普通機(jī)床如何改造成數(shù)控機(jī)床畢業(yè)論文

1、<p>　　張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　機(jī)械設(shè)備改裝課程論文</p><p>　　題目 ：普通機(jī)床數(shù)控化改裝</p><p>　　專(zhuān)業(yè)：機(jī)電設(shè)備維修與管理</p><p><b>　　姓名：宋建全</b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)：14</b>

2、;</p><p><b>　　指導(dǎo)老師：歐學(xué)衛(wèi)</b></p><p>　　二〇一二年十二月十六日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　針對(duì)大多數(shù)企業(yè)，具有數(shù)量眾多和較長(zhǎng)使用壽命的普通機(jī)床，其加工精度較低、不能批量生產(chǎn)，自動(dòng)化程度不高，自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連

3、續(xù)性，又不能馬上被淘汰，購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑，但是成本高，許多企業(yè)在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以?xún)?yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品。為此改造現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，是當(dāng)前許多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備更新?lián)Q代的首選辦法，也是提

4、高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑。</p><p>　　改造后的車(chē)床屬于開(kāi)環(huán)控制。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)自身固有的缺陷不容易保證加工精度。因此，合理選擇伺服系統(tǒng)是課題的一個(gè)中心環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)工作原理特性和實(shí)際應(yīng)用正好符合我們的這一需求，所以，改造系統(tǒng)選擇步進(jìn)電機(jī)作為雙向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種通過(guò)電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類(lèi)型電機(jī)相比具有易于開(kāi)環(huán)精確控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣

5、泛的應(yīng)用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。很多這種控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上已經(jīng)做的非常好，本文采用的控制電路主要由8031單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器及可編程鍵盤(pán)／顯示控制器Intel一8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。文中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動(dòng)軟件的實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)的設(shè)計(jì) 。</p><p>

6、;　　本設(shè)計(jì)在對(duì)原有機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)、性能、功能等進(jìn)行充分研究基礎(chǔ)上，主要針對(duì)中小型普通車(chē)床控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電機(jī)，改造了系統(tǒng)的切削工藝，提高了切削精度和效率，對(duì)舊車(chē)床的數(shù)控改造有一定的指導(dǎo)作用，是一種新的嘗試，也必將有更加廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控化、自動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)、自動(dòng)刀架。</p><p><b>　　ABSTRACT<

7、;/b></p><p>　　Most enterprises still have large amounts general—purpose machine tools which have longevity of service，low precision, can’t adapt to mass production，low automatization and adaptability, but

8、 call not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’S production. Purchase of new CNC machine tools is to improve product quality and efficiency of an important way, but the costs are high, many

9、companies can not be achieved in a short time, which seriously hindered the pace of busine</p><p>　　After transformation, the lathe is open-loop control. Because the inherent open-loop system is not easy to

10、ensure accuracy flaws. Therefore, a reasonable choice servo system is a central part of the subject. Characteristics of stepper motor principle and practical application of this just to meet our needs, so the reform the

11、system chosen as the bi-directional stepper motor feed drive motor. Stepper motor is controlled by electrical pulse signal phase rotation angle of winding current to achieve</p><p>　　The design of the origin

12、al machine tools sector, performance and function based on the full study, the main control system for small lathes to transform, to allow manual control into the grounds of the implementation of the automatic control of

13、 the stepper motor. This paper describes the transformation of CNC machine tools, machine parts design and drive circuit design, hardware design and software design work. Because this system uses mechanical and electrica

14、l integration method, the SCM system</p><p>　　Key words: CNC (Computerized Numerical Control）, automatic control, stepping motor, harmonic reducer</p><p><b>　　前言</b></p><p

15、>　　數(shù)控機(jī)床改造在國(guó)外已發(fā)展成一個(gè)新興的工業(yè)部門(mén)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得自動(dòng)化技術(shù)已遍及人們?nèi)粘Ｉ詈蛧?guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在機(jī)械加工領(lǐng)域中越來(lái)越占主導(dǎo)地位。我國(guó)是有300多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的國(guó)家，而這些機(jī)床又是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，自動(dòng)化程度不高，要想在近幾年內(nèi)大量用自動(dòng)、半自動(dòng)和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機(jī)床，不論資金和我國(guó)機(jī)床制造廠(chǎng)的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國(guó)現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改裝，是我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫

16、切要求解決的課題。在人們的要求日益提高的今天有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　那么，把原有的手動(dòng)機(jī)床改造成自動(dòng)機(jī)床就成為當(dāng)前所面臨的普遍而有迫切的任務(wù)。它可以使許多以往被廢棄并不用的機(jī)床得到重新利用，不僅為國(guó)家節(jié)約了大量的財(cái)力和物力，而且達(dá)到了變廢為寶的目的。</p><p>　　作為數(shù)控技術(shù)改造的車(chē)床，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，

17、積累維護(hù)、使用經(jīng)驗(yàn)，而且也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過(guò)渡的主要內(nèi)容之一。</p><p>　　本課題針對(duì)中小型普通車(chē)床的加工過(guò)程進(jìn)行了研究，并翻閱了許多文獻(xiàn)資料，把手動(dòng)的部分改造成了由步進(jìn)電機(jī)控制的簡(jiǎn)易自動(dòng)機(jī)床，并隨之進(jìn)行了必要的設(shè)計(jì)和研究。本課題是普通車(chē)床改造成自動(dòng)車(chē)床的一個(gè)嘗試，對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。</p><p><b>　　目錄</b&

