shù)字控制原理3 1 3數(shù)字控制方式3 1 4數(shù)字控制系統(tǒng)3 1 5數(shù)控系統(tǒng)的分類 3 1 1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況 所謂數(shù)字控制 就是計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù) 控制生產(chǎn)機(jī)械 如各種加工機(jī)床 按規(guī)定的工作順序 運(yùn)動(dòng)軌跡 運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)地完成工作的自動(dòng)控制 數(shù)字控制主要應(yīng)用于機(jī)床控制 采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機(jī)床叫做數(shù)控機(jī)床 數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)控裝置 驅(qū)動(dòng)裝置 可編程控制器和檢測(cè)裝置等四大部分組成 其中 數(shù)控裝置能接收零件圖樣加工要求的信息 進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算 實(shí)時(shí)地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令 驅(qū)動(dòng)裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令 驅(qū)動(dòng)機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng) 數(shù)字控制裝置一般由輸入裝置 輸出裝置 控制器和插補(bǔ)器四部分組成 這些功能都由計(jì)算機(jī)來完成 將所需加工的輪廓曲線 按照一定的原則進(jìn)行分割 將各點(diǎn)坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī) 如圖所示 1 曲線分割 3 1 2數(shù)字控制原理 根據(jù)給定的各曲線段的起點(diǎn) 終點(diǎn)坐標(biāo) 以一定的規(guī)律定出一系列中間點(diǎn) 要求這些中間點(diǎn)所連接的曲線必須以一定的精度逼近給定的線段 確定各坐標(biāo)值之間的中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱為插值或插補(bǔ) 常用的插補(bǔ)形式有直線插補(bǔ)和二次曲線 圓弧 拋物線 雙曲線等 插補(bǔ)兩種 2 插補(bǔ)計(jì)算 所謂直線插補(bǔ)是指在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近 也就是由此定出中間點(diǎn)連接起來的折線近似于一條直線 并不是真正的直線 所謂二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近 也就是實(shí)際的中間點(diǎn)連線是一條近似于曲線的折線弧 常用的二次曲線有圓弧 拋物線和雙曲線等 x y a b c d 當(dāng)給定a b c d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值之后 如何確定各坐標(biāo)值之間的中間值 求得這些中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱為插值或插補(bǔ) 插補(bǔ)計(jì)算的宗旨是通過給定的基點(diǎn)坐標(biāo) 以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn) 而這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段 3 脈沖分配 根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算過程中給定的各中間點(diǎn) 對(duì)x y方向分配脈沖信號(hào) 以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 速度及轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刀具 從而加工出所需要的輪廓 對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的相對(duì)位置稱為步長(zhǎng)或脈沖當(dāng)量 用表示 并且 如圖 設(shè)起點(diǎn)坐標(biāo)為 x0 y0 終點(diǎn)坐標(biāo)為 xe ye 則在x y方向移動(dòng)的總步數(shù)Nx Ny為 插補(bǔ)運(yùn)算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù) 使實(shí)際的中間點(diǎn)的軌跡盡可能地逼近理想軌跡 3 1 3數(shù)字控制方式 1 點(diǎn)位控制 定位 點(diǎn)位控制只要求控制機(jī)床的移動(dòng)部件從一個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn) 對(duì)中間運(yùn)動(dòng)軌跡不作要求 且在移動(dòng)過程中也不作任何加工 如數(shù)控鉆床 數(shù)控沖床等 2 直線控制 單軸切削 直線切削控制除控制點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外 還要控制兩點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路線 運(yùn)動(dòng)路線只是相對(duì)某一直角坐標(biāo)軸作平行運(yùn)動(dòng) 且在運(yùn)動(dòng)的過程中以一定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削加工 如數(shù)控車床 數(shù)控銑床等 3 輪廓控制 多軸切削 輪廓切削控制能對(duì)兩個(gè)及兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行控制 控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運(yùn)動(dòng) 這種方式是借助于插補(bǔ)器進(jìn)行的 插補(bǔ)器根據(jù)加工的工件輪廓向每一個(gè)坐標(biāo)軸分配速度指令 以獲得給定坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn) 如數(shù)控車床 數(shù)控銑床等 3 1 4數(shù)字控制系統(tǒng) 1 開環(huán)數(shù)字控制2 閉環(huán)數(shù)字控制 1 開環(huán)數(shù)字控制 這種控制結(jié)構(gòu)沒有反饋檢測(cè)元件 工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)來的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn) 把刀具移動(dòng)到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢?