简易数控系统综合实验指导书.docx

简 易 数 控 系 统 综 合 实 验 指 导 书目 录一、实验目的与要求二、实验任务三、步进电机的工作原理四、插补的实现A)数控机床任务控制刀具或工件的运动轨迹B)逐点比较法直线插补C)逐点比较法的圆弧插补五、硬件分析六、思考题七、参考书一、 实验目的与要求通过简易数控机床综合实验，了解数控机床的工作原理和步进电机控制方法，培养学生综合应用已学过的理论知识，自己动手解决工程应用问题的能力。1、 熟悉简易数控机床结构，掌握步进电机控制原理和方法，分析计算机接口电路。2、 掌握插补算法，简化四个象限的直线和原弧插补算法;3、 用单片机C语言实现直线和圆弧的插补;二、 实验任务1) 软件设计用逐点比较法编写出直线插补和圆弧插补程序，以及机床的驱动程序。2) 硬件设计I/O板的设计3) 写实验报告本试验是用一台微机控制二坐标的数控机床，数控机床是通过步进电机拖动。如图1，因此，本试验的重点就是让学生了解：A) 步进电机的工作原理; B) 数控机床中的插补实现; C) 微机与数控机床的接口：I/O板的设计。以下对三个方面逐一介绍。电脑下载程序线步进电机主控制板X Y轴移动丝杠图1 简易数控系统构成图D) 实验报告格式：1.实验的要求与目的2.实验任务3.步进电机工作原理(简述)4.插补原理(分为直线和圆弧)5.实验程序所附的程序要求写清楚：a.各函数功能描述注释在程序中的函数声明处。b.函数中的各个变量作用注释在程序中变量后面。c.主函数坐标点依照所给定坐标点，不得相互抄袭。d.做直线插补的同学增加一道指导书后面作业题。e.程序外的文字不得少于5000字。源程序交老师检查。三、 步进电机的工作原理步进电机是工业控制及仪表中的重要执行元件之一。在数控方面应用尤其广泛是因为：步进电机精度高，可以实现快速启停，并且能够接受数字量。因此，在我国近年来发展的经济性数控机床中得到了广泛应用。步进电机的结构原理如图2。可以看出步进电机的定子上有六个等分通电磁极：A、A、B、B、C、C，相邻的磁极夹角为60,相对的两个磁极为一组，这种结构称为三相(AA、BB、CC)电机。每个磁极上有五个均匀分布的矩形小齿，相邻两个小齿之间的夹角为9。当某一相绕组有电流流过时，该相绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极。步进电机的转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个小齿的夹角也为9。图2 单定子径向相反应式伺服步进电机结构原理图当A相绕组通电时，转子齿和定子A相的五个小齿对齐，由于A相磁极与B相磁极相差120，又因为，不为整数，因此，转子上的小齿在与A相磁极上的小齿对齐时，就无法与B相上的小齿对齐，转子的13个齿和B相齿中心线相差个齿，也即只有3。这时若A相绕阻断电，B相绕组通电，C相仍不通电，则B相磁极会迫使13个齿与其中心线对齐，于是转子逆时针转动了3，也就是相当于电机走了一步。同理，若B相断电，C相通电，转子又会逆时针转动个齿，即转动3。若按照ABCA的顺序依次通电，步进电机就会逆时针方向一步一步的转动。每一相绕组通电，转子就会转动3，这个角度就称为步距角。相反，若按ACBA的顺序依次通电，步进电机则按相反方向运动。由上可见，步进电机就是靠三对绕组轮流通电转动的。由于微机的输出控制电压信号非常微弱(最高电压5V，最低电压0V)，电流也非常小(即功率较小)，而电机相比控制器所需功率较大，因此在控制器输出动作控制信号的后面，绕组需要驱动电源放大控制信号，无法直接驱动步进电机。本实验中的步进电机的驱动电压是直流24V，也就是说从微机中输出的电压信号必须经过放大电路放大为24V后才可以驱动步进电机。因此每相绕组都有一独立的驱动电路。本实验是用一功放板把微机输出的控制信号加以放大，再加至步进电机的三相绕组上。转动方向的控制：步进电机的转动方向与三相绕组的通电顺序和通电方式有关。通常可用以下三种方式通电：通电顺序为单三拍ABCA双三拍ABBCCAAB三相六拍AABBBCCCAA(注：AB是指AB两相同时通电)按上述三种方法并顺序通电，步进电机正转;若按相反的顺序通电，步进电机反转。