簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.docx

簡(jiǎn) 易 數(shù) 控 系 統(tǒng) 綜 合 實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書目 錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)三、步進(jìn)電機(jī)的工作原理四、插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)A)數(shù)控機(jī)床任務(wù)控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)軌跡B)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)C)逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)五、硬件分析六、思考題七、參考書一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求通過簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床綜合實(shí)驗(yàn)，了解數(shù)控機(jī)床的工作原理和步進(jìn)電機(jī)控制方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用已學(xué)過的理論知識(shí)，自己動(dòng)手解決工程應(yīng)用問題的能力。1、 熟悉簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)，掌握步進(jìn)電機(jī)控制原理和方法，分析計(jì)算機(jī)接口電路。2、 掌握插補(bǔ)算法，簡(jiǎn)化四個(gè)象限的直線和原弧插補(bǔ)算法;3、 用單片機(jī)C語言實(shí)現(xiàn)直線和圓弧的插補(bǔ);二、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)1) 軟件設(shè)計(jì)用逐點(diǎn)比較法編寫出直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)程序，以及機(jī)床的驅(qū)動(dòng)程序。2) 硬件設(shè)計(jì)I/O板的設(shè)計(jì)3) 寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告本試驗(yàn)是用一臺(tái)微機(jī)控制二坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床是通過步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)。如圖1，因此，本試驗(yàn)的重點(diǎn)就是讓學(xué)生了解：A) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理; B) 數(shù)控機(jī)床中的插補(bǔ)實(shí)現(xiàn); C) 微機(jī)與數(shù)控機(jī)床的接口：I/O板的設(shè)計(jì)。以下對(duì)三個(gè)方面逐一介紹。電腦下載程序線步進(jìn)電機(jī)主控制板X Y軸移動(dòng)絲杠圖1 簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成圖D) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式：1.實(shí)驗(yàn)的要求與目的2.實(shí)驗(yàn)任務(wù)3.步進(jìn)電機(jī)工作原理(簡(jiǎn)述)4.插補(bǔ)原理(分為直線和圓弧)5.實(shí)驗(yàn)程序所附的程序要求寫清楚：a.各函數(shù)功能描述注釋在程序中的函數(shù)聲明處。b.函數(shù)中的各個(gè)變量作用注釋在程序中變量后面。c.主函數(shù)坐標(biāo)點(diǎn)依照所給定坐標(biāo)點(diǎn)，不得相互抄襲。d.做直線插補(bǔ)的同學(xué)增加一道指導(dǎo)書后面作業(yè)題。e.程序外的文字不得少于5000字。源程序交老師檢查。三、 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制及儀表中的重要執(zhí)行元件之一。在數(shù)控方面應(yīng)用尤其廣泛是因?yàn)椋翰竭M(jìn)電機(jī)精度高，可以實(shí)現(xiàn)快速啟停，并且能夠接受數(shù)字量。因此，在我國(guó)近年來發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2?？梢钥闯霾竭M(jìn)電機(jī)的定子上有六個(gè)等分通電磁極：A、A、B、B、C、C，相鄰的磁極夾角為60,相對(duì)的兩個(gè)磁極為一組，這種結(jié)構(gòu)稱為三相(AA、BB、CC)電機(jī)。每個(gè)磁極上有五個(gè)均勻分布的矩形小齒，相鄰兩個(gè)小齒之間的夾角為9。當(dāng)某一相繞組有電流流過時(shí)，該相繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極立即形成N極和S極。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有40個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個(gè)小齒的夾角也為9。圖2 單定子徑向相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒和定子A相的五個(gè)小齒對(duì)齊，由于A相磁極與B相磁極相差120，又因?yàn)?