廢舊車床數(shù)控化再制造設(shè)計摘要大量廢舊車床的報廢將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染破壞和資源的浪費。采用再制造設(shè)計可將廢舊車床改造成新的數(shù)控車床，再制造設(shè)計的主要內(nèi)容包括采用滾珠絲杠、步進電機直接驅(qū)動提高機床的運動精度；采用數(shù)控系統(tǒng)代替原車床的電氣系統(tǒng)，提高其控制精度。廢舊車床數(shù)控化再制造設(shè)計最大限度的利用了原有機床的零部件的剩余價值。本課題是針對已報廢的廢舊車床進行數(shù)控化制造，為老舊車床的更新?lián)Q代提供了新途徑，再制造技術(shù)是成為建立節(jié)約型社會的重要措施。其現(xiàn)實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣意義的廢舊車床改造方法，對傳統(tǒng)機械制造業(yè)的技術(shù)裝備進行技術(shù)提升，用以解決目前機床報廢所帶來的問題。關(guān)鍵詞：機床改造；數(shù)控技術(shù)；進給系統(tǒng)；滾珠絲杠目錄1、緒論 緒論1.1課題背景我國是全球普通車床年制造量最大國家之一，機床消費量和存有量均居全球首位。但是，我國的許多機床老化嚴(yán)重，非常需更新?lián)Q代，而廢舊車床的再制造作為一種新興技術(shù)，具有顯著的節(jié)約材料、節(jié)能減排等效果，符合我國循環(huán)經(jīng)濟和低碳經(jīng)濟的發(fā)展需求，它可以有效的解決我國廢舊車床的處理以及材料再利用等問題，是一種將廢舊車床重新利用的全新的技術(shù)模式。1.2數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢如今的數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢有以下幾個方面：1、高速、高精度、高效、高可靠性。要提高工作效率，首先必須提高機床的工作速度，減少加工所需要的時間；另外為了確保工件加工的質(zhì)量，必須提高機床工作時的精度，而可靠性則是上述目的的保證。2、柔性化、集成化。為適應(yīng)制造自動化的發(fā)展，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成平時常用的加工任務(wù)，而且還需要具備自動測量，上下料、自動換刀、自動更換主軸頭、自動誤差補償，自動診斷、進線和聯(lián)網(wǎng)功能，特別是依據(jù)用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成。3、智能化，網(wǎng)絡(luò)化。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，電機參數(shù)的自適應(yīng)運算,自動識別負載自動選定模型，自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。1.3課題研究的的意義本課題的主要任務(wù)是對廢舊車床進行簡單的數(shù)控化改造，進給力的計算，機床結(jié)構(gòu)尺寸的計算和繪制裝配圖。在改造分析過程中學(xué)到了經(jīng)驗，以及對機床行業(yè)的初步了解，對以后的工作有極大的幫助作用。本課題提高了對經(jīng)濟型數(shù)控車床的全面化了解，通過整個設(shè)計，以后對機床行業(yè)有了全面的了解。1.4本文的主要設(shè)計內(nèi)容在廢舊車床主軸箱上安裝一個光電脈沖發(fā)生器，并安裝一個光電編碼器，在把與溜板聯(lián)接的普通絲杠換成傳動精度更高、運動更平穩(wěn)的滾珠絲杠。通過切削力、轉(zhuǎn)矩、變速范圍的計算選擇合適的程序控制步進電機，通過絲桿載荷、傳動效率、剛度及穩(wěn)定性的計算確定滾珠絲杠螺母副的選型。并用CAD、proE進行相關(guān)的繪圖2車床改造方案的確定機床的數(shù)控化改造是建立在微電子與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上的。在數(shù)控改造中引入單片機的應(yīng)用，不僅僅在技術(shù)上擁有先進性，同時，在實踐中比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案更具有通用因素與協(xié)調(diào)因素。我們在實現(xiàn)對機床的數(shù)控化改造的過程中堅持這一原則：在盡量不改變車床原有功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自動控制的目的，完成對廢舊車床的改造。2.1普通車床的構(gòu)成對普通車床的自動改造包括三大部分：機械外型、硬件、軟件部分。車床改造前，主要由以下幾部分構(gòu)成。2-1普通車床外形結(jié)構(gòu)圖車床部分名稱和用途如下：1）車頭部分①主軸箱：通過按一定的傳動比傳動齒輪，將電機通過主軸箱傳遞到機床各個主軸上，使各個主軸得到所要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而完成各種粗、精加工的工序。②三爪卡盤：用來夾住工件，并帶動工件一起隨主軸轉(zhuǎn)動。2）掛輪箱部分用來把主軸的轉(zhuǎn)動傳給走刀箱，調(diào)換箱體內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)速，并與走刀箱配合，可以車削各種螺紋。3）走刀部分①走刀箱利用它內(nèi)部的齒輪機構(gòu)，箱體外的手柄可以讓主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速，并可以把主軸的旋轉(zhuǎn)運動傳給絲杠運動。