《數(shù)字控制技術(shù)》PPT課件.ppt

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數(shù)字控制技術(shù) 3 1數(shù)字控制基礎(chǔ)3 2逐點比較法插補原理3 3多軸步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù)3 4多軸伺服驅(qū)動控制技術(shù) 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性制造 FlexibleManufacturing FM 和計算機集成制造 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 就是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù) 控制生產(chǎn)機械 如各種加工機床 按規(guī)定的工作順序 運動軌跡 運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制 數(shù)字控制主要應(yīng)用于機床控制 采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機床叫做數(shù)控機床 數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)控裝置 驅(qū)動裝置 可編程控制器和檢測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)行插補運算 實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令 驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令 驅(qū)動機床各坐標(biāo)軸運動 數(shù)字控制裝置一般由輸入裝置 輸出裝置 控制器和插補器四部分組成 這些功能都由計算機來完成 將所需加工的輪廓曲線 按照一定的原則進(jìn)行分割 將各點坐標(biāo)輸入計算機 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 終點坐標(biāo) 以一定的規(guī)律定出一系列中間點 要求這些中間點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)值計算方法稱為插值或插補 常用的插補形式有直線插補和二次曲線 圓弧 拋物線 雙曲線等 插補兩種 2 插補計算 所謂直線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近 也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線 并不是真正的直線 所謂二次曲線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近 也就是實際的中間點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)值計算方法稱為插值或插補 插補計算的宗旨是通過給定的基點坐標(biāo) 以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點 而這些中間點的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段 3 脈沖分配 根據(jù)插補運算過程中給定的各中間點 對x y方向分配脈沖信號 以控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向 速度及轉(zhuǎn)動的角度 步進(jìn)電機帶動刀具 從而加工出所需要的輪廓 對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置稱為步長或脈沖當(dāng)量 用表示 并且 如圖 設(shè)起點坐標(biāo)為 x0 y0 終點坐標(biāo)為 xe ye 則在x y方向移動的總步數(shù)Nx Ny為 插補運算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù) 使實際的中間點的軌跡盡可能地逼近理想軌跡 3 1 3數(shù)字控制方式 1 點位控制 定位 點位控制只要求控制機床的移動部件從一個點準(zhǔn)確移動到另一個點 對中間運動軌跡不作要求 且在移動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到點的準(zhǔn)確定位外 還要控制兩點之間的移動速度和路線 運動路線只是相對某一直角坐標(biāo)軸作平行運動 且在運動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 輪廓切削控制能對兩個及兩個以上的運動坐標(biāo)的位移和速度同時進(jìn)行控制 控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運動 這種方式是借助于插補器進(jìn)行的 插補器根據(jù)加工的工件輪廓向每一個坐標(biāo)軸分配速度指令 以獲得給定坐標(biāo)點之間的中間點 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)沒有反饋檢測元件 工作臺由步進(jìn)電機驅(qū)動 步進(jìn)電機接收步進(jìn)電機驅(qū)動電路發(fā)來的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn) 把刀具移動到與指令脈沖相當(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)電機和傳動裝置來決定 2 閉環(huán)數(shù)字控制 這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)多采用直流電機 小慣量伺服電機和寬調(diào)速力矩電機 作為驅(qū)動元件 反饋測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)用于自動控制 自動測量 遙控 計算機技術(shù)以及在數(shù)控機床作角度和橫縱坐標(biāo)的測量等 將位移轉(zhuǎn)換成周期性電信號 再把這個電信號轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖 用脈沖的個數(shù)表示位移的大小 絕對式編碼器 把機械位移量用二進(jìn)制碼或格雷碼作為絕對位置而進(jìn)行輸出的方式 伺服編碼器 是安裝在伺服電機上用來測量磁極位置和電機轉(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逐點比較法插補原理 3 2 1逐點比較法直線插補3 2 2逐點比較法圓弧插補 所謂逐點比較法插補 