【正文】 ................................................. 37 步進電機插補程序設(shè)計 ......................................................................................................................................... 38 總結(jié) ............................................................................................................................................... 44 致謝 ............................................................................................................................................... 45 參考文獻 ....................................................................................................................................... 46 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 1 1 緒論 在工業(yè)控制系統(tǒng)中 , 通常要控制機械部件的平移和轉(zhuǎn)動 , 對位移和角度的控 制要求較高 , 一般電機很難實現(xiàn)對位置和角度的精確控制 , 而步進電機可精確實現(xiàn)所設(shè)定的角度和轉(zhuǎn)數(shù) , 具有良好的步進特性 , 最適合于數(shù)字控制 , 因此它在數(shù)控機床等設(shè)備中得到了廣泛的應用。 數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控 (NMmericalContr01， NC)是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。 為了對機械運動及加工過程進行數(shù)字化信息控制，必須具備相應的硬件和軟件。由于數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控裝置的英文縮寫亦采用 NC(或 CNC)，因此，在實際使用中，在不同場合 NC(或 CNC)具有三種不同含義：既可以在廣義上代表一種控制技術(shù)，又可以在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體，還可以代表一種具體的控制裝置 —— 數(shù)控裝置。它是一種綜合應用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)?？刂平橘|(zhì)也稱為信息載體，它可以是穿孔帶、穿孔卡、磁帶、軟磁盤等。 2．輸入裝置 輸入裝置的作用是將控制介質(zhì)上的程序代碼變成相應的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置中。現(xiàn)在有很多數(shù)控設(shè)備不用任何控制介質(zhì)，而是將數(shù)控加工程序單上的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 2 盤直接輸入給數(shù) 控裝置，稱為 MDI 方式。 3．數(shù)徑裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控設(shè)備的核心，它接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理，然后將各種信息指令輸出給伺服系統(tǒng)，使設(shè)備各部分進行規(guī)范而有序的動作。 介于數(shù)控裝置與被控設(shè)備之間的強 電控制裝置，主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)過必要的編譯、邏輯判斷和功率放大后，直接驅(qū)動相應的電器、液壓、氣動和機械部件等，完成指令所規(guī)定的各種動作。其作用是把數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令 (脈沖信號 )轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移。數(shù)控裝置可以以很高的速度和精度進行計算并發(fā)出很小的脈沖信號，關(guān)鍵在于伺服系統(tǒng)能以多高的速度與精度去響應執(zhí)行，所以整個系統(tǒng)的精度與速度主要取決于伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要有功率步進電動機、電液脈沖馬達、直流伺服電動機和交流伺服電動機等，其作用是將電控信號的變化轉(zhuǎn)換成電動機輸出鈾的角速度和角位移的變化，從而帶動執(zhí)行部 件作進給運動。執(zhí)行部件應有足夠的剛度和抗振性，還要有足夠的精度，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡單，便于實現(xiàn)自動控制。測量反饋裝置的引入，有效地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，大大提高了零件的加工精度 。各生產(chǎn)部門工藝要求的不斷提高又從另一方面促進了數(shù)控機床的發(fā)展，當今數(shù)控機床正不斷采用最新技術(shù)成果，朝著高速度、高精度、高可煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 3 靠性、多功能、智能化、復合化等方向發(fā)展。對于數(shù)控系統(tǒng)，高速度首先是要求計算機數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計算出伺服電動機的位移量，并要求伺服電動機高速度地作出反應?，F(xiàn)代數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速在 12021 r／ min 以上的已較為普及，高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速高達 100 000 r／ min；快速進給速度一般機床都在 50 m／ min 以上，有的機床高達 120 m／ min。 (2)高可靠性 新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，使線路的集成度提高，元器件數(shù)量減少，功耗降低，提高了可靠性。數(shù)控控制軟件的功能更加豐富，具有自診斷及保護功能。數(shù)控系統(tǒng)還具有自動返回功能 (即斷點保護功 能 )。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，除了能與編程機、繪圖機、打印機等外設(shè)通信外，還應能與其他 CNC 系統(tǒng)、上級計算機系統(tǒng)通信，以實現(xiàn) FMS 的連接要求。如引進自適應控制技術(shù)、人機會話自動編程、自動診斷并排除故障等智能化功能 。如立臥轉(zhuǎn)換加工中心、車銑萬能加工中心及四鈾聯(lián)動 (x、 Y、 Z、C)的車削中心等。此數(shù)控機床自身坐標 x、 y 方向上各采用一個步進電機，以實現(xiàn)該方向的運動。 課題分析及系統(tǒng)特點分析 對課題所需設(shè)計系統(tǒng)具有的功能進行分析可知，系統(tǒng)應實現(xiàn)的任務為通過鍵盤與單片機的控制來實現(xiàn)單片機（通過一系列 I/O 和存儲器的擴展）對步進電機的控制。 