（机械电子工程专业论文）钻孔、攻丝一次成形设备的控制系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 先进的机械制造技术在国民经济发展中起着重要的作用。现代科学技术的迅速发展， 特别是电子技术、计算机技术、现代数控技术的迅猛发展给机械制造业带来了极为深刻的 变革。本课题就是从这方面着手构思的。 传统的螺纹孔加工都需要经过两道工序：先用钻头加工出一个比螺纹孔直径略小的底 孔，然后换成丝锥加工出螺纹。本课题想利用现有比较成熟的数控技术，计算机技术，以 及控制理论设计一个控制器用来对现有的数控机床进行改造，并且结合一种新型复合刀 具，将机械加工过程中螺纹孔中的钻孔和攻丝两道工序一次完成，从而能大幅度的提高生 产效率。 该课题完成的主要内容是： 1 ) 提出螺纹孔一次成形且闭环控制的设计方案。控制给定值由刀具的旋转速度提供， 反馈值由滚珠丝杠的旋转速度提供，再根据改进的p i d 控制算法得到输出信号用来控制步 进电机，进而调整整个系统的响应性能。 2 ) 对整个机械传动系统建模，设计基于p i d 控制算法的数字控制器，在实际应用中 用直接设计数字控制器的方法求得控制器各个控制参数，传统的一般方法难于取得这些参 数。 3 ) 确定微处理器及外围设备的组成，根据控制任务及控制算法要求对微处理器进行 i 0 口的配置，硬件和软件设计过程同时进行，两者相辅相成。 4 ) 设计并制作针对旋转编码器的去抖电路。 5 ) 对去抖电路进行仿真和实验以验证电路的正确性以及可行性。 关键词：螺纹孔加工；数控技术；控制器 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi si m p o r t a n tt oc o u n t r ye c o n o m y t h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ee l e c t r o n i c s 、c o m p u t e r 、m o d e m m i c r o - c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb r o u g h td e e p l yr e v o l u t i o nf o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g t h i s s t u d ys u b j e c tj u s tt a k em e a s u r e sf r o mt h i sa s p e c t t h et r a d i t i o n a lo p e r a t i o no fp r o c e s s i n gf o rt a ph o l ei n c l u d e st w op r o c e s s e s ：a tf i r s td r i l la b o t t o mh o l ew h i c hi sl e s st h a nt h et a ph o l e t h e np r o c e s st h et h r e a do ft h et a ph o l ew i t ht h e s c r e wt a p t h i ss t u d ys u b j e c tw a n t st ou s et h em o d e mn u m e r i cc o n t r o l ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d t h e o r yo fc o n t r o lt od e s i g no n ek i n do fc o n t r o ld e v i c ew h i c hc o u l db e u s e di na l t e r a t i o nf o r n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t h i sc o n t r o ld e v i c eb o n d e dw i t han e w s t y l ec o m b i n a t i o nc u t t i n g t o o lw i l la c c o m p l i s ht w op r o c e s s e so f p r o c e s s i n gf o rt a ph o l ei no n ep r o c e s s ，s oi tw i l li m p r o v e t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi nag r e a te x t e n t t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ra r el i s ta sf o l l o w i n g ： 1 ) p r o p o s et h ed e s i g ns c h e m eo ft h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mo fs c r e w e dh o l eo n c es h a p i n g t h eg i v e ns i g n a li so f f e r e db yr o t a t i o n a ls p e e do fc u r i n gt o o la