計算機(jī)控制技術(shù)楊廉第一頁，共五十八頁。14.1順序控制技術(shù)4.2數(shù)字程序控制技術(shù)第4章順序控制與數(shù)字控制技術(shù)第二頁，共五十八頁。2順序控制（sequentialcontrol）就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動地有順序地進(jìn)行操作。數(shù)字控制（NC，NumericalControl-）數(shù)字控制是一種借助數(shù)字、字符或者其他符號對某一工作過程進(jìn)行編程控制的自動化方法。通常使用專門的計算機(jī)，操作指令以數(shù)字形式表示，機(jī)器設(shè)備按照預(yù)定的程序進(jìn)行工作。簡稱數(shù)控。數(shù)字程序控制（digitalprocesscontrol），就是計算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械（如各種加工機(jī)床）按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動距離和運(yùn)動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。數(shù)字控制系統(tǒng)（NumericalControlSystem），簡稱數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺或多臺機(jī)械設(shè)備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和開關(guān)量。包括：輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補(bǔ)器。計算機(jī)數(shù)控(CNC，ComputerNumericalControl)，就是利用一個專用的可存儲程序的計算機(jī)執(zhí)行一些或全部的基本數(shù)字控制功能的NC系統(tǒng)。隨著計算機(jī)硬件性能價格比的迅速降低和圖形顯示器的推廣應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已不需要穿孔紙帶，而由計算機(jī)直接控制。它是用一臺小型通用計算機(jī)或個人計算機(jī)直接控制一臺機(jī)床，機(jī)床的控制程序存儲在計算機(jī)的內(nèi)存中，容易修改和擴(kuò)充功能，靈活性好。本章主要介紹用微型計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的順序控制、數(shù)字程序控制以及步進(jìn)電機(jī)的控制。第4章順序控制與數(shù)字控制技術(shù)第三頁，共五十八頁。34.1順序控制技術(shù)4.1.1順序控制概述4.1.2順序控制系統(tǒng)的組成4.1.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例第四頁，共五十八頁。44.1.1順序控制概述一、順序控制概念順序控制是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動作次序，對控制過程各階段順序地進(jìn)行自動化控制。在工業(yè)控制方面順序控制的應(yīng)用極為廣泛。例如，在某種條件下，繼電器的接通或斷開、電磁閥的打開或關(guān)閉、電動機(jī)的啟動或停止、定時器預(yù)定時間是否達(dá)到、計數(shù)器預(yù)定計數(shù)值是否計滿等，用開關(guān)量按時間或條件進(jìn)行操作而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的都屬于順序控制。根據(jù)應(yīng)用的場合和工藝要求，劃分各種不同的工步，然后按預(yù)先規(guī)定好的“時間”或“條件”，按次序完成各工步的動作并保證各工步動作所需要的持續(xù)時間。持續(xù)時間隨產(chǎn)品類型和材料性能不同而定，常?？赏ㄟ^操作員來設(shè)定或調(diào)整?！皸l件”是指被控制裝置中運(yùn)動部件移動到了一個預(yù)定位置，或者管道、容器中的液體或氣體的壓力達(dá)到了某個預(yù)定值，或者加熱部件的溫度到達(dá)某個預(yù)定點(diǎn)等。順序控制器把這些條件是否滿足作為本工步動作的持續(xù)或結(jié)束信號。而這些條件一般是通過行程開關(guān)（或限位開關(guān)）、壓力開關(guān)或溫度開關(guān)等傳感器提供開關(guān)量被測信號而獲取的。第五頁，共五十八頁。54.1.1順序控制概述順序控制是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動作次序，對控制過程各階段順序地進(jìn)行自動化控制。在工業(yè)控制方面順序控制的應(yīng)用極為廣泛。例如，在某種條件下，繼電器的接通或斷開、電磁閥的打開或關(guān)閉、電動機(jī)的啟動或停止、定時器預(yù)定時間是否達(dá)到、計數(shù)器預(yù)定計數(shù)值是否計滿等，用開關(guān)量按時間或條件進(jìn)行操作而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的都屬于順序控制。順序功能圖，又叫做狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，是IEC標(biāo)準(zhǔn)編程語言，用于編制復(fù)雜的順控程序，很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗的電氣程師，也會大大提高工作效率。它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，同時也是設(shè)計順序控制程序的一種有力工具。順序控制功能圖是一種通用的技術(shù)語言。主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作（命令）組成。步：將系統(tǒng)的一個工作周期，按輸出量的狀態(tài)變化，劃分為若干個順序相連的階段，每個階段叫做“步”?！安健庇镁幊淘硎尽３跏疾剑号c系統(tǒng)的初始狀態(tài)對應(yīng)的步叫“初始步”，用雙線方框表示?；顒硬剑寒?dāng)正系統(tǒng)處于某一步說在的階段時，該步處于活動狀態(tài)，稱該步處于“活動步”。步處于活動狀態(tài)時，相應(yīng)的動作被執(zhí)行；處于不活動狀態(tài)時，相應(yīng)的非存儲型動作被停止執(zhí)行。第六頁，共五十八頁。6例：一鍋爐在啟動引風(fēng)機(jī)12s后，鼓風(fēng)機(jī)自動啟動。當(dāng)停止鼓風(fēng)機(jī)工作12s后，引風(fēng)機(jī)自動停止。第七頁，共五十八頁。74.1.1順序控制概述例4.1鉆孔冷加工自動線中鉆動力頭鉆孔過程的順序控制原理如圖4.1所示，鉆孔過程分為以下5步：（1）動力頭在起始位置（行程開關(guān)SQ1受壓），按啟動開關(guān)按鈕后，電磁閥YA1通電，動力頭快進(jìn)；（2）快進(jìn)到位時壓下行程開關(guān)SQ2，使電磁閥YA2通電（YA1保持通電），動力頭南快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)（鉆孔），即一邊加工一邊進(jìn)給；（3）工進(jìn)到位時壓下行程開關(guān)SQ3，使YA1、YA2斷電，開始定時延遲，動力頭原地鏇削（精鏜）；（4）延遲時間到，YA3通電，動力頭快退；（5）動力頭退回到原位，行程開關(guān)SQ1又受壓，YA3斷電，動力頭停止。這樣完成一個周期的循環(huán)動作之后，又返回到第一步，開始下一個循環(huán)的動作。在加工過程中，快進(jìn)、鉆孔、鏇削、快返和停止等5個工作狀態(tài)的順序轉(zhuǎn)換是根據(jù)按鈕、行程開關(guān)和時間信號等現(xiàn)場輸入信號而決定的。第八頁，共五十八頁。84.1.1順序控制概述例4.2機(jī)械手本例中的機(jī)械手實(shí)際上是一臺水平/垂直位移的機(jī)械設(shè)備。例如，要將工件從左工作臺搬移到右工作臺，機(jī)械手的工作順序為：機(jī)械手移到左工作臺，夾住工件，提起工件送到右工作臺上，松開工件，使工件留在右工作臺上，一個工件搬送過程結(jié)束。重復(fù)上述過程，就能連續(xù)地把進(jìn)入左工作臺上的工件一個一個地搬到右工作臺上。機(jī)械手的上升/下降和左移/右移的運(yùn)動是由雙線圈的兩位電磁閥驅(qū)動汽缸來完成的。一旦某一線圈通電，機(jī)械裝置就一直保持當(dāng)時的位置，直到相反動作的線圈得電為止。機(jī)械手的夾緊/放松動作用單線圈兩位電磁閥完成，線圈得電夾緊，線圈失電則放松。為確保安全，當(dāng)汽缸在右工作臺下降時，可用光電開關(guān)來檢測右工作臺上有無工件。機(jī)械手從一個工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入下一個工作狀態(tài)，是根據(jù)相應(yīng)的限位開關(guān)是否動作來確定的。機(jī)械手搬動工件取放動作如圖4.2所示。圖中限位開關(guān)用來檢測上升、下降、左移、右移的終點(diǎn)位置，執(zhí)行裝置由下降、夾緊、上升、右移、左移5個電磁閥組成。機(jī)械手的動作順序為：下降一夾緊一上升一右移一下降一放松一上升一左移。機(jī)械手每搬送完一個工件，就回到原點(diǎn)，等待下一次重復(fù)動作。第九頁，共五十八頁。9二、順序控制系統(tǒng)的類型目前在現(xiàn)場應(yīng)用的順序控制系統(tǒng)數(shù)量龐大，其控制的對象及過程也不盡相同。但根據(jù)其輸入裝置中的元器件及邏輯控制器件的特點(diǎn)可將順序控制系統(tǒng)分為下列4種類型。1、按順序執(zhí)行的繼電一接觸器控制系統(tǒng)繼電器控制裝置是根據(jù)控制對象的特點(diǎn)及工藝要求，先計算出輸出與各輸入條件的邏輯關(guān)系式，再按該邏輯關(guān)系式把一定數(shù)量的繼電器、接觸器、開關(guān)及其他電器的相關(guān)觸點(diǎn)用導(dǎo)線連接成相應(yīng)的控制電路，從而達(dá)到自動順序控制的目的。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于簡單的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)、化工、包裝等控制邏輯不太復(fù)雜、工作電流較大的領(lǐng)域。2、半導(dǎo)體邏輯順序控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體邏輯順序控制裝置作為組成順序控制系統(tǒng)核心部件。將半導(dǎo)體邏輯元器件（如二極管、三極管、門電路、觸發(fā)器及CPU芯片等）按一定的邏輯運(yùn)算關(guān)系在印制電路板上連接成順序控制系統(tǒng)就稱為半導(dǎo)體邏輯順序控制裝置，也稱無觸點(diǎn)邏輯控制裝置。它克服了繼電一接觸器控制系統(tǒng)中壽命短、工作頻率低、功能簡單、可靠性差等缺點(diǎn)，是常用的順序控制系統(tǒng)之一。4.1.1順序控制概述第十頁，共五十八頁。10