系統(tǒng)總體方案的確定 步進電機數(shù)控系統(tǒng)大體可以分為如下模塊： ① 電源模塊 ② 控制模塊 ③ 驅(qū)動模塊 系統(tǒng)組成框圖如圖 21所示 ： 圖 21 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 5 3 模塊電路分析與設(shè)計 電源模塊電路分析與設(shè)計 電源模塊電路的分析 在本設(shè)計中主要用到兩種電源： ① 用于控制模塊的 +5V 直流電源 ② 用于驅(qū)動電動機的+30v300w 的直流電源 在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中，主要采用交流電，但是在某些場合，例如電解、電鍍、蓄電池的充電、直流電動機等，都需要用直流電源供電。為了得到直流電，除了采用直流發(fā)電機、干電池等直流電源外，目前廣泛采用各種半導體直流電源。 圖 3－ 1 半導體直流穩(wěn)壓電源的原理框圖 1．電源變壓器 電網(wǎng)上單相交流電壓的有效值為 220V，而通常需要的直流電壓要比此值低。當然，有的電源不是利用變壓器而是利用其他方法降壓的。經(jīng)整流電路輸出的單向脈動的直流電幅度變化較大，這種直流電一般不能直接供給電子電路使用。常采用的元件有電容和電感等。需要指出的是，此時的電壓值還要受到電網(wǎng)電壓波動以及負載變化的影響，即經(jīng)濾波后輸出的電壓由于各種因素的影響往往是不穩(wěn)定的。穩(wěn)壓電路的作用 就是自動穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓不受電網(wǎng)電壓波動和負載大小的影響。在小功率的直流電源中，整流電路的主要形式有單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。 為了簡單起見，分析計算整流電路時把二極管當作理想元件來處理，即認為二極管的正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大 一 . 單相橋式整流電路的組成 及工作原理 單相橋式整流電路是由四個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖 3— 2(a)所示。 圖 3－ 2 單相橋式整流電路 （ a）單相橋式整流電路； (b)單相橋式整流電路的簡化畫法 單相橋式整流電路的工作情況如下 設(shè)整流變壓器副邊 電壓為： )sin(2 22 tUu ?? 當 2u 為正半周時，其極性為上正下負，即 a 點電位高于 b 點電位，二極管 D D3因承愛正向電壓而導通， D D4 因承受反向電壓而截止。 當 2u 為負半周時，其極性為上負下正，即 a 點電位低于 b 點電位，二極管 D D4因承受正向電壓而導通， D D3 因承受反向電壓而截止。 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 7 圖 3－ 3 單相橋式整流電路 (a)正半周時電流的通路 (b)負半周時電流的通路 可見電壓無論在正半周還是在負半周，負載電阻 LR 上都有相同方向的電流流過。 二．參數(shù)計算 (1)負載上電壓平均值和電流平均值。因為橋式整流電路中，每兩個二極管串聯(lián)導通半個周期，所以流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： LOD RUII ?? 每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為 2u 的最大值，即： 22 2UUU MDR M ?? （ 3）整流變壓器副邊電壓有效值和電流有效值，其中： 整流變壓器副邊電壓有效值為： OO UUU ?? 整流變壓器副邊電流有效值為： OLL URURUI 222 ??? 由以上計算，可以選擇整流二極管和整流變壓器。常見的幾種整流電路如表 3— 1所示。兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個整流二極管承受的最高反向電壓相對較大，所以這兩種電路應用較少。因此橋式整流電路在半導體整流電路中得到 了廣泛的應用。 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 9 表 3－ 1 橋式整流電路性能表 類型 整流電路 整流電壓波形 整流電壓平均值 二極管電流平均值 二極管承受的最高反電壓 單相橋式 OI21 22U 2. 濾波 整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動較大，在某些應用中如電鍍、蓄電池充電等可直接使用脈動直流電源。這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成 分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。實用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復式濾波電路 (包括倒 L 型、 Rc— π型、 LC— π型濾波 )等，如圖 3— 5 所示。 圖 3— 6 所示為單相橋式整流電容濾波電路。當輸出端接負載電阻 LR 時，設(shè)電容兩端初始電壓力零，在 t＝ 0 時刻接通電源。忽略 RD 的影響，電容 C 兩端的電壓將按 2u 的規(guī)律上升；當電源電壓開始下降．并達到 cu ≥ 2u 時， 4 個二極管反偏截止． 二、電感濾波電路 電感濾波電路如圖 3— 7 所示，即在整流電路與負載電阻 LR 之間串聯(lián)一個電感器 L。 電感 L 與負載 LR 串聯(lián)?？梢姡姼袨V波器的電感量愈大，自感電動勢愈大，單向脈動電流流經(jīng)電感線圈時就愈平滑。由于電感量大時體積也大，在小型電子設(shè)備中很少采用電感濾波方式。它的濾波效果比單一使用電容或電感濾波要好得多，其應用較為廣泛。脈動電壓經(jīng)過雙重濾波，交流分量大部分被電感器阻止，即使有小部分通過電感器，再經(jīng)過電容濾波，這樣 圖 3— 6 橋式整流電容濾波電路 圖 3— 7 單相橋式整流電感濾波電路 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 11 負載上的交流分量也很小，便可達到濾除交流成分的目的。由于 LCπ型濾波電路輸入端接有電容，在通電瞬間因電容器充電會產(chǎn)生較大的 充電電流，所以一般取 C1C2，以減小浪涌電流。在負載電流不大的情況下，為降低成本小體積，減輕重量，選用電阻器 R 來代替電感器 L。當使用一級復式濾波達不到對輸出電壓的平滑性要求時，可以增添級數(shù) 。 圖 3— 10 RCπ型濾波電路 圖 3— 11 多級 RC 濾波電路 3. 直流穩(wěn)壓電源 由分立元件組成的直流穩(wěn)壓電 路，需要外接不少元件，因而體積大，使用不便。 集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應用最為普遍的是三端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器。 圖 312 集成穩(wěn)壓器 煙臺大學畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 12 控制模塊電路分析與設(shè)計 控制模塊電路分析 一 、 二軸數(shù)控機床的控制要求 ① 步進電機選用三四相單極，單相最大驅(qū)動電流為 2A，最大相電壓為 12V，其脈沖當量為 ，插補周期不超過 1ms； ② 主要用單片機控制步進電機實現(xiàn)工作臺的 x 向、 y 向運動，直線插補和圓弧插補及實現(xiàn)其它功能，同時可以用鍵盤輸入作為輔助控制； ③ 能適時顯示工作臺的當前運動情況； ④ 采用軟硬件進行環(huán)形分配及鍵盤掃描。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)