n df e e d b a c ks i g n a li so f f e r e db y r o t a t i o n a ls p e e do fb a l ls c r e w a c c o r d i n gt ot h e s et w os i g n a l sa n dt h em o d i f i e da r i t h m e t i co fp i d w o r ko u tt h eo u t p u ts i g n a lt oc o n t r o lt h es t e p p e rm o t o r a n dt h er e s p o n s ep e r f o r m a n c ew i l lb e i m p r o v e d 2 ) b u i l dt h em o d e lf o r t h ew h o l em e c h a n i c a ld r i v es y s t e ma n dd e s i g nt h ed i g i t a lc o n t r o l l e l b a s e do na r i t h m e t i co fp i d w o r ko u tt h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r st h r o u g ht h em e a n so fd i r e c t d e s i g ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n di t i sh a r dg a i nt h e s ep a r a m e t e r st h r o u g ht h et r a d i t i o n a l m e t h o d 3 ) c h o o s et h em i c r o p r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a ld e v i c e a c c o r d i n gt oc o n t r o lt a s ka n dc o n t r o l a r i t h m e t i ca l l o c a t et h ef op o r t s t h ed e s i g np r o c e s s e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew i l lc a n 3 t h r o u g ha tt h es a m et i m e , a n dt h e s et w op r o c e s s e sw i l ld e v e l o pi nac o m p l e m e n t a r yw a y 4 ) d e s i g nj i t t e rr e m o v i n ge l e c t r i cc i r c u i t 5 ) d os o m es i m u l a t i n ga n d e x p e r i m e n t st om a k e s u r et h ec i r c u i ti sc o r r e c ta n dw i l lb ee x e c u t ( a sn o r m a l k e yw o r d s ：p r o c e s s i n gf o rt a ph o l e ；n u m e r i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ；d i g i t a lc o n t r o l l e r 武汉科技大学 研究生学位论文创凝性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内睿或属合作研究共丽完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文申以明确方式标明 申请学位论文与资料著有不实之处本人承担一切相关责任 论文作者签名：丝日期：点生! 且兰基 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研觅成栗扫武汉科技大学所有。其研究内謇不得| ；( 其它草僚 的名义发袁本人完全了解武汉科技大擘有关保管，使用学位论文的规定。 同意学校保留并向有关部门遂交论文的复印件和电子版本允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入习l r 关数据库进行检索 论文作者签名：篮：垒一 指导教师签名：幽幽 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术【1 i ，是2 0 世纪后半叶最 重要、发展最快的工业技术之一，它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标 方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术 途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。 现在，经济型数控机床以其良好的性能价格比、稳定性和广泛的适用性，适合于我国 现阶段中小企业的技术水平和人员素质，具有广阔的发展前景和较高的技术经济效益。