C普通车床的数控化改造DOC

1、C620普通车床的数控化改造本科生毕业论文（设计）题 目_C620普通车床的数控化改造学 院机电工程学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名 指导教师 撰写日期：2008 年6月10日i摘要针对现有常规 C620 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通 车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 C620 机械改造部分的设计 及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从 而实现纵向、横向的进给运动。改造过程如下：（ 1 ）

2、机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横 向进给方向的改造。 主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选 择及纵向、横向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括 MCS-51 系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。数控系统 采用 MCS51 系列的 8031 单片机扩展系统。因为 MCS51 系列的单片机具 有集成度高、可靠性高、功能强、速度快、抗干扰能力强等优点。关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，有完整word论文，CAD图，英汉翻译 QQ: 383535017AbstractTo remedy the defects of ordinary lath

3、er C620, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine s usage, and to improve production rate 。 This paper presents the process of designing numerical control reform ， and explicitly introd

4、uces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal ，and output the step pulse through the I/O interface 。 After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll 。 Thus

5、achieve the vertical movement and the crosswise movement 。Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut andthecalculation

6、 choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. numerical control system

7、adopts MCS-51 series of 8031 micro-expansion system.Because the MCS-51 family of microcontrollers with a high integration, high reliability, strong function, high speed, anti-interference ability and so on.Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,目录摘要I外文摘要n目录川1.

8、 绪论 12. 总体方案的设计 32.1设计任务 32.2总体方案的论证 32.2.1 机械部分的改造设计 32.2.2 伺服进给系统的改造设计 42.2.3 数控系统的硬件电路设计 42.3总体方案的确定 43. 机械部分的改造设计 63.1纵向进给系统的改造设计 63.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用 63.1.2 步进电机的选用 123.2横向进给系统得改造设计 173.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 173.2.2 横向步进电机的选用 213.3齿轮传动间隙的调整 24274. 电气控制部分的设计274.1 单片机的选择4.2 步进电机的驱动 284.2.1 环形脉冲分配器的选择

9、 284.2.2 功率放大器的选用 304.3步进电机的微机控制 334.4软件程序的实现 355. 总结 40致谢 41参考文献 42有完整word论文，CAD图，英汉翻译 QQ: 3835350171. 绪论机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注， 由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用 数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计 算机的出现和应用， 为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段 随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们 对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机

10、床以其优异的性 能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体 化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具 和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹 紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数 字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码， 运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工 件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加 工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新

11、工件加工。2) 加工精度高；3) 生产效率高；4) 减轻劳动强度，改善劳动条件；5) 良好的经济效益；6) 有利于生产管理的现代化。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置， 使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越 来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的 技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数 控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的 资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改

12、造 普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的 自动化程度， 比较符合我国的国情。 我国数控机床的研制是从 1985 年开始的， 经历了几十年的发展，直到 80 年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺 服系统技术后，我国数控技术才有了质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术 产业才逐渐形成规模。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机 技术的发展更快，应用到数控系统上它既能提高机床的自动化程度，又能提 高加工精度，普通车床的数控改造可以提高加工生产率，改善加工工艺，减 少资金投入。实践证明普通车床的数控改造具有重大的实际价值，为此，普 通机床的数控改造具有较好的市场前

13、景。2. 总体方案的设计2.1 设计任务本设计任务是对 C620 普通车床进行数控改造。利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（Z向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝 杠副。2.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满 足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。2.2.1 机械部分的改造设计为了实现机床所要求的分辨率， 采用步进电机经齿轮减速再传动给滚珠 丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减小摩擦力，选用滚珠丝 杠螺母副。 同时， 为了提高传

14、动刚度和消除间隙， 采用有预加负载荷的结构。 传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 此设计过程主要是纵向进给和横向 进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。车床的的主轴转速保留原 机床的功能，横向和纵向的进给采用步进电机驱动，因此步进电机和滚珠丝 杠的选择尤为重要。2.2.2 伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制 具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用 修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。2.2.3 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基 础，性能的好坏直接影

15、响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有 效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择 CPU应考虑以下要素：1）时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；2）可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；3）I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修 方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计以8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。2.3 总体方案的确定经总体设计方案的论证后，确定C620车床

