数控车床控制系统设计 - 修改-终稿 - 定稿

页绪论我国是世界上最大的工业产品生产制造国。生产制造世界上80%的工业产品。为了生产制造大量的工业产品就需要大量的高精度XY轴数控车床作为生产设备。同时随着电子自动化技术发展，XY轴数控车床设计制造技术不断更新迭代。只有先进的高精度XY轴数控机床才能满足现在生产工业产品的需要。所以，深入研究设计制造高精度XY轴数控机床是我国提高生产制造工业产品的迫切需要。1.1课题来源及意义1）数控车床设计依据XY轴数控车床设计制造技术的更新迭代经历了三个阶段。第一阶段，XY轴数控车床控制技术发展阶段叫做数字控制（NC）阶段，在这个阶段XY轴数控车床的控制电路主要由晶体管元件组成。第二阶段，XY轴数控车床控制技术发展的阶段叫做数字计算机控制（CNC）阶段，在这个阶段XY轴数控车床的控制电路主要由集成电路和晶体管元件组成。第三阶段，XY轴数控车床控制技术发展的阶段叫做智能网络控制阶段。在这个阶段工业通讯网络技术突飞猛进的发展、计算机智能算法日益成熟，XY轴数控车床控制技术也得到突飞猛进的提高。以前在生产过程中中使用的XY轴数控车床都是独立运行的，需要专业工人修改参数后才能生产制造产品。操作XY轴数控车床的过程比较繁琐。XY轴数控车床生产制造产品的生产效率十分低。只有当XY轴数控车床控制技术发展到第三个阶段，XY轴数控车床控制技术才是开放的、联合运行的XY轴数控车床集群。现代化工厂的各个部门才能通过网络紧密联合成一体。XY轴数控车床发展到智能网络控制阶段代表着XY轴数控车床的未来发展方向。XY轴联动高精度数控车床是一种技术含量高、精密度高、专门用于加工大尺寸高精度零件的车床。飞机上的框架、机翼由于体积大，加工精度高的特点，只有XY轴联动高精度数控车床才能加工。总结以上所述，我们可以发现，国内XY轴数控车床设计制造技术还不完善。国外XY轴数控车床朝着智能化、巨型化方向发展。由于材料加工、计算机技术等方面的欠缺。国内XY轴数控车床需要结合具体行业研发换用的XY轴数控车床。因此，本文希望研究国内XY轴联动高精度数控车床的客观发展现状，借鉴国外XY轴联动高精度数控车床的最新技术。结合加工精密结构件的需求，以及国内XY轴数控车床产业链自身特点和发展现状研发设计XY轴联动高精度数控车床。可见研究高精度XY轴数控车床的设计制造对于促进制造业工业化、机械化、现代化具有重要意义。2）课题的意义通过对本文课题的研究一方面能够正确运用结构设计、传动结构设计等方面的知识设计XY轴联动数控车床机械部分。另一方面能够正确运用机电控制系统的控制电路，软件设计知识设计XY轴联动数控车床电控系统部分。在设计XY轴联动数控车床过程中熟悉拟定、比较设计方案、分析技术参数和计算设计参数等过程。我国拥有数十万台车床，但大部分车床结构简单。不能加工复杂、精密的零件。XY轴联动数控车床可以加工不同尺寸的复杂的精密零件。同时XY轴联动数控车床结构简单、成本低。可以快速生产制造XY轴联动数控车床。所以研究XY轴联动数控车床可以快速提高我国生产制造精密零件能力。1.2发展现状与发展趋势我国数控技术起步于20世纪中期，纵观其发展历程，可以划分为三个阶段：我国生产的数控车床在国内市场占有率达到了百分之五十。在这之后，我国开始进入生产高精度精密数控车床、高速数控车床的发展过程。目前我国对XY轴联动数控车床的需求量日益扩大。我国的XY轴联动数控车床产量在飞速增长。我国XY轴联动数控车床产量从2004年的51,861.00台增长至2013年的209,287.00台。从以上数据我们看到了我国在XY轴联动数控车床领域取得的一些成绩。另一方面，我国制造业大量采购XY轴联动数控车床和生产制造XY轴联动数控车床能力不足的矛盾十分突出。目前，国内对中高档XY轴联动数控车床的需求量超过低档XY轴数控车床。目前，XY轴联动数控车床在工业生产中得到了广泛的应用，已成为机械自动化的一个重要产业。1.3论文结构及主要研究内容1.3.1研究方法本文研究主要采用文献研究法，搜索国内外优秀企业制造的XY轴数控车床产品；比较分析法，对比分析不同型号XY轴数控车床产品的优点和缺点。然后列出设计XY轴数控车床需要解决的问题。根据问题清单再检索文献寻找成熟的解决问题的办法。这样在解决问题的过程中逐渐形成了初步设计XY轴数控车床的构思。第一部分引言1.3.2研究框架第一部分引言第二部分第二部分国外先进的的五轴数控机床分析第四部分第四部分设计电路和程序第三部分建立三维模型第五章第五章仿真优化分析图1.3.2研究框架图1.3.3研究阶段本研究共分为四个阶段：（1） 文献资料的收集阅读、选题;（2） 文献综述的撰写;（3） 建立三维模型;（4） 设计电路，编程仿真测试;（5） 论文初稿的撰写;（6） 论文修改并最终定稿;以XY轴联动主控车床为主要的研究对象。分别研究XY轴联动数控车床的机械结构和零部件；XY轴联动数控车床的控制电路；XY轴联动数控车床的软件等设计问题进行研究，具体内容如下：1.XY轴联动数控车床总体方案的确定(1).数控装置设计参数的确定；(2).方案的分析，比较，论证。2.机械部分的设计(1).确定脉冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分析。3.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计研究目标如下：设计具有网络联动功能的高精度XY轴数控车床；根据设计XY轴数控车床的要求和技术参数设计XY轴数控车床的结构件、传动系统；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；采用三维建模软件solworks2018进行XY轴数控车床零件运动分析。设计方案对比：国内外XY轴数控车床针对不同的市场，所以国内外生产XY轴数控车床有不同的特点：1.国内XY轴数控车床生产厂家以沈阳第一机床厂为代表。沈阳第一机床厂生产的XY轴数控车床以中小型为主。优势是数控车床运行速度快、切削精度高。价格适中。不足之处是只能切削1500X1500X1000mm尺寸的零件。2.国外XY轴数控车床生产厂家以欧洲的企业为代表。国外生产的XY轴数控车床以大型XY轴数控车床为主。优势是可以加工大型零件（3000X3500X2000mm），加工精度高，切削速度快。可以通过网络控制数控车床。本文设计两种设计方案：方案一采用专用PLC作为数控车床的控制中心，触摸屏编辑数控车床参数。系统结构图如图1.2所示本方案的优点是采用成熟数控模块。编程速度快。缺点是成本高。触摸屏触摸屏PLC电源PLC电源水冷水泵水冷水泵伺服控制器1伺服电机1伺服控制器1伺服电机1伺服控制器2伺服电机1伺服控制器2伺服电机1伺服控制器3伺服电机1伺服控制器3伺服电机1图1.3.3方案1系统框图方案二采用实时控制系统作为数控车床的控制中心，触摸屏编辑数控车床参数。系统结构图如图1.3所示本方案的优点是实时控制速度快、成本低、性价比高；缺点是要进行编程，工作量比较大。