通过固定的线路把这些要求固化一个模块中，模块称为环形分配器，其针对某种步进电机，输入为方向信号和脉冲数，输出为依照方向信号分配脉冲，而脉冲是经过功率放大的，直接驱动电机依照方向和脉冲数目运动。步进电机的控制信号是由微机发出，为了控制两个轴的步进电机，故需用六根信号线从微机引出。有因为每个地址口可以控制一个八位二进制信息，故两个步进电机的控制可以用一个地址口。数控机床的简单分析，也就可以视为由微机控制电机的运动，由电机拖动不同坐标轴，从而加工出各种曲面。因此我们就必须明白：一、步进电机的旋转方向，从而按顺序发出控制脉冲;二、判断步进电机是否走完所要求的步数。这两方面的控制也就是插补的实现。本工作台使用集成芯片，各轴依照所给方向信号按顺序给各极分配脉冲，只要给出脉冲和方向信号即可，无需逐极分配脉冲。四、 插补的实现A) 数控机床任务控制刀具或工件的运动轨迹在绝大多数情况下，这些运动轨迹又是平面曲线，而这些曲线一般都可以采用一小段直线或圆弧来拟合，就可以满足精度，这种拟合的方法就是插补。从目前我国的情况来看，最常用的一种插补方法就是逐点比较法。它可以用来实现直线插补、圆弧插补和非圆二次曲线插补，这种插补方法的精度较高。当然还有一些其他的插补方法，如：数字积分法，比较积分法DDA等插补方法。在本实验中，我们就采用逐点比较法来实现插补。顾名思义，逐点比较法就是每走一步就将加工点的瞬时坐标与规定的曲线轨迹相比较，判断一次偏差，然后决定下步的走向：如果加工点走到曲线外面去了，那么下一步就要向曲线里面走;如果加工点在曲线里面，则下一步就向曲线外面走，以缩小偏差。这样就得出一个非常接近规定曲线的轨迹，而且，最大偏差不会超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都要有以下四个步骤：i. 偏差判别：判别偏差情况，确定加工点在曲线里面还是外面;ii. 坐标进给：根据偏差情况，控制X轴或Y轴进给一步，使加工点向规定曲线靠拢，缩小偏差;iii. 偏差计算：根据移动后的坐标，计算新加工点与规定曲线的偏差，作为下一步偏差判别的依据;iv. 终点判别：根据移动后的坐标，判定是否到达终点。如果未到，继续插补;如果到终点就停止插补。逐点比较法的工作流程图如图2：B) 逐点比较法直线插补如上所示，偏差计算是逐点比较法的关键。下面以第一象限为例导出其偏差计算公式：开始插补偏差判别坐标进给偏差计算终点判别插补结束图 3 逐点比较法的工作流程图假定直线OA的起点为坐标原点，终点A的坐标为，为加工点坐标。若P点刚好在直线上，那么下式成立： 即 若任意点在直线OA的上方，那么则下式成立 即 若任意点在直线OA的下方，那么则下式成立 即 由此可以取偏差判别函数，由的数值(称为偏差)就可以判别加工点与直线的关系：当，点在直线上方;当，点在直线下方;当，点在直线上。未到终点到达终点是初始化：终点和当前运动点X轴正方向走一步计算新的加工点坐标计算终点判断结束Y轴正方向走一步图 4 第一象限直线插补编程流程图对于起点在原点，终点为的第一象限的直线OA，当点P在直线上方时，应该向x轴正方向走一步，以接近直线;当点P在直线下方时，应该向y轴正方向走一步，以接近直线;当点P在直线上时，即可以向x轴正方向走一步，也可以向y轴正方向走一步。通常为了加快处理速度和编程方便将和归于一类，即当时，向x轴正方向走一步。就这样，从坐标原点开始走一步算一下，判别，再走一步，逐点接近直线OA，当两个方向所走的距离与终点坐标相等时，发出终点到达信号，停止插补。第一象限直线OA的插补的程序实现流程图如图3：C) 逐点比较法的圆弧插补我们仍以第一象限某段逆圆弧的加工为例导出插补公式：设要加工圆弧半径为R，以原点为圆心，起点坐标为，终点坐标为，对于圆弧上任意加工点的坐标为，P点与圆心的距离的平方和为：，下面讨论加工点的偏差：若点在圆弧上，则当前半径与给定半径一致： = 类推，若点在圆弧外，则P点半径，即：若点在圆弧内，则P点半径，即：将上面各式分别改写为以下形式： (P在圆弧上) (P在圆弧外) (P在圆弧内)取加工点偏差判别函数，若在圆弧外或圆弧上，即满足时，应向x轴负方向走一步，以逼近圆弧;若在圆弧内，即满足时，应向y轴正方向走一步，以逼近圆弧，减少误差。第一象限顺圆弧加工的程序实现流程图与直线加工流程图相似，请同学自己做。五、 硬件分析为了把编好的控制命令传输至步进电机，也即让步进电机接收到正确的控制命令，就必须做好微机与步进电机之间的接口电路，也即控制系统的设计。