工具機控制器系統設計 -...
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工具機控制器系統設計
李建毅
台中市台中工業區38路191號 (04)2358-3993663 joeleeitriorgtw
研究員 智慧機械技術組 機械與系統研究所
中興大學機械工程學系精密工具機技術專論
課堂講義
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Joe Lee
Outline
工具機數控系統設計
數控系統硬體
數控系統軟體
工具機伺服系統設計
伺服系統控制
工具機控制系統案例
2
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臥式銑床的X軸 立式銑床的X軸
座標系 用於確定工具機運動方向和移動距離的座標系
採用卡氏(Cartesian直角) 座標系右手定則
工具機座標系 1工具機的線性軸-Z軸(朝主軸方向為正)
刀具旋轉銑床
工件旋轉車床
2工具機的線性軸-X軸
操作員面對工作台往右為X軸正方向
3工具機的線性軸-Y軸
採右手定則決定Y軸正方向
4工具機的旋轉軸
繞XYZ軸分別為ABC採右手定則決定正方向
工具機簡介-座標系
車床的X軸 圖片出處網路
3
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工具機簡介-三軸與五軸工具機
立式三軸綜合加工機
主軸
工作台
臥式(立臥)五軸綜合加工機
+Y
+Z
+X
+B
+A
4
圖片出處網路
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立式銑床 臥式銑床
車床 磨床
工具機簡介-常見工具機
5
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工具機分類-加工方式
6
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1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
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工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
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伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
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圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
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PC嵌入CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
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PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
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DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
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數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
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某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
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120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
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PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Outline
工具機數控系統設計
數控系統硬體
數控系統軟體
工具機伺服系統設計
伺服系統控制
工具機控制系統案例
2
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臥式銑床的X軸 立式銑床的X軸
座標系 用於確定工具機運動方向和移動距離的座標系
採用卡氏(Cartesian直角) 座標系右手定則
工具機座標系 1工具機的線性軸-Z軸(朝主軸方向為正)
刀具旋轉銑床
工件旋轉車床
2工具機的線性軸-X軸
操作員面對工作台往右為X軸正方向
3工具機的線性軸-Y軸
採右手定則決定Y軸正方向
4工具機的旋轉軸
繞XYZ軸分別為ABC採右手定則決定正方向
工具機簡介-座標系
車床的X軸 圖片出處網路
3
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工具機簡介-三軸與五軸工具機
立式三軸綜合加工機
主軸
工作台
臥式(立臥)五軸綜合加工機
+Y
+Z
+X
+B
+A
4
圖片出處網路
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立式銑床 臥式銑床
車床 磨床
工具機簡介-常見工具機
5
圖片出處網路
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工具機分類-加工方式
6
圖片出處網路
1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
圖片出處網路
工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
課堂講義
禁止轉載
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
課堂講義
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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臥式銑床的X軸 立式銑床的X軸
座標系 用於確定工具機運動方向和移動距離的座標系
採用卡氏(Cartesian直角) 座標系右手定則
工具機座標系 1工具機的線性軸-Z軸(朝主軸方向為正)
刀具旋轉銑床
工件旋轉車床
2工具機的線性軸-X軸
操作員面對工作台往右為X軸正方向
3工具機的線性軸-Y軸
採右手定則決定Y軸正方向
4工具機的旋轉軸
繞XYZ軸分別為ABC採右手定則決定正方向
工具機簡介-座標系
車床的X軸 圖片出處網路
3
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工具機簡介-三軸與五軸工具機
立式三軸綜合加工機
主軸
工作台
臥式(立臥)五軸綜合加工機
+Y
+Z
+X
+B
+A
4
圖片出處網路
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立式銑床 臥式銑床
車床 磨床
工具機簡介-常見工具機
5
圖片出處網路
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Joe Lee
工具機分類-加工方式
6
圖片出處網路
1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
圖片出處網路
工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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Joe Lee
通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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Joe Lee
運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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工具機簡介-三軸與五軸工具機
立式三軸綜合加工機
主軸
工作台
臥式(立臥)五軸綜合加工機
+Y
+Z
+X
+B
+A
4
圖片出處網路
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立式銑床 臥式銑床
車床 磨床
工具機簡介-常見工具機
5
圖片出處網路
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工具機分類-加工方式
6
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1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
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工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
課堂講義
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
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Thank You for Your Attention
The End
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立式銑床 臥式銑床
車床 磨床
工具機簡介-常見工具機
5
圖片出處網路
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工具機分類-加工方式
6
圖片出處網路
1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
圖片出處網路
工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
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PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
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DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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工具機分類-加工方式