18、gt;</p><p>　　摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------I</p><p>　　ABSTRACT----------------------------------------------------

19、----------------------------------------------II</p><p>　　前言-----------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅴ</p><p>　　一、概述------------

20、---------------------------------------------------------1</p><p>　　1.1普通車(chē)床數(shù)控改造--------------------------------------------------1</p><p>　　1.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)------------------------------------

21、--------------------2</p><p>　　1.3數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的選擇------------------------------------------------------------------6</p><p>　　二、車(chē)床改造方案的確定------------------------------------------------------7</p

22、><p>　　2.1 普通車(chē)床的構(gòu)成----------------------------------------------------------------------------8</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制選擇、安裝、與控制-----------------------------------------------9</p><p>　

23、　2.3 普通車(chē)床傳動(dòng)系統(tǒng)的改造---------------------------------------------------------------------10</p><p>　　2.4 車(chē)床改造機(jī)械部分具體零件的設(shè)計(jì) 11</p><p>　　2.5 驅(qū)動(dòng)電路的確定---------------------

24、-------------------------------------------------------3</p><p>　　2.6 I/O接口的確定-----------------------------------------------------------------------------13</p><p>　　三、改造車(chē)床主軸及控制系統(tǒng)--------------

25、------------------------------------15</p><p>　　3.1改造主軸電機(jī)-------------------------------------------------------------------------------15</p><p>　　3.2改進(jìn)刀架---------------------------------------

26、-----------------------------------------------15</p><p>　　四 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------------------------17</p><p>　　4.1 功率放大器的設(shè)計(jì)----------------------

27、---------------------------------------------------18</p><p>　　4.2 環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------------------------21</p><p>　　五 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)---------------------

28、--------------------------------------------------------25</p><p>　　5.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案--------------------------------------------------------------------25</p><p>　　5.2 步進(jìn)電機(jī)的恒速控制------------------

29、--------------------------------------------------------26</p><p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)的變速控制-------------------------------------------------------------------28</p><p>　　七 結(jié)束語(yǔ)---------------------------

30、------------------------------------------------------------------------32</p><p>　　八 致謝------------------------------------------------------------------------------------------------------33</p>&l

31、t;p>　　參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------------------------------------------------34</p><p><b>　　一、概述</b></p><p>　　1.1 普通車(chē)床數(shù)控改造</p><p>

32、　　數(shù)控車(chē)床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問(wèn)題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。</p><p>　　企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以?xún)?yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠(chǎng)現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前

33、，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。</p><p>　　購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑，但是成本太高，很多工廠(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)都無(wú)法有那么多的資金，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時(shí)目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長(zhǎng)使用壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對(duì)較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰

34、。而改造現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前許多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力，在我國(guó)成為世界制造業(yè)中心及制造強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中，占有一席之地。對(duì)于本課題，既可以達(dá)到完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，又可以達(dá)到研制新成果，開(kāi)闊科研門(mén)路的目的。</p><p>　　普通車(chē)床自動(dòng)控制系統(tǒng)

35、研制，是利用傳統(tǒng)普通車(chē)床，結(jié)合計(jì)算機(jī)、電子科技知識(shí)，變動(dòng)手為自動(dòng)，由粗加工變精加工，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”的最終目的，成品的主要用處為：既可以作為成品機(jī)型加工小批量精度高的零配件，又可以作為直觀(guān)、實(shí)效的機(jī)電演示設(shè)備，結(jié)合理論教學(xué)最直接的實(shí)現(xiàn)由單一機(jī)械產(chǎn)品，經(jīng)電子化改造變?yōu)橐詸C(jī)電為動(dòng)力最終實(shí)現(xiàn)精密機(jī)械加工的數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　1.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)</p><p>　　目

36、前新經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床約8．5萬(wàn)/臺(tái)，以普通新車(chē)床CA6140為例，售價(jià)3．8萬(wàn)／臺(tái)，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊車(chē)床CA6140，估價(jià)0.5萬(wàn)／臺(tái)， 通過(guò)改造還可使用4-6年。普通車(chē)床CA6140每臺(tái)數(shù)控化改造所需價(jià)格大約3萬(wàn)，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高20．30％。因此需要對(duì)普通車(chē)床的數(shù)控化改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。</p><p>　　設(shè)備現(xiàn)代化改造是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設(shè)

37、備的結(jié)構(gòu)(包括更換新部件、新裝置、新附件等)，改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之全部或局部達(dá)到新設(shè)備的性能。</p><p>　　設(shè)備現(xiàn)代化改造是廣義設(shè)備更新的一種方式，因此，研究現(xiàn)代化改造的經(jīng)濟(jì)性與設(shè)備更新的其他方式相比較。一般情況下，與現(xiàn)代化改造并存的可行方案有：繼續(xù)使用舊設(shè)備、舊設(shè)備大修理、原型設(shè)備更換和更換新設(shè)備。決策的任務(wù)就是要在各種可行方案中選擇設(shè)備使用總成本最小的方案。針對(duì)各種方案的設(shè)備使用總成本，進(jìn)行經(jīng)

38、濟(jì)分析[1]，選用下列公式計(jì)算：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　

39、式中：</b></p><p>　　——舊設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；</p><p>　　——原型新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：</p><p>　　——高效率新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：</p><p>　　——現(xiàn)代化改裝后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；</p><p>　　——大修理后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：<

