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1、2023/3/21,1,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,2023/3/21,2,31 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
2、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xy。,2023/3/21,3,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）,2023/3/21,4,3.2 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Fm0，表明点m在oA直线上；Fm0，表明点m在oA直线上方；Fm0，表明点m在oA直线下方。,从直线的起点出发，当Fm0时，沿x轴方向走一步；当Fm0时，沿y方向走一步
3、；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,2023/3/21,5,偏差判别式简化,当Fm0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Fm0时，应向y方向进给一步，该点的偏差为,2023/3/21,6,（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Nxy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
4、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。,2023/3/21,7,偏差判别：判断上一步进给后的偏差是F0还是F0；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。,逐点比较法直线插补计算的四个步骤：,2023/3/21,8,（3）四个象限直线插补,图5 四个象限直线的偏差符号和方
5、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。,2023/3/21,9,（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,2023/3/21,10,例31 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 直线插补走步轨迹图,解 xe6，ye4，进给总步数Nxy|60|40|10，F00，插补计算过程如表
6、，走步轨迹如图。,2023/3/21,11,表1 直线插补过程,2023/3/21,12,2 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,Fm0，表明加工点m在圆弧上；Fm0，表明加工点m在圆弧外；Fm0，表明加工点m在圆弧内。,当Fm0时，x轴方向进给一步，并计算新的偏差；当Fm0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：,2023/3/21,13,新加工点的偏差为,当Fm0时，应沿x轴方向进给一步，到m1点，其坐标值为,偏差判别式
7、简化,同理，当Fm0时，新加工点的偏差为,2023/3/21,14,（2）终点判断,同直线插补计算，将x轴方向的走步步数Nx|xex0|与y轴方向的走步步数Ny|yey0|之和NxyNxNy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。,2023/3/21,15,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。,2023/3/21,16,（3）顺圆弧插补偏差判别式,图9 第一象限顺圆弧,若偏差Fm0，沿 轴方向进给一步，新加工点的坐标为，偏差为,若
8、Fm0，下一步向x轴方向进给一步，新加工点的坐标为，偏差为,2023/3/21,17,（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。,2023/3/21,18,（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,2023/3/21,19,例32 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（0，4），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
9、 圆弧插补走步轨迹图,2023/3/21,20,表2 圆弧插补计算过程,2023/3/21,21,33 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。,2023/3/21,22,1.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转子齿数。Z4时，。,2023/3/21,23,输入一个电脉冲信号，转子
10、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，NmK；m定子绕组相数；K与通电方式有关的系数，单相通电方式K1，单、双相通电方式K2,2023/3/21,24,2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 ABCA，或 ACBA；双三拍工作方式，各相通电顺序为 ABBCCAAB，或ACCBBAAC；三相六拍工作方式，各相通电顺序为 A
11、ABBBCCCAA，或 AACCCBBBAA。,以三相步进电机为例，有以下三种工作方式：,2023/3/21,25,3.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,2023/3/21,26,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。,2023/3/21,27,（3）步进电机的脉冲分配
12、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ZF1、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。,2023/3/21,28,图15 步进电机的脉冲分配程序流程图,2023/3/21,29,4 步进电机的速度控制程序,步进电机的速度控制，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,2023/3/21,30,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,