6
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1金屬切削類 如數控車床鑽床銑床鏜床磨床齒輪加工
機和加工中心
加工中心分銑鏜類加工中心和車削中心
自動換刀裝置是加工中心的基本特征
2金屬成型類 如數控折彎機彎管機衝床回轉壓力機等
3特種加工類 如數控線切割機電火花加工機及雷射切割機等
4其他類 數控火焰切割機三座標測量機等
盤式刀庫 鏈式刀庫
折彎機
線切割機
火焰切割機
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FAGRO 8070
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工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
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伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
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10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
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PC嵌入CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
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PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
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操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
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熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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FAGRO 8070
圖片出處網路
工具機控制系統
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
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伺服驅動及控制技術
8
圖片出處網路
伺服馬達在CNC工具機上的應用
主軸馬達
帶煞車制動器伺服馬達
伺服馬達
刀庫刀具定位馬達
交換臂旋轉定位馬達 課堂講義
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
課堂講義
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
課堂講義
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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工具機控制系統概述 一數控系統硬體結構分類 1 依電路板插接方式
1 大板式結構 2 模組式結構
2 依微處理器個數 1 單微處理器結構 2 多微處理器結構
3 依硬體製造方式 1 專用型結構 2 通用型結構
4 依開放程度 1 封閉式結構 2 PC嵌入NC式結構 3 NC嵌入PC式結構 4 軟體型開放式結構
9
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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電路板插接方式
1 大板式結構 組成由主電路板位置控制板PLC板圖形控制板和電源單元
特點將主電路做成大塊電路板(主機板)其他電路做成小板插在大板插槽內
代表FANUC 6MB系列
2 模組式結構 功能模組化分為CPU板擴展記憶體板位置控制板PLC板圖
形板和通信板等
溝通介面工業標準匯流排如工業PCI匯流排STD匯流排等連接
代表FANUC 15系列
圖片出處網路
10
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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微處理器個數
1 單微處理器結構 單一CPU集中控制和管理整個系統資源
2 多微處理器結構 主從式主CPU負責上位機管理從CPU負責下位機運動控制
分散式通過外部通訊鏈路連接採用通訊方式交換資訊和共用資源
多主式共用匯流排結構共用記憶體結構
11
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
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yx
ryxx
Y
O
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X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
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R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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多主式多微處理器
特色 組成兩個或兩個以上主CPU及其功能模組
交握機制多主CPU之間透過共用匯流排仲裁器解決優先權爭用問題透過共用記憶體來交換資訊
功能模組 CNC管理模組負責管理整個CNC裝置如成初始化中斷管理系統硬體
與軟體診斷等功能
CNC插補模組負責完成插補前預處理和即時插補計算
位置控制模組負責運動控制計算和位置速度控制
PLC(PMC)模組負責加工程式指令(SMT)操作面板的控制信號和機台
上各行程開關的信號進行邏輯處理
輸入輸出和顯示模組負責加工程式路徑和參數操作輸入輸出顯示
記憶體模組負責程式資料存儲和各功能模組間資料傳送的共用記憶體
12
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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禁止轉載
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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硬體製造方式
1 專用型架構 特色封閉式的體系結構由各製造廠專門設計和製造具有可靠度
高結構緊湊專用性強等優點
代表如FANUC系統SIEMENS系統
2 通用型架構 特色以IPC作為硬體平臺再插入專用控制卡與數控軟體一起構成
相應CNC裝置具有開放性高和可維修性好
代表Power Automation PA8000系統
13
圖片出處PA
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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開放程度 1 封閉式結構 特色使用者無法做任何功能新增改變和維修
代表FANUC 0MITSUBISHIM 50SIEMENS 810
2 PC嵌入NC式結構 特色在CNC內部加裝PC具有一定的開放性但基礎部分仍是傳統CNC
系統使用者無法進入系統核心修改
代表FANUC 18i和16iSIEMENS 840DNUM 1060等
3 NC嵌入PC式結構 特色由運動控制卡和PC組成運動控制卡本身為CNC系統通常選用
高速DSP作為CPU
代表美國Delta Tau用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC CNC系統日本MAZAK用三菱電機的MELDAS MAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC系統等
4 軟體型開放式結構 特色數控軟體全裝在電腦中用戶可在Windows平臺自行開發
代表美國MDSI公司Open CNC德國PA公司PA8000系統
14
課堂講義
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
課堂講義
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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Joe Lee
運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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Joe Lee
刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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PC嵌入CNC型
15
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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NC嵌入PC型
16
PC
PCIISA
系統監控管理系統故障診斷介面顯示和數控代碼編譯等非即時處理
插補運算刀具補償位置控制速度處理等即時控制
CNC卡
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
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Joe Lee
通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
課堂講義
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
課堂講義
禁止轉載
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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Joe Lee
刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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全軟體CNC型