现 在我国已有很多机床厂设计生产了经济型数控车床和铣床，但是对于具体企业或者具体的 项目要求来讲，常常有必要设计和改造加工某一类特殊零件的专用数控机床，这时就会遇 到机床数控化改造中的方案设计、数控系统选择和步进电机设计计算等问题【2 1 4 3 1 这也就 是对原有的数控机床进行一个二次改造，如果很好地解决了这个改造问题，其数控设备就 会更加符合加工要求，并且如果在设计控制系统的时候能够将成本控制在一个较低的水平 内，那么这种改造后的设备会带来较大的技术经济效益。 除了发展先进的加工设备外，我们还要研究先进的加工工艺和加工方法。例如历来加 工螺纹孔都要经过两道工序：先用钻头加工一个比螺纹孔直径略小的底孔，然后换成丝锥 加工出螺纹。显然，这种加工方法效率较低。数控机床问世以后，加工螺纹孔的效率大为 提高。它是采用自动更换丝锥的方法解决螺纹孔的高效成形问题。但是仍然靠两步工序加 工螺纹孔，即先钻孔后换刀进行攻丝，而且这种机床的造价较高。 通过查阅大量的国内外相关资料和网上搜索，尚未发现有能将机械加工螺纹孔过程中 钻孔和攻丝这两道工序用一次成形的方法完成的加工设备。本课题想利用现有的比较成熟 的数控技术，并结合一种新型刀具 4 1 ，将机械加工螺纹孔过程中钻孔和攻丝这两道工序用 一次成形的方法完成，从而能较大幅度的提高生产效率。上面提到的新型刀具，总体说来， 前面的螺纹钻头用来加工出一个比螺纹孔直径略小的底孔，新型刀具目前只能用来加工通 孔，螺纹钻头的长度应稍大于孔的深度，后面则为攻丝部分。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 数控机床的现状分析 从第一台数控机床问世到现在的5 0 多年中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种 的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、 机床、建筑等民用机械制造行业。数控加工是采用数字信息对零件加工过程进行定义，并 控制机床自动运行的一种加工方法i s l 。它主要具有以下几个方面的特点水i ： 1 ) 具有复杂形状加工能力。复杂形状零件在飞机、汽车、造船、模具、动力设备和国 防军工等制造部门具有重要地位，其加工质量直接影响整机产品的性能。数控加工 运动的任意可控性使其能完成普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 【。 一 2 ) 高质量。数控加工是用数字程序控制实现自动加工，排除了人为误差因素，且加工 误差还可以由数控系统通过软件技术进行补偿校正。因此，采用数控加工可以提高 零件加工精度和产品质量。， 3 ) 高效率。与采用普通机床加土相比，采用数控加工一般可提高生产率2 3 倍，在 加工复杂零件时生产率可提高十几倍甚至几十倍，特别是五坐标加工中心和柔性单 元等设备，零件一次装夹后能完成几乎所有部位的加工，不仅可消除多次装夹引起 的定位误差，且可大大减少加工辅助操作，使加工效率进一步提高。 4 ) 高柔性。只需要改变零件程序即可适应不同品种的零件加工，且几乎不需要制造专 用工装夹具，因此加工柔性好，有利于缩短产品的研制与生产周期，适应多品种、 中小批量的现代生产需要。 数控加工是一种可编程的柔性加工方法，但其设备费用相对较高，故目前数控加工多 应用于加工零件形状比较复杂、精度要求较高，以及产品更换频繁、生产周期要求短的场 合【 具体地说，下面这些类型的零件最适宜于数控加工【8 l ： 1 ) 形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线、曲面轮廓。 2 i 公差带小、互换性高、要求精确复制的零件。 3 ) 用通用机床加工时，要求设计制造复杂的专用工装夹具或需很长调整时间的零件。 价值高的零件。 5 ) 小批量生产的零件。 国钻、镗、铰、攻螺纹及铣削加工联合进行的零件。 数控技术已经成为机械力n - t 现代化的重要基础和关键技术。应用数控加工可大大提高 生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动 化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳 动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合 经济效益1 9 1 。- 数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为 一体，使零件的计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 和计算机辅助制造 ( 咖) 的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高【1 0 1 。 同时，数控机床的发展也与计算机技术的飞速发展是密不可分的。这其中，又以单片 机的应用最为广泛。尽管单片机是从1 9 8 2 年才开始在我国应用的，但它一经上市便显示 出强大的生命力，以其独特的优点迅速占领市场，并获得广泛的应用。 由于单片机体积小巧且控制功能强，能容易地嵌入到在产品内部代替传统的机械以及 电子元器件，可减少产品体积，增强其功能，实现不同程度的智能化。因此，单片机主要 用于以下这些方面f l l l ： ( 1 ) 过程控制 生产过程的自动控制，数控机床、步进电机的驱动、工业机器人，自动生产流水线、 车辆驾驶等都可用单片机控制，它们具备智能化程度高，成本低廉，维护容易，操作简便 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 等特点。 ( 2 ) 数据采集 用单片机组成的测量系统，可实现数据采集与处理的智能化，使传统的功能单一、模 拟显示、手动量程切换的系统被多功能数字显示和量程自动切换的系统所取代。 ( 3 ) 信号处理 人们从信号中获取关于事物运动规律的信号或用信号去控制事物的运动。用单片机进 行信号处理，不仅处理方法上灵活性大，准确性高，而且更重要的是：可用软件取代硬件 电路的功能，提高性能价格比，节约整个系统的投资费用。 ( 4 ) 旧设备的改进 将单片机用于旧设各的改造，可实现设备的自动化控制，增强其功能，更好的发挥其 应用潜能，在投资很小的情况下实现设备的更新换代。 下面几种典型机床控制系统的分类【1 2 l ： 1 开环控制系统 典型的开环系统是采用步进电机的伺服系统，由步进电机驱动机床执行部件运动，发 出每一脉冲信号通过步进电机均产生定位移，它没有反馈测量系统。如下图： 1 1 所示： 曰一一日 图1 1 开环数控系统 由于机械系统的摩擦及阻尼可能导致脉冲信号“丢步”，故开环系统精度不高。 2 半闭环控制系统 有反馈系统。测量元件安装在丝杠或伺服马达端部( 如下图1 2 ( a ) 、c o ) ) 两种。用 以检测丝杠或伺服马达的回转角，间接测出机床运动部件的位移，经反馈送回控制系统， 与控制值比较，用差值进行控制。这种系统虽然精度较开环系统高。但在闭环回路内不能 消除丝杆、螺母副及工作台的间隙。 r 。- j 空篇系统 1 一 一匿叶卟囤 l o 、， v 一j 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( b ) 、 图1 2 半闭环控制系统 3 闭环控制系统 工作原理与半闭环控制系统相同，但测量元件装在工作台上，可直接测出工作台的实 际位置，如下图1 3 。其反馈精度高于半闭环控制系统。这种系统可以消除由于传动部件制 造、装配中存在的精度误差给工件加工带来的影响，可以得到很高的加工精度。由于机械 传动环节，如丝杠副、工作台等都包括在反馈环路内，而各种机械传动环节的组成元件问 的摩擦特性、刚性、装配间隙及传动链间隙等，都是可变的( 有的是非线性的) ，都直接 影响伺服系统的调节参数，给系统稳定性带来一定影响，故系，统的调整比较困难，当然其价 格也是最高的。 卤 图1 3 团环控制系统 1 3 本课题的选题意义 本课题突破长期以来人们对钻孔、攻丝必须两道工序的认识，将单片机控制技术与传 统的机械加工技术结合起来，设计并研制出一种新型的复合刀具和加工设备，使钻孔、攻 丝一次成形，从而较大幅度的提高生产效率。 课题组的前人基于开环系统对数控机床进行的改造基本实现了钻孔和攻丝两道工序 一次完成，但切削螺纹时刀具的旋转速度与主轴下降速度的控制并没有达到高精度匹配。 本课题在前人的基础上添加反馈控制，使得单片机对数控机床的控制成为一个闭环系统。 这样”切削螺纹时刀具的旋转速度与主轴下降速度可以有更好的匹配，并且可以将刀具转 速及时反映到l e d 显示屏上。操作人员能够更好的和数控机床之间进行人机交互，并对刀 具进行及时的控制，使得整个系统的使用更加方便。 此外，用这种新方法设计的专用机床成本可控制在万元以内。若大批量生产这种机床， 成本还能进一步降低。毫无疑问，此种低成本的数控机床可产生较大的经济效益和较好的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 市场前景，对于不少企业是有定的吸引力的。 1 4 本课题的研究内容 设计闭环控制系统实现一次成形加工出螺纹孔的目标，本课题的研究工作如下： 1 ) 完善螺纹孔一次成形的思路：开始进行钻孔，发给步进电机的是脉宽固定的脉冲，折算 成主轴的轴向速度大概为l m m s ( 可调) ，关键的是攻丝部分，这时要求刀具的旋转速度 和主轴的轴向速度高度匹配，笔者设计闭环控制系统控制周期( o 1 s ) 之初测量出刀具 的旋转速度，用这个速度作为闭环控制系统的给定值，随后在每个调节周期( o 0 3 s ) 测得滚珠丝杠螺母副的旋转速度，将这个旋转速度作为反馈值与经过折算后的给定值 比较其差值来修正伺服驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的方向运 动，从而使得刀具的轴向位移能够和它的旋转速度精确匹配，这样使得刀具完成螺纹 孔的一次成形。控制周期和调节周期的确定在卞面的章节具体介绍。 2 ) 根据上述思路，选择合适的传感器和装置组成一套完整的设备，设计( 选择) 并制作出相 应的机床和闭环控制系统，已实现m 6 x 1 的螺纹通孔的一次成形。 3 ) 为了保证控制系统的可靠工作，设计系统时考虑硬件抗干扰等措施，具体的重点是防 止编码器的激振信号被误读。 4 ) 在控制系统软件设计中，建立了相应的机械传动系统数学模型，计算出本机械传动系 统( 受控对象) 的传递函数，用直接设计的方法得到相当于p i d 控制的低阶算法，并 且设计在m 棚a b s i m u u n k 环境下进行了传动系统的计算机仿真，用仿真的结果验 证本系统的各种控制策略的正确性并且确定在以后的p i d 算法中所要用到的时间和系 统参数。 5 ) 为了验证控制电路的工作可行性，笔者还要做若干次加工实验，从工件的加工效果来 证实控制电路的设计是否达到了预期的目标。 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 第二章本微控系统设计要素 计算机控制系统的设计，虽然随控制对象、设备种类、控制方式、规模大小等而有所 差异，但系统设计的基本内容和主要设计步骤是大体相同的。 在设计计算机控制系统之前，应该首先估计必要性。