單片機在數(shù)控機床系統(tǒng)中的應用

1、機械L119張廣義11L0551306單片機在數(shù)控機床系統(tǒng)中的應用摘要：本文利用8051單片機的I/O 口，信號控制五相步進電動機，利用內 部程序對單片機輸出信號進行脈沖分配，從而驅動步進電動機轉動，實現(xiàn)對數(shù)控車床進給系統(tǒng)的方向、速度和位置的控制。采用當今廣泛應用工業(yè)控制自動化的 變頻技術實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸的無級調速， 五相步進電動機作為該系統(tǒng)的執(zhí)行元 件。由于,步進電動機的角位移量和指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉方向與通電相序 有關,因此,只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞阻通電的相序，便可控制機床進給系統(tǒng)的運動的位移量、速度和移動方向。實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸和進給系 統(tǒng)的自動控制，可以有效的節(jié)

2、約電能、提高設備自動化、產品產量和質量。提高 可觀的經濟效益，單片機已經廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制自動化系統(tǒng)中，掌握單片機技術是從事工業(yè)控制的重要技能。引言：當今世界技術領域，自動化控制技術是實際應用最為廣泛、發(fā)展勢頭最 為強勁、經濟效益最為明顯的技術之一。單片微型計算機是專門為工業(yè)應用設計 的,我國目前有不少單位使用單片機實現(xiàn)低檔的經濟型數(shù)控系統(tǒng)。8051系列單片微機已成為應用最廣泛的機種.除了用低檔的經濟型數(shù)控機床的 CPU之外,在多 處理機構成的全功能CNC系統(tǒng)中也常用單片微機實現(xiàn)伺服驅動等功能。步進電動機的運行性能與電動機本身的特性、負載有關，而且與其配套使用的驅動電源有著密切的關系.步進

3、電動機的運行性能是步進電動機和驅動電源的 綜合結果,選擇性能良好的驅動電源對于發(fā)揮步進電動機的性能是十分重要的交流異步電動機的調速始終是一個不好解決的難題。直到二十世紀七十年代，由于計算機的產生，以及近二十年來新型快速的電力電子元件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動機調速成為可能， 并得到迅速的普及。根據(jù)電機學理論，交流異 步電動機的轉速可由公式n=60fp(1-s)可知，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電動 機的調速方法效果最理想，這就是所謂的變頻調速。一、數(shù)控機床的機械結構1、數(shù)控車床概述數(shù)控車床又稱為CNC( Computer Numerical )車床，即用計算機數(shù)字控制的 車床。臥式車床是靠手工操

4、作機床來完成各種切削加工，而數(shù)控車床是將編制好 的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，由數(shù)控系統(tǒng)通過車床 X、Z坐標軸的伺服電動機 去控制車床進給運動部件的動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和 轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉體零件。 因此，數(shù)控車床是目 前使用較為廣泛的數(shù)控機床。2、數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)MJ-50數(shù)控車床其傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。其中主運動傳動系統(tǒng)由功率為11/15KW的AC伺服電動機驅動，經1 : 1的帶傳動帶動主軸旋轉，使主軸在35-3500r/min的轉速范圍內實現(xiàn)無級調速，主軸箱內部省去了齒輪傳動變速機 構。因此減少了原齒輪對主軸的影響，并且維修方便。3、主軸

5、箱結構主軸采用兩支承結構，前支承由一個雙列圓柱滾子軸承11和一對角接觸球軸 承10組成，軸承11用來支承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口朝向主軸前 端,另一個大口朝向主軸后端，用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。 前支承軸 承的間隙用螺母1和6來調整。螺釘17、13起防松作用。主軸的支承形式為前端定 位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用的雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好， 允許的極限轉速高。而角接觸球軸能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉速高， 該支承結構能滿足高速大載荷切削的需要。4、進給傳動系統(tǒng)及傳動裝置X軸和Z軸進給分別由步進電動機驅動，X軸進給傳動裝置的結構簡圖。步進 電動機15經同步

