單片機（與pc機連接）步進電機畢業(yè)設計論文

1、<p><b>　　論 文 摘 要</b></p><p>　　以單片機為基礎，從最簡單的數(shù)控到最先進的計算機數(shù)控，對數(shù)控作一系統(tǒng)地演示，完成簡易數(shù)控繪圖功能。本系統(tǒng)單機運行實現(xiàn)基本的數(shù)控思想;系統(tǒng)與思想。讓學生對數(shù)控技術和數(shù)控知識有一系統(tǒng)的認識，徹底理解、掌握數(shù)控思想。</p><p>　　系統(tǒng)單機運行及與PC機聯(lián)機運行。按照從PC機上接收到的信息完成任務

2、。該系統(tǒng)配備了兩套與PC機的通信接口，即并口和串口通信。以實驗條件和方便為宜選擇其一。在單機運行的情況下以十進制BCD拔盤作為輸入設備，既符合人們的認知習慣又簡捷直觀。并配有七段數(shù)碼管顯示器，以便在執(zhí)行的過程中顯示運行狀況。以軟件實現(xiàn)插補，送出進給脈沖驅(qū)動步進電機運行，并經(jīng)機械轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為X, Y兩軸構成的平面繪圖系統(tǒng)。并探討了一種均勻脈沖插補方法。</p><p>　　關鍵字:數(shù)控 單片機 步進電機 通

3、信 插補 顯示</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Displaying the NC by the numbers based on SCM from the simplest NC to</p><p>　　the advantest CNC to realize the NC plotting

4、function. The radical NC thought realized by this system itself running: CNC thought realized by its running liked with PC. Let students have a systemic congnition to NC technician knowledge completely understand and mas

5、t the NC thought.</p><p>　　The system runs singly also acts as the information getting from PC while linked with PC. This system was equipped two sets of communication interface with PC, the serial and paral

6、lel interface, select one of them according to the experiment condition and convenience. The system runs by itself, its inputting device is decimal BCD (Binary-Coded Decimal notation) code turn plate because the device

7、 not only according with people' s cognitive habit but concise and intuitionist. The system equip</p><p>　　Key Words: number control(NC)，single chip microprocessor(SCM)，step</p><p>　　ele

8、ctric motor，communication, interpolation，display</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 綜述5</b></p><p>　　1. 1計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本概念5</p><p>　　1. 1. 1概述5

9、</p><p>　　1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成9</p><p>　　1.2.1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成9</p><p>　　1.3計算機數(shù)控系統(tǒng)的硬件11</p><p>　　1.3.1 NC裝置的硬件構成11</p><p>　　1.3.2增強并行口EPP (Enhanced Parallel Port)12&

10、lt;/p><p><b>　　2.步進電機14</b></p><p>　　2.1經(jīng)濟型數(shù)控機床特點14</p><p>　　2. 2經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的種類15</p><p>　　2. 3步進電機的工作原理及特性16</p><p>　　2. 4步進電機的分類16</p>&

11、lt;p>　　2. 5步進電機的主要技術指標與特性17</p><p>　　2.6步進電機的控制方法18</p><p>　　2.7 步進電機的控制系統(tǒng)19</p><p>　　2.8經(jīng)濟型數(shù)控技術中微機運用及其接口技術21</p><p>　　2.8.1. ATMEL.89C51單片計算機21</p><

12、p>　　2.8.2微機數(shù)控中的接口技術22</p><p>　　3 繪圖儀系統(tǒng)設計25</p><p>　　3. l 繪圖儀數(shù)控系統(tǒng)控制流程圖25</p><p>　　3. 3數(shù)據(jù)輸入27</p><p>　　3. 3. 1輸入工具27</p><p>　　3. 3. 2 BCD碼拔盤接口28<

13、;/p><p>　　3. 4輸入方法設計29</p><p>　　3. 4. 1工作系統(tǒng)分析29</p><p>　　3. 4. 2特征字設計30</p><p>　　3. 4. 3輸入法示例說明31</p><p>　　3. 4. 4程序中數(shù)據(jù)處理32</p><p>　　3. 5系統(tǒng)演

14、示33</p><p>　　3. 5. 1數(shù)據(jù)輸入33</p><p>　　3. 5. 2直線插補34</p><p>　　3. 6顯示部分設計39</p><p>　　3. 6. 1發(fā)光二極管39</p><p>　　3. 6. 2七段數(shù)碼管LED40</p><p>　　3. 6

15、. 3 LED靜態(tài)顯示方式41</p><p>　　3. 6. 4 LED動態(tài)顯示方式41</p><p>　　3.6.5 LED顯示器與8155接口42</p><p>　　4.串行通信設計43</p><p>　　4. 1異步通信和同步通信43</p><p>　　4.1.1異步通信43</p&g

16、t;<p>　　4.1.2同步通信44</p><p>　　4.2波特率(Baud rate)44</p><p>　　4. 3通信過程及通信協(xié)議45</p><p>　　4. 3.1串—并轉(zhuǎn)換與設備同步45</p><p>　　4. 3. 2串行通信協(xié)議45</p><p>　　4. 4 RS

17、-232標準接口總線及串行通信硬件設計45</p><p>　　4.4.1 RS-232標準接口總線46</p><p>　　4.4.2. RS-232的信號特征46</p><p>　　4. 4. 3電氣特征與電平轉(zhuǎn)換46</p><p>　　4. 4. 4波特率設置47</p><p>　　5 脈沖均

18、勻化插補方法48</p><p>　　5. 1 傳統(tǒng)插補方法及其各軸脈沖波形48</p><p>　　5. 2 脈沖均勻化的插補方法50</p><p><b>　　結 論52</b></p><p><b>　　致 謝53</b></p><p>　　參

19、 考 文 獻54</p><p><b>　　1 綜述</b></p><p>　　1. 1計算機數(shù)控系統(tǒng)的基本概念</p><p><b>　　1. 1. 1概述</b></p><p>　　(1)計算機數(shù)控的基本概念</p><p>　　數(shù)字控制((Numerica

20、l Control)是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術，是用數(shù)字化信息去控制運動及生產(chǎn)過程的一種方法，簡稱數(shù)控(NC)。數(shù)控機床就是采用了數(shù)控技術的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處理聯(lián)盟(IFIP)第五次技術委員會對數(shù)控機床作了如下定義：數(shù)據(jù)機床是一個裝有程序控制系統(tǒng) (數(shù)據(jù)系統(tǒng))的機床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。</p><p>　　隨著計算機技術的發(fā)展，人們將微機應