应在对系统性能的改善程度、成 本、可靠性、可维护性以及应用微型计算机前后的经济效益等进行综合考虑的基础上，决 定是否采用计算机控制。 2 1 确定控制任务 在进行系统设计之前，必须对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析，熟悉其工 艺过程，才能根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的任务。然后用 时间和控制流程图来描述控制过程和控制任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统 设计的依据。 2 2 选择微处理器和外围设备 在设计任务确定之后，应对系统所需要的硬件做出初步的估计和选择，这是计算机系 统设计的一个特点。因为构成计算机控制系统的主要功能部件都是大规模集成电路组件， 设计人员只要根据控制任务和要求，进行估计和选择。微处理器是整个控制系统的核心， 它的选择对整个系统产生决定性的影响，一般应从如下几个方面考虑是否符合控制系统的 要求f 1 3 l 。 1 ) 字长 与一般计算机一样，微处理器字的长短会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能 力和执行操作的时间。一般说来，字越长，对数据处理越有利，但从减少辅助电路的复杂 性和降低成本的角度考虑，字短些为宜。所以应根据不同对象和不同要求，恰当选择。在 本项目中，由于控制回路单一，只涉及到基本的p i d 控制，输入和输出并不是太复杂，并 且采集和控制信号不需要经过a ，d 或d a 转换，所以在该项目中，选择微处理器是m c s 5 1 系列单片机( 这在后面的章节具体说明) ，就能达到控制要求。 2 ) 寻址范围和寻址方式 微处理器地址码长度反映了它可寻址的范围。寻址范围表示了系统中可存放的程序和 数据量，用户应根据系统要求和编写程序的长短选择与寻址范围有关的合理的内存容量。 3 ) 指令种类和数量 一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快， 程序量减少。字较短的微处理器，通常指令条数也会少一些。 4 ) 内部寄存器的种类和数量 微处理器内部结构也是关系到系统性能的重要方面。微处理器一般都包含有通用寄存 器组、程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、累加器等。它仃丁的种类和数量越多，访问 存储器的数量越少，从而加快了执行速度。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 5 ) 微处理器的速度 微处理器的速度，应该与被控制对象的要求相适应，有时盲目追求高速度会给系统的 安装调试带来不必要的麻烦，如高速工作时引线之间的串扰就是令人头痛的问题。 6 ) 中断处理能力 在控制系统中，中断处理往往是主要的输入输出方式。微处理器中断功能的强弱，往 往涉及到整个系统硬件和应用程序的布局。 除上述6 个方面以外，微处理器的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也 是设计人员必须考虑的因素。 2 3 建模和控制算法确定 影响微控系统控制效果的很重要的因素之一是算法的优劣。算法建立在控制对象的数 学模型上，即描述各控制量与各输出量之间的数学关系【1 4 j 。 在直接数字控制系统中，最常用的数字p i d 控制算法及其改进形式，此外还有离散域 内数字控制器的直接设计方法以及基于系统输入输出描述的控制算法等【1 卯。系统所用的算 法，要根据控制对象的不同特性和要求恰当的选择。基于本系统笔者开始使用的是数字p i d 算法，但是由于根据经验所整定的参数在实际应用中受到机械惯性和阻尼的影响总是得不 到一个期望的响应，效果不尽人意，所以最终使用的是数字控制器的直接设计方法来作为 整个系统的控制算法，这些具体过程将在后面的章节做比较详细的阐述。 2 4 硬件和软件的具体设计 在具体设计阶段，必须认真考虑和反复权衡硬件和软件的比例，这是因为硬件和软件 有一定的互换性，有些用硬件完成的功能也可以用软件来完成。多用硬件完成一些功能， 可以改善性能，加快计算机工作速度，但增加了硬件成本。若用软件代替硬件功能，虽可 减少元件数，但系统工作速度相应降低。所以在设计一个新的控制系统时，必须在硬件和 软件之间相互权衡 a 6 l 。一般的原则是要看所设计的控制系统的生产量，若生产量大，则硬 件器件应尽量减少，多用软件来完成相应功能。虽然软件研制比较复杂且研制费用也较大。 但若生产量较大，分摊到每一个系统上的软件费用相应地就减少了。 、 硬件和软件设计过程必须同时进行，两者相辅相成。图2 1 是本项目微型计算机控制 系统设计步骤示意图。 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 硬件设计 软件设计 匝整叵囱 圈囱 图2 1 控制系统设计步骤示意图 舸于选用标准微型计算机系统的设计人员来说，主要的工作集中在输入腧出接口设计 上，而输入 俞出接口设计又往往与控制程序交织在一起。此外存储器的连接和扩展也往往 是必做的工作。 硬件设计过程中，器件应选择和筛选，在布线和安排时，要注意制作技术和装配技术， 以尽可能克服电气干扰。 害鬻 囱令奥 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 第三章一次成形闭环控制系统的设计思路 3 1 在开环控制系统上进行闭环控制系统的完善 对于设计具体的切削螺纹一次成形装置来说，应用开环控制系统设计的大概思路是： 机床主轴上装一个旋转编码器( 图中3 1 所示) 用来测得刀具的转速( 需要测得方向) ，具 体执行机构的结构示意图如下： i 1 一旋转编码器，2 机床主轴， 卜夹头， 仁新型复合刀具，蝴床床身，7 l 滚珠丝杆， 卜步进电机。