至于刀具是否到達(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置 那是不受任何檢查的 因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)裝置來決定 2 閉環(huán)數(shù)字控制 這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流電機(jī) 小慣量伺服電機(jī)和寬調(diào)速力矩電機(jī) 作為驅(qū)動(dòng)元件 反饋測(cè)量元件采用光電編碼器 碼盤 光柵 感應(yīng)同步器等 該控制方式主要用于大型精密加工機(jī)床 但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 難于調(diào)整和維護(hù) 一些常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很少采用 增量式編碼器 該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制 自動(dòng)測(cè)量 遙控 計(jì)算機(jī)技術(shù)以及在數(shù)控機(jī)床作角度和橫縱坐標(biāo)的測(cè)量等 將位移轉(zhuǎn)換成周期性電信號(hào) 再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖 用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小 絕對(duì)式編碼器 把機(jī)械位移量用二進(jìn)制碼或格雷碼作為絕對(duì)位置而進(jìn)行輸出的方式 伺服編碼器 是安裝在伺服電機(jī)上用來測(cè)量磁極位置和電機(jī)轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速的一種傳感器 此外 還有拉線式編碼器 記米輪 光柵尺等光電編碼器 3 1 5數(shù)控系統(tǒng)的分類 1 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) 硬件式數(shù)控 2 開放式數(shù)控系統(tǒng) 1 PCINNC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng) 2 NCINPC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng)3 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng) 3 2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 3 2 1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)3 2 2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) 所謂逐點(diǎn)比較法插補(bǔ) 就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較 看這點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方 或是給定軌跡的里面或外面 從而決定下一步的進(jìn)給方向 如果原來在給定軌跡的下方 下一步就向給定軌跡的上方走 如果原來在給定軌跡的里面 下一步就向給定軌跡的外面走 如此 走一步 看一看 比較一次 決定下一步走向 以便逼近給定軌跡 即形成逐點(diǎn)比較插補(bǔ) 逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的 它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個(gè)脈沖當(dāng)量 因此只要把脈沖當(dāng)量 每走一步的距離即步長(zhǎng) 取得足夠小 就可達(dá)到加工精度的要求 設(shè)插補(bǔ)曲線為 Fm F x y 偏差函數(shù) Fm F x y 0刀具在曲線的上方 3 2 1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) 逐點(diǎn)比較法流程圖 偏差判別 判斷上一步進(jìn)給后的偏差是Fm 0還是Fm 0 坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)所在象限和偏差判別的結(jié)果 決定進(jìn)給坐標(biāo)軸及其方向 偏差計(jì)算 計(jì)算進(jìn)給一步后新的偏差 作為下一步進(jìn)給的偏差判別依據(jù) 終點(diǎn)判斷 進(jìn)給一步后 終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1 判斷是否到達(dá)終點(diǎn) 到達(dá)終點(diǎn)則停止運(yùn)算 若沒有到達(dá)終點(diǎn) 返回 如此不斷循環(huán)直到到達(dá)終點(diǎn) 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)計(jì)算的四個(gè)步驟 1 第一象限的直線插補(bǔ) 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 2 進(jìn)給與偏差計(jì)算若加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)加工點(diǎn)在OA上或OA上方 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 若加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)加工點(diǎn)在OA下方 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 3 終點(diǎn)判斷方法a 對(duì)x y方向分別設(shè)置減法計(jì)數(shù)器Nx Ny 分別用終點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)其初始化 