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1、第5章数字控制技术5.1数字控制基础数字控制主要用于数控机床、线切割机、焊接机、气割机以及低速小型数字绘图仪等。数控机床可以加工形状复杂的零件，具有加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等众多优点，是机床实现自动化的发展方向。对于不同的设备，其控制系统有所不同，但基本的数字控制原理是相同的。5.1.1数字控制的基本原理平面曲线图形如图5-1所示，下面分析如何利用计算机在绘图仪或加工装置上重现，下面分四步。ycdabOx图5-1曲线分段1）将此曲线分割成若干线段，可以是直线段，也可是曲线段，把该图分割成3段，即ab，bc和弧线c
2、d，然后把a,b,c,d四点坐标记下来并送给计算机。2）当给定a,b,c,d各点坐标和x,y值之后，如何确定各坐标值之间的中间值？求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段的。3）把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制x,y方向上的步进电机，带动画笔、刀具或线电机运动，从而绘出图形或加工出符合要求的轮廓。这里的每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即画笔或刀具在x方向或y方向移动一个位置。我们把对应于每个脉冲
3、移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用和x来表示，并且总是y取=x。y图5-2是一段用折线逼近直线的直线插补线段，其中（x0,y0）代表该线段的起点坐标值，（xe,ye）代表终点坐标值，则x方向和y方向应移动的总步数Nx和Ny分别为xxe0Nxxyye0Nyyy(xe,ye)(x0,y0)Ox图5-2用折线逼近直线段如果把x和y约定为坐标增量值，即X0,Y0,Xe,Ye均是以脉冲当量定义的坐标值，则NXXxe0NYYye05.1.2数字控制方式数控系统按控制方式来分类，可以分为点位控制、直线切削
4、控制和轮廓切削控制，以上三种控制方式均是运动的轨迹控制。1．点位控制在一个点位控制系统中，只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位，至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向都无需规定，并在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。在机床加工行业，钻床、冲床、镗床采用这类控制。2．直线切削控制这种控制也主要是控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。需要这类控制的有铣床、车床、磨床、加工中心等。3．轮廓的切
5、削控制这类控制的特点是能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令，以获得图纸坐标点之间的中间点。这类控制用于铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。5.1.3数字控制系统计算机数控系统主要分为开环数字控制和闭环数字控制两大类，由于它们的控制原理不同，因此其系统结构差异很大。1．闭环数字控制闭环数字控制的结构图如图5-3所示。这种结构的执行机构多采用直流电压（小惯量伺服电机和宽调速力矩电机）作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编
6、码器（码盘）、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。伺服电机伺服计算机D/A工作台驱动电路电机测量元件图5-3闭环数字控制2．开环数字控制开环数字控制的结构如图5-4所示，这种控制结构没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。步进电机计算机步进电机工作台驱
7、动电路图5-4开环数字控制开环数字控制结构简单，并且可靠性高、成本低、易于调整和维护等，应用最为广泛。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。5.2逐点比较法插补原理所谓逐点比较法插补，就是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，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即步长）取得足
8、够小，就可达到加工精度的要求。5.2.1逐点比较法直线插补1．第一象限内的直线插补（1）直线插补计算原理假设加工的轨迹为第一象限中的一条直线OA，如图5-5所示。yP(x,y)A(xe,ye)P(x,