雌电机 图3 1 开环控制系统执行机构的结构示意图 下面对执行机构的工作原理进行简要的说明：刀具4 通过夹头3 安装在主轴2 上，主 轴2 的旋转是由主电机9 通过主轴变速箱来带动的，步进电机8 与滚珠丝杆7 直接联结， 滚珠丝杆螺母副又与主轴箱联结j 步进电机8 的转动通过滚珠丝杆螺母副驱动主轴，使之 实现刀具轴方向进给运动。旋转编码器1 与主轴联结，用于测量主轴的转速。一 在钻孔过程中，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使 步进电机转动，通过皮带副和滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。在攻丝过程中，利用旋转编 码器测得的刀具转速来控制步进电机的转速从而达到滚珠丝杆的垂直位移与刀具转速的 匹配，进而达到攻丝的目的。这种控制系统虽然表面上看在执行部件上装置了检测装置， 但是由于该检测装置是用来测量刀具转速，而刀具转速在攻丝的过程是变化的。并且执行 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 部件的实际位移量转换成电信号后，仅仅是一个测量量并没有反馈到输入端与输入位置指 令信号进行比较得到差值后再进控制，因此该系统只能称之为一个开环控制系统。 开环进给系统中，步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动 间隙及传动和支承件的变形等，将直接影响迸给位移的精度，为了提高系统的精度，应该 适当提高系统组成环节的精度及刚度。此外，还可采取各种精度补偿措施。经试验，该装 置的效果不甚理想，主要由于控制精度较低。 笔者对于该装置采用闭环控制系统设计的思路是：基于以上介绍的开环控制系统设计 上，添加一个测量反馈信号的装置，并形成闭环控制的模式以求提高控制精度使一次成形 效果更好。 具体执行机构的结构示意图如下： i 1 ，知旋转编码器，2 机床主轴，知一夹头， 仁新型复合刀具。蝴床床身，磁珠丝杆， 嘞进电机，雌电机 图3 2 闭环控制系统执行机构的结构示意圈 在图3 2 所示的结构示意图中，机床主轴上装一个主旋转编码器，用来测得刀具的转 速，按加工螺距、滚珠丝杠的螺距、步进电机的拍数等换算成步进电机应有的转速。由于 本机械传动系统有较大的惯性，根据笔者经验认为在o 1 s 内刀具的转速不变，即，步进电 机应有的转速在这0 1 s 内作为给定值是不变的，所谓的闭环控制也就是在这每个控制周期 0 1 s 内进行的，而在每个控制周期内需要使步进电机的转速与滚珠丝杆螺母副的转速达到 一致，这就需要在滚珠丝杆底端安装上一个副旋转编码器，将测得的滚珠丝杠螺母副的旋 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 转速度作为反馈信号与给定值做比较后的差值来对系统进行调整使得执行部件以给定的 速度向着消除偏差的方向运动，直到步进电机的转速与滚珠丝杠的转速达到一致，即，在 一个控制周期里分三次( 每次o 0 3 秒) 进行比较和控制，据仿真结果三次调整后误差大为 减少。一次闭环控制完成。 本系统的理论设计方案中，笔者采用的是独创的阶段性闭环控制系统，将测量元件安 装在滚珠丝杆的端部，测量执行部件的实际转速作为反馈信号。 3 2 该闭环控制系统设计思路 为了实现一次成形加工出螺纹孔的构想， 运动速度。该系统设计属于工程设计的范畴， 到理想的设计目的。 需要设计一套完备的系统来控制主轴的进给 工程设计必须按照严格的步骤进行才可以达 控制系统的设计是工程设计的一个方面。同样，控制设计的目的也是逐步确定预期系 统的结构配置、设计规范和关键参数，以满足实际的需要i m 。 本系统要求n i 出来的螺纹孔在国标g b l 9 6 8 1 1 8 1 的公差范围内，本课题的设计思路 是：将复合刀具安装在主轴上，钻孔时使主轴高速旋转，控制系统使主轴以合适的进给速 度下降形成螺纹底孔，接下来进入攻丝阶段时，先利用主旋转编码器测出一段时间内( 一 般认为是0 1 s ) 主轴的转速，因为系统有较大的惯性，可以认为此转速在0 1 s 内速度是均 匀的。再将转速按加工螺距、滚珠丝杠的螺距、步进电机的拍数等换算成步进电机应有的 转速输入到单片机作为整个闭环控制系统的设定值，用副旋转编码器测得步进电机经联轴 器传动后的转速作为反馈信号，然后将这个反馈信号作为与给定值比较得到的差值信号根 据一定的闭环控制算法得到脉冲信号送给步进电机的功率放大器，接着是功率放大器驱动 步进电机做出规定的动作，最后是步进电机通过丝杆螺母副带动主轴使刀具以一定的速度 下降做出并使刀具下降速度向着消除偏差的趋势运动，直到指令位置与反馈的实际位置的 差值等于零为止，从而加工出符合要求的螺纹孔。 在o 1 s 内认为刀具转速不变，所以此时测得的刀具转速可以作为系统的原始输出并且 进行反馈。简单说来该系统动作过程如下图： 困二囤圈 图3 3 控制系统的设计过程 在这里刀具的输出是刀具的转速，而滚珠丝杠其实是带动机床主轴从而驱动刀具在垂 直方向上的位移，由于在0 1 s 内认为刀具的转速为不变，所以如果进行攻丝，在这0 1 s 内， 刀具的转速和它垂直方向上的位移是必须要相匹配的。