第3章數(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)字控制就是利用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。數(shù)字程序控制主要應(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)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性制造（FM）和計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)所謂數(shù)字控制，就是生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)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)地完成工作的控制方式。3.1.1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況直線驅(qū)動(dòng)多過(guò)程、多任務(wù)調(diào)度、模板化和復(fù)合化、數(shù)字智能化復(fù)合設(shè)計(jì)加工計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、無(wú)人化工廠l990至今高性能集成化交流伺服電機(jī)友好的人機(jī)界面復(fù)合設(shè)計(jì)加工柔性制造單元(FMU)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)l982系統(tǒng)化直流伺服電機(jī)CNC控制、刀具自動(dòng)交換、五軸聯(lián)動(dòng)、較好的人機(jī)界面多種工藝方法加工中心、電加工、鍛壓l970～l985推廣應(yīng)用3軸以下步進(jìn)、液壓電機(jī)NC控制簡(jiǎn)單工藝數(shù)控車床、銑床鉆床1952～l969研究開發(fā)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)數(shù)控功能工藝方法典型應(yīng)用年代特征階段數(shù)控系統(tǒng)一般有數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置等。

數(shù)控裝置由輸入裝置,輸出裝置,控制器和插補(bǔ)器等四大部分組成。其中,控制器和插補(bǔ)器功能以及部分輸入輸出功能由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。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，適時(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)床的各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供足夠的功率和扭矩。檢測(cè)裝置將坐標(biāo)的實(shí)際值檢測(cè)出來(lái)，反饋給數(shù)控裝置的調(diào)節(jié)電路中的比較器。xyabcd2.插補(bǔ)計(jì)算：確定各坐標(biāo)值之間的中間值。3.1.2數(shù)字程序控制的基本原理如何用計(jì)算機(jī)在繪圖儀或數(shù)控加工機(jī)床上重現(xiàn)平面圖形？1.曲線分割直線ab、直線bc、弧cd，確定a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)x和y值。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(lái)逼近，也就是由此定出中間點(diǎn)連接起來(lái)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(lái)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。插補(bǔ)計(jì)算的宗旨是通過(guò)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。從理論上講，插補(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡(jiǎn)化插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程和加快插補(bǔ)速度，常用的是直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。（1）脈沖：每一個(gè)脈沖信號(hào)代表步進(jìn)電機(jī)走一步；代表的是加工過(guò)程中最小的加工單位，就是步長(zhǎng)。（2）步長(zhǎng)：對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的相對(duì)位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長(zhǎng)，常用Δx和Δy來(lái)表示，并且總是取Δx＝Δy。（3）脈沖個(gè)數(shù)：線段在x軸和y軸的投影長(zhǎng)度。3.中間點(diǎn)的輸出控制問(wèn)題插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程中定出的各中間點(diǎn)，以脈沖信號(hào)形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)。（6，4）3.1.3數(shù)字控制方式1.點(diǎn)位控制只要求控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，即工件加工點(diǎn)準(zhǔn)確定位，至于刀具從一個(gè)加工點(diǎn)移到下一個(gè)加工點(diǎn)走什么路徑、移動(dòng)的速度、沿哪個(gè)方向趨近都無(wú)需規(guī)定，并且在移動(dòng)過(guò)程中不做任何加工，只是在準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后才開始加工。2.直線控制這種控制也主要是控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，不過(guò)還要求刀具相對(duì)于工件平行某一直角坐標(biāo)軸作直線運(yùn)動(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行切削加工。3.輪廓控制這類控制的特點(diǎn)是能夠控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將工件加工成某一形狀。