②用來車削螺紋；它能使拖板和車刀按要求的速度作精確的直線移動。4）托板部分①拖板箱：把絲杠的轉(zhuǎn)動輸出給拖板部分，調(diào)節(jié)變換箱外的手柄，經(jīng)過拖板使車刀作橫向或者縱向走刀。②托板：分大、中、小三種。其中大是橫向車削工件時使用的；中是縱向和控制吃刀量時使用的；小是橫向較近距離或者加工一定角度工件時用到的。③刀架：用來裝夾刀具的。5）尾座用來安裝頂針，支撐較長工件，它還可以安裝各種其他切削刀具。6）床身用來支持和安裝車床的各個部件，床身里面有兩條精確的導(dǎo)軌。托板和尾座可沿著導(dǎo)軌直線移動。7）附件①中心架：車削較長工件時用來支持工件的裝置。②冷卻嘴：用來注入切削液，防止加工零件切削時零件或者刀具過熱損壞。2.2總體改造方案圖2-2改造后機床總體圖1）數(shù)控系統(tǒng)選用南京產(chǎn)JWK-15T型數(shù)控系統(tǒng)一般經(jīng)濟型數(shù)控機床的數(shù)控化改造多半采用最簡單的開環(huán)控制方式。數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)是以單片機為主控制單元的簡單數(shù)控系統(tǒng)。因為該控制方式安裝調(diào)試方便。這里我們選用南京產(chǎn)JWK-15T型機床數(shù)控系統(tǒng)安裝到普通車床上。經(jīng)過改裝后的數(shù)控機床工作原理圖如圖所示。圖2-3數(shù)控機床工作原理圖本系統(tǒng)由數(shù)控單元由步進驅(qū)動單元、專用控制程序、功率驅(qū)動、步進電機、步進電機減速裝置或轉(zhuǎn)位機構(gòu)和絲杠等組成。在加工零件時，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)在中央處理單元的支持下，按照所輸入的加工程序數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算處理，發(fā)出一系列的組合脈沖，經(jīng)過驅(qū)動步進電動機，拖動溜板箱分別控制縱、橫溜板兩個方向的運動方向、速度、位移長度，實現(xiàn)車床的微機控制。我們選用的JWK-15T型機床數(shù)控系統(tǒng),采用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程，能自動完成車削端面、倒角、錐面、階臺、任意圓弧的曲面加工，并配有完備的T、M、S的功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部設(shè)有電源、計算機、相應(yīng)的接口、驅(qū)動等模塊，具有體積較小、重量輕巧、能耗較低、功能全面、速度高、操作維修方便等特點。2）保留原機床的主軸旋轉(zhuǎn)運動，在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器圖2-4主軸箱改造圖在主軸上加一個脈沖發(fā)生器，是為了保證車螺紋時按照嚴(yán)格的運動執(zhí)行，在主抽上安裝GD7072光電脈沖發(fā)生器，通過主軸到脈沖發(fā)生器再到數(shù)控系統(tǒng)最后直至步進電機的信息交換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一圈，刀架縱向進給一個螺紋導(dǎo)程的車螺紋運動。3）進給系統(tǒng)的改造該普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定要求的前提下，應(yīng)簡化其結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，降低其改造成本。因此，常采用步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)作為該機床的私服進給系統(tǒng)。圖2-5開環(huán)進給系統(tǒng)取消原來的進給箱，將原絲杠換成滾珠絲杠，并在其尾端聯(lián)結(jié)一對齒輪進行減速，然后與步進電機相聯(lián)。普通車床的進給傳動多半為齒輪傳動，隨著進給變換級數(shù)的增多，齒輪對數(shù)和操縱部件顯著增加。傳動鏈的加長，不僅使進給箱結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，還因齒輪間隙的形成累計誤差，造成間隙增加，降低了反向的定位精度。進給系統(tǒng)的改造主要是減少進給箱內(nèi)的齒輪對數(shù)，縮短進給傳動鏈。所以一般改造時，是去掉進給箱。用滾珠絲杠代替普通絲杠，是因為滾珠絲杠具有效率高、傳動精度高、運動相對平穩(wěn)、壽命較長等特點。3進給傳動部件的計算和選型縱、橫進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定其脈沖當(dāng)量、計算切削力、選擇滾珠絲杠、選擇步進電動機等。3.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的需要，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為每脈沖0.01mm，Z方向（縱向）的當(dāng)量脈沖為每脈沖0.02mm。3.2切削力的計算假設(shè)工件材料為鋁件，=325MPa；選用刀具材料為硬合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：o，前角°，刀傾角o；背吃刀量，進給量=0.6mm/r，切削速度=105mm/min。由《金屬切削原理》查表3-1得：=2795，=1.0，=0.75，=-0.15。查表3-3得：主偏角K的修正系數(shù)K=0.94:刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗公式：主切削力：F=CafVK（3-1）背向力：F=CafVK（3-2）進給力：F=CfafVK（3-3）算得主切削力F=1336.7N。