普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)論文

1、. . . . 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)(論文)題目：普通車床數(shù)控化改造姓名 號(hào) 專業(yè) 機(jī)電一體化工程（本）指導(dǎo)教師 2013年7月10 日目錄一、概述31.1 普通車床數(shù)控改造3二、車床改造方案的確定72.1 普通車床的構(gòu)成72.2總體改造方案9三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)123.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案123.2 步進(jìn)電機(jī)的恒速控制143.3 步進(jìn)電機(jī)的變速控制163.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)19四、刀架的選型21五、結(jié)束語24參考文獻(xiàn)25摘要企業(yè)要在當(dāng)前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場需求的不斷變化

2、。而普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對象時(shí)只需要換零件加工程序，無需對機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。如果將機(jī)床設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。采用數(shù)控改造技術(shù)，不但可以使改造后的機(jī)床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工圍，還可以彌補(bǔ)定購新的數(shù)控機(jī)床交貨周期長的不足。所以采用此方法對中、小型企業(yè)來說是十

3、分理想的選擇。6140型車床具有性能良好、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、操作輕便等特點(diǎn) ,在我國機(jī)械制造行業(yè)中使用非常廣泛。本設(shè)計(jì)就取其為例，主要介紹其數(shù)控化改造的方案、以與改造部位的選型與設(shè)計(jì)計(jì)算。關(guān)鍵詞：數(shù)控化、自動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)、自動(dòng)刀架。一、概述1.1 普通車床數(shù)控改造數(shù)控車床是現(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、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時(shí)間以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、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

4、高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。 購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑，但是成本太高，很多工廠在短時(shí)間都無法有那么多的資金，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，而且還具有較長使用壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對較低、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。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

5、條投資少、提升產(chǎn)品加工精度與質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心與制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。對于本課題，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，開闊科研門路的目的。 普通車床自動(dòng)控制系統(tǒng)研制，是利用傳統(tǒng)普通車床，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、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。1.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評價(jià) 目前新經(jīng)濟(jì)型數(shù)控

6、車床約85萬/臺(tái)，以普通新車床CA6140為例，售價(jià)38萬臺(tái)，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊車床CA6140，估價(jià)0.5萬臺(tái)，通過改造還可使用4-6年。普通車床CA6140每臺(tái)數(shù)控化改造所需價(jià)格大約3萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高2030。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。 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)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。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

7、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。針對各種方案的設(shè)備使用總成本，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析1，選用下列公式計(jì)算：=式中：舊設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；原型新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：高效率新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：現(xiàn)代化改裝后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；大修理后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：舊設(shè)備繼續(xù)使用時(shí)的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；原型新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；高效率新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；現(xiàn)代化改裝后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；大修理后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；原型新設(shè)備的價(jià)值;高效率新設(shè)備的價(jià)值；舊設(shè)備現(xiàn)代化改裝的價(jià)值：設(shè)備大修理費(fèi)用：舊設(shè)備在j年的使用費(fèi)

8、用；原型新設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；高效率新設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；現(xiàn)代化改裝后在j年的使用費(fèi)用；一大修理后在j年的使用費(fèi)用：原型新設(shè)備使用j年后的殘值；高效率設(shè)備使用J年后的殘值；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=l，2，3，n)。比較各種方案的設(shè)備使用總成本，取總成本最小的方案。各種方案投資成本與生產(chǎn)率以與各年使用成本列于表11所示：序號(hào)可行方案基本投資勞動(dòng)生產(chǎn)力系數(shù)各年使用費(fèi)用·1234567891舊車床繼續(xù)使用=0.70.250.50.7511.251.51.7522.252更換為全新普通車床=3.5=10.030.070.110.150.190.230.27

9、0.310.353更換為全新數(shù)控機(jī)床=6.5=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改裝為數(shù)控機(jī)床=3.2=1.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745舊機(jī)床大修理=1.8=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各種更新方案的投資和各年使用費(fèi)用 ( 萬元)新設(shè)備殘值=O5萬元，舊設(shè)備殘值=0，利率i=8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表1-2： 年份方案1234567890.330.941.792.844.065.416.878.4110.023.593.

