PowerPoint Presentation - PDF 免费下载

工具機控制器系統設計李建毅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台中市台中工業區 38 路 191 號 (04)2358-3993#663 joelee@itri.org.tw

Outline 義講堂課載轉止禁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

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 X/Y/Z 軸分別為 A/B/C, 採右手定則決定正方向工具機簡介 - 座標系立式銑床的 X 軸臥式銑床的 X 軸車床的 X 軸圖片出處 : 網路 3

主軸工作台立式三軸綜合加工機工具機簡介 - 三軸與五軸工具機 +B +A +Z 臥式 ( 立臥 ) 五軸綜合加工機 +X 4 +Y 圖片出處 : 網路

立式銑床車床工具機簡介 - 常見工具機臥式銑床磨床圖片出處 : 網路 5

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工具機分類 - 加工方式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折彎機鏈式刀庫火焰切割機線切割機圖片出處 : 網路 6

FAGRO 8070 工具機控制系統圖片出處 : 網路

伺服驅動及控制技術伺服馬達在 CNC 工具機上的應用帶煞車制動器伺服馬達刀庫刀具定位馬達交換臂旋轉定位馬達主軸馬達伺服馬達圖片出處 : 網路 8

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 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 9

1. 大板式結構 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院電路板插接方式組成 : 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

特色 : Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院多主式多微處理器組成 : 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 (S M T) 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

1. 專用型架構 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院硬體製造方式特色 : 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 系統圖片出處 :PA 13

1. 封閉式結構 : Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院開放程度特色 : 使用者無法做任何功能新增改變和維修代表 :FANUC 0 MITSUBISHIM 50 SIEMENS 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 16i SIEMENS 840D NUM 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

通用型伺服控制架構運動控制軸卡應用在開放式數控系統 RT-Linux DSP 多軸運動控制軸卡伺服馬達伺服馬達 18

運動控制器系統架構 IPC DSP RS232 COM2 多軸運動機構 HMI 人機介面, OS: Windows

工具機控制系統架構 20 圖片出處 : 網路

控制分類 1. NC 控制 : 各座標軸的數值控制 2. 輔助控制 : 各種應答動作的順序控制控制流程 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院數控系統控制流程設計 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數控系統內核訊息輸入儲存解譯 PLC 處理低速輔助訊息預處理高速軌跡訊息插補 I/O 位置控制位置回饋伺服放大馬達 21 工具機

低速輔助訊息 : Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院數控系統控制流程設計由 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

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 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院數控系統軟體設計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 : 路徑座標顯示加工 I/O 處理故障診斷編輯性工作 : 參數加工程式控制工作 : 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 I/O 處理顯示診斷 23

刀具補償種類刀具補償刀具半徑補償 : 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( 刀具半徑補償左側 ) G42( 刀具半徑補償右側 ) 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 + ) G44( 刀具長度補償 - ) G49( 刀具長度補償取消 ) 刀具中心偏移量補償半徑長度偏移 25

刀具半徑補償計算義講堂課載轉止禁直線刀具半徑補償 Y A(x,y) y x A (x,y ) X O 圓弧刀具半徑補償 Y B (xe,y e ) r B(Xe,,ye) R O α ΔY α Δ K X y x x x e e y e y e y X x2 y2 rx y y 2 2 x y x x ry BOX B BK rx xe xe e R ry ye ye e R xe R y y r sin r e R x r cos r A (x0,y 0 ) A(X0,,Y0) XOA A AK x2 y2 x y r cos r 2 2 x y x r sin r r O x x x y y y 26

刀具長度補償 G43 Hxx 刀長補償值 +Z 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) 實際到達點程式中指令點刀具長度補償 G44 Hxx 刀長補償值程式中指令點實際到達點 +Z 27

API Spindle Dynamic & Thermal Analysis System LION Spindle Error Analysis 熱變形量測系統圖片出處 : 網路 28

