普通机床如何改造成数控机床毕业论文.doc

中小型普通车床控制系统改造摘要针对大多数企业，具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰，购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径，但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品。为此改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，是当前许多企业对现有设备更新换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径。改造后的车床属于开环控制。由于开环系统自身固有的缺陷不容易保证加工精度。因此，合理选择伺服系统是课题的一个中心环节。步进电机工作原理特性和实际应用正好符合我们的这一需求，所以，改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，本文采用的控制电路主要由8031单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘显示控制器Intel一8279等组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的设计 。本设计在对原有机床机械机构、性能、功能等进行充分研究基础上，主要针对中小型普通车床控制系统进行改造，用单片机系统实现弱电控制强电机，改造了系统的切削工艺，提高了切削精度和效率，对旧车床的数控改造有一定的指导作用，是一种新的尝试，也必将有更加广阔的应用前景。关键词：数控化、自动控制、步进电机、谐波减速器ABSTRACTMost enterprises still have large amounts generalpurpose machine tools which have longevity of service，low precision, cant adapt to mass production，low automatization and adaptability, but call not be washed out because of its low cost and continuity of enterpriseS production. Purchase of new CNC machine tools is to improve product quality and efficiency of an important way, but the costs are high, many companies can not be achieved in a short time, which seriously hindered the pace of business equipment updates. Enterprises in the fierce competition in the market to survive, and seek development, it must in the shortest possible time and with excellent quality, low cost, to create a line with market needs, performance, the right products. To this end reform the existing old machine, equipped with suitable control system, converted into the ordinary CNC machine tools, after a small investment, improve product quality and production efficiency of the shortcut, many companies are currently upgrading of existing equipment Preferred option, but also improve the rate of CNC machine tools is an effective way.After transformation, the lathe is open-loop control. Because the inherent open-loop system is not easy to ensure accuracy flaws. Therefore, a reasonable choice servo system is a central part of the subject. Characteristics of stepper motor principle and practical application of this just to meet our needs, so the reform the system chosen as the bi-directional stepper motor feed drive motor. Stepper motor is controlled by electrical pulse signal phase rotation angle of winding current to achieve given the mechanical and electrical components, compared with other types of motor control with easy-to-open-loop precision, no accumulation of errors, etc., in many fields to obtain a wide range of applications. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, which uses single chip as the control of the control system has been widely used. Many of these control the stepper motor drive system has been doing very well, in this paper, the control circuit mainly by 8031, crystal oscillator circuit, the address latch, decoder, EEPROM memory, and programmable keyboard / display controller Intel -8279 and other components, SCM is the control core of the system. In this paper, the system architecture and hardware implementation of the circuit and the driver software has done a detailed design.The design of the original machine tools sector, performance and function based on the full study, the main control system for small lathes to transform, to allow manual control into the grounds of the implementation of the automatic control of the stepper motor. This paper describes the transformation of CNC machine tools, machine parts design and drive circuit design, hardware design and software design work. Because this system uses mechanical and electrical integration method, the SCM system to achieve high power electronic control and transform the system of the cutting process and improve the cutting accuracy and efficiency, for Transformation of old bed of the CNC has a guiding role, is a new attempt will also have a more broad application prospects.Key words: CNC (Computerized Numerical Control）, automatic control, stepping motor, harmonic reducer前言数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门。随着科学技术的进步，使得自动化技术已遍及人们日常生活和国民经济的各个领域，特别是在机械加工领域中越来越占主导地位。我国是有300多万台机床的国家，而这些机床又是多年累积生产的通用机床，自动化程度不高，要想在近几年内大量用自动、半自动和精密设备更新现有机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。在人们的要求日益提高的今天有着广阔的发展前景。 那么，把原有的手动机床改造成自动机床就成为当前所面临的普遍而有迫切的任务。它可以使许多以往被废弃并不用的机床得到重新利用，不仅为国家节约了大量的财力和物力，而且达到了变废为宝的目的。作为数控技术改造的车床，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。 本课题针对中小型普通车床的加工过程进行了研究，并翻阅了许多文献资料，把手动的部分改造成了由步进电机控制的简易自动机床，并随之进行了必要的设计和研究。本课题是普通车床改造成自动车床的一个尝试，对其控制系统的设计进行研究。目录摘要IABSTRACTII前言IV一、概述11.1 普通车床数控改造11.2 普通机床数控化改造经济性评价2二、车床改造方案的确定62.1 普通车床的构成62.2 步进电机的控制选择、安装、与控制。