普通车床C6163纵向进给传动机构的数-控化改造

南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作者:学号：学院(系):机械工程学院专业:机械工程及自动化题目:普通车床C6163纵向进给传动机构的数控化改造指导者：评阅者：2014年06月南京理工大学毕业设计说明书〔论文〕中文摘要普通机床的数控化改造是我国提高机械加工自动化程度的重要工程，我国现有拥有数量较多的普通机床，这些陈旧的机床急需进行数控化的改造，从而适应现今的自动化加工，以及精准加工；从经济角度来说，普通机床数控化改造的本钱要比直接购置数控机床低的多，并且改造后的机床能够满足加工精度要求。本文对C6163普通机床的纵向机械传动机构的数控化改造进行深入研究，其中包括数控化改造的必要性和可行性的论证、机床现有的机械结构进行改造、机床主要传动机构的设计和计算、步进电机的选型和计算、选择一个16位的单片机作为CPU以及对计算和设计过程中的注意点做了详细的说明。本次改造的机床完全能符合加工精度要求，大大的提高了生产效率.关键词普通车床数控化改造步进电机飞思卡尔毕业设计说明书〔论文〕外文摘要TitleCNCLatheC6163LongitudinalFeedTransmissionMechanismAbstractInChinatheNumericalcontroltransformationofgeneralmachinetoolsisanimportantprojecttoimprovetheautomationofmachining.TherearemanygeneralmachinetoolsandtheseoldmachinetoolsareinurgentneedofNCtransformation,soastoadapttotoday’sautomatedprocessingandprecisionmachining.Fromaneconomicperspective,thecommonmachinetoolNumericalcontroltransformationcostlessthandirectpurchaseNCmachinetools,andthemodifiedmachinecanmeettherequirementsofmachiningprecision.Inthispaper,thoroughresearchofNCtransformationinthelongitudinalmechanicaltransmissionmechanismofC6163generalmachinetools.IncludingtheessentialityandfeasibilityofNCtransformation,fabricatemechanicalstructureoftheexistingmachinetools,designandcalculationofmaintransmissionmechanism,selectionandcalculationofstepmotor,selecta16bitmicrocontrollerasCPUandmakesadetaileddescriptionaboutthepointsforattentionintheprocessofcalculationanddesign.Thetransformationofthistoolscanmeettherequirementsofprocessing,whichgreatlyimprovestheproductionefficiency.KeywordsCommonLatheNCImprovementSteppingMotorFreescale目录1绪论 11.1数控机床开展概述 11.2国内外普通机床数控化改造现状 11.3普通机床数控化改造 21.4数控系统的开展趋势 31.5本课题研究的内容 31.6本章小结 42总体方案设计 52.1机械局部改造 52.2控制系统设计 62.3本章小结 93机床进给伺服系统的计算 113.1C6163车床技术参数 13.2切削力的计算 113.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型 123.4本章小结 184电动机的选择 194.1初选步进电机 194.2校核步进电机转矩 204.3本章小结 255电气控制系统设计 265.1控制器〔CPU〕的选择 265.2复位及晶振电路 295.3显示及键盘电路设计 315.4报警电路设计 365.5电机的驱动 375.6本章小结 446数控机床系统软件设计 456.1LCD显示程序 456.2单片机中断程序 506.3本章小结 53结束语 54致谢 55参考文献 56附录A 571绪论1.1数控机床开展概述自1952年以来，第一台数控铣床在美国诞生，数控机床的控制系统从一开始的电子管到晶体管再到小型集成电路最后开展成微型计算机。随着计算机和科学技术的迅猛开展，数控技术也突飞猛进，产品的加工要求也越来越高，这就要求机床加工必须走向自动化、智能化和高性能化，并且操作起来要简便快捷，能有效的提高生产效率。现今的数控机床已经不断的在向精密加工、快速加工、多轴加工、加工智能化、功能复合化以及信息网络化等方面开展，从而能够胜任更多更复杂的加工任务。1.2国内外普通机床数控化改造的现状1.2.1国内现状改革开放使中国进入了一个崭新的时期，国内许多产业在兴起，特别是制造行业的兴起，这就把机械加工这个问题放在了首要地位。特别是在2001年，中国成功参加世贸组织以来，中国同世界的联系愈来愈紧密，各种文化、经济以及技术的等方面的交流越来越多，其中制造行业的问题十分突出。从2001年开始，由于我国国内的数控机床不能满足市场的需要，机床的进口量庞大，位居世界第2位。对于中小型企业来说，进口的数控机床价格昂贵，维修保养都需要专门的人才，所以进口机床会是企业很大的负担。目前我国挤压的普通机床数量庞大，因此普通机床的数控化改造迫在眉睫，改造既可以解决加工精度的问题还可以降低企业的生产本钱。1.2.2国外现状自从第一台计算机诞生以来，由美国开始，各个工业强国都先后有了自己的数控机床。国外的政府是十分重视制造行业的开展，在他们看来数控机床技术就是开展军事工业的战略物资。另外，国外不光光是在制造行业这个领域用到机电一体化的产品，还有许多其他领域都运用到了机电一体化技术，即用机器手或者机器人代替人工操作，这就大大提高了自动化程度。在国外，他们的微电子技术开展迅速，并且以微电子为根底涌现出了许多不同的精密加工方式，这就大大的提高了机械加工产品的精度。在国外有许多国家把普通机床的数控化改造称之为一种新的经济增长方式，在美国甚至称之为机床再生，而且都有很好的市场前景。