17
操作台
通用PC互換器
將PC裝入到CNC內部PC與CNC之間用專用的匯流排連接
專用
匯流排
課堂講義
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Joe Lee
通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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Joe Lee
運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
課堂講義
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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通用型伺服控制架構
18
DSP
多軸運動控制軸卡
RT-Linux
伺服馬達
伺服馬達
運動控制軸卡應用在開放式數控系統
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
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熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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運動控制器系統架構
IPC
多軸運動機構
DSP
RS232 COM2
HMI人機介面 OS Windows
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Joe Lee 20
工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
課堂講義
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
課堂講義
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
課堂講義
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
課堂講義
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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工具機控制系統架構
圖片出處網路
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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數控系統控制流程設計
控制分類 1 NC控制各座標軸的rdquo數值控制rdquo
2 輔助控制各種應答動作的rdquo順序控制rdquo
控制流程 1 控制指令參數和加工數據透過輸入設備CNC儲存裝置 2 加工時由儲存裝置開啟加工程式按程序段進行解譯
21
訊息輸入 儲存 解譯
預處理
PLC處理
位置 控制
IO
伺服 放大
插補
位置 回饋
馬達
工 具 機
數控系統內核
高速軌跡訊息
低速輔助訊息
課堂講義
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
課堂講義
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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數控系統控制流程設計
低速輔助訊息 由PLC處理和輸出實現輔助控制 1 輔助功能M主軸起停冷卻液通通斷刀具更換等
2 主軸轉速功能S主軸轉速設定
3 刀具功能T刀具選擇
高速軌跡訊息 經過預處理後再進行插補和位置控制經過控制伺服系統實現座標軸的協同運動 1 刀具補償處理將零件軌跡轉換為刀具中心軌跡 2 進給速度處理各運動座標分量速度的計算和限速處理
22
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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數控系統軟體設計 數控系統軟體架構分類 1 CNC裝置工作特性
1 即時性
2 平行處理 3 多工性
強即時性工作
弱即時性工作
週期性工作插補運動控制
突發性工作急停警報故障
顯示性工作路徑座標
編輯性工作參數加工程式
顯示加工IO處理故障診斷
控制工作解譯刀具補償路徑規劃插補 速度控制運動控制
管理工作輸入IO處理顯示診斷
23
課堂講義
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
課堂講義
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Joe Lee
刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
課堂講義
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Joe Lee
直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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數控系統軟體架構分類 3 CNC系統軟體架構
24
數控系統軟體設計
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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刀具補償 刀具補償種類
刀具半徑補償使刀具中心軌跡偏離輪廓一個刀具半徑值實現刀具中心軌跡等於零件輪廓軌跡
G40(刀具半徑補償取消)
G41(刀具半徑補償rdquo左側rdquo)
G42(刀具半徑補償rdquo右側rdquo)
刀具長度補償實現刀尖圓弧中心軌跡與刀架參考點之間的轉換
G43(刀具長度補償rdquo＋rdquo )
G44(刀具長度補償rdquo－rdquo)
G49(刀具長度補償取消)
刀具中心偏移量補償
25
半徑
長度
偏移
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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禁止轉載
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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禁止轉載
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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直線刀具半徑補償
圓弧刀具半徑補償
刀具半徑補償計算
26
Y
X
A(xy)
Arsquo(xrsquoyrsquo) ∆y
∆x
O
Orsquo
r
yyy
xxx AKAXOA
22
22
cos
sin
yx
xrry
yx
yrrx
22
22
yx
rxyy
yx
ryxx
Y
O
r
X
Aprime(x0primeY 0prime)
B prime(xeprimeY eprime)
B(Xeye)
A(X0Y0)
K
R
ΔX
ΔY
α
α
yyy
xxx
ee
ee
BKBBOX
R
yrry
R
xrrx
e
e
sin
cos
R
ryyy
R
rxxx
eee
eee
課堂講義
禁止轉載
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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禁止轉載
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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刀具長度補償
G43刀具長時離開工件補償
Z實際值=Z指令值+(Hxx)
G44刀具短時接近工件補償
Z實際值=Z指令值-(Hxx)
刀具長度補償
27
Hxx 刀長補償值
G43
實際到達點
程式中指令點
+Z
Hxx 刀長補償值
G44
實際到達點
程式中指令點
+Z
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API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 28
API Spindle Dynamic amp Thermal Analysis System
LION Spindle Error Analysis
圖片出處網路
熱變形量測系統
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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熱模型概論
其中 X溫度變化量 Y主軸變形量 a相關係數
29
某機台熱誤差補償數學模型
X軸向熱補償數學模型 Yx=-16X1-21X2+21X3-12X4
Y軸向熱補償數學模型 Yy=-07X1+137X2+07X3-164X4 Z軸向熱補償數學模型 Yz=82 X1-164X2+1025X3-12X4
統計模型
指數型函數
多變數線性迴歸分析
當投入K個自變數其一般化之多變數迴歸模式如下
119884 = 1198600 + 11986011198831 + 11986021198832 +⋯+ 119860119896119883119896 + 120576 其中119883為溫度變化量 119884為主軸變形量 119860為相關係數
多變數非線性迴歸分析
專家系統(Expert System)
bull人工智慧(Artificial Intelligence)產物須事先就監控對象蒐集相關資料建成一能供參考的知識庫(knowledge -base)然後利用邏輯推理的原則及配合知識庫內的知識來推導出適當的輸出結果
模糊理論
bull核心架構為模糊集合模糊邏輯及模糊測度以一歸屬函數來對某一具不確定性的事件予以明確的量化給定一介於0 至1 的數字來表示模糊性程度(fuzzy degree)
類神經網路
bull透過自動學習(learning)以電腦程式來決定模型中的非線性關係具處理多重輸入多重輸出之能力
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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30
熱補償平面切削
bull 利用千分錶以逆時針方式依序量測工件表面靠近邊緣平面高度並將量測路徑分為17個量測點