72.3 普通车床传动系统的改造92.4 车床改造机械部分具体零件的设计102.5 驱动电路的确定122.6 I/O接口的确定12三谐波减速器选择143.1 谐波减速发生器143.2 工作原理153.3单级谐波齿轮常见的传动形式和应用163.4谐波发生器传动比的计算163.5柔轮、波发生器常见的结构型式173.6谐波减速器特点18四 步进电机驱动电路的设计204.1 功率放大器的设计214.2 环形分配器的设计24五 步进电机控制系统的设计295.1 步进电机的控制方案295.2 步进电机的恒速控制305.3 步进电机的变速控制325.4 步进电机控制程序设计35六 单片机及软件设计396.1 单片机主要原理396.2 零件的加工程序设计47七 结束语53参考文献54VII一、概述1.1 普通车床数控改造 数控车床是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。对于本课题，既可以达到完成毕业设计的目的，又可以达到研制新成果，开阔科研门路的目的。普通车床自动控制系统研制，是利用传统普通车床，结合计算机、电子科技知识，变动手为自动，由粗加工变精加工，实现“变废为宝”的最终目的，成品的主要用处为：既可以作为成品机型加工小批量精度高的零配件，又可以作为直观、实效的机电演示设备，结合理论教学最直接的实现由单一机械产品，经电子化改造变为以机电为动力最终实现精密机械加工的数控机床。1.2 普通机床数控化改造经济性评价目前新经济型数控车床约85万/台，以普通新车床CA6140为例，售价38万台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床CA6140，估价0.5万台， 通过改造还可使用4-6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高2030。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构(包括更换新部件、新装置、新附件等)，改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更换新设备。决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。针对各种方案的设备使用总成本，进行经济分析1，选用下列公式计算：CZ0=10j=1nCnjrjCZnn=1nn(Knn+j=1nCnnjrj-Lnnrj)CZm=1m(Km+j=1nCmjrj)CZr=1r(Kr+j=1nCrjrj)rj=1(1+i)j式中：CZ0旧设备到j年的使用总成本；CZn原型新设备到j年的使用总成本：CZnn高效率新设备到j年的使用总成本：CZm现代化改装后设备到j年的使用总成本；CZr大修理后设备到j年的使用总成本：o旧设备继续使用时的劳动生产率系数；n原型新设备的劳动生产率系数；nn高效率新设备的劳动生产率系数；m现代化改装后的劳动生产率系数；r大修理后的劳动生产率系数；Kn原型新设备的价值;Knn高效率新设备的价值；Km旧设备现代化改装的价值：Kr设备大修理费用：Coj旧设备在j年的使用费用；Cnj原型新设备在j年的使用费用；Cnnj高效率新设备在j年的使用费用；Cmj现代化改装后在j年的使用费用；Crj一大修理后在j年的使用费用：Ln原型新设备使用j年后的残值；Lnn高效率设备使用J年后的残值；rj第j年的现值系数，i为贴现利率；j为设备使用年限，(j=l，2，3，n)。比较各种方案的设备使用总成本，取总成本最小的方案。各种方案投资成本及生产率以及各年使用成本列于表11所示：序号可行方案基本投资劳动生产力系数各年使用费用1234567891旧车床继续使用K0=00=0.70.250.50.7511.251.51.7522.252更换为全新普通车床Kn=3.5n=10.030.070.110.150.190.230.270.310.353更换为全新数控机床Knn=6.5nn=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改装为数控机床Km=3.2m=1.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745旧机床大修理Kr=1.8r=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各种更新方案的投资和各年使用费用 ( 万元)新设备残值Ln=Lnn=O5万元，旧设备残值Ln=Lnn=0，利率i=8将上表所列数据代入各计算公式得出各种方案逐年使用成本见表1-2： 年份方案123456789CZ00.330.941.792.844.065.416.878.4110.02CZn3.593.593.683.793.914.064.224.384.56CZnn4.074.104.134.164.204.254.304.364.41CZm2.742.873.043.253.493.754.044.334.64CZr2.102.282.532.833.183.573.984.424.87表1-2 各种方案逐年设备使用总成本汇总表 （万元）由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用4-6年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。因此通过以上经济性评价，对使用6到8年的普通车床，将其改造为数控化车床，是比较经济和可行的。二、车床改造方案的确定数控技术改造机床是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在数控改造中引入单片机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案有通用性与协调性。我们在实现对机床的改造的过程中坚持这样一条原则：在尽量不改变车床原有功能的基础上，实现自动控制的目的，完成改造。