10、593.683.793.914.064.224.384.564.074.104.134.164.204.254.304.364.412.742.873.043.253.493.754.044.334.642.102.282.532.833.183.573.984.424.87表1-2 各種方案逐年設(shè)備使用總成本匯總表（萬元） 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，則對原設(shè)備進(jìn)行大修理的方案為佳；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)

11、床為最佳方案。 因此通過以上經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，對使用6到8年的普通車床，將其改造為數(shù)控化車床，是比較經(jīng)濟(jì)和可行的。二、車床改造方案的確定 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。我們在實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的改造的過程中堅(jiān)持這樣一條原則：在盡量不改變車床原有功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，完成改造。2.1 普通車床的構(gòu)成 對普通車床的自動(dòng)改造包括三大部分：機(jī)械部分、硬件（含電部分）、軟件部分。車床改造前，主要有以下幾部分構(gòu)成。 圖1-1 普通車床外形結(jié)構(gòu)圖 1床腿 2.進(jìn)給箱

12、3.主軸箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架7回轉(zhuǎn)盤 8.小滑板 9.尾座 10.床身 11床腿 12.光杠 13.絲杠 14.溜板箱車床部分名稱和用途如下：2.1.1 車頭部分 1.車頭箱 用來帶動(dòng)車床主軸與卡盤轉(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。 2.卡盤 用來夾住工件，并帶動(dòng)工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。2.1.2 掛輪箱部分 用來把主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給走刀箱。調(diào)換箱體的齒輪，并與走刀箱配合，可以車削各種不同螺距的螺紋。2.1.3 走刀部分 1.走刀箱利用它部的齒輪機(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。 2.用來車削螺紋。它能使拖板和車刀按

13、要求的速比作很精確的直線移動(dòng)。2.1.4 托板部分 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)拖板部分使車刀作縱向或橫向走刀。 2.托板 分大、中和小托板三種：大的是橫向車削工件時(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。 3.刀架 用來裝夾刀具。2.1.5 尾座 用來安裝頂針，支頂較長工件。它還可以安裝各種切削刀具。2.1.6 床身 用來支持和安裝車床的各個(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)。2.1.7 附件 1.中心架 車削較長工件時(shí)用來支持工件。 2.冷卻嘴 用來注入切削液。2.2總體改造方案 根據(jù)實(shí)際工況，型車床的數(shù)

14、控化改造方案如下：2.21數(shù)控系統(tǒng)選用產(chǎn)J WK - 15T 型數(shù)控系統(tǒng) 一般小型機(jī)床的數(shù)控化改造多半采用開環(huán)控制方式。數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)為以單板機(jī)為主控制單元的簡易數(shù)控系統(tǒng)。因?yàn)樵摽刂品绞酵顿Y少，安裝調(diào)試方便。這里我們選用產(chǎn)J WK -15T 型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)安裝到普通車床上。經(jīng)過改裝后的數(shù)控機(jī)床工作原理框圖如圖1 所示。圖2-1 數(shù)控機(jī)床工作原理圖 本系統(tǒng)由數(shù)控單元雙 8031機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元、專用控制程序、功率驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)減速裝置或轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和絲杠等組成。在加工零件時(shí), 編制的數(shù)控程序數(shù)據(jù)輸入 RAM(62256)中,專用控制程序 EPRAM (27256 .2764) 在中央處理單元

15、的支持下,按照所輸入的加工程序數(shù)據(jù), 經(jīng)過計(jì)算處理 , 發(fā)出一系列的組合脈沖,經(jīng)過驅(qū)動(dòng)功放,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī),拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載分別控制縱、橫兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、位移長度,實(shí)現(xiàn)車床的微機(jī)控制。當(dāng)程序執(zhí)行到換刀指令時(shí),指令只給四個(gè)霍爾元件中的一個(gè)提供電源, 并同時(shí)接通電機(jī)電源使電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)位完成,霍爾元件反饋, 控制電機(jī)反轉(zhuǎn),夾緊完成;然后執(zhí)行下面的加工程序。 我們選用的J WK - 15T型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),采用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程,能自動(dòng)完成車削端面、外圓柱面、倒角、任意錐面、球面、圓弧逼近的任意曲面以與公英制的螺紋加工,并配有完備的S、M、T功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),部設(shè)有計(jì)算機(jī)、電