40、/p><p>　　——舊設(shè)備繼續(xù)使用時(shí)的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——原型新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——高效率新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——現(xiàn)代化改裝后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——大修理后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——

41、原型新設(shè)備的價(jià)值;</p><p>　　——高效率新設(shè)備的價(jià)值；</p><p>　　——舊設(shè)備現(xiàn)代化改裝的價(jià)值：</p><p>　　——設(shè)備大修理費(fèi)用：</p><p>　　——舊設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　——原型新設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　——高效率新設(shè)

42、備在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　——現(xiàn)代化改裝后在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　一——大修理后在j年的使用費(fèi)用：</p><p>　　——原型新設(shè)備使用j年后的殘值；</p><p>　　——高效率設(shè)備使用J年后的殘值；</p><p>　　——第j年的現(xiàn)值系數(shù)，i為貼現(xiàn)利率；j為設(shè)備使用年限，(j=

43、l，2，3，．．n)。</p><p>　　比較各種方案的設(shè)備使用總成本，取總成本最小的方案。各種方案投資成本</p><p>　　及生產(chǎn)率以及各年使用成本列于表1．1所示：</p><p>　　表1．1 各種更新方案的投資和各年使用費(fèi)用 ( 萬(wàn)元)</p><p>　　新設(shè)備殘值==O．5萬(wàn)元，舊設(shè)備殘值==

44、0，利率i=8％</p><p>　　將上表所列數(shù)據(jù)代入各計(jì)算公式得出各種方案逐年使用成本見(jiàn)表1-2：</p><p>　　表1-2 各種方案逐年設(shè)備使用總成本匯總表 （萬(wàn)元）</p><p>　　由以上計(jì)算結(jié)果，比較各項(xiàng)更新方案中使用總成本最小者為優(yōu)。如果設(shè)備只使用3年，以繼續(xù)使用原設(shè)備方案為最佳；如果使用4-6年，則對(duì)原設(shè)備進(jìn)行大修理的方案

45、為佳；如果設(shè)備使用6年以上到8年，則最佳方案是將原舊機(jī)床改裝為數(shù)控化機(jī)床；如果使用9年以上，則可更將普通機(jī)床更換為全新數(shù)控機(jī)床為最佳方案。</p><p>　　因此通過(guò)以上經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，對(duì)使用6到8年的普通車(chē)床，將其改造為數(shù)控化車(chē)床，</p><p>　　是比較經(jīng)濟(jì)和可行的。</p><p>　　1.3數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的選擇 </p><p>

46、　　數(shù)控機(jī)床按伺服控制主要有三種類(lèi)型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 </p><p>　　1.3.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) </p><p>　　系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度

47、和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱(chēng)該之為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。該機(jī)床數(shù)控化改造縱向和橫向進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)選擇開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制</p><p>　　1.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng) </p><p>　　該系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系

48、統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。由于閉環(huán)控制代價(jià)高，

49、適用于精密和高精密數(shù)控機(jī)床，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床選擇此系統(tǒng)，無(wú)疑提高了它的成本和調(diào)試難度。 1.3.3半閉環(huán)控制系統(tǒng) </p><p>　　半閉環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在將角位移檢測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺服電機(jī)作成一個(gè)整體時(shí)則無(wú)需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題。由于它的性?xún)r(jià)

50、比高，大部分普通機(jī)床數(shù)控化改造都采用此系統(tǒng)。</p><p>　　二、車(chē)床改造方案的確定 </p><p>　　數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在數(shù)控改造中引入單片機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案有通用性與協(xié)調(diào)性。我們?cè)趯?shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的改造的過(guò)程中堅(jiān)持這樣一條原則：在盡量不改變車(chē)床原有功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，完成

51、改造</p><p>　　2.1 普通車(chē)床的構(gòu)成</p><p>　　對(duì)普通車(chē)床的自動(dòng)改造包括三大部分：機(jī)械部分、硬件（含電部分）、軟件部分。車(chē)床改造前，主要有以下幾部分構(gòu)成。</p><p>　　車(chē)床部分名稱(chēng)和用途如下：</p><p>　　2.1.1 車(chē)頭部分</p><p>　　1.車(chē)頭箱 用來(lái)帶動(dòng)車(chē)床主軸及卡

52、盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，變換箱外的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.卡盤(pán) 用來(lái)夾住工件，并帶動(dòng)工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　2.1.2 掛輪箱部分</p><p>　　用來(lái)把主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給走刀箱。調(diào)換箱體內(nèi)的齒輪，并與走刀箱配合，可以車(chē)削各種不同螺距的螺紋。</p><p>　　2.1.3 走刀部分</p>

53、<p>　　1.走刀箱利用它內(nèi)部的齒輪機(jī)構(gòu)，可以把主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給絲杠，變換箱體外面的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.用來(lái)車(chē)削螺紋。它能使拖板和車(chē)刀按要求的速比作很精確的直線(xiàn)移動(dòng)。</p><p>　　2.1.4 托板部分</p><p>　　1.拖板箱 把絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給拖板部分，變換箱外的手柄位置，經(jīng)拖板部分使車(chē)刀

54、作縱向或橫向走刀。</p><p>　　2.托板 分大、中和小托板三種：大的是橫向車(chē)削工件時(shí)使用；中的是縱向和控制吃道時(shí)使用；小的是橫向較短或者加工角度工件時(shí)用的。</p><p>　　3.刀架 用來(lái)裝夾刀具。</p><p><b>　　2.1.5 尾座</b></p><p>　　用來(lái)安裝頂針，支頂較長(zhǎng)工件。它還可以