21、用于機床控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了計算機數(shù)字控制(Computer Numerical Control)機床，簡稱CNC機床。CNC機床是集計算機技術、自動化控制、精密測量和機械學等方面的最新成就而發(fā)展起來的典型的機電一體化產(chǎn)品。是計算機控制在機械中的具體應用，是機械自動化控制的飛躍。</p><p>　　CNC機床與普通機床的主要區(qū)別在于，CNC機床采用專用或通用的計算機控制，系統(tǒng)軟件常駐內(nèi)存，系統(tǒng)加工程序可以輸入到內(nèi)存

22、中。只要改變計算機的控制軟件就可以實現(xiàn)一種新的控制方式。即是將零件加工過程的中的各種操作，以及刀具與工件之間的相對位移，由預先編制的程序輸入到數(shù)控裝置，數(shù)控裝置發(fā)出各種控制指令控制機床，由機床自動加工出所需要的工件。</p><p>　　(2)數(shù)控技術的發(fā)展: </p><p>　　在市場競爭激烈的情況下，高

23、質(zhì)量，高效益和多品種小批量柔性生產(chǎn)方式已是現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的必要條件。傳統(tǒng)的加工設備和制造方法已難以適應市場競爭的要求。因此，自1952年第一臺數(shù)控機床問世到如今的40多年中，以電子信息技術為基礎，集傳統(tǒng)的機械制造技術，計算機技術，成組技術與現(xiàn)代控制技術，傳感檢測技術,信息處理技術,網(wǎng)絡通信技術，液壓氣動技術，光機電技術于一體的數(shù)控技術得到迅速發(fā)展和廣泛應用，使得普通機械逐漸被高效率，高精度的數(shù)控機械所代替，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導

24、致制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。特別是相繼出現(xiàn)的加工中心(MC, Machining Center)，直接數(shù)字控(DNC, Direct Numerical Control)系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)(FMS, Flexible Manufacturing System)，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS, Computer integrated Manufacturing System)，智能制造系統(tǒng)(IMS, Intelligent Manufac

25、turing System)等，進一步說明，數(shù)控技術已成為現(xiàn)代制造技術的基礎，其水平高低和擁有</p><p>　　數(shù)控技術的發(fā)展經(jīng)歷了兩個大的階段。第一數(shù)控階段(1952-1970年)由于早期計算機運算速度低，對于科學記數(shù)和數(shù)據(jù)處理的影響還不大，但不能適應車床實時控制的需要，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路來搭一臺數(shù)控專用計算機為形成數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件數(shù)控(HARD WARE NC)簡稱數(shù)控。隨著元器件由晶體管發(fā)展

26、到了小規(guī)模集成電路。計算機數(shù)控發(fā)展到了它的第二階段(1970--現(xiàn)在)也就是計算機數(shù)控階段。1970年以小型計算機批量生產(chǎn)為標志，進入了計算機數(shù)控階段。因為小型計算機的運算速度比以前有較大幅度的提高。使用小型計算機比專用計算機成本低、可靠性高，于是將它成為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件.隨著計算機技術的發(fā)展計算機數(shù)控也可以分為三個階段:即1970年第四代--小型計算機;1974年第五代--微處理器;1990年第六代--基于PC。</p>

27、<p>　　縱觀現(xiàn)代數(shù)控技術的發(fā)展，經(jīng)歷了直接數(shù)字控制(DNC)到如今的計算機數(shù)字控制(CNC)其主要朝著開放式、智能化、高速度、高精度的方向發(fā)展。 </p><p>　?、匍_放式:基于PC所具有的開放式、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控廠家會走這條路。至少采用PC機作為前端機，來處理人機界面、編程、網(wǎng)絡通訊等問題，而由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控任務。起初CNC在國外如 SIEMEN

28、S和FANUC，它們的產(chǎn)品大多都是基于專用的計算機而不是基于通用的PC或IPC。為了增加其產(chǎn)品的競爭能力，主要是增加其產(chǎn)品與其它廠家產(chǎn)品的兼容性，他們也逐漸向基于通用PC或IPC的方向靠攏。目前日本、美國和歐盟等針對開放式的CNC,在進行前后臺標準的研究。因為有了開放式的基礎，可供利用的軟硬件資源極為豐富。使得數(shù)控功能相應的得到擴充。凡是在PC機上可以運行的軟件如:CAD, CAM,CAPP、工廠級、車間級 生產(chǎn)調(diào)度管理軟件等，在第六代

29、數(shù)控系統(tǒng)中都可以運行。凡在PC機上可以插入的硬件模塊如:網(wǎng)卡、軟盤驅(qū)動器等和可以連上的外部設備如:打印機、掃描儀等，在第六代數(shù)控系統(tǒng)中也都可以接入或接上。同時還使得維修和維護非常容易，所有的備件在市場上都輕易可以買到而且價格也比較便宜。開放式的體系結構使得CNC系統(tǒng)的升級換代比較容易。</p><p>　?、谙蚋咚倩透呔鹊姆较虬l(fā)展。要求數(shù)控系統(tǒng)高速處理并計算出伺服電機的位移量，并要求伺服電機能夠高速地做出反應

30、。為使在極短的時間內(nèi)達到高速度并能夠在高速行程下保持高定位精度，必須具備高加、減速度高精度的位置檢測系統(tǒng)和伺服品質(zhì)。并行計算機的出現(xiàn)為數(shù)控系統(tǒng)向著高速化的方向發(fā)展提供了硬件支持。在并行計算機上可以通過對數(shù)控程序的預先處理，從而使得系統(tǒng)能夠提前了解數(shù)控程序的未來走向，而能夠提前調(diào)整當前的加工速度等參數(shù)，從而能夠使得系統(tǒng)在整個加工過程達到一個最優(yōu)狀態(tài)。為了提高機床的加工速度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度，不同的機床對測量元件測量系統(tǒng)的精

31、度不同，一般情況下，要求測量元件的分辨率在0.0001--0.0lmm之間，運動速度為24m/min。由于位置測量系統(tǒng)的特殊工作環(huán)境，數(shù)控機床對測量系統(tǒng)有如下要求:</p><p>　　A:受溫度、濕度影響小，工作可靠、能長期保持測量精度，抗干擾能力強;</p><p>　　B:在機床部件移動范圍內(nèi)、能滿足測量精度和速度的要求; </p><p>　　C:便于

32、維護和使用;</p><p><b>　　D:成本低。</b></p><p>　?、巯蛑悄艿姆较虬l(fā)展。隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。</p><p>　　A:應用自適應控制技術。數(shù)控系統(tǒng)能夠檢測過程中一些重要的信息并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。</p><

33、p>　　B:引入專家系統(tǒng)指導加工。將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)為職稱，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。當前已經(jīng)開發(fā)出模糊邏輯控制和帶自學習功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　C:引入故障診斷專家系統(tǒng)?，F(xiàn)代通訊技術特別是網(wǎng)絡技術的發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)遠程診斷提供了強大的技術支持。</p><p>　　D:智能化數(shù)控伺服驅(qū)動裝置。可以

