簡易數(shù)控機床的實驗指導(dǎo)書

1、一、實驗?zāi)康呐c要求二、二、實驗任務(wù)三、步進電機的工作原理四、插補的實現(xiàn)A)數(shù)控機床任務(wù)控制刀具或工件的運動軌跡B)逐點比較法直線插補C)逐點比較法的圓弧插補：五、硬件分析六、參考書七、思考題一、 實驗?zāi)康呐c要求通過簡易數(shù)控機床綜合實驗，了解數(shù)控機床的工作原理和步進電機控制方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用已學(xué)過的理論知識，自己動手解決工程應(yīng)用問題的能力。1、 熟悉簡易數(shù)控機床結(jié)構(gòu)，掌握步進電機控制原理和方法，分析計算機接口電路。2、 掌握插補算法，簡化四個象限的直線和原弧插補算法；3、 用單片機C語言實現(xiàn)直線和圓弧的插補；二、 實驗任務(wù)1) 軟件設(shè)計用逐點比較法編寫出直線插補和圓弧插補程序，以及機床的驅(qū)動

2、程序。2) 硬件設(shè)計I/O板的設(shè)計，這個要通過網(wǎng)絡(luò)找出電子線路板的制作過程，并指出我們本次試驗所在流程中位置。3) 寫實驗報告本試驗是用一臺微機控制二坐標的數(shù)控機床，數(shù)控機床是通過步進電機拖動。因此，本試驗的重點就是讓學(xué)生了解：A) 步進電機的工作原理； B) 數(shù)控機床中的插補實現(xiàn)； C) 微機與數(shù)控機床的接口：I/O板的設(shè)計。以下對三個方面逐一介紹。5.實驗程序所附的程序要求寫清楚：a.各函數(shù)功能描述。b.函數(shù)中的各個變量作用。c.主函數(shù)坐標點依照所要求坐標點，不得相互抄襲。d.做直線插補加一道指導(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、 步進電機的工作原理步

3、進電機是工業(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)用尤其廣泛是因為：步進電機精度高，可以實現(xiàn)快速啟停，并且能夠接受數(shù)字量。因此，在我國近年來發(fā)展的經(jīng)濟性數(shù)控機床中得到了廣泛應(yīng)用。步進電機的結(jié)構(gòu)原理如圖1：圖 1 單定子徑向相反應(yīng)式伺服步進電機結(jié)構(gòu)原理圖可以看出步進電機的定子上有六個等分通電磁極：A、A、B、B、C、C，相鄰的磁極夾角為60º,相對的兩個磁極為一組，這種結(jié)構(gòu)稱為三相（AA、BB、CC）電機。每個磁極上有五個均勻分布的矩形小齒，相鄰兩個小齒之間的夾角為9º。當(dāng)某一相繞組有電流流過時，該相繞組相應(yīng)的兩個磁極立即形成N極和S極。步進電機的轉(zhuǎn)子上有40個矩形小齒

4、均勻分布在圓周上，相鄰兩個小齒的夾角也為9º。當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子齒和定子A相的五個小齒對齊，由于A相磁極與B相磁極相差120º，又因為，不為整數(shù)，因此，轉(zhuǎn)子上的小齒在與A相磁極上的小齒對齊時，就無法與B相上的小齒對齊，轉(zhuǎn)子的13個齒和B相齒中心線相差個齒，也即只有3º。這時若A相繞阻斷電，B相繞組通電，C相仍不通電，則B相磁極會迫使13個齒與其中心線對齊，于是轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動了3º，也就是相當(dāng)于電機走了一步。同理，若B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子又會逆時針轉(zhuǎn)動個齒，即轉(zhuǎn)動3º。若按照ABCA的順序依次通電，步進電機就會逆時針方向一步一步的轉(zhuǎn)動。每一

5、相繞組通電，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動3º，這個角度就稱為步距角。相反，若按ACBA的順序依次通電，步進電機則按相反方向運動。希望能使用自己的語言組織一下上述步進電機通電方式。由上可見，步進電機就是靠三對繞組輪流通電轉(zhuǎn)動的。由于微機的輸出控制電壓信號非常微弱（最高電壓5V，最低電壓0V），電流也非常?。垂β瘦^小），而電機相比控制器所需功率較大，因此在控制器輸出動作控制信號的后面，繞組需要驅(qū)動電源放大控制信號，無法直接驅(qū)動步進電機。本實驗中的步進電機的驅(qū)動電壓是直流24V，也就是說從微機中輸出的電壓信號必須經(jīng)過放大電路放大為24V后才可以驅(qū)動步進電機。因此每相繞組都有一獨立的驅(qū)動電路。本實驗是用一

6、功放板把微機輸出的控制信號加以放大，再加至步進電機的三相繞組上。轉(zhuǎn)動方向的控制：步進電機的轉(zhuǎn)動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：通電順序為單三拍ABCA雙三拍ABBCCAAB三相六拍AABBBCCCAA注：AB是指AB兩相同時通電 參考機電一體化教材按上述三種方法并順序通電，步進電機正轉(zhuǎn)；若按相反的順序通電，步進電機反轉(zhuǎn)。通過固定的線路把這些要求固化一個模塊中，模塊稱為環(huán)形分配器，其針對某種步進電機，輸入為方向信號和脈沖數(shù)，輸出為依照方向信號分配脈沖，而脈沖是經(jīng)過功率放大的，直接驅(qū)動電機依照方向和脈沖數(shù)目運動。步進電機的控制信號是由微機發(fā)出，為了控制兩個軸的步進