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章微处理器和外围设备 4 1 控制系统电路的整体设计 由于形成螺纹时，刀具的下降速度必须与其转速严格匹配起来，本系统必须采用数字 控制方法去实现这种匹配。具体做法是在攻丝时，时刻测量主轴的转速，根据这个转速和 规定的螺距计算出刀具应该下降的距离，以此为控制量计算出步进电机的速度，输出到步 进电机。带动刀具完成螺纹的切制工作，又由于本系统采用的是闭环控制，所以还要在一 段时间内对步进电机和滚珠丝杆组成的传动系统做一个反馈控制，将安装在滚珠丝杆底端 的旋转编码器所测得的滚珠丝杆的转速作为反馈量。而设定值为一段时间内测得的主轴转 速。 根据以上控制要求，本系统采用国内常用的m c s 5 1 系列单片机作为微处理控制器。 单片机控制系统是由微处理器和外围芯片组成。外围电路系统包括：采样信号接口电路、 设定按键、控制电机正反转输出信号电路、信号放大输出、l e d 数值显示电路等。 单片机控制系统框图可表示如图4 1 所示：叵 叵萄匕型 ：r - - 二e 1 。臣查口 4 2 主要元件性能简介 4 2 1 单片机类型的选择 单片微型计算机目前在数值计算和工业控制中得到了广泛的应用，为了保证单片机应 用系统的性能和经济指标，在选择单片机时，须考虑控制对象和目标、控制精度，单片机 的字长和指令功能，寻址范围与寻址方式，位处理能力，定时计数能力及通讯功能、内部 存储器容量的大小、硬件配套是否齐全及芯片价格等1 1 9 1 。 在本课题中。电子控制模块无疑是最重要的部分，而控制单元中最重要的部件就是单 片机，它决定了系统的整体性能。本系统需要实时跟踪主轴的转速并做出相应的调整，故 响应速度是硬件设计过程中要首先考虑的问题。综合考虑到本课题的控制算法所需的运算 速度和精度，最终选择了m c s 5 1 系列单片机作为控制系统的核心芯片来完成系统的信号 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 采集、分析和运算处理等工作。因为m c s 5 1 单片机面世已有二十多年，其运用很成熟可 靠，具有较完善的功能，适用于各类复杂的要求较高的实时控制系统，在工业控制，家电， 仪表，军事等领域都得到了广泛的应用，并已经取得了可喜的成效 2 0 l 。笔者给m c s 5 1 型 单片机配备了较高频率的晶振器( 2 4 m h z ) ，可以满足本系统实时性的要求。 m s c 5 1 单片机是在一块芯片中集成了c p u 、r a m 、r o m 、定时器计数器和多功能 i o 线等。5 1 系列单片机内包含下列几个部件【2 1 l ： 一个8 位c p u 。 一个片内振荡器及时钟电路。 4 k br o m 程序存储器。 1 2 8 br a m 数据存储器。 两个1 6 位定时计数器。 可寻址6 4 k b 外部数据存储器和6 4 k b 外部程序存储器空间的控制电路。 3 2 条可编程的i o 线( 四个8 位并行i o 端口) 。 一个可编程全双工串行口。 五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 m c s 5 1 系列单片机内部结构如图4 2 所示，各功能部件由内害b 总线连接在一起。 1 基准频率源 肱种啼己数输入 外罄中断控制莠：厅口串行辖入搠i 出 图4 2m c s - 5 1 系列单片机内部结构图 本系统中，使用的是m c s 5 1 系列单片机中的增强型8 9 ( 2 5 2 ，它的最大特点是有8 k b 一 的可用电擦除、可编程的程序存储器( r o m ) ，完全能满足控制程序的存储要求( 该控制程 序的大小只有4 k 左右) ，而且程序的调试和修改很方便。微处理器的控制指令的发出是坶 级的，因此8 9 c 5 2 微处理器实时性完全满足要求。 4 2 2 旋转编码器的工作原理 增量式编码器是一种集光、机、电于一体的转速、位移传感器，具有频响和分辨能力 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 高、力矩小、耗能低、性能可靠、使用寿命长等诸多优点，广泛应用于自动化及转速和位 置测量中僻】。增量式光电编码器主要由光源、编码盘、接收电路和整形放大电路等单元组 成，其结构示意图如图4 3 。 图4 3 旋转编码器结构示意图 当编码器轴带动光栅编码盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅编码盘狭缝切割成断 续光线并被接收元件接收，产生初始信号，该信号经后续电路处理后，输出脉冲信息。增 量式旋转编码器输出脉冲供后续电路计数，确定转过的角度以及判别转动的方向，可以实 现多圈无限累积测量，其原理图如图4 4 。 免一危t 竞毗0 免# 簟先i 靓管t 髫基| ：誓镰羹 j 棚 矗i h 增麓武尼咆玛鲻器凉j i t 溜 光峨辣潦蠕码譬出藏謦 图4 4 旋转编码器工作原理图 本系统中刀具( 主轴) 以及滚珠丝杆的旋转速度是用旋转编码器来测量出来的。本系 统采用是z g b 7 0 型增量式编码器。输出的是占空比为l ：1 的矩形方波。本编码器每旋转 一周输出1 0 2 4 个脉冲，即每输出一个脉冲表示旋编器旋转角为o 3 5 。 影响编码器的计数精度的主要原因在于编码器的主码盘被激振而附加了瞬间的随机 高频振动，振动响应的频率与主码盘本身及其激振频率有关f 2 3 i 。由此可见，提高计数精度 的关键在于一旦出现高频振动就应该使计数电路能剔去瞬间振动产生的多余高频方波脉 冲川。因此，在系统的抗干扰设计时，必须要考虑编码器抗抖动的问题。这个问题在文章 的后面具体说明。