【正文】 動慣量很小可以忽略。3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算：、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩：、 切削時折算到電機軸上的加速度力矩：、 折算電機軸上的摩擦力矩： 當 , 滾動摩擦系數(shù)時：、 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩： 當時，預加載荷,則：、 折算到電機軸上的切削負載力矩：所以，快速空載啟動所需力矩切削時進給所需力矩：快速進給所需力矩： 由以上分析可知：所需最大力矩Mmax 發(fā)生在快速啟動時：步進電機的選擇(1)、縱向進給系統(tǒng)的電機的確定：根據(jù)啟動力矩的選擇 。 －－電機啟動力矩；－－電機靜負載力矩 則：為滿足最小步角要求，電機選用四相八拍工作方式，查表知: 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為： 步進電機最高工作頻率：綜合考慮，查表選用20BYJ46型四相步進電機。(2)、橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定： 則：為滿足最小步角要求，電機選用四相八拍工作方式，查表知: 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為： 步進電機最高工作頻率：綜合考慮，查表選用 20BYJ46型四相步進電機。滾動導軌的選擇綜合考慮機床的基本額定載荷及其它方面的因素，選取HTSD－－WAA(寬幅矩型滑塊)的滾珠導軌。初步選用4滑塊，工作臺大小400300，工作臺自重300N，外載荷700N。(1)、摩擦力計算：摩擦力計算公式 式中為滾動摩擦系數(shù)取,P為法向載荷縱向P=,橫向P=，f為密封件阻力，取f=.縱向F=+=橫向F=+=(2)、壽命計算： 目標壽命L=256083005103=2304km選擇HTSD－LG20WAA型導軌，根據(jù)計算可知，滿足強度要求。，目標壽命L=256083005103=1440km選擇HTSD－LG20WAA型導軌。.第六章 設計硬件電路 硬件電路總體分析步進電機控制系統(tǒng)共分為兩個模塊：按鍵控制模塊、步進電機驅(qū)動模塊。鍵盤控制模塊包括啟動鍵、停止鍵、點動控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進電機通電方式改變的控制。其中啟動鍵接于PLC的X0端口；停止鍵接于PLC的X1端口；點動控制鍵接于PLC的X2端口，實現(xiàn)對步進電機的點動控制；而速度控制鍵分為4個不同的速度等級，有小到大分別接于PLC的XXX5和X6端口，實現(xiàn)對步進電機在不同轉(zhuǎn)速下運行的控制要求；方向控制鍵接于PLC的X7端口，實現(xiàn)對步進電機正反轉(zhuǎn)的控制；通電方式改變按鈕接于PLC的X8端口，實現(xiàn)對步進電機通電方式改變的控制。步進電機驅(qū)動模塊采用恒頻斬波細分驅(qū)動電路，通過接收PLC發(fā)出的脈沖信號來控制步進電機完成各種操作。由于本設計中采用三相反應式步進電機，因此需要采用四支完全相同的驅(qū)動電路分別控制電機四相繞組的電流，而由PLC的Y0、YY2和Y3端口分別提供控制四相繞組的脈沖信號。電機驅(qū)動模塊PLC按鍵控制模塊圖61 硬件電路分析圖圖形說明：，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。，控制步進電機轉(zhuǎn)動。鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向PLC輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等重要功能，是人工干預單片機的重要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關的集合。鍵盤所用開關為機械彈性開關，利用了機械觸點的合、斷作用。機械開關應接到PLC的開關量輸入接口進行開關控制，PLC的開關量輸入接口的作用是把現(xiàn)場的開關量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接納的外信號電源的類型不同可分為直流輸入單元和交流輸入單元，如圖6圖62所示。 圖61直流輸入單元 圖62 交流輸入單元從圖中可以看出，輸入接口中都有濾波電路及耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產(chǎn)生標準信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機的直流電源供電，不再需要外接電源 。本設計中采用的是直流輸入單元，即如圖6—1所示。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵是否按下。在本設計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當有鍵閉合時，相應的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件方法或軟件方法。