普通机床数控化改装毕业论文.doc

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1、张家界航空工业职业技术学院毕业设计题目：普通机床数控化改装系 别： 数控工程系 专 业：机电设备维护与管理 姓 名： 学 号：10353114 指导老师： 二一三年四月二十八日摘 要针对大多数企业，具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。为此改造现有

2、旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径。改造后的车床属于开环控制。由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。因此，合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求，所以，改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多

3、步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，本文采用的控制电路主要由8031单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘显示控制器Intel一8279等组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的设计 。本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上，主要针对中小型普通车床控制系统进行改造，用单片机系统实现弱电控制强电机，改造了系统的切削工艺，提高了切削精度和效率，对旧车床的数控改造有一定的指导作用，是一种新的尝试，也必将有更加广阔的应用

4、前景。关键词：数控化、自动控制、步进电机、自动刀架。ABSTRACTMost enterprises still have large amounts generalpurpose machine tools which have longevity of service，low precision, cant adapt to mass production，low automatization and adaptability, but call not be washed out because of its low cost and continuity of enterpriseS

5、production. Purchase of new CNC machine tools is to improve product quality and efficiency of an important way, but the costs are high, many companies can not be achieved in a short time, which seriously hindered the pace of business equipment updates. Enterprises in the fierce competition in the ma

6、rket to survive, and seek development, it must in the shortest possible time and with excellent quality, low cost, to create a line with market needs, performance, the right products. To this end reform the existing old machine, equipped with suitable control system, converted into the ordinary CNC

7、machine tools, after a small investment, improve product quality and production efficiency of the shortcut, many companies are currently upgrading of existing equipment Preferred option, but also improve the rate of CNC machine tools is an effective way.After transformation, the lathe is open-loop c

8、ontrol. Because the inherent open-loop system is not easy to 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 system chosen as th

9、e bi-directional stepper motor feed drive motor. Stepper motor is controlled by electrical pulse signal phase rotation angle of winding current to achieve given the mechanical and electrical components, compared with other types of motor control with easy-to-open-loop precision, no accumulation of e

10、rrors, etc., in many fields to obtain a wide range of applications. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, which uses single chip as the control of the control system has been widely used. Many of these control the stepper motor dr

11、ive system has been doing very well, in this paper, the control circuit mainly by 8031, crystal oscillator circuit, the address latch, decoder, EEPROM memory, and programmable keyboard / display controller Intel -8279 and other components, SCM is the control core of the system. In this paper, the sy

12、stem architecture and hardware implementation of the circuit and the driver software has done a detailed design.The design of the original 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 g

13、rounds of the implementation of the automatic control of 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 electrical integration method, th

14、e SCM system to achieve high power electronic control and transform the system of the cutting process and improve the cutting accuracy and efficiency, for Transformation of old bed of the CNC has a guiding role, is a new attempt will also have a more broad application prospects.Key words: CNC (Compu

15、terized Numerical Control）, automatic control, stepping motor, harmonic reducer目 录摘要IIABSTRACTIV一、概述11.1 普通车床数控改造11.2 普通机床数控化改造经济性评价21.3数控机床伺服系统的选择6二、车床改造方案的确定82.1 普通车床的构成82.2 步进电机的控制选择、安装、与控制。92.3 普通车床传动系统的改造112.4 车床改造机械部分具体零件的设计132.5 驱动电路的确定14四 步进电机控制系统的设计174.1 步进电机的控制方案174.2 步进电机的恒速控制194.3 步进电机的变

16、速控制20总结23致 谢24参考文献25一、概述1.1 普通车床数控改造 数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有

17、那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。对于本课题，既可以达到完成毕业设计的目的，又可以达到

18、研制新成果，开阔科研门路的目的。普通车床自动控制系统研制，是利用传统普通车床，结合计算机、电子科技知识，变动手为自动，由粗加工变精加工，实现“变废为宝”的最终目的，成品的主要用处为：既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件，又可以作为直观、实效的机电演示设备，结合理论教学最直接的实现由单一机械产品，经电子化改造变为以机电为动力最终实现精密机械加工的数控机床。1.2 普通机床数控化改造经济性评价目前新经济型数控车床约85万/台，以普通新车床CA6140为例，售价38万台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床CA6140，估价0.5万台， 通过改造还可使用4-6年。普通车床CA6140

19、每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高2030。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构(包括更换新部件、新装置、新附件等)，改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更换新设备。决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。针对各种方案的设备使用总成本，进行经济分析1，选用下列公式计

