机械设备改装课程毕业论文.doc

湖南省张家界航空职业技术学院毕业论文机械设备改装课程毕业论文目录摘要-IABSTRACT-II前言-一、概述-1 1.1普通车床数控改造-1 1.2 普通机床数控化改造经济性评价-2 1.3数控机床伺服系统的选择-6二、车床改造方案的确定-7 2.1 普通车床的构成-82.2 步进电机的控制选择、安装、与控制-92.3 普通车床传动系统的改造-10 2.4 车床改造机械部分具体零件的设计 11 2.5 驱动电路的确定-3 2.6 I/O接口的确定-13三、改造车床主轴及控制系统-15 3.1改造主轴电机-15 3.2改进刀架-15四 步进电机驱动电路的设计-17 4.1 功率放大器的设计-18 4.2 环形分配器的设计-21五 步进电机控制系统的设计-255.1 步进电机的控制方案-25 5.2 步进电机的恒速控制-265.3 步进电机的变速控制-28七 结束语-32八 致谢-33参考文献-34I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。1.3数控机床伺服系统的选择 数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 1.3.1开环控制系统 系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。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，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。该机床数控化改造纵向和横向进给伺服驱动选择开环步进电机控制 1.3.2闭环控制系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。由于闭环控制代价高，适用于精密和高精密数控机床，对于经济型数控机床选择此系统，无疑提高了它的成本和调试难度。 1.3.3半闭环控制系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。由于它的性价比高，大部分普通机床数控化改造都采用此系统。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 改造车床主轴及控制系统3.1改进主轴电机3.1.1主轴脉冲编码器的概述脉冲编码器又称脉冲发生器，它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测器。能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置控制装置。脉冲编码器控制方式的特点： （1）控制方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。 （2）由于光电交换器性能的提高，可得到较快的响应速度。 （3）由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本底。 （4）抗污染能力差，容易损坏。3.2 改进刀架3.2.1改造刀架的目的普通车床的上带有手动刀架。根据加工要求和生产情况，对刀架进行改造，提高生产率、降低工人劳动强度、为实现自动化加工提供前提条件。3.2.2刀架的选择经过比较，选用常州宏达机床设备厂生产的LD4C0625型四工位电动刀架。作为车床的电动刀架。可以完成粗精车，车螺纹和切槽（断）等加工的换刀工作，结构简单且实用。刀架的转速驱动由三相微型异步电动机来驱动完成3.2.3刀架的工作原理在加工过程中，选刀时在程序中输入被选刀具的的TXX（刀具号）和DXX（刀沿号）。PCU单元通过PLC的输出端口通过X111的Q0.4接通电动刀架的正转继电器使刀架正转，当所选刀具到达加工位置时，刀架上的集成霍尔单元则发出信号，通过PLC输入端口将X111的I0.0I0.3信息传递给PUC单元结束选刀。3.3 X、Z轴的限位输入端设置为负逻经过分析现有数控机床的限位控制电路的缺陷，想出一种新的限位控制方式，既负逻辑控制。其基本思路是：使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下I/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。 采用负逻辑的输入方法，这样有利害、于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继点器，接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器，接触器处于始终接触状态。这会造成损耗大，元件升温，寿命缩短等问题，并且元件间机械接触，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统其控制逻辑由逻辑电子线路实现，不会出现以上问题，本次数控改造使用的数控西门子802D数控系统，实现负逻辑输入要软件，硬件两方面配合才能实现。 硬件连接 数控机床中PLC的输入点有以下两中连接方法，其原理是：当机床运动超程时压下行程开关SQ1，SQ1闭合PLC内的光点欧合器件得点，PLC认为该点的逻辑值为“1”，信号有效，PLC执行相关操作。这种方法的缺点在于当+丛4V端子到PLC输入点之间的线路接触不良或开路则会造成SQ1无效（即使SQ1被牙下闭合），而导致机床出现大事故。负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点。当正常情况下SQ1是闭合的。该输入点的逻辑值为（1），当SQ1被压下断开时输入点逻辑值为“1”设为无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从+24端子到PLC的输入点之间的线路出现开或接触不良时，该点被认为有效，机场会立即报警，必须在电路连接良好的情况下才能正常运行。这中方法排除了因限位电路开路而造成的故障的可能性，机床的安全性得到提高。 软件设置 负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态。其方法有两种： （1）在PLC编程时通过程序实现。 （2）通过设定机床参数实现。 