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 即形成逐點比較插補 逐點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 取得足夠小 就可達(dá)到加工精度的要求 設(shè)插補曲線為 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逐點比較法直線插補 逐點比較法流程圖 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 偏差計算 計算進(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) 終點判斷 進(jìn)給一步后 終點計數(shù)器減1 判斷是否到達(dá)終點 到達(dá)終點則停止運算 若沒有到達(dá)終點 返回 如此不斷循環(huán)直到到達(dá)終點 逐點比較法直線插補計算的四個步驟 1 第一象限的直線插補 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 2 進(jìn)給與偏差計算若加工點正處于m點時 當(dāng)加工點在OA上或OA上方 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 若加工點正處于m點時 當(dāng)加工點在OA下方 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 3 終點判斷方法a 對x y方向分別設(shè)置減法計數(shù)器Nx Ny 分別用終點坐標(biāo)對其初始化 從終點向始點移動 每進(jìn)給一步計數(shù)器減1 直至計數(shù)器值為零 b 設(shè)一個終點計數(shù)器 初始值為x y方向的進(jìn)給總步數(shù)Nxy 進(jìn)給一步計數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達(dá)終點 不同象限直線插補的偏差符號和進(jìn)給方向如圖 2 四個象限的直線插補 表3 2直線插補的進(jìn)給方向及偏差計算公式 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)值為不帶符號的數(shù) 3 直線插補計算的程序流程 第一象限時 4象限內(nèi)的直線插補流程圖 x x y y 6個內(nèi)存單元數(shù)據(jù) XE 終點X坐標(biāo)YE 終點Y坐標(biāo)NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 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 起點為O 0 0 終點坐標(biāo)為A 6 4 試進(jìn)行插補計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 起點坐標(biāo)為O 0 0 終點坐標(biāo)為A 6 4 試進(jìn)行插補計算 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 3 2 2逐點比較法圓弧插補 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 2 進(jìn)給與偏差計算若加工點正處于m點時 當(dāng)表明加工點在圓弧上或圓弧外 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 新偏差 當(dāng)加工點正處于m點時 當(dāng)表明加工點在圓弧內(nèi) 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 新偏差 3 終點判斷方法設(shè)一個終點計數(shù)器 初始值為x y方向的進(jìn)給總步數(shù)Nxy 進(jìn)給一步計數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達(dá)終點 逐點比較法圓弧插補計算的五個步驟 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計算 坐標(biāo)計算 終點判斷 注意 在偏差計算的同時 要進(jìn)行動點瞬時坐標(biāo)值的計算 以便為下一點的偏差計算做好準(zhǔn)備 2 第一象限內(nèi)逆圓弧插補 2 進(jìn)給與偏差計算若加工點正處于m點時 當(dāng)表明加工點在圓弧上或圓弧外 應(yīng)沿 x方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 新偏差 1 建立偏差函數(shù)設(shè)函數(shù) 若加工點正處于m點時 當(dāng)表明加工點在圓弧內(nèi) 應(yīng)沿 y方向進(jìn)一步 該點坐標(biāo)為 新偏差 3 四個象限的圓弧插補 圓弧插補中 沿對稱軸的進(jìn)給的方向相同 沿非對稱軸的進(jìn)給的方向相反 所有對稱圓弧的偏差計算公式 只要取起點坐標(biāo)的絕對值 均與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的偏差計算公式相同 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圓弧插補的進(jìn)給方向及偏差計算公式 注意 表中坐標(biāo)值為不帶符號的數(shù) 如第四象限中的點 4 3 應(yīng)用xm 4 ym 3查表計算 4 圓弧插補計算的程序?qū)崿F(xiàn) 1 數(shù)據(jù)的輸入及存放在計算機的內(nèi)存中開辟八個單元XO YO NXY FM RNS XM YM和ZF 分別存放起點的橫坐標(biāo)x0 起點的縱坐標(biāo)y0 總步數(shù)Nxy 加工點偏差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的值可由起點和終點的坐標(biāo)的正 負(fù)符號來確定 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 圓弧插補計算的程序流程按照插補計算的五個步驟來實現(xiàn)插補計算程序 即 偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算坐標(biāo)計算終點判斷 y軸 指明RNS 可以選擇同樣的偏差計算公式 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X坐標(biāo)Y0 起點Y坐標(biāo)NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 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 已知起點的坐標(biāo)為A 4 0 終點的坐標(biāo)為B 