20、算：=式中：旧设备到j年的使用总成本；原型新设备到j年的使用总成本：高效率新设备到j年的使用总成本：现代化改装后设备到j年的使用总成本；大修理后设备到j年的使用总成本：旧设备继续使用时的劳动生产率系数；原型新设备的劳动生产率系数；高效率新设备的劳动生产率系数；现代化改装后的劳动生产率系数；大修理后的劳动生产率系数；原型新设备的价值;高效率新设备的价值；旧设备现代化改装的价值：设备大修理费用：旧设备在j年的使用费用；原型新设备在j年的使用费用；高效率新设备在j年的使用费用；现代化改装后在j年的使用费用；一大修理后在j年的使用费用：原型新设备使用j年后的残值；高效率设备使用J年后的残值；第j年的现

21、值系数，i为贴现利率；j为设备使用年限，(j=l，2，3，n)。比较各种方案的设备使用总成本，取总成本最小的方案。各种方案投资成本及生产率以及各年使用成本列于表11所示：序号可行方案基本投资劳动生产力系数各年使用费用1234567891旧车床继续使用=0.70.250.50.7511.251.51.7522.252更换为全新普通车床=3.5=10.030.070.110.150.190.230.270.310.353更换为全新数控机床=6.5=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改装为数控机床=3.2=1.20.10.180.260.340.420.5

22、0.580.660.745旧机床大修理=1.8=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各种更新方案的投资和各年使用费用 ( 万元)新设备残值=O5万元，旧设备残值=0，利率i=8将上表所列数据代入各计算公式得出各种方案逐年使用成本见表1-2： 年份方案1234567890.330.941.792.844.065.416.878.4110.023.593.593.683.793.914.064.224.384.564.074.104.134.164.204.254.304.364.412.742.873.043.253.493.754.044.334

23、.642.102.282.532.833.183.573.984.424.87表1-2 各种方案逐年设备使用总成本汇总表 （万元）由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用4-6年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。因此通过以上经济性评价，对使用6到8年的普通车床，将其改造为数控化车床，是比较经济和可行的。1.3数控机床伺服系统的选择 数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选

24、择。 1.3.1开环控制系统 系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。该机床数控化改造纵向和横向进给伺服驱动选择开环步进电机控制 1.3.2闭环

25、控制系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。由于闭环控制代价高，适用于精密和高精密数控机床，对于经济型数控机床选择此系统，无疑提高了它的成本和调试难度。 1.3.3半闭环控制系统 半闭环系统检测元件安

26、装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。由于它的性价比高，大部分普通机床数控化改造都采用此系统。二、车床改造方案的确定数控技术改造机床是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在数控改造中引入单片机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案有通用性与协调性。我们在实现对机床的改造的过程中坚持这样一条原则：在尽量不改变车床原有功能的基础上，实现自动控制的目的，完成改

27、造2.1 普通车床的构成对普通车床的自动改造包括三大部分：机械部分、硬件（含电部分）、软件部分。车床改造前，主要有以下几部分构成。车床部分名称和用途如下：2.1.1 车头部分1.车头箱 用来带动车床主轴及卡盘转动，变换箱外的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。2.卡盘 用来夹住工件，并带动工件一起转动。2.1.2 挂轮箱部分用来把主轴的转动传给走刀箱。调换箱体内的齿轮，并与走刀箱配合，可以车削各种不同螺距的螺纹。2.1.3 走刀部分1.走刀箱利用它内部的齿轮机构，可以把主轴的旋转运动传给丝杠，变换箱体外面的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。2.用来车削螺纹。它能使拖板和车刀按要求的速

28、比作很精确的直线移动。2.1.4 托板部分1.拖板箱 把丝杠的转动传给拖板部分，变换箱外的手柄位置，经拖板部分使车刀作纵向或横向走刀。2.托板 分大、中和小托板三种：大的是横向车削工件时使用；中的是纵向和控制吃道时使用；小的是横向较短或者加工角度工件时用的。3.刀架 用来装夹刀具。2.1.5 尾座用来安装顶针，支顶较长工件。它还可以安装各种切削刀具。2.1.6 床身用来支持和安装车床的各个部件，床身上面有两条精确的导轨。托板和尾座可沿着导轨移动。2.1.7 附件1.中心架 车削较长工件时用来支持工件。2.冷却嘴 用来注入切削液。2.2 步进电机的控制选择、安装、与控制2.2.1步进电机的选择改

29、造后的车床属于开环控制。改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或直线位移的一种增量运动电磁执行元件。由于它的位移量和输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲数量、频率及电机各组的接通次序，便可精确地获得所要求的转角、速度和转动方向，但同时应注意电机的丟步，多步现象。步进电机定子上有A、B、C三相，当定子三相按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子一步一步运转。为了改善步进电机工作性能，采用双相轮流通电控制，由于两相通电与单相轮流通电相比较转子受力矩大一些，所以，工作稳定不易丢步。但步矩角和单相的方式一样。步进电机的选择主要考虑以下几个方面：1）