某機台熱誤差補償數學模型 X 軸向熱補償數學模型 : Yx=-1.6X1-2.1X2+2.1X3-1.2X4 Y 軸向熱補償數學模型 : Yy=-0.7X1+13.7X2+0.7X3-16.4X4 Z 軸向熱補償數學模型 : Yz=8.2 X1-16.4X2+10.25X3-1.2X4 熱模型概論其中 X: 溫度變化量 Y: 主軸變形量 a: 相關係數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 : Y = A 0 + A 1 X 1 + A 2 X 2 + + A k X k + ε 其中 X 為溫度變化量, Y 為主軸變形量, A 為相關係數多變數非線性迴歸分析專家系統 (Expert System) 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 29

熱補償平面切削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 7 8 9 10 6 5 11 12 13 14 15 Y X 4 3 2 1 17 16 30

9600rpm 平面切削結果 - 補償前熱補償平面切削結果 14400rpm 平面切削結果 - 補償後 31

主軸轉速 :9600rpm 切削深度 :0.2mm 切削速度 :1500mm/min 加工時間 :2.5H 主軸轉速 :14400rpm 切削深度 :0.2mm 切削速度 :1500mm/min 加工時間 :2.5H 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 :0.2mm 切削速度 :1500mm/min 加工時間 :4H 主軸轉速 :14400rpm 切削深度 :0.2mm 切削速度 :1500mm/min 加工時間 :6.5H 121-121 158-158 補償後 8 4 * 註 : 負號表示該處較量測原點低 16-2 32

模具加工特徵模具加工程式的特徵 : 由 CAM 軟體輸出 ( 大量的 ) 微小線段曲線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

模具加工特徵影響模具加工表面精度 2. CAM 系統輸出失真數控系統模具加工 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路徑 A 路徑 B 不規格的轉角處路徑 D 路徑 C 路徑 B 路徑 A 路徑 A 路徑 B 路徑 C 路徑長度或角度的不一致微小段差逆行 S 字 34

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馬達轉動量 θ(t) 每隔一固定時間送出將近似座標移動量 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 目標軌跡馬達運動軌跡直線片段連續逼近 35

工具機運動特性移動以脈衝為單位刀具的基本運動單位 : 脈衝量 ; 刀具沿各個座標軸方向的位移大小 : 脈衝量整數倍 ; 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刀具以折線的形式去逼近被加工曲線輪廓 ; 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 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 36

插補分類硬體插補器 : 速度快, 但缺乏彈性, 調整和修改都困難早期硬體數控系統 : 採用數位邏輯電路組成的硬體插補器 ; 軟體插補器 : 速度慢, 但彈性高, 調整和修改都很方便 CNC 系統 : 採用軟體插補器, 或軟體硬體相結合的插補方式 CNC 常用基本插補工具機運動與插補零件輪廓基本線型 : 直線 (G01) 與圓弧 (G02 G03) 基本插補功能 : 直線 (linear) 與圓弧 (circular) 插補其他插補功能 : 螺旋 (helical) 拋物線 (parabolic) 三次 (cubic) 等插補 37

流程數控插補方法 - 逐點比較插補法 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 步開始偏差判別座標進給偏差計算到達終點? Y 結束 38 N

數控插補方法 - 逐點比較插補法直線插補 : 令動點至輪廓 OE 的距離作為動點的偏差值 Y O 起點終點 E(Xe,Ye) 動點 N(Xi,Yi) X 1. 偏差值 Fi = XeYi XiYe 2. 當 Fi 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 O X 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 Y O 起點 S(Xs,Ys) X 1. 偏差值值 Fi = Xi 2 + Yi 2 R 2 2. 當 Fi 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 Y E(Xe,Ye) F > 0 Y E(Xe,Ye) 終點 E(Xe,Ye) 動點 N(Xi,Yi) F < 0 39 X