3、可編程順序控制器系統(tǒng)該系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）作為順序控制系統(tǒng)核心部件。它是針對繼電器順序控制器及非接觸式半導(dǎo)體邏輯控制裝置專用性強(qiáng)、更改維護(hù)不易的缺點(diǎn)而推出的一種順序控制系統(tǒng)。該類順序控制器把CPU、I/O、程序存儲器、數(shù)字存儲器等元器件集成在同一個控制器中；特別是針對其工作的工業(yè)環(huán)境，強(qiáng)化了其I/O接口的數(shù)量、種類及功能，使控制器不需擴(kuò)展就具有帶多種負(fù)載的能力。為了提高其抗干擾能力，在控制器內(nèi)部專門集成了光耦、電子看門狗等抗干擾電路，使其在工作時能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。該系統(tǒng)在現(xiàn)場中得到了廣泛應(yīng)用，PLC也成為順序控制系統(tǒng)裝置中的主流設(shè)備之一。4、微機(jī)順序控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用微型計算機(jī)作為順序控制系統(tǒng)核心部件。該系統(tǒng)適用于要求精度高、性能復(fù)雜等順序控制的場合。該系統(tǒng)具有應(yīng)用靈活、智能程度較高、二次開發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)。順序控制方式連鎖式順序步進(jìn)控制是將前一個動作的常開觸點(diǎn)串聯(lián)在后一個動作的啟動線路中，作為后一個動作發(fā)生的必要條件。同時將代表后一個動作的常閉觸點(diǎn)串入前一個動作的關(guān)斷線路里。定時器式順序控制動作的發(fā)生是在定時器的控制下自動按順序一步步進(jìn)行的。下一個動作發(fā)生時，自動把上一個動作關(guān)斷。這樣，一個動作接著一個動作發(fā)生。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常用于設(shè)備的順序啟動的控制。4.1.1順序控制概述第十一頁，共五十八頁。11三、順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、順序控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號以開關(guān)量信號為主

順序控制系統(tǒng)常常利用按鈕、行程開關(guān)、光電開關(guān)、限位開關(guān)等開關(guān)輸入量元器件輸入控制對象的位置、狀態(tài)等信息，CPU根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，作出相關(guān)的邏輯判斷并向外輸出開關(guān)控制信息，輸出的開關(guān)信息經(jīng)驅(qū)動電路放大后，控制電磁閥、繼電器、開關(guān)電路等執(zhí)行電路動作，從而可以操作液壓、氣壓、電動機(jī)等裝置按要求動作。

2、邏輯關(guān)系復(fù)雜有些復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)輸出信號和輸入信號之間，各個輸出信號之間存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系和時序關(guān)系，例如高層建筑的多臺電梯群控系統(tǒng)。在順序控制系統(tǒng)的工作過程中，控制對象的工作狀態(tài)需由檢測電路將相應(yīng)檢測的信號傳遞給CPU，CPU依據(jù)原先植入的算法程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，再決定將控制對象導(dǎo)入何種工步工作。因此，在設(shè)計該類控制系統(tǒng)時，必須對信息流在系統(tǒng)中的流向及轉(zhuǎn)化關(guān)系有較深刻的理解。3、控制程序客觀由于順序控制程序中，上一步驟與下一步驟之間是否進(jìn)行轉(zhuǎn)換決定于控制對象的實(shí)際狀態(tài)及所檢測的相關(guān)參數(shù)情況，所有控制程序中相關(guān)程序的設(shè)計必須配有相關(guān)檢測電路并且系統(tǒng)需足夠的I／O接口來輸入、輸出相關(guān)信息，需足夠容量的程序存儲器存儲程序，較復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)還必須配有CPU對電路狀態(tài)進(jìn)行輸入、存儲、運(yùn)算、判斷并產(chǎn)生控制時序。4.1.1順序控制概述第十二頁，共五十八頁。124、可靠性要求高順序控制系統(tǒng)一般用于多步驟、多工序控制對象的加工或生產(chǎn)過程，往往具有一定的生產(chǎn)規(guī)模和使用頻率。由于各步驟、工序是有條件地聯(lián)系起來的，前一個工序如果未處理好就進(jìn)入下一工序工作的話，將會造成很大的破壞及危害。所以在設(shè)計時，對控制對象狀態(tài)的檢測要求全面、及時，程序?qū)π畔⑻幚矸绞揭笳_、可靠，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作迅速、準(zhǔn)確，在循環(huán)工作時誤差小、工作穩(wěn)定。4.1.1順序控制概述第十三頁，共五十八頁。13