34、通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行狀態(tài)。 </p><p>　　E:編程自動化，現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)中大多采用自動編程而非手工。所謂手工編程，意味著編程中的工藝處理、數(shù)學處理、程序單編寫、紙帶穿孔和程序校驗都由人工完成。而在現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)中，自動編程在很大程度上將人工完成的工作交給計算機及其外部設備來完成。這是提高編程效率和質(zhì)量的重要手段，甚至是編制某些程序的唯一的手段。目前，在編程的

35、各項工作中除工藝處理仍由人工來完成外，其余的工作包括數(shù)學處理、編寫程序單、紙帶穿孔、程序校驗等各項工作均已通過自動編程達到了較高的計算機處理程度。相信隨著自動編程語言、數(shù)控工藝技術的成熟，計算機在工藝處理階段必將越來越多的發(fā)揮作用。成功的工藝經(jīng)驗將大量的納入自動編程系統(tǒng)，供用戶選擇甚至代替用戶抉擇，自動編程系統(tǒng)將越來越體現(xiàn)專家色彩。</p><p>　　目前，由于計算機技術在各個領域的滲透和廣泛應用。機械制造工業(yè)

36、正經(jīng)歷著第三次歷史性的技術改造。這次改造的特征是“工廠自動化”。本世紀七十年代中期，各先進工業(yè)國家開始廣泛使用數(shù)控機床和可以自動換刀的加工中心。揭開了第三次技術改造的序幕，這次技術改造包括三個階段。</p><p>　　A:數(shù)控機床與加工中心的廣泛應用，目前已經(jīng)基本結束。</p><p>　　B:柔性制造單元(FMC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)的應用。</p><p>

37、;　　C:計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的應用。</p><p>　　不難發(fā)現(xiàn)無論在第三次技術改造的這個階段，數(shù)控機床都發(fā)揮著舉足輕重的作用，特別是在它的后兩個時期，要求機床有較高的自動化程度以滿足“長時間無人看管”的需要，而具有以上各個特點CNC系統(tǒng)恰恰滿足了數(shù)控技術改造的需要，同時CNC也是數(shù)控技術改造的產(chǎn)物?？梢灶A料隨著第三次數(shù)控技術改造的不斷深入和計算機技術、電子信息技術、網(wǎng)絡技術等的發(fā)展所提供的強大支持

38、，數(shù)控系統(tǒng)的自動化程度也將不斷的提高，而使機械制造業(yè)的面貌發(fā)生更為深刻的變化。</p><p>　　(3)數(shù)控機床的優(yōu)點: </p><p>　　數(shù)控機床在機械制造業(yè)中得到日益廣泛的應用，是因為它有效的解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求，經(jīng)濟效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:</p><p>　?、偕a(chǎn)效益一般比

39、普通機床提高3--5倍，多的可達8--10倍。減少刀具和夾具的存儲和花費，減少零件的庫存和搬運次數(shù)。減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，零件重復精度高，互換性好。</p><p>　　②縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期(當零件設計改變時，只需改變零件程序)，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對市場需要迅速做出響應。</p><p>　　③能加工傳統(tǒng)方法不能加工的大型復雜零件。</p>

40、<p>　?、苡欣诋a(chǎn)品質(zhì)量的控制，生產(chǎn)便于管理。</p><p>　　⑤減輕了勞動強度，改善了勞動條件，節(jié)省人力，降低了勞動花費。</p><p>　　(4)國外在開放性體系結構方面的研究進展</p><p>　?、倜绹腘GC和OAMC計劃</p><p>　　下一代工作站機床控制器<NGC, The Next Gener

41、ation Work-station/Machine Controller)計劃來源于1987年美國總統(tǒng)里根簽署的一項命令旨在推動美國制造業(yè)形成一個廣泛的伙伴關系，以利于同國外競爭。該項目由美國國防制造科學中心(NCMS)與空軍共同領導。由Martin Marietta公司為主承包公司，于1989年開始實施。 </p><p>　　NGC是一個實時加工控制器和工作站控制器，要求適用于各種機床的CNC控制和周

42、邊裝置的過程控制，包括切削加工、非切削加工、測量裝配、復合加工等。</p><p>　　NGC于1994年完成了原型研究，并已轉(zhuǎn)入工業(yè)開發(fā)應用。例如美國的Ford, GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)開發(fā)計劃，定義了系統(tǒng)基石基礎框架，信息庫管理、任務調(diào)度、人機接口、運行控制、傳感器接口等，構成完整體系結構

43、。該計劃的實現(xiàn)將使系統(tǒng)制造廠、機床廠和最終用戶分別從縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費用、便于系統(tǒng)集成和二次開發(fā)、監(jiān)護系統(tǒng)使用和維護等方面受益。又如DELTA, TAU公司利用NGC和OMAC協(xié)議，采用PC機和PMAC控制卡構成的PMAC開放式CNC系統(tǒng)，獲得了良好的應用效果。PMAC卡與PC卡之間有雙端口、總線、串口等信息交換方法,PMAC卡還提供豐富的人機接口、電機控制口，能進行交、直流電機的閉環(huán)控制。</p><p>

44、;　　②歐共體的OSACA計劃</p><p>　　自動化系統(tǒng)中開放式體系結構OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)是1990年由德國、法國、西班牙、意大利、瑞士等歐共體國家系統(tǒng)制造廠、機床制造廠和科研單位聯(lián)合發(fā)起的。該計劃是針對歐盟的機床正從量大的通用機床向量小的專用機床發(fā)展，而CNC通用系統(tǒng)的大部分功能對專用機床

45、冗余、卻不具備專用機床的特殊功能之一現(xiàn)實提出的。其目標是開發(fā)出開放性的CNC系統(tǒng)，允許機床廠對機床修改、補充、擴展、裁減以適應不同用戶的需要。</p><p>　　OSACA計劃提出由一系列邏輯上相互獨立的控制模塊組成開放式數(shù)控系統(tǒng)，這一模塊之間以及它們與數(shù)控平臺之間有良好的接口協(xié)議。OSACA一期工程已于1995年結束，并進入實用階段，目前OSACA計劃的第二期已經(jīng)啟動。</p><p>

46、;　?、廴毡镜腛SEC計劃</p><p>　　OSEC (Open System Environment for Controller)計劃是日本國際機器人和工廠自動化研究中心建立的開放式數(shù)控委員會的倡導下，由3個機床廠、1個系統(tǒng)廠和2個信息公司發(fā)起的。其目的是開發(fā)基于PC平臺的、具有高性能價格比的開放式體系結構的新一代數(shù)控機床</p><p><b>　　(5)發(fā)展前景:&l

