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当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 制造加工工艺 > 第7章数字程序控制技术.
1第7章数字程序控制技术逐点比较法插补原理步进驱动数字程序控制技术数字程序控制基础其他数字程序控制驱动设备2数字程序控制系统即计算机数字控制(ComputerNumericalControl,CNC)系统,是利用数字电子技术和计算机技术,对生产机械进行自动控制的系统,他能够根据所采集的数据和预先编制好的程序,控制生产机械(如各种加工机械)按相应的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等自动地完成系统的控制。本章主要介绍:数字程序控制的基本原理和控制方式;逐点比较法直线插补和圆弧插补的原理及程序实现;以步进电机作为驱动设备的数字程序控制技术。37.1数字程序控制基础数字程序控制简称为数控(CNC:ComputerNumericalControl),他用代表加工顺序、加工方式和加工参数的数字码作为控制指令,主要用于各种机床的自动控制,如铣床、车床、加工中心、线切割机,以及焊接机、气割机的控制等。这种采用数字程序控制的机床叫做数控机床,数控机床正是由于采用了数字程序控制的方式,不仅能够加工形状复杂的零件,而且加工精度高、生产效率高,是实现工业生产自动化的重要保障。同时数控技术和数控机床是实现柔性制造(FlexibleManufacturing,FM)和计算机集成制造(ComputerIntegratedManufacturing,CIM)的最重要的基础技术之一。47.1.1数控技术的发展世界上第一台3坐标立式数控机床是1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室开发出来的,主要目的是为了满足高精度和高效率的加工复杂零件的需要。他标志着数控技术发展的开始。数控技术的发展大致分为以下四个阶段:第一阶段:1952年--1970年,这一阶段的数控系统是以数字电子技术为基础来实现的,经历了三个时代,即电子管时代、晶体管时代和小规模集成电路时代。控制功能比较简单,使用灵活性较差。第二阶段:1970年--1974年,由于计算机的迅速发展,其性价比不断提高,小型计算机代替了数控系统中硬件构成的专用计算机装置,从而诞生了计算机数控,简称CNC系统。第三阶段:1974年--20世纪80年代初,随着采用大规模集成电路的微处理器迅速发展,数控系统开始采用微型计算机。但是这种数控系统一直由一些厂家进行封闭垄断性生产,使得这类数控产品专用性强,与标准计算机不兼容。第四阶段:20世纪90年代初开始,数控系统向开放式方向发展,具体表现是基于PC机的开放式数控系统。同时,随着基于DSP的运动控制技术的突破,为开放式数控系统的发展创造了新的条件。57.1.2数控系统的分类数控系统按被控制对象的运动轨迹进行分类,可分为点位控制、直线控制和轮廓控制。(1)点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地从一个坐标点到另一个坐标点的精度定位,而不管从一点到另一点是按什么轨迹运动,并且在移动过程中不进行任何加工。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机和数控折弯机等。(2)直线控制的数控机床一般要在各点间移动的同时进行切削加工,所以不仅要求机床有准确的定位功能,还要求从一点到另一点之间按直线规律运动,而且对运动的速度也要进行控制,即对于不同的刀具和工件,需要选择不同的进给速度。这一类机床包括简易数控车床、数控铣床、数控镗床等。(3)轮廓控制又称连续控制,大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴,具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置,而且要控制加工过程中每一点的位置和速度。轮廓控制的数控机床包括有两坐标及两坐标以上的数控铣床、可以加工回转曲面的数控机床、加工中心等。6数控系统按控制方式分类,可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。(1)开环控制系统没有检测反馈装置,数控装置发出的指令信号流程是单向的,其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能。控制装置步进电机驱动器进给脉冲步进电动机齿轮副工作台丝杠图7.1开环数控系统结构框图开环控制系统具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正,所以精度低,一般位置精度通常为±0.01~±0.02mm。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。7(2)闭环控制系统是指在机床的运动部件上(如工作台)安装位置测量装置(如:光栅、感应同步器等),系统运行过程中可以及时将运动部件的实际位置反馈到控制装置中,与输入的期望位置相比较,从而实现移动部件的最终精确定位,如图7.2所示。控制装置伺服电机驱动器伺服电机齿轮副工作台丝杠位置检测装置图7.2闭环数控系统结构框图闭环控制系统主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。8(3)半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置,如圆光栅、光电编码器或旋转式感应同步器等,通过检测丝杠转角或电机的转角间接地测量工作台位移量。由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单且安装调试方便,因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。如图7.3所示。控制装置伺服电机驱动器伺服电机齿轮副工作台丝杠位置检测装置图7.3半闭环数控系统结构框图97.1.3数字程序控制原理数字程序控制系统(数控系统)一般由输入装置、输出装置、控制器、插补器、伺服驱动装置等几部分组成。主要作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动,使系统正确、快速地跟随控制信息,执行机械运动;同时,位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控系统,以确保较高的控制精度。7.1.3.1数字程序控制的主要任务从数控机床的控制任务来看,主要包括主轴驱动、进给运动两个方面。(1)主轴驱动主轴驱动主要完成切削任务,其动力约占整台机床动力的70~80%。基本控制方式是主轴的正转、反转、停止,以及自动换档和无级调速;对加工中心和有些数控车床还必须具有定向控制和C轴控制。10(2)进给运动进给运动是数控机床区别于普通车床最根本的地方,他用电气驱动替代了机械驱动。