編組站及車站控制技術第3章

1、2021-12-151 第第3 3章章 開環(huán)數(shù)字程序控制開環(huán)數(shù)字程序控制 1 1數(shù)字程序控制基礎數(shù)字程序控制基礎2 2逐點比較法插補原理逐點比較法插補原理 3 3步進電機控制技術步進電機控制技術2021-12-152 能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動完成工作的自動控制，稱為數(shù)速度等規(guī)律自動完成工作的自動控制，稱為數(shù)字程序控制。字程序控制。 數(shù)字程序控制主要應用于機床的自動控制，數(shù)字程序控制主要應用于機床的自動控制，如用于銑床、車床、加工中心、線切割機以及如用

2、于銑床、車床、加工中心、線切割機以及焊接機、氣割機等的自動控制系統(tǒng)中。焊接機、氣割機等的自動控制系統(tǒng)中。什么是數(shù)字程序控制？什么是數(shù)字程序控制？數(shù)字程序控制的應用數(shù)字程序控制的應用2021-12-153 3 31 1 數(shù)字程序控制基礎數(shù)字程序控制基礎1. 1. 運動軌跡插補的基本原理運動軌跡插補的基本原理 圖圖1 1 曲線分段曲線分段 （1 1）將曲線劃分成若干段，分段）將曲線劃分成若干段，分段線段可以是直線或弧線。線段可以是直線或弧線。（2 2）確定各線段的起點和終點坐）確定各線段的起點和終點坐標值等數(shù)據(jù)，并送入計算機。標值等數(shù)據(jù)，并送入計算機。 （3 3）根據(jù)各線段的性質，確定各線段采用的

3、插補方式及插補）根據(jù)各線段的性質，確定各線段采用的插補方式及插補算法。算法。 （4 4）將插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號的形式）將插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號的形式去控制去控制x x和和y y方向上的步進電機，帶動刀具加工出所要求的零件方向上的步進電機，帶動刀具加工出所要求的零件輪廓。每個脈沖驅動步進電機走一步為一個脈沖當量（輪廓。每個脈沖驅動步進電機走一步為一個脈沖當量（mmmm脈沖），或步長，用脈沖），或步長，用xx和和yy來表示，通常取來表示，通常取xxyy。 2021-12-154圖圖3 3 閉環(huán)數(shù)字程序控制閉環(huán)數(shù)字程序控制 圖圖2 2 開環(huán)數(shù)字程序控制開環(huán)數(shù)字程

4、序控制 2 . 2 . 數(shù)字程序控制系統(tǒng)分類數(shù)字程序控制系統(tǒng)分類 （按伺服控制方式分類）（按伺服控制方式分類） 2021-12-155 3. 2 3. 2 逐點比較法插補原理逐點比較法插補原理 1 . 1 . 逐點比較法直線插補（以第一象限逐點比較法直線插補（以第一象限 為例）為例） （1）直線插補的偏差判別式）直線插補的偏差判別式 eemmmFy xx y若若F Fmm0 0，表明點，表明點mm在在oAoA直線上；直線上； F Fmm0 0，表明點，表明點mm在在oAoA直線上方；直線上方； F Fmm0 0，表明點，表明點mm在在oAoA直線下方。直線下方。 從直線的起點出發(fā)，當從直線的起

5、點出發(fā)，當F Fmm00時，沿時，沿x x軸方向走一步；軸方向走一步；當當F Fmm0 0時，沿時，沿y y方向走一步；當兩方向所走的步數(shù)與終點方向走一步；當兩方向所走的步數(shù)與終點坐標（坐標（x xe e，y ye e）相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。）相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。 第一象限直線逐點比較法插補原理為：第一象限直線逐點比較法插補原理為：圖圖4 4 第一象限直線第一象限直線 2021-12-156偏差判別式偏差判別式簡化簡化 當當F Fmm00時，表明時，表明mm點在點在oAoA上或上或oAoA的上方，此的上方，此時應沿時應沿x x方向進給一步，走一步后新的坐標值為方向進給