47、t;/b></p><p>　　由于機床能和計算機相連，使加工機床具有了真正的柔性，只有操作人員編出相應的程序，計算機發(fā)出指令，機床便可加工出不同類型的零件，完成以前需要幾臺機床完成的工作。而且整個加工過程可通過軟件在計算機上顯示出來，可大大提高加工的正確性和精確度，所以CNC機床具有廣泛的應用前景，隨著計算機技術的日新月異，CNC機床將顯示出無可比擬的優(yōu)越性，成為機械加工的主流。</p>&

48、lt;p><b>　　(6)選題的意義:</b></p><p>　　針對當今計算機數(shù)控技術的發(fā)展，為了進一步縮小我國在數(shù)控方面與當今先進水平的差距，改善數(shù)控教學的現(xiàn)有實驗環(huán)境，填補我院在CNC系統(tǒng)的空白，結合我系的實際情況提出了對我系的現(xiàn)有數(shù)控實驗系統(tǒng)進行改造的想法，以最簡潔的方式解釋數(shù)控概念，以最直觀的操作、演示實現(xiàn)數(shù)控思想。并通過單片機與微機的通信，實現(xiàn)計算機數(shù)控。讓學生理解并掌

49、握數(shù)控方法，為進一步學習數(shù)控知識和數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)打下堅實的基礎。</p><p><b>　　(7)研究方法</b></p><p>　　本系統(tǒng)是一個由單片機組成的步進電機控制系統(tǒng)，能分別控制兩個步進電機，實現(xiàn)平面繪圖功能。開機檢查功能;十進制鍵盤輸入，十進制數(shù)碼管顯示;升降速及快速定位;限位保護;十種速度等級設定;本系統(tǒng)采用模塊設計方法，擴展性和移植性好，操作很方便。

50、可構成一個簡易數(shù)控系統(tǒng)，適用于各類定長(步)及X,Y的定點(位)控制等的控制。如數(shù)控鉆，車床進給，X,Y機器人，定長器等。不需編寫電腦程序，只須幾個簡單的輸入步驟即可完成各種動作?？刂破餍阅?1、可輸入大約80段直線信息或50段圓弧信息;2:步數(shù)(65536步)，正/反轉(zhuǎn):3、速度達10級控制。4、繪制直線和圓弧:5限位保護。</p><p>　　硬件部分:系統(tǒng)單機運行以及與PC機通信。按照從PC機上接收到的信息

51、完成任務。該系統(tǒng)配備了兩套與PC機的通信接口，即并口和串口通信。以實驗條件和方便為宜選擇其一。在單機運行的情況下以十進制BCD拔盤作為輸入設備，既符合人們的認知習慣又簡捷直觀。并配有七段數(shù)碼管顯示，以便在執(zhí)行的過程中顯示運行情況。利用計算機的打印機端口進行并行通信。這種方法與傳統(tǒng)的利用串行口和利用計算機擴展槽的方法有較大的優(yōu)點:電路簡單、數(shù)據(jù)傳輸速度高等優(yōu)點，但傳輸距離短。</p><p>　　軟件部分:以軟件實

52、現(xiàn)插補，送出進給脈沖驅(qū)動步進電機運行，并經(jīng)機械轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為X, Y兩軸的平面直線、圓弧運動，繪出所要求的圖形。探討了一種脈沖均勻插補方法。另外還有系統(tǒng)檢查部分，以檢查電機是否正常。</p><p>　　1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成</p><p>　　1.2.1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成(如圖1-1)</p><p>　　CNC機床一般由輸入/輸出設備，CNC裝置(或稱CNC單

53、元)，伺服電機，驅(qū)動裝置(或稱執(zhí)行機構)，可編程控制器PLC及電器裝置，輔助裝置，機床本體及測量裝置組成。</p><p><b>　?、佥斎?輸出設備:</b></p><p>　　CNC機床在進行加工前，必須接收由操作人員輸入的加工程序，然后才能根據(jù)輸入的加工程序進才加工控制，從而加工出所需的零件。CNC系統(tǒng)中必須具備必要的交互設備，即輸入/輸出設備，除鍵盤，磁盤

54、，磁帶和穿孔帶外，還可以用串行通信的方式輸入。</p><p><b>　?、贑NC裝置:</b></p><p>　　CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心，這一部分主要包括微處理器CPU、存儲器、局部總線，外圍邏輯電路以及與CNC系統(tǒng)其他組成部分聯(lián)系的接口等。其本質(zhì)是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)段插補出連續(xù)的運動軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件(伺服單元，驅(qū)動裝置和機床)，加工出需要的零件。因此

55、，輸入、軌跡插補和位置控制是CNC裝置的3個基本部分(即一般計算機的輸入--決策--輸出3個方面)。而所有這些工作是CNC裝置內(nèi)的系統(tǒng)程序(亦稱控制程序)進行合理的組織，使整個系統(tǒng)有條不紊的進行工作。</p><p><b>　?、鬯欧卧?</b></p><p>　　伺服單元接收來自CNC裝置的進給指令，經(jīng)變換和放大后通過驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)變成機床工作臺的位移和速度。因此

56、伺服單元是CNC和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自CNC裝置的微弱指令信號放大成控制驅(qū)動裝置的大功率信號。根據(jù)接收指令的不同伺服單元有脈沖式和模擬式之分，而模擬式伺服單元按電源種類又可分為直流伺服單元和交流伺服單元。</p><p><b>　?、茯?qū)動裝置:</b></p><p>　　驅(qū)動裝置把放大的指令信號變?yōu)闄C械運動，通過簡單的機械連接部件驅(qū)動機床工作臺，使工作臺精

57、確定位或規(guī)定軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符號圖紙要求的零件。</p><p>　　和伺服單元相對應，伺服裝置有步進電機，直流伺服電機和交流伺服電機等幾種。</p><p>　　伺服單元和驅(qū)動裝置可合稱為伺服驅(qū)動系統(tǒng)，它是機床工作的動力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅(qū)動系統(tǒng)付諸實施，所以，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的主要組成部分。從某種意義上說，如數(shù)控機床功能的強弱主要取決于CNC裝置，而數(shù)

58、控機床性能的好壞主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p>　?、菘删幊炭刂破?PLC ):</p><p>　　可編程控制器是一種以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。它采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破鞫紤子跇嫵梢粋€工業(yè)系統(tǒng)，易于擴展其功能的原則設計。</p><p>　　