X
Y
4 5 6 7
8
9
10
11 12 13 14 15
16
17
1
2
3 課堂講義
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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Joe Lee
直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
課堂講義
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
課堂講義
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Joe Lee 31
熱補償平面切削結果 bull 9600rpm bull 14400rpm 平面切削結果-補償前
平面切削結果-補償後 課堂講義
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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Joe Lee
模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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Joe Lee
精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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Joe Lee
工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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Joe Lee
插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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Joe Lee
數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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禁止轉載
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Joe Lee 32
熱補償平面切削結果
補償前
切削條件 最大誤差(μm) 接合點段差(μm)
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
121 -121
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間25H
158 -158
補償後
主軸轉速9600rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間4H
8 4
主軸轉速14400rpm 切削深度02mm 切削速度1500mmmin 加工時間65H
16 -2
註負號表示該處較量測原點低
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禁止轉載
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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禁止轉載
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
課堂講義
禁止轉載
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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模具加工特徵
模具加工程式的特徵
由CAM軟體輸出（大量的）微小線段rArr曲線rArr曲面
影響模具加工表面精度
1 數控系統控制延遲
當加工速度較快時由於伺服的延遲而引起命令與實際路徑的偏差
導致工件形狀精度不高
數控系統模具加工
路徑命令
實際路徑
轉角變圓 圓弧變小
路徑命令
實際路徑
33
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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模具加工特徵
影響模具加工表面精度
2 CAM系統輸出失真
CAM輸出的相鄰加工微小線段不規則導致相鄰加工路徑速度不平順
並由伺服的延遲效應而導致表面光澤度及刀痕的出現
數控系統模具加工
微小段差逆行rsquoSrsquo字
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 C
路 徑 B
路 徑 A
路 徑 D
不規格的轉角處
路 徑 B
路 徑 A
路徑長度或角度的不一致
34
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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精密運動軌跡命令輸出
根據各運動軸要求之座標移動量
插值器(Interpolator)軌跡規劃
將連續切削路徑轉為座標移動量
每隔一固定時間送出將近似座標移動量
35
120783∆119957 2∆119957 120785∆119957 120786∆119957 120787∆119957 120788∆119957 7∆119957 120790∆119957
馬 達 轉 動 量 120637(119957)
目標軌跡
馬達運動軌跡 直線片段連續逼近
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
課堂講義
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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工具機運動特性
移動以脈衝為單位
bull 刀具的基本運動單位脈衝量
bull 刀具沿各個座標軸方向的位移大小脈衝量整數倍
bull 工具機的運動空間被離散化為一個網格區域網格大小為一個脈衝量刀具只能運動到網格節點位置
微小直線逼近加工曲線輪廓
bull 刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓
bull 實際運動軌跡是由一系列微小直線段所組成的折線
數控編程
G00快速定位
G01直線插補
G02順時針圓弧插補
G03逆時針圓弧插補
數控插補
36
PS每一脈衝信號的機台運動部件的位移量稱爲脈衝量為最小設定單位
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
課堂講義
禁止轉載
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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禁止轉載
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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禁止轉載
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插補
分類
bull 硬體插補器
bull 速度快但缺乏彈性調整和修改都困難
bull 早期硬體數控系統採用數位邏輯電路組成的硬體插補器
bull 軟體插補器
bull 速度慢但彈性高調整和修改都很方便
bull CNC系統採用軟體插補器或軟體硬體相結合的插補方式
CNC常用基本插補 bull 零件輪廓基本線型直線(G01)與圓弧(G02G03)
bull 基本插補功能直線(linear)與圓弧(circular)插補
bull 其他插補功能螺旋(helical)拋物線(parabolic)三次(cubic)等插補
工具機運動與插補
37
課堂講義
禁止轉載
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
課堂講義
禁止轉載
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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Joe Lee
數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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數控插補方法-逐點比較插補法 流程
1偏差判別根據偏差值符號判別目前刀具相對於零
件輪廓的位置偏差
2坐標進給根據偏差判別結果控制對應座標軸進給
一步使刀具向工件靠近
3偏差計算刀具進給一步後針對新的刀具位置計
算新的偏差值
4終點判別若到達終點則停止插補若未到達終點
則返回到第1步
38
Y
開始
偏差判別
座標進給
偏差計算
到達終點
結束
N
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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直線插補令動點至輪廓OE的距離作為動點的偏差值
逆圓弧插補令動點至圓心的距離與圓弧半徑的差值作為動點的偏差值
數控插補方法-逐點比較插補法
39
O X
E（XeYe） Y
F gt 0
F lt 0
O X
N（XiYi）
E（XeYe） Y
起點
終點
動點
1偏差值 Fi = XeYi ndash XiYe 2當 Fi ge 0 時動點在直線上或在直線上方區域應該向 +X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在直線下方區域應該向 +Y 方向進給一步
1偏差值值 Fi = Xi2 + Yi2 ndash R2
2當 Fi ge 0 時動點在圓弧上或在圓弧外側區域應該向 -X 方向進給一步 3當 Fi ＜ 0 時動點在圓弧內側區域應該向 +Y 方向進給一步
X
Y
E(XeYe) N(XiYi)
S(XsYs) O X
Y E(XeYe)
起點
終點 動點
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
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禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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數控插補方法-擴展DDA插補法