典型的微機(jī)順序控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)控制器、信號檢測、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控對象等組成，如圖所示。一般地，順序控制系統(tǒng)的輸入和輸出都是開關(guān)信號，順序控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)機(jī)械按照次序或時序動作，動作的轉(zhuǎn)換是根據(jù)對現(xiàn)場輸入信號的邏輯判斷或時序判斷來決定的，因此順序控制系統(tǒng)應(yīng)具有較完善的輸入、輸出功能和各種接口電路，并具有邏輯記憶以及時序產(chǎn)生和時序判斷的功能，這些功能均由系統(tǒng)控制器完成，它是組成順序控制系統(tǒng)的核心部分。此外，為了保證系統(tǒng)工作可靠，有的系統(tǒng)中需對執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制對象的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行檢查或測量，將結(jié)果及時反饋給控制器，這就需要增加信號檢測電路。顯示與報警單元用于實(shí)時顯示被控對象的工況以及故障時的報警。4.1.2順序控制系統(tǒng)的組成第十四頁，共五十八頁。14

例子：鉆孔動力頭在一個工作循環(huán)中有快進(jìn)、工進(jìn)、工進(jìn)延時、快退和停止5個工作狀態(tài)。從前一個工作狀態(tài)轉(zhuǎn)人下一個工作狀態(tài)，是根據(jù)來自現(xiàn)場的輸入信號的邏輯判斷，現(xiàn)場輸入信號有啟動按鈕SB1、原位開關(guān)SQ1、行程開關(guān)SQ2和SQ3及延時信號，這些電器觸點(diǎn)的通斷，通過輸入電路變換為電平信號送到輸入接口的輸入端，CPU按一定的邏輯順序讀取這些信號，并逐一判斷是否滿足各工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。若滿足，則發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的控制信號。輸出控制信號通過輸出接口經(jīng)過輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥吸合或釋放，從而改變液壓油路的狀態(tài)，使動力頭轉(zhuǎn)換為新的工作狀態(tài)。若不滿足，則等待（當(dāng)CPU只控制一臺動力頭時）或跳過，轉(zhuǎn)向詢問另一臺動力頭（當(dāng)CPU控制多臺動力頭時）。下面介紹采用803l單片機(jī)實(shí)現(xiàn)動力頭的順序控制。4.1.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例一、硬件框圖在該例中，因為輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)不多，故用單片機(jī)內(nèi)的P1口作為I/O端口。輸入、輸出信號連接如圖4.4所示?，F(xiàn)場的輸入信號SB1、SQ1、SQ2、SQ3經(jīng)過輸入電路處理后分別送到P1口的P1.0～P1.3，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時，P1口對應(yīng)的位為“1”，當(dāng)觸點(diǎn)斷開時，P1口對應(yīng)的位為“0”。計算機(jī)發(fā)出的控制信號經(jīng)P1口的P1.5～P1.7輸出至輸出電路放大后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作。第十五頁，共五十八頁。15

單片機(jī)只能接受電平為0～5V的開關(guān)信號或數(shù)字信號，而反映現(xiàn)場工作狀態(tài)的是按鈕、行程開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器等電器觸點(diǎn)的接通或斷開。因此輸入電路必須完成電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)，即將電器觸點(diǎn)的通、斷轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的電平。同時，為了保證系統(tǒng)工作安全可靠，還必須考慮信號的濾波和隔離。常用的輸入電路有中間繼電器隔離的電平轉(zhuǎn)換電路、晶體管隔離及電平轉(zhuǎn)換電路、光電耦合器輸入隔離電路以及變壓器輸入隔離電路等。單片機(jī)接口輸出的控制信號通常為0～5V。因此，在輸出鎖存器與負(fù)載之間，通常要加驅(qū)動電路，以獲得必要的電流、電壓和功率。常用的輸出驅(qū)動電路有中間繼電器輸出電路、晶體管輸出電路、固態(tài)繼電器輸出電路以及晶閘管輸出電路等.二、控制程序流程圖及控制程序控制程序流程圖如圖4.5所示。從程序流程圖可以看出，控制程序按一定的邏輯順序讀入被控設(shè)備的狀態(tài)信號，按預(yù)定的邏輯算式進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算；按運(yùn)算結(jié)果判別是否發(fā)出某種控制信號。根據(jù)程序流程圖，輸入、輸出信號排列，用8031匯編語言編寫的控制程序如下頁：微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例第十六頁，共五十八頁。164.1.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例在程序中，在某一工步讀入現(xiàn)場信號后，判斷相應(yīng)的行程開關(guān)是否被壓動，若是，則轉(zhuǎn)下一工步；若不是，則反復(fù)輸出本步的控制信號。在實(shí)際應(yīng)用中，這樣安排程序能夠有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。第十七頁，共五十八頁。17例子：交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計。

