数控系统实验指导书.doc

北京理工大学珠海学院

数控系统

实验指导书

机械与车辆学院
机电教研室
2015.3

实验一 逐点比较法插补原理及实现实验
一、实验目的
利用逐点比较法的插补原理，编写直角坐标系下的直线、圆弧插补程序，观察其运动轨迹，设计直线和圆弧插补图样，在机电一体化综合测试平台上通过插补过程通过笔架打印出来。

二、实验设备
机电一体化综合测试平台（共6台，交流伺服、直流伺服、步进电机各2台）

三、实验原理
逐点比较法：就是每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。逐点比较法以折线来逼近直线或圆弧，其最大的偏差不超过一个最小设定单位。
插补过程：每走一步要进行以下四个步骤：
(1) 位置判别 根据偏差值确定当前加工点的位置。
(2) 坐标进给 根据判别的结果，确定沿哪个坐标进给一步以接近曲线。
(3) 偏差计算 根据递推公式算出新加工点的偏差值，作为下一步偏差判别的依据。
(4) 终点判别 判别加工点是否到达终点，未到过终点则返回第一步继续插补，到终点则停止。

四、实验要求
(1) 实验前复习逐点比较法插补算法原理；
(2) 实验时首先设计插补图样，运行已编辑好的插补程序，理解程序中各参数的含义，再按照预编程序的编程格式，根据插补各点坐标，编辑并修改插补程序运行程序，观察笔架的运动是否与设计一致。
(3) 实验后提交实验报告。

五、实验特点
在数控机床的实际加工中，利用逐点比较法加工一条直线或圆弧，由于脉冲当量比较小（一般为0.01mm），刀具的运动轨迹用肉眼观察还是直线或圆弧，不能观察到刀具的实际，本实验中，机电一体化综合测试平台上的笔架相当于刀具，笔架每步的移动距离（相当于脉冲当量）可以变化，修改程序中的步长参数就可以实现。通过加大步长参数，笔架的实际运动轨迹就会直观地显示出来，实验者能很容易理解逐点比较法的插补原理和刀具的实际运动轨迹。

六、实验步骤
(1) 接线，关掉电源，根据电气连接图搭建交流伺服运动控制系统；
(2) 调整笔架位置，按“回零”键将X、Y轴回至原点；
(3) 根据设计图样，设计插补程序和坐标；
(4) 编辑和修改程序；
(5) 观察笔架的运动轨迹，打印图样。
七、实验报告要求：
实验报告每人一份，内容包括：
（1） 实验所用设备名称；
（2） 简要叙述逐点比较法直线、圆弧插补原理；
（3） 笔架绘制出的设计图样，包括直线和圆弧1张图；
（4） 分析实验结果，说明逐点比较法的优缺点。

八、实验参考文献
[1] 廖效果，刘又午. 数控技术. 湖北科学技术出版社，武汉：2000.
[2] 机电一体化综合测试平台使用说明书，固高科技(深圳)有限公司.

实验一《逐点比较法插补原理及实现实验》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验所用设备名称：

简要叙述逐点比较法直线、圆弧插补原理：

实验主要步骤：

分析实验结果，说明逐点比较法的优缺点。

注意：打印图样附在实验报告后。
实验二 步进控制系统实验
一、实验目的
(1)了解步进控制系统的组成和控制原理；
(2)理解步进电机的转速控制方式和调速方法；
(3)熟悉步进控制系统的操作和使用方法；
(4)熟悉步进驱动器参数的设置，控制系统的参数设置等；
(5)通过本实验提高学生对自动化控制的熟悉和了解,锻炼学生的动手和实践能力。

二、实验设备
机电一体化综合测试平台（含步进电机控制模块）共2台

三、实验原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步 进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机控制系统结构如下，通过单片机或是计算机等发送控制命令给电机驱动器，电机驱动器将控 制命令转化为驱动信号给执行电机。
步进电机结构如下，单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单 极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机 共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机或应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽 又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图2-1 步进电机工作原理
单极半步运行的原理如图2-2，通过驱动器控制电机线路，在相应的位置产生如下的磁场，驱动电机一步 一步的运动。
步进电机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝杠 等等来决定。虽档次低，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。在数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动（工作台）控制上，但是就控制性能来说其特性不如交流伺服电机。振动、噪音也比较大。尤其是在过载情况下，步进电机会产生失步，严重影响加工精度，但其便宜的价格， 方便使用的特点，在工业中的达广泛的应用。

图2-2 单极半步运行的原理

四、步进控制面板结构

步进控制面板具体结构图（驱动器部分），如图 2-3 所示，主要包括电机连接线、编码器反馈信号、与 运动控制器相连信号以及驱动器本体组成；

步进驱动器
控制信号

电机 连接
线

信 号 测 试
点

图2-3 步进控制面板

（1）电机连接线

+A、-A、+B、-B、AC、BC 信号为步进电机的电源线；

（2）连接运动控制器信号

+5V --------------------------为驱动器提供+5V 电源；

PUL+、PUL- --------------为脉冲信号，用于控制电机的进给量；

DIR+ 、DIR- --------------为方向信号，用于控制电机的方向；

五、实验步骤

1、接线实验

根据电气连接图搭建步进运动控制系统，具体接线步骤如下所示：

1) 电机电源接线

将步进控制面板上左上角的电机动力线接口“+A、-A、+B、-B、AC、BC”分别和机械本体信号接口面 板上的“+A、-A、+B、-B、AC、BC”相连(Note1)；