2.1 普通车床的构成对普通车床的自动改造包括三大部分：机械部分、硬件（含电部分）、软件部分。车床改造前，主要有以下几部分构成。车床部分名称和用途如下：2.1.1 车头部分1.车头箱 用来带动车床主轴及卡盘转动，变换箱外的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。2.卡盘 用来夹住工件，并带动工件一起转动。2.1.2 挂轮箱部分用来把主轴的转动传给走刀箱。调换箱体内的齿轮，并与走刀箱配合，可以车削各种不同螺距的螺纹。2.1.3 走刀部分1.走刀箱利用它内部的齿轮机构，可以把主轴的旋转运动传给丝杠，变换箱体外面的手柄位置，可以使主轴得到各种不同的转速。2.用来车削螺纹。它能使拖板和车刀按要求的速比作很精确的直线移动。2.1.4 托板部分1.拖板箱 把丝杠的转动传给拖板部分，变换箱外的手柄位置，经拖板部分使车刀作纵向或横向走刀。2.托板 分大、中和小托板三种：大的是横向车削工件时使用；中的是纵向和控制吃道时使用；小的是横向较短或者加工角度工件时用的。3.刀架 用来装夹刀具。2.1.5 尾座用来安装顶针，支顶较长工件。它还可以安装各种切削刀具。2.1.6 床身用来支持和安装车床的各个部件，床身上面有两条精确的导轨。托板和尾座可沿着导轨移动。2.1.7 附件1.中心架 车削较长工件时用来支持工件。2.冷却嘴 用来注入切削液。2.2 步进电机的控制选择、安装、与控制。2.2.1步进电机的选择改造后的车床属于开环控制。改造系统选择步进电机作为双向进给驱动电动机。步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或直线位移的一种增量运动电磁执行元件。由于它的位移量和输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲数量、频率及电机各组的接通次序，便可精确地获得所要求的转角、速度和转动方向，但同时应注意电机的丟步，多步现象。步进电机定子上有A、B、C三相，当定子三相按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子一步一步运转。为了改善步进电机工作性能，采用双相轮流通电控制，由于两相通电与单相轮流通电相比较转子受力矩大一些，所以，工作稳定不易丢步。但步矩角和单相的方式一样。步进电机的选择主要考虑以下几个方面：1） 步矩角 2）最大静转矩 3)对于安装条件而言的外形尺寸 首先，必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，因此应先计算机械系统的负载转矩，使电机矩频特性能有一定的量，以保证运行可靠，即在实际工作中，各种频率下的负载转矩必须在矩频特性曲线。一般来说，最大静转矩Mmax大的电机，负载转矩也大，通常取M/Mmax=0.2-0.5。选择步进电机时，应使步矩角和机械系统匹配，可以达到机床使用要求的脉冲当量&（mm/脉冲）。步进电机在有载启动时，其启动频率和矩频特性用下式近似计算： Fq=Fq=(1-Mf/M)(1+JF/J) 式中:M是启动频率下的由矩频特性决定的步进电机转矩（N/m） Jf是负载惯量（Nmss） Fq是步进电机空载启动频率如负载参数无法确定，则可估算，当然还应该结合电机温升，供贷等具体条件而定。根据以上阐述，我们选择了55BF003型步进电机，其基本参数如下表2-1：相数步距角电压相电流31.53A0.67N.m空载启动频率空载运行频率分配方式外形尺寸180012000三相六拍55706表2-1 步进电机基本参数2.2.2 步进电机的安装普通车床刀架滑移由两个驱动装置的滑移组成，与导轨平行方向和导轨垂直的水平方向，由于在这两个方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效区的任意位置。1.沿导轨方向：在这个方向上是由丝杠驱动，当溜板箱上手柄扳到自动走刀位置时，由驱动装置的转动，经齿轮转动，最后经丝杠驱动实现导轨方向走刀过程。在动力来源上，由一个步进电机控制经步进电机转轴传递给一级齿轮，再经齿轮啮合传递给二级齿轮，二级齿轮轴向连接丝杠，最后，丝杠将动力传给溜板箱，实现导轨方向进给。2.与导轨垂直水平方向：将原有手柄手工进给改造，保留手柄部分，加装第二个步进电机，将电机轴与原有丝杠连接起来。2.2.3 步进电机的控制如前所述，我们选择了两个方向,与导轨平行方向和与导轨垂直的水平方向作为双坐标联动，这样刀具可在工作范围内任意一点工作，同时选择了两个步进电机对这两个方向进行控制。对步进电机的控制，其方案有多种：硬件集成电路联接、单片机、工业PC机、微机等。经过综合比较分析，我们选取了单片机，其主要原因如下：控制类微型计算机的典型机种是单片机，即将运算器、控制器、输入输出接口、部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一片芯片上。这样的单片计算机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强和价格低等特点；又由于数据大都是在芯片内传递处理，所以运行速度快，抗干扰能力强，用于控制领域中是非常理想的，在国外一般称为微控制器。单片机虽然从七十年代问世到现在只不过三十多年左右时间，但发展异常迅速，现在的单片机因其品种繁多，功能各异的优点，应用越来越广泛。2.3 普通车床传动系统的改造现有的普通车床有横向和纵向两个方向的进给，这两个方向的传动系统的改造示意图如图2-1所示： a)图为纵向示意图 b）图为横向示意图4321图 2-1（a）车床横向传动改造示意图1.步进电机 2.