1、3.1 数字控制系统的概述3.2 逐点比较插补原理3.3 步进电机控制技术3.4 小 结制造系统数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人2特征阶段特征阶段年代年代典型应用典型应用驱动特点驱动特点研究开发研究开发19521952l969l969数控车床、铣床钻、数控车床、铣床钻、铣床铣床3 3轴以下步进、轴以下步进、液压电机液压电机推广应用推广应用l970l970l985l985加工中心、电加工、加工中心、电加工、锻压锻压直流伺服电机直流伺服电机系统化系统化l982l982柔性制造单元柔性制造单元(FMU)(FMU)柔性制造系统柔性制造系统(FMS)(FMS)交流伺服电机交流伺服电机高性能
2、高性能集成化集成化l990l990至今至今计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)(CIMS)、无人化工厂无人化工厂直线驱动直线驱动3.1 数字控制系统的概述数字控制系统的概述 按时序或事序规定工作的自动控制成为按时序或事序规定工作的自动控制成为顺序控制顺序控制。数字程序控制数字程序控制：计算机根据输入的指令和数据，控计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械制生产机械(如各种加工机床如各种加工机床)按规定的按规定的工作顺序、运动工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自等规律自动地完成工作的自动控制。动控制。数字程序控制主要应用于机床控制数字
3、程序控制主要应用于机床控制,采用数字程序控采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。制系统的机床叫做数控机床。组成组成:数字程序控制系统由数字程序控制系统由输入装置输入装置,输出装置输出装置,控制控制器和插补器器和插补器等四大部分组成。其中等四大部分组成。其中,控制器和插补器功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。能以及部分输入输出功能由计算机承担。3.1 数字控制系统的概述数字控制系统的概述 3.1 数字控制系统的概述数字控制系统的概述 w 3.1.1 数字控制系统的基本概念数字控制系统的基本概念 w 对图所示的平面图形，如何用计算机在绘图仪或加工装置上重现?第一步：将该图分割成
4、了三段。第二步：当给定a,b,c,d各点坐标和值之后，还要确定各坐标值之间的中间值。第三步：把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制，方向上的步进马达，带动画笔、刀具或线电极运动，从而绘出图形或加工出符合要求的轮廓来。3.1.2 数控系统的组成数控系统的组成 w 1.闭环数字控制闭环数字控制 w 该控制方式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。w 2.开环数字控制开环数字控制 开环数字控制结构简单，并且可靠性高、成本低、易于调整和维护等，应用最为广泛。由于采用了步进电动机作为驱动元件，使得系统的可靠性变得更加灵活。3.2 逐点比较插补原理逐点比较插补原理 w“逐点
5、比较法”插补原理“一点一比较，步步来逼近”w 3.2.1 逐点比较直线插补原理逐点比较直线插补原理 w 1.在第一象限内的直线插补 y0 xA+A-(,)eep xy(,)iiMxy(,)iiMxy aaa(,)iiM x y当前点的位置在直线中还是在直线之上，直线之下？如何判断？w 定义 w 则当Fi=0时，表示M点在直线上；当Fi 0时，表示M点在A+区域内；当Fi 0时，表示M点在A-区域内。w 式 称为直线插补的偏差判别式，或原始判别式。以后为了方便起见，将Fi记为F。ieieiFx yy xieieiFx yy xw(a)F0 时进给 (b)F0时进给 0(,)iiM x y1(,)
6、iiMxyA+A-Pyx0A+A-P1(,)iiMx y(,)iiM x yyx(1)()eieieieieeFx yy xx yy xyFy F0时，计算FF0时，计算FeeieieieiexFxxyyxxyyxF)1(2.其它象限中的偏差判别及进给方向 w 如果需要在其它三个象限内画直线，只要将它们化作第一象限的插补处理即可。w 进给方向对于不同的象限作某些改变即可。0(,)eePxy(,)eeP xy(,)eePxy(,)eePxyyx 偏差 1象限 2象限 3象限 4象限 偏差公式 F0+x-x-x+x F=F-ye F0+y+y-y-y F=F+xe3.终点判断 利用画笔所走过的总步
