第七章-数控机器运动控制指令生成课件.ppt

1、 机械电子工程机械电子工程1 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第七章第七章 数控数控机器运动控制指令生成机器运动控制指令生成 机械电子工程机械电子工程2 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第一节第一节 运动控制分类运动控制分类一、运动控制分类 1、点位控制 2、连续路径控制（轮廓控制或仿形控制）连续路径控制一般为闭环伺服控制系统。连续路径控制一般为闭环伺服控制系统。点位控制可以采用开环或闭环伺服控制系统。点位控制可以采用开环或闭环伺服控制系统。机械电子工程机械电子工程3 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子

2、工程机械电子工程4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics二、机器人按控制水平分类 1、点位控制机器人 2、连续路径控制机器人 3、控制路径机器人三、路径和轨迹 1、路径 2、轨迹 机械电子工程机械电子工程5 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics四、曲线描述方法 1、非参量法 2、参量法 0 xyr222ryx22xry22xrxdxdy trytrxsincos非参量法存在的问题：P234参量法解决了的问题：P234 机械电子工程机械电子工程6 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第二节第二节 运动控制与插补原理运动控制与

3、插补原理运动控制指令由插补器生成 一、运动控制的发展 机械电子工程机械电子工程7 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子工程机械电子工程8 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics二、插补的概念 机械电子工程机械电子工程9 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics数字微分分析DDA 插补方法：（1）脉冲增量插补(如DDA法,P236)（2）数据采 集插补(P242)机械电子工程机械电子工程10 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics三、DDA法插补 1、DDA直线插补 机械电子工程机械电子工程11 机

4、电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子工程机械电子工程12 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子工程机械电子工程13 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子工程机械电子工程14 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 机械电子工程机械电子工程15 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 数控机床的核心问题是控制刀具或工件的运数控机床的核心问题是控制刀具或工件的运动，加工出零件的表面形状。在加工各种零件轮动，加工出零件的表面形状。在加工各种零件轮廓时，必须控

5、制刀具相对于工件以给定的速度沿廓时，必须控制刀具相对于工件以给定的速度沿指定的路径运动，即控制各轴按某一规律协调运指定的路径运动，即控制各轴按某一规律协调运动。动。这个功能在数控系统中称为插补功能这个功能在数控系统中称为插补功能。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，根据插补所采用的原理和计算方法的不同，目前应用的插补方法分为两类：目前应用的插补方法分为两类：基准脉冲基准脉冲(脉冲增脉冲增量量)插补插补和和数据采样插补数据采样插补。数控机床中的插补问题数控机床中的插补问题 机械电子工程机械电子工程16 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics基准脉冲插补基准脉冲插补 每插补

6、运算一次，最多给每一个运动坐标轴每插补运算一次，最多给每一个运动坐标轴送出一个脉冲。每个脉冲代表一个最小位移量，送出一个脉冲。每个脉冲代表一个最小位移量，脉冲系列的频率代表坐标运动的速度，脉冲数量脉冲系列的频率代表坐标运动的速度，脉冲数量表示其位移量。最高进给速度取决于插补软件一表示其位移量。最高进给速度取决于插补软件一次插补所需的时间，这类方法的特点是简单易实次插补所需的时间，这类方法的特点是简单易实现，通常只要做加法和位移即可。现，通常只要做加法和位移即可。其每插补运算其每插补运算一次，最多给每一运动坐标轴送一个进给脉冲一次，最多给每一运动坐标轴送一个进给脉冲。机械电子工程机械电子工程17

7、 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 基准脉冲插补方法：基准脉冲插补方法：数字脉冲乘法器插补法、数字脉冲乘法器插补法、逐点比较法逐点比较法、数字数字积分法积分法(DDA(DDA法法)、比较积分法、矢量判别法等。、比较积分法、矢量判别法等。其中其中逐点比较法、数字积分法用的最多逐点比较法、数字积分法用的最多，适适用于以步进电机为驱动装置的开环、闭环系统用于以步进电机为驱动装置的开环、闭环系统和和粗精二级插补以及其它的经济型数控系统，其最粗精二级插补以及其它的经济型数控系统，其最高速度受到限制高速度受到限制 。机械电子工程机械电子工程18 机电一体化系统设计机电一体化系统