谐波减速器 3.纵向进给丝杠 4.刀架7653421图 2-1（b）车床纵向传动改造示意图1.纵向进给的驱动丝杠 2.溜板箱 3.横向进给的驱动丝杠 4.齿轮2 5.齿轮1 6.谐波减速器 7.电机2.4 车床改造机械部分具体零件的设计下面将详细介绍（包括绘图）机械部分所需的零件设计、零件结构、尺寸等主要从下面几个方面进行设计。1. 传动稳定 不影响精度或者精度必须满足在要求的范围内。2. 结构尽量简单、传动合理。3. 经济性好。图(2-2)为横向进给时所需的具体零件及零件装配示意图。1110987654321图2-2横向进给零件装配示意图。1.电机 2.螺钉 3.联轴器 4.谐波减速器 5.薄片斜齿轮 6.支承轴 7.斜齿轮 8.横向丝杠 9.下箱体 10.螺钉 11.上箱体图2-3为纵向进给时所需的具体零件及零件装配示意图987612345图2-3 纵向进给零件装配示意图1.电机 2.螺钉 3.联轴器 4.谐波减速器 5.纵向丝杠 6.联轴器 7.下箱体 8.螺钉 9.上箱体2.5 驱动电路的确定从微机接口中输出的电流为毫安能，它虽然不能驱动电机，这就必须针对计算机输出电流进行放大，因此，必须有一套完整的功率放大电路，用它去驱动步进电机。2.6 I/O接口的确定具体方法将在以后的章节中讨论。综上所述：我们确定了实施自动控制所需要的几个环节，下图是步进电机单片机开环控制示意图。8031锁存器74SL373EPROM27256ROM6225682798255显示键盘图2-48255并行I/O接口并行I/O接口驱动电路驱动电路步进电机步进电机X向驱动Y向驱动图2-5至此，普通车床自动控制改造的方案已经全部确定。三、谐波减速器选择谐波减速齿轮传动是一种靠中间结构弹性变形来实现运动整形或动力传递的装置总称。他是利用薄壳元件在可控制的弹性变形下进行运动传递和动力传递。这主要由三部分构成：波发生器、刚轮、柔轮。其中任意一个固定，另外两个转动时都能得到较大的传动比。HASEG公司所生产的一种谐波减速器形式的示意图如图所示：减速器包含有高速轴1、波发生器2、柔轮7、刚轮3。凸轮的形状与所选的柔轮变形形状相适应。波发生器与轴用弹性橡胶圈6相联接。3.1 谐波减速发生器谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称。是一种少齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。 柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种，以后者应用较多 。谐波齿轮传动构成图例 谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92-96，单级传动比可达50-4000。柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。谐波齿轮传动可用来由密封空间向外部或由外部向密封空间传递运动。3.2 工作原理 (1)齿差 谐波齿轮传动中，刚轮的齿数ZG略大于柔轮的齿数ZR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即Zg-Zr=U。目前多用双波和三波传动。错齿是运动产生的原因。 (2)变形 波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或齿入状态。 当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。柔轮与刚轮齿面的啮合过程3.3单级谐波齿轮常见的传动形式和应用 （1）刚轮固定柔轮输出： 波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，应用极广，i=75500。 （2）柔轮固定刚轮输出： 波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，可用于中小型减速器，i=75500。 （3）波发生器固定刚轮输出：柔轮主动，单级微小减速，传动比准确，适用于高精度微调传动装置，i=1.0021.015。3.4谐波发生器传动比的计算 1、公式推导： 以刚轮固定，柔轮输出为例，推导传动比的计算公式。 实际上，运动是从波发生器输入的，减速器的传动动样的分配方案，只需向脉冲功率放大电路与电流检测电路组成，对于功3.5柔轮、波发生器常见的结构型式 柔轮常见的结构型式： 柔轮的结构型式与谐波传动的结构类型选择有关。柔轮和输出轴的联结方式直接影响谐波传动的稳定性和工作性能。筒形底端联接式：结构简单，联接方便，制造容易，刚性较大，应用较普遍。筒形花键联接式：轴向尺寸较小，扭转刚性好，传动精度较高，联接方便，承载能力较大。筒形销轴联接式： 轴向尺寸较小，结构简单，制造方便，但载荷沿齿宽分布不均匀。波发生器是迫使柔轮发生弹性变形的重要元件，按变形的波数不同，常用的有双波和三波两种。双波发生器的结构型式主要有滚轮式、凸轮式、偏心盘式和行星式。双滚轮式：结构简单，制造方便，形成波峰容易，但柔轮变形未被积极控制，承载能力较低，多用于不重要的低精度轻载传动。多滚轮式：柔轮变形全周被积极控制，承载能力较高，多用于不宜采用偏心盘式或凸轮式波发生器的特大型传动。 1端盖 2壳体 3双滚轮式波发生器 4柔轮（ZR =290）5抗弯环 6刚轮 7输出抽 8轴承3.6谐波减速器特点（1） 结构简单，体积小，重量轻。（2） 传动比大，最小50、最大可达80000以上。（3） 同时齿合齿数多，可靠性好。（4） 运动精度高，这是我们改造车床中主要考虑的问题。（5） 运动平稳，无冲击，噪声小。