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坐標(biāo)軸分配速度指令，以獲得圖紙坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)。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(lái)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)奈恢茫劣诘毒呤欠竦竭_(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(lái)決定。由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活，更易于實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)軌跡控制。本章主要是討論開環(huán)數(shù)字程序控制技術(shù)。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。3.1.5數(shù)控系統(tǒng)的分類1.傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)NC由專用硬件來(lái)完成。2.開放式數(shù)控系統(tǒng)（1）PCINNC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng)既具有原數(shù)控系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，同時(shí)它的界面又比原來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)開放，大大提高了人機(jī)界面的功能。（2）NCINPC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng)由PC機(jī)和開放式的運(yùn)動(dòng)控制卡（可以單獨(dú)使用的數(shù)控系統(tǒng)，有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力和運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力，有開放的數(shù)據(jù)庫(kù)）構(gòu)成。可靠性高、性能好、開發(fā)周期短。3.網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床具有聯(lián)網(wǎng)通訊功能3.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理

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(lái)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(lái)在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走。

逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來(lái)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。3.2.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)1．第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)（1）偏差計(jì)算公式：偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步。在第一象限想加工出直線段OA，取直線段的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，直線段終點(diǎn)坐標(biāo)(xe，ye)是已知的。點(diǎn)m(xm,ym)為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)），若點(diǎn)m在直線段OA上，則有xm/ym＝xe/ye即ymxe-xmye＝0現(xiàn)定義直線插補(bǔ)的偏差判別式為Fm＝y(tǒng)mxe-xmye

若Fm＝0，表明點(diǎn)m在OA直線段上；若Fm＞0，表明點(diǎn)m在OA直線段的上方，即點(diǎn)mˊ處；若Fm＜0，表明點(diǎn)m在OA直線段的下方，即點(diǎn)m＂處。

第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理：從直線的起點(diǎn)（即坐標(biāo)原點(diǎn)）出發(fā)，當(dāng)Fm≥0時(shí)，沿＋x軸方向走一步；當(dāng)Fm＜0時(shí)，沿＋y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)，停止插補(bǔ)。Fm＝y(tǒng)mxe-xmye下面推導(dǎo)簡(jiǎn)化的偏差計(jì)算公式：①設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm≥0時(shí)，表明m點(diǎn)在OA上或OA上方，應(yīng)沿＋x方向進(jìn)一步至(m＋1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為xm+1=xm+1ym+1=ym該點(diǎn)的偏差為Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye

②設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm＜0時(shí)，表明m點(diǎn)在OA下方，應(yīng)向＋y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為xm+1=xmym+1=ym+1該點(diǎn)的偏差為Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe簡(jiǎn)化后偏差計(jì)算公式中只有一次加法或減法運(yùn)算，新的加工點(diǎn)的偏差Fm+1都可以由前一點(diǎn)偏差Fm和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。特別要注意，加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)的偏差是已知的，即F0＝0。（2）終點(diǎn)判斷方法①設(shè)置Nx和Ny兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，在加工開始前，在Nx和Ny計(jì)數(shù)器中分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和ye，在x坐標(biāo)（或y坐標(biāo)）進(jìn)給一步時(shí)，就在Nx計(jì)數(shù)器（或Ny計(jì)數(shù)器）中減去1，直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的數(shù)都減到零時(shí)，到達(dá)終點(diǎn)。②用一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，寄存x和y兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy，x或y坐標(biāo)進(jìn)給一步，Nxy就減1，若Nxy＝0，則就達(dá)到終點(diǎn)。（3）插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，每走一步，都要進(jìn)行以下四個(gè)步驟的插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程，即①偏差判別②坐標(biāo)進(jìn)給③偏差計(jì)算④終點(diǎn)判斷2.四個(gè)象限的直線插補(bǔ)