7、数是否等于终点坐标的与之和。取终点坐标中较大者作为终点判别计数器的初值。4.直线插补程度的流程图 w 第一步：偏差判别，F0还是F0？w 第二步：坐标进给，根据偏差和插补所在象限决定在什么方向上进给一步；w 第三步：偏差运算，计算进给一步后的新偏差值；w 第四步：终点判别，若未到达终点，则重复一至四步工作。例例3.13.1设加工第一象限直线设加工第一象限直线OAOA，起点为，起点为O(0O(0，0)0)，终点，终点坐标为坐标为A(6A(6，4)4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。，试进行插补计算并作出走步轨迹图。解解坐标进给的总步数坐标进给的总步数N Nxyxy=|6-0|+|4-0|=10
8、,x=|6-0|+|4-0|=10,xe e=6,y=6,ye e=4,=4,F F0 0=0.=0.步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判断终点判断起点起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F10+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F30+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F60+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F80+xF10=F9-ye=0Nxy=03.2.2 逐点比较圆弧插补原理逐点比较圆弧插补原理 w 1 第一象限圆弧插补原理第一象限圆弧插补原理 2222200eeRxyxy
9、如何判断当前点的位置？222iiFxyR222222(1)21 21iiiiiiFxyRxyRxFx F 0,F 0,222222(1)2121iiiiiiFxyRxyRyFy 2 其它象限中逐点比较法圆弧插补其它象限中逐点比较法圆弧插补的偏差公式和进给方向的偏差公式和进给方向 3 终点判断终点判断:X方向总步数和方向总步数和Y方向总步数中的最大值方向总步数中的最大值 4 圆弧插补程序流程图圆弧插补程序流程图 利用起点坐标值和终点坐标值相对大小来确定是顺圆插补还是逆圆插补顺圆插补还是逆圆插补.根据偏差值F是是0还是还是0以及圆弧插补的类圆弧插补的类型型来决定实际的进给信号实际的进给信号.确定终
10、判计数器的初值终判计数器的初值.例例：设加工第一象限逆圆弧设加工第一象限逆圆弧AB，已知起点的坐标为，已知起点的坐标为A(4，0)，终点的坐标为，终点的坐标为B(0，4)，试进行插补计算并作出走步，试进行插补计算并作出走步轨迹图。轨迹图。步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算坐标计算坐标计算终点判断终点判断起点起点F0=0 x0=4,y0=4Nxy=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=-7x1=x0-1=3,y1=0Nxy=72F10+yF2=F1+2y1+1=-6x2=3,y2=y1+1=1Nxy=63F20+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=y2+1=2N
11、xy=54F30-xF5=F4-2x4+1=-3x5=x4-1=2,y5=3Nxy=36F50-xF7=F6-2x6+1=1x7=x6-1=1,y7=4Nxy=18F70-xF8=7-2x7+1=0 x8=x7-1=0,y8=4Nxy=03.3 步进电机控制技术步进电机控制技术 w 步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机。角位移变成直线位移；带动螺旋电位器，调节电压和电流，特点特点快速的启停能力精确步进以及直接接收数字量的特点3.3.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 w 步进电机实际上是一个数字数字/角角度转换器度转换器;w 也是一个串行的串行的数数/模转换器模转换器。N
12、AABS2424252525252560252525转子定子CCBBCCBAAA反应式步进电动机定子相数反应式步进电动机定子相数m为为2、3、4、5、6，定，定子磁极个数为子磁极个数为2m，每个磁极上套着该相控制绕组。，每个磁极上套着该相控制绕组。假设三相六极反应式步进电动机转子有四个齿。工假设三相六极反应式步进电动机转子有四个齿。工作时，以电脉冲向作时，以电脉冲向A，B，C三相控制绕组轮流通入三相控制绕组轮流通入直流电流直流电流I，转子就会向一个方向一步一步转动。步，转子就会向一个方向一步一步转动。步进电动机不改变通电情况的运行状态叫静态运行。进电动机不改变通电情况的运行状态叫静态运行。规定