6、一步，走一步后新的坐標值為 該點的偏差為該點的偏差為 mmmmyyxx111 同理，當同理，當F Fmm0 0時，應向時，應向y y方向進給一步，該點的方向進給一步，該點的偏差為偏差為emmxFF 1emememememmyFyxxyyxxyF )1( 1112021-12-157（2 2）終點判別方法）終點判別方法 總步長法：總步長法：設置一個終點計數(shù)器設置一個終點計數(shù)器NNxyxy，寄存，寄存x x、y y兩個坐標方向進給的總步數(shù)，兩個坐標方向進給的總步數(shù)，x x和和y y坐標每進給一坐標每進給一步，步， NNxyxy就減就減1 1，直到，直到NNxyxy減到零，就達到終點。減到零，就達到

7、終點。 終點坐標法：終點坐標法：設置設置NNx x、NNy y兩個減法計數(shù)器，在加兩個減法計數(shù)器，在加工開始前，在工開始前，在NNx x、NNy y計數(shù)器中分別存入終點坐標計數(shù)器中分別存入終點坐標值值x xe e、y ye e。加工時，。加工時，x x坐標每進給一步，就在坐標每進給一步，就在NNx x計計數(shù)器中減去數(shù)器中減去1 1，y y坐標每進給一步，就在坐標每進給一步，就在NNy y計數(shù)器計數(shù)器中減去中減去1 1，直到這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零，就，直到這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零，就到達終點。到達終點。 2021-12-158 偏差判別：判斷上一步進給后的偏差是偏差判別：判斷上一步進給后的

8、偏差是F F00還是還是F F0 0； 坐標進給：根據(jù)所在象限和偏差判別的結果，決坐標進給：根據(jù)所在象限和偏差判別的結果，決定進給坐標軸及其方向；定進給坐標軸及其方向； 偏差計算：計算進給一步后新的偏差，作為下一偏差計算：計算進給一步后新的偏差，作為下一步進給的偏差判別依據(jù)；步進給的偏差判別依據(jù)； 終點判斷：進給一步后，終點計數(shù)器減終點判斷：進給一步后，終點計數(shù)器減1 1，判斷，判斷是否到達終點，到達終點則停止運算；若沒有到達是否到達終點，到達終點則停止運算；若沒有到達終點，返回終點，返回。如此不斷循環(huán)直到到達終點。如此不斷循環(huán)直到到達終點。 逐點比較法直線插補計算的四個步驟：逐點比較法直線插

9、補計算的四個步驟：2021-12-159（3 3）四個象限直線插補）四個象限直線插補圖圖5 5 四個象限直線的偏差符號和方向四個象限直線的偏差符號和方向不同象限直線插不同象限直線插補的偏差符號和補的偏差符號和進給方向如圖進給方向如圖 ；計算時，公式中計算時，公式中的終點坐標值的終點坐標值x xe e和和y ye e均采用絕對均采用絕對值。值。 2021-12-1510（4 4）直線插補計算的程序實現(xiàn)）直線插補計算的程序實現(xiàn)設置六個存儲單元設置六個存儲單元XEXE、YEYE、NXYNXY、FMFM、XOYXOY和和ZFZF，分別存，分別存放直線的終點橫坐放直線的終點橫坐標值標值x xe e、終點

10、縱坐標、終點縱坐標值值y ye e、進給總步數(shù)、進給總步數(shù)NNxyxy、加工點偏差、加工點偏差F Fmm、直線所在象限標志直線所在象限標志及進給方向標志。及進給方向標志。 圖圖6 6 直線插補計算程序流程直線插補計算程序流程2021-12-1511例例31 設加工第一象限直線設加工第一象限直線oA，起點坐標為，起點坐標為o（0，0），），終點坐標為終點坐標為A（6，4），試進行插補計算并作出走步軌跡），試進行插補計算并作出走步軌跡圖。圖。 圖圖7 7 直線插補走步軌跡圖直線插補走步軌跡圖 解解 x xe e6 6，y ye e4 4，進給總步數(shù)，進給總步數(shù)N Nxyxy| 6| 60 |0 |