55、安裝各種切削刀具。</p><p><b>　　2.1.6 床身</b></p><p>　　用來(lái)支持和安裝車(chē)床的各個(gè)部件，床身上面有兩條精確的導(dǎo)軌。托板和尾座可沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。</p><p><b>　　2.1.7 附件</b></p><p>　　1.中心架 車(chē)削較長(zhǎng)工件時(shí)用來(lái)支持工件。<

56、/p><p>　　2.冷卻嘴 用來(lái)注入切削液。</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制選擇、安裝、與控制。</p><p>　　2.2.1步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　改造后的車(chē)床屬于開(kāi)環(huán)控制。改造系統(tǒng)選擇步進(jìn)電機(jī)作為雙向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移或直線(xiàn)位移的一種增量運(yùn)動(dòng)電磁執(zhí)行元件。由于它的位移量和輸入脈沖同

57、步，因而只要控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各組的接通次序，便可精確地獲得所要求的轉(zhuǎn)角、速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，但同時(shí)應(yīng)注意電機(jī)的丟步，多步現(xiàn)象。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)定子上有A、B、C三相，當(dāng)定子三相按順序輪流通電時(shí)，A、B、C三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子一步一步運(yùn)轉(zhuǎn)。為了改善步進(jìn)電機(jī)工作性能，采用雙相輪流通電控制，由于兩相通電與單相輪流通電相比較轉(zhuǎn)子受力矩大一些，所以，工作穩(wěn)定不易丟步。但步矩角和單相的方式一樣。

58、步進(jìn)電機(jī)的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面：</p><p>　　步矩角 2）最大靜轉(zhuǎn)矩 3)對(duì)于安裝條件而言的外形尺寸</p><p>　　首先，必須保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，因此應(yīng)先計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)矩頻特性能有一定的量，以保證運(yùn)行可靠，即在實(shí)際工作中，各種頻率下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須在矩頻特性曲線(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，最大靜轉(zhuǎn)矩Mmax大的電機(jī)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也大，通常取M/=0.2

59、-0.5。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步矩角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，可以達(dá)到機(jī)床使用要求的脈沖當(dāng)量&（mm/脈沖）。步進(jìn)電機(jī)在有載啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)頻率和矩頻特性用下式近似計(jì)算：</p><p>　　Fq=Fq′=(1-Mf/M)(1+JF/J)</p><p>　　式中:M是啟動(dòng)頻率下的由矩頻特性決定的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩（N/m）</p><p>　　Jf是負(fù)載慣量（N·

60、m·s·s）</p><p>　　Fq是步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率</p><p>　　如負(fù)載參數(shù)無(wú)法確定，則可估算，當(dāng)然還應(yīng)該結(jié)合電機(jī)溫升，供貸等具體條件而定。</p><p>　　根據(jù)以上闡述，我們選擇了55BF003型步進(jìn)電機(jī)，其基本參數(shù)如下表2-1：</p><p>　　表2-1 步進(jìn)電機(jī)基本參數(shù)</p>

61、<p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)的安裝</p><p>　　普通車(chē)床刀架滑移由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的滑移組成，與導(dǎo)軌平行方向和導(dǎo)軌垂直的水平方向，由于在這兩個(gè)方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效區(qū)的任意位置。</p><p>　　1.沿導(dǎo)軌方向：在這個(gè)方向上是由絲杠驅(qū)動(dòng)，當(dāng)溜板箱上手柄扳到自動(dòng)走刀位置時(shí)，由驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后經(jīng)絲杠驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌方向走刀過(guò)程。

62、在動(dòng)力來(lái)源上，由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制經(jīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳遞給一級(jí)齒輪，再經(jīng)齒輪嚙合傳遞給二級(jí)齒輪，二級(jí)齒輪軸向連接絲杠，最后，絲杠將動(dòng)力傳給溜板箱，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌方向進(jìn)給。</p><p>　　2.與導(dǎo)軌垂直水平方向：將原有手柄手工進(jìn)給改造，保留手柄部分，加裝第二個(gè)步進(jìn)電機(jī)，將電機(jī)軸與原有絲杠連接起來(lái)。</p><p>　　2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制</p><p>　　如前所述

63、，我們選擇了兩個(gè)方向,與導(dǎo)軌平行方向和與導(dǎo)軌垂直的水平方向作為雙坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，這樣刀具可在工作范圍內(nèi)任意一點(diǎn)工作，同時(shí)選擇了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)這兩個(gè)方向進(jìn)行控制。</p><p>　　對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，其方案有多種：硬件集成電路聯(lián)接、單片機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、微機(jī)等。經(jīng)過(guò)綜合比較分析，我們選取了單片機(jī)，其主要原因如下：控制類(lèi)微型計(jì)算機(jī)的典型機(jī)種是單片機(jī)，即將運(yùn)算器、控制器、輸入輸出接口、部分存儲(chǔ)器以及其他一些邏輯部件集成在一片

64、芯片上。這樣的單片計(jì)算機(jī)具有體積小、重量輕、耗電少、功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)；又由于數(shù)據(jù)大都是在芯片內(nèi)傳遞處理，所以運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，用于控制領(lǐng)域中是非常理想的，在國(guó)外一般稱(chēng)為微控制器。單片機(jī)雖然從七十年代問(wèn)世到現(xiàn)在只不過(guò)三十多年左右時(shí)間，但發(fā)展異常迅速，現(xiàn)在的單片機(jī)因其品種繁多，功能各異的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。</p><p>　　2.3 普通車(chē)床傳動(dòng)系統(tǒng)的改造</p><p>　　