由經(jīng)驗公式F：F：F=1:0.34:0.4，算得縱向進給切削力F=477.24N，背向力F=534.62N。3.3滾珠絲杠的計算和選型1）工作載荷的計算已知移動部件總重G=750N;車削力F=1336.7N，F(xiàn)=534.62N，F(xiàn)=477.24N。根據(jù)F=F，F(xiàn)=F，F(xiàn)=F的對應(yīng)關(guān)系，可得：F=1336.7N，F(xiàn)=534.62N，F(xiàn)=477.24N。選用矩形一三角形組合滑動導(dǎo)軌，由公式Fm=KF+μ（FG）（3-4）取K=1.15,μ=0.16,代入Fm=KF+μ(FG)，得工作載荷FmN。2）最大動載荷F的計算假設(shè)本車床在Z軸方向在承受最大切削力時最快的進給速度初選絲杠基本導(dǎo)程Ph=6mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=1000v/Ph≈133r/min。取滾珠絲杠的使用壽命，代入，得到絲杠壽命系數(shù)Lo=119.7取載荷系數(shù)f=1.15，再取硬度系數(shù)f=1，代入式FQ=fFF（3-5）求得最大動載荷。3）初選型號根據(jù)計算求出滾珠絲杠的最大動載荷，查FL系列滾珠絲杠有關(guān)參數(shù)，生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠。其公稱直徑為，基本導(dǎo)程為，滾珠絲杠總?cè)?shù)2圈，精度等級取4級，額定動載荷為13200N，滿足要求。4）傳動效率的計算將公稱直徑，基本導(dǎo)程為。代入λ=arctan[Ph/(do)]（3-6）得絲杠螺旋升角λ=2°44。將摩擦角，代入=tank/tan(+）（3-7）得傳動效率=94.2%。5）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)式F=F（3-8）計算失穩(wěn)時的臨界載荷F。查絲杠支承系數(shù)表，取支承系數(shù)f=2；由絲杠底徑的d=36.0312mm，求得截面慣性矩/64；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動絲杠至軸向固定處的距離a取最大值1497mm。代入式F，得臨界載荷F，遠大于工作載荷爐（1712N），故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠滿足使用要求。3.4步進電動機的計算與選型1）計算步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J已知：滾珠絲杠的公稱直徑d，總長，導(dǎo)程，材料密度kg.cm；縱向移動部件總重量G=750N；同步帶減速箱大帶輪寬度為28mm，節(jié)徑大小為54.57mm,孔徑誒30mm，輪外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑4.5.42mm，孔徑19mm，輪外徑為29mm，寬度為12mm；傳動比為i=1.2。查常用轉(zhuǎn)動慣量計算表，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量值如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Kg.cm；床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Kg.cm；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量JzKg.cm。大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量JzKg.cm。在設(shè)計減速箱時，初選的步進電動機型號為130BY5501，從永磁感應(yīng)式步進電動機的技術(shù)參數(shù)表查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量kg.cm。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：J=J+Jz+（Jz+Jw+Js）/i=55.75Kg.cm（3-9）圖3-1步進電機三維圖圖3-2電動機簡圖表3-1永磁感應(yīng)步進電動機的技術(shù)參數(shù)表型號Model步距角Deg相數(shù)電壓V電流A扭矩n.m電感MH慣量kg/cm起動頻率HZ運行頻率HZ90BYG55010.36/0.72530-30033.532.525002500090BYG55020.36/0.72530-300355525002500090BYG55030.36/0.72530-30036.588250025000110BYG55000.36/0.72530-3004876250022000110BYG55010.36/0.72530-30041199250022000110BYG55020.36/0.72530-3004151112250022000110BYG55030.36/0.72530-3004191315250020000130BYG55010.36/0.72530-3006261018250020000130BYG55010.36/0.72530-3006361230230018000130BYG55020.36/0.72530-30064614352300180002）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩T，其分為快速空載啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。