4.1.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例上圖所示為雙干道交通信號燈設(shè)置示意圖，元件分配表如下。1.控制說明信號燈的動作受開關(guān)總體控制，按一下起動按鈕，信號燈系統(tǒng)開始工作，工作流程如圖所示。第十八頁，共五十八頁。182.順序功能圖分析信號燈的變化規(guī)律，可將工作過程分成4個依設(shè)定時間而順序循環(huán)執(zhí)行的狀態(tài)：S2、S3、S4和S5，另設(shè)一個初始狀態(tài)S1。由于控制比較簡單，可用單流程實(shí)現(xiàn)，如圖所示。編寫程序時，可將順序功能圖放置在一個功能塊（FB）中，而將停止作用的部分程序放置在另一個功能（FC）或功能塊（FB）中。這樣在系統(tǒng)啟動運(yùn)行期間，只要停止按鈕（Stop）被按動，立即將所有狀態(tài)S2～S5復(fù)位，并返回到待命狀態(tài)S1。4.1.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例在待命狀態(tài)下，只要按動起動按鈕（Start），系統(tǒng)即開始按順序功能圖所描述的過程循環(huán)執(zhí)行。第十九頁，共五十八頁。194.2數(shù)字程序控制技術(shù)4.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理4.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)第二十頁，共五十八頁。204.2數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)是綜合應(yīng)用計算機(jī)、自動控制、自動檢測、精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。它主要應(yīng)用于機(jī)床中機(jī)械運(yùn)動的軌跡控制，如用于銑床、車床、加工中心、線切割機(jī)床以及焊接機(jī)、氣割機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等自動控制系統(tǒng)中。所謂數(shù)字程序控制就是能夠根據(jù)數(shù)據(jù)和預(yù)先編制好的程序，控制生產(chǎn)機(jī)械按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動距離和運(yùn)動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。數(shù)字程序控制系統(tǒng)一般由輸入裝置、輸出裝置、控制器、伺服驅(qū)動裝置等組成。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，控制器、插補(bǔ)器及部分輸入和輸出功能都由計算機(jī)來完成。數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的軌跡控制策略是插補(bǔ)和位置控制，它們要解決的問題就是要用一種簡單快速的算法計算出刀具運(yùn)動的軌跡信息。在CNC系統(tǒng)中，插補(bǔ)是指根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，諸如線性函數(shù)、圓函數(shù)或高次函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點(diǎn)之間確定中間點(diǎn)的方法。插補(bǔ)計算由計算機(jī)的系統(tǒng)程序來實(shí)現(xiàn)。直線和圓弧是構(gòu)成工件輪廓的基本線條，一般數(shù)字程序控制系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，在某些要求高的系統(tǒng)中，還具有拋物線、螺旋線插補(bǔ)功能。最常用的插補(bǔ)計算方法有逐點(diǎn)比較插補(bǔ)計算法（簡稱逐點(diǎn)比較法）、數(shù)字積分器插補(bǔ)計算法（簡稱數(shù)字積分法）、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)計算法（也稱時間分割法）和樣條插補(bǔ)計算法等等。近年來，又出現(xiàn)一些新的插補(bǔ)計算方法，如曲面直接插補(bǔ)計算方法等。第二十一頁，共五十八頁。214.2數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制系統(tǒng)（NCS，NumericalControlSystems）用代表加工順序、加工方式和加工參數(shù)的數(shù)字碼作為控制指令的數(shù)字控制系統(tǒng)，簡稱數(shù)控(NC)系統(tǒng)。在數(shù)控系統(tǒng)中通常配備專用的電子計算機(jī)，反映加工工藝和操作步驟的加工信息用數(shù)字代碼預(yù)先記錄在穿孔帶、穿孔卡、磁帶或磁盤上。系統(tǒng)在工作時，讀數(shù)機(jī)構(gòu)依次將代碼送入計算機(jī)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)形式的電脈沖，用以控制工作機(jī)械按照順序完成各項加工過程。數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和加工效率都較高，特別適合于工藝復(fù)雜的單件或小批量生產(chǎn)。它廣泛用于工具制造、機(jī)械加工、汽車制造和造船工業(yè)等。數(shù)控系統(tǒng)由信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和受控設(shè)備組成。信息載體采用紙帶、磁帶、磁卡或磁盤等，用以存放加工參數(shù)、動作順序、行程和速度等加工信息。數(shù)控裝置又稱插補(bǔ)器，根據(jù)輸入的加工信息發(fā)出脈沖序列。每一個脈沖代表一個位移增量。插補(bǔ)器實(shí)際上是一臺功能簡單的專用計算機(jī)，也可直接采用微型計算機(jī)。插補(bǔ)器輸出的增量脈沖作用于相應(yīng)的驅(qū)動機(jī)械或系統(tǒng)用來控制工作臺或刀具的運(yùn)動。如果采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)械，則數(shù)控系統(tǒng)為開環(huán)控制。對于精密機(jī)床，需要采用閉環(huán)控制的方式，以伺服系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)。第二十二頁，共五十八頁。224.2數(shù)字程序控制技術(shù)發(fā)展：早期多采用固定接線的硬線數(shù)控系統(tǒng)，用一臺專用計算機(jī)控制一臺設(shè)備。后來采用微型計算機(jī)代替專用計算機(jī)，利用編制不同的程序軟件實(shí)現(xiàn)不同類型的控制，可增強(qiáng)系統(tǒng)的控制功能和靈活性，稱為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或軟線數(shù)控系統(tǒng)。后來又發(fā)展成為用一臺計算機(jī)直接管理和控制一群數(shù)控設(shè)備，稱為計算機(jī)群控系統(tǒng)或直接數(shù)控系統(tǒng)(DNC)。進(jìn)一步又發(fā)展成為由多臺CNC與NC設(shè)備和DNC計算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多級控制。到了80年代則發(fā)展成將一群機(jī)床與工件、刀具、夾具和加工自動傳輸線相配合，由計算機(jī)統(tǒng)一管理和控制，構(gòu)成計算機(jī)群控自動線,稱為柔性制造系統(tǒng)(FMS)。數(shù)控系統(tǒng)的更高階段是向機(jī)械制造工業(yè)設(shè)計和制造一體化發(fā)展，將計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)與計算機(jī)輔助制造(CAM)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的完整自動化系統(tǒng)。分類：按運(yùn)動軌跡的不同，數(shù)控系統(tǒng)分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)和輪廓控制系統(tǒng)三類。①點(diǎn)位控制系統(tǒng)只控制加工點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。在變換加工點(diǎn)時對運(yùn)動軌跡無特殊要求(不進(jìn)行加工)。多用于數(shù)控鉆床、沖床等。②直線控制系統(tǒng)不僅控制加工點(diǎn)的起始坐標(biāo)，而且控制刀具或工作臺沿直線方向的加工行程，稱為直線插補(bǔ)，如簡易數(shù)控車床等。③輪廓控制系統(tǒng)它能控制加工點(diǎn)沿零件輪廓曲線連續(xù)運(yùn)動，可加工出曲線、曲面、凸輪和錐面等復(fù)雜形狀的零件。這種系統(tǒng)一般均具有直線和圓弧兩種插補(bǔ)功能。少數(shù)系統(tǒng)還具有拋物線或其他高次曲線插補(bǔ)能力。第二十三頁，共五十八頁。23一、數(shù)字程序控制的基本原理首先分析如圖4.6所示的平面曲線圖形，如何用計算機(jī)在繪圖儀或數(shù)控加工機(jī)床上重現(xiàn)，以此來簡要說明數(shù)字程序控制原理。1、曲線分割將所需加工的輪廓曲線，依據(jù)保證線段所連的曲線（或折線）與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)的原則分割成機(jī)床能夠加工的曲線線段。如將圖4.6所示的曲線分割成直線段ab，cd和圓弧曲線bc三段，然后把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來并送給計算機(jī)。4.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)第二十四頁，共五十八頁。242、插補(bǔ)計算根據(jù)給定的各曲線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)（即a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)），以一定的規(guī)律定出一系列中間點(diǎn)，要求用這些中間點(diǎn)所連接的曲線段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(bǔ)。常用的插補(bǔ)形式有直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。直線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近，當(dāng)然由此定出中間點(diǎn)連接起來的折線近似于一條直線，而并不是真正的直線。所謂二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近，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。對圖4.6所示的曲線，ab和cd段用直線插補(bǔ)，bc用圓弧插補(bǔ)比較合理。3、脈沖分配根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn)，對x、y方向分配脈沖信號，以控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、速度及轉(zhuǎn)動的角度，步進(jìn)電機(jī)帶動刀具，從而加工出所要求的輪廓。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，每一個脈沖信號將控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，從而帶動刀具在x或y方向移動一個固定的距離。把對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量或步長，常用△x和△y來表示，并且△x=△y。很明顯，脈沖當(dāng)量也就是刀具的最小移動單位，△x和△y的取值越小，所加工的曲線就越逼近理想的曲線。4.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)第二十五頁，共五十八頁。254.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)以計算機(jī)繪圖為例，來說明數(shù)字程序控制的基本原理