特色
數值積分法又稱數值微分分析器(Digital Differential Analyzer簡稱DDA)
是利用數字積分的原理
計算刀具沿座軸的位移使刀具沿著所加工的軌跡運動
運算速度快
脈衝分配均勻精度高
易於實現多座標軸聯動或多座標空間曲線插補在輪廓控制數控系統中最常使用
40
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
41
2 2 2
2 2 2
2 2 2
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
e sX
e s e s e s
e sY
e s e s e s
e sZ
e s e s e s
X XV V
X X Y Y Z ZY Y
V VX X Y Y Z Z
Z ZV V
X X Y Y Z Z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
FRN ( )( ) ( ) ( )
e sX t e s
e s e s e s
e sY t e s
e s e s e s
e sZ t e s
e s e s e s
X XX V T VT X X
X X Y Y Z ZY Y
Y V T VT Y YX X Y Y Z Z
Z ZZ V T VT Z Z
X X Y Y Z Z
起點座標為Ps(XsYsZs)終點座標為Pe(XeYeZe)設在時間TI
內動點由起點到達終點將時間T1用採樣週期T分割為n個子區間n取最接近大於等於T1T的整數
速度V的座標分量
每個採樣週期T內的座標增量
Vmdash程式設計進給速度(mmmin) Tmdash插補週期(ms) λtmdash根據插補週期換算後的時間係數即λt=Ttimes10-360
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Thank You for Your Attention
The End
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數控插補方法-擴展DDA插補法
擴展DDA直線插補原理
42
進給速度數
動點位置座標值為
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z
VPsPe及λt為已知的常數FRN也為常數記為λd＝FRNλt稱為步長係數
1
1
1
( 12 )i i
i i
i i
X X XY Y Y i nZ Z Z
( )( )( )
d e s
d e s
d e s
X X XY Y YZ Z Z
課堂講義
禁止轉載
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
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ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
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直線插補速度設計 速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的輪廓步長（ΔL）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長(Δx Δy)
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
43
V
S
V
S
Y Y
O O X X X0prime Xe prime
Yeprime
Y0prime
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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圓弧插補速度設計 速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的進給步長
44
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
課堂講義
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
禁止轉載
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
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進給速度計算
開迴路系統進給速度的計算
脈衝的頻率決定進給速度
兩軸聯動時各座標軸速度為
合成速度（即進給速度）V為
45
min)mm(60f F
xx f60v
yy f60v
FvvV 2y
2x
為脈衝當量單位mm
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
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N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
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具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
確定一個採樣週期的輪廓步長和各座標軸的進給步長
直線插補速度計算
1程式段投影
Lx=xeprime-x0prime Ly=yeprime-y0prime
2直線方向餘弦
cosα=LxL cosβ=LyL
3一個插補週期的步長（ ΔL ）
ΔL=（160）FmiddotΔt速度F單位mmmin插補週期Δt單位msΔL單位μm
4各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長
Δx =ΔLmiddotcosα=FcosαmiddotΔt60 (μm)
Δy =ΔLmiddotsinα=FsinαmiddotΔt60 =ΔLmiddotcosβ= FcosβmiddotΔt60 (μm)
46
V
S
V
S
Y Y
O O X X X X
Y
Y
A(X0 Y0) A
B B(Xe Ye) Aprime(X0primeY0prime)
Bprime(Xe primeYeprime)
Aprime
Bprime
β
α
L
LX LY 課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
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N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
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圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
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命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度計算 半閉迴路閉迴路系統的速度計算
圓弧插補速度計算
各座標軸在一個取樣插補週期的運動步長
47
1
1
6060cos
id
i
ii JR
tJFtFx
1
1
6060sin
id
i
ii IR
tIFtFy
J
I
X
Y
O
AO
E
Ai-1 Ai
C(IOJO)
∆Xi
∆Yi
αi
α
Ii-1 Ji-1
R
R
tFd
60
tFRNd
60
1
R
FFRN
d 步長分配係數(速度係數)
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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進給速度控制
常用進給速度控制方法
時鐘中斷法用軟體控制每個時鐘週期內的插補次數達到速度控制的目的 原理求一種時鐘頻率用軟體控制每個時鐘週期內 的插補次數
用途脈衝增量插補
積分法 原理
bull DDA插補方法中速度F代碼是用進給速度數（FRN）給定的
bull 將FRN作為與座標積分器串聯之速度積分器的被積函數使用經計算得到的累加頻率可產生適當的速度積分器溢出頻率
bull 將它作為座標積分器的累加頻率就能使DDA插補器輸出的合成速度保持恒定
用途 DDA插補
LV
48
2 2 2FRN ( ) ( ) ( )e s e s e sV X X Y Y Z Z 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
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加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
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Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
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課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
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ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1 N1 N2 N2
49
具有速度差之進給速度設計
切線速度連續
X軸速度差大X軸速度不連續
Y軸速度差大Y軸速度不連續
X軸速度差小X軸速度較連續
Y軸速度差小Y軸速度較連續
速度差限制 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 50
圓弧運動之進給速度設計
N4
N1 N2
N3
N5
N1
N2
N3
N4
N5
時間
Feedrate
R
FTr sv
22
2
1
F Feedrate (mmmin) R Circle Radius (mm) TSV Servo Time Constant (sec) = 1KP
Kp Position Loop Gain (1sec) 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
加減速設計
N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 hellip M30
O0001
(0 0)
(20 20)
(40 0)
N20 N30
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度 機台震動
機台震動
時間
切線速度
N20
時間
切線加速度
降低機台震動
51
