第4章 数字程序控制技术.
第4章_顺序控制与数字程序控制-
常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等
9/20/2019
第4章 顺序控制与数字程序控制
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1、数字程序控制原理
把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲形式去控制x、 y方向上的步进电机（绘图笔、或加工刀具），从而绘出图形 或加工出所要求的轮廓。
每一个脉冲信号步进电机走一步，即绘图笔或刀具在 x 或 y 方向移动一步。
插补器实际上是一个函数发生器，能按给定的基本数据 产生一定的函数曲线，并以增量形式向各坐标连续输出，以 控制机床刀具按给定的图形运动。
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第4章 顺序控制与数字程序控制
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1、数字程序控制原理 基点
基点
图中abcd为绘图仪绘图 曲线或零件的加工曲线。
Y 基点 c
将图中的曲线分成若干
d
段：
即 ymxexmye0
定义直线插补的偏差判别式为： Fmymxexmye
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第4章 顺序控制与数字程序控制
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（1）逐点比较直线插补
Fmymxexmye
Y
* 若Fm＝0，点m在OA上； * 若Fm > 0，点m在OA上方，ym
即为点m’；
* 若Fm< 0，点m在OA下方， 即为点m’’。
所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据， 控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运 动速度等规律自动地完成工作的自动控制。
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第4章 顺序控制与数字程序控制
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二、数字程序控制基础
数字程序控制系统一般由输入装置、输出装置、控制器 和插补器四部分组成。
控制器和插补器的功能及部分输入输出接口由计算机实 现。
定义偏差判别式： FmRm 2R2
数字化控制技术
1.数字化控制技术编辑本义项数控技术求助编辑百科名片术。
它所控制的通常输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。
数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。
1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
数控机床现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
编辑本段数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。
1.高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技数控机床工作流程术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。
近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。
这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
浅议数字程序控制技术
一
、
前 言
所谓数字程序控制 ， 就是计算机根据输入 的指令 和数 据 ， 制生产机 械（ 控 如各种加工机床 ） 按规 定的工作顺 序 、 运动轨迹 、 运动距离和运动速度等规律 自动地完成工作 的 自动控制 。世界上第一 台数控机床是 １５ ９２年美国麻省理
工学院 （ Ｔ 伺服机构实验 室开 发出来的 ， ＭＩ ） 当时的主要动
控制用于铣 床、 车床 、 床、 磨 齿轮加工机床等 。 在上述三种控制 方式 中以点位 控制最简单 ， 因为它的 运 动轨迹没有特 殊要求 ， 运动 时又不加 工 ， 以它 的控制 所 电路只要具有记 忆 （ 下刀具 应走 的移动 量和 已走过 的 记
而绘 出图形或加工 出所 要求 的轮 廓来 。这里 的每一个 脉
２ 当给定 ａ ｂ Ｃ ｄ各点坐标 ｘ和 ｙ 之后 ， ． ，、 、 值 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
坐标 。 以一 定 的速 度 连 续 定 出 一 系 列 中 问 点 ， 这 些 中 间 而