65、現(xiàn)有的普通車(chē)床有橫向和縱向兩個(gè)方向的進(jìn)給，這兩個(gè)方向的傳動(dòng)系統(tǒng)的改造示意圖如圖2-1所示： a)圖為縱向示意圖 b）圖為橫向示意圖</p><p>　　圖 2-1（a）車(chē)床橫向傳動(dòng)改造示意圖</p><p>　　1.步進(jìn)電機(jī) 2.諧波減速器 3.縱向進(jìn)給絲杠 4.刀架</p><p>　　圖 2-1（b）車(chē)床縱向傳動(dòng)改造示意圖</p><p

66、>　　1.縱向進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)絲杠 2.溜板箱 3.橫向進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)絲杠 4.齒輪2 5.齒輪1 </p><p>　　6.諧波減速器 7.電機(jī)</p><p>　　2.4 車(chē)床改造機(jī)械部分具體零件的設(shè)計(jì)</p><p>　　下面將詳細(xì)介紹（包括繪圖）機(jī)械部分所需的零件設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)、尺寸等主要從下面幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>

67、;　　傳動(dòng)穩(wěn)定 不影響精度或者精度必須滿(mǎn)足在要求的范圍內(nèi)。</p><p>　　結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、傳動(dòng)合理。</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)性好。</b></p><p>　　圖(2-2)為橫向進(jìn)給時(shí)所需的具體零件及零件裝配示意圖。</p><p>　　圖2-2橫向進(jìn)給零件裝配示意圖。</p><p&g

68、t;　　1.電機(jī) 2.螺釘 3.聯(lián)軸器 4.諧波減速器 5.薄片斜齒輪 6.支承軸 7.斜齒輪 8.橫向絲杠 9.下箱體 10.螺釘 11.上箱體</p><p>　　圖2-3為縱向進(jìn)給時(shí)所需的具體零件及零件裝配示意圖</p><p>　　圖2-3 縱向進(jìn)給零件裝配示意圖</p><p>　　1.電機(jī) 2.螺釘 3.聯(lián)軸器 4.諧波減速器

69、 5.縱向絲杠 6.聯(lián)軸器 7.下箱體 8.螺釘 9.上箱體</p><p>　　2.5 驅(qū)動(dòng)電路的確定</p><p>　　從微機(jī)接口中輸出的電流為毫安能，它雖然不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這就必須針對(duì)計(jì)算機(jī)輸出電流進(jìn)行放大，因此，必須有一套完整的功率放大電路，用它去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　2.6 I/O接口的確定</p><p>　

70、　具體方法將在以后的章節(jié)中討論。</p><p>　　綜上所述：我們確定了實(shí)施自動(dòng)控制所需要的幾個(gè)環(huán)節(jié)，下圖是步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)開(kāi)環(huán)控制示意圖。</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p><b>　　圖2-5</b></p><p>　　至此，普通車(chē)床自動(dòng)控制改造的方案已經(jīng)全部確定。

71、</p><p>　　三 改造車(chē)床主軸及控制系統(tǒng)</p><p><b>　　3.1改進(jìn)主軸電機(jī)</b></p><p>　　3.1.1主軸脈沖編碼器的概述</p><p>　　脈沖編碼器又稱(chēng)脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線(xiàn)位移的檢測(cè)器。能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。脈沖編

72、碼器控制方式的特點(diǎn)： （1）控制方式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩小。 （2）由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。 （3）由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤(pán)，母盤(pán)制作后，復(fù)制很方便，且成本底。 （4）抗污染能力差，容易損壞。</p><p>　　3.2 改進(jìn)刀架</p><p>　　3.2.1改造刀架的目的</p>&l

73、t;p>　　普通車(chē)床的上帶有手動(dòng)刀架。根據(jù)加工要求和生產(chǎn)情況，對(duì)刀架進(jìn)行改造，提高生產(chǎn)率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工提供前提條件。</p><p>　　3.2.2刀架的選擇</p><p>　　經(jīng)過(guò)比較，選用常州宏達(dá)機(jī)床設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的LD4—C0625型四工位電動(dòng)刀架。作為車(chē)床的電動(dòng)刀架?？梢酝瓿纱志?chē)，車(chē)螺紋和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用。刀架的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)由三相微

74、型異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)完成</p><p>　　3.2.3刀架的工作原理</p><p>　　在加工過(guò)程中，選刀時(shí)在程序中輸入被選刀具的的TXX（刀具號(hào)）和DXX（刀沿號(hào)）。PCU單元通過(guò)PLC的輸出端口通過(guò)X111的Q0.4接通電動(dòng)刀架的正轉(zhuǎn)繼電器使刀架正轉(zhuǎn)，當(dāng)所選刀具到達(dá)加工位置時(shí)，刀架上的集成霍爾單元?jiǎng)t發(fā)出信號(hào)，通過(guò)PLC輸入端口將X111的I0.0～I(xiàn)0.3信息傳遞給PUC單元結(jié)束選刀