但是可以用实时操作系统的功能模块提高变成速度，减小工作量。控制电路板电源控制电路板电源伺服电机1编码器1伺服电机1编码器1伺服电机1编码器2伺服电机1编码器2伺服电机1编码器3伺服电机1编码器3图1.3.3方案2系统框图讨论方案根据设计要求和两个设计方案对比。采用设计方案2比较合理，设计出来的产品可以快速推向市场。第一章数控系统方案确定1.1总体方案步骤确定数控车床XY轴联动数控车床与控制系统是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化车床。数控车床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。由于该设计主要考虑XY轴数控车床和控制系统的设计，总体方案设计包括：1运动功能设计，确定XY轴数控车床运动轴的数量，每个运动轴的运动方式以及控制精度；2基本参数设计，确定XY轴数控车床的导轨材质长度，XY轴数控车床支撑件材质和尺寸等；3传动系统设计，确定XY轴数控车床的伺服电机功率，滚珠丝杠尺寸设计；4图纸模型设计，设计XY轴数控车床的零件图纸、和三维仿真模型以及电路图；5控制程序设计，设计控制XY轴数控车床的程序并仿真检验控制程序设计主要内容：该设计旨在单片机控制伺服电机驱动的多用XY轴联动数控车床确定，通过总体方案步骤的确定得出主要设计内容如下：6机械部分的设计1）确定脉冲当量，XY轴联动数控车床有效行程，进给速度工作载荷等；2）机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；3）传动元件及导向元件的设计，计算和选用；4）伺服电机计算、选用；5）绘制机械结构装配图；7数控系统的设计1）确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。2）电气控制系统设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）3）系统控制软件的设计。1.2设计系统方案的确定数控车床XY轴联动数控车床与控制系统是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化车床。数控车床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。X轴伺服驱动系统Y轴伺服驱动系统Y轴伺服驱动系统Y轴步进信号Y轴步进信号工作指令信号X轴步进信号指令输出装置插补装置轨迹指令工作指令工作指令信号X轴步进信号指令输出装置插补装置轨迹指令工作指令数控程序图1.2.1设计方案系统框图1.3XY轴联动数控车床各项参数的初步确定总体方案步骤确定1）XY轴联动数控车床主要参数：该XY轴联动数控车床可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工，铣刀直径，铣削最大深度=5mm，由公式，确定齿数为5，XY轴联动数控车床最大加工移动速度取1000mm/min，工作载荷FZ=1000N，预期工作寿命T=20000h，定位精度0.01mm，摩擦系数f=0.01，系统脉冲当量为0.01mm。设计XY轴联动数控车床加工范围为270×180 mm2,厚度为40mm，XY轴联动数控车床的材料为45号刚，其密度为7.8g/cm³,取g=10N/kg，导轨板的材料选HT150灰铸铁，密度是7.2g/cm³。1.4控制系统的选择开环伺服系统框图如下：图1.4.1设计方案系统框图计算计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台图1.4.1设计方案系统框图

第二章机械部分设计2.1设计主要思路XY轴联动数控车床的固定平台有X轴、Y轴两个移动方向。普通的螺旋推进机械或齿轮齿条传动机构不能满足XY轴联动数控车床的控制要求。XY轴联动数控车床的固定平台的XY轴移动装置既要求有较高的传动精度,又要求结构紧凑。所以选用螺旋机构。但是螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动,磨损较严重,影响XY轴联动数控车床传动精度。而且螺旋机构寿命短,效率低,不能满足XY轴联动数控车床高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使XY轴联动数控车床运动灵敏又能满足精度要求,可以选用滚珠螺旋机构作为XY轴联动数控车床XY轴传动机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放入适当数量的滚珠,使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。现采用了间隙可调的滚珠丝杠传动。为使传动稳定可靠,采用丝杠转动,螺母带着XY轴联动数控车床固定平台作移动的传动形式。螺母带着XY轴联动数控车床固定平台在底座的导轨上移动,因为运动部件重量不大,切削力也不大,行程较小,所以确定采用有预加载荷双v形滚珠导轨作为XY轴联动数控车床的传动机构。XY轴联动数控车床需要计算对滚珠丝杠、滚珠导轨、伺服电机的参数，并选择核实型号的配件。使滚珠丝杠、滚珠导轨、伺服电机满足XY轴联动数控车床传动机构高速度、高效率、高精度的要求。2.2XY轴联动数控车床外形尺寸及重量估算根据设计XY轴联动数控车床的有效行程，画出XY轴联动数控车床简图，估算X轴向和Y轴向XY轴联动数控车床承载重量WX和WY。取X轴向导轨支撑钢球的中心距为160mm,Y轴向导轨支撑钢球的中心距为220mm,考虑夹具夹紧工件的需要，设计XY轴联动数控车床简图如下:图2.2XY轴联动数控车床简图XY轴联动数控车床台面尺寸为:长*宽*高上拖板尺寸为:长*宽*高初设上导轨长度：动导轨长度240mm，动导轨行程270mm，支承导轨长度510mm下导轨：动导轨长度240mm，动导轨行程200mm，支承导轨长度440mm重量估算：台面重量：W1==187N托板重量：W2=≈283NX方向导轨滑块重量：G1=≈45NY方向动导轨滑块重量：G1=≈20N夹具及工件总重量：约160N电机重量约为15N/个XY轴联动数控车床运动部分重量：=187+20+160=367N数控车床运动部分总重量约为:=187+283+45+20+160+15=710N2.3滚动轨道参数计算与选型2.3.1、导轨的选用和计算滚动直线导轨的主要设计参数有导轨的尺寸参数计算、额定载荷的计算、额定行程长度寿命和额定工作时间寿命。XY轴联动数控车床额定静载荷：根据给定的工作载荷和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查找国家标准资料选取合适的导轨：系统受中等冲击,可取=4.0=0.5（1000+187）=594N=0.5（1000+283）=642N=4594=2376N=4642=2568N根据计算额定动载荷确定滚动导轨的型号及结构尺寸，选择导轨LG15KL，可知其载荷C远小于所选导轨额定动载荷。