由于硬件電路設計復雜，本設計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。因此本設計中采用了這種方式來消除抖動，其原理將在下一章軟件設計中體現(xiàn)出來，其硬件原理圖如圖63所示。其中SB0是啟動/停止按鈕，， SB4為正反轉(zhuǎn)切換按鈕，SB5為通電方式切換按鈕。步進電動機驅(qū)動電路、步進電機的功率放大電路的種類很多。按照電流流過的方向是單向還是雙向的，可以把功率放大電路分為雙極性驅(qū)動電路和單極性驅(qū)動電路兩類。單極性驅(qū)動電路適用于反應式步進電機，而雙極性驅(qū)動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。步進電機是采用電脈沖電源供電的。這種驅(qū)動電源一般應包括脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖功率放大電路幾部分。驅(qū)動電路就是脈沖功率放大電路。功率放大器的輸出直接直接驅(qū)動電動機繞組。因此功率放大電路的性能對步進電機的運行狀態(tài)有很大 影響。目前國內(nèi)步進電機的驅(qū)動電路主要有以下幾種。⑴單電壓驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。單電壓驅(qū)動如圖64所示 圖63鍵盤硬件接線圖圖64 單電壓驅(qū)動電路功率晶體管T用作開頭，L是電機一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V100V左右。限流電阻R1決定了時間常數(shù)，R1在工作中要消耗一定的能量，所以這個電路損耗大、放率低，一般只用于小功率步進電動機的驅(qū)動。⑵雙電壓驅(qū)動 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法①雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動。其電路原理如圖65所示。 圖65 雙電壓驅(qū)動電路當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關斷。這時，電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這時二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅(qū)動方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。②高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅(qū)動電路的原理如圖66所示，盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖66 高低壓驅(qū)動電路圖中有兩個功率晶體管VTVT2，兩個二極管VDVD2，一個外接電阻Rc步進電機繞組電感L以及電阻Rl。高壓U1為80~150V，低壓U2為5~20V。雙電壓功放電路的工作控制信號和單電壓功放電路有很大區(qū)別。在單電壓功放電路中，它的工作控制信號是步進時一相所需的方波信號。而在雙電壓功放電路中，除了需要一相所需的方波信號外，還需高壓驅(qū)動控制信號，只有兩個信號密切配合才能正常工作。當VTVT2管的基極電壓UbUb2都為高電平時，則在t1~t2時間內(nèi)，VT1和VT2均飽和導通，二極管VD2反向偏置而截至。高壓電源U1經(jīng)VT1和VT2管加到電機繞組L上，使其電流迅速上升，從而提高步進電機工作頻率和高頻時力矩。在用高壓電源U1時，流入繞組的瞬時電流式中，Tj為回路時間常數(shù)；Rl為繞組電阻；Rc為外接電阻。當時間達到t2時或電流上升到某一數(shù)值時，Ub1為低電平，Ub2為高電平，VT1管截止，VT2管導通。電動機繞組的電流由低壓電源U2經(jīng)二極管VD2和VT2管來維持。在t2~t3時，繞組電流保持一定的穩(wěn)態(tài)電流，從而電動機在這段時間內(nèi)能保持相同轉(zhuǎn)動力矩，已完成步進過程。繞組內(nèi)穩(wěn)態(tài)電流I為U2/（Rc+Rl）。在t3時，Ub2也為低電平，VT2管截止。這時高壓電源和低壓電源都被關斷，無法向電動機繞組供電。繞組因電源關斷而產(chǎn)生反電勢。在電路中二極管VDVD2組成反電勢泄放的回路。繞組的反電勢通過Rl、Rc、VDUUVD2回路泄放，繞組中的電流迅速下降，其波形形成較好的電流下降沿?？梢?，該電路對繞組的電流比單電壓功放回路的波形好，有十分明顯的高速率的上升和下降沿。所以，高頻特性好，電源效率也較高。它的不足之處是：高壓產(chǎn)生的電流上沖作用在低頻工作時會使輸入能量過大，引起電動機的低頻振蕩加重。另外，在高低壓銜接處的電流有谷點、不夠平滑，影響電動機運動的平穩(wěn)性。此回路具有能耗低、高頻工作時有較大的轉(zhuǎn)動力矩，所以常用于中功率和大功率步進電機中。高低壓驅(qū)動法是目前普遍應用的一種方法。由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。斬波型功放電路克服了高低壓功放電路出現(xiàn)的谷點現(xiàn)象，并且提高了電機的效率和力矩。