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 4 2 3 步进电机的工作原理 步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器 【2 5 1 。在数控系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机的工作就是步 进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。要使步进电机转 动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。步进电机的步进过程可以 用下图来说明。图4 5 是一个三相步进电机示意图，其定子的每相都有一对磁极，每个磁 极都只有一个齿，即磁极本身，故三相步进电机有三对磁极共6 个齿；其转子有4 个齿， 分别称为0 ，1 ，2 ，3 齿。直流电源u 通过开关a ，b ，c 分别对步进电机的a ，b ，c 相 绕组轮流通电。 图4 5 步进电机的工作原理图 初始状态时，开关a 接通，则a 相磁极和转子的0 ，2 号齿对齐，同时转子的l ，3 号齿和b ，c 相磁极形成错齿状态。 当开关a 断开，b 接通，由于b 相绕组和转子的1 ，3 号齿之间的磁力线作用，使得 转子的1 ，3 号齿和b 相磁极对齐，则转子的o j2 号齿就和a ，c 相绕组磁极形成错齿状 态。 此后，开关b 断开，c 接通，由于c 相绕组和转子o ，2 号之间的磁力线作用，使得 转子o ，2 号齿和c 相磁极对齐，这时转子的1 ，3 号齿和a ，b 相绕组磁极产生错齿。 当开关c 断开，a 接通后，由于a 相绕组磁极和转子1 ，3 号齿之间的磁力线作用， 使转子1 ，3 号齿和a 相绕组磁极对齐，这时转子的o ，2 号齿和b ，c 相绕组磁极产生错 齿。很明显，这时转子移动了一个齿距角。 如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那么对a ，b ，c 三相绕组轮流通电需要三拍。 对a ，b ，c 三相轮组轮流通电一次称为_ 个周期。从上面分析可以看出，该三相步进电 机转子转动一个齿距，需要三拍操作。由于按a _ b 一c - a 相轮流通电，则磁场沿a ， b ，c 方向转动了3 6 0 。空间角，而这时转子沿a b c 方向转动了一个齿距的位置。在图4 3 中，转子的齿数为4 ，故齿距角9 0 0 ，转动了个齿距也即转动了9 0 。 对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为z ，它的齿距角0 ，为 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 8 z1 劢z - 3 6 0 9 z 而步进电机运行n 拍可使转子转动一个齿距位置。实际上，步进电机每一拍就执行1 次步进，即，转过一个步距角，所以步进电机的步距角0 可以表示如下： 日一0 z n - 詈， 其中：n 是步进电机工作拍数，z 是转子的齿数。 步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多，常见的分类有按产生力矩的原理分、 按输出力矩的大小分、按定子和转子的数量分。 按力矩产生的原理，步进电机可以分为反应式和励磁式。反应式步进电机转子无绕组， 由被励磁的定子绕组产生感应力矩实现步进进给；励磁式步进电机转子、定子均有绕组， 由电磁力矩实现步进进给，带永磁转子的步进电机叫混合式步进电机【嘲。 综上所述，步进电机的工作原理如下【2 7 j ： 1 定子绕组的通电状态每改变一次，其转子便转过一定的角度，即转动一个步距角； 2 定子绕组通电状态改变速度越快，其转子旋转的速度也越快，即通电状态的变化频 率越高，转子的转速越高： 3 改变定子绕组的通电顺序，将导致其转子旋转方向的改变。 本系统所使用的是l1 0 b y g 2 0 1 型两相混合式步进电机，步距角为0 9 0 1 8 。，由南京华 锋制造公司生产， - 0 ； ： i 翟害 电机外型如下图所示： 4 傍 图4 6i i o b y g 2 0 1 型步迸电机外形图 4 2 4 步进电机驱动器 4 2 4 1 步进电机驱动器使用方法 1 驱动器接线示意图如下： 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 图中标号释义： c p + ：脉冲正输入端 c p ：脉冲负输入端 u d + ：方向电平的正输入端 u ，d 方向电平的负输入端 p d + ：脱机信号正输入端 p d ：脱机信号负输入端 电机与驱动器简易接线图如下： 图4 7 驱动器接线图 图4 8 电机与驱动器接线示意图 下图是步进电机具体的接线方式，在本系统中使用的是图4 9 中的图a 所示的两向四 引线接法。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图4 9i l o b y g 2 0 1 型步进电机接线方式 2 。输入信号说明 驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号， 控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路： ( 1 ) 步进脉冲信号c p ：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要把控 制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说