表一、LG15KL型滚动直线导轨参数额定载荷（KN）额定静力矩（Nm)导轨长度L(mm）单向行程长度Ls（mm)每分钟往复次数（次/分钟）动载荷静载荷MaMbMc31568.714.57070112图2.3.1各型号滚动直线导轨参数2.3.2、额定行程长度和工作时间寿命根据设计好的方案来验证导轨的工作寿命（小时），要求寿命不低于20000h；计算导轨行程长度寿命（Km)，当滑座运动速度低于15m/min时，若温度在以下，导轨硬度为60HRC时，无明显冲击和振动由下式可得：F=1000/4=250N245650km852950h>T=20000h由于导轨和导轨副均为标准件，可在型号产品中得到具体参数，所以在设计中对导轨的描述用代号确定，后面的设计过程其他的传动元件同理，在CAD画图中只表示其大致结构。图2.3.2滚动直线导轨参数2.4滚珠丝杠计算、选择2.4.1、确定当量载荷由于本文XY轴数控车床设计只对丝杠的移动速度有要求，对转速没有要求。故初选丝杠导程为Ph=5mm，则丝杠转速=/Ph=200r/min。估测系统走刀抗力约为320N。本文XY轴数控车床系统速度没有变化，其当量载荷即为其最大载荷，取其摩擦系数f=0.01。X轴方向载荷：==325NY轴方向载荷：==330N2.4.2、丝杠载荷计算、选择丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；取f=0.004，Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。则:580N698N寿命值：，其中丝杠转速(r/min)，T=20000hn===200r/minL==240最大动载荷：式中：为载荷系数，取冲击效果为中等，由表：载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动1~1.21.2~1.51.5~2载荷性质系数可知中等冲击时为1.2~1.5；为硬度系数，HRC≥58时为1.0。取冲击时=1.5，=1则:≈5405N≈6480N根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数形状如下:图2.4.2滚珠丝杠参数图图2.4.2滚珠丝杠副参数图其额定动载荷为14498N>足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径――20mm螺距――５mm接触角α――钢球直径――3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm2.4.3、传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。==0.962.4.4、丝杠刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：Y向滚珠丝杠受力最大696.5N，=0.5cm，2.14cm因丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，忽略不计。选择丝杠精度4级，此时则导程变形总误差为：<=192.5支撑座的参数轴承是和滚珠丝杆过盈配合的，滚珠丝杆的连接端的直径为20mm，把丝杆磨小，使他们之间的配合是过盈配合。滚珠丝杠安装方式为一端固定一端铰接，固定端和支撑端装均用深沟球轴承，滚动轴承型号为6302-2Z,该型号的参数如下：表2-11滚动轴承103GB276-89参数外形尺寸（mm)安装尺寸(mm)dDBD1D2154213213712.6齿轮计算、设计2.6.1、确定齿轮参数因伺服电机步距角α=1.5˚/step。滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.齿轮传动比：==0.48，选Z1=24，Z2=50因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:分度圆直径:齿顶圆直径:齿根圆直径:mm齿宽：（取值为0.2-1.4）中心距:齿轮参数计算尺寸见下表：表2-12齿轮参数Z2450d=mZ2450d0=d+2m2652d1=d-2×1.25m21.547.5b=(0.2~1.4)mz88a=(d1+d2)/237分度圆压力角:2.6.2、齿轮传动消隙XY轴联动数控车床的进给系统处于频繁改变运动方向状态。XY轴联动数控车床的进给系统反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使XY轴联动数控车床的进给系统进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响XY轴联动数控车床的进给系统驱动精度。因此必须采取措施消除XY轴联动数控车床的进给系统齿轮传动中的间隙。提高XY轴联动数控车床的进给系统的驱动精度。由于该设计中齿轮尺寸较小，使用结构简单的偏心轴套消除侧隙，其结构如下：图2.6.2消隙结构2.7伺服电机的选用伺服电机的步距角θb取系统脉冲当量=0.01mm/step，初选伺服电机步距角：θb=2.7.1、伺服电机启动力矩的计算设伺服电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中P为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，机械传动效率。若取，则s＝，且。所以：式中：Ps为移动部件负载，G为移动部件质量（N），Pz为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），u为导轨摩擦系数，为伺服电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。本设计取=0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），＝0.96，==320N。考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此G＝=698N，所以有：=≈13.5N.cm考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：≈33N.cm（取安全系数为0.4）对于工作方式为三相六拍的伺服电机：==38N.cm伺服电机的最高工作频率