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
命令誤差與不同加減速型式
商用控制器常見的三種加減速型式
直線型加減速 (Linear AccelerationDeceleration)
指數型加減數 (Exponential AccelerationDeceleration)
鐘型加減速 (Bell-shaped AccelerationDeceleration)
時間
速度
時間
速度
時間
速度
指數型加減速 直線型加減速 鐘型加減速
52
課堂講義
禁止轉載
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後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
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透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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禁止轉載
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Joe Lee
後加減速插補架構
AccDec
插值
X軸
Y軸 AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
X
N30
N20
Y
A B
C
N20 N30
t (sec)
F (mmmin) N20
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
TB
N30
N20
N30
傳統加減速規劃方式
53
不需專門預測減速點而是在插補輸出為零時開始減速並通過一定的時間延遲逐漸靠近程式段的終點 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
透過加工指令來減少路徑誤差 加工路徑 經過後加減速路徑
在兩個單節中加入G04或G09可將因後加減速所產生的路徑誤差給移除
G04 Dwell with 0-second(暫停 )
G09 Exact Stop(確實停止檢查 )
N2 N1
54
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
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禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
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禁止轉載
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前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
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禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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禁止轉載
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
西門子Exact Stop功能
G function Meaning
G601 精確停止微調 Exact stop fine
G602 精確停止粗調 Exact stop coarse
G603 Interpolation end
Exact stop coarse (MD36010)
Exact stop fine (MD36000) gt
55
Exact Stop Coarse and Fine（精確停止粗調和微調）
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
N1
N2
N3 N4
N5 N6 N7
N8
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 時間
進給率
單節預讀(Look-ahead)功能
bull 可提昇加工進給速度縮短加工時間 bull 減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動
56
單節預讀功能開啟 單節預讀功能關閉
Sharp Corners
T傳統 T預讀
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
前加減速插補架構
插值
X軸
Y軸
AccDec
-
+
-
+
N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 hellip M30
Kx(s) Gx(s)
Ky(s) Gy(s)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
N20 N30
t (sec)
F (mmmin)
t (sec)
Fx (mmmin)
t (sec)
Fy (mmmin)
X
N30
N20
Y
A B
C
N30
N20
TB
57
僅對合成速度(編程指令速度F)進行控制不影響實際插補輸出的位置精度 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Linear AccDec
Before Interpolation Look-ahead Bell-Shaped AccDec
Before Interpolation
Smoother AccDec
Reduce machine vibration an shock
58
線性改為鐘型 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
具有加速率之速度規劃
N8
N7
N6
N1
N2 N3
N4
N5
N9
bull 限制各軸的最大加速度減少因加速度過大所造成的機台震動
59
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull Jerk為加速度的變化量
N4
N1 N2
N3
N5
X
Y
N1
N2
N3
N4
N5
Feedrate
時間
Y-axis Acc
時間
機台震動
機台震動
60
加加速度規劃
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
直線單節(N1)接圓弧單節(N2)
限制軸向最大加速度變化量(Jerk)
61
加加速度控制
由於加速度變動造成振動 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
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FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
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插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
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75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Joe Lee
222
mmsec 1000mm 10
)mmmin 6000(
r
FAy
62
加加速度控制
最大加速度變化量
Jerk Limitation
課堂講義
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
課堂講義
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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曲線參數式插補的問題
bull 由於商用CAM系統大多還是以產生直線與圓弧的加工程式碼為主如需使用曲線參數式進行加工尚需要以後處理的方式來針對直線單節進行曲線擬合
bull 商用高階控制器內建單節平滑化技術 ndash FANUC Nano Smoothing I amp II 奈米平滑
ndash MITSUBISHI SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制
ndash SIEMENS Compressor 程式壓縮
ndash HEIDENHAIN Contour Filter (M124) 輪廓濾波
CAD CAM Post-Process CNC
Designing the Mold
Processing the NC part-program
Approximating the parametric part-program
Free-form curve Free-form surface
NC part program Parametric part program
Parametric interpolation
NURBS etc
Small line segments
Small linearcircular
blocks
Parametric blocks
tolerance
63
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FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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禁止轉載
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Joe Lee
FANUC - 奈米平滑(Nano Smoothing III)
bull 奈米平滑功能相關G碼
ndash G51 Q3(啟動奈米平滑)
ndash G51 Q0(關閉奈米平滑)
資料來源FANUC 30i31i32i ndash MODAL A型錄
64
課堂講義
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
bull SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 ndash 採用預讀單節的情報從指令路徑作大區域的形狀判斷對於局部的段差或誤差
不會因此反應過度執行最適當的速度控制實現高品質的模具加工
CAM做成微小線段程式的問題點
SSS控制可迴避不需要的加減速
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-切削時間和加工精度比較
65