59、CNC和PLC諧調(diào)配合共同完成數(shù)控機床的控制，其中CNC主要完成與數(shù)字運算和管理等有關的功能，如零件程序的編輯。插補運算，譯碼，位置伺服控制等，PLC主要完成與邏輯運算有關的一些動作，沒有軌跡上的具體要求，它接受CNC的控制代碼:M(輔助功能)，S(主軸轉(zhuǎn)速)，T(選刀，換刀)等順序動作信息，它還接受機床操作面板的拾令，一方面直接控制機床的動作，另一方面將一部分指令送往CNC用于加工過程的控制。</p><p>

60、<b>　?、迿C床本體:</b></p><p>　　CNC機床中除了由于切削用量大，連續(xù)加工發(fā)熱多等影響加工精度外，并且由于是自動控制，在加工中不像普通機床上那樣能由人工進行補償，所以其設計要求比普通機床更嚴格，制造要求更精密。</p><p><b>　　⑦測量裝置:</b></p><p>　　測量裝置也稱反饋元件，

61、通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，相當于普通機床的刻度盤和人的眼睛，它把機床工作臺的實際位移轉(zhuǎn)變成電信號反饋給CNC裝置，供CNC裝置與指令值比較產(chǎn)生誤差信號以控制機床向消除該誤差的方向移動。</p><p>　　1.3計算機數(shù)控系統(tǒng)的硬件</p><p>　　1.3.1 NC裝置的硬件構成</p><p>　　CNC系統(tǒng)由程序輸入與輸出設備、通信設備、CNC裝置、P

62、LC、伺服驅(qū)動裝置、測量裝置、輔助裝置等組成。其中CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心部分、它由硬件和軟件兩部分構成，軟件在硬件的支持下工作，離開了硬件，軟件便無法工作，因而硬件的構成在很大程度上決定了CNC系統(tǒng)的性能。反之，硬件構成數(shù)控對象所需的CNC功能決定，因而在設計CNC硬件時必須從CNC功能出發(fā)。</p><p>　　下面結合本系統(tǒng)的功能要求給出其硬件結構，如圖1-2所示:</p><p>

63、;<b>　　(1)計算機部分</b></p><p>　　計算機是CNC裝置的核心，主要包括微處理器和總線、存儲器、外圍邏輯電路等。這部分硬件主要是對數(shù)據(jù)進行算數(shù)和邏輯運算、存儲系統(tǒng)程序、零件程序和運算的中間變量以及管理定時和中斷信號等。CPU主要完成信息處理，包括控制和運算兩部分?？刂迫蝿崭鶕?jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能而進行協(xié)調(diào)、組織和指揮工作，既獲取信息，處理信息和發(fā)出命令。包括對零件加工程序輸

64、入輸出的控制，對機床加工現(xiàn)場狀態(tài)信息的記憶控制，保證CNC系統(tǒng)內(nèi)部工作的協(xié)調(diào)。</p><p><b>　　(2)通信電路</b></p><p>　　在整個CNC系統(tǒng)中計算機與單片機的關系是上、下位機的關系。主要的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)控代碼的編譯、插補處理、刀位計算,計算等功能都是由計算機完成的。單片機完成的主要功能是控制步進電機的運動和各種開關量的控制。當計算機完成數(shù)據(jù)

65、處理后，必須將處理后的數(shù)據(jù)傳送給單片機。而單片機也要及時將當前的加工信息回傳給計算機以便計算機更好協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行。使整個系統(tǒng)工作在一個最優(yōu)狀態(tài)。這樣就必須為數(shù)據(jù)在兩者之間的傳送提供一個信息通道。CNC系統(tǒng)中的通信電路就是為完成這一功能而設計的，充當了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?lt;/p><p>　　為了更好的利用PC機所具有的硬件資源，在這里我提出了基于EPP接口的數(shù)據(jù)并行傳輸模式。在現(xiàn)在的大多數(shù)PC機中提供了EPP并行

66、接口，這種接口支持數(shù)據(jù)的雙向傳輸。因為CPP接口只支持數(shù)據(jù)的單方向傳輸--計算機到外圍設備。所以計算機發(fā)出數(shù)據(jù)可以直接通過打印機接口發(fā)出，但單片機回傳的數(shù)據(jù)則不能直接從數(shù)據(jù)線輸入數(shù)據(jù)，而采用EPP并行接口則不存在這個問題。</p><p><b>　　(3)機床控制系統(tǒng)</b></p><p>　　這里所指的機床控制系統(tǒng)是指機床的刀具控制系統(tǒng)。包括CNC系統(tǒng)的插補電路

67、、脈沖的功率放大電路等。</p><p><b>　　(4)伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　主要是步進電機或伺服電機，在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中大多采用步進電機。主要功能是帶動刀具或工作臺運動。</p><p>　　1.3.2增強并行口EPP (Enhanced Parallel Port)</p><p>　　(1)并行

68、口的發(fā)展和EPP的優(yōu)勢</p><p>　　目前大多數(shù)PC機都提供了打印機適配器。打印機適配器是由中、小規(guī)模的IC芯片用硬線連接而成，為我們提供了一個了解用非可編程元件構成接口電路的典型實例。另外PC/XT,AT機所配置的打印適配器還可以作為其他并行的控制端口使用。</p><p>　　打印機適配器的作用是將PC機總線與打印機CENTRONICS標準總線的不同信號進行轉(zhuǎn)換，建立對應的適配關

69、系。因此它一側(cè)與PC系列I/0總線連接，另一側(cè)與打印機CENTRONICS標準的36或25針插座相連。由數(shù)據(jù)鎖存器(74LS274)、命令鎖存器(74LS174)、和狀態(tài)信號緩沖器(74LS240)，分別構成適配器的數(shù)據(jù)口、命令口和狀態(tài)口。總線收發(fā)器(74LS245)負責對數(shù)據(jù)、命令、狀態(tài)口的輸入、輸出?？梢娺@個接口電路的輸出有鎖存能力、輸入有緩沖能力。譯碼器對74LS155對系統(tǒng)的地址線讀寫控制信號譯碼，產(chǎn)生選通信號，以實現(xiàn)對CPU對

70、各鎖存器和緩沖器的訪問，進行讀寫操作。 </p><p>　　利用微機的標準串、并口進行數(shù)據(jù)采集、控制和通信等是微機應用者所關心的問題。過去通常采用傳統(tǒng)的標準并行口或RS-232來完成數(shù)據(jù)采集、控制和通信，其速度和靈活性受到了很大的限制。這是因為RS-232通信速率較低而且RS-232采用負邏輯約定，給使用帶來很大不便;而用標準并行口進行數(shù)據(jù)采集時，由于數(shù)據(jù)線是單向的，因而不得不用狀態(tài)線來完成數(shù)據(jù)的輸入(狀態(tài)