6、帶輪14和 10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉，其上螺母7帶動刀 架21沿滑板1的導軌移動，實現(xiàn)X軸進給運動。滾珠絲杠的前支承3由三個角接觸 球軸承組成，其中一個軸承大口向前，兩個軸承大口向后，分別承受雙向的軸向 載荷。前支承由螺母2進行預緊。滾珠絲杠的后支承9為一對角接觸球軸承，軸承 大口相背放置，由螺母11進行預緊。這種絲桿兩端固定的支承形式，其結構和工 藝都較復雜，但是可以保證和提高絲杠的軸向剛度。Z軸進給傳動裝置。步進電機14經同步帶輪12和2以及同步帶11傳動到滾珠絲桿5,由螺母4帶動滑板連同刀 架沿床身13的矩形異軌移動（如b圖），實現(xiàn)Z軸的進給運動。電動機軸與同步帶 輪12之間

7、用錐環(huán)無鍵聯(lián)接，如局部放大視圖所示，其中19和20是錐面相互配合的 內外錐環(huán)。當擰緊螺釘17時，法蘭18的端面壓迫外錐環(huán)20使其向外膨脹，內錐環(huán) 19受力后向電動機軸收縮，從而使電動機軸與同步帶輪聯(lián)接在一起。二、機床主軸變頻調速1、交流調速概況20世紀30年代,不少國家開始提出各種交流電動機的調速的原始方案，但由于交換技術控制的制約，進展十分緩慢；在相當長的時期內，直流調速一直以優(yōu)良 而領先于交流調速；20世紀60年代中期,隨著電力電子器件的制造技術電力電子 電路的變換技術交流電動機的矢量變換控制技術.PW技術以及微型計算機和以 大規(guī)模集成電路為基礎的全控數(shù)字化控制技術的發(fā)展，交流調速得到廣泛

8、的應用。交流電動機變頻調速是在現(xiàn)代微電子技術基礎上發(fā)展起來的新技術，它不但比傳統(tǒng)的直流電機調速優(yōu)越，而且比調壓調速、變極調速、串級調速等調速方式 優(yōu)越。它的特點是調速平滑、調速范圍寬、效率高特性好、結構簡單、機械特性 硬、保護功能齊全，運行平穩(wěn)安全可靠，在生產過程中能獲得最佳速度參數(shù)，是 理想的調速方式。應用實踐證明，交流電機變頻調速一般能節(jié)電30%,目前工業(yè) 發(fā)達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術。2、變頻調速原理在變頻調速中使用最多的變頻調速器是電壓型變頻調速器，由整流器、濾波 系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時首先將三相交流電經橋式整流為脈動直流 電，脈動直流

9、的電壓經平滑濾波后在微處理器的調控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相交流電源，輸出到需要調速的電動機上。由電工原理 可知電機的轉速與電源頻率成正比，通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而 任意調節(jié)電機轉速，實現(xiàn)平滑的無級調速3、車床主軸的變頻調速車床主軸由11KV三相異步電動機拖動。通過比較決定選用三菱系列變頻器實 現(xiàn)主軸的變頻調速，并始終工作在最佳狀態(tài)，另外在主軸后端加裝編碼器，實現(xiàn)主 軸的速度控制。4、如下圖所示利用8051單片機的輸出實現(xiàn)主軸電機的正反轉和速度控制，變頻 調速的結構示意圖。5、變頻器的抗干擾技術-3 -# -1、外來干擾 變頻器采用了高性能微處理器等集成電路，

10、對外來電磁干擾較敏感，會因電磁干擾的影響而產生錯誤， 對運轉造成惡劣影響。外來干擾多 通過以變頻器控制電纜為煤體的途徑侵入， 所以鋪設控制電纜時必須采取充分的 抗干擾措施。2、頻器產生的干擾變頻器的輸入和輸出電流的波形都不是標準正弦波,-# -含有很多高次諧波成分。它們將以空中輻射、線路傳播等方式把自己的能量傳播 出去，對周圍的電子設備、通信和無線設備的工作形成干擾。 因此在裝設變頻器 時，應考慮采取各種抗干擾措施，削弱干擾信號的強度。三、步進電動機對進給裝置的方向、速度和位置的控制系統(tǒng)該數(shù)控機床的開環(huán)進給伺服系統(tǒng)不帶位置檢測反饋裝置 ，CNC單元發(fā)出的指 令信號是單項的該系統(tǒng)用功率步進電動機