從終點(diǎn)向始點(diǎn)移動(dòng) 每進(jìn)給一步計(jì)數(shù)器減1 直至計(jì)數(shù)器值為零 b 設(shè)一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器 初始值為x y方向的進(jìn)給總步數(shù)Nxy 進(jìn)給一步計(jì)數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達(dá)終點(diǎn) 不同象限直線插補(bǔ)的偏差符號(hào)和進(jìn)給方向如圖 2 四個(gè)象限的直線插補(bǔ) 表3 2直線插補(bǔ)的進(jìn)給方向及偏差計(jì)算公式 記憶 2象限 1象限以y軸鏡象 4象限 1象限以x軸鏡象 3象限 1象限旋轉(zhuǎn)180度 注意 表中坐標(biāo)值為不帶符號(hào)的數(shù) 3 直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程 第一象限時(shí) 4象限內(nèi)的直線插補(bǔ)流程圖 x x y y 6個(gè)內(nèi)存單元數(shù)據(jù) XE 終點(diǎn)X坐標(biāo)YE 終點(diǎn)Y坐標(biāo)NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點(diǎn)偏差 FM初值為0XOY 象限值 1 2 3 4分別代表1 2 3 4象限ZF 進(jìn)給方向 1 2 3 4代表在 x x y y方向進(jìn)給 例3 1 設(shè)加工第一象限直線OA 起點(diǎn)為O 0 0 終點(diǎn)坐標(biāo)為A 6 4 試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖 解 坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy 6 0 4 0 10 xe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 軌跡如圖 練習(xí) 設(shè)加工第二象限直線OA 起點(diǎn)坐標(biāo)為O 0 0 終點(diǎn)坐標(biāo)為A 6 4 試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算 填入表中 并作出走步軌跡圖 解 坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy 6 0 4 0 10 xe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 1 第一象限內(nèi)順圓弧插補(bǔ) 3 2 2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 2 進(jìn)給與偏差計(jì)算若加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)表明加工點(diǎn)在圓弧上或圓弧外 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 新偏差 當(dāng)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)表明加工點(diǎn)在圓弧內(nèi) 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 新偏差 3 終點(diǎn)判斷方法設(shè)一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器 初始值為x y方向的進(jìn)給總步數(shù)Nxy 進(jìn)給一步計(jì)數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達(dá)終點(diǎn) 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)計(jì)算的五個(gè)步驟 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 坐標(biāo)計(jì)算 終點(diǎn)判斷 注意 在偏差計(jì)算的同時(shí) 要進(jìn)行動(dòng)點(diǎn)瞬時(shí)坐標(biāo)值的計(jì)算 以便為下一點(diǎn)的偏差計(jì)算做好準(zhǔn)備 2 第一象限內(nèi)逆圓弧插補(bǔ) 2 進(jìn)給與偏差計(jì)算若加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)表明加工點(diǎn)在圓弧上或圓弧外 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 新偏差 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 若加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)時(shí) 當(dāng)表明加工點(diǎn)在圓弧內(nèi) 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點(diǎn)坐標(biāo)為 新偏差 3 四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ) 圓弧插補(bǔ)中 沿對(duì)稱軸的進(jìn)給的方向相同 沿非對(duì)稱軸的進(jìn)給的方向相反 所有對(duì)稱圓弧的偏差計(jì)算公式 只要取起點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值 均與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的偏差計(jì)算公式相同 注意 記憶 2象限 1象限以y軸鏡象 4象限 1象限以x軸鏡象 3象限 1象限旋轉(zhuǎn)180度 表3 4圓弧插補(bǔ)的進(jìn)給方向及偏差計(jì)算公式 注意 表中坐標(biāo)值為不帶符號(hào)的數(shù) 如第四象限中的點(diǎn) 4 3 應(yīng)用xm 4 ym 3查表計(jì)算 4 圓弧插補(bǔ)計(jì)算的程序?qū)崿F(xiàn) 1 數(shù)據(jù)的輸入及存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中開辟八個(gè)單元XO YO NXY FM RNS XM YM和ZF 分別存放起點(diǎn)的橫坐標(biāo)x0 起點(diǎn)的縱坐標(biāo)y0 總步數(shù)Nxy 加工點(diǎn)偏差Fm 圓弧種類值RNS xm ym和走步方向標(biāo)志 這里Nxy xe x0 