11、 4| 40 |0 |1010，F(xiàn) F0 00 0，插補計算，插補計算過程如表，走步過程如表，走步軌跡如圖。軌跡如圖。 2021-12-1512步數(shù)步數(shù)偏差判別偏差判別坐標進給坐標進給偏差計算偏差計算終點判斷終點判斷起點起點 F00 Nxy101F00 x F1F0ye04=4 Nxy92F10y F2F1xe462 Nxy83F20 x F3F2ye24=2 Nxy74F30y F4F3xe264 Nxy65F40 x F5F4ye440 Nxy56F50 x F6F5ye04 =4 Nxy47F60y F7F6xe462 Nxy38F70 x F8F7ye24 =2 Nxy29F80y F

12、9F8xe264 Nxy110F90 x F10F9ye44 =0 Nxy0表表1 1 直線插補過程直線插補過程2021-12-15132 2 逐點比較法圓弧插補（以第一象限逐點比較法圓弧插補（以第一象限 為例）為例） （1 1）逆圓弧插補）逆圓弧插補偏差判別式偏差判別式圖圖8 8 第一象限逆圓弧第一象限逆圓弧 22222RyxRRFmmmm F Fmm0 0 ，表明加工點，表明加工點mm在圓弧上；在圓弧上；F Fmm0 0 ，表明加工點，表明加工點mm在圓弧外；在圓弧外；F Fmm0 0 ，表明加工點，表明加工點mm在圓弧內。在圓弧內。 當當FmFm00時，時，x x軸方向進給一步，并計算新

13、的偏差；當軸方向進給一步，并計算新的偏差；當F Fmm0 0時，向時，向y y軸方向進給一步，并計算新的偏差。如此，一軸方向進給一步，并計算新的偏差。如此，一步步計算，一步步進給，并在到達終點時停止計算，就可插步步計算，一步步進給，并在到達終點時停止計算，就可插補出如圖所示的第一象限逆圓弧。補出如圖所示的第一象限逆圓弧。 第一象限逆圓弧插補原理為：第一象限逆圓弧插補原理為：2021-12-1514 mmmmyyxx111新加工點的偏差為新加工點的偏差為當當F Fmm00時，應沿時，應沿x x軸方向進給一步，到軸方向進給一步，到mm1 1點，其點，其坐標值為坐標值為 偏差判別式偏差判別式簡化簡化

14、 12)1(22221211 mmmmmmmxFRyxRyxF同理，當同理，當F Fmm0 0時，新加工點的偏差為時，新加工點的偏差為 12)1(22221211 mmmmmmmyFRyxRyxF2021-12-1515（2 2）終點判斷）終點判斷 同直線插補計算，將同直線插補計算，將x x軸方向的走步步軸方向的走步步數(shù)數(shù)NNx x| | x xe ex x0 0 | | 與與y y軸方向的走步步數(shù)軸方向的走步步數(shù)NNy y| | y ye ey y0 0 | | 之和之和NNxyxyNNx xNNy y作為一個計作為一個計數(shù)器，每走一步，從數(shù)器，每走一步，從NNxyxy中減中減1 1，NNx

15、yxy減到零減到零時，就到達終點。時，就到達終點。 2021-12-1516逐點比較法直線插補計算的五個步驟：逐點比較法直線插補計算的五個步驟：偏差判別，坐標進給，偏差計算，偏差判別，坐標進給，偏差計算， 坐標計算坐標計算，終點判斷。，終點判斷。注意：注意：在偏差計算的同時，要進行動點瞬時坐標值在偏差計算的同時，要進行動點瞬時坐標值的計算，以便為下一點的偏差計算做好準備。的計算，以便為下一點的偏差計算做好準備。2021-12-1517（3 3）順圓弧插補偏差判別式）順圓弧插補偏差判別式圖圖9 9 第一象限順圓弧第一象限順圓弧 若偏差若偏差F Fmm00，沿，沿 軸方軸方向進給一步，向進給一步，