①快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式T=T+T+To（3-10）可知，T包括三部分：快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。根據(jù)T=（3-11）式可知，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有：T=T+T（3-12）根據(jù)T=Jε=2/60t（3-13）式，考慮縱向傳動鏈的總效率，計算快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：T=（2Jn/60t（3-14）式中表示對應(yīng)縱向空載時最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，其單位為r/min表示步進電動機由靜止?fàn)顟B(tài)到加速至所需的時間，其單位為s。其中：n=V/360°（3-15）式中V表示縱向空載最快移動速度，為6000mm/min；α表示縱向步進電動機步矩角，為0.72°；表示縱向脈沖當(dāng)量，此處=0.02mm/脈沖。將以上各值代入式n=V/360°δ，算得nr/min。設(shè)步進電動機由靜止?fàn)顟B(tài)到加速至轉(zhuǎn)速所需時間Ta=0.4s，縱向傳動鏈總效率=0.7；則由式求得:T=2x57.55x10x1200/60x0.4x0.7Nm2.58Nm由式T=sP/（3-16）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：T=μ(Fc+G)P/2i（3-17）式中μ表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動導(dǎo)軌取其值為0.16；F表示垂查方向的工作負載，空載時取其值為0；表示縱向傳動鏈總效率，取其值為0.7。則由式T=μ(Fc+G)P/2i，得：T=0.16x(0+1300)x0.006/2x0.7x1.2Nm0.24Nm最后由式T=T+T，求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：T=T+T=2.82N②最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩T由式T=T+T+T可知，T包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩T、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有：T=T+T（3-18）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩T，由式子T=i計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載荷F-=935.69N，則有：T=F/2i=965.69x0.006/2x0.7x1.2Nm=1.06Nm再由式T=FP/2i計算承受最大工作負載（F=1336.7）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：T=u（）/i=0.16x(2673.4+1300）x0.006/2x0.7x1.2N0.72N最后由式T=T+T，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩。T=T+T=1.78N經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩：T=max{T，T}=2.82N.m3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至停轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)T來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：T>4Teq=42.82Nm=11.28Nm對于前面預(yù)選的130BVG5501型步進電動機，由永磁感應(yīng)式步進電動機的技術(shù)參數(shù)表3-1查得，其最大靜轉(zhuǎn)矩T=20N.m可見完全滿足式T>4Teq=4x2.82N.m=11.28的要求。4）步進電動機的性能校核①最快工件進給速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核給定縱向最快工件進給速度V，脈沖當(dāng)量δ=0.02mm/脈沖，由式f=V/60求出電動機對應(yīng)的運行頻率f=800/（60x0.01）Hz~1333Hz。從130BYG5501的運行矩頻特性圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T17，遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩T=1.78,滿足要求。②最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空裁移動速度V=-6000mm/min，仿照式f=V/60求出電動機對應(yīng)的運行頻率f=6000/(600.01)Hz=1000Hz。從表3-1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩T=3.8N.m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩T=2.82N.m，滿足要求。③最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度V=6000mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率f=10000Hz。