=1667HZ为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个55BF004型三相反应式伺服电机.电机有关参数如下:55BF004单机参数型号主要技术参数外形尺寸重量步距角最大静载荷最高启动频率相数电压电流外径长度轴径55BF0041.549.022003273556266.52.7.2、伺服电机惯性负载的计算伺服电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为伺服电机轴的转动惯量；为齿轮１的转动惯量；为齿轮２的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：15.53292.537.44电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：=0.925编程序时采用一定算法保证加速度不超过这个数值。

第三章车床数控系统设计3轴联动数控车床控制电路复杂，每个驱动轴都有独立的驱动电路。而且需要有单独的数字控制系统协调5个轴配合运动，进行插补计算。要完成以上功能，国内外常用的方法是设计实时嵌入式单片机系统。如图3.1是XY轴联动数控车床的控制电路。其中有主要系统运行芯片、驱动控制芯片、光电隔离控制芯片。采用实时嵌入式单片机控制电路的优点是控制精确，实时响应速度快。采用实时嵌入式单片机控制电路的缺点是编程复杂、测试周期长。这个方案的设计过程往往是由一个团队来完成。所以不适合作为本课题的设计方案。图3.1XY轴联动数控车床的控制电路图设计XY轴联动数控车床控制电路的另一种方案是采用高速XY轴联动控制PLC和专用伺服驱动模块联合完成XY轴数控车床的控制系统。这种设计方案的优点是有许多成熟的控制模块可供选择。研发周期短，测试周期短。可以快速地完成设计任务。这种设计方案的确定是响应速度不能做到实时响应。但对于XY轴数控车床这种设计方案是足够了。3.1、确定硬件电路的总体方案数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1）主控制器。即中央处理单元CPU2）总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3）存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4）I/O输入输出接口：包括键盘、信号变换电路、显示器等。行程控制行程控制存储器R存储器RAMROM主控制器主控制器控制对象信号控制对象信号变换I/O接口存储器RAMROM存储器RAMROM存储器存储器RAMROM图3.1.1数控系统电路图XY轴联动数控车床控制电路复杂，每个驱动轴都有独立的驱动电路。而且需要有单独的数字控制系统协调5个轴配合运动，进行插补计算。如图4.2所示XY轴数控车床控制电路主要有两大部分（PLC控制电路、数控电路）。PLC控制电路完成数控车床的自动运行、手动运行、维修等操作模式以及故障报警。由于XY轴数控车床的五个轴和主轴的运动控制必须紧密配合。所以必须用数控电路统一协调控制5个轴的直线伺服电机运动。X轴直线伺服电机X轴直线伺服电机数控电路伺服驱动单元Y数控电路伺服驱动单元Y轴直线伺服电机Z轴直线伺服电机Z轴直线伺服电机AA轴旋转运动伺服B轴旋转运动伺B轴旋转运动伺服伺服驱动单元组合二CC轴旋转运动伺服触摸屏冷却油泵控制柜部分触摸屏冷却油泵控制柜部分PPLC控制电路图4.1.1电路结构图表4.1GTB—43P7ZBB15—H5GB技术规格型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转矩（N.m）额定频率（HZ）GTB—43P7ZBB15—H5GB3.7310/3809.8/823.650额定转速(r/min)极数（P）最高转速（r/min）转动惯量（Kg.m2）风机功率（W）风机电压（V）1500480000.013475380变频器的规格如表4.2表4.2CIMR-JB2A0018变频器技术规格型号额定输入电流（A）额定输出电流（A）最大输出电压（V）额定频率（HZ）频率控制范围（HZ）CIMR-JB2A001818.517.531050/600.01-400允许电压波动允许频率波动加减速时间（S）速度控制范围标准适用用电机容量（KW）载波频率（KHZ）-15—+10%±5%0-60001：20—1:403.72主要的控制功能顺势停电再启动、速度搜索、加减速时间切换冷却风扇ON/OFF功能、滑差补偿、转矩补偿、频率跳跃频率指令上下限设定、启动停止时直流制动、过励磁制动、故障重试等。保护功能电机保护、瞬时过电流保护、过载保护、低电压保护瞬时停电补偿、制动电阻器过热保护、散热片过热保护。变频器接口如图3.2.1，其引脚定义如图3.1.1和表3.1.4图31.1变频器接口表3.1.4CIMR-JB2A0018变频器引脚定义端子符号端子名称端子的功能R/L1主回路电源输入连接商用电源的端子S/L2T/L3U/T1频器输出连接电机的端子V/T2W/T3B1制动电阻器/制动电器单元连接是连接制动电阻器/制动电器单元的端子B2S1多功能输入选择1出厂设定：闭：正转运行开：停止 S2多功能输入选择1出厂设定：闭：反转运行开：停止S3多功能输入选择1出厂设定：外部故障S4多功能输入选择1出厂设定：故障复位S5多功能输入选择1出厂设定：多段速指令1SC多功能输入选择公共点控制公共点AC频率指令公共点0VMAa接点输出出厂设定：故障继电器输出：DC：30V，10mA-1AAC：250V10mA-1AMBB接点输出出厂设定：故障MC接点输出公共点AM模拟量监视输出出厂设定：输出频率DC：0-10VAC监视公共点0V图4.3电源电路图4.3总电路原理图图4.4动力回路接线图图4.5控制回路接线图图4.6平台驱动回路接线图HSV-11D25伺服驱动器引脚如图3.3.2，其相关引脚定义如表3.3.3所示。图3.1.2HSV-11D25伺服驱动器引脚表3.3.3HSV-11D25伺服驱动器引脚定义信号代号名称位置描述P、N直流总线接线柱1、2电源模块提供直流300V电压U、V、W电机电源线XT-1、2、3伺服到电机的驱动电源信号OH1、OH2电机过热保护XT-4、5电机过热保护输出PE接地线XT-6220A200B故障连锁T2-1、2最大容量1AO1故障输出信号T1-1总故障报警信号，低电平有效I3机械参考点开关信号T1-3作参考点开关信号，低电平有效，在模拟输入方式时，作为换挡开关，低电平时，输入最高转速为200r/min，高电平时为2000r/minI2减电流控制T1-4将电流指令输出最大幅值减半，低电平有效I1输入使能控制T1-5在模拟量或脉量输入时，控制PWM信号的开关，低电平有效24V外部提供DC24VT1-6外部直流24V，可提供100mA电流COM外部24V电源地T1-7AIN+模拟量正输入端X2-6伺服在模拟输入方式时，接收±10V输入AIN-模拟量负输入端X2-1RXD模块串口接收端X2-3RS232串口数据发送端TXDTXD模块串口发送端X2-2RS232串口数据发送端RXDGND信号地X2-5RS232串口信号地P5V电机码盘信号J2-11、12、13电机码盘信号PAJ2-2PBJ2-3PZJ2-4PUJ2-5PVJ2-6PWJ2-7/PAJ2-15/PBJ2-16/PZJ2-17/PUJ2-18/PVJ2-19/PWJ2-20GNDJ2-1、8、9、10、（14）屏蔽J2-（14）M5V光栅尺信号J1-11、12、13光栅尺反馈信号MAJ1-2MBJ1-3MZJ1-4/MAJ1-5/MBJ1-6/MZJ1-17GNDJ1-1、8、9、10、（14）屏蔽J1-（14）CP+脉冲量接口J1-2脉冲量输入信号3.2、伺服单元电源模块根据选择的华中数控HSV-11D25伺服驱动器，在这里选择华中数控HSV-11P075电源模块，HSV11-P075伺服单元电源模块，采用全桥整流和微处理器控制，具有软起动、能耗制动及各种保护功能，其可靠性高，使用灵活方便，体积小，便于安装等特点[18]。