偏差

1象限

2象限

3象限

4象限

偏差公式

Fm≥0

+x

-x

-x

+x

Fm+1=Fm-ye

Fm＜0

+y

+y

-y

-y

Fm+1=Fm+xe3.直線插補(bǔ)運(yùn)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)存中開辟六個(gè)單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分別存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)xe、終點(diǎn)縱坐標(biāo)ye、總步數(shù)Nxy、加工點(diǎn)偏差Fm、直線所在象限值xoy和走步方向標(biāo)志。NXY=Nx+Ny。XOY等于1、2、3、4分別代表第一、第二、第三、第四象限，XOY的值可由終點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)的正、負(fù)符號(hào)來(lái)確定。FM的初值為FM＝0ZF＝1、2、3、4分別代表+x、-x、+y、-y走步方向。（2）直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程〔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。Nxy=0F10=F9-ye=0+xF9>010Nxy=1F9=F8+xe=4+yF8<09Nxy=2F8=F7-ye=-2+xF7>08Nxy=3F7=F6+xe=2+yF6<07Nxy=4F6=F5-ye=-4+xF5=06Nxy=5F5=F4-ye=0+xF4>05Nxy=6F4=F3+xe=4+yF3<04Nxy=7F3=F2-ye=-2+xF2>03Nxy=8F2=F1+xe=2+yF1<02Nxy=9F1=F0-ye=-4+xF0=01Nxy=10F0=0起點(diǎn)終點(diǎn)判斷偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給偏差判別步數(shù)軌跡如圖：3.2.2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)1．第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ)（1）偏差計(jì)算公式設(shè)要加工逆圓弧AB，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，并已知圓弧的起點(diǎn)為A(x0,y0)，終點(diǎn)B(xe,ye)，圓弧半徑為R。由圖所示的第一象限逆圓弧AB可知，Rm２=xm2+ym2R2=x02+y02可定義偏差判別式為Fm＝Rm２-R2=xm２+ym2-R2