11、作為驅動元件，實現(xiàn)進給運動當需要 某個軸運動一個單位長度時，向該軸伺服電路輸出一個脈沖，經環(huán)形分配和功率 放大驅動步進電動機轉動一步，通過絲桿轉動使機床運動部件運動一個單位長度 下圖為采用功率步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)示意圖工作臺開環(huán)歩進伺服丟統(tǒng)結構示意圉1、步進電機的基本原理步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自 動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的電磁裝置.步進電動機的向位移與輸入脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同 步，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。 因

12、此，只需控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率及電動機繞阻通電順序，便可獲得所需的轉速及轉動方向無脈沖輸入時，在 繞阻電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài) .步進電機可 以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 （精度為100%）的特點，廣 泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機 （VR、永磁式步進電機（PM、 混合式步進電機（HB和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相， 可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電 機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子

13、上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉 矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相： 兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最 為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。2、步進電機的一些基本參數(shù)：0、電機固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值， 如86BYG250;型電機給出的值為 0.9 ° /1.8。（表示半步工作時為0.9。、整步工作時為1.8 °）,這個步距角可 以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正 的步距角和驅動

14、器有關。2、步進電機的相數(shù)：是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9 ° /1.8。、三相的為0.75 ° /1.5。、五相的為0.36 ° /0.72 ° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要 求。如果使用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改 變細分數(shù)，就可以改變步距角。、步進電機作為自動控制領域中的主要控制元件之一，具有以下應用特占：八、（a）一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。（b）步進電機外表允許

15、的最高溫度：步進電機溫度過高首先會使電機的磁性 材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決 于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以 上,有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全 正常。（c）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，電機各相繞 組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下， 電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。(d) 步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯 叫聲：步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即

16、步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟 步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動， 脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高 頻(電機轉速從低速升到高速)。(e) 接受數(shù)字量的控制信號，在單片機應用系統(tǒng)中，它可以直接接受由計算 機系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號，而不需要進行模/數(shù)轉換。實現(xiàn)機械位移。例如，在機械控制部分，步進電機配合絲杠和齒輪可把 角度變化轉變直線轉移。(g) 靈敏度高，步進電機具有快速起動和快速停止的能力，能在瞬間實現(xiàn)起 傳。(h) 能準確返回原位，無論是反應式步進電機還是永

17、磁式步進電機，都能精 確地返回電機的起始位置。(i) 脈沖與角度位移能精確同步，在單片機應用系統(tǒng)中，可以利用電機控制 脈沖與它的角位移精確同步的特點，實現(xiàn)對物理量的控制(j )控制方便、可靠、精確定值：步進電動機以其顯著的特點，所以在數(shù)控車 床改造中，系統(tǒng)普通采用步進電動機作伺服元件。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā) 展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 所以在 數(shù)控車床改造中，系統(tǒng)普通采用步進電動機作伺服元件。3、步進電動機的選擇：本系統(tǒng)采用反應式步進電動機，實現(xiàn)對Z軸和X軸進行速度、方向和位置控 制，本系統(tǒng)選用步進電動機型號：130BF001五相十拍、步距角：0.75

18、/1.50、 靜態(tài)電流：10A、額定電壓：80/120V、最大靜力矩：950/N-CM空載啟動頻率 300S-1、空載運行頻率：16000S-1選擇步進電機時，首先必須保證步進電機的 輸出功率大于負載所需的功率，而在選用功率步進電機時，應先計算機械系統(tǒng)的 負載轉矩，使電機的矩頻物性能有一定的余量， 以保證運行可靠，即在實際工作 中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩 M也大。通常取M/Mjmax=0.2-0.5.對于相數(shù)較多突跳頻率 要求不高的情況取大值，反之取小值。其次，應使步矩角和機械系統(tǒng)匹配，這樣 可以得到機床使用時要求的脈沖當量。4、