因此在国外这些工业兴旺国家，不管是数控机床还是普通机床的数控化改造都处在世界的领先地位。我国虽然与国外还有一定的差距，但近几年来，国内也逐渐形成了自己的数控技术，我们不仅要借鉴国外先进的技术，更要研发自己的数控系统，尽力缩小与兴旺国家的差距。1.3普通机床数控化改造1.3.1数控化改造的必要性从宏观上看，制造行业的强弱程度往往就可以决定这个国家综合国力的强弱。早在1970～1980年之间，世界上一些工业技术兴旺的国家已经大规模的研发数控机床并且已成功投入生产。但是我国的数控机床占用率直到上世纪90年代还不到机床总数的2%，这个数值远远要低于同时期日本的20%，并且我国每年都要进口大量的数控机床，这就使得国内的精密制造业的本钱大大提高，因此普通机床的数控化改造是十分有必要的。再从加工机械产品的质量上说，数控机床远远要高于普通机床，具体在以下几个方面：〔1〕数控机床能够完成各种包含曲线曲面的复杂零件的加工，并且加工的工件的精度很好，且具有良好的装配精度；〔2〕由于计算机拥有超高的计算能力，可以瞬间计算出各轴的坐标，大大的提高了加工效率；计算机具有记忆功能，能把输入的程序存储到程序存储器中，并且按照程序设定的加工顺序控制机床执行加工步骤，这个过程完全不需要人工干预，机床可以自动完成，这就实现了加工的自动化；而且每换一个零件只需要改变程序就可以完成加工，大大的提高了机床的柔性加工能力；〔3〕数控机床还具有自动检测和反响装置，可以实现自动补偿、检测故障以及误操作之后的报警功能，这样就可以在无人看管的情况下进行自动加工，节约劳动力，还能提高生产效率。1.3.2数控化改造的优点普通机床的特点就是价格低廉，操作简便，但普通机床加工出的产品精度不是很高，加工误差大，而且还不适合大批量的工件加工，加工效率低，对工人的要求也很高，增加劳动强度；数控机床的价格要比普通机床高的多，但是数控机床的加工能力要远高于普通机床，能实现快速加工、精密加工以及自动加工等等。综合普通机床和数控机床的优缺点，普通机床的数控化改造就是一条既实用而又经济的途径。改造后的机床加工的机械产品完全可以满足一定的精度要求，而且其加工本钱也不高。数控化改造后的机床的加工能力得到大大的提高，其加工范围也扩大，可进行各种切削加工以及螺纹加工，还可以使机床的使用寿命延长。对于企业来说，普通机床的数控化改造可以节约本钱，提高劳动效率，用较少的资金生产符合市场需求的产品，提高企业的市场竞争力。1.3.3数控化改造的可行性分析从技术上说，在改造之前必须对将要进行改造的机床的加工精度、机床机构、机床性能和运行情况进行全面的分析，还要综合机床经过改造后所要到达的系统控制精度与系统性能，再对机床改造设计方案。方案中应该包括机床电机的替换、机床原有传动机械结构的优化设计、测量机床现有的加工精度以及检测普通机床现有的导轨和各坐标轴机械传动是否符合改造要求等等。综合以上改造内容，设计总体方案，然后对改造的每一步骤进行详细的说明和计算，最后完成改造任务。从经济上说，普通机床的价格远远低于数控机床，国内许多企业中仍然有着许多普通机床，所以要利用这些资源。虽然普通机床的数控化改造时一条经济的途径，但是换一个角度来说，从机床自身的价值出发，改造的机床要到达我们预期的精度所投入的资金是否合理；再者从改造完成投入使用到本钱回收再到盈利，这个时间的长短也是必须要考虑的。1.4数控系统的开展趋势机床的数控化改造就是在普通机床上安装一个数控系统，再对机床原有的一些传动部件进行重新设计和计算，这样普通机床就拥有了数控加工能力了。其中的改造包括步进电机的选择、滚珠丝杆螺母副的改造、减速机构的设计、导轨的改造等等。数控系统是数控机床的核心，传统的系统都是封闭式的结构，这种结构不易进行系统功能的扩展，也逐渐的在被市场所淘汰。如今的系统都是要开放性的系统，通过与PC相连接，实现智能化控制。数控机床和经数控化改造后的机床都要实现加工的高效率化、柔性加工、加工高精度化以及加工产品的良好的工艺性。此外最重要一点就是要实现工艺复合化，减少辅助时间，能够通过一次装夹，实现多个工序的加工，提高生产效率。1.5本课题研究的内容此次对普通车床C6163车床纵向进给传动机构进行数控化改造，包括两大局部的改造，及机械局部改造和电气控制局部的改造。对于机械局部改造包括步进电机的选型，步进电机的脉冲当量为0.01mmm，用步进电机替代原先纵向传动电机；步进电机的驱动方式为上下压驱动，利用硬件环形分配器控制步进电机的励磁绕组。再对普通机床原有的机械传动结构进行优化设计及计算，这方面主要包括滚珠丝杆螺母副的选型，纵向导轨的改造，减速齿轮的重新计算和设计以及校核丝杆和导轨的刚度和稳定性；控制系统采用开环控制，该系统包括一个16位的单片机作为CPU、译码电路、机床报警电路以及键盘显示电路的设计。1.6本章小结本章简要的论述了数控机床的开展历史以及国内外普通机床数控化改造的状况，经过比照国内外的改造可以发现我国的形势比拟严峻，目前国内拥有许多挤压的普通车床亟待改造，这就要求我们要借鉴国外兴旺国家数控改造的经验。本章强调了普通机床数控化改造的必要性，在科学技术和信息技术迅速开展的如今，各种行业对机械产品的精度要求越来越高。在这个大背景下，数控机床的优点十清楚显，其精密的加工能力和高的生产效率都符合现代化加工要求，因此普通机床的数控化改造是十分必要的。在改造过程中，利用单片机作为CPU，外加其它外设，是普通车床具有一个方向或者多个方向的数控加工能力。本课题综合比拟国内外成功改造机床的案例，对普通机床C6163纵向传动机构进行数控化改造，因此本课题研究内容具有很好的实用性和通用性。2总体设计本次改造是对普通车床C6163的纵向传动机构进行数控化改造，根据要求，本次改造分为机械局部改造和电气控制局部改造两大局部。机械局部改造是要将机床原有的不符合数控加工要求的传动机构替换掉，并且对减速齿轮进行重新计算设计；在系统控制改造局部，根据要求需要一个16位的单片机作为控制系统的CPU以及设计其它必要的功能电路和辅助电路，并且要求设计一个开环系统，采用有上下压驱动的步进电机驱动电路。具体的改造方案如下。2.1机械局部改造2.1.1数控机床机械结构特点CNC机床机械结构特点如下：〔1〕刚度高、抗振性好：数控机床的加工时高速、高精度、高生产效率以及高的可靠性的，所以与普通机床相比，数控机床应具有更好的动、静刚度和良好的抗振性；〔2〕减少热变形：在机床机构设计时采用对称结构，对机床的主要发热部位要进行有效的散热方式，如风冷水冷等；〔3〕简化传动机构：数控机床主要使用步进电机或者交直流电机来提高机床的主运动，机床的进给运动多由伺服电机提供，以上这些电机的变速范围比拟大，这就可以大大简化主轴箱和减速箱的设计，并且有的电机还可以实现无极变速；〔4〕高效传动和低摩擦导轨：数控机床的加工速度一般来说是很快的，因此对于控制系统必须在机床高速运行的状态下保证机床有较高的精度和平稳性，对于进给伺服系统来说，必须要有较高的刚度和使用寿命以及无缝隙等特点；机床的导轨很大程度上决定了加工产品的质量，因此要采用摩擦系数较低的导轨；(5)工艺复合化和功能集成化：现代的数控机床除了高精度加工能力之外，还应具有良好的工艺复合化程度，即通过一次装夹工件，就可以完成多个工序的加工，这就可以减少反复装夹工件带来的误差。