HSV-11P075技术规格如3.3.4表所示：表3.3.4HSV-11P075技术规格电源主电源3相AC200V50HZ-60HZ控制电源单相AC220V50HZ-60HZ输出容量7.5KVA输出电压DC260V-345V主回路型式全桥整流制动功率3KW保护功能本模块设置有交流欠压、过压、交流等若故障显示HSV11-P075伺服单元电源模块引脚如图3.1.2图3.1.2电源模块引脚图3.3、串行进给驱动接口在伺服驱动系统中，数控装置的串行进给驱动接口和伺服驱动器要进行模拟量的输入输出。XS40、XS41、XS42、XS43是串行进给驱动接口，串行进给驱动接口是与华中数控HSV-11系列交流伺服驱动装置连接的专用接口，它的特点是连接简便、抗干扰能力强、无漂[19]。伺服驱动器与其它部件的联系通常包括：（1）伺服驱动器与数控装置间的数据发送与接收；（2）故障连锁与外部运行允许继电器和伺服继电器的连接；（3）电源模块与主电路的连接；（4）控制电源与主电路的连接；（5）伺服电机电源和编码器反馈输出与伺服驱动器的连接；（6）减电流功能的连接。通过以上各部分的连接，能够使伺服驱动器控制伺服电机的运动，伺服电机的相关运动信息通过编码器及时反馈给伺服驱动器，再由伺服驱动器X2接口反馈给数控装置，达到伺服电机能够精确执行数控装置发给伺服驱动器的相关指令。伺服驱动单元连接框图如3.3.5，J2与XS、X2与数控装置的连接如图3.3.6图3.1.3伺服驱动器连接图图3.3.6J2与XS、X2与数控装置的连接表3.5.1XS11引脚定义引脚号信号名标号信号定义13I0X0.0XY轴联动数控车床X轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；25I1X0.1XY轴联动数控车床X轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；12I2X0.2XY轴联动数控车床Y轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；24I3X0.3XY轴联动数控车床Y轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；11I4X0.4XY轴联动数控车床Z轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；23I5X0.5XY轴联动数控车床Z轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；10I6X0.6XY轴联动数控车床A轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；22I7X0.7XY轴联动数控车床XY轴联动数控车床A轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；9I8X1.0XY轴联动数控车床X轴回参考点开关，常开点，闭合有效；21I9X1.1XY轴联动数控车床Y轴回参考点开关，常开点，闭合有效；8I10X1.2XY轴联动数控车床Z轴回参考点开关，常开点，闭合有效；20I11X1.3XY轴联动数控车床A轴回参考点开关，常开点，闭合有效；7I12X1.4XY轴联动数控车床冷却系统报警，常闭点，断开有效；（未用）19I13X1.5XY轴联动数控车床润滑系统报警，常闭点，断开有效；6I14X1.6XY轴联动数控车床压力系统报警，常闭点，断开有效；1,2,14,1524V地XY轴联动数控车床外部直流24V电源地XS10外部接线如图3.5.2，SQX-1、SQX-3、SQY-1、SQY-3、SQZ-1、SQX-3分别为X、Y、Z正负方向行程开关，当由于误操作而使某轴超程这时，常开的限位开关闭合，其继电器中的常闭触点断开，从而切断动力装置。SQX-2、SQY-2、SQZ-2为复位开关，当按下三个按钮时车床开始复位。SQ3、SQ4分别为润滑液位报警和欠压报警。3.4、主控制器和存储器扩展选用集成度高、可靠性好STM32F401R-CT6电源变换电路STM32F401R-CT6电源变换电路编程接口编程接口上位上位机时钟与复位电路WIFI电路WIFI电路RF通讯RF通讯电路指示灯电路指示灯电路按钮电路按钮电路图3.1.4系统硬件框图STM32F401R-CT6基于ARMCortex-M4内核，集成FPU和DSP指令，256kFlash，64kSRAM，LQFP64封装，系统时钟达84MHz，最高运行速度可达105DMIPS，本设计采用7.3728MHz的外部无源晶振，经单片机内部PLL电路倍频至73.728MHz作为系统时钟。为使测量参数稳定，单片机的VDDA由基准电压分配电路产生的精密3.3V电压提供。这样处理后，单片机上下电工作不太稳定，因此采用IMP706RESA进行上电复位、低电压监测处理，同时该芯片还具有看门狗复位功能，使单片机工作更稳定。XY轴联动数控车床电路调试接口采用SWD接口，采用SWD接口的优点是节约芯片引脚。但是有序程序比较大，下载一次程序需要10s左右。为防止在下载程序过程中外部看门狗复位单片机导致下载程序失败，在SWD接口中增加一个引脚DSWDT，在连接编程器时，该引脚接至VDD，屏蔽外部看门狗发出的复位信号。系统硬件框图，如图3-1所示，单片机的VCAP引脚需外接贴片电容，BOOT0引脚通过一个10kΩ下拉电阻接地，SIP2接口用于驱动铁电存储器FM25CL64，I²C1接口用于驱动实时时钟芯片R8025-T，USART1接口用于WIFI通讯，TIM3的CH1～CH4引脚用于4路变送输出，PA0～PA2、PC1～PC3用于6路模拟量信号输入。RF射频电路模块设计如图3-2所示。图3.1.4RF射频主要芯片电路设计XY轴联动数控车床通过RF进行无线通信。程序结构图，如图3.1.4-2所示。RF天线接口电路，如图31.4-3所示。