若Fm=0，表明加工點(diǎn)m在圓弧上；Fm＞0，表明加工點(diǎn)在圓弧外；Fm＜0，表明加工點(diǎn)在圓弧內(nèi)。

第一象限逆圓弧逐點(diǎn)比較插補(bǔ)的原理：從圓弧的起點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)Fm≥0，為了逼近圓弧，下一步向-x方向進(jìn)給一步，并計(jì)算新的偏差；若Fm＜0，為了逼近圓弧，下一步向+y方向進(jìn)給一步，并計(jì)算新的偏差。如此一步步計(jì)算和一步步進(jìn)給，并在到達(dá)終點(diǎn)后停止計(jì)算，就可插補(bǔ)出圖所示的第一象限逆圓弧AB。下面推導(dǎo)簡(jiǎn)化的偏差計(jì)算的遞推公式：①設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm≥0時(shí)，應(yīng)沿-x方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為：xm+1=xm-1ym+1=ym新的加工點(diǎn)的偏差為Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1②設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm＜0時(shí)，應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為：xm+1=xmym+1=ym+1新的加工點(diǎn)偏差為Fm+1=xm+12+ym+12-R2=xm２+(ym+1)2-R2=Fm＋2ym+1只要知道前一點(diǎn)的偏差和坐標(biāo)值，就可求出新的一點(diǎn)的偏差。因?yàn)榧庸c(diǎn)是從圓弧的起點(diǎn)開始，故起點(diǎn)的偏差F0＝0。（2）終點(diǎn)判斷方法圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判斷方法和直線插補(bǔ)相同。可將x方向的走步步數(shù)Nx=|xe-x0|和y方向的走步步數(shù)Ny=|ye-y0|的總和Nxy作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，每走一步，從Nxy中減1，當(dāng)Nxy=0時(shí)發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)。（3）插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程圓弧插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程比直線插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程多一個(gè)環(huán)節(jié)，即要計(jì)算加工點(diǎn)瞬時(shí)坐標(biāo)（動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)）值。因此圓弧插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程分為五個(gè)步驟即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算、終點(diǎn)判斷。2.四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)（1）第一象限順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算第一象限順圓弧CD，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，并已知起點(diǎn)C(x0,y0)，終點(diǎn)D(xe,ye),如圖所示。設(shè)加工點(diǎn)現(xiàn)處于m(xm,ym)點(diǎn)，若Fm≥0,則沿-y方向進(jìn)給一步，到(m+1)點(diǎn)，新加工點(diǎn)坐標(biāo)將是(xm,ym-1)，可求出新的偏差為Fm+1=Fm-2ym+1若Fm＜0，則沿+x方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，新加工點(diǎn)的坐標(biāo)將是(xm+1,ym)，同樣可求出新的偏差為Fm+1=Fm+2xm+1（2）四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)其它象限的圓弧插補(bǔ)可與第一象限的情況相比較而得出，因?yàn)槠渌笙薜乃袌A弧總是與第一象限中的逆圓弧或順圓弧互為對(duì)稱。而且，對(duì)于圓弧插補(bǔ)，我們也是要先首先清楚第一步的走步方向，后面的就很容易了。（總是趨近于原點(diǎn)的趨勢(shì)）當(dāng)Fm>=0,Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限）Fm+1=Fm-2xm+1（第二、四象限）當(dāng)Fm<0,Fm+1=Fm+2xm+1（第一、三象限）Fm+1=Fm+2ym+1（第二、四象限）掌握偏差計(jì)算式子Fm最原始的算式的意義，是最重要的。3．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。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(lái)確定；Fm的初值為F0＝０，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(lái)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軸舉例：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。Nxy=0x8=x7-1=0,y8=4F8=7-2x7+1=0-xF7>08Nxy=1x7=x6-1=1,y7=4F7=F6-2x6+1=1-xF6<07Nxy=2x6=2,y6=y5+1=4F6=F5+2y5+1=4+yF5=06Nxy=3x5=x4-1=2,y5=3F5=F4-2x4+1=-3-xF4>05Nxy=4x4=3,y4=y3+1=3F4=F3+2y3+1=2+yF3<04Nxy=5x3=3,y3=y2+1=2F3=F2+2y2+1=-3+yF2<03Nxy=6x2=3,y2=y1+1=1F2=F1+2y1+1=-6+yF1<02Nxy=7x1=x0-1=3,y1=0F1=F0-2x0+1=-7-xF0=01Nxy=8x0=0,y0=0F0=0起點(diǎn)終點(diǎn)判斷坐標(biāo)計(jì)算偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給偏差判別步數(shù)3.3多軸步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)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(lái)驅(qū)動(dòng)的。靠步進(jìn)電機(jī)來(lái)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。步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)的變化，而是跳躍的，離散的。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。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)：內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。定子：定子上有繞組，教材上這個(gè)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(guò)開關(guān)輪流通電。轉(zhuǎn)子：上面帶齒。為了說(shuō)明問(wèn)題，這里只畫了4個(gè)齒。（其實(shí)一般有幾十個(gè)齒）（2）工作原理：對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C這三個(gè)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)閉合，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。①初始狀態(tài)時(shí)，開關(guān)A接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B、C相磁極形成錯(cuò)齒狀態(tài)。這就相當(dāng)于初始化。②當(dāng)開關(guān)A斷開，B接通，由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒之間的磁力線作用，產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使得轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B相磁極對(duì)齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒就和A、C相繞組磁極形成錯(cuò)齒狀態(tài)。③開關(guān)B斷開，C接通，由于C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號(hào)之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號(hào)齒和C相磁極對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。

④當(dāng)開關(guān)C斷開，A接通后，由于A相繞組磁極和轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒之間的磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒和A相繞組磁極對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。很明顯，這時(shí)轉(zhuǎn)子移動(dòng)了一個(gè)齒距角。如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一拍，那對(duì)A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍,稱為一個(gè)周期。從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，需要三拍操作。在圖中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4，故齒距角90°，轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距也即轉(zhuǎn)動(dòng)了90°。同樣的，如果轉(zhuǎn)自由40個(gè)齒，則轉(zhuǎn)完一個(gè)周期是9°。