71、線可用端口只有5位)，最后還得進行字節(jié)或字的拼接，這樣既增加了程序的復雜性又使得它不可能取得較高的數(shù)據(jù)傳輸率。</p><p>　　在第一臺PC機上，并行口已經(jīng)是標準設備，它幾乎成了“打印口”的代名詞，因為并行口最初只是為打印輸出而設計的，數(shù)據(jù)流向是單方向的，從PC機到打印機，只有少數(shù)的并行口控制信號能雙向傳輸，這種并行口(即現(xiàn)在的標準并行口SPP)的傳輸速率為50~~150Kbps/S。IBM公司在推出第一臺P

72、C機后重新考慮了原設計，引進了PS/2設計，開始支持雙向操作，這種雙向操作不改變信號的定義，也不改變引腳功能或其它方面，PS/2并行口與標準并行口兼容。</p><p>　　微機標準并行口SPP的局限性限制了并行口在高速通信、控制和數(shù)據(jù)采集等方面的進一步應用。為此，Intel、Xircom和Zenith等公司發(fā)起制定了EPP（Enhanced Parallel Port)——增強并行口協(xié)議及以后的IEEE1284

73、標準，極大改善了PC機并行口的數(shù)據(jù)傳輸能力，使得利用并行口的數(shù)據(jù)傳輸率接近標準PC內(nèi)部ISA總線的傳輸率。此外，還有功能更強的ECP (Extended Capability Port)協(xié)議，它除具有EPP的特點外，還具有DMA等功能。</p><p>　　EPP有兩個標準:EPP1.7和EPPl.9，這兩個標準在設備操作上有些差別，即如果執(zhí)行EPPI.7標準，不論WAIT信號的狀態(tài)如何，DATASTB和ADDR

74、STB均可被確認并開始一個周期;而EPP1.9只有當WAIT為低電平時才可開始一個周期。EPP的典型傳輸速率為500K~~2MBPS/S。應用時，僅需在PC機的BIOS setup中將并行口設置成EPP方式即可。本系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集選用了增強并行口EPP方式。</p><p>　　(2) EPP并行口: </p><p>　　最初的計算機并行口只是為打印機設計的，數(shù)據(jù)只是單向傳輸。

75、IBM公司引進了PS/2設計后，并行口才開始支持雙向的數(shù)據(jù)傳輸，但是PS/2接口并沒有成為一個業(yè)界廣泛認可的雙向并口模式。1992年，由Intel、 Xircom和Zenith公司共同制定了EPP1.7標準。以后IEEE又發(fā)展了IEEE1284的EPP標準。實際上EPP的標準共有三個，即EPP1.7、 EPP1.9和EPP1284，這些標準并不完全兼容，特別是EPPl.7和EPP1248之間，不過這對用戶的使用并沒有多大的影響。文獻【1

76、】即是IEEE1284標準，其中詳細規(guī)定了并口各種模式的時序圖，包括SPP、 PS/2、 ECP和EPP模式。作者根據(jù)IEEE1284標準設計而計算機提供的EPP版本是EPPl.7或EPP1.9，實際的使用中它們并沒有不匹配的地方。</p><p>　　(3)用EPP接口擴展ISA接口的總體設計:</p><p>　　當前大多數(shù)計算機主板上都提供了2-3個ISA插槽，可以擴充一些ISA插件

77、。大多數(shù)基于ISA標準的微機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)都只用到了ISA接口的數(shù)據(jù)線、地址線、AEN, ALE, #IOR, #IOW等信號。只要了解這些信號的時序關系我們完全可以設計自己的ISA接口。ECP和EPP都能進行高速雙向數(shù)據(jù)通信，但是ECP的實現(xiàn)要比EPP復雜的多，其性能和EPP相比差不多。在大多數(shù)應用系統(tǒng)中采用的是用專門的單片機或PLC來擴展ISA接口。而在本系統(tǒng)中不采用這兩種方法，而是采用Intel公司的專用并行接口8255來實現(xiàn)。

78、連線如下所示:用EPP接口來擴展ISA總線的核心在這里就是用可編程并行接口和EPP接口所提供的信號相互配合來產(chǎn)生和單片機的操作時序想匹配的時序。就是在本系統(tǒng)中我們采用了專門的單片機的CPU來處理和計算機的數(shù)據(jù)通信。將單片機MPU8051的PA口經(jīng)過緩沖器和可編程并行接口8255的A端口相連。通過中斷的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入。其中中斷信號的產(chǎn)生是由可編程并行接口8255的C端口與A端口之間的邏輯關系實現(xiàn)的，8255的時序關系如下圖所示，通過查

79、詢方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。因為單片機是一種單任務的</p><p>　　(4)計算機與單片機的通信</p><p>　　因為在整個CNC系統(tǒng)中計算機與單片機的關系是上、下為機的關系。主要的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)控代碼的編譯、插補處理、刀位計算、速度計算等功能都是由計算機完成的。單片機完成的主要功能是控制步進電機的運動和各種開關量的控制。當計算機完成數(shù)據(jù)處理后，必須將處理后的數(shù)據(jù)傳送給單片機。單片機也

80、要及時將當前的加工信息回傳給計算機以便計算機更好協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行。使整個系統(tǒng)工作在一個最優(yōu)狀態(tài)。這樣就必須為數(shù)據(jù)在兩者之間的傳輸提供一個信息通道。CNC系統(tǒng)中的通信電路就是為完成這一功能而設計的。充當了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?lt;/p><p>　　從EPP接口的數(shù)據(jù)寫時序和8255的輸入時序可以看到EPP所發(fā)出的數(shù)據(jù)選通信號的脈沖寬度為1~~500us而8255所要求的數(shù)據(jù)寫入的選通信號的脈沖寬度為最小500us。從而

81、可以將EPP發(fā)出的數(shù)據(jù)選通信號與8255的A端口的數(shù)據(jù)輸入選通信號直接相連因為8255的A端口的特性具有數(shù)據(jù)輸入鎖存器和數(shù)據(jù)輸出的鎖存器/緩沖器并且它們的電平都與TTL電平兼容。所以可以將EPP的數(shù)據(jù)線和8255的A端口直接相連對于計算機輸入數(shù)據(jù)也采取同樣的辦法。</p><p><b>　　2.步進電機</b></p><p>　　2.1經(jīng)濟型數(shù)控機床特點：<

82、/p><p>　　價格低廉和功能簡單，具體如下：</p><p>　　(1)無帶控制:經(jīng)濟型數(shù)控多采用鍵盤或磁帶輸入程序，一般不用穿孔紙帶，因而稱為無帶數(shù)控。</p><p>　　(2)價格低廉:經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的價格是全功能數(shù)控的1/3~~1/10。具體來說，兩坐標經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的價格上漲(包括伺服系統(tǒng)和電機)，根據(jù)不同功能和種類，大致為1~~2萬元左右。</p&