從理論上講，插補(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補(bǔ)運(yùn)算過程和加快插補(bǔ)速度，常用的是直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。所謂直線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點(diǎn)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(bǔ)是指在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近，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。步驟：

1.曲線分段：圖中曲線分為三段，分別為AB、BC、CD，A、B、C、D四點(diǎn)坐標(biāo)送計算機(jī)。分割原則：應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)。第二十六頁，共五十八頁。264.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)

2.插補(bǔ)計算插補(bǔ)計算：給定曲線基點(diǎn)坐標(biāo)，求得曲線中間值的數(shù)值計算方法。插補(bǔ)計算原則：通過給定的基點(diǎn)坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn)，這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值以一定的精度逼近給定的線段。直線插補(bǔ)(在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近)；二次曲線插補(bǔ)－圓弧、拋物線、雙曲(在給定的兩個基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近)。3.折線逼近：根據(jù)插補(bǔ)計算出的中間點(diǎn)、產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓。步長：刀具對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置，可以用△x,△y表示，一般△x＝△y。x方向步數(shù)：Nx＝(xe-x0)/△x；y方向步數(shù)：Ny＝(ye-y0)/△y第二十七頁，共五十八頁。274.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)二、數(shù)字程序控制方式1、按控制對象的運(yùn)動軌跡分類點(diǎn)位控制（定位）：在一個點(diǎn)位控制系統(tǒng)中，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，對于對刀具的移動路徑、移動速度、移動方向不作規(guī)定，即刀具從一個定位點(diǎn)到另一個定位點(diǎn)的運(yùn)動軌跡并無嚴(yán)格要求，并且在移動過程中不做任何加工，只是在準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后才開始加工。在機(jī)床加工業(yè)中，采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控沖床等。直線切削控制（單軸切削：這種控制除了要控制點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動速度和路線，刀具運(yùn)動路線只是相對于工件平行某一直角坐標(biāo)軸作平行移動，且在運(yùn)動過程中能以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削加工。需要這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。輪廓切削控制（多軸切削）：這類控制的特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€或兩個以上的運(yùn)動坐標(biāo)的位移和速度同時進(jìn)行控制?？刂频毒哐毓ぜ喞€不斷地運(yùn)動，并在運(yùn)動過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，以獲得給定坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)。這類控制用于數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、齒輪加工機(jī)床和加工中心等。第二十八頁，共五十八頁。28三種方式比較4.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)驅(qū)動電路插補(bǔ)應(yīng)用范圍點(diǎn)位控制簡單無數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控沖床等。直線切削控制復(fù)雜無數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。輪廓切削控制復(fù)雜需數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、齒輪加工機(jī)床和加工中心等。在上述3種控制方式中，點(diǎn)位控制最簡單，因為它的運(yùn)動軌跡沒有特殊要求，運(yùn)動時又不加工，所以它的控制電路簡單，只需實(shí)現(xiàn)記憶和比較功能。記憶功能是指記憶刀具應(yīng)走的移動量和已走過移動量；比較功能是指將記憶的兩個移動量進(jìn)行比較，當(dāng)兩個數(shù)值的差為零時刀具應(yīng)立即停止。第二十九頁，共五十八頁。294.2.1數(shù)字程序控制基礎(chǔ)2、根據(jù)有無檢測反饋元件分類閉環(huán)數(shù)字程序控制：右圖給出了閉環(huán)數(shù)字程序控制的結(jié)構(gòu)圖。這種控制方式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可采用交流或直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件，反饋測量元件采用光電編碼器、光柵、感應(yīng)同步器等，在工作中反饋測量元件隨時檢測移動部件的實(shí)際位移量，及時反饋給數(shù)控系統(tǒng)并與插補(bǔ)運(yùn)算所得到的指令信號進(jìn)行比較，其差值又作為伺服驅(qū)動的控制信號，進(jìn)而帶動移動部件消除位移誤差。該控制方式控制精度高，主要用于大型精密加工機(jī)床，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以調(diào)整和維護(hù)，一些簡易的數(shù)控系統(tǒng)很少采用。開環(huán)數(shù)字程序控制：開環(huán)數(shù)字程序控制的結(jié)構(gòu)如左圖所示，這種控制系統(tǒng)與閉環(huán)數(shù)字程序控制方式的最大不同之處在于沒有反饋檢測元件，一般由步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)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?zhǔn)確到達(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置，不做任何檢測，因此這種控制的精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置來決定。開環(huán)數(shù)字程序控制雖然控制精度低于閉環(huán)系統(tǒng)，但具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、易于調(diào)整和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，使得系統(tǒng)的可靠性變得更加靈活，更易于實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動軌跡控制。第三十頁，共五十八頁。304.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理插補(bǔ)既可用硬件插補(bǔ)器來完成，也可用軟件來實(shí)現(xiàn)。早期的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）都采用硬件的數(shù)字邏輯電路來完成插補(bǔ)工作。在CNC中，插補(bǔ)工作一般由軟件來完成，有些數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)工作是由軟硬件配合完成。軟件插補(bǔ)法可分為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)算法廣泛應(yīng)用在以步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)（即分配脈沖的計算）在計算過程中不斷向各個坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，驅(qū)動坐標(biāo)軸電動機(jī)運(yùn)動。目前盡管閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)已廣泛使用，但以步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)仍在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和一些控制精度要求不高的場合得到大量使用。常用的基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)算法有逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。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(diǎn)比較插補(bǔ)。加工精度:逐點(diǎn)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)到加工精度的要求第三十一頁，共五十八頁。31一、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）偏差計算公式設(shè)加工的軌跡為第一象限中的一條直線OA，如圖4.9所示。設(shè)加工起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿直線OA進(jìn)給到終點(diǎn)A（x0，y0）。點(diǎn)m（xm，ym）為加工點(diǎn)（動點(diǎn)），若點(diǎn)m在直線OA上，則有即定義直線插補(bǔ)的偏差判別式為顯然，若Fm=0，表明m點(diǎn)在直線段OA上；若Fm>0，m點(diǎn)在直線段OA上方，即點(diǎn)m’處；若Fm<0，m點(diǎn)在直線段OA下方，即點(diǎn)m”處。函數(shù)的正負(fù)反映了刀具與曲線的相對位置關(guān)系，這樣，根據(jù)值的大小，就可以控制刀具的進(jìn)給方向。第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是：從直線的起點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）出發(fā)，當(dāng)Fm≧0時，向+x方向走一步；Fm>0時，向+y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）相等時，即刀具到達(dá)了直線終點(diǎn)，完成了直線插補(bǔ)。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理第三十二頁，共五十八頁。322）進(jìn)給與偏差計算設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm≧0，表明m點(diǎn)在直線段OA上或OA上方，為逼近給定曲線，應(yīng)沿+x方向走一步至m+1，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為該點(diǎn)的偏差為(4.2)設(shè)加工點(diǎn)正處于m點(diǎn)，當(dāng)Fm<0，表明m點(diǎn)在直線段OA下方，為逼近給定曲線，應(yīng)沿+y方向走一步至m+1，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為該點(diǎn)的偏差為(4.3)由式（4.2）和式（4.3）可見，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，且加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)的偏差是已知的，即Fm=0。3）終點(diǎn)判別方法