ye y0 RNS等于1 2 3 4和5 6 7 8分別代表SR1 SR2 SR3 SR4和NR1 NR2 NR3 NR4 RNS的值可由起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)的正 負(fù)符號(hào)來確定 Fm的初值為F0 xm和ym的初值為x0和y0 ZF 1 2 3 4分別表示 x x y y走步方向 2 圓弧插補(bǔ)計(jì)算的程序流程按照插補(bǔ)計(jì)算的五個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算程序 即 偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判斷 y軸 指明RNS 可以選擇同樣的偏差計(jì)算公式 判斷Fm的值 判斷Fm的值 x軸 其中內(nèi)存單元數(shù)據(jù) X0 起點(diǎn)X坐標(biāo)Y0 起點(diǎn)Y坐標(biāo)NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點(diǎn)偏差 XM xmYM ymRNS 圓弧種類 1 2 3 4和5 6 7 8分別代表SR1 SR2 SR3 SR4和NR1 NR2 NR3 NR4 ZF 進(jìn)給方向 1 2 3 4代表在 x x y y方向進(jìn)給 例3 2 設(shè)加工第一象限逆圓弧AB 已知起點(diǎn)的坐標(biāo)為A 4 0 終點(diǎn)的坐標(biāo)為B 0 4 試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖 解 坐標(biāo)進(jìn)給總步數(shù)Nxy xe x0 ye y0 8 x0 4 y0 0 F0 0插補(bǔ)過程如表所示 插補(bǔ)計(jì)算過程 走步軌跡 練習(xí) 設(shè)加工第二象限逆圓弧AB 已知圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)為A 4 0 終點(diǎn)坐標(biāo)為B 0 4 試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算 并作出走步軌跡圖 解 坐標(biāo)進(jìn)給總步數(shù)Nxy xe x0 ye y0 8 x0 4 y0 0 F0 0插補(bǔ)過程如表所示 3 3多軸步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 3 3 1步進(jìn)電機(jī)的工作原理3 3 2步進(jìn)電機(jī)的工作方式3 3 3步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表3 3 4步進(jìn)電機(jī)控制程序3 3 5數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 三軸步進(jìn)電機(jī)控制 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)元件常常是步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)類中比較特殊的一種 它是靠脈沖來驅(qū)動(dòng)的 步進(jìn)電機(jī) 脈沖電機(jī) 給一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一下 它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電式數(shù)模 D A 轉(zhuǎn)換器 步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)的變化 而是跳躍的 離散的 靠步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動(dòng)步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù) 而刀具移動(dòng)的速度則取決于指令脈沖的頻率 3 3 1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 由內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成 定子 定子上有繞組 圖示電機(jī)是三相電機(jī) 有3對(duì)磁極 實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)不僅有三相 還有四相 五相等等 三對(duì)磁極分別為A B C 通過開關(guān)輪流通電 轉(zhuǎn)子 上面帶齒 為了說明問題 這里只畫了4個(gè)齒 一般有幾十個(gè)齒 2 步進(jìn)電機(jī)的工作過程 A相通電 A相磁極與0 2號(hào)齒對(duì)齊 B相通電 由于磁力線作用 B相磁極與1 3號(hào)齒對(duì)齊 C相通電 由于磁力線作用 C相磁極與0 2號(hào)齒對(duì)齊 A相通電 由于磁力線作用 A相磁極與1 3號(hào)齒對(duì)齊 結(jié)論 定子按A B C A相輪流通電 則磁場(chǎng)沿A B C方向轉(zhuǎn)動(dòng)360度角 轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置 齒數(shù)為4 齒距角為90度 即1個(gè)齒距轉(zhuǎn)動(dòng)了90度 3 步進(jìn)電機(jī)的 相 和 拍 相 繞組的個(gè)數(shù) 拍 繞組的通電狀態(tài) 如 三拍表示一個(gè)周期共有3種通電狀態(tài) 六拍表示一個(gè)周期有6種通電狀態(tài) 每個(gè)周期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距 4 步進(jìn)電機(jī)的步距角的計(jì)算步距角 步進(jìn)電機(jī)每拍步進(jìn)的角度 對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī) 如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z 它的齒距角 Z為 Z 2 Z 360 Z而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置 步進(jìn)電機(jī)的步距角 可以表示如下 Z N 360 NZ 其中 N是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù) Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 對(duì)于4個(gè)齒的三相步進(jìn)電機(jī) 若采用三拍方式 則它的步距角是 360 3 