RFRF线圈阻抗匹配模块阻抗匹配模块运放运放专用芯片专用芯片MCUMCU接口模块图3.1.4-2RF射频电路结构框图图31.4-3RF天线接口电路3.5、信号输入模块设计以伺服电机驱动电流检测信号处理为例，如图3-3所示，伺服电机驱动电流检测电压输入信号经R10～R14、R25电阻网络衰减后，通过同相放大器放大后，再通过R46和C14组成的抗混叠滤波器连接至单片机的ADC输入引脚。3V最大输入电压V经电阻网络衰减后约为0.375V，放大2.5倍后，信号的峰-峰值为2.65V左右。R10～R14选用1206封装的低温漂精密贴片电阻，R25选用0606封装的低温漂精密贴片电阻。伺服电机驱动电流检测输入信号通过R34和C10组成的抗混叠滤波器连接至单片机的ADC输入引脚。伺服电机驱动电流检测器次级输出电流为3mA，取样电阻上的电压为117.6mV，放大8.5倍后，信号的峰-峰值为2.83V左右。伺服电机驱动电流传感器选用同越电子的TYCT-D011B，比差小于±0.2%，角差小于15°，取样电阻选用39.2Ω的低温漂精密贴片电阻。电路中的PESD二极管D1、D4用于吸收浪涌、静电等干扰信号，保护后级电路。信号输出端放大器阻抗匹配模块信号输出端放大器阻抗匹配模块图3.1.5信号输入调理模块3.6、按键及驱动模块设计系统采用四个按键进行人机交互，分别是加键、减键、确认键和多功能键，每个按键均连接一个1nF的电容用于抑制线路上的信号抖动。采用硬件去抖电路比软件去抖效率更高更可靠，而且不占用单片机的时钟周期。图3.1.6按键电路图3.7、显示模块设计XY轴联动数控车床的显示器件采用1602a段码液晶显示屏。这种显示屏的优点是适合温差大，湿度大的使用环境。采用译码电路可以节约MCU的管脚。FSTN材料，视角为6.0Clock，显示模式为PositiveTransflective，驱动条件为：VOP=3V、Duty=1/8，Bias=1/4，64Hz。如图3-5所示。图3.17按键电路图液晶驱动芯片选用合泰的HT1623，主要参数如下，工作电压2.7～5.2V，LQFP100封装，一个48×8的LCD驱动器，1/4Bias，1/8Duty，帧伺服电机驱动电流64HZ。背光颜色采用白色，工作电流约60mA，采用NPN型三极管驱动，系统上电后点亮背光，30s无按键自动关闭背光，以降低产品功耗。MCU与HT1623的通讯共使用3根口选，分别是片选输入CS，写脉冲输入WR，串行数据输入和输出DAT，MCU每间隔0.5s向HT1623写入一次数据，刷新显示内容。硬件电路设计思路该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。２７３２的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000～５ＦＦＦＨ。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。8155的PA口为控制XY轴联动数控车床X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，伺服电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为XY轴联动数控车床+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。第四章系统控制软件设计4.1系统控制功能分析数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能，主要包括：系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。伺服控制程序。根据插补运算的结果控制伺服电机的速度，转角以及方向。车床的自动加工及手动加工控制程序等。管理程序是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控车床的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，XY轴联动数控车床位置控制，手动操作，紧急停机等。数控车床的控制功能包括：1）系统初始化。2）XY轴联动数控车床复位。开机后XY轴联动数控车床应该自动复位，亦可手动复位。3）输入和显示加工程序。4）监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。5）XY轴联动数控车床超程显示与处理。XY轴联动数控车床位移超过规定值时应该立即停止XY轴联动数控车床的运动，并显示相应的指示字符。6）XY轴联动数控车床控制。4.2伺服电机控制程序伺服电机的控制包括速度，转角及方向的控制。伺服电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现伺服电机转角与速度的控制。时间常数的确定：在伺服电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。并确定伺服电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔，即可使电机按照系统具体要求运行。EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。接口程序初始化及伺服电机控制程序8255A初始化程序INTT:MOVDX,8155A控制端口MOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,AL中断服务程序MOVDX,8155AINAL,DXIRET电机的控制电路原理及控制字节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制110A0000000000H29AB0000000101H38B0000001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据存储单元20H~29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH~36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H单元内存放结束标志00H。电机正反转及转速控制程序PUSHA；保护现场MOVR4,#N；设步长计数器CLRC；ORLC,D5H；转向标志为1转移JCROTE；MOVR0,#20；正转控制字首址指针AJMPLOOP；ROTE:MOVR0,#2BH；反转控制字首地址LOOP:MOVA,@R0；MOVP1,A；输出控制字ACALLDELAY；延时INCR0；指针加1MOVA,#00H；ORLA,@R0；JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步数步为0转移POPA；恢复现场RET；；返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢复控制字首指针AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET；图4.3程序框图4.3滚系统加工程序4.3.1、设计主要思路直线插补：设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值、，动点坐标值X,Y，偏差。