16、源、接口、驅(qū)動(dòng)等模塊,具有體積小、重量輕、功耗低、功能多、速度高、操作維修方便等特點(diǎn)。22.2 保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在主軸安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器圖2-2 主軸箱改造圖 在改造時(shí)，一般不改造主軸箱。因?yàn)槿舾脑熘鬏S箱，必然使機(jī)床改造的總費(fèi)用加大，改造周期也將延長，這樣會(huì)降低中、小型普通機(jī)床的改造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在主軸加脈沖發(fā)生器，是為了保證車螺紋時(shí)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在主抽上安裝GD7072光電脈沖發(fā)生器，通過主軸脈沖發(fā)生器數(shù)控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的信息交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一圈，刀架縱向進(jìn)給一個(gè)螺紋導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。2.2.3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 取消原進(jìn)給箱，將原絲杠換成滾珠絲杠，并在其尾端聯(lián)結(jié)一對齒輪進(jìn)行減速,

17、 然后與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)。普通車床的進(jìn)給傳動(dòng)多半為齒輪傳動(dòng)，隨著進(jìn)給變換級(jí)數(shù)的增多，齒輪對數(shù)和操縱機(jī)構(gòu)顯著增加。傳動(dòng)鏈的增長，不僅使進(jìn)給箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還因齒輪間隙的多個(gè)累積，反向間隙增大，急驟地降低了反向定位精度。進(jìn)給系統(tǒng)的改造主要是減少進(jìn)給箱的齒輪對數(shù)，縮短進(jìn)給傳動(dòng)鏈。所以一般改造時(shí)，是去掉進(jìn)給箱。 用滾珠絲杠副代替普通絲杠副是因?yàn)闈L珠絲杠副具有傳動(dòng)精度高、效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、壽命長以與可以預(yù)緊以消除間隙并提高系統(tǒng)剛度，反向定位精度高等特點(diǎn)。2.2.4 導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) 在導(dǎo)軌上粘接軟帶。滑動(dòng)導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)大，動(dòng)摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，在低速時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，直接影響運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。在

18、原移動(dòng)部件的導(dǎo)軌L粘接聚四氟乙烯軟帶，該軟帶具有下述優(yōu)點(diǎn)：摩擦因數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差別小，部件運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，定位精度高。沒有振動(dòng)，提高了工件表面加工質(zhì)量，延長了刀具使用壽命。軟帶耐磨損，且嵌入性能好，與其配合的金屬導(dǎo)軌面不會(huì)拉傷。軟帶有自潤滑性，當(dāng)機(jī)械潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，導(dǎo)軌不會(huì)拉傷。2.2.5 刀架選型 綜上所述，普通車床數(shù)控化改造后的總圖如下： 圖2-3 普通車床數(shù)控化改造方案圖三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案3.1.1基于電子電路控制 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

19、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。圖3-1 基于電子電路控制系統(tǒng) 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。 該方案

20、多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。3.1.2 基于單片機(jī)控制 采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法,達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器與時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避

21、免了失步、振蕩等對控制精度的影響：(2)大大提高了接口電路的靈活性和通用性:(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。3.1.3 基于PLC的控制 PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的

22、進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步迸電機(jī)繞組相數(shù)大于4時(shí)，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用PLC中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就

23、可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制與其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。3.2 步進(jìn)電機(jī)的恒速控制 要實(shí)現(xiàn)這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進(jìn)制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出順序相反。3.2.1脈沖頻率的實(shí)現(xiàn) 每輸出一個(gè)控制字就相當(dāng)于發(fā)送一個(gè)步進(jìn)脈沖，脈沖與脈沖之間應(yīng)有時(shí)間間隔，即脈沖周期，它反映了步