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三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
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伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
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伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
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The End
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Joe Lee
三菱 ndash 超高平滑表面控制(SSS)
資料來源 httpwwwmitsubishielectriccomtwproduct1_view2aspc1=9ampc2=83a3
SSS控制的效果-實際切削比較 SSS控制的效果-加工精度及加工效能提升
66
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
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伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
伺服定位 伺服馬達定位
閉迴路伺服定位
負載 馬達 導螺桿
負載 馬達
控制系統
控制命令訊號
位置回授訊號
光電編碼器
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
68
負荷 （導螺桿等）
伺服驅動系統 （伺服馬達）
伺服驅動系統 （伺服放大器）
命令 控制器
ＰＬＣ等
檢測器 （感測器）
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統組成
69
伺服馬達組成 bull 驅動訊號控制轉換電路 bull 電子電力驅動放大模組 bull 位置調節單元(位置迴路) bull 速度調節單元(速度迴路) bull 電流調節單元(電流迴路) bull 檢測裝置
位置調解 速度調解 電流調解 轉換驅動 工作臺
電流回饋
速度回饋
位置回饋
M
G
其中
電力電子驅動裝置由驅動訊號產生電
路和功率放大器組成
位置速度和電流迴路均由調節控制
模組檢測和反饋部分組成 課堂講義
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
課堂講義
禁止轉載
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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伺服驅動及控制技術
控制方式
70
數控工具機馬達驅動主要指對工具機的工作臺和主軸的控制
四種控制方式
方式 位置感測器 特點
1
開迴路 無 控制簡單精度不
高
2 半閉迴路 脈衝編碼器旋轉變壓器 控制方便調試簡
單精度較高
3 閉迴路 直線感測器（感應同步器
磁尺直線光柵鐳射）
控制調試比較複
雜精度高
4 混合式 旋轉變壓器＋（感應同步
器磁尺直線光柵鐳射）
控制調試複雜精
度高適合較大型
機台
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Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
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插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
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智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
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75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
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ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
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The End
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禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Copyright 2012 ITRI Joe Lee
伺服系統分類
71
驅動電路 步進馬達 工作臺 脈衝
（1）開迴路伺服系統 bull 沒有位置測量裝置
（2）半閉迴路伺服系統 bull 從伺服馬達驅動裝置(編
碼器)的採樣旋轉角度進行檢測
（3）全閉迴路伺服系統 bull 直接對運動部件的實際位
置進行檢測
伺服馬達 速度控制 位置控制
工作臺
脈衝編碼器
指令
指令 伺服馬達
速度檢測
速度控制 位置控制 位置檢測
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
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脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
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禁止轉載
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SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
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Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
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PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee
脈波命令 ndash 定位控制器直接送出脈波命令去驅動步進馬達
位置命令(脈波格式) ndash 定位控制器送出位置命令(脈波格式)給脈波形伺服馬達驅動器由馬達編
碼器之位置迴授形成閉迴路
速度控制命令(電壓型式) ndash 定位控制器送出速度命令(電壓形式)給伺服馬達驅動器
三種常見伺服控制模式
72
課堂講義
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Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SIMODRIVE 611D伺服迴路方塊圖
73
圖片出處SIEMENS
速度增益(Kp)
速度積分(Tn) 位置增益(Kv)
通常會將內迴路層 簡化為速度迴路
數控系統伺服驅動架構
電流迴路
速度迴路
位置迴路
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
SMODRIVE 611D伺服迴路系統變數
數控系統伺服控制架構
74
圖片出處SIEMENS
插補運算IPO 精插補FIPO
速度前饋
速度比例增益
位置比例增益
電流迴路積分時間
速度濾波
加加速限制
位置濾波
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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The End
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
智能化伺服調整工具 FANUC 3D Servo Guide 收集伺服響應波形主軸波形和PMC訊號等資料 自動調整高速高精加工參數反向間隙加速量
扭矩干擾的 檢測與補償量
MITSUBISHI MS Configurator 伺服參數自動調整功能
-位置速度迴路增益時間常數丟步補償等 數據測試功能 -頻率響應測試
最佳化參數調校
圖片出處EMO展
75
PCMCIA
LAN Card
無濾波(兩個共振點)
濾波抑制共振
課堂講義
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建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
76
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI數控系統架構設計
成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
+
IPC Card Motion Control Card
+
SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
早期
演進
77
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
ITRI 數控系統軟體架構
主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
79
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 80
ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82
高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
課堂講義
禁止轉載
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
課堂講義
禁止轉載
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
運動控制晶片
CP
U
卡
先前運動控制平台架構
運動控制卡
CP
U卡
智慧型運動控制平台架構
HMI 軟體模組
Motion 軟體模組
Motion 軟體模組 C
PU
全數位運動 控制晶片
運動控制卡
於控制系統中增加一個CPU 專門處理Motion軟體模組
bull Motion模組與HMI及其它Windows應用程式共用CPU資源
bull 可能因其它程式佔用CPU資源而影響運動控制性能表現
bull Motion模組擁有獨立之CPU資源
bull 不受其它程式影響運動控制性能表現