16、经济型数控改造方案。 C620车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。将原来机床的普通丝杠改为滚 珠丝杠以减小摩擦力。并将 8031 单片机组成的微机作为数控装置的核心， 由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速 后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。由于设计的是 简易型经济数控， 所以在考虑具体方案时， 基本原则是在满足需要的前提下， 对于机床尽可能减小改动量，以降低成本 。步进电机纵向选用 110BF003 、横向选用 90BF002 。 滚珠丝杠参照济宁市华珠机械有限公司的产

17、品样本选取系列， 即外插管 变螺距型滚珠丝杠副。其优点是螺母的轴向尺寸小，而已经预加载荷消除间 隙。纵向进给机构的改造。拆除原机床的光杠，利用原机床进给箱的安装孔 和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安置在原丝杠的位置，两端仍采用原固 定方式。这样可减小改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠， 从而使纵向进给整体刚度只可能增大。横向进给机构的改造。保留原手动机构，用于微进给和机床刀具对零操 作，原有的支承结构也保留。 为了便于安装滚珠丝杠副， 丝杠轴不是整体的， 而采用分移式，然后套筒刚性联接。纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间 隙。纵向齿轮箱和溜板箱均加外置，

18、以保持机床原外观，起到美化机床的效 果，在溜板箱上安装了纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整 时的操作需要和遇到意外情况时的紧急处理需要。3. 机械部分的改造设计（7）不能自锁用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（8）制造工艺复杂滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求咼，故制造成本较咼。1）确定系统的脉冲当量在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用表示，也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数，按机床设计的加工精度选定。本设计所要求的C620的脉冲当量为：纵向（Z向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（X向）脉

19、冲当 量为0.005mm/脉冲。2）车削力的计算工作台重量 W=800N加速时间常数 t=25ms，滚珠丝杠基本导程L=6mm,快速进给速度 Vmax =2m/min。由机床设计手册可知，切削功率Pc = P K式中P 电动机功率，查机床说明书，P=4kW主传动系统总功率，一般为0.60.7，取0.65K进给系统功率系数，取K=0.96贝U Pc =4 0.65 0.96 =2.496kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速 度来计算，即-3式中 Fz 主切削力（N）V 切削速度（m/min）设按最大切削速度来计算，取v=100m/min,则主切削力Fz60巳60 2.

20、496 10100N =1497.6N12#由机床设计手册可知，在外圆车削时Fx EQ10.55 Fz，Fy E0.15O.65 FzFx =0.5Fz =0.5 1497.6N =748.8NFy =0.6Fz = 0.6 1497.6N =898.56N3）滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径d、导程L。、滚珠的工作圈数j、列数k、精度等级等。本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。23.4图2-1双螺母螺纹调隙式结

21、构1、2-单螺母3-平键4-调整螺母破坏滚珠丝杠副的正常工作般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷Co。选取静态安全系数fs=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 Fmax =Fm =1205.76、故最大静负荷为：Co 二 fs Fmax 二 2 1205.76 二 2411.52、。(4)选择滚珠丝杠副滚珠丝杠的选择见表3-1表3-1滚珠丝杠副参数型号公称直径(mm)基本导程(mm)螺旋升角丝杠外 径(mm)丝杠内 径(mm)额定动 载荷(N)丝杠长 度(mm)额定静 载荷(N)4006-3.5 40624439.235.98241001200824

22、00(5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率0.04770.0506-0.943tantan 2044tan 亠1 ta n2054刚度校核主要校核滚珠丝杠在工作负载Fm和扭矩T共同作用下引起的每导程变形量 L是否符合丝杠精度要求。每导程变形量 厶L可按以下公式计算EF2兀, TL0GJ选取 E = 20.6 104(N mm) F = -d = 1017.88(mm)24其中：A1 Fm I01205.766- L143.4 10 mmEF20.6 101017.88,L0 护6x1.08x10厶j_L21.04 10 mm2兀2疋兀Jd： =8.2 104mm4641205.76 6/4

23、 mm =1.08 10 mm824 8.2 10则：二L - L lL2= 3.4 10”1.04 10*= 1.38 10*mm100100L0.000138mm/mL16=0.0023mm/m查表所得，所选用的D级丝杠精度允许误差为10m/ m，满足要求(7)稳定性校核机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使 丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定 性安全系数nk大于许用稳定性安全系数(nQ，则丝杠安全，不会失稳：m 二严-(nQ厂m式中(nk)许用稳定性安全系数，一般取2.54。15PknEJPk 2-丝杠失稳时的临界负载，由：（山）式