潘 日明
（ 广东 罗定职业 技术学院 ， 广东罗定 ， ２２ ０ ５７０ ）
［ 摘
要］ 数字程序控 制主要 用于机 床的 自动控制 ， 如用于铣床 、 车床 、 工中心、 加 线切割机 以及 焊接机、 气割机 等 的 自
动控制 系统 中。采 用数 字程 序控制的机床叫做 数控机 床 ， 数控机 床具 有能加 工形 状复 杂的零件 、 工精 度 高、 加 生产效 率 高、 于改变； ｒ 便 Ｏ－零件品种 等许 多特 点 ， 它是实现机床 自动化 的一 个重要发展方 向。 ［ 关键 词】 计算机 ； 数字程序 ； 制原理 ；电路技 术 控 ［ 中图分类号 ］ Ｐ ０ Ｔ ３ ［ 文献标识码］ Ａ ［ 文章编号 ］６ ３ ３ ７ （Ｏ Ｏ ｏ ． ０ ４ ＿ｏ １７－ ８８ ２ ｌ ）４ － １ｏ － ２
《计算机控制技术》课程教学大纲
《计算机控制技术》课程教学大纲课程代码：ABJD(M16课程中文名称:计算机控制技术课程英文名称：ComputerContro1Techno1ogy课程性质：必修课程学分数：2学分课程学时数：32学时授课对象：自动化专业本课程的前导课程：数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、自动控制原理等一、课程简介该课程是自动化专业一门重要的专业必修课。
它的目的是使学生通过本课程的学习，获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。
学习掌握计算机控制系统软硬件设计的基本方法与原则。
通过本课程的学习，使学生具有计算机控制系统硬件设计、应用软件编程与系统调试的基本能力。
二、教学基本内容和要求1 .绪论课程教学内容：计算机控制技术一般概念，计算机控制系统的组成和分类，计算机控制系统的发展概况和趋势。
课程的重点、难点：计算机控制系统工作原理、组成和分类。
课程教学要求：了解计算机控制技术一般概念、计算机控制系统的发展概况和趋势。
理解计算机控制系统控制过程。
掌握计算机控制系统组成结构和分类。
2 .输入输出过程通道与接口技术课程教学内容：模拟量输入输出通道，数字量输入输出通道，人机接口技术，电机控制接口技术。
课程的重点、难点：D/A、A/D转换器接口技术和模板标准化设计，数字量输入输出通道，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。
课程教学要求：了解模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道的结构形式组成。
理解D/A、A/D转换的工作原理，人机接口电路工作原理，电机接口电路工作原理等。
掌握模拟量输入输出通道设计技术，数字量输入输出通道设计技术，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。
3 .计算机控制基础理论课程教学内容：计算机控制系统的信号变换理论，计算机控制系统的数学描述，连续系统的离散化方法及特点。
课程的重点、难点：计算机控制系统的信号变换理论，Z变换与反Z变换的定义，连续系统的离散化方法，差分方程的求解。
第4章_S7-200PLC的基础知识
•
工作：PLC运行时，每执行完一遍程序，逻辑运算的结果就存入到相应
的一位存储器中。其中需要控制输出开关的运算结果存到输出映像存储 器中。这个输出映像存储器在PLC程序中，可以按位存取，其中的每一 位，就是一个输出继电器。
27
输入输出elay)
表4.3
16
（3）模块电流 CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如 表4.4所示。
表4.4扩展模块所消耗的5VDC电流值
17
最大I/O配制的预算原则:
•映像寄存器的数量
扩展后I/O的总点数不能大于输入和输出映像寄存器的数量。
• CPU的供电能力
同一PLC系统中所有扩展模块所消耗的电流总和不得超过 CPU 所能提供的电流值。 不同型号的CPU提供5VDC和24VDC电源的容量不同。
扩展模块
设备连接
最大I/O配置的预算 I/O点数扩展和编址
数控机床的主传动系统
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
计算机控制技术课程答案
第一章（绪论）作业1.1什么是计算机控制系统？工作原理是怎样的？答：（1）计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。
、（2）计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：a、实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
b、实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
c、实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
