简易数控系统综合实验指导书

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。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。电脑下载程序线步进电机主控制板X Y 轴移动丝杠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、B B 、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，31920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，31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：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 ，),(eyx为加工点坐标。若 P 点刚好在直线上，那么下式成立：),(iyxp即 eixy0eieiyx若任意点 在直线 OA 的上方，那么则下式成立),(iyxp即 eixy0eieiyx偏差判别偏差计算终点判别插补结束开始