24、中1 丝杠长度k-一丝杠轴端系数，由支承条件定。JTT-一截面惯性矩，对实心圆Jd1464对于水平丝杠要考虑自重影响可取（nk） _4将相关数据代入上式中可得-115776N二 2 20.6 1068.2 104(1200)2丝杠不会失稳1157761205.76= 96( nJ滚珠丝杠3.1.2步进电机的选用1）有关齿轮计算传动比S360、0.75 6360 0.01-1.25故取Z1 =32Z2 =40m 二 2mmb=20mm二=20d1 二 mZj = 64mmda1 = d1 2h； = 68mmdf1 =dr _2hf =59mmd2 二 mZ2 二 80mmda2 = d2 2h

25、；二 84mm df2 = d2 -2hf = 75mma = dl 冬二 72mm22）转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量Ji180% 丫180 0.0013.14 0.7580 = 0.468kgcm丝杠的转动惯量Js=7.8 10，D4L=7.8 10* 44 120 = 11.475kgcm7 11.475 6.392.6170.4681.25 = 14.518kgcm3）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M二皿创纵MfM齿轮的转动惯量Jz2 =7.8 106.44 2 =2.617kgcm2Jz2 =7.8 10，84 2 =6.39kgcm2电机转动惯量很小可忽略。

26、总的转动惯量1J r Js Jz2Jz1 J1i最大切削负载时所需力矩M = Mat Mf M 0 Mt快速进给时所需力矩M =M f M 0式中：M amax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩;Mf折算到电机轴上的摩擦力矩；M0由于丝杠预紧所引起， 折算到电机轴上的附加摩擦力据;M/切削时折算到电机轴上的加速度力矩;Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma二10*N9.6T当 n = nmax 时，Ma=Mamaxn maxmaxiS2000 1.256二 416.7r/ min14 518 汇 416 74Mamax10= 2.52N *m = 25.72kgf cm9.6 0.025当

27、n=nt时，Ma=Matntn主fiS100. . fiD1000 100 0.3 1.253.14 80 6二 24.88r / minMat空聾昱10-49.6 0.025= 0.1505N *m =1.536kgr *cmMatFS2 nif WS2 i当=0.8, f=0.16 时0.16 80 0.62 3.14 0.8 1.25=1.223kgf cmPS2二 i10 =0.9,预加载荷P)Fx，贝U32FXS276.38 0.6 1 -0.92x 1 - 00.462kgf -com6 3.14 0.8 1.25M。6二 iFxS76.38 0.6Mt2二 i 2 3.14 0.

28、8 1.25=7.297kgf *cm所以，快速空载启动所需力矩M 二 Mamax M f M。二 25.72 1.223 0.462 二 27.405kgf cm切削时所需力矩M 二 M at M f M 0= 1.586 1.223 0.462 7.297 =10.518kgf *cm快速进给时所需力矩M -M f M0 =1.223 0.462 =1.685kgf *cm从以上数据分析，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时。4）步进电机最咼工作频率S20f max2000Vmax60、= _ 60 0.01=3333.3Hz5）步进电机的选择对于工作方式为三相六拍的步进电机，有Timax

29、max0.86627.40.886=31.6kgf * cm查表选用110BF003型直流步进电动机，其最大径转矩是800N *cm=81.6kgf *cm=110BF003步进电机的外观图及矩频特性图如图3-2 :步进电机的外观图及矩频特性图图 3-2 110BF003110BF003步进电机外形图如图3-3所示21图3-3 110BF003步进电机外形图3.2横向进给系统的改造设计3.2.1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用横向进给方向的设计过程同纵向方向相同1）确定系统的脉冲当量横向（X向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。2）车削力的计算横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2则切削力为

30、纵向的 1/2，则有Fz =0.5 1497.6N =748.8NFy = 0.5Fz = 374.4N3）滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径d、导程Lo、滚珠的工作圈数j、列数k、精度等级等。本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。(1) 计算进给率牵引力 Fm作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的 形式有关。Fm的计算公式如下：