1.2它由哪几部分组成？答：计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关装置。
计算机控制系统的组成框图见书本第2页（图1.2）。
1.3 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？答：（1）操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活，安全。
缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
（2）直接数字控制系统（DDS）优点：实时性好，可靠性高，适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最优工况。
（4）分散控制系统（DCS）优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统（FCS）优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。
国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。
1.4 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
计算机控制技术资料
重点习题和思考题第1章计算机控制习题概述1.计算机控制系统中实时性、离线方式、在线方式的含义？答：生产过程和计算机直接连接, 并受计算机控制的方式为在线方式；生产过程不和计算机连接, 且不受计算机控制、而是靠人进行联系并作相应操作的方式为离线方式。
实时: 信号的输入、计算、输出都要在一定的时间范围内完成。
2.计算机控制系统由哪几部分组成？答: 硬件组成: 主机、IO接口、通用外部设备、检测元件和执行机构、操作台。
软件组成: 系统软件和应用软件。
3.计算机控制技术的主要发展趋势是什么？答：（1）综合自动化, 包括CIMS和CIPS；（2）网络化；（3）智能化；（4）虚拟化；（5）绿色低碳化。
第2章工业控制计算机1.什么是总线、内部总线、外部总线答：总线是一种接口信号的标准和协议, 提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。
内部总线指微机内部各功能模块间进行通信的总线。
外部总线指用于计算机与计算机之间或计算机与其他智能外设之间的通信线路2.哈佛结构和冯诺伊曼结构的区别答：冯诺伊曼结构, 程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储结构；哈佛结构程序指令存储和数据存储分开的存储结构。
3.工控机和普通PC的区别答：机箱加固、防尘；工业电源, 有时双电源；无源母板；一体化主板第3章 IO接口和过程通道1.什么是接口、接口技术和过程通道？答: 接口是计算机和外部设备交换信息的桥梁, 包括输入和输出接口；接口技术是研究计算机和外部设备之间如何交换信息的技术；过程通道指在计算机和生产过程之间设置的信息传送和交换的连接通道。
2.模拟输入通道中信号调理的作用, 为什么需要量程变换, 为什么需要I/U变换？答: 现场过来的信号经过放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号。
多参数信号采集时, 各路信号电流信号经过长距离传输到计算机接口电路, 经过I/U变换成电压信号才能进行A/D转换进入计算机被处理。
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3) 插补计算过程 （1）偏差判别：判断上一步进给后的偏差是F>=0还是F<0； （2）坐标进给：根据所在象限和偏差判别的结果，决定进 给坐标轴及其方向； （3）偏差计算：计算进给一步后新的偏差，作为下一步进 给的偏差判别依据； （4）终点判断：进给一步后，终点计数器减1，判断是否到 达终点，到达终点则停止运算；若没有到达终点，返回 （1）。如此不断循环直到到达终点。 2.四个象限的直线插补 不同象限直线插补的偏差符号和进给方向如图4-5所示， 2象限：1象限以y轴镜象；4象限：1象限以x轴镜象；3象 限：1象限旋转180度。计算时，公式中的终点坐标值xe和 ye均采用绝对值。
Fm 0 ， 偏差判别：若 Fm 0 ，表明加工点m在圆弧上； 表明加工点m在圆弧外；Fm <0 ，表明加工点m在圆弧内。
由此可得第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理是：从 圆弧的起点出发，当 Fm 0 ，为了逼近圆弧，下一步向-x方 向进给一步，并计算新的偏差；若Fm <0 ，为了逼近圆弧， 下一步向+y方向进给一步，并计算新的偏差。如此一步步 计算和一步步进给，并在到达终点后停止计算，就可插补 AB 。 出如图4-8所示的第一象限逆圆弧
1. 基本思路： 数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成， 也可能有一些非圆曲线轮廓，因此可 以用分段曲线（曲线基点和曲线属性） 拟合加工轮廓