0 4 試進(jìn)行插補計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插補過程如表所示 插補計算過程 走步軌跡 練習(xí) 設(shè)加工第二象限逆圓弧AB 已知圓弧的起點坐標(biāo)為A 4 0 終點坐標(biāo)為B 0 4 試進(jìn)行插補計算 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插補過程如表所示 3 3多軸步進(jìn)電機控制技術(shù) 3 3 1步進(jìn)電機的工作原理3 3 2步進(jìn)電機的工作方式3 3 3步進(jìn)電機控制接口及輸出字表3 3 4步進(jìn)電機控制程序3 3 5數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計舉例 三軸步進(jìn)電機控制 數(shù)控機床的驅(qū)動元件常常是步進(jìn)電機 步進(jìn)電機是電機類中比較特殊的一種 它是靠脈沖來驅(qū)動的 步進(jìn)電機 脈沖電機 給一個脈沖電機轉(zhuǎn)一下 它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機電式數(shù)模 D A 轉(zhuǎn)換器 步進(jìn)電機不是連續(xù)的變化 而是跳躍的 離散的 靠步進(jìn)電機來驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù) 而刀具移動的速度則取決于指令脈沖的頻率 3 3 1步進(jìn)電機的工作原理 1 步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu) 由內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成 定子 定子上有繞組 圖示電機是三相電機 有3對磁極 實際上步進(jìn)電機不僅有三相 還有四相 五相等等 三對磁極分別為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個齒 一般有幾十個齒 2 步進(jìn)電機的工作過程 A相通電 A相磁極與0 2號齒對齊 B相通電 由于磁力線作用 B相磁極與1 3號齒對齊 C相通電 由于磁力線作用 C相磁極與0 2號齒對齊 A相通電 由于磁力線作用 A相磁極與1 3號齒對齊 結(jié)論 定子按A B C A相輪流通電 則磁場沿A B C方向轉(zhuǎn)動360度角 轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置 齒數(shù)為4 齒距角為90度 即1個齒距轉(zhuǎn)動了90度 3 步進(jìn)電機的 相 和 拍 相 繞組的個數(shù) 拍 繞組的通電狀態(tài) 如 三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài) 六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài) 每個周期步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動一個齒距 4 步進(jìn)電機的步距角的計算步距角 步進(jìn)電機每拍步進(jìn)的角度 對于一個步進(jìn)電機 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)電機運行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置 步進(jìn)電機的步距角 可以表示如下 Z N 360 NZ 其中 N是步進(jìn)電機工作拍數(shù) Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) 對于4個齒的三相步進(jìn)電機 若采用三拍方式 則它的步距角是 360 3 4 30 對于轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機而言 其步距角是 360 3 40 3 3 3 2步進(jìn)電機的工作方式 1 步進(jìn)電機單三拍工作方式2 步進(jìn)電機的雙三拍工作方式3 步進(jìn)電機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)電機是由脈沖控制的 而脈沖的輸出受計算機的控制 3 步進(jìn)電機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)電機控制接口及輸出字表 步進(jìn)電機的控制中 要關(guān)心下列問題 步進(jìn)電機的精度問題 步進(jìn)電機的工作精度問題 速度調(diào)節(jié)問題 步進(jìn)電機運動速度的快慢的調(diào)節(jié) 計算機接口問題 和計算機接口應(yīng)該注意的問題 常規(guī)的步進(jìn)電機控制電路如圖所示 補充 步進(jìn)電機的控制原理 變頻信號源 是一個頻率可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器 它根據(jù)步進(jìn)電機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)動脈沖 功率放大器 脈沖分配器的輸出電路不足以驅(qū)動步進(jìn)電機 需要進(jìn)行功率放大 采用微機控制主要取代變頻信號源和脈沖分配器 而給步進(jìn)電機提供驅(qū)動電源的驅(qū)動電路是必不可少的 1 步進(jìn)電機控制接口 研華板卡控制兩臺三相步進(jìn)電機接口示意圖 8255控制兩臺三相步進(jìn)電機接口示意圖 步進(jìn)電機控制的輸出字表 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)電機控制的輸出字表 3 3 4步進(jìn)電機控制程序 1 步進(jìn)電機走步控制程序2 步進(jìn)電機速度控制程序 硬件電路 電機類型 三相 四相等 步踞角 最高通電頻率 最低通電頻率等等 頻率對應(yīng)的是速度 選擇工作方式 電機控制的調(diào)速問題 1 步進(jìn)電機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 在流程圖的第一個判斷中 ZF通過對Fm的判斷來賦值 因此 這個程序還要和插補計算程序結(jié)合起來看 x x y y x軸 y軸 若將步進(jìn)控制程序和插補計算程序結(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 便可以很好地實現(xiàn)xOy坐標(biāo)平面的數(shù)字程序控制 為機床電器的自動控制提供了有力的手段 步進(jìn)電機的輸出字更換得越快 步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速越高 因此 