8、设计Mechatronics逐点比较法每走一步需要完成四个工作节拍，逐点比较法每走一步需要完成四个工作节拍，a a 偏差判别偏差判别 b b 进给加工进给加工c c 偏差计算偏差计算 d d 终点判别终点判别 未到终点时，继续重复上述四个节拍（步未到终点时，继续重复上述四个节拍（步骤）的循环过程。骤）的循环过程。1 1、逐点比较法直线插补原理、逐点比较法直线插补原理 按照四个工作节拍进行分析：按照四个工作节拍进行分析：逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 机械电子工程机械电子工程19 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics（1 1）偏差判别：）偏差判别：设要加工第一象限的

9、直线设要加工第一象限的直线OAOA，起点为坐起点为坐标原点，终点为标原点，终点为A(xA(xe e,y,ye e)，动点动点M M为刀尖的为刀尖的实际位置，建立直线方程式实际位置，建立直线方程式 。将直线将直线OMOM的斜率和直线的斜率和直线OAOA的斜率相比的斜率相比较可知：较可知：y yi i/x/xi i=y=ye e/x xe e,M,M点在线点在线OAOA上；上；y yi i/x/xi i y ye e/x xe e,M,M点在线点在线OAOA上方（图上上方（图上 MM点）点）y yi i/x/xI I y 0 0时，时，M M在直线上方在直线上方F Fi i 0 0时，时，M M在

10、直线下方在直线下方（2 2）进给加工）进给加工 为了减少加工误差，使刀具向加工直线靠拢。当为了减少加工误差，使刀具向加工直线靠拢。当F Fi i00时，应向时，应向“+“+x”x”方向发送一个脉冲；当方向发送一个脉冲；当F Fi i 0 0时，应时，应向向“+“+y”y”方向发送一个脉冲。每当发一个脉冲，动点方向发送一个脉冲。每当发一个脉冲，动点M M取取得新一点的坐标值，并可计算出新的偏差，从而决定下一得新一点的坐标值，并可计算出新的偏差，从而决定下一步的走向。步的走向。xyA(xe,ye)MM”M(xi,yi)O 机械电子工程机械电子工程21 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mecha

11、tronics （3 3）计算新偏差）计算新偏差 设某一时刻加工点设某一时刻加工点M(xM(xi i,y,yi i)。若偏差为若偏差为F Fi i00则刀具应该向则刀具应该向“+“+x”x”方向进给到达新的一点方向进给到达新的一点M M1 1(x(xi+1i+1,y,yi+1i+1)即有：即有：x xi+1i+1=x xi i+1+1,y,yi+1i+1=y yi i则则M M1 1的偏差为的偏差为 F Fi+1i+1=x=xe ey yi+1 i+1-y-ye ex xi+1i+1 =x xe ey yi i -y-ye e(x(xi i+1)+1)=x xe ey yi i -y ye e

12、x xi i-y-ye e =F Fi i -y-ye exyA(xe,ye)MM”M(xi,yi)O 机械电子工程机械电子工程22 机电一体化系统设计机电一体化系统设计MechatronicsxyA(xe,ye)MM”M(xi,yi)O若若 F Fi i000，则加工点则加工点M M在圆弧外（在圆弧外（MM点）；点）；若若F Fi i00，则加工点则加工点M M在圆弧内（在圆弧内（MM点）点）。机械电子工程机械电子工程28 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics （2 2）进给加工）进给加工 当当F Fi i00时，应向时，应向“-“-x”x”方向发送一个脉冲；方向发送

13、一个脉冲；当当F Fi i 0 0时，应向时，应向“+“+y”y”方向发送一个脉冲。每当方向发送一个脉冲。每当发一个脉冲，动点发一个脉冲，动点M M取得新一点的坐标值，并可计取得新一点的坐标值，并可计算出新的偏差，从而决定下一步的走向。算出新的偏差，从而决定下一步的走向。机械电子工程机械电子工程29 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics （3 3）计算新偏差）计算新偏差 新偏差计算可由下述方法得到：新偏差计算可由下述方法得到：设某时刻加工点设某时刻加工点M M在圆弧外侧，则在圆弧外侧，则F Fi i00，为减为减少偏差，应想少偏差，应想-x x 方向走一步，到达新的一点