斬波型功放回路有兩種：一種是斬波恒流功放回路；另一種是斬波平滑功放回路。斬波功放電路應用較廣泛。它是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，這種電路也成為電流驅(qū)動電路或波頂 補償回路。本設計中采用的驅(qū)動電路是斬波恒流驅(qū)動電路，斬波恒流驅(qū)動電路是性能較好、目前使用較多的一種驅(qū)動方式。其基本思想是：無論電機是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運行，均使導通相的繞組的電流保持額定值。圖67是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個小電阻R，電動機繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，小電阻的壓降與電動機繞組的電流成正比，所以這個電阻稱為電流采樣電阻。當Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓Ua的值時，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平，VT1截止，電源被切斷，繞組電流經(jīng)VTR、VD2續(xù)流，采樣電阻R的端電壓隨之下降。當采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導通，電源又開始向繞組供電。如此反復，繞組的電流穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。當控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r，VT1和VT2兩個開關管均截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD電源和二極管VD2放電，電流迅速下降?？刂泼}沖Ui、VT1的基極電位Ub1及繞組電流Id的波形如圖68所示。圖67 斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖圖68 斬波恒流控制的電流波形在VT2導通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，所以這種驅(qū)動電路具有較高的效率。由于在斬波驅(qū)動下繞組電流恒定，電機的輸出轉(zhuǎn)矩均勻。這種驅(qū)動電路的另一個優(yōu)點是能夠有效地抑制共振，因為電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效的防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。第七章 軟件設計 可編程控制器（PLC）的工作原理可編程控制器（PLC）的有兩個工作要點：入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)。入出信息變換主要由運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。這程序既有系統(tǒng)的（這程序又稱監(jiān)控程序，或操作系統(tǒng)），又有用戶的。系統(tǒng)程序為用戶程序提供編輯與運行平臺，同時，還進行必要的公共處理，如自檢，I/O刷新，與外設、上位計算機或其它PLC通訊等處理。用戶程序由用戶按照控制的要求進行設計。什么樣的控制，就有什么樣的用戶程序?？煽课锢韺崿F(xiàn)主要通過輸入（I，INPUT）及輸出（O，OUTPUT）電路。每一輸入點或輸出點就有一個I或O電路。而且，總是把若干個這樣電路集成在一個模塊（或箱體）中，然后再由若干個模塊（或箱體）集成為PLC完整的I/O系統(tǒng)（電路）。盡管這些模塊相當多，占了PLC體積的大部分，但由于它們都是由高度集成化的，所以，PLC的體積還是不太大的。輸入電路時刻監(jiān)視著輸入點的（通、ON或斷、OFF）狀態(tài)，并將此狀態(tài)暫存于它的輸入暫存器中。每一輸入點都有一個與其對應的輸入暫存器。輸出電路有輸出鎖存器（還可能有別的稱謂）。它也有兩個狀態(tài)，高、低電位狀態(tài)，并可鎖存。同時，它還有相應的物理電路，可把這個高、低電位的狀態(tài)傳送給輸出點。每一輸出點都有一個與其對應的輸出鎖存器。這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際是PLC的I/O電路的寄存器。它們與PLC內(nèi)存交換信息通過PLC I/O總線及運行PLC的系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。把輸入暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應位（bit）稱為輸入繼電器，或稱軟觸點，或稱為過程映射輸入寄存器（the processimage input register）。這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0為觸點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入點的狀態(tài)。輸出鎖存器與PLC內(nèi)存中的輸出映射