控制延時時間常數(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)電機的進(jìn)給速度 即離線計算出各步的延時時間放入延時時間表中 然后按地址表一次取出下一步進(jìn)給的延時值 通過延時程序或定時器產(chǎn)生給定的時間間隔 發(fā)出相應(yīng)的走步命令 2 步進(jìn)電機速度控制程序 設(shè)Ti為相鄰兩個進(jìn)給脈沖之間的時間間隔 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)電機的轉(zhuǎn)速越高 調(diào)速過程總是有加速問題 控制延時的時間常數(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)計舉例 三軸步進(jìn)電機控制 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 IPC 2 運動控制卡 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 人機接口模塊 3 軌跡插補模塊 4 運動學(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 運動仿真模塊 動態(tài)顯示模塊等 3 4多軸伺服驅(qū)動控制技術(shù) 3 4 1伺服系統(tǒng)3 4 2現(xiàn)代運動控制技術(shù)3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計舉例 基于PC的多軸運動控制 在自動控制系統(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)稱為隨動系統(tǒng) 亦稱伺服系統(tǒng) 例如 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng) 又稱為隨動系統(tǒng) 1 伺服系統(tǒng)及其組成伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件 即伺服電機 組成 高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置 反饋實際的輸出狀態(tài) 3 4 1伺服系統(tǒng) 補充 伺服電機與步進(jìn)電機的區(qū)別 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機 在自動控制系統(tǒng)中 用作執(zhí)行元件 把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出 其主要特點是 當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象 轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降 伺服電機主要靠脈沖來定位 伺服電機接收到1個脈沖 就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度 從而實現(xiàn)位移 因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能 所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度 都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖 這樣 和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng) 或者叫閉環(huán) 如此一來 系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機 同時又收了多少脈沖回來 這樣 就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)精確的定位 可以達(dá)到0 001mm 步進(jìn)電機是一種離散運動的裝置 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 運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機 雖然兩者在控制方式上相似 脈沖串和方向信號 但在使用性能和應(yīng)用場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)電機步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 對于帶17位編碼器的電機而言 驅(qū)動器每接收 131072個脈沖電機轉(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)電機步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 對于帶17位編碼器的電機而言 驅(qū)動器每接收 131072個脈沖電機轉(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)電機的脈沖當(dāng)量的1 655 二 低頻特性不同步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象 振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān) 這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利 當(dāng)步進(jìn)電機工作在低速時 一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn) 即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能 可涵蓋機械的剛性不足 并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能 FFT 可檢測出機械的共振點 便于系統(tǒng)調(diào)整 三 矩頻特性不同步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降 且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降 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)電機一般不具有過載能力 交流伺服電機具有較強的過載能力 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)載在啟動瞬間的慣性力矩 步進(jìn)電機因為沒有這種過載能力 在選型時為了克服這種慣性力矩 往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機 