14、方向走一步，到达新的一点(x xi+1i+1,y,yi+1i+1)，于是有于是有 ：x xi+1i+1=x=xi i-1-1 y yi+1i+1=y yi i 那么新的一点的偏差为那么新的一点的偏差为 F Fi+1i+1=x=xi+1i+12 2+y+yi+1i+12 2-R-R2 2 =(x =(xi i-1)-1)2 2+y+y2 2-R-R2 2 =x =xi i2 2-2x-2xi i+1+y+1+yi i2 2-R-R2 2 =F =Fi i-2x-2xi i+1+1 机械电子工程机械电子工程30 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics 若若M M点在圆弧的内侧

15、，其偏差点在圆弧的内侧，其偏差F Fi i00，为减少偏为减少偏差应向差应向+y y方向发送一个进给脉冲（方向发送一个进给脉冲（+y y）,而到达而到达新的一点新的一点(x xi+1i+1,y,yi+1i+1)，于是有：于是有：x xI+1I+1=x=xi i y yi+1i+1=y yi i+1+1 则新一点的偏差为：则新一点的偏差为：F Fi+1i+1=x=xi+1i+12 2+y+yi+1i+12 2-R-R2 2 =x =xi i2 2+(y+(yi i+1)+1)2 2-R-R2 2 =x =xi i2 2+y+yi i2 2+2y+2yi i+1-R+1-R2 2 =F =Fi i

16、+2y+2yi i+1+1 机械电子工程机械电子工程31 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics（4 4）终点判别终点判别 逐点比法圆弧插补的终点判别方法与直线插逐点比法圆弧插补的终点判别方法与直线插补完全相同。但是当使用第四种方法时，记数方补完全相同。但是当使用第四种方法时，记数方向向G G由圆弧在终点附近的趋向而定。若圆弧在终点由圆弧在终点附近的趋向而定。若圆弧在终点趋近于平行趋近于平行x x轴，则取轴，则取G=G=GxGx；若圆弧在终点趋近于若圆弧在终点趋近于平行平行y y轴，则取轴，则取G=G=GyGy。常用的是：常用的是：设一个计数器设一个计数器J J，把两个方

17、向的步数之和预置把两个方向的步数之和预置其中，每次进给一步，计数器其中，每次进给一步，计数器 J J 做一次减做一次减“1”“1”运算，直到运算，直到 J=0 J=0，表示到达终点，发出停机信表示到达终点，发出停机信号。一般计算时按被加工的各段曲线在计数方向号。一般计算时按被加工的各段曲线在计数方向的绝对值之和。的绝对值之和。机械电子工程机械电子工程32 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics初始化初始化置数置数xq,yq,F=0N=|xqx0|yqy0|F0?送一个（送一个（-x x）进给脉冲进给脉冲F=F-2x+1X=x-1F=F-2y+1Y=y-1送一个（送一个（+

18、y)y)进给脉冲进给脉冲N=n-1N=n-1n=0结束YNNY逐点比较法圆弧逐点比较法圆弧插补计算流程图插补计算流程图 机械电子工程机械电子工程33 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics例例2 2：第一象限逆圆：第一象限逆圆AB,AB,起点起点A A（5 5，0 0），），终点终点B(0,5),B(0,5),半径半径R=5R=5，终点判别采用第三种方法，用逐点比较法完成终点判别采用第三种方法，用逐点比较法完成插补运算。插补运算。解：插补总步数解：插补总步数N=xN=xi i+y yi i=5+5=10=5+5=10序号 工作节拍 偏差判别 进给脉冲 偏差计算 坐标 终点

19、判别 0 F0=0 x0=5,y0=0 n=10 1 F0=0-x F1=F0-2x0+1=-9 x1=4,y1=0 n=9 2 F10 y F2=F1+2y1+1=-8 x2=4,y2=1 n=8 3 F20 y F3=F2+2y2+1=-5 x3=4,y03=2 n=7 4 F30 y F4=F3+2y3+1=0 x4=4,y4=3 n=6 5 F4=0-x F5=F4-2x4+1=-7 x5=3,y5=3 n=5 6 F50 y F6=F5+2y5+1=0 x6=3,y6=4 n=4 7 F60-x F7=F6-2x6+1=-5 x7=2,y7=4 n=3 8 F70-x F9=F8-2