齒踞角和步踞角：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θZ為θZ=2π／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θ可以表示如下θ=θZ／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)于三相步進(jìn)電機(jī)，若采用三拍方式，則它的步距角是θ=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θ=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：?jiǎn)稳木褪敲看沃唤o一個(gè)線組通電，其余的繞組斷開。①繞組的通電順序：A→B→C→A→…②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。2．步進(jìn)電機(jī)的雙三拍工作方式①繞組的通電順序：ABBCCA②電壓波形3．步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式①繞組的通電順序：AABBBCCCAA②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(wèn)題：①步進(jìn)電機(jī)的精度問(wèn)題：步進(jìn)電機(jī)的工作精度問(wèn)題；②速度調(diào)節(jié)問(wèn)題：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的快慢的調(diào)節(jié)；③計(jì)算機(jī)接口問(wèn)題：和計(jì)算機(jī)接口應(yīng)該注意的問(wèn)題。1．步進(jìn)電機(jī)控制接口2．步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表1．步進(jìn)電機(jī)控制接口2.步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表x軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)低八位輸出字存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)高八位輸出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H3.3.4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①硬件電路；②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。③選擇工作方式；④電機(jī)控制的調(diào)速問(wèn)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(guò)對(duì)Fm的判斷來(lái)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(lái)看。2．步進(jìn)電機(jī)速度控制程序注意兩點(diǎn)：①速度往往和輸出字的輸送的頻率有關(guān)；②調(diào)速過(guò)程總是有加速問(wèn)題。內(nèi)容：①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)，輸出字更換得越快，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高；②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)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(或稱執(zhí)行元件，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)。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：能在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。精度高：輸出量能跟隨輸入量的精確程度。快速響應(yīng)好：要求跟蹤指令的響應(yīng)要快。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短200ms以內(nèi)，還要滿足超調(diào)要求。

（2）伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)精確的檢測(cè)裝置：組成速度和位置閉環(huán)控制。有多種反饋比較原理與方法：脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。高性能的伺服電機(jī)：伺服系統(tǒng)經(jīng)常處于頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大。在低速時(shí)要求有足夠大的輸出力矩且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)：數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能比較高。位置調(diào)節(jié)為外環(huán)，速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。3.4.2現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)1.伺服電機(jī)控制（1）伺服電機(jī)及其分類又稱執(zhí)行電機(jī)。把輸入的電壓信號(hào)變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠維護(hù)方便。（2）控制系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求寬調(diào)速范圍：機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性：調(diào)節(jié)特性指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：控制電壓降到零時(shí)能立即自行停轉(zhuǎn)。快速響應(yīng)：電動(dòng)機(jī)要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（3）直流伺服電機(jī)的工作原理和控制方式實(shí)質(zhì)上是它勵(lì)式的直流電機(jī)。有兩種控制方式：電樞控制（控制電樞電壓）和磁場(chǎng)控制（控制勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通）。（4）交流伺服電機(jī)的工作原理和控制方式實(shí)質(zhì)上是兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。定子上裝有兩相對(duì)稱繞組，作為勵(lì)磁繞組和控制繞組，分別連勵(lì)磁交流電源和控制電壓源。控制方法：幅值控制，加恒定的額定勵(lì)磁電壓，保持勵(lì)磁電壓與控制電壓之間的相位差位90°，改變控制電壓幅值控制轉(zhuǎn)速。相位控制，保持控制電壓和勵(lì)磁電壓的幅值為額定值，改變它們之間的相角在0°～90°變化。幅相控制，勵(lì)磁繞組和控制繞組連接在同一電源上，在勵(lì)磁相電路中串聯(lián)或并聯(lián)上一定的電容，兩繞組電壓形成相位差。電壓改變時(shí)，相位差也隨之改變。2.現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制廣義上的數(shù)控裝置。PC+運(yùn)動(dòng)控制器模式。開放式結(jié)構(gòu)控制（OAC）技術(shù)：利用DSP高速高精度特性，配以特有的通信內(nèi)核模塊