2.1.2普通车床C6163可以加工各种轴类和小型盘类零件，以及螺纹的加工，此次机械局部改造要保证加工的精度和加工的可靠性。根据以上的要求，普通机床C6163的机械局部的改造具体方案如下[4]：〔1〕首先将提供C6163纵向进给的普通三相电机换成部件电机，这里为了减少改造的工作量，保存了机床原有的主传动机构和减速箱及结构；〔2〕为了减少运动部件移动时的摩擦力，特别是静摩擦力，在车床导轨上粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯胶带；(3)撤除原有的纵向进给箱、滑动丝杆、操作杆、齿条等，在纵向进给箱处布置步进电机和齿轮减速箱，齿轮要采取消除反向间隙的结构；机床的传动采用滚珠丝杆，主运动从步进电机经减速箱减速，再带到滚珠丝杆从而带开工作台。滚珠丝杆采用一端固定一端简支支承方式，改造后的纵向机械传动结构图如图2-1所图2-1纵向机械传动结构图2.2控制系统设计图2-1纵向机械传动结构图2.2.1控制系统的选择数控机床的核心就是数控系统。对于普通机床数控化改造而言，主要是将机床的进给运动交由数控系统控制，并且能够进行精准加工，此外还应满足一些要求：〔1〕在加工过程中，由数控系统控制进给，实现精确定位、横向和纵向的直线插补、圆弧插补以及准停功能；(2)在卧式车床的改造中，在考虑到其最大加工尺寸、加工精度、控制速度以及以经济型改造为根底的综合条件下，选择适宜的数控系统；〔3〕因为此次改造属于经济型数控化改造，在保证改造后的机床具有一定加工精度的前提下，为了简化结构和节省本钱，选用开环控制系统。2.2.2微型计算机、单片机及PLC的比拟(1)微型计算机微型计算机是以微处理器为核心，再配以存储器、存放器、I/O接口以及其他辅助电路，它最突出的特点就是体积小、使用方便、CPU结构简单以及对环境的要求不是很高，并且价格还廉价。如今的微型计算在不断的开展更新，微型机的应用领域也越来越大，其功能也愈来愈强大，可以应用到工业价格领域，并拥有很好的前景。但是微型计算只是一个“裸机”，本身无法完成单独的处理数据的功能，必须加上其他必需的外围器件，另外微型机的开发周期比拟长，一旦有什么参数发生变化，修改起来会比拟麻烦。(2)单片机单片机是一种典型的嵌入式微控制器，又称为单片微型计算机，是最先在工业控制领域中使用的。单片机是一种集成芯片，其中包括一个中央处理单元〔CPU〕、存储器〔随机存储器RAM和只读存储器ROM〕、定时器、计数器和一个时钟振荡电路。单片机的具体特点如下：a体积小、功能全：单片机中把计算机的根本功能都集成到一块小型的芯片上，使用起来十分方便；b面向控制：单片机内部具有许多可以直接用于控制的功能部件，其指令系统中包含了可以完成控制任务的指令，尤其适用于自动控制领域；c适合应用于机电一体化领域：因为单片机体积小且控制功能强，可以轻松的替代传统的机械及电子元件，单片机的抗干扰能力强，工作比拟稳定。(3)PLC可编程逻辑控制器〔PLC〕是建立在单片机之上的，具有很强的逻辑编程功能和智能化功能，可以实现自动的顺序控制，并且还具有通信功能，能够进行信息的交流。此外PLC还具有如下的特点：a．PLC的可靠性好、抗干扰能力高：PLC控制不要连接许多电子元件，大大的减少了连线带来的不稳定性；对于故障，PLC自带有断电保护、故障检测和信息的保护与恢复功能。另外PLC有多种编程语言，并且还可以通过梯形图直观的反响程序的逻辑关系，因此PLC的编程更易掌握运用；b．易操作性：PLC的程序的输入和修改十分方便，输入采用直接输入即可，在更改程序时只要输入程序的地址编号便可查找到要更改的程序；另外PLC还有多种编程语言可以选择，还可以用梯形图来表示一段程序，这就使得PLC程序变得十分直观，并有很强的逻辑性，易懂易学；c．通用性好：PLC外带了许多硬件辅助装置，可以满足各种系统的要求，因此使用者不必设计硬件装置；一旦确定了硬件装置，就可以通过改变程序代码就可以完成对不同工艺的加工和适应设备的更新换代。综上所述，此次数控化改造是经济型的改造，但要保证一定的加工精度，由于微型计算机的控制必须要外加其他电器元件，车床改造已没有多余空间再来放置元器件，所以不采用微型计算机作为控制系统；PLC控制固然是很完美的方法，既可以保证加工精度，又能够节约空间，但是其价格比拟昂贵，不符合经济型改造的理念，在此也不采用PLC控制；对于单片机来说，其价格适中，控制能力也强，能够保证加工产品的质量，不占用太多的空间，能够精确控制机床的运作，单片机也能够实现智能化的控制，因此此次改造选用单片控制。2.2.3数控系统的选择由步进电机和相应的驱动电路组成的开环系统是一种没有反响元件的控制系统，步进电机根据数控系统发出的脉冲指令驱开工作台移动，在这个过程中没有任何信号会返回给控制系统。这种伺服系统比拟简单，并且工作运行状态也稳定，很容易掌握使用，所以比拟适合经济型数控改造，但是其加工精度和速度收到限制，不适宜精密加工。闭环控制系统是一种自带反响装置的精密控制系统，由伺服电动机、伺服放大器、速度检测装置、反响元器件以及位置检测装置组成。这种系统可以自动的对工作台的位移量进行检测，并不断的与指令比拟，一步一步的缩小与指令的差距，以到达较高的精度。这种系统的加工精度、定位精度很高，但是其系统结构复杂，维修复杂，适用于高精加工机床。半闭环控制系统的原理和组成局部与闭环控制系统的大致一样，唯一的不同点就是半闭环的位置检测装置不像闭环控制系统那样安装在机床上的，而是安装在伺服电机轴上的。这种伺服系统可以进行精密的加工，加工精度要高于开环系统，并且在进给控制方面也要优于开环控制，但是其复杂程度要高于开环系统，所以这种系统适合应用在中小型的数控机床上。2.2.4系统功能设计本课题是对于C6163普通车床的纵向传动机构进行数控化改造，在控制系统方面，要求采用一个16位单片机作为CPU，用步进电机驱动的开环系统。〔1〕报警电路可以检测机床的故障或者人为的误操作，提醒操作者机床出现问题，此时机床的报警灯会闪烁，其中限位问题是最常见的，即机床越界报警；〔2〕看门狗电路看门狗电路就是单片机里自带的一个定时计数器，可以保证数控机床不会进入死循环，可以使单片机在进入死循环时复位，而不需要整个控制系统断电，这样就起到保护硬件电路的作用了；〔3〕电动机驱动将原有电机换成步进电机，步进电动机采用硬件环形分配器，驱动方式为上下压驱动，脉冲当量为0.01mm。本次改造在电气控制系统局部选用了飞思卡尔的16位MC9S12DG128单片机，此单片机拥有超大的闪存，既可以作为RAM还可以作为ROM，并且其处理数据的能力和速度都很快。