20、x8+1=1 x9=1,y9=5 n=1 10 F90-x F10=F9-2x9+1=0 x10=0,y10=5 n=0 机械电子工程机械电子工程34 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics合成运动轨迹如图：合成运动轨迹如图：第一象限逆圆插补轨迹第一象限逆圆插补轨迹 机械电子工程机械电子工程35 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第三节第三节 数字微分分析（数字微分分析（DDA）器）器步进电机的数控系统和参考脉冲伺服系统中 1、输入信号2、输出轴的转速3、输出轴的位置4、输出轴的转向5、数字微分分析法 机械电子工程机械电子工程36 机电一体化系统

21、设计机电一体化系统设计Mechatronics第三节第三节 数字微分分析数字微分分析（DDA）器）器一、常速度分布情况 设速度v为常量，则位置函数p(t)为：将时间N等份，则每一等份时间为于是：),()()(00ttvtptpfttt0NttTfs0sksNkkvTtpTvtptp)()()(110vtptpTkks)()(11，则：如 机械电子工程机械电子工程37 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第三节第三节 数字微分分析数字微分分析（DDA）器）器二、常加速度分布情况 ),()()(11kkktvtptp)()()(11kkktatvtv三、直线运动 yx2x1

22、x1y2yxy0L1212212212arctan ,)()(sin cos sin ,cosxxyyyyxxLvvvvLyLxyx，。和位置增量可以决定步进速度以及根据坐标yxvvvyxyxyx,),(),(2211 机械电子工程机械电子工程38 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第三节第三节 数字微分分析数字微分分析（DDA）器）器二、圆周运动 cossin sin ,cosRdtddtdyvRdtddtdxvRyRxRdtdRvyx 机械电子工程机械电子工程39 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第四节第四节 直线与圆弧插补器直线与圆弧

23、插补器yyyxxxNyyyNxxxvTyyxxNnnnnffsff11002020 /)(,/)()()(，（取整）一、直线插补器 二、圆弧插补器 机械电子工程机械电子工程40 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics第五节第五节 样条函数轨迹规划器样条函数轨迹规划器23000200000f ()()()()()2()3()(),()0 (),()0ffx tab ttc ttd ttx tbc ttd ttx txx tx txx t三次样条函数：位置和速度应满足微分得：的条件：一、点位运动控制 机械电子工程机械电子工程41 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mecha

24、tronics0ax0b 23000()()()ffffab ttc ttd ttx2002()3()0ffbc ttd tt0a 0b 0203()()ffxxctt0302()()ffxxdtt 机械电子工程机械电子工程42 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics2300000000020000000002200000maxmax0()3()()2()()()6()()6()()()()()612()()()()(3,62()ffffffffffffffffffttttx txxxxxttttxxxxtttttttttttttxxxxtttttttttxxxxvatt

25、xx则：200000maxmax000)()()6()3(),()2max(),()ffffvfaffvfattxxxxttttvatttttt所以取，机械电子工程机械电子工程43 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics0maxmax0maxmax03|6|23|6|2max,fxvxaxxfyvyayyfxvxayvyaxxxxxxttvayyyyyyttvatttttt 对于 轴，令：则：，对于 轴，令：则：，取：00t 一般取，机械电子工程机械电子工程44 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2

26、)，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制：xmax=ymax=2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。例005,1|5 1|42,1|2(1)|1ffxxxxyyyy 解 所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令。6|6 42 32xaxxta230000000()3()()2()()ffffttttx txxxxxtttt 机械电子工程机械电子工程45 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics023000=0()3()()2()()fffftttx txxxxxtt令，则：23()53(1 5)()2(1 5)()2 32 3ttx t 02

27、 3ffxatttt 3253 3tt 机械电子工程机械电子工程46 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics(,)x y00(,)xy(,)ffxy0fyy0fxx0 xx0000()(),=ffyyy tyk xxkxx0000()()ffyyy tyxxxx1(2)2(5)1 5x 1344x 3253 3txt把带入，得3322131()(5)24443 312 3tty ttt 机械电子工程机械电子工程47 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronics考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标为（0，0），终点坐标为（12，10），两轴速度限制分别为Vxmax=6，Vymax=8，加速度限制分别为axmax=2，aymax=3。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。例解ft 机械电子工程机械电子工程48 机电一体化系统设计机电一体化系统设计Mechatronicsxy