31、横向进给导轨为燕尾形，贝U：Fm 二 KFy f(Fz G)= 1.4 374.40.2 (748.8 300)= 733.92N燕尾形导轨选取参数：K = 1.4, f = 0.2, G = 300N(2) 计算最大动负荷C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷C。计算步骤如下:丝杠转速1000 s n =其中 s = 0.6m min L =51000 0.65= 120 r min寿命L60 n T10(106r )60 120 1500106= 10.8最大动负

32、荷C =3LfwFM-3 10.8 1.5 733.92= 2433*(3) 计算最大静负荷当滚珠丝杠副在静态或低速( n 10r min )情况下工作时，滚珠丝杠副 的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷Co。选取静态安全系数fs=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷Fmax = Fm =733.92、故最大静负荷为Co =fs Fmax =2 733.92N =1467.84、(4) 选择滚珠丝杠副表3-2滚珠丝杠副参数型号公称直径(mm)基本导程(mm)螺

33、旋升角丝杠外径(mm)丝杠 内径(m m)额定动 载荷(N)丝杠长度(mm)额定静 载荷(N)2005 -2.5 205Q ；4 3319.317.21265028031600(5) 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率” tanYtan40330.0796 门“0；0.965tantan40430.0825刚度校核主要校核滚珠丝杠在工作负载Fm和扭矩T共同作用下引起的每导程变形量 L是否符合丝杠精度要求。每导程变形量丄可按以下公式计算4一丄2 =FmLo _ LoEF2兀26式中（nQ 许用稳定性安全系数，一般取2.5 427#Pk丝杠失稳时的临界负载，由：Pk2（T）2 式中丨丝杠长度I丝

34、杠轴端系数，由支承条件定。J 截面惯性矩，对实心圆J d；64对于水平丝杠要考虑自重影响可取（nk） -4。将相关数据代入上式中可得= 1.12 107N二2 20.6 106 4.3 103(1 x 280)2nk1.12 1071873.6= 6000 一 (nk)丝杠不会失稳3.2.2 横向步进电机的选用1) 齿轮的计算传动比i 0.75 52.08360 x 0.005故取乙=24Z2 =50m=2mm b=20mm:-二 20d1 =48mmd2 =100mmda1 =52mmda2=104mmdf1 =44mmdf2=96mm:-=74mm2）转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的

35、转动惯量80 7.0005)I3.14 0.752二 0.0439kg cm丝杠转动惯量Js =7.8 10D4L =7.8 10 鼻 24 282=2.496kg *cm齿轮转动惯量Jz1=7.8 10D4L= 7.8104.84 2= 0.828kg cm2Jz2=7.8 10D4L =7.8101042 =15.6kgcm2电机转动惯量忽略。总的转动惯量1J Jg Jz2Jz1 J1殛严 .496 +15.6)+0.828+0.0439=5.054kg *cm3）所需转动力矩计算a max5.054 416S 一 59.6T 加 RST/t pp RXDg TXDg TsP期Tig ：W

36、R. P辭RD，Paj ； XTALi 一 XTAL(10 M1113141516171840的靄舁363534甜323130292827262524232221EA/隔 ALE/PROG PSENP布PmpiP2MP珀 PuP即Pj.O图 4-1 8031引脚图本设计选用8031芯片，片内无 ROM或者EPROM使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM本设计选用了 27128扩展其空间，8031的引脚分3大功能：1) I/O 口线R,Pi,P2,P3共 4 个八位口。2）控制口线PSEN片外取指控制）、ALE （地址锁存控制）、EA （片外存储器选择）、RESET （复位控制）。3）电源和

37、时钟。8031最小应用系统。8031内部不带ROM需要外接 EPROM乍为外部程 序存储器。又因为 8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片6264数据存储器储存数据。这样，两片27128EPROM和一片6264组成了一个最小的计算机应用系统。4.2步进电机的驱动CH25Q其管脚图见图 4-2 :15 HB12II10。J?CBAfrR）CH 2S0JAJ miFNCLU鎂I11 1I23456?g图4-2 CH250管脚图CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电机的要求，输出电流能力为

38、0.5mA，经推动级、驱动级放大后即可驱动电动机绕组。CH250在供三相六拍步进电机工作时，线路中的接线见图4-3 :横向部分为90BF002五相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为PMM8714其管脚图见图made se：GNDPD inputReset inputAv I123 4 6 5 7 33 11111111 22PMM3714FT图4-4 PMM8714管脚图422功率放大器的选用从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。