电气控制系统局部的电气控制总结构图如图2-2所示：图图2-2电气控制总结构图2.3本章小结本章详细论述了此次普通车床C6163数控化改造的总体方案，包括机械和电气两大方面的改造。简单的论述了数控机床在机械结构方面的特点，并给出了在机械局部改造的具体方案；在电气控制系统改造局部，给出了初步的改造方案，并综合比拟了微型计算机、PLC和单片机的优缺点，最后选用单片机作为CPU，还综合比拟了开环、半闭环和闭环控制的有趣点，再根据本次改造为经济型改造的宗旨，因此选那么开环控制系统，由步进电机提供进给运动。一个完整的控制系统还要需要许多辅助电路的设计，包括报警电路、看门狗电路以及电机的驱动电路的设计，本章做了简单的介绍，详细的说明见第五章电气控制系统设计。3机床进给伺服系统的计算3.1C6163车床技术参数根据此次普通机床数控化改造的要求，纵向的脉冲当量选为0.01mm。机床主要的技术参数如下：加工最大直径在床面上630mm在床鞍上350mm加工最大长度1400mm溜板及刀架重力横向1000N纵向1800N刀架快移速度横向1.0m/min纵向2.0m/min定位精度0.015mm最大进给速度横向0.25m/min纵向0.5m/min主电机功率10kW起动加速时间35s3.2切削力的计算因本次改造只对C6163车床的纵向传动机构做改造，所以只计算纵车外圆时的切削力的大小。以下所有的计算均为纵向的计算。主切削力按照经验计算公式〔3-1〕：[1](3-1)=〔0.67×6301.5〕N=10594.63N式中：—车床床身上加工的最大直径。再按照切削力的比例求出各个分力：[1]=(10594.63×0.25)N=2648.66N=(10594.63×0.4)N=4327.85N3.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型3.3.1纵向进给牵引力的计算纵向进给导轨为综合型导轨，其牵引力计算公式〔3-2〕：[1]〔3-2〕=1.15×2648.66+0.15×〔10594.63+1800〕=4905.2N式中：—移动部件的重量〔N〕；—导轨摩擦系数:0.15～0.18；—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取1.15。3.3.2计算最大动载荷在选择滚珠丝杆副的直径时，必须要保证丝杆在一定的轴向负载作用下工作100万转后，在滚珠丝杆副的滚道上不产生点蚀。因此要计算滚珠丝杆所能承受的最大动载荷，其计算公式(3-3),(3-4)如下：[1]〔3-3〕==110r/min(3.4)==99[1](3-4)==34037.66N式中：—寿命，以106转为以单位；—丝杆转速〔r/min〕；—在最大切削力条件下的进给速度〔m/min〕,可以取最高进给速度的1/2～1/3，此次改造=2×1/3=0.66m/min；—丝杆导程〔mm〕，初选6mm；—机床的使用寿命〔h〕,对于数控机床为15000h；—运转系数，这里取1.5。3.3.3滚珠丝杆副的选择参照附录A表A-1，此次改造选用W1L3.3.4传动效率计算计算公式〔3-5〕如下：[1]〔3-5〕=×100%=96.24%式中：—丝杆螺旋升角，W1L5012;—摩擦角，取3.3.5刚度验算根据以上的计算，滚珠丝杆的轴向最大牵引力为4905.2N，滚珠丝杆副的支承间距取1800mm，因为一开始滚珠丝杆螺母进行了预紧，预紧力为最大轴向载荷的。〔1〕滚珠丝杆的拉压形变量参照图3-1，根据=4905N，=50mm，查出=1.8×10-5，再由式〔3-6〕计算出：[1]〔3-6〕=〔1.8×10-5×1800〕mm=3.24×10-2mm式中：—滚珠丝杆在支承距离间的受力长度〔mm〕图3-1滚珠丝杆轴向拉伸压缩变形因为滚珠丝杆副两端都是采用了向心推力球轴承，而且滚珠丝杆进行了预紧拉伸，因此其拉压刚度变为了原来的4倍。丝杆的实际变形量〔mm〕为：=0.81×10-2mm〔2〕滚珠丝杆与丝杆螺纹滚道间的接触变形参照图3-2，W系列,2.5圈1列，轴向载荷就为最大牵引力4905N，查出轴向弹性形变量=9.8，因为进行了预紧，所以的值就为弹性形变量的一半，即：=×9.8=4.9μm 〔3〕支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形此次改造选用52208型推力球轴承[2]，mm，轴承的滚动体直径，μ轴承的滚动体数量，由式〔3-7〕：[1]〔3-7〕==0.0093mm因为施加了预紧力，故=0.00465mm根据以上的计算：=0.0081+0.0049+0.00465=0.01765mm＞定位精度图3-2W系列2.5圈1列丝杆副滚珠和螺纹滚道接触变形图3-2W系列2.5圈1列丝杆副滚珠和螺纹滚道接触变形图因为C6163机床允许的加工误差为0.015mm，这里计算得出的变形量显然超出了机床的允许值，故要采用贴塑导轨来减小摩擦力，进而减小最大牵引力。重新计算变形量如下：=1.15×2648.66+0.04×〔10594.63+1800〕=3541.7N从图3-1中查出，当=3541.7N时，=8.5×10-6。即，=〔8.5×10-6×1800〕mm=1.53×10-2mm此时的=0.038×10-2mm。再从图3-2中查出，当轴向载荷为3541.7N时，轴向弹性形变量=6.5μm，即，=3.25μm。最后对于支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形：==0.0075mm所以=0.00375mm。根据新的计算：=0.00038+0.00325+0.00375=0.00738mm＜定位精度综上，采用贴塑导轨，滚珠丝杆副采用W1L3.3.6稳定性校核计算临界负载，由式〔3-8〕得：[1]〔3-8〕式中：—滚珠丝杆材料的弹性模量〔N/cm2〕，对于钢取20.6×106N/cm2；—截面惯性矩〔cm4〕,对于丝杆为〔为丝杆螺纹的底径〕，这里=48.5-1.08×12=35.54mm，因此=7.71cm4；—丝杆两支承端的距离〔cm〕；—丝杆支承方式系数，支承方式为一端固定一端简支的=2.00；由上述计算可得：==96762N故，==19.24[]一般来讲，[]可取2.5～4，所以，此滚珠丝杆是不会失稳的，W1L5012型滚珠丝杆几何参数见表3-1：表3-1W1L5012滚珠丝杆几何参数参数名称符号关系式W1L螺纹滚道公称直径50导程12接触角4°22′钢球直径7.144滚道发面半径3.71偏心距0.011螺纹升角4°22′螺杆外径48内径42.602接触直径42.877螺母螺纹直径57.398内径51.6073.3.7齿轮传动比计算因为本次改造的纵向进给脉冲当量已经给出，即，滚珠丝杆的导程选,初步选择步进电动机的步距角。