，不為整?shù)，因此，轉(zhuǎn)子上的小齒在與A相磁極上的小齒對(duì)齊時(shí)，就無法與B相上的小齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子的13個(gè)齒和B相齒中心線相差個(gè)齒，也即只有3。這時(shí)若A相繞阻斷電，B相繞組通電，C相仍不通電，則B相磁極會(huì)迫使13個(gè)齒與其中心線對(duì)齊，于是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了3，也就是相當(dāng)于電機(jī)走了一步。同理，若B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子又會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)個(gè)齒，即轉(zhuǎn)動(dòng)3。若按照ABCA的順序依次通電，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)逆時(shí)針方向一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)。每一相繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)3，這個(gè)角度就稱為步距角。相反，若按ACBA的順序依次通電，步進(jìn)電機(jī)則按相反方向運(yùn)動(dòng)。由上可見，步進(jìn)電機(jī)就是靠三對(duì)繞組輪流通電轉(zhuǎn)動(dòng)的。由于微機(jī)的輸出控制電壓信號(hào)非常微弱(最高電壓5V，最低電壓0V)，電流也非常小(即功率較小)，而電機(jī)相比控制器所需功率較大，因此在控制器輸出動(dòng)作控制信號(hào)的后面，繞組需要驅(qū)動(dòng)電源放大控制信號(hào)，無法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓是直流24V，也就是說從微機(jī)中輸出的電壓信號(hào)必須經(jīng)過放大電路放大為24V后才可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。因此每相繞組都有一獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路。本實(shí)驗(yàn)是用一功放板把微機(jī)輸出的控制信號(hào)加以放大，再加至步進(jìn)電機(jī)的三相繞組上。轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制：步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與三相繞組的通電順序和通電方式有關(guān)。通?？捎靡韵氯N方式通電：通電順序?yàn)閱稳腁BCA雙三拍ABBCCAAB三相六拍AABBBCCCAA(注：AB是指AB兩相同時(shí)通電)按上述三種方法并順序通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);若按相反的順序通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過固定的線路把這些要求固化一個(gè)模塊中，模塊稱為環(huán)形分配器，其針對(duì)某種步進(jìn)電機(jī)，輸入為方向信號(hào)和脈沖數(shù)，輸出為依照方向信號(hào)分配脈沖，而脈沖是經(jīng)過功率放大的，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)依照方向和脈沖數(shù)目運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)是由微機(jī)發(fā)出，為了控制兩個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)，故需用六根信號(hào)線從微機(jī)引出。有因?yàn)槊總€(gè)地址口可以控制一個(gè)八位二進(jìn)制信息，故兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制可以用一個(gè)地址口。數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)單分析，也就可以視為由微機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)拖動(dòng)不同坐標(biāo)軸，從而加工出各種曲面。因此我們就必須明白：一、步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，從而按順序發(fā)出控制脈沖;二、判斷步進(jìn)電機(jī)是否走完所要求的步數(shù)。這兩方面的控制也就是插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)。本工作臺(tái)使用集成芯片，各軸依照所給方向信號(hào)按順序給各極分配脈沖，只要給出脈沖和方向信號(hào)即可，無需逐極分配脈沖。四、 插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)A) 數(shù)控機(jī)床任務(wù)控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)軌跡在絕大多數(shù)情況下，這些運(yùn)動(dòng)軌跡又是平面曲線，而這些曲線一般都可以采用一小段直線或圓弧來擬合，就可以滿足精度，這種擬合的方法就是插補(bǔ)。從目前我國(guó)的情況來看，最常用的一種插補(bǔ)方法就是逐點(diǎn)比較法。它可以用來實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和非圓二次曲線插補(bǔ)，這種插補(bǔ)方法的精度較高。當(dāng)然還有一些其他的插補(bǔ)方法，如：數(shù)字積分法，比較積分法DDA等插補(bǔ)方法。