查永磁感應(yīng)步進電動機的技術(shù)參數(shù)表3-1可知130BYC5501的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。④起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J=57.55kg，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量J=33kg查表5-2可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高空載起動頻率為=1800Hz。則由式f=f/（3-19）可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：f=f/=1087Hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1087Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低；通常只有100Hz（即每秒100脈沖）。綜上所述，本例中縱向進給系統(tǒng)選用130BVG5501步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。4步進電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1步進電機的控制方案（1）基于電子電路控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大,可實現(xiàn)一般步進電機的作業(yè)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如下所示所示。圖4-1基于電子電路控制系統(tǒng)該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù),功能相對比較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。（2）基于單片機控制采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(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，完成對步進電機的最佳控制,顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。本方案有以下優(yōu)點：①單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、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單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組成，大大提高系統(tǒng)的交互性?；谝陨蟽?yōu)點，本次采用基于單片機的控制方案。4.2步進電機的恒速控制要實現(xiàn)這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進制控制字001H、011H、010H、110F、100H、101H即可：電機反方向旋轉(zhuǎn)時，輸出順序相反。1）脈沖頻率的實現(xiàn)每輸出一個控制字就相當(dāng)于發(fā)送一個步進脈沖,脈沖與脈沖之間應(yīng)有時間間隔，即脈沖周期，它反映了步進電機的步進頻率，即速度。實現(xiàn)脈沖周期的方法很簡單，主要有兩種：利用程序循環(huán)延時和利用定時器中斷。前者占用計算機機時較嚴(yán)重，計算機延時階段將不能處理其他事務(wù)，且延時不很準(zhǔn)確，但實現(xiàn)簡單，不占用CPU硬件資源，主要用于CPU較空閑的場合；后者可以精確定時，不占用CPU空間，但有時需要系統(tǒng)另行擴展定時器。2）軟件的編寫在實際編寫控制程序時，對環(huán)形分配器的實現(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)的存儲單元中，形成所謂的脈沖分配表,輸出時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的方法，步進電機單向旋轉(zhuǎn)的程序原理框圖。實際編寫程序時還應(yīng)加上正反轉(zhuǎn)的判斷，反轉(zhuǎn)時反向查表，另外，運行總步數(shù)至少應(yīng)放在兩個字節(jié)內(nèi)。開始開始Ro運行總步Ro運行總步DPTR首地址DPTR首地址循環(huán)步數(shù)R循環(huán)步數(shù)RAAPPaaRRRR-1R=0R=0Y結(jié)束延時子程序N結(jié)束延時子程序圖4-2步進電機程序框圖4.3步進電機的變速控制如果步進電機穩(wěn)定運行的速度很高，那么在控制系統(tǒng)中應(yīng)該加入變速控制的內(nèi)容，這主要是受到步進電機啟動頻率的限制。步進電機適應(yīng)速度突變的能力比較差，其極限頻率一般比連續(xù)運行的頻率低上十幾倍，如果實際啟動頻率高于電機的極限啟動頻率，電機將發(fā)生失步現(xiàn)象或根本不能啟動，所以必須以低于極限啟動頻率的頻率啟動。如果連續(xù)運行頻率很高的話，則會有一個加速過程；反之，電機從一個較高的運行頻率到靜止,也必須有一個減速的過程,否則會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。步進電機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，速度變化范圍大，適于快速定位等過程：后者加減速時間短，跟蹤能力強。