特色數控插補方法 - 擴展 DDA 插補法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

數控插補方法 - 擴展 DDA 插補法擴展 DDA 直線插補原理速度 V 的座標分量 V V V X Y Z X e ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) Y Y 2 2 2 e s e s e s e ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) Z Z 2 2 2 e s e s e s e X ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) 2 2 2 e s e s e s 每個採樣週期 T 內的座標增量 s s s V V V Xe Xs X VX T VT t FRN ( X e X s ) 2 2 2 ( X e X s ) ( Ye Ys ) ( Ze Zs ) Ye Ys Y VY T VT t FRN ( Ye Ys ) 2 2 2 ( X e X s ) ( Ye Ys ) ( Ze Zs ) Ze Zs Z VZ T VT t FRN ( Ze Zs ) 2 2 2 ( X e X s ) ( Ye Ys ) ( Ze Zs ) 起點座標為 P s (X s,y s,z s ), 終點座標為 P e (X e,y e,z e ) 設在時間 T I 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 T1/T 的整數 V 程式設計進給速度 (mm/min) T 插補週期 (ms) λt 根據插補週期換算後的時間係數, 即 λt=t 10-3/60 41

數控插補方法 - 擴展 DDA 插補法擴展 DDA 直線插補原理進給速度數 FRN V ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) 動點位置座標值為 2 2 2 e s e s e s X i 1 X i X Yi 1 Yi Y ( i 1,2,, n) Zi 1 Zi Z X d ( X e X s ) Y d ( Ye Ys ) Z d ( Ze Zs ) V P s P e 及 λ t 為已知的常數,FRN 也為常數, 記為 λ d =FRNλ t, 稱為步長係數 42

速度計算直線插補速度設計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 L x =x e -x 0 ; L y =y e -y 0 2. 直線方向餘弦 cosα=l x /L ; cosβ=l y /L 3. 一個插補週期的輪廓步長 (ΔL) ΔL=(1/60)F Δt, 速度 F 單位 :mm/min, 插補週期 Δt 單位 :ms,δl 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 =ΔL cosα=fcosα Δt/60 (μm) Δy =ΔL sinα=fsinα Δt/60 =ΔL cosβ= Fcosβ Δt/60 (μm) Y e Y 0 Y O V A (X 0,Y 0 ) S A(X 0,Y 0 ) X 0 X e B (X e,y e ) B(X e,y e ) X O Y A α A L L X 43 L Y β B X B

圓弧插補速度設計義講堂課載轉止禁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 Y F tj i 1 xi F cos i t / 60 d J i 1 60 R F ti i 1 yi F sin i t / 60 d I i 1 60 R Yi J Ai-1 AO E Ai α αi R I Ji-1 Ii-1 C(IO,JO) O X Xi F t d 60 R d 1 FRN t 60 FRN F R d 步長分配係數(速度係數) 44

開迴路系統進給速度的計算脈衝的頻率決定進給速度 F f 60( mm / 兩軸聯動時, 各座標軸速度為 vx 60 f x v y 60 f y 合成速度 ( 即進給速度 )V 為進給速度計算 V v 2 x v 2 y F min) 為脈衝當量, 單位 :mm 45

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 L x =x e -x 0 L y =y e -y 0 2. 直線方向餘弦 cosα=l x /L cosβ=l y /L 3. 一個插補週期的步長 ( ΔL ) ΔL=(1/60)F Δt, 速度 F 單位 :mm/min, 插補週期 Δt 單位 :ms,δl 單位 :μm 4. 各座標軸在一個採樣插補週期的運動步長 Δx =ΔL cosα=fcosα Δt/60 (μm) Δy =ΔL sinα=fsinα Δt/60 =ΔL cosβ= Fcosβ Δt/60 (μm) Y Y Y O V A (X 0,Y 0 ) X S A(X 0,Y 0 ) B (X e,y e ) X B(X e,y e ) X O Y A α A L L X 46 L Y β B X B

進給速度計算義講堂課載轉止禁半閉迴路/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 Y F tj i 1 xi F cos i t / 60 d J i 1 60 R F ti i 1 yi F sin i t / 60 d I i 1 60 R Yi J Ai-1 AO E Ai α αi R I Ji-1 Ii-1 C(IO,JO) O X Xi F t d 60 R d 1 FRN t 60 FRN F R d 步長分配係數(速度係數) 47

常用進給速度控制方法進給速度控制時鐘中斷法 : 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 V 積分法 : L 原理 : DDA 插補方法中, 速度 F 代碼是用進給速度數 (FRN) 給定的將 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 FRN V ( X X ) ( Y Y ) ( Z Z ) 2 2 2 e s e s e s 48