步进控制面板
机械本体信号接口面板

Note1:
当步进轴位于 X 轴时,与机械本体信号接口面板的 X 轴电机信号部分的信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与机械本体信号接口面板的 Y 轴电机信号部分的信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与机械本体信号接口面板的 Z 轴电机信号部分的信号相连接;

2) 驱动器和运动控制器之间的连接线

将步进控制面板上右边 PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、+5V 信号和机械本体接口面板的 PUL+、PUL-、
DIR+、DIR-、+5V 一一相连接；(Note2)；

步进控制面板
运动控制器信号接口面板

Note2:
当步进轴位于 X 轴时,与运动控制器接口面板的 X 轴的信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与运动控制器接口面板的 Y 轴的信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与运动控制器接口面板的 Z 轴的信号相连接;

3) 机械本体和运动控制器之间的连接线

a)、将机械本体信号接口面板上的 HOME、LIM+、LIM-与运动控制器信号接口面板上的 HOME、LIM+、
LIM-相连接（Note3）；

HOME-------用来检测机械本体上的零点信号；机械回零时，需要用到该信号；

LIM+ --------用来检测机械本体上的正限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰 撞，避免超出行程；

LIM- --------用来检测机械本体上的负限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰 撞，避免超出行程；

机械本体信号接口面板
运动控制器信号接口面板

Note3:
当步进轴位于 X 轴时,与运动控制器接口面板的 X 轴辅助信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与运动控制器接口面板的 Y 轴辅助信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与运动控制器接口面板的 Z 轴辅助信号相连接;

b)、将机械本体信号接口面板上辅助编码器信号 A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND 与运动控制器信 号接口面板上辅助编码器信号 A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND 一一对应相连接（Note4）；

Note5：

当步进轴位于 X 轴时，需要连接该部分的信号，用来进行反向间隙实验；

c）、将机械本体信号接口面板上的 OVCC、OGND 与运动控制器信号接口面板上的 OVCC、OGND 相 连接；OGND 为电源地，该信号不接，则会造成 I/O 信号没有电源地，造成 I/O 信号不对；

机械本体信号接口 运动控制器信号接口面板

4) 接线确认无误后，给系统上电；

5) 等待一会儿，系统自动进入机电一体化技术综合测试平台软件界面(如图2-4 所示)；

图 2-4 机电一体化技术综合测试平台程序主界面

2、驱动器参数设置

按照步进驱动器设置步骤进行相应的参数设置，出厂默认设置；

3、步进控制系统实训实验

该部分主要用来检测电气接线是否连接正确，让学生加深对步进控制系统统电气图的连接；熟悉各 个部分的电气连接；具体步骤：

1）、在机电一体化技术综合测试平台软件主界面（图 4-3），点击“实训与故障诊断实验”按钮，进入“实 训与故障诊断实验”界面（图 2-5）；

图2-5 实训与故障诊断实验主界面

2）、点击相应的轴通道接线按钮（Note4）；进入相应的轴接线显示界面（图2-6），在该界面可以看 到连线的接通状态；接线连接通，相应按钮会亮绿色；反之，则表明连线未接通，请检查连接是否接错； 对照步进控制系统的电气图纸，核对与驱动器连接部分的信号，在图 4-5 中是否都接通；如果没有，请 查找接线错误，直到接线错误排除为止；

图 2-6 交流伺服控制面板

Note4:
当步进轴位于 X 轴时,点击“X 轴连线”按钮；进入 X 轴接线； 当步进轴位于 Y 轴时,点击“Y 轴连线”按钮；进入 Y 轴接线； 当步进轴位于 Z 轴时,点击“Z 轴连线”按钮；进入 Z 轴接线；
3）、点击“返回”按钮，在图 2-5 界面，点击“机械本体”按钮，查看机械本体与运动控制器的信号连 接；如图 2-7 所示：

图2-7 机械本体信号接口面板

4）、点击“返回”按钮，回到图 4-4 界面，在“Teacher’s Fault List ”下面的列表没有错误提示（有错误 提示时，会看到相应的组号有红色显示）；可以进行该轴的其它实验（Note5）；

Note5：该轴指的是图 2-6中显示的轴号；

六、实验参考文献
[1] 廖效果，刘又午. 数控技术. 湖北科学技术出版社，武汉：2000.
[2] 机电一体化综合测试平台使用说明书，固高科技(深圳)有限公司.

实验二《步进控制系统实验》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验所用设备名称：

简核述步进电机基本原理：

实验主要步骤：

分析实验结果，总结步进电机的主要控制方法。