4 30 對(duì)于轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機(jī)而言 其步距角是 360 3 40 3 3 3 2步進(jìn)電機(jī)的工作方式 1 步進(jìn)電機(jī)單三拍工作方式2 步進(jìn)電機(jī)的雙三拍工作方式3 步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式 1 單三拍工作方式 單三拍就是每次只給一個(gè)線組通電 其余的繞組斷開 繞組的通電順序 A B C A 電壓波形 在這里 步進(jìn)電機(jī)是由脈沖控制的 而脈沖的輸出受計(jì)算機(jī)的控制 3 步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式 繞組的通電順序 AABBBCCCAA 電壓波形 3 3 3步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表 步進(jìn)電機(jī)的控制中 要關(guān)心下列問題 步進(jìn)電機(jī)的精度問題 步進(jìn)電機(jī)的工作精度問題 速度調(diào)節(jié)問題 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的快慢的調(diào)節(jié) 計(jì)算機(jī)接口問題 和計(jì)算機(jī)接口應(yīng)該注意的問題 常規(guī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖所示 補(bǔ)充 步進(jìn)電機(jī)的控制原理 變頻信號(hào)源 是一個(gè)頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器 它根據(jù)步進(jìn)電機(jī)速度變化的需要把不同頻率的脈沖送到脈沖分配器 脈沖分配器 把脈沖串按一定規(guī)律分配給功率放大器的各相輸入端 又稱環(huán)形分配器 輸入 步進(jìn)脈沖 1個(gè)脈沖為1拍 走一步 方向選擇 正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 輸出 各相繞組的驅(qū)動(dòng)脈沖 功率放大器 脈沖分配器的輸出電路不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 需要進(jìn)行功率放大 采用微機(jī)控制主要取代變頻信號(hào)源和脈沖分配器 而給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)電路是必不可少的 1 步進(jìn)電機(jī)控制接口 研華板卡控制兩臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)接口示意圖 8255控制兩臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)接口示意圖 步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表 三相六拍工作方式 如表3 6所示 若要控制電機(jī)正轉(zhuǎn) 則按照ADx1 ADx2 ADx3 ADx4 ADx5 ADx6 ADx1 和ADy1 ADy2 ADy3 ADy4 ADyX5 ADy6 ADy1 順序分別向PA和PB口送控制字即可 若要反轉(zhuǎn) 則按相反的順序 2 步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表 3 3 4步進(jìn)電機(jī)控制程序 1 步進(jìn)電機(jī)走步控制程序2 步進(jìn)電機(jī)速度控制程序 硬件電路 電機(jī)類型 三相 四相等 步踞角 最高通電頻率 最低通電頻率等等 頻率對(duì)應(yīng)的是速度 選擇工作方式 電機(jī)控制的調(diào)速問題 1 步進(jìn)電機(jī)走步控制程序什么是走步程序 用ADX和ADY分別表示x軸和y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表的取數(shù)地址指針 且用ZF 1 2 3 4分別表示 x x y y走步方向 在流程圖的第一個(gè)判斷中 ZF通過對(duì)Fm的判斷來賦值 因此 這個(gè)程序還要和插補(bǔ)計(jì)算程序結(jié)合起來看 x x y y x軸 y軸 若將步進(jìn)控制程序和插補(bǔ)計(jì)算程序結(jié)合起來 并修改程序的初始化和循環(huán)控制判斷的內(nèi)容 便可以很好地實(shí)現(xiàn)xOy坐標(biāo)平面的數(shù)字程序控制 為機(jī)床電器的自動(dòng)控制提供了有力的手段 步進(jìn)電機(jī)的輸出字更換得越快 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高 因此 控制延時(shí)時(shí)間常數(shù) 即可達(dá)到調(diào)速的目的 一般采用查表法來可控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給速度 即離線計(jì)算出各步的延時(shí)時(shí)間放入延時(shí)時(shí)間表中 然后按地址表一次取出下一步進(jìn)給的延時(shí)值 通過延時(shí)程序或定時(shí)器產(chǎn)生給定的時(shí)間間隔 發(fā)出相應(yīng)的走步命令 2 步進(jìn)電機(jī)速度控制程序 設(shè)Ti為相鄰兩個(gè)進(jìn)給脈沖之間的時(shí)間間隔 s Vi為進(jìn)給一步后的末速度 步 s a為進(jìn)給一步的加速度 步 s2 則得 則 注意 按正序或反序取輸出字可控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 速度往往和輸出字的輸送的頻率有關(guān) 輸出字更換得越快 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高 調(diào)速過程總是有加速問題 控制延時(shí)的時(shí)間常數(shù) 即可達(dá)到調(diào)速的目的 Ti為相鄰兩次走步的時(shí)間間隔 Vi為進(jìn)給一步后速度 a為加速度 3 3 5數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 三軸步進(jìn)電機(jī)控制 1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要部件 1 工業(yè)控制機(jī) IPC 2 運(yùn)動(dòng)控制卡 2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及主要功能模塊該軟件為多任務(wù)操作系統(tǒng) 