在實際應(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)計中采用軟件自動升降速控制。在步進電機的控制當(dāng)中，運行步數(shù)就是步進脈沖數(shù)，是步進電機是否運行到終點的判別條件，延時參數(shù)就是控制脈沖的時間間隔，稱作步進周期。電機恒速時，步進周期為常數(shù)，變速時，步進周期要發(fā)生變化：周期變小，電機加速，周期變大，電機減速。所以，對步進電機的變速控制就是合理的改變其步進周期，即合理地確定每個脈沖之間的延時時間，使步進電機按規(guī)定的速度運行。圖4-3是步進電機恒加速運動的情況。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。該圖表達的含義是：步進電機以f的頻率啟動，經(jīng)過H步運行加速到到fp，以fp恒速運行V-H步，經(jīng)過W步把速度降到，最后停止。圖4-3步進電機恒加速運動頻率-步數(shù)關(guān)系圖1）加速階段由恒加速的速度、距離公式可得（4-1）其中a為加速度，t為加速時間（4-2）由以上二式可得于是步進周期=式中：，x=2，3，4，...,H。2）恒速階段恒速時步進頻率為f，所以步進周期為T=。3）減速階段參照加速階段可得加速度步進周期式中：T=，x=2，3，4，...w。知道了各段的步進周期，實際相當(dāng)于已知了步進電機脈沖之間的延遲時間，這為編制程序掃清了最后的障礙。由于步進周期的計算很復(fù)雜，若采用單片機在線實時計算十分困難，因此一般先做好步進周期表，預(yù)先存放在存儲單元中，采用查表的方法實現(xiàn)步進電機的變速控制。圖4-4給出了步進電機加速控制的原理框圖，通過改變8031定時器的時間常數(shù)來獲得不同的步進周期，即對電機進行加速控制。程序一步步變速，在實際應(yīng)用中可以若干步一變速，并加入恒速及減速控制。主程序：現(xiàn)場保開始現(xiàn)場保開始電機步進一To初始化及置時間常數(shù)電機步進一To初始化及置時間常數(shù)RoRo-DPTR步進周期表RoRo-DPTR步進周期表DPTRDPTRRo加速階段總Ro加速階段總查表設(shè)置To常To開中查表設(shè)置To常To開中現(xiàn)場恢復(fù)Ro=0現(xiàn)場恢復(fù)Ro=0N返回返回YTo關(guān)中To關(guān)中結(jié)束結(jié)束圖4-4步進電機加速控制原理圖4.4步進電機的驅(qū)動控制器1）脈沖分配器由步進電動機工作原理可知，要想使步進電動機按要求運行，必須使定子勵磁繞組順序通電，產(chǎn)生具有一定功率的電脈沖信號，并正確地分配脈沖。這種根據(jù)指令通過脈沖對電動機繞組按一定順序進行通、斷電控制，實現(xiàn)步進電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的裝置稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形分配器或環(huán)分器。根據(jù)功能實現(xiàn)方式的不同，脈沖分配器分為硬件脈沖分配器和軟件脈沖分配器兩種。①硬件脈沖分配器。硬件脈沖分配器需根據(jù)步進電動機的相數(shù)和要求設(shè)計。市場上提供了完成脈沖分配功能的集成電路芯片，如CH250。圖6-7所示為三相六拍的脈沖分配器邏輯原理圖。脈沖分配器的主體是三個J一K觸發(fā)器，J一K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放電路與步進電動機A、B、C相繞組連接。當(dāng)Q＝1時，A相繞組通電；當(dāng)Q=1時B相繞組通電；當(dāng)Q=1時，C相繞組通電。W和W是步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制信號。正轉(zhuǎn)時，各相通電順序為A—AB—B—BC—C—CA，W=1，W=0反轉(zhuǎn)時，各相通電順序為A—AC—C—CB—B—BA，W=0，W=1復(fù)位JKJKJKJKJKJKSCP&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&WW圖4-5三相六拍的脈沖分配器邏輯原理圖②軟件脈沖分配器利用軟件編程程序?qū)崿F(xiàn)硬件脈沖分配器的功能。將控制字（步進電機各系相通斷電順序）從內(nèi)存中讀出，然后送到并行口中輸出。不同計算機及元件，采用不同的軟件進行脈沖分配。若步進電動機采用三相六拍的通電方式，即按A-AB-B-BC-C-CA-A...順序循環(huán)通電，則步進電機正轉(zhuǎn)，若用一個字節(jié)的低3位分別對應(yīng)步進電機的A、B、C三相，則形成脈沖控制字。步進電機的三相六拍開關(guān)順序見表4-1，既控制字。表4-1步進電動機三相六拍順序CPCBA控制字100101H201103H301002H411006H510004H610105H從表4-1可看出，當(dāng)電動機正轉(zhuǎn)時，取控制字為01H、03H、02H、06H、04H、05H；反轉(zhuǎn)時的控制字的取法正好相反。用軟件實現(xiàn)脈沖分配，可將控制字存放在ROM中，通過查表提取控制字，程序如下（P1口低三位輸出控制字，P3.0作為判斷正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位）三相六拍步進電機控制程序如下：ORG1000HAJMPBEGINORG1040HBEGIN：MOVDPTR，#DATAMOVR2，#01HMOVA，R2LOOPMOVCA，@A+DPTR；取控制字MOVP1，A；輸出控制字JBP3.0，Z2MOVA，R2；反轉(zhuǎn)DECAZ1:ANLA，#05HMOVR2，AACALLDELAYSMS；延時2msSJMPLOOPZ2:MOVA，R2