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 軸速度不連續具有速度差之進給速度設計 N1 N2 N1 N2 速度差限制 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 49

N1 N4 N2 N3 N5 圓弧運動之進給速度設計 Feedrate N1 r N2 1 T 2 2 sv F R N3 2 F : Feedrate (mm/min) R : Circle Radius (mm) T SV : Servo Time Constant (sec) = 1/K P K p : Position Loop Gain (1/sec) N4 N5 時間 50

切線速度切線加速度機台震動 O0001 N10 G0 X0 Y0 N20 G01 X20 Y20 F1000 N30 X40 Y0 M30 N20 機台震動時間時間加減速設計 (0, 0) N20 (20, 20) N30 (40, 0) 切線速度切線加速度 N20 時間時間降低機台震動 51

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 Acceleration/Deceleration) 指數型加減數 (Exponential Acceleration/Deceleration) 速度鐘型加減速 (Bell-shaped Acceleration/Deceleration) 時間速度時間速度直線型加減速指數型加減速鐘型加減速 52 時間

傳統加減速規劃方式 Y A N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 M30 N20 C B N30 X 插值 F (mm/min) N20 後加減速插補架構 N30 X 軸 Y 軸 t (sec) Acc./Dec. Acc./Dec. F x (mm/min) N20 F y (mm/min) + + - - t (sec) t (sec) K x (s) K y (s) G x (s) 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 N30 G y (s) F x (mm/min) N20 F y (mm/min) T B N30 53 t (sec) t (sec)

透過加工指令來減少路徑誤差 N1 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 54

G function G601 G602 G603 Exact stop coarse (MD36010) Meaning 精確停止微調 Exact stop fine 精確停止粗調 Exact stop coarse Interpolation end 西門子 Exact Stop 功能 Exact Stop Coarse and Fine( 精確停止粗調和微調 ) > Exact stop fine (MD36000) 55

N1 進給率 N2 單節預讀 (Look-ahead) 功能 N3 N4 Sharp Corners N5 N6 單節預讀功能開啟單節預讀功能關閉 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 T 預讀可提昇加工進給速度, 縮短加工時間減少因連續短線段加減速時所造成的機台震動 N7 N8 T 傳統時間 56

N10G0X0Y0 N20G1X10F500 N30Y10 Y A M30 Acc./Dec. F (mm/min) N20 前加減速插補架構 N30 t (sec) 插值 X 軸 Y 軸 F (mm/min) N20 + + N30 - - t (sec) K x (s) K y (s) G x (s) 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 N20 C B N30 X G y (s) F x (mm/min) N20 F y (mm/min) T B 57 N30 t (sec) t (sec)

Look-ahead Linear Acc./Dec. Before Interpolation 鐘型單節預覽前加減速規劃 Look-ahead Bell-Shaped Acc./Dec. Before Interpolation 線性改為鐘型 Smoother Acc./Dec. Reduce machine vibration an shock 58

N1 N8 N7 N6 N4 N3 N2 具有加速率之速度規劃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 N5 N9 59

Y Jerk 為加速度的變化量 X N1 N4 N2 N3 N5 Feedrate Y-axis Acc. 加加速度規劃 N1 機台震動 N2 N3 N4 N5 機台震動時間時間 60

直線單節 (N1) 接圓弧單節 (N2) 加加速度控制由於加速度變動造成振動限制軸向最大加速度變化量 (Jerk) 61

A y F r 2 加加速度控制最大加速度變化量 (6000 mm/min ) 10 mm 2 1000 mm/sec 2 Jerk Limitation 62

Designing the Mold 曲線參數式插補的問題 Processing the NC part-program CAD CAM Post-Process CNC Free-form curve Free-form surface NURBS etc. NC part program Small line segments Small linear/circular blocks 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商用高階控制器內建單節平滑化技術 FANUC : Nano Smoothing I & II 奈米平滑 MITSUBISHI : SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制 SIEMENS : Compressor 程式壓縮 Approximating the parametric part-program Parametric part program tolerance HEIDENHAIN : Contour Filter (M124) 輪廓濾波 Parametric blocks Parametric interpolatio n 63