l 实验用控制芯片AT89S51:AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其功能和提点如下其兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,含有40个引脚;片内集成了通用8位中央处理器;128字节的随机存取数据存储器(RAM);32个外部双向输入/输出(I/O)口(4字节);2个外部中断源，5个中断优先级并含2层中断嵌套中断;2个16Bit(位)可编程定时计数器,2个全双工串行通信口;看门狗(Watch Dog Timer)电路;片内时钟振荡器; 4.5-5.5V大范围供电工作电压,低功耗空闲和省电模式;时钟频率0-33MHz;全双工UART串行中断口线,中断唤醒省电模式;含4K字节ISP(In-system programmable在线可编程)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,灵活的ISP字节和分页编程功能,软件设置空闲和省电功能;双数据寄存器指针。l 主控系统，如图5：电源插口LED显示区X Y轴脉冲分配放大驱动模块按键区51单片机通讯控制芯片电容与晶振图5 主控板元件分布与功能说明主控系统包括微处理器(单片机)AT89S51和相应的晶振电路，包含一个12MHz的石英晶振和两个30pf的振荡电容，由此可以推算出单片机的机器周期为1s。上电复位电路采用典型阻容延时电路，保证上电复位基本要求。l 输出电路：1.步进电机驱动电路：步进电机是由P2口控制输出脉冲，经过集成的脉冲分配器放大并确定方向后输出给电机工作。2.LED(Light Emitting Diode/发光二极管)输出：在P0口设计了8个LED，可以尝试编程控制按键和LED的配合亮灭，注意每个LED串联一个电阻器，考虑其作用是什么。l 硬件电路设计制作流程，如图6图6 电路硬件设计制作调试流程图手工绘制模块图：单片机联结外围所需电路模块，如电源，通信，输出，输入等。绘制电路原理图：使用原理图绘制软件如Protel系列软件中SCH模块或OrCAD软件等，绘制完成后使用仿真软件Multisim，Proteus或Electronic Workbench等仿真验证，修改原理图直到仿真通过。转换PCB（Printing Circuit Board）：仿真通过后，使用如Protel系列软件中PCB模块、PowerPCB、Allegro SPB16、PADS等软件把原理图转换为PCB并调整元件在PCB上的相互关系、连接线宽度、定位和操作方便与否确定板上元件的位置布局（Layout）。加工制作：使用涂层拍照腐蚀方式蚀刻电路，数控钻床加工走线过孔和定位孔。焊接调试：PCB板加工好后焊接元件并通电调试，调试出现问题返回原理图或PCB图修改。六、 思考题1、 推导各个象限直线(起点为原点，终点为不同象限的点)的插补算法流程。并填空：i.一象限直线：当前在线上和在线中X正一步，否则(即在线下)Y正一步. (在线上和线中是由确定，相反在线下由确定)ii.二象限直线：当前在线上面和在线中间为_ _一步，否则(在线下)_ _一步iii.三象限直线：当前在线上面和在线中间为_ _一步，否则(在线下)_ _一步iv.四象限直线：当前在线上面和在线中间为_ _一步，否则(在线下)_ _一步2、 推导四个象限内顺圆和逆圆(圆心为原点)的插补算法流程。并填空：i.一象限逆圆：坐标值在圆上和圆外为X负一步，否则(在圆内)Y正一步. (在圆外和圆上由确定，圆内由确定)ii.二象限逆圆：坐标值在圆上和圆外为_ _一步，否则(在圆内)_ _一步.iii.三象限逆圆：坐标值在圆上和圆外为_ _一步，否则(在圆内)_ _一步.iv.四象限逆圆：坐标值在圆上和圆外为_ _一步，否则(在圆内)_ _一步.v.进而推导出各象限顺圆应如何逐点比较插补。3、 推导任意直线(跨象限)和圆弧(跨象限)的插补算法。(提示：把直线或圆弧的起始点移动到原点，然后参考2题结论)4、 如何改变步进电机的速度和提高其运动精度？5、 试比较开环、闭环伺服系统的优缺点。6、 设计一步进式开环伺服系统，已知系统选定的脉冲当量为0.03mm/脉冲，机床丝杠与工作台以螺杆螺母传动，螺杆的