刀具到達(dá)終點(diǎn)（x0，y0）時必須自動停止進(jìn)給。因此，在插補(bǔ)過程中，每走一步就要和終點(diǎn)坐標(biāo)比較一下，如果沒有到達(dá)終點(diǎn)，就繼續(xù)插補(bǔ)運(yùn)算；如果已到達(dá)終點(diǎn)就必須自動停止插補(bǔ)運(yùn)算。判斷是否到達(dá)終點(diǎn)常用的方法有以下幾種。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理。。第三十三頁，共五十八頁。334.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理在加工過程中利用終點(diǎn)坐標(biāo)值（x0，y0）與動點(diǎn)坐標(biāo)值（xm，ym）每走一步比較一次，直至兩者相等為止。在加工過程中取終點(diǎn)坐標(biāo)x0和y0中的較大者作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，稱此較大者為長軸，另一為短軸。在插補(bǔ)過程中，只要沿長軸方向上有進(jìn)給脈沖，終判計數(shù)器就減1，而短軸方向的進(jìn)給不影響終判計數(shù)器。由于插補(bǔ)過程中長軸的進(jìn)給脈沖數(shù)一定多于短軸的進(jìn)給脈沖數(shù)，長軸總是最后到達(dá)終點(diǎn)值，所以，這種終點(diǎn)判斷方法是正確的。用一個終點(diǎn)判別計數(shù)器，存放x和y兩個坐標(biāo)的總步數(shù)nxy，x或y坐標(biāo)每進(jìn)給一步，nxy減1，當(dāng)nxy=0時，即到達(dá)終點(diǎn)。4）第一象限直線插補(bǔ)計算流程綜上所述，逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)工作過程可歸納為以下4步：偏差判別，判斷上一步進(jìn)給后的偏差值F≥O還是F<0；坐標(biāo)進(jìn)給，根據(jù)偏差判別的結(jié)果和所在象限決定在哪個方向上進(jìn)給一步；偏差計算，計算出進(jìn)給一步后的新偏差值，作為下一步進(jìn)給的判別依據(jù)；終點(diǎn)判別，終點(diǎn)判別計數(shù)器減1，判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，若已到達(dá)終點(diǎn)就停止插補(bǔ)，若未到達(dá)終點(diǎn)，則返回到第一步，如此不斷循環(huán)直至到達(dá)終點(diǎn)為止。第三十四頁，共五十八頁。34

于是取偏差計算式為Fm=ymxe-xmye偏差判別式：若Fm=0，則點(diǎn)m在OA直線段上；若Fm>0，則點(diǎn)m在OA直線段的上方；若Fm<0，則點(diǎn)m在OA直線段的下方。進(jìn)給方向確定：當(dāng)Fm>=0時，沿+x軸方向走一步；當(dāng)Fm<0時，沿+y方向走一步；當(dāng)目前坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)相等，停止插補(bǔ)。偏差計算的簡化：（1）設(shè)加工點(diǎn)在m點(diǎn)，若Fm>=0，這時沿+x軸方向走一步至m＋1點(diǎn)。(xm+1，ym+1)=(xm+1,ym)Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=ymxe-xmye-ye=Fm–ye

（2）設(shè)加工點(diǎn)在m點(diǎn)，若Fm<0，這時沿+y軸方向走一步至m＋1點(diǎn)。推理有Fm+1=Fm+xe偏差計算簡化為：若m為起點(diǎn)0，則Fm=F0=0；否則：若Fm>=0，F(xiàn)m+1=Fm–ye

若Fm<0，F(xiàn)m+1=Fm+xe終點(diǎn)判斷：方法1：設(shè)置x，y軸兩個減法計數(shù)器Nx和Ny，加工前分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)xe和ye，x(y)軸每進(jìn)給一步則Nx–1(Ny–1）,當(dāng)Nx和Ny均為0，則認(rèn)為達(dá)到終點(diǎn)。方法2：設(shè)置一個終點(diǎn)計數(shù)器Nxy,x或y軸每進(jìn)給一步則Nxy–1，當(dāng)Nxy為0，則認(rèn)為達(dá)到終點(diǎn)。第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)偏差計算式：若點(diǎn)m在OA直線段上，則有:xm/ym=xe/ye即ymxe-xmye＝0

4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理偏差判別→坐標(biāo)進(jìn)給→偏差計算→終點(diǎn)判斷走一步→比較一次→決定下一步的走向插補(bǔ)結(jié)束判斷