75、。</p><p>　　3.3 X、Z軸的限位輸入端設(shè)置為負(fù)邏</p><p>　　經(jīng)過(guò)分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，想出一種新的限位控制方式，既負(fù)邏輯控制。其基本思路是：使用限位行程開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開(kāi)關(guān)沒(méi)有壓下I/O點(diǎn)與24V斷開(kāi)，機(jī)床限位。這種接法消除因線(xiàn)路開(kāi)路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠性。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。 采用負(fù)邏輯的輸入

76、方法，這樣有利害、于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼點(diǎn)器，接觸器等元件實(shí)現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因?yàn)樗麜?huì)導(dǎo)致部分繼電器，接觸器處于始終接觸狀態(tài)。這會(huì)造成損耗大，元件升溫，壽命縮短等問(wèn)題，并且元件間機(jī)械接觸，還會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)等因素造成誤動(dòng)作。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)，，不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題，本次數(shù)控改造使用的數(shù)控西門(mén)子802D數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟件，硬件兩方面配合才能實(shí)現(xiàn)。 硬件連接 數(shù)控機(jī)床

77、中PLC的輸入點(diǎn)有以下兩中連接方法，其原理是：當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)超程時(shí)壓下行程開(kāi)關(guān)SQ1，SQ1閉合PLC內(nèi)的光點(diǎn)歐合器件得點(diǎn)，PLC認(rèn)為該點(diǎn)的邏輯值為“1”，信號(hào)有效，PLC執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點(diǎn)在于當(dāng)+叢4V端子到PLC輸入點(diǎn)之間的線(xiàn)路接觸不良或開(kāi)路則</p><p>　　四 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)

78、機(jī)沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì)80年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。</p><p

79、>　　單電壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)

80、的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也帶來(lái)了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行</p><p>　　頻率要求不高的場(chǎng)合。</p><p>　　高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率，而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高輸出轉(zhuǎn)矩，而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻性能得以提高。

81、但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見(jiàn)。</p><p>　　為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)，流過(guò)繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因

82、而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制。</p><p>　　為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng)，高速時(shí)高電壓驅(qū)動(dòng)的電路，使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源。在低速運(yùn)行時(shí)，電子控制器調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角，使線(xiàn)路輸出的平均電壓較低，電動(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)下那樣在低速容易出現(xiàn)過(guò)沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸變快時(shí)，平

83、均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線(xiàn)路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線(xiàn)路，但實(shí)際運(yùn)行中需要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī)，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要

84、n次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即n細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。</p><p>　　4.1 功率放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　功率放大器由前置放大和大功率驅(qū)動(dòng)兩部分組成，前者用于推動(dòng)大功率器件而設(shè)置，一

85、般由反相器、射極跟隨器等構(gòu)成；后者都為大功率器件，按電路主要?jiǎng)澐譃閱坞妷弘娐贰㈦p電壓電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓電路、細(xì)分電路等，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中最重要的部分。在這里采用恒流斬波電路。</p><p>　　恒流斬波驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是目前步進(jìn)電機(jī)控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路波形呈凹形的缺陷，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時(shí)電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。斬波驅(qū)動(dòng)中，雖然電路

86、較復(fù)雜，但是由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電機(jī)繞組回路又沒(méi)有串入電阻，整個(gè)系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。當(dāng)達(dá)到所需要的電流時(shí)，由于取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，當(dāng)我們使電機(jī)的繞組電流恒定在一個(gè)較高的數(shù)值時(shí)，就可提升電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，為克服步進(jìn)電機(jī)在高頻時(shí)牽出轉(zhuǎn)矩下降的問(wèn)題，很多文獻(xiàn)提出了一些新的恒流斬波驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)蚓㈨?。但是恒流斬波技術(shù)不能解

87、決步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動(dòng)問(wèn)題，無(wú)法克服步進(jìn)電機(jī)因受步距角限制而不能實(shí)現(xiàn)多種步距角控制的缺陷。只有與單拍和雙拍運(yùn)行時(shí)相對(duì)應(yīng)的兩種步距角。</p><p>　　下面主要針對(duì)自行設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說(shuō)明（詳見(jiàn)大圖）。此功率放大電路，線(xiàn)路比較簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，它具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　回路采用兩種電源供電27V/5V。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電

88、路采用了LM339運(yùn)放器，使電路合理，穩(wěn)定性好。</p><p>　　工作時(shí)，輸出穩(wěn)定，有利于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。</p><p>　　圖示電路是一相電流的驅(qū)動(dòng)電路，其它兩相電流驅(qū)動(dòng)相同，本電路前采用滯銷(xiāo)光電耦合TLP421—4，以達(dá)到強(qiáng)弱電流的分離作用及抗干擾作用，保護(hù)元件。電路部分由脈沖功率放大電路與電流檢測(cè)電路組成，對(duì)于功率放大電路來(lái)說(shuō)，電機(jī)如果精確運(yùn)行，要求通電周期內(nèi)提供足夠大的矩形

89、電流。但由于電機(jī)繞阻為感性負(fù)載，其電流按指數(shù)規(guī)律上升，這就要求脈沖的上升沿與下降沿盡可能陡峭。這樣本系統(tǒng)選用高低供電恒流路。這樣可以是脈沖陡峭提高電源性能。</p><p><b>　　電路工作流程如下：</b></p><p>　　8255PA口輸出控制字，通過(guò)光電耦合導(dǎo)通，TIP142導(dǎo)通電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電流檢測(cè)電路接上的采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、比較最后將信息送到TIP1