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成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
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SOC-based 複合化運動控制工業電腦
成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
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2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
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1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
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成本高 體積大 穩定度差 插卡式工業電腦
(IPC卡) 運動控制卡
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成本低 體積小 穩定度佳
雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
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主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
課堂講義
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 84
Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
課堂講義
禁止轉載
建議字型中文微軟正黑體英文Arial
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Thank You for Your Attention
The End
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bull 工業電腦板的中央處理器一負責人機介面核心運動控制板的中央處理器二主要負責運動控制核心
78
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主要特色
2 整合運動控制核心軸控制含細插值核心可程式邏輯控制核心人機介面溝通核心
主要特色
1 整合運動控制晶片SoC晶片與IPC卡於一張SoC-based CNC運動控制裝置 課堂講義
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ITRI雙核心運動控制系統
GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
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GMC控制器組成示範(Half-Size機箱)
GMC運動控制卡
工業用主機板卡
3D加速顯示卡
使用3D模擬時可選配3D加速卡以降低CPU負載
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
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10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
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ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
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ITRI CNC控制器硬體架構
精巧構裝
15吋工業規格觸控螢幕 M100Touch 控制器 操作面板及全鍵式鍵盤
手搖輪控制 (電控組件) 轉接板 (電控組件) 泛用或串列式伺服馬達及驅動器
GMC運動控制卡
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2 進給伺服系統
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
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S曲線加減速
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NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
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機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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Joe Lee Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院
ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
85
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
86
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Joe Lee 87
Thank You for Your Attention
The End
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Joe Lee
ITRI 綜合加工中心控制系統
1 主軸系統
2 進給伺服系統
3 控制器構裝
4 控制器硬體
5 控制器軟體
6 電控應用
81
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
車燈模測試件
Darmstadt測試件
模具測試件
Rigid Tapping 8000 rpm M3
多孔剛性攻牙測試件
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
渦輪葉片
布丁加工
83
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
估算法則
點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
手動移動程式指令移動與教導操作模式
具備多托盤運算控制機能
機器人教導器內建Virtual Machine Unit線上模擬系統
ndash 碰撞預警模組
ndash 工件準備模組
ndash 夾具準備模組
ndash 3D運動模擬模組
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友善開放性人機介面 座標顯示
3D切削模擬
2鍵式直覺觸控操作 PLC 階梯圖及IO狀態顯示
客製化軟體面板
參數說明及搜尋 雷射量測
常用系統資訊列及工具列
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高速高精控制機能 高速高精度模具切削機能 高精度前加減速輪廓控制
單節預覽1000 Blocks
S曲線加減速
10ms 插補時間
自動轉角減速功能
NURBS插值機能
次微米插值
3階曲線擬合功能
高速剛性鑽孔攻牙機能 利用零相位誤差補償同步控制
高速攻牙與高精度攻牙之轉換
賓士模測試件
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Rigid Tapping 8000 rpm M3
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控制機能 ndash 五軸精微插補機能
五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
傾斜面加工機能
工件設置誤差補償技術
多軸運動軌跡模擬技術
3D刀具半徑及磨耗補償技術
多軸非對稱S曲線加減速技術
刀具中心點控制 傾斜面導引加工
3D刀徑補償
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
機台防碰撞及3D切削模擬
動力刀塔
尾座 主軸
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
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點對點 直線 圓弧運動控制指令
座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
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五軸精微插補切削機能 5軸高速切削
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3D刀具半徑及磨耗補償技術
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Y軸車床控制機能 Y軸車床加工機能 Cs軸伺服主軸加工
C軸同動複合加工
虛擬Y軸複合加工
動力刀塔鑽孔攻牙
3D模擬加工功能
防碰撞功能
C軸X軸同動加工
C
X
虛擬Y軸加工
C
X
Y
車牙動力刀塔鑽孔攻牙加工
主軸C
Z
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動力刀塔
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ROBOT控制機能 六軸機械手臂控制機能 六軸垂直關節型運動學模組與奇異點
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座標維護與指令模式 有卡式座標關節座標與Tool座標
六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
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C
X
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C
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六軸全數位串列伺服控制與絕對式座標維護系統
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具備多托盤運算控制機能
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