第三十五頁，共五十八頁。352、4個象限的直線插補(bǔ)設(shè)A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的4種線型。它們的加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開始，則刀具進(jìn)給方向如圖右所示。凡F≥0時，向x方向進(jìn)給，在第一、第四象限向+x方向進(jìn)給；在第二、第三象限，向-x方向進(jìn)給；凡F<0時，向y方向進(jìn)給，在第一、第二象限向+y方向進(jìn)給；在第三、第四象限，向-y方向進(jìn)給。不管是哪個象限，都采用與第一象限相同的偏差計算公式，只是式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值均取絕對值。4個象限的進(jìn)給脈沖數(shù)和偏差計算表所示。3、直線插補(bǔ)計算的程序?qū)崿F(xiàn)在計算機(jī)的內(nèi)存中設(shè)置6個單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，XE存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)x0，YE存放終點(diǎn)縱坐標(biāo)y0，NXY存放總步數(shù)nxy，F(xiàn)M存放加工點(diǎn)偏差Fm，XOY存放直線所在象限值Fnl，ZF存放走步方向標(biāo)志。xOy=l，2，3，4分別代表第一、第二、第三、第四象限，xOy的值由終點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）的正、負(fù)符號來確定，F(xiàn)m的初值為F0=0，ZF=1，2，3，4分別代表+x、-x、+y、-y的走步方向。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理第三十六頁，共五十八頁。36圖4.11為直線插補(bǔ)計算的程序流程圖，它是按照插補(bǔ)計算過程的4個步驟即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算、終點(diǎn)判斷來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計算程序。例4.3設(shè)給定的加工軌跡為第一象限的直線OP，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)A（x0，y0），其值為（5，4），試進(jìn)行插補(bǔ)計算并作出走步軌跡圖。計算過程如表4.2所示。表中的終點(diǎn)判斷采用上述的第3種方法，計數(shù)長度4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理即x方向走5步，y方向走4步，共9步。插補(bǔ)過程如圖4.12所示。第三十七頁，共五十八頁。37

二、逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)

1、第一象限圓弧插補(bǔ)計算原理逐點(diǎn)比較法中，一般以圓心為坐標(biāo)，給出圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）和終點(diǎn)坐標(biāo)（xe、ye），如圖4.13所示。

1）偏差判別：現(xiàn)任取一點(diǎn)P，其坐標(biāo)為（x，y），則P點(diǎn)相對于圓弧AB也有3種情況。P點(diǎn)在圓弧上，4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理（4.4）則式中，R是圓弧半徑。令偏差值P點(diǎn)位于圓弧上時，F(xiàn)=0，P點(diǎn)在圓弧之外時，則OP>R，于是可以寫成即也就是說，P點(diǎn)在圓外時，其插補(bǔ)偏差F>0。P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時，則OP<R，于是可得即P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時，偏差值F<O。第三十八頁，共五十八頁。382）進(jìn)給不難看出，在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時，偏差的判別是以圓弧為界，并據(jù)此確定刀具的進(jìn)給方向：

P點(diǎn)在圓弧外時，F(xiàn)>0，向圓內(nèi)（-x方向）進(jìn)給一步；

P點(diǎn)在圓弧內(nèi)時，F(xiàn)<0，向圓外（+y方向）進(jìn)給一步；

P點(diǎn)在圓弧上時，F(xiàn)=0，規(guī)定按F>O處理。3)偏差計算依據(jù)式（4.4）計算偏差F，需進(jìn)行3項乘方的計算，比較費(fèi)時，為簡化計算，采用遞推法來求F值。以第一象限逆圓為例：設(shè)P點(diǎn)在圓外，F(xiàn)>O，則刀具向-x方向走一步，到達(dá)（x-1，y）點(diǎn)，設(shè)新點(diǎn)的偏差為F’，則有4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理若P點(diǎn)在圓內(nèi)，F(xiàn)<O，則刀具向+y方向走一步，新點(diǎn)的坐標(biāo)值為（x，y+1），設(shè)新點(diǎn)的偏差為F’，則有與直線插補(bǔ)一樣，總是設(shè)刀具從圓弧的起點(diǎn)開始插補(bǔ)，因此初始偏差值F0=0。此后的F值可用式（4.5）和式（4.6）算出。（4.5）（4.6）第三十九頁，共五十八頁。39

4）終點(diǎn)判別與直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別一樣，設(shè)置一個長度計數(shù)器，取x、y坐標(biāo)軸方向上的總步數(shù)作為計數(shù)長度值，每進(jìn)給一步，計數(shù)器減1，當(dāng)計數(shù)器減到零時，插補(bǔ)結(jié)束。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理

長度計數(shù)器的初值為（4.7）也可以每個坐標(biāo)方向設(shè)一個計數(shù)器，其計數(shù)長度分別為

x方向進(jìn)給時，

減1，在y方向進(jìn)給時減1。直至和第一象限逆圓插補(bǔ)的流程圖如圖4.14所示。在計算機(jī)的內(nèi)存中設(shè)置6個單元X0、Y0、XE、YE、NXY、FM，X0存放起點(diǎn)橫坐標(biāo)x0，Y0存放起點(diǎn)縱坐標(biāo)y0，XE存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)xe，YE存放終點(diǎn)縱坐標(biāo)ye，NXY存放總步數(shù)nxy，F(xiàn)M存放加工點(diǎn)偏差F，F(xiàn)的初值為F0=0，xe和ye的初值為x0和y0，與直線插補(bǔ)不同，每進(jìn)給一步后，除進(jìn)行新的偏差計算外，還要計算出新的坐標(biāo)值，供下一次偏差計算時使用。實(shí)際的程序，隨著處理方法的不同可能有較大的差別，但總是以處理方便、結(jié)構(gòu)簡單、程序執(zhí)行速度快等原則來考慮的。都減為零時，插補(bǔ)結(jié)束。第四十頁，共五十八頁。40

例4.4假設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，起點(diǎn)A的坐標(biāo)值為x0=4，y0=3，終點(diǎn)B的坐標(biāo)值為xe=0，ye=5。試進(jìn)行插補(bǔ)計算并作出走步軌跡圖。計算過程如表4.3所示。根據(jù)表4.3可作出圓弧插補(bǔ)走步軌跡如圖4.15所示。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理2、四象限的圓弧插補(bǔ)原理在實(shí)際應(yīng)用中，所要加工的圓弧可以在不同的象限中，可以按逆時針的方向加工，也可以按順時針的方向來加工。為了便于表示圓弧所在的象限及加工方向，可用SR1、SR2、SR3、SR4依次表示第一、二、三、四象限中的順圓弧，用NR1、NR2、NR3、NR4分別表示第一、二、三、四象限中的逆圓弧。前面以第一象限逆圓弧為例推導(dǎo)出圓弧偏差計算公式，并指出了根據(jù)偏差符號來確定進(jìn)給方向。其他3個象限的逆、順圓的偏差計算公式可通過與第一象限的逆圓、順圓相比較而得到。第四十一頁，共五十八頁。41下面推導(dǎo)第二象限順圓的偏差計算公式。如圖4.16所示的一段順圓弧CD，起點(diǎn)C，終點(diǎn)D，設(shè)加工點(diǎn)現(xiàn)處于M（x，y）。從圖中可以看出，若F≥O時，下一步應(yīng)沿+x方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是（x+1，y），可求出新的偏差為F’=F+2x+1