系統(tǒng)主要模塊的功能如下 1 多任務(wù)操作模塊 2 人機(jī)接口模塊 3 軌跡插補(bǔ)模塊 4 運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模塊 5 位置控制模塊 6 方式控制模塊 7 程序控制模塊 8 參數(shù)管理模塊 9 運(yùn)動(dòng)仿真模塊 動(dòng)態(tài)顯示模塊等 3 4多軸伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 3 4 1伺服系統(tǒng)3 4 2現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 基于PC的多軸運(yùn)動(dòng)控制 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中 把輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng) 亦稱伺服系統(tǒng) 例如 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng) 又稱為隨動(dòng)系統(tǒng) 1 伺服系統(tǒng)及其組成伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件 即伺服電機(jī) 組成 高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置 反饋實(shí)際的輸出狀態(tài) 3 4 1伺服系統(tǒng) 補(bǔ)充 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中 用作執(zhí)行元件 把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出 其主要特點(diǎn)是 當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降 伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位 伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖 就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度 從而實(shí)現(xiàn)位移 因?yàn)樗欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能 所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度 都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖 這樣 和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng) 或者叫閉環(huán) 如此一來 系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī) 同時(shí)又收了多少脈沖回來 這樣 就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)精確的定位 可以達(dá)到0 001mm 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置 它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系 在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛 隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn) 交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中 為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 雖然兩者在控制方式上相似 脈沖串和方向信號(hào) 但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異 一 控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言 驅(qū)動(dòng)器每接收 131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈 即其脈沖當(dāng)量為9 89秒 是步距角為1 8 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1 655 一 控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言 驅(qū)動(dòng)器每接收 131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈 即其脈沖當(dāng)量為9 89秒 是步距角為1 8 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1 655 二 低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象 振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān) 這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí) 一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn) 即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象 交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能 可涵蓋機(jī)械的剛性不足 并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能 FFT 可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn) 便于系統(tǒng)調(diào)整 三 矩頻特性不同步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降 且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降 所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300 600RPM 交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出 即在其額定轉(zhuǎn)速 