24、進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率，即速度。實(shí)現(xiàn)脈沖周期的方法很簡單，主要有兩種：利用程序循環(huán)延時(shí)和利用定時(shí)器中斷。前者占用計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)較嚴(yán)重，計(jì)算機(jī)延時(shí)階段將不能處理其他事務(wù)，且延時(shí)不很準(zhǔn)確，但實(shí)現(xiàn)簡單，不占用計(jì)算機(jī)硬件資源，主要用于較空閑的場合；后者可以精確定時(shí)，不占用空間，但有時(shí)需要系統(tǒng)另行擴(kuò)展定時(shí)器。3.2.2軟件的編寫 在實(shí)際編寫控制程序時(shí)，對環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)常常采用脈沖分配表的辦法，即把各相通電的控制字存放在一串連續(xù)的存儲(chǔ)單元中，形成所謂的脈沖分配表，輸出時(shí)采用查表的方法將控制字順序取出。 下圖給出了采用程序延時(shí)的方法，步進(jìn)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)的程序原理框圖。實(shí)際編寫程序時(shí)還應(yīng)加上正反轉(zhuǎn)的判斷，反轉(zhuǎn)時(shí)反向查表

25、，另外，運(yùn)行總步數(shù)至少應(yīng)放在兩個(gè)字節(jié)。NYA (DPTR+)PA口 A -1=0延時(shí)子程序結(jié)束開始 運(yùn)行總步數(shù)DPTR 首地址循環(huán)步數(shù) a圖3-2 步進(jìn)電機(jī)恒速控制流程圖3.3 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 如果步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的速度很高，那么在控制系統(tǒng)中應(yīng)該加入變速控制的容，這主要時(shí)收步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率的限制。步進(jìn)電機(jī)適應(yīng)速度突變的能力比較差，其極限頻率一般比連續(xù)運(yùn)行頻率低十幾倍，如果實(shí)際啟動(dòng)頻率高于電機(jī)的極限啟動(dòng)頻率，電機(jī)將發(fā)生失步現(xiàn)象或根本不能啟動(dòng)，所以必須以低于極限啟動(dòng)頻率的頻率啟動(dòng)。如果連續(xù)運(yùn)行頻率很高的話，則會(huì)有一個(gè)加速過程；反之，電機(jī)從一個(gè)較高的運(yùn)行頻率到靜止，也必須有一個(gè)減速的過程，否則會(huì)

26、出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)的升降速過程可以按直線規(guī)律或指數(shù)規(guī)律變化，前者屬于恒加速過程，平穩(wěn)性好，速度變化圍大，適于快速定位等過程；后者加減速時(shí)間短，跟蹤能力強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，完全可以用多段的直線變化去逼近指數(shù)變化，這里采用恒加速過程。 本設(shè)計(jì)中采用軟件自動(dòng)升降速控制。在步進(jìn)電機(jī)的控制當(dāng)中，運(yùn)行步數(shù)就是步進(jìn)脈沖數(shù)，是步進(jìn)電機(jī)是否運(yùn)行到終點(diǎn)的判別條件，延時(shí)參數(shù)就是控制脈沖的時(shí)間間隔，稱作步進(jìn)周期。電機(jī)恒速時(shí)，步進(jìn)周期為常數(shù)，變速時(shí)，步進(jìn)周期要發(fā)生變化：周期變小，電機(jī)加速，周期變大，電機(jī)減速。所以，對步進(jìn)電機(jī)的變速控制就是合理的改變其步進(jìn)周期，即合理地確定每個(gè)脈沖之間的延時(shí)時(shí)間，使步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的速度