2. 步骤： 1）曲线分段 2）插补计算 3）折线逼近
4.1.2 数字程序控制方式
数字程序控制按运动控制的特点分为如下3种方式： 点位控制、直线切削控制、轮廓切削控制。 1. 点位控制(Point To Point-PTP) 点位控制驱动电路简单，无需插补 2. 直线切削控制 直线切削控制驱动电路复杂，无需插补。 3. 轮廓的切削控制(Continuous Path-CP) 轮廓切削控制驱动电路复杂，需插补。
3. 直线插补计算的程序实现 1) 数据的输入及存放 在计算机的内存中开辟六个单元XE、YE、NXY、FM、 XOY和ZF，分别存放终点横坐标xe 、终点纵坐标ye 、总步 数Nxy 、加工点偏差Fm 、直线所在象限值xoe和走步方向标 志。其中Nxy= Nx+Ny；XOY等于1、2、3、4分别代表第一、 第二、第三、第四象限，XOY的值可由终点坐标(xe,ye)的 正、负符号来确定；FM的初值为F0=0；ZF等于1、2、3、4 分别代表+x 、-x、+y 、-y 走步方向。 2) 直线插补计算的程序流程 图4-6为直线插补计算的程序流程图，该图按照插补 计算过程的四个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、 终点判断来实现插补计算程序。偏差判别、偏差计算、终 点判断是逻辑运算和算术运算，容易编写程序，而坐标进 给通常是给步进电机发走步脉冲，通过步进电机带动机床 工作台或刀具移动。
4.1.3
开环数字程序控制
数字程序控制按伺服系统的类型分为闭环方式和开环 方式两种。 1．闭环数字程序控制
2．开环数字程序控制
4.2
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。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向 给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步 就向给定轨迹的外面走，…。如此，走一步、看一看，比 较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐 点比较插补。
2）简化的偏差计算的递推公式 （1）设加工点正处于 m xm , ym 点，当 Fm 0 时，应沿-x方向进 xm 1 xm 1 。新的加工点的 给一步至(m+1)点，其坐标值为： ym 1 ym 偏差为 2 2 2 2 2 Fm 1 xm 1 ym 1 R ( xm 1) ym R Fm 2 xm 1 （4-5） （2）同理，当Fm < 0时，新的加工点偏差为 2 2 2 2 2 Fm 1 xm 1 ym 1 R xm ( ym 1) R Fm 2 ym 1 （4-6） 由以上可知，只要知道前一点的偏差和坐标值，就可求出 新的一点的偏差。因为加工点是从圆弧的起点开始，故起 点的偏差 F0 0 。 3) 终点判断方法 终点判断方法和直线插补相同，可以采用双计数器方法或 单计数器方法。
4.2.1
逐点比较法直线插补
1．第一象限内的直线插补 1) 偏差计算公式 现定义直线插补的偏差计算式为:
偏差判别：若Fm =0，表明 点m在OA直线段上;若Fm >0 ， 表明点m在OA直线段的上方Fm <0即点m'处；若 Fm <0，表明 点m在直线段的下方,即点m"处。
简化的偏差计算公式 （1）设加工点正处于m点，当 Fm 0 时，表明m点在OA上或OA 上方，应沿+x方向进一步至(m+1)点，该点的坐标值为
第4章
数字程序控制技术
计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的 工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动完成 工作的自动控制，称为数字程序控制。
4.1 数字程序控制基础 4.1.1
4.1 数字程序控制基础
数字程序控制原理 如图4-1所示平面图形，如何用计算机在绘图仪或加 工装置上重现。
【例4.1】 设加工第一象限直线OA，起点坐标为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)， 试进行插补计算并作出走步轨迹图。 解：xe＝6，ye＝4，进给总步数 Nxy= |6-0|+|4-0|=10,F0=0，插补计算过程如表 4-1，走步轨迹如图4-7。
4.2.2
逐点比较法圆弧插补
1．第一象限内的圆弧插补 1)偏差计算公式 由图4-8所示的第一象限逆圆弧 可 2 2 2 知，Rm ，R2 x02 y02 。因此，可定义偏差计算式为： xm ym 2 2 2 Fm Rm R2 xm ym R2 （4-4）
xm 1 xm 1 ，该点的偏差为 Fm1 ym1 xe xm1 ye ym xe ( xm 1) ye Fm ye ym 1 ym
（2）设加工点正处于m点，当 Fm <0 时，表明m点在OA下方， 应向+Y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为