30、 步矩角 2）最大静转矩 3)对于安装条件而言的外形尺寸 首先，必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，因此应先计算机械系统的负载转矩，使电机矩频特性能有一定的量，以保证运行可靠，即在实际工作中，各种频率下的负载转矩必须在矩频特性曲线。一般来说，最大静转矩Mmax大的电机，负载转矩也大，通常取M/=0.2-0.5。选择步进电机时，应使步矩角和机械系统匹配，可以达到机床使用要求的脉冲当量&（mm/脉冲）。步进电机在有载启动时，其启动频率和矩频特性用下式近似计算： Fq=Fq=(1-Mf/M)(1+JF/J) 式中:M是启动频率下的由矩频特性决定的步进电机转矩（N/m） Jf是负载惯量（Nm

31、ss） Fq是步进电机空载启动频率如负载参数无法确定，则可估算，当然还应该结合电机温升，供贷等具体条件而定。根据以上阐述，我们选择了55BF003型步进电机，其基本参数如下表2-1：相数步距角电压相电流31.53A0.67N.m空载启动频率空载运行频率分配方式外形尺寸180012000三相六拍55706表2-1 步进电机基本参数2.2.2 步进电机的安装普通车床刀架滑移由两个驱动装置的滑移组成，与导轨平行方向和导轨垂直的水平方向，由于在这两个方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效区的任意位置。1.沿导轨方向：在这个方向上是由丝杠驱动，当溜板箱上手柄扳到自动走刀位置时，由驱动装置

32、的转动，经齿轮转动，最后经丝杠驱动实现导轨方向走刀过程。在动力来源上，由一个步进电机控制经步进电机转轴传递给一级齿轮，再经齿轮啮合传递给二级齿轮，二级齿轮轴向连接丝杠，最后，丝杠将动力传给溜板箱，实现导轨方向进给。2.与导轨垂直水平方向：将原有手柄手工进给改造，保留手柄部分，加装第二个步进电机，将电机轴与原有丝杠连接起来。2.2.3 步进电机的控制如前所述，我们选择了两个方向,与导轨平行方向和与导轨垂直的水平方向作为双坐标联动，这样刀具可在工作范围内任意一点工作，同时选择了两个步进电机对这两个方向进行控制。对步进电机的控制，其方案有多种：硬件集成电路联接、单片机、工业PC机、微机等。经过综合比

33、较分析，我们选取了单片机，其主要原因如下：控制类微型计算机的典型机种是单片机，即将运算器、控制器、输入输出接口、部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一片芯片上。这样的单片计算机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强和价格低等特点；又由于数据大都是在芯片内传递处理，所以运行速度快，抗干扰能力强，用于控制领域中是非常理想的，在国外一般称为微控制器。单片机虽然从七十年代问世到现在只不过三十多年左右时间，但发展异常迅速，现在的单片机因其品种繁多，功能各异的优点，应用越来越广泛。2.3 普通车床传动系统的改造现有的普通车床有横向和纵向两个方向的进给，这两个方向的传动系统的改造示意图如图2-1所示： a)图为

34、纵向示意图 b）图为横向示意图4321图 2-1（a）车床横向传动改造示意图1.步进电机 2.谐波减速器 3.纵向进给丝杠 4.刀架7653421图 2-1（b）车床纵向传动改造示意图1.纵向进给的驱动丝杠 2.溜板箱 3.横向进给的驱动丝杠 4.齿轮2 5.齿轮1 6.谐波减速器 7.电机2.4 车床改造机械部分具体零件的设计下面将详细介绍（包括绘图）机械部分所需的零件设计、零件结构、尺寸等主要从下面几个方面进行设计。1. 传动稳定 不影响精度或者精度必须满足在要求的范围内。2. 结构尽量简单、传动合理。3. 经济性好。图(2-2)为横向进给时所需的具体零件及零件装配示意图。11109876

35、54321图2-2横向进给零件装配示意图。1.电机 2.螺钉 3.联轴器 4.谐波减速器 5.薄片斜齿轮 6.支承轴 7.斜齿轮 8.横向丝杠 9.下箱体 10.螺钉 11.上箱体图2-3为纵向进给时所需的具体零件及零件装配示意图987612345图2-3 纵向进给零件装配示意图1.电机 2.螺钉 3.联轴器 4.谐波减速器 5.纵向丝杠 6.联轴器 7.下箱体 8.螺钉 9.上箱体2.5 驱动电路的确定从微机接口中输出的电流为毫安能，它虽然不能驱动电机，这就必须针对计算机输出电流进行放大，因此，必须有一套完整的功率放大电路，用它去驱动步进电机。三 改造车床主轴及控制系统3.1改进主轴电机3.