39、步进电机所使用的功率放大器有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型（高低压型）。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。1）单电压功率放大电路此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。图4-5单电压功率放大器2）高低电压功率放大电路电源U1为高电压，电源大约为 80150V, U2为低电压电源，大约为520V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管 VD1的作用，使绕组只加上高电压U1,绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止

40、，电动机由低电压 U2供电，维持规定电流值， 直到VT2输入脉冲下降沿到来 VT2 截止。图4-6高低电压功率放大电路不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。3）斩波恒流功放电路该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“ 0”电平，由与门A2输出Vb为“ 0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组 W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当 Vin为高电平时，由与门 A2输出的Vb也是高电平，功率管 VT导通，绕组 W上 有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压 Vf，由分压电阻 R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决

41、定Al输出电平的高低，来决定 Vjn信号能否通过与门A2。若Vref Vf时Vin信号通过与门，形成W正脉冲，打开功率管VT;反之，Wef Vf时Vin信号被截止，无 V正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。图4-7斩波恒流功放电路通过比较选择，本设计中选用单电压功率放大电路。为了避免功放后强 电对弱电产生干扰，应在环形分配器和功率放大电路之间加一个光电隔离电路。4.3步进电机的微机控制步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。简单 地控制过程可以用各种

42、逻辑电路来实现，但缺点是线路复杂，控制方案改变困难，自从微处理器问世以来，给步进电机控制器设计开辟了新的途径。各 种单片微型计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两 种方式。串行控制。具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具 有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器，所以在这种系 统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图4-8并行控制。用微型计算机系统的数个接口直接去控制步进电机各相驱动 电路的方法称为并行控制。在电机驱动电源内，还包括环形分配器，而其功 能必须由微型计

43、算机系统完成。由系统实现脉冲分配器的功能又有两种方 法：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导 通或截止的信号。第二种是软、硬件相结合的方法，这里有专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电机各相导通或截止的信号。并行控制方案的示意图见图4-9 :图4-9并行控制示意图最后我们将选择的元件用线连接，就可以画出设计所需要的电气控制图了。详细图纸内容见图纸。4.4软件程序的实现1）偏差计算公式按逐点比较法原理，必须把每一个插值点（动点）的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差即偏差计算出来。根据偏差的正负决定下一步走向， 逼近给定轨迹。

44、假定加工如图的直线 0A取直线起点为坐标原点，终点坐标（Xe,ye）是已知的。M（ Xm,ym ）为加工点（动点），若m在0A直线上，则根据相似三角形关系可得:Xeye即 ymXe _Xmye =0由此可得直线插补的偏差判别式为:m =ymXe XmYe若Fm = 0 , m点在OA直线上；Fm 0, m点在OA直线上方；Fm : 0, m点在OA直线下方。逐点比较法直线插补的原理是：从第1象限直线的起点（即坐标原点）出发，当Fm 时，沿+x轴方向走一步；当 Fm 0时，表明m点在0A上或在OA上方，应沿+x方向进给一步，走一步以后新的坐标值为：Xm Xm - 1ym 1 二 ym该点的偏差为

45、：Fm 1 二 Ym 1Xe Xm二 ymXe （Xm 1）丫。二 Fm 一e当Fm0或FV 0，这是逻辑运算，根据逻辑运算 的结果确定下一步进给方向和新的偏差计；*坐标进给：根据所在象限及偏差符号，确定沿哪个坐标以及是沿正 向还是负向进给；*偏差计算；进给一步后，计算新的加工点对给定轨迹的偏差，作为下一次偏差判别的依据；*终点判别：进给一步后，终点计数器减1。判断是否到达终点，未到达终点返回第1步。如此不断循环直至到达终点为止。4）直线插补程序设计在单片微机数字程序控制系统中，用插补计算程序完成插补计算，称之为“软件插补器”。下面以插补第1象限直线、第2象限直线为例，介绍直线插补计算子程序的设计。直线插补计算子程序需3个入口参数，它们是终点坐标值xe,ye及总步数 刀。这些参数由调用程序查询数据表得到，并存入入口单元 Xe,Ze 及BS;本子程序还用一个工作单元存放走步过程中加工点偏差值，初态为0。根据系统要求，上述4个单元均为3B。另外，在数控车削系统中，y轴表示为z轴，以与数控加工的 ISO代码一至。47图4-10第一象限直线插补计算子程序