90、47基極驅(qū)動(dòng)電路控制TIP147的飽和與截至從而控制27V電源電路的通斷。若繞阻電流不夠3A，則27V電源工作，使電流增加，電流達(dá)到電機(jī)允許的限度時(shí)反饋信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路控制TIP147截至，27V電源停止工作，電流由5V電源供給。如此往復(fù)達(dá)到電流恒定，且波形沿陡峭的目的，當(dāng)繞阻斷電時(shí)電流不同能立即消失，這樣加一放電回路，避免晶體管兩極間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)高，從而對(duì)電路起了保護(hù)作用。</p><p><b>　　

91、電路補(bǔ)充說(shuō)明：</b></p><p>　　光電耦合TLP421-4用于將電路中+5V電壓與+27V電壓隔開(kāi)，以防+27V高壓破壞器件</p><p>　　功放管選取了達(dá)林頓三極管：TIP147和TIP142，其耗功率為100瓦，并且其反映速度快，本系統(tǒng)要用其開(kāi)關(guān)性。</p><p>　　電壓放大器，采用LM339接成史密特接觸發(fā)生器電路，其輸出電壓與R

92、1檢測(cè)電流關(guān)系如下圖4-1所示</p><p>　　圖 4-1輸出電壓與檢測(cè)電流關(guān)系圖</p><p>　　設(shè)計(jì)過(guò)程中采取如下措施：增加主回路電阻和放電回路電阻改善電波形，使上升沿與下降沿陡峭。驅(qū)動(dòng)電路電源部分，由于驅(qū)動(dòng)電路需要直恒流27V、15V、6V、5V穩(wěn)定電源，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路中步進(jìn)電機(jī)滿(mǎn)足電流在3A以上，特設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)壓電源如下圖4-2所示</p><p>

93、<b>　　圖 4-2穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　工作原理：由變壓器輸出+27V電壓，由于為交流電壓，所以最大值為V大于27V電壓、經(jīng)過(guò)7824將電壓降為+24V，又因?yàn)?824工作電流很小，用TIP147進(jìn)行擴(kuò)流，后經(jīng)過(guò)電阻提壓為+27V。同樣經(jīng)過(guò)7815后電壓為+15V，經(jīng)電阻分壓降為+6V，由穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后，再經(jīng)過(guò)7805把電壓穩(wěn)定在+5V。</p><

94、p>　　4.2 環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠不停地改變各相繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進(jìn)電機(jī)有幾相，就要為其提供幾個(gè)脈沖序列。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖序列來(lái)自插補(bǔ)器，但對(duì)于某個(gè)單軸坐標(biāo)，插補(bǔ)器只能按照一定線(xiàn)型，提供一個(gè)單序列脈沖。因此，在插補(bǔ)器到步進(jìn)電機(jī)之間必須有一個(gè)能將插補(bǔ)器的單序列脈沖

95、轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)需要的多序列脈沖的裝置，這就是環(huán)行分配器。</p><p>　　盡管有了環(huán)行分配器就可以將插補(bǔ)器的單序列脈沖轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)需要的多序列脈沖，但這些序列脈沖的信號(hào)都還不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中還應(yīng)包括功率放大裝置。步進(jìn)電機(jī)的最基本的控制系統(tǒng)就由環(huán)行分配器和功率放大器組成。功率放大器在上面已經(jīng)介紹，下面就重點(diǎn)介紹一下環(huán)形分配器。</p><p>　　4.2.1 硬軟件

96、環(huán)形分配器的分析</p><p>　　硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有幾相就需要幾個(gè)序列脈沖，所以步進(jìn)電機(jī)有幾相，就要設(shè)置幾個(gè)觸發(fā)器。每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個(gè)序列脈沖，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組的通、斷電。</p><p>　　所謂軟件環(huán)形分配器，是指實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)通電方式和通電順序改變的功能不是用專(zhuān)門(mén)的硬件電路來(lái)完成，而是用編程的方式，即以指令驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)完成的。在本

97、設(shè)計(jì)中我們采用軟件環(huán)形分配器。</p><p>　　4.2.2 軟件環(huán)形分配器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　?。?）軟件環(huán)形分配器的硬件接口電路圖如4-3所示</p><p>　　圖 4-3軟件環(huán)形分配器的硬件接口電路圖</p><p>　　這是一個(gè)用8031單片機(jī)構(gòu)成的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的一部分結(jié)構(gòu)。其中采用通用接口芯片8255的PA口作

98、為步進(jìn)電機(jī)的控制口。一臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)需要三個(gè)口位。每個(gè)口位連接步進(jìn)電機(jī)的一相定子繞組，這些口位代替了硬件環(huán)形分配器的觸發(fā)器。按照?qǐng)D示結(jié)構(gòu)，PA0、PA1、PA2三個(gè)口位通過(guò)隔離放大電路后分別接到X向步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組，這樣，只要能夠通過(guò)軟件設(shè)置使PA0、PA1、PA2 三個(gè)口位按步進(jìn)電機(jī)的通電方式和方向的要求分別置1和清0，就相當(dāng)于給A、B、C三相繞組通電或斷電。</p><p>　　在這個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)