7、電機，故需用六根信號線從微機引出。有因為每個地址口可以控制一個八位二進制信息，故兩個步進電機的控制可以用一個地址口。在本實驗中，為了區(qū)分明顯，我們分別對兩個步進電機的控制給與了一個地址口：X軸 2A0；Y軸 2A1。步進電機的控制信號分別由數(shù)據(jù)線上的、發(fā)出。A對應(yīng)，B對應(yīng)，C對應(yīng)。數(shù)控機床的簡單分析，也就可以視為由微機控制電機的運動，由電機拖動不同坐標軸，從而加工出各種曲面。因此我們就必須明白：一、步進電機的旋轉(zhuǎn)方向，從而按順序發(fā)出控制脈沖；二、判斷步進電機是否走完所要求的步數(shù)。這兩方面的控制也就是插補的實現(xiàn)。本工作臺使用集成芯片，各軸依照所給方向信號按順序給各極分配脈沖，只要給出脈沖和方向信

8、號即可，無需逐極分配脈沖。四、 插補的實現(xiàn)A) 數(shù)控機床任務(wù)控制刀具或工件的運動軌跡在絕大多數(shù)情況下，這些運動軌跡又是平面曲線，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。從目前我國的情況來看，最常用的一種插補方法就是逐點比較法。它可以用來實現(xiàn)直線插補、圓弧插補和非圓二次曲線插補，這種插補方法的精度較高。當(dāng)然還有一些其他的插補方法，如：數(shù)字積分法，比較積分法DDA等插補方法。在本實驗中，我們就采用逐點比較法來實現(xiàn)插補。顧名思義，逐點比較法就是每走一步就將加工點的瞬時坐標與規(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：如果加工點走到曲線外面去

9、了，那么下一步就要向曲線里面走；如果加工點在曲線里面，則下一步就向曲線外面走，以縮小偏差。這樣就得出一個非常接近規(guī)定曲線的軌跡，而且，最大偏差不會超過一個脈沖當(dāng)量。在逐點比較法中，每進給一步都要有以下四個步驟：i. 偏差判別：判別偏差情況，確定加工點在曲線里面還是外面；ii. 坐標進給：根據(jù)偏差情況，控制X軸或Y軸進給一步，使加工點向規(guī)定曲線靠攏，縮小偏差；iii. 偏差計算：根據(jù)移動后的坐標，計算新加工點與規(guī)定曲線的偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)；iv. 終點判別：根據(jù)移動后的坐標，判定是否到達終點。如果未到，繼續(xù)插補；如果到終點就停止插補。逐點比較法的工作流程圖如圖2：B) 逐點比較法直線

10、插補開始插補如上所示，偏差計算是逐點比較法的關(guān)鍵。下面以第一象限為例導(dǎo)出其偏差計算公式：偏差判別坐標進給偏差計算終點判別插補結(jié)束圖 2 逐點比較法的工作流程圖 參考秦現(xiàn)生教材假定直線OA的起點為坐標原點，終點A的坐標為，為加工點坐標。若P點剛好在直線上，那么下式成立： 即 注意公式！若任意點在直線OA的上方，那么則下式成立 即 若任意點在直線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）就可以判別加工點與直線的關(guān)系：當(dāng)，點在直線上方；當(dāng)，點在直線下方；當(dāng)，點在直線上。初始化：終點和當(dāng)前運動點不是是Y軸正方向走一步X軸正方向走一步計算新的加工點坐標計算未到終點終點判

11、斷到達終點結(jié)束圖 3 第一象限直線OA的插補的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖 參考秦現(xiàn)生教材對于起點在原點，終點為的第一象限的直線OA，當(dāng)點P在直線上方時，應(yīng)該向x軸正方向走一步，以接近直線；當(dāng)點P在直線下方時，應(yīng)該向y軸正方向走一步，以接近直線；當(dāng)點P在直線上時，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，向x軸正方向走一步。就這樣，從坐標原點開始走一步算一下，判別，再走一步，逐點接近直線OA，當(dāng)兩個方向所走的距離與終點坐標相等時，發(fā)出終點到達信號，停止插補。第一象限直線OA的插補的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖3：C) 逐點比較法的圓弧插補：我們?nèi)砸缘谝幌笙?/p>

12、一段逆圓弧的加工為例導(dǎo)出插補公式：設(shè)要加工圓弧半徑為R，以原點為圓心，起點坐標為，終點坐標為，對于圓弧上任意加工點的坐標為，P點與圓心的距離的平方和為：，下面討論加工點的偏差：若點在圓弧上，則下式成立：若點在圓弧外，則，即：若點在圓弧內(nèi)，則，即：將上面各式分別改寫為以下形式： （P在圓弧上）注意公式！ （P在圓弧外） （P在圓弧內(nèi)）取加工點偏差判別函數(shù)，若在圓弧外或圓弧上，即滿足時，應(yīng)向x軸負方向走一步，以逼近圓??；若在圓弧內(nèi)，即滿足時，應(yīng)向y軸正方向走一步，以逼近圓弧，減少誤差。第一象限逆圓弧加工的程序?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電機，也即讓步進電機接收到正確的控制命令，就必須做好微機與步進電機之間的接口電路，也即I/O板的設(shè)計。六、 參考書1、王潤孝 秦現(xiàn)生 著機床數(shù)控原理與系統(tǒng) 西北工業(yè)大學(xué)出版社2、閻石 著數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社3、譚浩強 著C程序設(shè)計清華大學(xué)出版社七、 思考題 需要大家做1道1、推導(dǎo)各個象限直線（起點為原點，終點為不同象限的點）的插補算法流程。2、推導(dǎo)四個象限內(nèi)順圓和逆圓（圓心為原點）的插補算法流程。3、推導(dǎo)任意直線和圓弧的插補算法。4、如何提高步進電機的精度？5