16、新加工點的坐標新加工點的坐標為為 ，偏差為，偏差為121 mmmyFF 若若F Fmm0 0，下一步向，下一步向x x軸軸方向進給一步，新加工點的坐方向進給一步，新加工點的坐標為標為 ，偏差為，偏差為y 121 mmmxFF)1,( mmyx)1,(mmyx 2021-12-1518（4 4）四個象限圓弧插補）四個象限圓弧插補圖圖10 10 四個象限圓弧插補的對稱關系四個象限圓弧插補的對稱關系圓弧插補中，圓弧插補中，沿對稱軸的進給沿對稱軸的進給的方向相同，沿的方向相同，沿非對稱軸的進給非對稱軸的進給的方向相反。的方向相反。所有對稱圓弧所有對稱圓弧的偏差計算公式，的偏差計算公式，只要取起點坐標只

17、要取起點坐標的絕對值，均與的絕對值，均與第一象限中的逆第一象限中的逆圓弧或順圓弧的圓弧或順圓弧的偏差計算公式相偏差計算公式相同。同。 2021-12-1519（5 5）圓圓弧弧插插補補計計算算的的程程序序實實現(xiàn)現(xiàn) 圖圖11 11 四象限圓弧插補程序流程圖四象限圓弧插補程序流程圖2021-12-1520例例32 設加工第一象限逆圓弧設加工第一象限逆圓弧ABAB，已知圓弧的起點坐標為，已知圓弧的起點坐標為A A（4 4，0 0），終點坐標為），終點坐標為B B（0 0，4 4），試進行插補計算并作），試進行插補計算并作出走步軌跡圖。出走步軌跡圖。解解 插補計算過程如表，走步軌跡如圖。插補計算過程如

18、表，走步軌跡如圖。 圖圖12 12 圓弧插補走步軌跡圖圓弧插補走步軌跡圖 2021-12-1521步數(shù)步數(shù)偏差判別偏差判別坐標進給坐標進給偏差計算偏差計算坐標計算坐標計算終點判別終點判別起點起點F00 x04，y00 Nxy81F00 xF1F02x017x1x013，y10 Nxy72F10y F2F12y116x23，y2y111 Nxy63F20y F3F22y213x33，y3y212 Nxy54F30y F4F32y312x43，y4y313 Nxy45F40 xF5F42x413x5x412，y53 Nxy36F50y F6F52y514x62，y6y514 Nxy27F60 x

19、F7F62x611x7x611，y74 Nxy18F70 xF8F72x710 x8x710，y84 Nxy0表表2 2 圓弧插補計算過程圓弧插補計算過程2021-12-1522 3 33 3 步進電機控制技術步進電機控制技術 步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的電磁裝置，其轉子的轉角與輸入的電脈沖移的電磁裝置，其轉子的轉角與輸入的電脈沖數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比，運動的方數(shù)成正比，轉速與脈沖頻率成正比，運動的方向由步進電機各相的通電順序決定。步進電機向由步進電機各相的通電順序決定。步進電機具有控制簡單、運行可靠、慣性小等優(yōu)點，主具有控制簡單、運行可

20、靠、慣性小等優(yōu)點，主要用于開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中。要用于開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中。2021-12-15231 . 1 . 步進電機工作原理步進電機工作原理 圖圖13 13 步進電機結構及工作原理圖步進電機結構及工作原理圖 下圖是三相反應式步進電機結構簡圖。假設轉子下圖是三相反應式步進電機結構簡圖。假設轉子上只有四個齒，相鄰兩齒對應的角度為齒距角，上只有四個齒，相鄰兩齒對應的角度為齒距角，齒距角為齒距角為ZZz 3602 Z轉子齒數(shù)。轉子齒數(shù)。Z4時，時， 。 90 z 2021-12-1524 輸入一個電脈沖信號，轉子轉過的角度稱為步輸入一個電脈沖信號，轉子轉過的角度稱為步距角距角s s ，對于