根据式〔3-9〕计算传动比：[1]〔3-9〕==0.4根据以上的计算，齿轮减速完全可以选择一级减速齿轮，其齿数选择计算如下：=，即=18，=45由于此次改造的进给伺服系统传递功率并不是很大，对于改造后的车床来说，齿轮模数可以取2，齿轮参数见表3-2。表3-2传动齿轮几何参数齿数1845分度圆3690齿顶圆4094齿根圆3185齿宽〔6～10〕2020中心距633.4本章小结本章主要是关于机械方面的计算，包括机床最大牵引力的计算和轴向最大载荷的计算，参考计算结果选择滚珠丝杆副，对选定的滚丝杆螺母副进行刚度校核和稳定性校核，其中还包括对于推力球轴承的选择，并进行校核。根据脉冲当量选择步进电机型号和工作方式，计算和设计减速齿轮。4电动机的选择4.1初选步进电机〔1〕计算步进电机负载转矩[1]〔4-1〕==421.27N·cm式中：—脉冲当量，这里取0.01mm；—进给牵引力；—步距角，双拍制；—步进电机到丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率的乘积，具体效率为0.98、0.99和0.94〔2〕估算步进电机起动转矩[1]==1053.18N·cm〔4-2〕〔3〕计算最大静转矩参照表4-1，初步选那么步进电机的工作方式为五相十拍，那么：[1]==1107.44N·cm〔4-3〕表4-1步进电机启动转矩和最大静转矩的关系表步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866〔4〕步进电机的运行频率和最高起动频率的计算[1]=Hz=833.3Hz〔4-4〕[1]=Hz=3333.3Hz〔4-5〕式中：—刀具最大切削进给速度〔m/min〕，取0.5m/min；—工作台最大快移速度〔m/min〕,取2.0m/min；—脉冲当量，取0.01mm/step。〔5〕初选步进电机型号根据估算得出的最大静转矩再通过附录A表A-2，查出150BF002型步进电机的最大静转矩为1372N·cm＞，故可以满足要求。因为本次改造是经济型数控改造，可能会有较大的切削量，所以应该选择转矩稍大的步进电机。综合以上原因选择150BF003型步进电机，其最大静转矩为1568N·cm。但在表格中可以看出此步进电机的最高空载起动频率为2600Hz，不满足=3333.3Hz，这里我们不做讨论，这个问题可以用软件程序来解决。4.2校核步进电动机转矩〔1〕等效转动惯量计算纵向机械传动简图见本文第二章图2-1，参照附录A表A-3，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量〔kg·cm2〕可由下式〔4-6〕计算出：(4-6)式中：—步进电机转子转动惯量〔kg·cm2〕；、—齿轮、的转动惯量〔kg·cm2〕；—滚珠丝杆转动惯量〔kg·cm2〕。—工件及工作台重力〔N〕，=1800N本次改造选择的是150BF003型步进电机，其转子转动惯量kg·cm2,两个齿轮以及滚珠丝杆的转动惯量计算公式〔4-7〕如下：[1]〔4-7〕式中：—圆柱体直径〔cm；—圆柱体长度或者厚度(cm)。=0.78×10-3×·=kg·cm2=0.78×10-3×·=kg·cm2=0.78×10-3×·=kg·cm2将上述计算结果代入公式〔4-7〕中得：==26.71kg·因此，=10.5/26.71=0.393，根本上满足惯性量匹配的要求。〔2〕电动机转矩计算当机床处于不同工作情况下，其要求电动机提供的转矩不同，下面就分别按照每个不同的阶段来计算：1〕快速空载起动转矩当步进电机处于快速空载起步阶段，加速转矩占有很大的比重，具体的计算公式〔4-8〕如下：[1]〔4-8〕式中：—快速空载起动转矩〔N·cm〕；—步进电机在空负载起动时折算到电机轴上的加速转矩〔N·cm〕；—步进电机在空负载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩〔N·cm〕；—由于丝杆顶进时折算到电机轴上的附加摩擦转矩〔N·cm〕。①对于，由式〔4-9〕和式〔4-10〕得：[1]〔4-9〕[1]〔4-10〕式中：—步进电动机的传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量〔kg·cm2〕；—电机最大角加速度〔rad/s2〕；—电机最大转速〔r/min〕；—机床工作台的最大快移速度〔mm/min〕；—脉冲当量〔mm/step〕；—步进电机步距角〔°〕；—机床工作台从停止到加速到最大快移速度所需的时间〔s〕。将前面计算的数据代入式〔4-10〕中得：==417r/min普通车床C6163的起动加速时间=35ms,代入式〔4-9〕得：==333.25N·cm②对于摩擦转矩，由式〔4-11〕得：[1]〔4-11〕式中：—导轨的摩擦力〔N〕；—垂直方向的切削力〔N〕；—运动部件的总重量〔N〕；—导轨摩擦系数；—齿轮降速比，；—传动链的总效率，取0.7～0.85。将之前计算的数据代入式〔4-11〕中得：==94.69N·cm③附加摩擦由式〔4-12〕得：[1]〔4-12〕式中：—滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力〔N〕，因为N,因此=1676.37N；—滚珠丝杆导程〔cm〕；—滚珠丝杆没有进行预紧操作时的传动效率，一般取。将计算结果代入式〔4-12〕中：==15.21N·cm综合以上三项计算结果，代入式〔4-8〕得：=333.25+94.69+15.21=443.15N·cm2〕快速移动时所需转矩[1]=94.69+15.21=109.9N·cm3〕最大负载切削时所需负载[1]〔4-13〕其中是折算到电机轴上的切削负载转矩，其计算如下式〔4-14〕：[1]〔4-14〕式中：—进给方向最大切削力，这里为=2648.66N；==126.46N·cm将计算数据代入式〔4-13〕中：=94.69+15.21+126.46=236.36N·cm根据前面的计算，经过比拟、、的三种不同的工作情况，其中以快速空负荷起动所要的转矩最大，所以在校核部件电机的转矩时，以为校核标准。从表4-1中查出，当步进电机为五相十拍时[1]，计算出最大静转矩：N·cm=465.98N·cm从附录A表A-2中查出150BF003型步进电机的最大静转矩为N·cm，远远大于计算所需的最大静转矩，故此电机满足转矩要求。〔3〕对步进电动机的起动矩频和运行矩频特性的校核根据上述计算可以看出，当机床处于最大移动状态时要求步进电动机的最高起动频率为3333Hz,当机床处于切削进给状态时所需步进电机的运行频率为833Hz。