FANUC - 奈米平滑 (Nano Smoothing I/II) 奈米平滑功能相關 G 碼 G5.1 Q3( 啟動奈米平滑 ) G5.1 Q0( 關閉奈米平滑 ) 資料來源 :FANUC 30i/31i/32i MODAL A 型錄 64

三菱超高平滑表面控制 (SSS) SSS(Super Smooth Surface) 超高平滑表面控制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 : http://www.mitsubishielectric.com.tw/product1_view2.asp?c1=9&c2=83#a3 SSS 控制的效果 - 切削時間和加工精度比較 65

SSS 控制的效果 - 實際切削比較三菱超高平滑表面控制 (SSS) 資料來源 : http://www.mitsubishielectric.com.tw/product1_view2.asp?c1=9&c2=83#a3 SSS 控制的效果 - 加工精度及加工效能提升 66

伺服馬達定位馬達閉迴路伺服定位伺服定位導螺桿位置回授訊號控制系統馬達控制命令訊號負載光電編碼器負載

伺服馬達組成 : 驅動訊號控制轉換電路電子電力驅動放大模組位置調節單元 ( 位置迴路 ) 速度調節單元 ( 速度迴路 ) 電流調節單元 ( 電流迴路 ) 檢測裝置 Copyright 2012 ITRI 伺服系統組成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位置調解速度調解電流調解轉換驅動 M 工作臺電流回饋速度回饋位置回饋 G 69

控制方式 Copyright 2012 ITRI 伺服驅動及控制技術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 : 1 2 3 方式位置感測器特點開迴路無控制簡單, 精度不半閉迴路脈衝編碼器, 旋轉變壓器控制方便, 調試簡閉迴路直線感測器 ( 感應同步器, 磁尺, 直線光柵, 鐳射 ) 高單, 精度較高控制調試比較複 4 混合式旋轉變壓器 +( 感應同步雜, 精度高控制調試複雜, 精器, 磁尺, 直線光柵, 鐳射 ) 度高, 適合較大型機台 70

脈波命令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 ) 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 ) 三種常見伺服控制模式定位控制器送出速度命令 ( 電壓形式 ) 給伺服馬達驅動器 72

SIMODRIVE 611D 伺服迴路方塊圖位置增益 (Kv) 數控系統伺服驅動架構位置迴路速度增益 (Kp) 速度積分 (Tn) 速度迴路通常會將內迴路層簡化為速度迴路電流迴路圖片出處 :SIEMENS 73

SMODRIVE 611D 伺服迴路系統變數插補運算 IPO 精插補 FIPO 位置比例增益速度前饋加加速限制數控系統伺服控制架構速度濾波速度比例增益位置濾波電流迴路積分時間圖片出處 :SIEMENS 74

FANUC 3D Servo Guide Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院智能化伺服調整工具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 PCMCIA LAN Card 無濾波 ( 兩個共振點 ) 濾波抑制共振圖片出處 :EMO 展 75

先前運動控制平台架構運動控制卡 CPU 卡 HMI 軟體模組 Motion 軟體模組運動控制晶片智慧型運動控制平台架構智慧型運動控制平台架構 Motion 模組與 HMI 及其它 Windows 應用程式共用 CPU 資源可能因其它程式佔用 CPU 資源而影響運動控制性能表現於控制系統中增加一個 CPU 專門處理 Motion 軟體模組 CPU 卡 CPU HMI 軟體模組 Motion 軟體模組全數位運動控制晶片運動控制卡 Motion 模組擁有獨立之 CPU 資源不受其它程式影響運動控制性能表現 76

早期插卡式工業電腦 (IPC 卡 ) IPC Card + + ITRI 數控系統架構設計 Motion Control Card 運動控制卡 SOC-based 複合化運動控制工業電腦成本高體積大穩定度差演進雙中央處理器雙系統數值控制裝置架構成本低體積小穩定度佳 77

ITRI 數控系統軟體架構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 78

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

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

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 1.0ms 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 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 82

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 : 碰撞預警模組工件準備模組夾具準備模組 3D 運動模擬模組 Copyright 2012 ITRI 工業技術研究院 85

The End Thank You for Your Attention! 87