27、運(yùn)行。 圖3-3 是步進(jìn)電機(jī)恒加速運(yùn)動(dòng)的情況。圖中橫坐標(biāo)是步數(shù)，反映距離；縱坐標(biāo)為頻率，反映速度。該圖表達(dá)的含義是：步進(jìn)電機(jī)以的頻率啟動(dòng)，經(jīng)過H步運(yùn)行加速到到，以恒速運(yùn)行V-H步，經(jīng)過W步把速度降到，最后停止。圖3-3 恒加速控制圖3.3.1 加速階段。 由恒加速的速度、距離公式可得 (a為加速度，為加速時(shí)間)=由以上二式可求得a=()/2H于是步進(jìn)周期)/a式中：=1/，x=2,3,4,H。3.3.2 恒速階段。 恒速時(shí)步進(jìn)頻率為，所以步進(jìn)周期為T=1/3.3.3 減速階段。 參照加速階段可得加速度b=()/2W步進(jìn)周期=)/b式中：=1/，x=2，3，4，,W。 知道了各段的步進(jìn)周期，實(shí)際

28、相當(dāng)于已知了步進(jìn)脈沖之間的延遲時(shí)間，這為編制程序掃清了最后的障礙。由于步進(jìn)周期的計(jì)算很復(fù)雜，若采用單片機(jī)在線實(shí)時(shí)計(jì)算十分困難，因此一般先做好步進(jìn)周期表，預(yù)先存放在存儲(chǔ)單元中，采用查表的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速控制。 圖3-4給出了步進(jìn)電機(jī)加速控制的原理框圖，通過改變8031定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)來獲得不同的步進(jìn)周期，即對電機(jī)進(jìn)行加速控制。程序一步步變速，在實(shí)際應(yīng)用中可以若干步一變速，并加入恒速與減速控制。Y主程序開始初始化與置時(shí)間常數(shù)DPTR 步進(jìn)周期表首址 加速階段總步數(shù)開中斷=0關(guān)中斷結(jié)束N現(xiàn)場保護(hù)電機(jī)步進(jìn)一步1 -1DPTR DPTR+1查表設(shè)置時(shí)間常數(shù)現(xiàn)場恢復(fù)返回圖3-4 步進(jìn)電機(jī)加速控制原理

29、圖3.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序如下：ORG 4000H ROUTN2: MOV R2 ， COUNT ； 步數(shù)送R2寄存器LOOP0: MOV R3 ， #00H MOV DPTR ， #POINT 送控制模型指針 JNB 00H ， LOOP2 00H=0為反轉(zhuǎn)LOOP1: MOV A ， R3； 取控制模型 MOVC A ， A+DPTR JZ LOOP0； 判控制模型是否為00H MOV P1 ， A； 輸出控制模型ACALL DELAY ； 延時(shí)INC R3； 控制步數(shù)加1DJNZ R2 ， LOOP1 判斷步數(shù)是否走完RETLOOP2: MOV A ， R3

30、 求反向控制模型的偏移量 ADD A ， #07h MOV R3 ， A AJMP LOOP1ORG 4200HDELAY： LOOP10: MOV A ， R2 MOV R5 ， ALOOP13: MOV R6 ， #00HLOOP12: MOV R7 ， #00HLOOP11: NOP NOP NOP DJNZ R7 ， LOOP11 DJNZ R6 ， LOOP12 DJNZ R5 ， LOOP53 RETORG 4210HPOINT： DB 10H :正向控制 DB 01H DB 03H DB 02HDB 06HDB 04H DB 05HDB 00HDB 01H ：反向控制DB 05HDB 04HDB 06HDB 02HDB 03HDB 01HDB 00HCOUNT EQU 30HPOINT EQU 0150H四、刀架的選型 采用數(shù)控生產(chǎn)的LD4ck0620四方刀架, 安裝在原機(jī)床小刀架的位置上較為合適。刀架的動(dòng)作順序如下:電動(dòng)機(jī)(三相異步微型電動(dòng)機(jī))減速機(jī)構(gòu)(蝸輪蝸桿)上升機(jī)構(gòu) (螺旋機(jī)構(gòu))刀架旋轉(zhuǎn)電器信號(hào)確定(霍爾元件)電機(jī)反轉(zhuǎn)粗定位(反靠盤