参照附录A中的表A-2，可以看出150BF003型步进电机允许的最高空载起动频率为，其运行频率为8000Hz，150BF003型步进电机的起动矩频特性曲线和运行矩频特性曲线图如图4-1〔a〕和〔b〕所示：图〔a〕150BF003型起动矩频特性图〔b〕150BF003型运行矩频特性图〔a〕150BF003型起动矩频特性图〔b〕150BF003型运行矩频特性图4-1150BF003型步进电机特性曲线在图4-1可以看出当步进处在电机起动阶段时，其=2500Hz时，=190N·cm，是不能满足本次改造机床所需要的空载起动力矩443.15N·cm，如果直接运步进电机那么会出现步进电机的失步，因此必须要采取升降速控制，把起动频率下降为1500Hz时，起动转矩就能够提高到598.2N·cm，随后再采用上下压驱动方式，那么还可以将步进电机的输出转矩提高一倍左右。当快速运动和切削进给时，机床所需的转矩分别是109.9N·cm和236.36N·cm，由图〔b〕可以看出此步进电机完全可以满足要求。4.3本章小结本章是对步进电机进行选型和计算，结合C6163车床的相关技术参数，对选择的步进电机进行转矩校核，并校核步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性，最终确定选定步进电动机的型号。5电气控制系统设计5.1控制器〔CPU〕的选择CPU是运算器和控制器的总和，微型计算机的数据处理的能力主要取决于计算机的性能和中央处理器的性能。本次数控化改造根据任务要求需要一个16位的CPU，选用飞思卡尔〔Freescale〕半导体公司的MC9S12系列单片机。5.1.1MC9S12系列单片机特点MC9S12系列单片机是属于16位的高性能的处理器，它采用了处理运算速度极快的CPU12作为该系列单片机的核心，这个CPU可以发出许多的指令系统，而且还拥有很强的逻辑和数值运算能力；还具有种类繁多的外设和I/O资源，可以方便使用。这里使用的是MC9S12DG128单片机，其特点如下所述：〔1〕I/O接口除了有普通的功能外，还可以根据CPU的状态，拥有许多特殊的功能，这些I/O接口被称为双重功能的I/O接口，它们都是集成在单片机的内部，其工作的可靠性高，并且体积小，使用方便；〔2〕单片机内部拥有容量超大的Flash闪存，容量为256KB，可以用来存储程序和机床的原始数据，并且还可以防止修改，保护了数据的完整性；需特别的指出的是，此FLASH闪存既可以作为RAM又可作为ROM，故无需在扩展其他存储芯片；〔3〕单片机内部集成了看门狗〔系统运行监视〕功能，可以确保程序运行出错后快速恢复；〔4〕MC9S12DG128单片机具有暂停和等待模式，可以在不阻碍正常使用的时候最大限度的节约能耗；5.1.2MC9S12系列单片机引脚分配MC9S12有LQFP112和QFP80两种典型的封装形式，本文选择QFP80方式封装。其引脚图如图5-1所示[5]。〔1〕电源相关引脚a.和—29和28号引脚，为数字电源和接地引脚，单片机的外部电源和单片机接地引脚，并且还可以提供I/O接口的工作电压；b.和—77和76号引脚，为I/O电源和接地引脚；c.和—59和62号引脚，ADC转换模块电源和接地引线；d.和—60和61号引脚，ADC参考电源输入引脚；图5-1MC9S12DG128引脚图e.和—9、49、10、50号引脚，外部2.5V供电引脚，用这两对引脚直接对内部2.5V内核供电；f.和—31、33号引脚，为外部振荡器和地址锁相环供电的引脚；g.—67号引脚，为电压调整模块选择引脚。〔2〕扩展模式下用到的引脚a．A口〔〕和B口〔〕—48～41号引脚和23～16号引脚，为地址、数据总线引脚；在宽扩展模式下，PA口和PB口即作为地址总线又作为数据总线，即数据线和地址线复用。其中引脚既用作地址总线又用作数据总线的高8位，即DD15～DD8和AD15～AD8；引脚既用作地址总线的低8位又用作数据总线的低8位，即DD7～DD0和AD7～AD0；当单片机处于窄扩展模式下，PB口作为地址总线的低8位，PA口为地址线高8位和数据8位总线的复用端口；b．—27号引脚，为地址锁存引脚，用来别离地址总线和数据总线，单片机处于宽扩展模式下必须要用地址锁存器；c.—38号引脚，读写信号引脚，扩展模式下对扩展的存储器和I/O电路进行数据读/写控制；〔3〕模式选择引脚在MC9S12系列单片机中，有三个个引脚来设定单片机的运行模式，即15号引脚MODC(BKGD)、25号引脚MODB(PE6)、26号引脚MODA(PE5)。模式选择见表5-1。表5-1MC9S12DG128模式选择表BKGD(MODC)PE6(MODB)PE5(MODA)单片机模式选择地址总线宽度数据总线宽度000特殊单片机模式00001仿真窄扩展模式168010测试模式1616011仿真宽扩展模式1616100普通单片模式00101普通窄扩展模式168110特殊外设模式--111普通宽扩展模式1616〔4〕系统功能引脚a.和、—35、34、32号引脚，和分别是晶体驱动和外部时钟输入端；是锁相环滤波引脚；b.—24号引脚，为外部振荡电路方式选择，单片机假设使用串行振荡电路时，该引脚接高电平；单片机假设使用并行振荡电路时，该引脚要接地；c.—30号引脚，复位端口，低电平有效。d.—39号引脚，为可屏蔽中断请求；e.—40号引脚，是系统的不可屏蔽中断端口；f.—15号引脚，为背景调试引脚。〔5〕输入/输出局部a.A、B口：单片机处在宽扩展模式下为数据总线和地址总线的复用端口，但也可以作为通用的I/O接口；b.E口：该系列接口是用于总线的控制和中断请求的相应，和为固定输入，余下的接口在复位后为通用I/O接口；c.T口：脉冲累加器的端口，芯片复位后为通用I/O接口；d．P口：、直流电机控制信号发出端口、I/O中断请求或者通用I/O端口，同样复位后为通用I/O接口；e．S口：、或通用I/O，复位后为通用I/O引脚；f.M口：I/O端口与、的共享端口，复位后为通用I/O接口。5.2复位及晶振电路复位电路的作用就是使CPU的计数器清零，从而可以防止单片机因程序错误而进入死循环，最后导致死机；对于MCU而言，都有一个其最低的工作电压阀值，如果电压低于这个阀值，就会导致MCU工作发生紊乱，故需要有低压复位功能的复位电路；晶振电路是给单片机提供正常工作所需要的时钟信号。以下分别介绍两种电路。5.2.1复位电路设计MC9S12DG128单片机复位信号是低电平有效，此次复位电路的设计时使用飞思卡尔专用的复位芯片MC34064来实现的。如图5-2所示为MC34064的内部结构图。图5-2MC34064内部结构图外部电压通过2号引脚输入，当输入的电压低于4.61V时，那么会使MC34064内部的晶体管的基极〔B极〕、发射极〔E极〕饱和导通，从而使1号引脚与3号引脚导通，即1脚输出低电平，单片机进入复位状态；当输入电压高于4.61V时，1脚与3脚间晶体管截止，此时1引脚就会输出一个高电平信号，这时芯片进入正常工作状态。具体的复位电路如图5-3所示。图5-3复位电路复位芯片MC34064可以在低压情况下输出一个复位信号，也可以通过手动复位，按下即可，这样就可以提高复位的稳定性，保证MCU的正常工作。