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y向伺服电机初始状态。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY电机正反转控制字电机正反转控制字为：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。4.3.2、圆周插补程序逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式伺服与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若，则以X是否等于作为终点判据；若，则以Y是否等于作为终点判据。和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM数据区分别存放动点坐标X和Y，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值，以及存放偏差飞存储单元。第五章系统的调试5.1调试的目的本设计采用实时采样方案，软件很复杂，产品调试过程比较困难。测试功能和参数。功能测试的测试目的是逐条检测设计要求里的功能是否达标。参数测试的测试目的是核对设计要求逐个检测参数是否达到设计要求。首先检测XY轴联动数控车床控制电路检测丝杠前进距离是否准确、精确。其次检测XY轴联动数控车床控制电路读取射频卡信息是否稳定可靠。最后检测XY轴联动数控车床控制电路和上位机软件通讯连接是否正常，上位机软件控制XY轴联动数控车床控制电路是否正常，上位机软件监控XY轴联动数控车床控制电路丝杠前进距离是否准确。最后就是测试XY轴联动数控车床控制电路的持续工作稳定性。用电吹风加热XY轴联动数控车床控制电路，并且用喷壶在XY轴联动数控车床控制电路周围喷水增加空气湿度。在60摄氏度高温高湿度环境下XY轴联动数控车床控制电路能否稳定工作一个小时。在XY轴联动数控车床控制电路工作过程侧脸电源电压是否稳定，XY轴联动数控车床控制电路的屏幕显示是否稳定。通过一系列测试可以基本肯定XY轴联动数控车床控制电路的元件选型，XY轴联动数控车床控制电路的电路设计稳定可靠满足设计要求。也可以确认XY轴联动数控车床控制电路的程序设计正确合理可靠。基本完成本文的设计要求。5.2调试的方法调试项目有开机检测XY轴联动数控车床控制电路电源电压。XY轴联动数控车床控制电路有两路电压，精密3.3V电压和12V电压。精密3.3V电压是XY轴联动数控车床控制电路正常工作的基础。因为这个电压直接给单片机供电。如果这个电源出现波动会造成单片机反复重启，或丢失信号。自然无法保证精确测量丝杠前进距离以及累计丝杠前进距离计费的功能。更谈不上让射频电路正常工作，读写射频卡信息了。测试读写射频卡功能是为了检测射频卡检测电路的射频卡专用芯片以及运放电路，射频天线和阻抗匹配电路可以正常工作。测试RF读卡功能后，可以判断数字电路部分可以正常工作。然后检测模拟量测量电路部分。XY轴联动数控车床控制电路伺服电机驱动电流检测功能可以考察ADC转换电路和伺服电机驱动电流检测程序是否达到设计要求。伺服电机驱动电流的测试累计功能是考察伺服电机驱动电流累积程序是否正常运行。若果硬件电路不稳定，程序算法有问题，就会有比较大的累积误差。所以伺服电机驱动电流累积检测是综合考察硬件电路和程序算法的一个考察项目。详细如表5-1所示。表5-1功能调试表序号调试项目调试方法1开机检测电源电压、工作电压用万用表测量输入电压、输出电压。如果电压误差较大就更换调压芯片或更换输出电阻2测试读RF卡功能用写卡器写入RF卡初始信息。XY轴联动数控车床控制电路读取RF卡信息。核对XY轴联动数控车床控制电路读取的信息和写入的初始信息是否完全一样3测试伺服电机驱动电流检测功能把XY轴联动数控车床控制电路一头接到水管另一头接到水池。打开水龙头，打开XY轴联动数控车床控制电路。看XY轴联动数控车床控制电路是否显示伺服电机驱动电流4测试伺服电机驱动电流累积功能把XY轴联动数控车床控制电路一头接到水管另一头接到可乐瓶子。打开水龙头，打开XY轴联动数控车床控制电路。看XY轴联动数控车床控制电路显示伺服电机驱动电流。当水灌满可乐瓶子的时候关闭水龙头完成功能调试项目后，只是测试XY轴联动数控车床控制电路的第一步。因为XY轴联动数控车床控制电路的功能测试只是表明XY轴联动数控车床控制电路的功能基本达到设计要求。XY轴联动数控车床控制电路是一个可以正常工作的产品。但是XY轴联动数控车床控制电路是否处于优良的工作状态，还需要进行参数调试。在参数调试过程中，测量调整XY轴联动数控车床控制电路的关键参数才能让XY轴联动数控车床控制电路工作在良好的工作状态。通过测量XY轴联动数控车床控制电路的参数才能反过来检测XY轴联动数控车床控制电路的元件选型是否合理，电路设计是否合适，程序设计是否存在打的隐患。所以在测试完XY轴联动数控车床控制电路的功能后，才进行XY轴联动数控车床控制电路的参数测试。当然这个先后测试顺序也不是一成不变的。有的时候功能测试遇到问题，就要通过XY轴联动数控车床控制电路参数测试查找造成功能测试出问题的根本原因。以下为XY轴联动数控车床控制电路参数调试表，主要阐述参数调试的项目和参数调试的方法。参数调试的项目为电源模块，MCU模块的参数，RF卡模块的参数以及测试伺服电机驱动电流参数和测试伺服电机驱动电流累计参数。参数调试项目结构和功能测试项目结构类似。但是测试目的和测试方法完全不一样。详细如表5-2所示。表5-2参数调试表序号调试项目 调试方法 1电源模块用万用表测量输入电压30Vac、输出电压是否3.3Vdc,12Vdc2MCU模块参数编程用按钮实现输出接口强制输出。按下按钮测量输出电压是否12Vdc。检查淋浴管路开关是否正常开关。重复测试30次3RF卡模块参数用写卡器写入RF卡初始信息。XY轴联动数控车床控制电路读取RF卡信息。核对XY轴联动数控车床控制电路读取的信息和写入的初始信息是否完全一样4测试伺服电机驱动电流检测参数把XY轴联动数控车床控制电路一头接到水管另一头接到水池。打开水龙头，打开XY轴联动数控车床控制电路。看XY轴联动数控车床控制电路是否显示伺服电机驱动电流5测试伺服电机驱动电流累积参数把XY轴联动数控车床控制电路一头接到水管另一头接到可乐瓶子。打开水龙头，打开XY轴联动数控车床控制电路。看XY轴联动数控车床控制电路显示伺服电机驱动电流。当水灌满可乐瓶子的时候关闭水龙头。看XY轴联动数控车床控制电路检测的伺服电机驱动电流值是否为2.5升。