而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩 便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象 五 運行性能不同步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制 啟動頻率過高或負(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)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制 驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣 內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán) 一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(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合 七 外形不同從外形上看 步進(jìn)電機前后外形基本都是方形的 伺服電機前面外形基本也是方形的 但是最后有一個比較小一點的接近圓形的有點象蓋子一樣的東西 里面裝旋轉(zhuǎn)編碼器 步進(jìn)電機的外觀比伺服電機粗超一些 步進(jìn)電機一般都是一個引出線端 伺服電機都是帶編碼器的所以有2個引線輸出端 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 但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來做執(zhí)行電動機 所以 在控制系統(tǒng)的設(shè)計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 2 伺服系統(tǒng)的基本要求和特點 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)的主要特點精確的檢測裝置 高性能的伺服電動機 寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 3 4 2現(xiàn)代運動控制技術(shù) 1 伺服電動機控制 1 伺服電動機及其分類直流伺服電動機 交流伺服電動機 2 控制系統(tǒng)對伺服電機的基本要求調(diào)速范圍寬 機械特性和調(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 直流伺服電機的控制方式電樞控制 磁場控制 4 交流伺服電機的控制方式幅值控制 相位控制 幅相控制 2 現(xiàn)代運動控制現(xiàn)代運動控制技術(shù)是在數(shù)字信號處理器DSP和大規(guī)模集成邏輯器件FPGA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的 運動控制技術(shù)示意圖 3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計舉例 基于PC的多軸運動控制 1 多軸運動控制卡 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的運動控制器之一 是完全開放體系結(jié)構(gòu) PC機平臺上的運動控制卡 該產(chǎn)品使用高速DSP 提供全新的高性能技術(shù)和Windows平臺 其最新產(chǎn)品TURBOPMAC可以控制32個軸 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 數(shù)控系統(tǒng)的主機為研華工業(yè)控制機 操作系統(tǒng)為WindowsNT 運動控制器采用的是PMAC四軸運動控制卡PMACLite 板卡配置有雙端口RAM 以ACC 34A作為I O擴展接口板 共有62個帶光隔的I 0結(jié)點 ACC 8P為普通接線器 便于PMAC與各個伺服驅(qū)動器的連接 伺服驅(qū)動電機選用的是松下永磁同步交流伺服電機 電機自身配有2500線光電編碼器作為速度和位置反饋元件 主軸電機采用變頻器實現(xiàn)主軸的無級調(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 雙端口RAM能夠在實時狀態(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 IPC通過雙端口RAM可以快速地獲取系統(tǒng)的狀態(tài) 電機的位置 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 主控模塊是為用戶提供一個友好的系統(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時控制類功能模塊和非實時管理類模塊兩大類 實時控制類功能模塊是控制機床當(dāng)前運動和動作的軟件模塊 具有毫秒級甚至更高要求的時間響應(yīng) 非實時管理類模塊沒有具體的時間響應(yīng)要求 思考題與習(xí)題3 1什么叫數(shù)字程序控制 3 2簡述逐點比較插補法的計算過程 3 3簡述逐點比較插補法的終點判別方法 3 4若加工第一象限直線OA 起點O 0 0 終點A 5 3 用逐點比較法進(jìn)行插補計算并畫出軌跡圖 3 5若加工第一象限圓弧OA 起點O 5 0 終點A 0 5 用逐點比較法進(jìn)行插補計算并畫出軌跡圖 思考題與習(xí)題3 6采用8255作為x軸步進(jìn)電機和y軸步進(jìn)電機的控制接口 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)電機的控制實例 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位定時器 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 延時10ms 置初值EA 0 開總中斷ET1 0 開定時器T1while 1 while shut 啟動開關(guān)if KKK P1 當(dāng)P1的值發(fā)生變化 觸發(fā)采集信號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單位步距時間 voidstep void 產(chǎn)生10MS的單位步時間 TF1 0 TR1 1 while TF1 0 TR1 0 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 voidloop1 void 采集順時針或逆時針信號 P1 6 1 順時針 P1 7 1 逆時針 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)動步進(jìn)電機 如何用L297和L298驅(qū)動步進(jìn)電機