如果用按键复位那么会在复位引脚上生成一个负的感应电动势，故要在上并联一个二极管〔方向同电流方向相反〕来保护芯片。5.2.2晶振电路设计在单片机的使用过程中，晶振电路是必须要设计的，晶振电路可以提供单片机运行所需要的时钟频率，换句话说，晶振的频率就不决定了CPU的运算速度，并且CPU执行任何一条指令都要依靠晶振电路所提供的频率。MC9S12DG128单片机的晶振电路如图5-4所示。图5-4并联晶振电路这里采用并联的方式，其中、为负载电容，当晶振体的频率为16M时，往往就不需要再接分压电阻了。并且选用并联方式，故单片机的24号引脚PE7必须要接地。5.3显示及键盘电路设计根据此次改造的要求，显示器采用液晶显示，键盘采用4×8的键盘，以下分别对液晶显示和键盘电路做具体说明。5.3.1液晶显示电路液晶显(LCD)要比数码晶体管〔LED〕显示优越的多，LCD所需的工作电压要比LED低很多，并且显示的精度要比LED要好，因此在很多工控以及许多设备上都应用了LCD显示。此次改造采用YM-0802B型LCD显示芯片，此芯片可以显示2行字符，每行可以显示8个字符。12864引脚图如图5-5所示。图5-5YM-0802B-LCD引脚图引脚功能如下：〔1〕VSS：1号引脚，接地；〔2〕VDD：2号引脚，为芯片电压输入端口，外接+5V电源；〔3〕V0:3号引脚，LCD的驱动电压；〔4〕RS：4号引脚，存放器的选择信号线，RS=1时，芯片的数据存放器为输出，RS=0时，芯片的令存放器为输出；〔5〕：5号引脚，读/写信号选择端口，读数据时该引脚为高电平，写数据时该引脚为低电平；〔6〕E：6号引脚，LCD使能端口；〔7〕DB0～DB7:7～14号引脚，数据总线；本次改造将MC9S12DG128单片机的PA口作为数据线，与YM-0802B液晶显示屏的数据总线连接，并用MC9S12DG128单片机PT0口作为存放器的选择信号与液晶显示屏的RS引脚相连，使能端E接+5V电源。其连接图如图5-6所示。图5-6YM-0802B-LCD与CPU连接图YM-0802B的实物图如图5-7所示。图5-7YM-0802B实物图5.3.2键盘电路键盘是由行线和列线组成的，当按下一个按钮，CPU会进行扫描，即逐个扫描行线和列线，直至扫描到按下的按钮。假设一个按钮处于第M行第N列，当这个按钮按下时，CPU就会先对行线进行扫描，直到扫描到M行，然后再进行列线扫描，直到扫描到N列，然后将行线与列线扫描到的信号进行与运算就可以知道哪个按键被按下了。根据这个原理，本次改造需要一个4×8的键盘，因为MC9S12DG128的通用I/O端口只有PT0～PT7共8个，所以必须要扩展一个I/O接口芯片8255A。因为8255A需要两个地址信号，再因为本次改造使用的是16位的CPU，MC9S12DG128是出于宽扩展模式下的，其地址和数据总线是复用的，因此需要外接一个74LS373地址锁存器。〔1〕地址锁存器74LS37374LS373引脚图见图5-8所示：图5-874LS373引脚图引脚功能如下：a.1号引脚，为芯片的使能端，低电平有效；b.3、4、7、8、13、14、17、18号引脚，为芯片的数据输入端口，与MC12DG128的低8位数据总线相连接；c.2、5、6、9、12、15、16、19号引脚，为地址锁存器的地址信号输出端口；d.11号引脚，锁存控制端〔端〕，与MC9S12DG128的PE4口相连接。地址锁存器74LS373只有在低电平时才会工作，当不是出于低电平状态下，不管输入端是什么，也不管锁存控制端如何，8个输出端都呈现高阻状态；只有当1号引脚处于低电平时，这时只要11号引脚出现一个下降沿，那么输出端那么会立即呈现输入端的状态。74LS373真值表见表5-2所示。表5-274LS373真值表使能端〔〕锁存控制端〔〕功能LL输入端与输出端相同〔〕LH输出端保持不变HX输出高阻表中：L—低电平；H—高电平；X—不定态；74LS373与MC9S12DG128的连接图如图5-9所示。图5-974LS373与MC9S12DG128的连接图在图5-9中，端与MC9S12DG128的PE4口高电平相连，畅通无阻低电平，关门锁存；当使能端时，并且再当时，74LS373芯片的输出端和输入端相同；当时，将输入数据锁存。图中PE4口为CPU的地址锁存引脚。〔2〕I/O扩展芯片8255A8255A芯片是一种常用I/O接口芯片，可以对I/O接口进行编程，其引脚图如图5-10所示。图5-108255A引脚图其引脚功能如下：a.34、33、32、31、30、29、28、27号引脚，为8根双向数据线，与MC9S12DG128单片机的数据总线相连；b.35号引脚，为芯片的复位端口，且是高电平有效；c.6号引脚，芯片的片选信号，片选信号由CPU提供；d.、5、36号引脚，为芯片的读/写信号线，都是低电平有效；e.、9、8号引脚，8255A芯片端口选择信号线，用于选择A、B、C端口，与CPU的地址线的低2位相连接；且当=00时，选择A端口；=01时，选择B端口；=10时，选择C端口；f.、、一共24根，为I/O接口线；g.26号引脚，芯片工作电压借口，接+5V电压；h.7号引脚，芯片接地端。8255A芯片与MC9S12DG128芯片的相连需要74LS373芯片，并且将MC9S12DG128单片机的地址总线的低2位PB0、PB1与8255A芯片的、相连〔即373芯片的Q0和Q1与、相连〕，其连接图如图5-11所示。图5-118255A与MC9S12DG128连接图〔3〕键盘电路设计根据上述原理，其键盘设计图如图5-12所示。图5-12键盘电路图键盘与CPU的连接图如图5-13所示。图5-13键盘与MC9S12DG128连接图从图5-13中可以看出，将8255A的作为键盘的行线，作为列线，组成一个4×8的键盘电路图。另外对于端口选择信号、，当同为低电平时，选择A端口；当为高电平为低电平时，选中B端口。5.4报警电路设计机床在运行过程中，可能会出现工作台超出界限的误操作，故要在机床工作台的极限位置安装限位开关来防止工作台越界。因为此次改造是纵向改造，故只有2个方向可能会越界，在任何一个方向发生越界，工作台就立刻停止移动并发出报警信号。如图5-14〔a〕所示为报警信号的产生，图5-14〔b〕为报警指示。本次改造利用MC9S12DG128单片机的中断接口PE1口来实现报警的，只要机床有任一方向的越界，CPU就会立刻相应中断请求信号，并发出报警信号。报警信号设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当发生越界时红灯亮报警，两个灯均由一个I/O口PT2输出。〔a〕(b)图5-14越界报警电路5.5电机的驱动因为本次改造属于经济型改造，故采取由步进电机驱动的开环控制系统。步进电机是将CPU发出的脉冲信号转化为步进电机的步距角的位移信号，并且其位移量的大小以及电机的转速完全与CPU发出的脉冲信号成正比例关系，这样就可以通过改变CPU的脉冲信号的频率来控制步进电机的转速。