13、转子每一个齿距所占空间角度为规定转子每一个齿距所占空间角度为2电角度。电角度。w 当脉冲频率当脉冲频率f增高，其周期比转子振荡的过渡过程增高，其周期比转子振荡的过渡过程时间还短时，虽然仍旧是一个脉冲前进一步，步时间还短时，虽然仍旧是一个脉冲前进一步，步矩角也不变，但转子连续转动不停，这叫做矩角也不变，但转子连续转动不停，这叫做连续连续运行状态运行状态。w 连续运行状态连续运行状态是步进电动机经常的运行状态，频是步进电动机经常的运行状态，频率比较高，转速与频率成正比。率比较高，转速与频率成正比。w 电动机不丢步连续运行的最高频率叫电动机不丢步连续运行的最高频率叫运行频率运行频率，其值越高电机转速
14、越高。步进电动机一般要采用其值越高电机转速越高。步进电动机一般要采用机械阻尼，使振荡很快衰减。同时，还要加大机械阻尼，使振荡很快衰减。同时，还要加大 的范围，即减小步距角，增加电机的稳定性。的范围，即减小步距角，增加电机的稳定性。b()br360Z Nbr60f60fn360Z N3.3.2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 w 步进电机的方向控制方法是：w 用计算机输出接口的每一位控制一相绕组，例如用计算机数据线的D0、D1、D2分别接到步进电动机的A、B、C三相。w 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数学模型。步进电机旋转方向控制 w（1）三相单三拍方式：w 正向旋转，
15、通电顺序为正向旋转，通电顺序为 ABCA；w 反向旋转，通电顺序为 ACBA。w（2）三相双三拍方式：w 正向旋转，通电顺序为正向旋转，通电顺序为 ABBCCAAB；w 反向旋转，通电顺序为 ABCABCAB。w（3）三相六拍方式：w 正向旋转，通电顺序为正向旋转，通电顺序为 ABBBCCCAA；w 反向旋转，通电顺序为 CACBCBABA。步进电机的旋转方向控制方法：w（1）用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组。w（2）根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型。w（3）按照控制方式规定的顺序向步进电机发送脉冲序列，即可控制步进电机的旋转方向。w 上述三种控制方式的数序模型如表所示
16、。三相双三拍控制模型三相单三拍控制模型三相六拍控制模型3.3.3 步进电机的控制系统步进电机的控制系统 w 典型的步进电机控制系统，如图所示 w 计算机控制步进电机原理图 步进电机控制程序的设计w 三相单三拍控制程序流程图如图所示。三相单三拍控制程序清单：w T_CON:PUSH A；保护现场 wPUSH PSW wMOV R7,#N；设定控制步数w wJNBFLAG,LEFT；判断旋转方向 w RIGHT:MOV R0,RM；正转模型起始地址 wAJMP ROTATE w LEFT:MOV R0,LM w ROTATE:MOV A,R0；取第一拍控制模型 wMOV P1,A；输出第一拍控制模
17、型 wACALLDELAY1；延时 w INCR0wMOV A,R0；取第二拍控制模型 wMOV P1,A；输出第二拍控制模型wACALLDELAY1；延时 wINCR0 wMOV A,R0；取第三拍控制模型 wMOV P1,A；输出第三拍控制模型 wACALLDELAY1；延时 wDJNZ R7,ROTATE；未走完要求的步数，继续wPOPPSW；恢复现场 wPOPA wRET；返回 w 三相六拍控制程序流程图如图所示。开 始设置定时器计数初值 正转否？设置控制步数取正转模型起始地址中断等待启动计时允许定时器中断开中断设置定时器工作方式取反转模型起始地址否是开 始取控制模型是控制模型结束标志
18、否?步数够否？输出控制模型保护现场指向下一控制模型恢复模型起始地址恢复现场禁止定时器中断关中断否否是是返 回（a）主程序流程图主程序流程图（b）定时器中断服务程序定时器中断服务程序三相六拍控制程序中断服务程序清单:w INTT0:PUSH A；保护现场wPUSH PSWwMOV A,R0；取控制模型wMOV P1,A；输出控制模型wINCR0；指向下一控制模型wMOV A,#00H；判断是否控制模型结束标志wXRLA,R0wJNZNEXT；不是，继续wMOV A,R0；是，恢复控制模型起始地址wCLRCwSUBB A,#06Hw MOVR0,Aw NEXT:DJNZ R7,RETU；未走完规定步数，继续 w CLRET1；走完规定步数，禁止T1中断w CLREA；关中断w RETU:POPPSW；恢复现场w POP A w RETI；中断返回 3.4 小小 结结 w 数字程序控制的概念及其组成形式，w 逐点比较插补原理直线插补和圆弧插补阶梯线来逼近直线（逐点比较直线插补）或圆弧（逐点比较圆弧插补）w 数字控制系统主要分为开环数字控制和闭环数字控制两种形式。w 步进电机的工作原理及工作方式控制。