若F<O時，下一步應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是（z，y+1），可求出新的偏差為F’=F+2y+1

對于圖4.17（a），SR4與NR1對稱于x軸，SR2與NR1對稱于y軸，NR3與SR2稱于x軸，NR3與SR4對稱于y軸。對于圖4.17（b），SR1與NR2對稱于y軸，SR1與NR4對稱于x軸，SR3與NR2對稱于x軸，SR3與NR4對稱于y軸。顯然，對稱于x軸的一對圓弧沿x軸的進(jìn)給方向相同，而沿y軸的進(jìn)給方向相反；對稱于y一對圓弧沿y軸的進(jìn)給方向相同，而沿x軸的進(jìn)給方向相反。所以在圓弧插補(bǔ)中，沿對稱軸的進(jìn)給方向相同，沿非對稱軸的進(jìn)給方向相反；其次，所有對稱圓弧的偏差計算公式，只要取起點(diǎn)坐標(biāo)的絕對值，就與第一象限中NRl或SRl的偏差計算公式相同。8種圓弧的插補(bǔ)計算公式及進(jìn)給方向如表4.4所示。4.2.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理第四十二頁，共五十八頁。42

4.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是靠脈沖來驅(qū)動的，也稱脈沖電機(jī)；是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件；它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電式數(shù)摸（D/A）轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)變成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。其速度與脈沖頻率成正比，可通過改變脈沖頻率在較寬范圍內(nèi)調(diào)速。由于其輸人為電脈沖，因而易與微型計算機(jī)或其他數(shù)字元器件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。它作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于自動控制和精密儀器等領(lǐng)域，例如在儀器儀表、機(jī)床設(shè)備以及計算機(jī)的外圍設(shè)備中（打印機(jī)和繪圖儀等）。這些設(shè)備移動部分的總移動步數(shù)取決于指令脈沖的總數(shù)，而移動速度則取決于指令脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式（VR：VariableReluctance）步進(jìn)電機(jī)、永磁式（PM：PermanentMagnet）步進(jìn)電機(jī)及混合式（HB：hybrid）步進(jìn)電機(jī)三類。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。第四十三頁，共五十八頁。434.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)：給一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一下。其輸入：脈沖；輸出：位移；脈沖數(shù)：決定位移量；脈沖頻率：決定位移的速度.步距角（步進(jìn)角）：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步矩角越小精度越高，步矩角是步進(jìn)電機(jī)接收一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器都有細(xì)分表，假如你設(shè)定的細(xì)分為1000，則表示步進(jìn)電機(jī)接收1000個脈沖旋轉(zhuǎn)一周，那步矩角就是0.36度。步進(jìn)驅(qū)動器的細(xì)分是固定的，如果步矩角是0.01度，那細(xì)分就應(yīng)該是36000。第四十四頁，共五十八頁。444.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語

相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。第四十五頁，共五十八頁。454.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：

步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。第四十六頁，共五十八頁。464.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時序為AB-BC-CD-DA為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)特性一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一圈360度，需要48個脈沖完成。步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。第四十七頁，共五十八頁。474.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。通常步進(jìn)電機(jī)步距角β的一般計算按下式計算。β=360°/（Z·m·K）式中β―步進(jìn)電機(jī)的步距角；Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m―步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)；K―控制系數(shù)，是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）：步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩；無激磁保持轉(zhuǎn)矩（DETENTTORQUE）：步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。力矩與轉(zhuǎn)速成反比。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。第四十八頁，共五十八頁。484.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率高于空載啟動頻率時，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。減輕振動和噪聲的方法步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來克服：A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)；D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。第四十九頁，共五十八頁。49一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖4.18所示為一個三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子是由硅鋼片疊成的，每相有一對磁極（N、S極），每個磁極的內(nèi)表面都分布著多個小齒，它們大小相同，間距相同。該定子上共有3對磁極。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對磁極有3個繞組，形成三相?？梢缘贸?，四相步進(jìn)電動機(jī)有4對磁極、4相繞組；五相步進(jìn)電動機(jī)有5對磁極、5相繞組；依此類推。轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形狀相似。2、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)的“相”----繞組的個數(shù)；“拍”繞組的通電狀態(tài)。如果對一相繞組通電的操作稱為一拍，那對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。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(jī)轉(zhuǎn)動一個齒距。對A、B、C三相輪組輪流通電一次稱為一個周期。4.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)第五十頁，共五十八頁。50步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動。在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，就必須對步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組以適當(dāng)?shù)臅r序進(jìn)行通電。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過程可以用圖4.19來說明。圖4.19是一個三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每相都有一對磁極。每個磁極都只有一個齒，即磁極本身，故三相步進(jìn)電機(jī)有3對磁極共6個齒；其轉(zhuǎn)子有4個齒，分別稱為0、1、2、3齒。直流電源U通過開關(guān)SA、SB、SC分別對步進(jìn)電機(jī)的A、B、C相繞組輪流通電。初始狀態(tài)時，開關(guān)SA接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B、C相磁極形成錯齒狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)SA斷開，Se接通，B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號齒之間的磁力線作用，使得轉(zhuǎn)子的1、3號齒與B相磁極對齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號齒就使A、C相繞組磁極形成錯齒狀態(tài)。此后，開關(guān)SB斷開，SC接通。C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號齒和C相磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC斷開，SB接通后，A相繞組磁極相轉(zhuǎn)子1、3號齒之間的磁力線的用，使轉(zhuǎn)子1、3號齒和A相繞組磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的0、2號齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。很明顯，這時轉(zhuǎn)子移動了一個齒距角。4.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)第五十一頁，共五十八頁。51

如果對一相繞組通電的操作稱為一拍，那么對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。對A、B、C三相繞組輪流通電一次稱為一個周期。從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒輪，需要三拍操作。由A→B→C→A相輪流通電，此磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動了360°空間角，而這時轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置，在圖4.19中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4，故齒距角90，轉(zhuǎn)動了一個齒距也即轉(zhuǎn)動了90。對于一個步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為z，它的齒距角θz為4.2.3步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)(4.8)而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行”拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)進(jìn)一個齒距位置。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角口可以表示如下：其中，n是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。對于圖4.18所示的三相步進(jìn)電機(jī)，若采用三拍方式，則它的步距角是(4.9)對于轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機(jī)而言，其步距角是第五十二頁，共五十八頁。52二、步進(jìn)電機(jī)的工作方式

步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相等多種形式，為了分析方便，下面仍以三相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行分析和討論。步進(jìn)電機(jī)可工作于單相