在本實(shí)驗(yàn)中，我們就采用逐點(diǎn)比較法來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)。顧名思義，逐點(diǎn)比較法就是每走一步就將加工點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)與規(guī)定的曲線軌跡相比較，判斷一次偏差，然后決定下步的走向：如果加工點(diǎn)走到曲線外面去了，那么下一步就要向曲線里面走;如果加工點(diǎn)在曲線里面，則下一步就向曲線外面走，以縮小偏差。這樣就得出一個(gè)非常接近規(guī)定曲線的軌跡，而且，最大偏差不會(huì)超過一個(gè)脈沖當(dāng)量。在逐點(diǎn)比較法中，每進(jìn)給一步都要有以下四個(gè)步驟：i. 偏差判別：判別偏差情況，確定加工點(diǎn)在曲線里面還是外面;ii. 坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)偏差情況，控制X軸或Y軸進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向規(guī)定曲線靠攏，縮小偏差;iii. 偏差計(jì)算：根據(jù)移動(dòng)后的坐標(biāo)，計(jì)算新加工點(diǎn)與規(guī)定曲線的偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù);iv. 終點(diǎn)判別：根據(jù)移動(dòng)后的坐標(biāo)，判定是否到達(dá)終點(diǎn)。如果未到，繼續(xù)插補(bǔ);如果到終點(diǎn)就停止插補(bǔ)。逐點(diǎn)比較法的工作流程圖如圖2：B) 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)如上所示，偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法的關(guān)鍵。下面以第一象限為例導(dǎo)出其偏差計(jì)算公式：開始插補(bǔ)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別插補(bǔ)結(jié)束圖 3 逐點(diǎn)比較法的工作流程圖假定直線OA的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)A的坐標(biāo)為，為加工點(diǎn)坐標(biāo)。若P點(diǎn)剛好在直線上，那么下式成立： 即 若任意點(diǎn)在直線OA的上方，那么則下式成立 即 若任意點(diǎn)在直線OA的下方，那么則下式成立 即 由此可以取偏差判別函數(shù)，由的數(shù)值(稱為偏差)就可以判別加工點(diǎn)與直線的關(guān)系：當(dāng)，點(diǎn)在直線上方;當(dāng)，點(diǎn)在直線下方;當(dāng)，點(diǎn)在直線上。未到終點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)是初始化：終點(diǎn)和當(dāng)前運(yùn)動(dòng)點(diǎn)X軸正方向走一步計(jì)算新的加工點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判斷結(jié)束Y軸正方向走一步圖 4 第一象限直線插補(bǔ)編程流程圖對(duì)于起點(diǎn)在原點(diǎn)，終點(diǎn)為的第一象限的直線OA，當(dāng)點(diǎn)P在直線上方時(shí)，應(yīng)該向x軸正方向走一步，以接近直線;當(dāng)點(diǎn)P在直線下方時(shí)，應(yīng)該向y軸正方向走一步，以接近直線;當(dāng)點(diǎn)P在直線上時(shí)，即可以向x軸正方向走一步，也可以向y軸正方向走一步。通常為了加快處理速度和編程方便將和歸于一類，即當(dāng)時(shí)，向x軸正方向走一步。就這樣，從坐標(biāo)原點(diǎn)開始走一步算一下，判別，再走一步，逐點(diǎn)接近直線OA，當(dāng)兩個(gè)方向所走的距離與終點(diǎn)坐標(biāo)相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到達(dá)信號(hào)，停止插補(bǔ)。第一象限直線OA的插補(bǔ)的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖3：C) 逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)我們?nèi)砸缘谝幌笙弈扯文鎴A弧的加工為例導(dǎo)出插補(bǔ)公式：設(shè)要加工圓弧半徑為R，以原點(diǎn)為圓心，起點(diǎn)坐標(biāo)為，終點(diǎn)坐標(biāo)為，對(duì)于圓弧上任意加工點(diǎn)的坐標(biāo)為，P點(diǎn)與圓心的距離的平方和為：，下面討論加工點(diǎn)的偏差：若點(diǎn)在圓弧上，則當(dāng)前半徑與給定半徑一致： = 類推，若點(diǎn)在圓弧外，則P點(diǎn)半徑，即：若點(diǎn)在圓弧內(nèi)，則P點(diǎn)半徑，即：將上面各式分別改寫為以下形式： (P在圓弧上) (P在圓弧外) (P在圓弧內(nèi))取加工點(diǎn)偏差判別函數(shù)，若在圓弧外或圓弧上，即滿足時(shí)，應(yīng)向x軸負(fù)方向走一步，以逼近圓弧;若在圓弧內(nèi)，即滿足時(shí)，應(yīng)向y軸正方向走一步，以逼近圓弧，減少誤差。第一象限順圓弧加工的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖與直線加工流程圖相似，請(qǐng)同學(xué)自己做。五、 硬件分析為了把編好的控制命令傳輸至步進(jìn)電機(jī)，也即讓步進(jìn)電機(jī)接收到正確的控制命令，就必須做好微機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間的接口電路，也即控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。