21、步進電機的三相單三拍工作方式，每對于步進電機的三相單三拍工作方式，每切換一次通電狀態(tài)，轉子轉過的角度為切換一次通電狀態(tài)，轉子轉過的角度為1/31/3齒距角，齒距角，經(jīng)過一個周期，轉子走了經(jīng)過一個周期，轉子走了3 3步，轉過一個齒距角。步，轉過一個齒距角。 式中：式中：Z Z轉子齒數(shù)；轉子齒數(shù)； NN步進電機工作拍數(shù)，步進電機工作拍數(shù)，NNmKmK； mm定子繞組相數(shù)；定子繞組相數(shù)； K K與通電方式有關的系數(shù)，單相通電方式與通電方式有關的系數(shù)，單相通電方式K K1 1， 單、雙相通電方式單、雙相通電方式K K2 2 mKZNZN 360360zs 2021-12-15252 2步進電機的工作方

22、式步進電機的工作方式 步進電機有三相、四相、五相、六相等多種，步進電機有三相、四相、五相、六相等多種，每一種均可工作于單相通電方式，雙相通電方式，每一種均可工作于單相通電方式，雙相通電方式，或單、雙相交叉通電方式。或單、雙相交叉通電方式。 單三拍工作方式，各相通電順序為單三拍工作方式，各相通電順序為 ABCAABCA，或，或 ACBAACBA； 雙三拍工作方式，各相通電順序為雙三拍工作方式，各相通電順序為 ABBCCAABABBCCAAB，或，或ACCBBAACACCBBAAC； 三相六拍工作方式，各相通電順序為三相六拍工作方式，各相通電順序為 AABBBCCCAAAABBBCCCAA，或，或

23、 AACCCBBBAAAACCCBBBAA。以三相步進電機為例，有以下三種工作方式：以三相步進電機為例，有以下三種工作方式：2021-12-15263. 3. 步進電機的脈沖分配程序步進電機的脈沖分配程序 （1 1）步進電機控制接口）步進電機控制接口圖圖14 14 步進電機控制接口框圖步進電機控制接口框圖2021-12-1527存儲單元存儲單元PA口輸出字口輸出字ADX100000001ADX200000011ADX300000010ADX400000110ADX500000100ADX600000101 表表3 3 三相六拍控制方式狀態(tài)字表三相六拍控制方式狀態(tài)字表 （2 2）步進電機控制的輸

24、出字）步進電機控制的輸出字以以x x軸步進電機控制為軸步進電機控制為例，假定例，假定PAPA口的口的PA0PA0、PA1PA1、PA2PA2輸出數(shù)據(jù)為輸出數(shù)據(jù)為“1”1”時，相應的繞組通時，相應的繞組通電，為電，為“0”0”時斷電。時斷電。對三相六拍控制方式，對三相六拍控制方式，存存 “ “輸出字輸出字”在計算機在計算機中，中，PAPA口按表的規(guī)律送口按表的規(guī)律送出控制信號，就可以控出控制信號，就可以控制步進電機的各相繞組制步進電機的各相繞組依此通電，從而控制步依此通電，從而控制步進電機按三相六拍方式進電機按三相六拍方式正轉或反轉。正轉或反轉。2021-12-1528（3 3）步進電機的脈沖分

25、配控制程序）步進電機的脈沖分配控制程序 設要控制設要控制x x、y y兩個方向的步進電機，用兩個方向的步進電機，用ADXADX、ADYADY分別表示分別表示x x方向和方向和y y方向步進電機輸出字表的取方向步進電機輸出字表的取數(shù)地址指針，以數(shù)地址指針，以ZFZF1 1、2 2、3 3、4 4分別表示分別表示x x、x x、y y、y y進給方向，則進給方向，則x x、y y兩個方向步進電機的脈兩個方向步進電機的脈沖分配控制程序流程圖如下圖。沖分配控制程序流程圖如下圖。 將步進電機的脈沖分配控制程序和插補計算程將步進電機的脈沖分配控制程序和插補計算程序結合起來，并修改程序的初始化和循環(huán)控制判斷序結合起來，并修改程序的初始化和循環(huán)控制判斷等內容，可實現(xiàn)二維或三維曲面零