83、gt;<p>　　(3)編程簡單：一般采用面向操作人員的規(guī)格化軟件編制加工程序，易學易懂，便于掌握。目前已使用符合數(shù)控標準的程序格式，用ISO代碼編程，直接靈活便于檢查。</p><p>　　(4)功能簡化：保留基本功能。針對性強，能滿足一般加工精度的要求。如車床、鉆床和銑床，可精加工及半加工直線、圓弧及螺紋類零件，可控坐標1~~3個。</p><p>　　(5)數(shù)控裝置體積

84、小:鑒于經(jīng)濟型數(shù)據(jù)的特點，它特別適合于形狀簡單的中小批量、多品種零件輪番生產(chǎn)?？梢蕴岣吖ば?~~5倍，同時可降低工人勞動強度，且被加工零件尺寸一致良好，合格率也高。使用經(jīng)濟型數(shù)控機床投資少，見效快，基本上可作到當年投資當年可收回成本。</p><p>　　2. 2經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的種類</p><p>　　按拖動方式來分，現(xiàn)有的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)有如下三類:</p><p&g

85、t;　　(1)步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　這類系統(tǒng)比較簡單，價格上漲最便宜，可以用于小型車床、洗床和線切割機床，如圖2-1是常見的兩坐標經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的組成框圖。系統(tǒng)軟件固化在單片機的存儲器中加工程序可通過鍵盤或磁帶機輸入，經(jīng)系統(tǒng)軟件進行編輯處理后輸出一個系列脈沖，再經(jīng)光電隔離，功率放大后去驅(qū)動兩臺步進電機，分別控制機床兩個方向的運動，完成位置、軌跡和速度的控制。根據(jù)需要，微機可通過繼電器電路，實

86、現(xiàn)對諸如主軸起停、變速、各種輔助電機起停、刀架轉(zhuǎn)位、工件夾緊松開等動作的自動控制，使整個加工過程自動進行。</p><p>　　單片機控制步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)具有價廉，技術成熟等優(yōu)點，因而使用較多。但這種系統(tǒng)存在拖動力矩小，過載能力差、速度偏低，精度不夠高及其價格隨力矩增加成指數(shù)上升等缺點。為此，選用時要注意在適當?shù)姆秶鷥?nèi)的發(fā)揮其優(yōu)勢。一般主要適用于拖動力矩小于15NM的小型機床，如C616,C168,C620

87、,C6140等普通車床。對于轉(zhuǎn)矩要求大、功能要求多的機床(如銑床、鏜床、鉆床及鏜銑床)和高精度機床(如坐標銑床)就難于使用，需要開發(fā)與其適應的其它經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　(2)電磁離合器切換的控制系統(tǒng)</p><p>　　這類系統(tǒng)可用直流電機或交流異步電機拖動，電磁離合器切換，以光柵盤、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應同步檢測反饋。該系統(tǒng)的拖動功率主要取決于電磁離合器額定轉(zhuǎn)矩，一般在0~~5

88、0NM左右。可用于中小型機床車削階梯軸、銑削階梯形零件、鉆削坐標孔等加工。</p><p>　　(3)直流伺服電機拖動的控制系統(tǒng)</p><p>　　這類系統(tǒng)有良好的調(diào)速性能，并有大轉(zhuǎn)矩、高效率和高精度等特點。額定力矩為21NM的直流伺服電機及其控制系統(tǒng)的價格與相同力矩的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的價格相當。前者有優(yōu)越的價格性能比，系統(tǒng)的性能范圍較廣，無噪音、精度高、過載能力強，是經(jīng)濟型數(shù)控中的高檔

89、產(chǎn)品。</p><p>　　2. 3步進電機的工作原理及特性</p><p>　　步進電機如同普通電機，有轉(zhuǎn)子、定子和定子繞組分若干相，每相的磁極上有極齒，轉(zhuǎn)子在軸上也有若干個齒。當某相定子繞組通以直流電激磁以后，便能吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子上的齒與定子的極齒對齊，因此，它是按電磁鐵的作用原理進行工作的，在外加電脈沖信號的作用下一步一步的運轉(zhuǎn)，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移的機電原件。<

90、/p><p>　　步進電機的定子可以作成三相或四、五、六相甚至于八相。相繞組可以按單拍或雙拍方式通電。當步進電機的定子繞組為m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z，通電方式系數(shù)為k時，每輸入一個脈沖電信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步矩角，用a0表示則有</p><p>　　a0=3600 /mZk</p><p>　　單拍通電時k=1,雙拍通電時k=2。</p><p>　

91、　步進電機工作的基本特點可以歸納如下:</p><p>　　A:步進電機受脈沖電流的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和角速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電順序，便可獲得所需要的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。</p><p>　　B:維持控制繞組的電流不變，電機便停在某一位置不動，即步進電機有自整角能力，不需要機械制動。</

92、p><p>　　C:有一定的步距精度，沒有累積誤差。</p><p>　　D:步進電機的缺點是效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當量(步距角)不能太小，調(diào)速范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過1800Hz.</p><p>　　無脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下，氣隙磁場使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。步進電機具有獨特的優(yōu)點，作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，往往可以使系統(tǒng)簡

93、化、工作可靠，而且獲得較高的控制精度。因而成為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一種主要的伺服元件。在工業(yè)上尤其是用作狀態(tài)伺服元件、狀態(tài)指示元件、位置控制和速度控制元件。</p><p>　　2. 4步進電機的分類</p><p>　　(1)步進電機按工作原理不同可分為:</p><p>　?、偌ご攀?電機定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。</p><p&

94、gt;　?、诜磻?轉(zhuǎn)子無繞組，定子繞組勵激后產(chǎn)生反應力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。反應式步進電機有力矩/慣性比高、頻率響應決、結構簡單和壽命長等優(yōu)點。這是我國主要發(fā)展的類型，已于70年代末形成完整的系列，有較好的技術性能指標。</p><p>　　③混合式 (即永磁感應子式)它與反應式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。反應式電機 轉(zhuǎn)子無磁鋼，輸入能量全靠定子勵磁電流供給，靜態(tài)電流比永磁式大許多。永磁感應式具有驅(qū)動電流小、效

95、率高、步距角小，起動和運行效率高、不通電有定位轉(zhuǎn)矩、過載能力強等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的步進電機，近年來已得到日益廣泛的應用。</p><p>　　(2)按輸出轉(zhuǎn)矩大小:</p><p>　?、倏焖俨竭M電機:輸出扭矩一般為0.074 NM，控制小型精密機床的工作臺(如線切割機床)。</p><p>　?、诠β什竭M電機:輸出扭矩一般為5~~40NM?？芍苯域?qū)動機床移