l 實(shí)驗(yàn)用控制芯片AT89S51:AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其功能和提點(diǎn)如下其兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),含有40個(gè)引腳;片內(nèi)集成了通用8位中央處理器;128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM);32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口(4字節(jié));2個(gè)外部中斷源，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)并含2層中斷嵌套中斷;2個(gè)16Bit(位)可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口;看門狗(Watch Dog Timer)電路;片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器; 4.5-5.5V大范圍供電工作電壓,低功耗空閑和省電模式;時(shí)鐘頻率0-33MHz;全雙工UART串行中斷口線,中斷喚醒省電模式;含4K字節(jié)ISP(In-system programmable在線可編程)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程功能,軟件設(shè)置空閑和省電功能;雙數(shù)據(jù)寄存器指針。l 主控系統(tǒng)，如圖5：電源插口LED顯示區(qū)X Y軸脈沖分配放大驅(qū)動(dòng)模塊按鍵區(qū)51單片機(jī)通訊控制芯片電容與晶振圖5 主控板元件分布與功能說明主控系統(tǒng)包括微處理器(單片機(jī))AT89S51和相應(yīng)的晶振電路，包含一個(gè)12MHz的石英晶振和兩個(gè)30pf的振蕩電容，由此可以推算出單片機(jī)的機(jī)器周期為1s。上電復(fù)位電路采用典型阻容延時(shí)電路，保證上電復(fù)位基本要求。l 輸出電路：1.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：步進(jìn)電機(jī)是由P2口控制輸出脈沖，經(jīng)過集成的脈沖分配器放大并確定方向后輸出給電機(jī)工作。2.LED(Light Emitting Diode/發(fā)光二極管)輸出：在P0口設(shè)計(jì)了8個(gè)LED，可以嘗試編程控制按鍵和LED的配合亮滅，注意每個(gè)LED串聯(lián)一個(gè)電阻器，考慮其作用是什么。l 硬件電路設(shè)計(jì)制作流程，如圖6圖6 電路硬件設(shè)計(jì)制作調(diào)試流程圖手工繪制模塊圖：?jiǎn)纹瑱C(jī)聯(lián)結(jié)外圍所需電路模塊，如電源，通信，輸出，輸入等。繪制電路原理圖：使用原理圖繪制軟件如Protel系列軟件中SCH模塊或OrCAD軟件等，繪制完成后使用仿真軟件Multisim，Proteus或Electronic Workbench等仿真驗(yàn)證，修改原理圖直到仿真通過。轉(zhuǎn)換PCB（Printing Circuit Board）：仿真通過后，使用如Protel系列軟件中PCB模塊、PowerPCB、Allegro SPB16、PADS等軟件把原理圖轉(zhuǎn)換為PCB并調(diào)整元件在PCB上的相互關(guān)系、連接線寬度、定位和操作方便與否確定板上元件的位置布局（Layout）。加工制作：使用涂層拍照腐蝕方式蝕刻電路，數(shù)控鉆床加工走線過孔和定位孔。焊接調(diào)試：PCB板加工好后焊接元件并通電調(diào)試，調(diào)試出現(xiàn)問題返回原理圖或PCB圖修改。六、 思考題1、 推導(dǎo)各個(gè)象限直線(起點(diǎn)為原點(diǎn)，終點(diǎn)為不同象限的點(diǎn))的插補(bǔ)算法流程。并填空：i.一象限直線：當(dāng)前在線上和在線中X正一步，否則(即在線下)Y正一步. (在線上和線中是由確定，相反在線下由確定)ii.二象限直線：當(dāng)前在線上面和在線中間為_ _一步，否則(在線下)_ _一步iii.三象限直線：當(dāng)前在線上面和在線中間為_ _一步，否則(在線下)_ _一步iv.四象限直線：當(dāng)前在線上面和在線中間為_ _一步，否則(在線下)_ _一步2、 推導(dǎo)四個(gè)象限內(nèi)順圓和逆圓(圓心為原點(diǎn))的插補(bǔ)算法流程。并填空：i.一象限逆圓：坐標(biāo)值在圓上和圓外為X負(fù)一步，否則(在圓內(nèi))Y正一步. (在圓外和圓上由確定，圓內(nèi)由確定)ii.二象限逆圓：坐標(biāo)值在圓上和圓外為_ _一步，否則(在圓內(nèi))_ _一步.iii.三象限逆圓：坐標(biāo)值在圓上和圓外為_ _一步，否則(在圓內(nèi))_ _一步.iv.四象限逆圓：坐標(biāo)值在圓上和圓外為_ _一步，否則(在圓內(nèi))_ _一步.v.進(jìn)而推導(dǎo)出各象限順圓應(yīng)如何逐點(diǎn)比較插補(bǔ)。3、 推導(dǎo)任意直線(跨象限)和圓弧(跨象限)的插補(bǔ)算法。(提示：把直線或圓弧的起始點(diǎn)移動(dòng)到原點(diǎn)，然后參考2題結(jié)論)4、 如何改變步進(jìn)電機(jī)的速度和提高其運(yùn)動(dòng)精度？5、 試比較開環(huán)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。6、 設(shè)計(jì)一步進(jìn)式開環(huán)伺服系統(tǒng)，已知系統(tǒng)選定的脈沖當(dāng)量為0.03mm/脈沖，機(jī)床絲杠與工作臺(tái)以螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)，螺桿的