（6） 承载能力大。（7） 齿侧间隙可以调整，十分方便。（8） 传动效率高。（9） 同轴性好。 车床改造完成以后，必将确定其在工作时纵向，横向两个方面上脉冲当量。 纵向进给时，设丝杠导程P，设步进电机步距角a，齿轮传动比I，因此可得当步进电机每转一步时，纵向即溜板箱前进的位移： S1 = P*I*a/360横向进给时，设丝杠导程P，设步进电机步距角b，齿轮传动比I，因此可得当步进电机每转一步时，横向刀具的前进位移： S2 = P*I*b/360在计算S1和S2时，为了计算方便，我们选择了电机每转2/3周，360/1.5=240步时的S1和S2。我们选择的步进电机步距角为1.5。根据式子我们求得了S1和S2，然后再除以240即得步进电机每进给一步时在两个方向上的位移。所以，如果螺距P取5mm，取横向谐波减速传动比与纵向谐波减速比均为100，则两个方向上的脉冲当量时1=2=0.008mm。四 步进电机驱动电路的设计步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高输出转矩，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。4.1 功率放大器的设计功率放大器由前置放大和大功率驱动两部分组成，前者用于推动大功率器件而设置，一般由反相器、射极跟随器等构成；后者都为大功率器件，按电路主要划分为单电压电路、双电压电路、恒流斩波电路、调频调压电路、细分电路等，是步进电机驱动电路中最重要的部分。在这里采用恒流斩波电路。恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计蚓。但是恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。下面主要针对自行设计的功率驱动电路进行说明（详见大图）。此功率放大电路，线路比较简单、工作稳定、实用性强，它具有以下特点：1. 回路采用两种电源供电27V/5V。2. 驱动电路采用了LM339运放器，使电路合理，稳定性好。3. 工作时，输出稳定，有利于对步进电机的控制。图示电路是一相电流的驱动电路，其它两相电流驱动相同，本电路前采用滞销光电耦合TLP4214，以达到强弱电流的分离作用及抗干扰作用，保护元件。电路部分由脉冲功率放大电路与电流检测电路组成，对于功率放大电路来说，电机如果精确运行，要求通电周期内提供足够大的矩形电流。但由于电机绕阻为感性负载，其电流按指数规律上升，这就要求脉冲的上升沿与下降沿尽可能陡峭。这样本系统选用高低供电恒流路。这样可以是脉冲陡峭提高电源性能。电路工作流程如下：8255PA口输出控制字，通过光电耦合导通，TIP142导通电源驱动电机，电流检测电路接上的采样信号经过放大、比较最后将信息送到TIP147基极驱动电路控制TIP147的饱和与截至从而控制27V电源电路的通断。若绕阻电流不够3A，则27V电源工作，使电流增加，电流达到电机允许的限度时反馈信号经检测电路控制TIP147截至，27V电源停止工作，电流由5V电源供给。如此往复达到电流恒定，且波形沿陡峭的目的，当绕阻断电时电流不同能立即消失，这样加一放电回路，避免晶体管两极间感应电动势过高，从而对电路起了保护作用。电路补充说明：（1） 光电耦合TLP421-4用于将电路中+5V电压与+27V电压隔开，以防+27V高压破坏器件（2） 功放管选取了达林顿三极管：TIP147和TIP142，其耗功率为100瓦，并且其反映速度快，本系统要用其开关性。（3） 电压放大器，采用LM339接成史密特接触发生器电路，其输出电压与R1检测电流关系如下图4-1所示V（v）I（A）I1I2图 4-1输出电压与检测电流关系图（4） 设计过程中采取如下措施：增加主回路电阻和放电回路电阻改善电波形，使上升沿与下降沿陡峭。驱动电路电源部分，由于驱动电路需要直恒流27V、15V、6V、5V稳定电源，根据驱动电路中步进电机满足电流在3A以上，特设计驱动电路稳压电源如下图4-2所示0.33M0.1MB+5V+15V+6V27VA4700M3K24K30020782478157805图 4-2稳压电路工作原理：由变压器输出+27V电压，由于为交流电压，所以最大值为V大于27V电压、经过7824将电压降为+24V，又因为7824工作电流很小，用TIP147进行扩流，后经过电阻提压为+27V。同样经过7815后电压为+15V，经电阻分压降为+6V，由稳压二极管稳压后，再经过7805把电压稳定在+5V。4.2 环形分配器的设计步进电机的转动是靠不停地改变各相绕组的通电顺序实现的，若想让某相绕组通电，就要给某相绕组提供一组序列脉冲，因此步进电机有几相，就要为其提供几个脉冲序列。步进电机需要的脉冲序列来自插补器，但对于某个单轴坐标，插补器只能按照一定线型，提供一个单序列脉冲。因此，在插补器到步进电机之间必须有一个能将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置，这就是环行分配器。尽管有了环行分配器就可以将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲，但这些序列脉冲的信号都还不足以驱动电机运转，所以驱动控制系统中还应包括功率放大装置。步进电机的最基本的控制系统就由环行分配器和功率放大器组成。功率放大器在上面已经介绍，下面就重点介绍一下环形分配器。4.2.1 硬软件环形分配器的分析硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。所谓软件环形分配器，是指实现步进电机通电方式和通电顺序改变的功能不是用专门的硬件电路来完成，而