数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的。伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测装置等。伺服控制主要就是机床工作台或刀具的位置控制,伺服系统中所采取的一切措施,都是为了保证进给运动的定位精度。本章主要针对步进电机作为驱动器的轨迹控制进行介绍。117.1.3.2插补的基本概念数控系统中的轨迹控制策略是插补和位置控制。在数控机床中,刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动,只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线,即根据已知曲线的曲线类型(如直线、圆弧或高次曲线)、起点、终点以及速度,按照某种算法计算已知点之间的中间点,从而确定刀具运动轨迹的过程,这就是插补,也称为“数据点的密化”。数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成,有时也有一些非圆的曲线轮廓,因此可以分段进行轮廓线的拟合插补。如果驱动装置为步进电机,驱动每个轴以一定步长运动,实现以折线轮廓拟合光滑曲线轨迹的加工。图7.4直线插补127.1.3.3数控系统的一般工作过程数控系统的一般工作过程可分为四个基本步骤,如图7.5所示。1.首先根据所要加工的工件图纸进行数控加工程序的编写,可直接在数控设备自带的编程设备上编写,也可以在个人计算机上编写后通过相应的通信接口输入给数控设备。同时将相关控制参数和补偿数据(如刀具补偿)等输入给数控系统。2.对程序进行译码和预处理。3.插补运算处理。4.伺服控制。将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令,经变换和放大后转化为伺服电机(步进电机或交、直流伺服电机)的转动,从而带动工作台移动。13编写数控加工程序对程序进行译码和预处理插补运算处理伺服控制系统自动处理得到刀具中心轨迹得到实际控制信号图7.5数控系统的一般工作过程147.2逐点比较法插补原理硬件插补器:速度快,但缺乏柔性,调整和修改都困难。软件插补器:速度慢,但柔性高,调整和修改都很方便。7.2.1插补算法的分类目前常用的插补方法大致分为两类:脉冲增量插补和数字增量插补。脉冲增量插补,主要用于采用步进电机驱动的开环系统。每次插补计算结束,CNC装置向各坐标轴驱动装置发出一个脉冲,每个脉冲代表了一个单位的行程增量,这个最小位移称为脉冲当量,驱动步进电机带动机床移动部件运动。这类插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法等。适用于一些中等精度或中等速度要求的计算机数控系统。数字增量插补,又称为时间标量插补或数据采样插补。主要用于采用交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环数控系统,也可以用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统。其特点是CNC装置产生的不是单个脉冲,而是标准的二进制数。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂,对计算机的运算速度有一定要求。这类插补算法有数字积分法、二阶近似插补法、时间分割法等。157.2.2逐点比较法插补算法脉冲增量插补算法比较常用的是逐点比较法。逐点比较法的基本原理是:数控系统在控制加工过程中,逐点计算和判别加工误差,并与规定的运动轨迹进行比较,由比较结果决定下一步的移动方向。这种算法的特点是:①运算简单、直观,可以实现直线插补和圆弧插补;②每次插补运算后,只有一个坐标轴方向有进给;③插补误差小于一个脉冲当量,因此只要把脉冲当量(每走一步的距离即步长)取的足够小,就可达到加工精度的要求;④输出脉冲均匀,输出脉冲的速度变化小,调节方便。缺点是不容易实现多于两坐标以上的联动插补。因此在两坐标联动的数控机床中应用比较普遍。167.2.2.1逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补就是数控系统的刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较,看这点在给定轨迹的上方或下方,从而决定下一步的进给方向,如图7.4所示。如果当前点在给定轨迹的下方,下一步就向给定轨迹的上方走;如果当前点在给定轨迹的上方,下一步就向给定轨迹的终点方向走。如此走一步,比较一次,决定下一步走向,用折线来逼近给定轨迹,即形成逐点比较插补。图7.4直线插补每一步都要经过以下四个工作节拍:①偏差判别②坐标进给③偏差计算④终点判断171.位置偏差的计算18若Fm=0,表明加工点m在OA直线段上;若Fm>0,表明加工点到原点斜率偏大,点m在OA直线段的上方,即点m’处;若Fm<0,表明加工点m在OA直线段的下方,即点m”处。第一象限直线逐点比较法插补的原理是:从直线的起点O(即坐标原点)出发,当Fm0时,动点在直线上方,沿+x轴方向进给一步;当Fm<0时,动点在直线下方,沿+y轴方向进给一步;当Fm=0时,动点在直线上,既可以向+x方向也可以向+y方向进给一步,在此约定取+x方向。当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时,发出到达终点信号,停止插补。19下面推导简化的偏差计算公式:202.终点判断方法常用的终点判别方法有以下三种:(1)总步长法在插补处理开始之前,先设置一个总步长计数器Nxy,其初值为:Nxy=|xe|+|ye|其中,|xe|:在X轴方向上刀具应该走的总步数;|ye|:在Y轴方向上刀具应该走的总步数;Nxy:整个插补过程中,刀具应该走的总步数。在插补过程中,每进行一次插补计算,无论哪根坐标轴进给一步,计数器Nxy都做一次减1操作。当计数器Nxy内容减到零时,表示刀具已经走完了规定的步数,抵达直线轮廓的终点,则系统停止插补计算。21(2)终点坐标法在插补处理开始之前,先设置两个步长计数器Nx和Ny,分别用来存放刀具在两个坐标轴方向上应该走的总步数:Nx=|xe|,Ny=|ye|。在插补过程中,每进行一次插补计算,如果X方向进给一步,则计数器Nx做减1操作;如果Y方向进给一步,则计数器Ny做减1操作。当两个步长计数器都为零时,表示刀具已经抵达直线轮廓的终点,系统停止插补计算。(3)投影法在插补处理开始之前,先确定直线轮廓终点坐标绝对值中较大的那根轴,并求出此轴方向应该运动的总步数,然后存放在总步长计数器N中:N=max(|xe|,|ye|)。在插补过程中,每进行一次插补计算,如果终点坐标绝对值较大的那根坐标轴进给一步,则计数器N做减1操作。当计数器N内容减到零时,表示刀具在终点坐标绝对值较大的那根坐标轴方向
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