36、1.1主轴脉冲编码器的概述脉冲编码器又称脉冲发生器，它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测器。能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置控制装置。脉冲编码器控制方式的特点： （1）控制方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。 （2）由于光电交换器性能的提高，可得到较快的响应速度。 （3）由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本底。 （4）抗污染能力差，容易损坏。3.2 改进刀架3.2.1改造刀架的目的普通车床的上带有手动刀架。根据加工要求和生产情况，对刀架进行改造，提高生产率、降低工人劳动强度、为实现自动化加工提供前提条件。

37、3.2.2刀架的选择经过比较，选用常州宏达机床设备厂生产的LD4C0625型四工位电动刀架。作为车床的电动刀架。可以完成粗精车，车螺纹和切槽（断）等加工的换刀工作，结构简单且实用。刀架的转速驱动由三相微型异步电动机来驱动完成3.2.3刀架的工作原理在加工过程中，选刀时在程序中输入被选刀具的的TXX（刀具号）和DXX（刀沿号）。PCU单元通过PLC的输出端口通过X111的Q0.4接通电动刀架的正转继电器使刀架正转，当所选刀具到达加工位置时，刀架上的集成霍尔单元则发出信号，通过PLC输入端口将X111的I0.0I0.3信息传递给PUC单元结束选刀。3.3 X、Z轴的限位输入端设置为负逻经过分析现有

38、数控机床的限位控制电路的缺陷，想出一种新的限位控制方式，既负逻辑控制。其基本思路是：使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下I/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。 采用负逻辑的输入方法，这样有利害、于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继点器，接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器，接触器处于始终接触状态。这会造成损耗大，元件升温，寿命缩短等问题，并且元件间机械接触，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统其控制逻辑由逻辑电子线路实现，

39、不会出现以上问题，本次数控改造使用的数控西门子802D数控系统，实现负逻辑输入要软件，硬件两方面配合才能实现。 硬件连接 数控机床中PLC的输入点有以下两中连接方法，其原理是：当机床运动超程时压下行程开关SQ1，SQ1闭合PLC内的光点欧合器件得点，PLC认为该点的逻辑值为“1”，信号有效，PLC执行相关操作。这种方法的缺点在于当+丛4V端子到PLC输入点之间的线路接触不良或开路则会造成SQ1无效（即使SQ1被牙下闭合），而导致机床出现大事故。负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点。当正常情况下SQ1是闭合的。该输入点的逻辑值为（1），当SQ1被压下断开时输入点逻辑值为“1”设为

40、无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从+24端子到PLC的输入点之间的线路出现开或接触不良时，该点被认为有效，机场会立即报警，必须在电路连接良好的情况下才能正常运行。这中方法排除了因限位电路开路而造成的故障的可能性，机床的安全性得到提高。 软件设置 负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态。其方法有两种： （1）在PLC编程时通过程序实现。 （2）通过设定机床参数实现。 在这两种方法种，要求数控系统具有可以对其PLC输入，输出端口的逻辑有效状态进行修改的功能。西门子的SINUMERIK 802S数控系统既有此功能。本次改造对限位等影响机床安全的输入点才用负逻辑就是采用的

41、第2种方法。 采用负逻辑存在的问题及对策 数控机床的PLC输入点采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电藕合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小（只有几毫安，输入电路只消耗即使毫瓦）因此系统的消耗增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光点耦合器的工作寿命大于10万小时，以每台机床每天工作10小时计，可以保证机床正常工作20多年，对机床寿命也不会造成影响 四 步进电机控制系统的设计4.1 步进电机的控制方案4.1.1基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控

42、制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如下所示。 图5-1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略

43、正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。4.1.2 基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法,达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。本方案有以下优点(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程

44、实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响：(2)大大提高了接口电路的灵活性和通用性(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。4.1.3 基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转

45、角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步迸电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速

46、度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。4.2 步进电机的恒速控制要实现这样的分配方案，只需PA口顺序输出二进制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；电机反方向旋转时，输出顺序相反。4.2.1脉冲频率的实现每输出一个控制字就相当于发送一个步进脉冲，脉冲与脉冲之间应有时间间隔，即脉冲周期，它反映了步进电机的步进频率，即速度。实现脉冲周期的方法很简单，主要