本次改造所使用的150BF003五相十拍步进电机，一共有五个绕组A、B、C、D、E组成，如果发出的脉冲按照ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB的顺序，那么电机正转；那么其反转顺序正好与正转相反，即BA-BAE-AE-AED-ED-EDC-DC-DCB-CB-CBA。步进电机的正反转需要由脉冲分配器来决定，脉冲分配器可以根据CPU的指令按照一定的顺序为步进电机的绕组通电，从而驱动步进电机按照规定的转速转向转动。脉冲分配器及其之前的控制芯都是在小电压下工作的，为了能够提供步进电机正常运行所需要是转矩和功率就必须对脉冲信号进行功率放大。因为本次改造的步进电机的驱动方式为上下压驱动方式，这个方式本身就带有功率放大功能，故无需重新设计新的功率放大电路了。为了防止强电对弱电的干扰，故在它们之间要设计一个光电隔离电路。其控制电路简图如图5-15所示。图5-15步进电机控制简图5.5.1脉冲分配器根据改造任务要求，选择硬件环形分配器。硬件环形分配器是由相应的门电路和逻辑电路构成的，是一种既可靠又方便使用的集成脉冲分配器。根据之前选的五相十拍的步进电机150BF003，所以选用五相的硬件环形分配器YB015，其引脚图如图5-16所示。图5-16YB015引脚图其引脚介绍如下：〔1〕—2号引脚，为选通输出端，控制硬件环形分配器输出脉冲的顺序；〔2〕、—6、7号引脚，为选通输入端；〔3〕、、、、—1、16、15、14、13号引脚，分别为步进电机励磁绕组的相、相、相、相、相输出端；〔4〕—3号引脚，为清零端，当硬件环形分配器在输出脉冲前，对硬件环形脉冲分配器清零，保证硬件环形分配器的正常工作；〔5〕、—5、4号引脚，为励磁方式控制端；根据上一章计算，要求步进电机工作方式为五相十拍，故当=1，=0时，励磁方式即为五相十拍；〔6〕+、-—11、10号引脚，为步进电机转向控制端，+表示正转，-表示反转；〔7〕CP—8号引脚，为时钟脉冲输入端，输出一定的脉冲频率；〔8〕S—12号引脚，为出错报警输出端；假设脉冲分配器的任一端口运行错误或者这个端口的控制信号出错，该端口立即发出报警信息；〔9〕GND—9号引脚，接地端；〔10〕—18号引脚，电源输入端。如图5-17所示，为YB015与MC9S12DG128的连接图。图5-17YB015与MC9S12DG128接口电路图从图5-12中可以看出，因为要求步进电机励磁方式为五相十拍，所以接高电平，接地；因为YB015的选通输出控制端和选通输入控制端、都是低电平有效，故用一个I/O口PT3口来控制；步进电机的正向转动反向转动信号由PT4和PT5口来控制；为了防止乱相，清零端与PT6口连接。5.5.2光电隔离电路在步进电机的驱动电路中，脉冲分配器输出的信号时小功率的，所以必须要经过功率放大后才可以驱动电机的绕组，但由于步进电机的驱动电压相对于分配器工作电压高的许多，这么高的电压会引起强电干扰。因此必须要在脉冲分配器和电机驱动电路之间加一个光电隔离电路。这里采用普通的光耦合器，4N25型光耦合器。其接线图如图5-18所示。图5-184N25连线图从图5-13中可以看出，信号从输入端输入，发光二极管立刻导通并发出红外光，光敏晶体管经过光照后产生电流，并通过输出端输出，这就实现了电路的隔离，利用光信号来传递电信号。如图5-19为4N25与YB015的A相连接图。图5-194N25与YB015A相驱动连接图所以从图5-14中可知，另外四相也是这种接法。5.5.3步进电机驱动电路根据改造要求，步进电机的驱动方式为上下压驱动，但在这里要指出，此次改造中，对于上下压中的晶体管全部换成功率场效应管。功率场效应管有许多比晶体管优越的特点，比方功率场效应管的迅速开关性能、低能耗、以及无二次击穿等特点，所以用功率场效应管代替晶体管。由于MC9S12DG128芯片只有一个可屏蔽中断源，故此次改造中还要用一个可编程计数定时器8253芯片，另外该芯片还可以给出硬件环形分配器的CP信号。〔1〕上下压驱动原理上下压驱动就是用两个电源为步进电机供电，一开始步进电机绕组接通高压电源，使得步进电机的绕组中电流快速上升，随后切断高压电源，改用低压电源来保持绕组中的电流。其原理图如图5-20所示。图5-20上下压驱动原理图从图5-20中可以看出，上下压驱动方式有两个电源，即高压电源和低压电源，高压开关管端和低压开关管端的脉冲同时起步，但端的脉冲要窄的多。这两个脉冲同时接通晶体管、，使电机绕组接通高压电源，绕组中的电流呈直线上升，如图5-20中的电流波形变化图所示。当脉冲处于低电平时，高压晶体管被截止，绕组断开与高压电源的连接，低压电源经过二极管继续为电机维持工作电流。因为步进电机励磁绕组本身的电阻可以忽略，并且回路中又没有接任何电阻，所以低压电源只需要几伏就可以为维持绕组中较大的工作电流，从而保证了步进电机正常的运行。可以看出上下压驱动方式本身就带有信号的放大效果，故无需再设计另外的功率放大电路。(2)场效应管场效应管与晶体管一样，有3个引脚，即栅极、源极和漏极。并且还分为沟道型和沟道型，其中沟道型相当于型晶体管，沟道型相当于型晶体管。沟道型和沟道型场效应管电气如图5-21〔a〕、〔b〕所示。〔a〔a〕N沟道型〔b〕P沟道型图5-21场效应管电气符号因为一般的芯片的高电平输出最低位3.5V，而功率场效应管的启动电压要在2V至4V之间，所以场效应管的正常使用必须要外接驱动电路，驱动电路如图5-22所示。图5-22N沟道型场效应管一级晶体驱动电路图5-22N沟道型场效应管一级晶体驱动电路从图5-22中可以看出，在栅极和源极之间并联一个5～20的电阻，以提高场效应管的耐压和抗干扰能力，必要时还可以并联两个反串的稳压管。因为此次改造中上下压驱动电路中使用的晶体管都是用的都是型的，因此选沟道型场效应管。〔3〕可编程定时/计数器8253上述已经讲到，8253芯片是为了给出环形分配器的CP时钟信号，其引脚图如图5-23所示。图5-238253引脚图引脚功能如下：a.1～8号引脚，为8位的数据线；b.、19、20号引脚，为8253芯片端口选择信号；c.CLK0～CLK2、GATE0～GATE2、OUT0～OUT29～18号引脚，分别为芯片的脉冲输入引脚、门控脉冲输入引脚和计数/定时输出引脚；d.21号引脚，芯片的片选端口；e.、23、22号引脚，为芯片的写/读信号线；f.24号引脚，芯片工作电源，接+5V电压；g.12号引脚，芯片接地线。8253芯片与CPU和环形分配器的连接图见图5-24。图5-248253与CPU/环形分配器连接图图5-248253与CPU/环形分配器连接图在这里还预留了16～18号引脚，这些引脚还可以驱动一台步进电机的运转，这样就可以为以后如果还要需求的话，可以对机床进行横向的数控化改造。〔