在这两种方法种，要求数控系统具有可以对其PLC输入，输出端口的逻辑有效状态进行修改的功能。西门子的SINUMERIK 802S数控系统既有此功能。本次改造对限位等影响机床安全的输入点才用负逻辑就是采用的第2种方法。 采用负逻辑存在的问题及对策 数控机床的PLC输入点采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电藕合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小（只有几毫安，输入电路只消耗即使毫瓦）因此系统的消耗增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光点耦合器的工作寿命大于10万小时，以每台机床每天工作10小时计，可以保证机床正常工作20多年，对机床寿命也不会造成影响四 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，而是用编程的方式，即以指令驱动的方式来完成的。在本设计中我们采用软件环形分配器。4.2.2 软件环形分配器在控制系统中的应用（1）软件环形分配器的硬件接口电路图如4-3所示图 4-3软件环形分配器的硬件接口电路图这是一个用8031单片机构成的微机数控系统的一部分结构。其中采用通用接口芯片8255的PA口作为步进电机的控制口。一台三相步进电机需要三个口位。每个口位连接步进电机的一相定子绕组，这些口位代替了硬件环形分配器的触发器。按照图示结构，PA0、PA1、PA2三个口位通过隔离放大电路后分别接到X向步进电机的A、B、C三相绕组，这样，只要能够通过软件设置使PA0、PA1、PA2 三个口位按步进电机的通电方式和方向的要求分别置1和清0，就相当于给A、B、C三相绕组通电或断电。在这个微机控制系统中，不需要用专门电路把单序列脉冲转换为多序列脉冲，也不需要把相当于硬件环型分配器的触发器输出端QA、QB、QC的PA0、PA1、PA2再送到什么数据总线D，因此这个系统中没有硬件环形分配器。但如果步进电机也需要按照单三拍方式轮流通电，那么PA0、PA1、PA2也需要轮流置1并在需要断电时及时清0，这个使步进电机改变通电方式和方向的工作是用软件实现的，所以称之为软件环形分配器。（2）软件环形分配器的控制表实现软件环形分配器的关键是要设计一个控制表。在这个控制表里要存放步进电机定子绕组通电状态字和状态字的存放单元。状态字的存放单元被称做地址指针。状态字是一个用二进制表示的数据，这个数据是按照接口电路中各个口位所对应的每个节拍中的各相绕组的通电状态，1代表通电，0代表断电得来的。如表4-1所示口位PB0PB1PB2PA0PA1PA2绕组YCYBYAXCXBXA节拍100000120000113000010400011050001006000101表 4-1三相六拍步进电机正向通电各口位与通电状态对照表这是按照X向电机取三相六拍方式正向通电顺序节拍情况下接口各口位与绕组各相通电状态对照表。按照下述方法来理解这张表:横向看第1节拍：A相通电，XA = 1 PA0 = 1 此时在整个PA口得到一个数据：PA = 00000001B = 01H横向看第2节拍：A相通电，XA = 1 PA0 = 1 B相通电，XB = 1 PA1 = 1 此时在整个PA口得到的数据：PA = 00000011B = 03H 按照上述方法对应每个节拍在PA口上，都能得到一个数据，这个数据就是步进电机通电状态控制字。本表中对应各节拍的控制字是： 1节拍：PA = 01H 2节拍：PA = 03H 3节拍：PA = 02H 4节拍：PA = 06H 5节拍：PA = 04H 6节拍：PA = 05H 得到控制字后就要把它送到存储单元中保存。这些控制字在微机数控系统中是重要的数据，必须考虑即使掉电数据也不能丢失，所以，这个控制字要存放在EPROM中。而对于用8031主芯片构成的51单片机的数控系统中，必须先扩展出EPROM才行。下面假设系统已经扩展了EPROM，我们选择从4000H单元开始存放这些控制字，这就是控制表如表4-2所示。节拍123456单元地址4000H4001H4002H4003H4004H4005H控制字01H03H02H06H04H05H通电状态AABBBCCCA表 4-2软件环形分配器的控制表将控制字与控制口对应后，只要按照节拍步骤，轮流向控制口输送各个控制字，就能使对应的步进电机各相绕组按照节拍顺序通断电了。将控制字与内存单元地址对应之后，就能按照节拍步骤，轮流向内存单元取控制字，然后输送到控制口，实现对应的步进电机各相绕组的通断电。从内存单元取控制字，并将控制字送到控制口的任务是用控制软件来实现的。即由控制软件实现：指针指向第1个存储单元4000H 取控制字 01H 送PA口，实现A通电指针指向第2个存储单元4001H 取控制字 03H 送PA口，实现AB通电 指针指向第6个存储单元4005H 取控制字 05H 送PA口，实现CA通电一个轮回以后，步进电机只走了6步，只要总步数超过6步，步进电机就还要继续运行，就要重新从从第1个存储单元4000H 取控制字 01H 送PA口，再次实现A通电，这就是体现软件环形分配器思想的重要步骤。要将顺序执行到表底4005H的指针重新指向表头4000H。除此之外还有一个软件设计的重要问题需要强调：那就是指针的保存问题。保存指针，实际就是保存刚刚实现的通电状态，因为指针所指的存储单元里存放着步进电机的通电状态。（3）正反转程序设计本控制程序采用的是“查表法”按一定的节拍顺序由并行输出口送出01H、03H、02H、06H、04H、05H则电机将以A-AB-B-BC-C-A的六拍方式工作即正转，反之则逆转。在输出脉冲前要对8255初始化。五 步进电机控制系统的设计5.1 步进电机的控制方案5.1.1基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如下所示。 图5-1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。5.1.2 基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法,达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。本方案有以下优点(1)单片机软件编