一般為2000RPM或3000RPM 以內(nèi) 都能輸出額定轉(zhuǎn)矩 在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出 四 過載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力 交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力 以松下交流伺服系統(tǒng)為例 它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力 其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍 可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力 在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩 往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī) 而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩 便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象 五 運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制 啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象 所以為保證其控制精度 應(yīng)處理好升 降速問題 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制 驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣 內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán) 一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象 控制性能更為可靠 六 速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要200 400毫秒 交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好 以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例 從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒 可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合 七 外形不同從外形上看 步進(jìn)電機(jī)前后外形基本都是方形的 伺服電機(jī)前面外形基本也是方形的 但是最后有一個(gè)比較小一點(diǎn)的接近圓形的有點(diǎn)象蓋子一樣的東西 里面裝旋轉(zhuǎn)編碼器 步進(jìn)電機(jī)的外觀比伺服電機(jī)粗超一些 步進(jìn)電機(jī)一般都是一個(gè)引出線端 伺服電機(jī)都是帶編碼器的所以有2個(gè)引線輸出端 綜上所述 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī) 但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 所以 在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求 成本等多方面的因素 選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī) 2 伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn) 1 伺服系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性好 精度高 快速響應(yīng)性好 2 伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)精確的檢測(cè)裝置 高性能的伺服電動(dòng)機(jī) 寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 3 4 2現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) 1 伺服電動(dòng)機(jī)控制 1 伺服電動(dòng)機(jī)及其分類直流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī) 2 控制系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求調(diào)速范圍寬 機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性 無自傳現(xiàn)象 快速響應(yīng) 體積小 重量輕等 3 直流伺服電機(jī)的控制方式電樞控制 磁場(chǎng)控制 4 交流伺服電機(jī)的控制方式幅值控制 相位控制 幅相控制 2 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是在數(shù)字信號(hào)處理器DSP和大規(guī)模集成邏輯器件FPGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)示意圖 3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 基于PC的多軸運(yùn)動(dòng)控制 1 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 PMAC美國DELTATAU公司生產(chǎn)的可編程多軸控制器PMAC ProgrammableMulti AxisController 是目前世界上功能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制器之一 是完全開放體系結(jié)構(gòu) PC機(jī)平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)控制卡 該產(chǎn)品使用高速DSP 提供全新的高性能技術(shù)和Windows平臺(tái) 其最新產(chǎn)品TURBOPMAC可以控制32個(gè)軸 CPU速度為150MHz 具有光纖通訊 MACRO鏈等功能 1 PMAC的結(jié)構(gòu)和工作原理 2 PMAC的硬件開放性 3 PMAC的軟件開放性 2 基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)的主機(jī)為研華工業(yè)控制機(jī) 