99、中，不需要用專(zhuān)門(mén)電路把單序列脈沖轉(zhuǎn)換為多序列脈沖，也不需要把相當(dāng)于硬件環(huán)型分配器的觸發(fā)器輸出端QA、QB、QC的PA0、PA1、PA2再送到什么數(shù)據(jù)總線(xiàn)D，因此這個(gè)系統(tǒng)中沒(méi)有硬件環(huán)形分配器。但如果步進(jìn)電機(jī)也需要按照單三拍方式輪流通電，那么PA0、PA1、PA2也需要輪流置1并在需要斷電時(shí)及時(shí)清0，這個(gè)使步進(jìn)電機(jī)改變通電方式和方向的工作是用軟件實(shí)現(xiàn)的，所以稱(chēng)之為軟件環(huán)形分配器。</p><p>　?。?）軟件環(huán)形分

100、配器的控制表</p><p>　　實(shí)現(xiàn)軟件環(huán)形分配器的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)一個(gè)控制表。在這個(gè)控制表里要存放步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)字和狀態(tài)字的存放單元。狀態(tài)字的存放單元被稱(chēng)做地址指針。狀態(tài)字是一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是按照接口電路中各個(gè)口位所對(duì)應(yīng)的每個(gè)節(jié)拍中的各相繞組的通電狀態(tài)，1代表通電，0代表斷電得來(lái)的。如表4-1所示</p><p>　　表 4-1三相六拍步進(jìn)電機(jī)正向通電各口位與通電

101、狀態(tài)對(duì)照表</p><p>　　這是按照X向電機(jī)取三相六拍方式正向通電順序節(jié)拍情況下接口各口位與繞組各相通電狀態(tài)對(duì)照表。按照下述方法來(lái)理解這張表:</p><p>　　橫向看第1節(jié)拍：A相通電，XA = 1 PA0 = 1</p><p>　　此時(shí)在整個(gè)PA口得到一個(gè)數(shù)據(jù)：PA = B = 01H</p><p>　　橫向看第2節(jié)拍：A相通

102、電，XA = 1 PA0 = 1 </p><p>　　B相通電，XB = 1 PA1 = 1</p><p>　　此時(shí)在整個(gè)PA口得到的數(shù)據(jù)：PA = B = 03H </p><p>　　按照上述方法對(duì)應(yīng)每個(gè)節(jié)拍在PA口上，都能得到一個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是步進(jìn)電機(jī)通電狀態(tài)控制字。</p><p>

103、　　本表中對(duì)應(yīng)各節(jié)拍的控制字是：</p><p>　　1節(jié)拍：PA = 01H 2節(jié)拍：PA = 03H 3節(jié)拍：PA = 02H</p><p>　　4節(jié)拍：PA = 06H 5節(jié)拍：PA = 04H 6節(jié)拍：PA = 05H</p><p>　　得到控制字后就要把它送到存儲(chǔ)單元中保存。這些控制字在微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中是重要的數(shù)據(jù)，必須考慮即使掉電數(shù)據(jù)也

104、不能丟失，所以，這個(gè)控制字要存放在EPROM中。而對(duì)于用8031主芯片構(gòu)成的51單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中，必須先擴(kuò)展出EPROM才行。</p><p>　　下面假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)展了EPROM，我們選擇從4000H單元開(kāi)始存放這些控制字，這就是控制表如表4-2所示。</p><p>　　表 4-2軟件環(huán)形分配器的控制表</p><p>　　將控制字與控制口對(duì)應(yīng)后，只要按照節(jié)拍

105、步驟，輪流向控制口輸送各個(gè)控制字，就能使對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)各相繞組按照節(jié)拍順序通斷電了。將控制字與內(nèi)存單元地址對(duì)應(yīng)之后，就能按照節(jié)拍步驟，輪流向內(nèi)存單元取控制字，然后輸送到控制口，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通斷電。從內(nèi)存單元取控制字，并將控制字送到控制口的任務(wù)是用控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即由控制軟件實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　指針指向第1個(gè)存儲(chǔ)單元4000H 取控制字 01H 送PA口，實(shí)現(xiàn)A通電</p>

106、<p>　　指針指向第2個(gè)存儲(chǔ)單元4001H 取控制字 03H 送PA口，實(shí)現(xiàn)AB通電</p><p>　　… … …</p><p>　　指針指向第6個(gè)存儲(chǔ)單元4005H 取控制字 05H 送PA口，實(shí)現(xiàn)CA通電</p><p>　　一個(gè)輪回以后，步進(jìn)電機(jī)只走了6步，只要總步數(shù)超過(guò)6步，步進(jìn)電機(jī)就還要繼續(xù)運(yùn)行，就要重新從從第1個(gè)存儲(chǔ)單元40

107、00H 取控制字 01H 送PA口，再次實(shí)現(xiàn)A通電，這就是體現(xiàn)軟件環(huán)形分配器思想的重要步驟。要將順序執(zhí)行到表底4005H的指針重新指向表頭4000H。</p><p>　　除此之外還有一個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題需要強(qiáng)調(diào)：那就是指針的保存問(wèn)題。保存指針，實(shí)際就是保存剛剛實(shí)現(xiàn)的通電狀態(tài)，因?yàn)橹羔標(biāo)傅拇鎯?chǔ)單元里存放著步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)。</p><p>　?。?）正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)</p>

108、<p>　　本控制程序采用的是“查表法”按一定的節(jié)拍順序由并行輸出口送出01H、03H、02H、06H、04H、05H則電機(jī)將以A-AB-B-BC-C-A的六拍方式工作即正轉(zhuǎn)，反之則逆轉(zhuǎn)。在輸出脈沖前要對(duì)8255初始化。</p><p>　　五 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案</p><p>　　5.1.1．基

109、于電子電路控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)組成如下所示。<