96、動部件。</p><p>　　(3)按勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多步距角越小，但結構越復雜。(4)按定子排列方式可分為:</p><p>　　①多段(軸向式) 定子各相按軸向依次排列。</p><p>　?、趩味?徑向式) 定子各相在圓周依次排列。</p><p>　　2. 5步進電機的主要技術指標與特性</p&

97、gt;<p><b>　　(1)步距角</b></p><p>　　a0=3600 /m Z k(參數(shù)意義同上)</p><p>　　步距角的大小體現(xiàn)了系統(tǒng)能夠達到的分辨能力。常用的反應式步進電機的步距角在36~~3度，還與步進電機的啟動頻率和工作頻率有關，步距角小，工作頻率高時，轉(zhuǎn)速不一定高。</p><p>　　(2)靜態(tài)步距

98、角誤差△θ</p><p>　　△θ是指步進電機空載時，每步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差。以角度單位或理論步距角的百分數(shù)表示。</p><p><b>　　(3)精度</b></p><p>　　通常指的是最大步距誤差和最大累積誤差，步距誤差是空載運行一步的實際轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定值和理論值之間的最大值。累積誤差是指，從任意位置開始，經(jīng)過任意步后實際的

99、角位移與理論角位移之差。從使用角度看，對多數(shù)的情況來說，用累積誤差來衡量精度比較方便。</p><p>　　由于步進電機轉(zhuǎn)過一圈后，轉(zhuǎn)子的運動有重復性，誤差不累積，所以精度的定義可以認為是在一圈范圍內(nèi)，任一步之間轉(zhuǎn)子角位移誤差的最大值。</p><p>　　(4)最大靜轉(zhuǎn)矩Mmax</p><p>　　所謂靜態(tài)是指步進電機的通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子保持不動的定位狀態(tài)。&l

100、t;/p><p>　　靜轉(zhuǎn)矩即是步進電機處于定位狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩，它是繞組內(nèi)電流和失調(diào)角的函數(shù)。失調(diào)角就是在定位狀態(tài)下，如果在轉(zhuǎn)子軸上加一負載使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度θ并能穩(wěn)定下來，這時轉(zhuǎn)子上受到的電滋轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩即靜轉(zhuǎn)矩，角度θ稱為失調(diào)角。對應于某失調(diào)角時，靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Mmax一般來說，Mmax大的電機，負載轉(zhuǎn)矩也大。</p><p>　　(5)最大起動轉(zhuǎn)矩Mst&

101、lt;/p><p>　　只有在外加的轉(zhuǎn)矩小于Mst時能啟動。</p><p>　　該性能表示步進電機啟動時的負載能力0電機相數(shù)越多，步距角越小，相鄰兩相的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線的交點越高，Mst也越大。</p><p><b>　　(6)啟動頻率fq</b></p><p>　　空載時，轉(zhuǎn)子由靜止狀態(tài)不失步地起動的極限頻率稱為起動頻率

102、或突跳頻率，用fq表示。fq的大小與驅(qū)動電路和負載大小有關，負載包含負載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)動慣量兩個方面的含義。隨著負載慣量的增加，起動頻率會下降。若除了慣性負載外，還有轉(zhuǎn)矩負載，則起動頻率將進一步下降。</p><p>　　(7)連續(xù)運行頻率fc和矩頻特性</p><p>　　圖2-2矩頻特性曲線圖</p><p>　　運行頻率連續(xù)上升時，電機不失步運行的最高頻率稱為連

103、續(xù)運行頻率fc，它的值也與負載有關。很顯然在同樣負載下，運行頻率f c遠大于起動頻率fq在連續(xù)運行狀態(tài)下，步進電機的電磁力矩將隨頻率的升高而急劇下降，這兩者之間的關系稱為矩頻特性，是步進電機十分重要的特性指標。增加步進電機通電方式的節(jié)拍，適當加大功率開關電路的集電極電阻及提高電源電壓是改善矩頻特性的有效途徑。</p><p>　　(8)額定電壓 指加在步進電機各相繞組回路的直流電壓.GB113—81 《反應式

104、步進電機》規(guī)定步進電機的額定電壓應為</p><p>　　單電壓驅(qū)動:6, 12, 27, 48, 60, 80V;</p><p>　　雙電壓驅(qū)動:60/12, 80/12。</p><p><b>　　(9)額定電流</b></p><p>　　在額定電壓作用下，電機靜止不動，按規(guī)定的運行方式通電時，各通電相的穩(wěn)定電

105、流值。</p><p>　　(10)轉(zhuǎn)動慣量 指在空載時使電機產(chǎn)生單位角加速度所需要的轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)動慣量影響到步進電機的動態(tài)響應。</p><p>　　2.6步進電機的控制方法</p><p>　　數(shù)控機床中采用的功率步進電機有三相、四相、五相等。工作方式有單m拍，雙m拍、三m拍及2*m拍等m是電機的相數(shù)。所謂單拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)為m;雙拍是指每拍同時

106、有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)m為;三m拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)m拍，2*m拍是各拍既有單相通電，如表2—1所示。也有兩相或三相通電，通常為1——2相通電或2——3相通電，循環(huán)拍數(shù)為2*m 一般電機的相數(shù)越多，工作方式越多。若按表中相反的順序通電，則電機反轉(zhuǎn)。通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等有很大的影響，如圖2—3所示。步進電機相數(shù)也對電機的運行性能有很大影響力。為提高工作效率步進電機輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用

107、多相步進電機，并采用2*m拍工作方式。但雙m拍和2*m拍工作方式功耗比單m拍的大。</p><p>　　2.7 步進電機的控制系統(tǒng)</p><p>　　由于步進電機采用脈沖方式工作，且各相需按一定規(guī)律分配脈沖，因此，在步進電機控制系統(tǒng)中需要脈沖分配邏輯和脈沖產(chǎn)生邏輯。脈沖的多少由控制對象運行軌跡計算而得，因此還需要插補運算器。數(shù)控機床所用的功率步進電機要求控制驅(qū)動系統(tǒng)必須有足夠的驅(qū)動功率，

108、所以還要求有功率驅(qū)動部分。為了保證步進電機不失步地起停，要求控制系統(tǒng)具有升降速控制環(huán)節(jié)。除了上述各環(huán)節(jié)之外，還有和鍵盤、紙帶閱讀機、顯示器等輸入、輸出設備的接口電路及其它附屬環(huán)節(jié)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，還有檢測元件的接口電路。</p><p>　　在早期的數(shù)控系統(tǒng)工程中，上述各環(huán)節(jié)都要由硬件完成。但目前的機床數(shù)控系統(tǒng)，由于采用了小型和微型計算機控制，上述許多環(huán)節(jié)如升降速控制、脈沖分配、脈沖產(chǎn)生、插補運算等都可以由計算