操作系統(tǒng)為WindowsNT 運(yùn)動(dòng)控制器采用的是PMAC四軸運(yùn)動(dòng)控制卡PMACLite 板卡配置有雙端口RAM 以ACC 34A作為I O擴(kuò)展接口板 共有62個(gè)帶光隔的I 0結(jié)點(diǎn) ACC 8P為普通接線器 便于PMAC與各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的連接 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是松下永磁同步交流伺服電機(jī) 電機(jī)自身配有2500線光電編碼器作為速度和位置反饋元件 主軸電機(jī)采用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸的無級(jí)調(diào)速 PMAC與IPC之間的通信可以通過PC總線和雙端口RAM兩種方式進(jìn)行 雙端口RAM主要用于與PMAC的快速數(shù)據(jù)通訊和命令通訊 當(dāng)IPC向PMAC寫數(shù)據(jù)時(shí) 雙端口RAM能夠在實(shí)時(shí)狀態(tài)下快速地將位置指令數(shù)據(jù)或程序信息進(jìn)行下載 當(dāng)從PMAC中讀取數(shù)據(jù)時(shí) IPC通過雙端口RAM可以快速地獲取系統(tǒng)的狀態(tài) 電機(jī)的位置 速度 跟隨誤差等各種數(shù)據(jù) 因而 利用雙端口RAM大大提高了數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)能力和加工精度 同時(shí)也方便了用戶的編程和開發(fā) 3 基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 主控模塊是為用戶提供一個(gè)友好的系統(tǒng)操作界面 在此界面下 系統(tǒng)的各功能模塊以菜單的形式被調(diào)用 系統(tǒng)的功能模塊可分為實(shí)時(shí)控制類功能模塊和非實(shí)時(shí)管理類模塊兩大類 實(shí)時(shí)控制類功能模塊是控制機(jī)床當(dāng)前運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作的軟件模塊 具有毫秒級(jí)甚至更高要求的時(shí)間響應(yīng) 非實(shí)時(shí)管理類模塊沒有具體的時(shí)間響應(yīng)要求 思考題與習(xí)題3 1什么叫數(shù)字程序控制 3 2簡(jiǎn)述逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的計(jì)算過程 3 3簡(jiǎn)述逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的終點(diǎn)判別方法 3 4若加工第一象限直線OA 起點(diǎn)O 0 0 終點(diǎn)A 5 3 用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并畫出軌跡圖 3 5若加工第一象限圓弧OA 起點(diǎn)O 5 0 終點(diǎn)A 0 5 用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并畫出軌跡圖 思考題與習(xí)題3 6采用8255作為x軸步進(jìn)電機(jī)和y軸步進(jìn)電機(jī)的控制接口 畫出接口電路原理圖 并分別列出x軸和y軸步進(jìn)電機(jī)在三相單三拍 三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表 步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)例 include defineucharunsignedcharsbitP1 0 P1 0 sbitP1 1 P1 1 sbitP1 2 P1 2 sbitP1 3 P1 3 sbitP1 4 P1 4 sbitP1 5 P1 5 sbitP1 6 P1 6 sbitP1 7 P1 7 sbitshut P3 7 ucharRRR flg KKK RRR用于調(diào)速控制 flg 0正轉(zhuǎn) flg 1反轉(zhuǎn) flg 2不轉(zhuǎn) KKK為P1的狀態(tài)寄存 ucharloop 2 4 0 x0c 0 x06 0 x03 0 x09 0 x09 0 x03 0 x06 0 x0c 低四位1100 0110 0011 1001四相雙四拍voidloop1 void voidloop2 void voidstep void main uchari j TMOD 0 x10 T1方式1 16位定時(shí)器 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 延時(shí)10ms 置初值EA 0 開總中斷ET1 0 開定時(shí)器T1while 1 while shut 啟動(dòng)開關(guān)if KKK P1 當(dāng)P1的值發(fā)生變化 觸發(fā)采集信號(hào)loop1 控制正反轉(zhuǎn)if flg 2 for i 0 i 3 i P0 loop flg i for j 0 j RRR j step 產(chǎn)生10MS單位步距時(shí)間 voidstep void 產(chǎn)生10MS的單位步時(shí)間 TF1 0 TR1 1 while TF1 0 TR1 0 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 voidloop1 void 采集順時(shí)針或逆時(shí)針信號(hào) P1 6 1 順時(shí)針 P1 7 1 逆時(shí)針 KKK P1 暫存P1的狀態(tài)if P1 6 1 flg 0 正轉(zhuǎn)loop2 設(shè)置不同轉(zhuǎn)速 elseif P1 7 1 flg 1 反轉(zhuǎn)loop2 else flg 2 不轉(zhuǎn) voidloop2 void if P1 0 0 RRR 5 5轉(zhuǎn)每秒 elseif P1 1 0 RRR 10 2 5轉(zhuǎn)每秒 elseif P1 2 0 RRR 20 1 25轉(zhuǎn)每秒 elseif P1 3 0 RRR 25 1轉(zhuǎn)每秒 elseif P1 4 0 RRR 50 0 5轉(zhuǎn)每秒 elseif P1 5 0 RRR 100 0 25轉(zhuǎn)每秒 思考如何用ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 如何用L297和L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)