如果XY轴联动数控车床控制电路读数不是2.5升。就修改伺服电机驱动电流累计部分程序。指导伺服电机驱动电流检测读数为2.5升为止电源模块参数测试首先测量XY轴联动数控车床控制电路在正常的输入电压30Vac的时候是否正常输出3.3Vdc，12Vdc。然后用旋钮式变压器提高输入电压到35Vac，检测XY轴联动数控车床控制电路电源模块是否正常输出3.3Vdc，12Vdc。最后用旋钮式变压器降低输入电压到25Vac，检测XY轴联动数控车床控制电路电源模块是否正常输出3.3Vdc，12Vdc。XY轴联动数控车床控制电路电源模块通过以上测试，表明XY轴联动数控车床控制电路电源模块设计合理稳定可靠。可以为XY轴联动数控车床控制电路稳定工作提供可靠地保障。MCU电路完成控制功能依靠接口电路。只有接口电路可靠重复工作，才能说明XY轴联动数控车床控制电路的MCU电路可以完成控制功能。也只有脱离设计好的XY轴联动数控车床控制电路程序，用简单地功能单一的程序反复驱动MCU控制I/O接口才能检测I/O电路是否合理。定量的测量伺服电机驱动电流测量参数比较复杂。由于难以精确测量每次伺服电机驱动电流检测周期中伺服电机驱动电流检测值和实际的丝杠前进距离。只能用平均值法测量XY轴联动数控车床控制电路流完2.5升水过程中用时多少秒。根据时间计算每个检测周期丝杠前进距离的测量值和实际丝杠前进距离是否一致。在这个测量过程中要反复测量XY轴联动数控车床控制电路流完2.5升水的时间十次。用这个时间值的平均值进行计算。测量累积值的过程比较简单，用可以测量容积的大容器收集流过XY轴联动数控车床控制电路的水。对比测量值和实际丝杠前进距离值是否一样就可以找出问题。但是由于难以找到大容量的可以测量容积的容器。还是通过平均值法测量XY轴联动数控车床控制电路累积伺服电机驱动电流。打开XY轴联动数控车床控制电路，流过的水装满一瓶2.5升后，就关闭XY轴联动数控车床控制电路。然后倒掉水，重新打开XY轴联动数控车床控制电路，流过的水装满一瓶就关闭XY轴联动数控车床控制电路。以此类推重复十次，记录下总水量和XY轴联动数控车床控制电路的伺服电机驱动电流累计值。重复进行实验十轮后计算十次记录的总水量和XY轴联动数控车床控制电路的伺服电机驱动电流累计值的平均值是否一样。射频卡参数测试，就要用特殊的方法测量，首先在射频卡中写入0000，F1F等信息。用XY轴联动数控车床控制电路检测射频卡内容。如果XY轴联动数控车床控制电路正确读出射频卡的内容。就可以确定XY轴联动数控车床控制电路射频电路和程序正确合理可靠5.3调试的过程本设计采用实时采样方案，软件很复杂，产品调试过程比较困难，在导师的悉心指导下，调试过程中解决技术细节问题也总结了不少经验教训，主要遇到的问题及解决过程。校准XY轴联动数控车床控制电路后在额定输入电压下伺服电机驱动电流测量数据不一致，测量数据不稳定。在排除硬件故障后，通过软件程序仿真发现ADC丝杠前进距离变换时在每次伺服电机驱动电流运算结束后将四舍五入累积误差过大。因此修改ADC丝杠前进距离测量变换程序，在十次ADC丝杠前进距离测量变换结束后再将所有丝杠前进距离数据累积除以10，同时将前两级丝杠前进距离运算移出循环体，单独进行编程，使ADC丝杠前进距离测量函数的运行时间更短，这样处理后重新校准XY轴联动数控车床控制电路，问题得到解决。校准XY轴联动数控车床控制电路后在25Vdc，35Vdc输入电压下射频信号读写不准确。更换电源芯片和MOS管，使电源模块可以工作在更宽的输入电压范围。这样处理后在25Vdc，35Vdc输入电压下射频信号读写准确。如图5-1所示。在测试XY轴联动数控车床控制电路过程中发现测量丝杠前进距离数据线性度较差且波动大，通过仿真测试伺服电机驱动电流传感器和查阅文献资料，发现采样电路中抗混叠滤波RC电路使用的电容容量较小。单片机内置ADC启动采样的瞬间，电容上的电压会下降，将电容的容量提高至68nF,为不改变RC电路的时间常数，将电阻修改为200Ω，同时将ADC的采样保持时间加长，问题得到解决。图5.3.1电磁阀输入输出电压3.测试时发现射频电路放大器放大系数过大的时候会超调、影响读数。4.调试时发现铁电存储器偶尔出现锁定现象，用示波器测试波形发现产品上电时I²C总线出线一段时间低电平和负过冲现象。将I²C端口初始化程序放在I²C设备的时钟开启之后，同时将I/O口的速度降为2MHz，上电时没有出现低电平波形，负过冲现象也有明显改善。但铁电锁定还是会出现，软件仿真发现在设置I/O口时先将I/O口的工作模式清零导致I²C锁定，将I/O口工作模式清零和设置为复用模式两条语句合并为一条语句，即对工作模式寄存器的修改一次完成，I²C锁定现象得到解决。图5.3.2电源电压5.为提到测量数据的稳定性，使用电压基准芯片AZ431产生精密的3.3V电压给单片机的VDDA供电。调试时发现样机在上电时液晶全屏显示2秒的函数有时不运行，掉电时VDD降到2.3V才产生PVD中断，PVD中断的监测电压是2.9V,使PVD功能不能很好的发挥作用。如图5-2所示。分析认为VDD和VDDA分开供电后，在单片机上下电时VDD和VDDA不同步，而复位电路的复位时间又比较短，使单片机在上下电时功能混乱，修改复位电路为采用外部看门狗芯片IMP706。同时使用IMP706的掉电监测功能，提高系统的稳定性，重新设计PCB和制作样机后问题得到解决。方案通过硬件和软件调试后，符合技术指标要求。5.4调试的结果本设计采用实时采样方案，软件很复杂，产品调试过程比较困难，在导师的悉心指导下，调试过程中解决技术细节问题也总结了不少经验教训，主要遇到的问题及解决过程。样机校准后在额定输入下三相测量数据不一致，测量数据不稳定。在排除硬件故障后，通过程序仿真发现ADC丝杠前进距离测量变换时在每级运算结束后将结果四舍五入，累积误差较大，修改ADC丝杠前进距离测量变换程序，在ADC丝杠前进距离测量变换结束后再将所有测量数据累积求和除以10，同时将前两级运算移出循环体，单独进行编程，使ADC丝杠前进距离测量函数的运行时间更短，这样处理后重新校准样机，问题得到解决。

第六章总结和展望6.1总结在导师的精心指导下，本文所设计的XY轴数控车床控制系统从功能上满足了设计需求，安全性得到了提升，实际运行性能稳定，现结合本文课题的实际设计和调试过程，对课题总结如下：(1)对软件数控车床伺服驱动做了理论研究，讨论了基于XY轴联动算法的计算方法。(2)完成了XY轴数控车床控制系统的硬件和软件设计，本设计采用XY轴联动控制器作为数据处理核心，具有很高的实时运算能力，通过伺服驱动反馈系统组成闭环控制，既保证了测量的实时性又提高准确度。(3)通过实验调试验证了本系统有较高的测量精度和运算速度，解决了调试过程中遇到的一些技术细节问题，满足系统总体设计要求。XY轴数控车床控制系统实际应用效果良好，主要体现在以下几个方面：(1)产品测量准确度高、实时性好、测量参数全面，应用范围广泛；(2)电能数据丰富，包括有功电能、无功电能、四象限电能、时