19、單片機的概述隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，計算機越來越廣泛地應用于人們工作和生活中 的各個領域里的一個重要方面，單片機及其應用技術近年來也得到了長足發(fā)展。 單片機被廣泛應用在工業(yè)自動化控制、 智能儀表、數(shù)據(jù)采集、通訊以及家用電器 等領域。單片機以其與通用微機完全不同的發(fā)展模式，不斷滿足工業(yè)測控、惡劣 環(huán)境下可靠運行的要求。單片機已成為現(xiàn)代工業(yè)領域中不可缺少的重要角色。單片機技術的發(fā)展速度十分迅速，速度更快功能更強的16位32位單片機已 陸續(xù)問世，但8位機，特別是新一代高檔8位機具有優(yōu)異的性能，已能滿足大部 分單片機應用領域的需要，另外，它還具有可靠性高外圍芯片配套系統(tǒng)構成簡單 應用軟件豐富技術成熟

20、開發(fā)應用方便等優(yōu)點，在單片機應用中仍有一定的市場。 單片機微處理具有以下特點： 、受密度限制：芯片存儲器存儲容量較小， 一般ROM、于4/8KB，RAM小于256字節(jié)； 、可靠性良好：單片機是按照工業(yè)控制要求所設計的 ，其抗工業(yè)噪聲 干擾優(yōu)于一般的CPU程序指令及常數(shù)數(shù)據(jù)都燒寫在 ROM內,其許多信號通道 均在同一個芯片內，因此可靠性高； 、易擴充：單片機具有一般微電腦所必需的器件，如三態(tài)雙向總線、并行及串行的輸入/輸出引腳，可以擴充為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)；、控制功能強：為了滿足工業(yè)控制的要求，單片機的指令除了輸入/輸出控制指令、邏輯中斷指令外，還有更為豐富的條件分支跳躍指令。MCS-5係列單

21、片機是INTEL公司在MCS-48的基礎上發(fā)展起來的新產品。雖 然仍然是8位的單片機，但其功能較MCS-48有很大增強，此外它還具有品種全、 兼容性強、軟硬資料豐富等特點，因此用非常廣泛。利用8051單片機對步進電動機進行速度和方向的控制，從而驅動絲杠實現(xiàn)進給。四、步進電動機的微機控制原理傳統(tǒng)的步進控制器線路復雜，成本高，用單片機控制步進電機時，可由單片 機硬件和軟件代替上述步進控制器。 不僅簡化了線路，降低了成本，面且可靠性 大大提高，并能根據(jù)系統(tǒng)需要靈活改變步進電機的控制方案， 使用起來更為方便。 步進電動機的驅動電路根據(jù)控制信號工作。在步進電動機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。其基

22、本控制作用如下。、控制換相順序：步進電動機的換相順序嚴格按照步進電動機的工作方 式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。 系統(tǒng)中以五相步進電動機 工作在十拍 2-3 相通電方式為例，這時通電順序 為:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-E先接通 AB繞阻，以后再接通 ABC相繞 阻,然后斷開A相繞阻,使BC繞阻接通；再同時接通BCD相繞阻,依次進行。定子 五相繞阻需經過十次切換才能完成一個循環(huán)、控制步進電動機的轉向：通過前面介紹的步進電動機原理我們已經知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉。五相十拍步進電動

23、機工作在2-3相方式,通電換相的正序是 AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB動機就正轉；如果按反序 EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-At 動機就反轉。、控制步進電動機的速度：如果給步進電動機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機 就轉得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。 調整單片機發(fā)出脈沖 的頻率，就可以對步進電動機進行調速。步進電動機的速度控制通過控制單片機 發(fā)出的步進脈沖頻率來實現(xiàn)?？梢圆捎谜{整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調 速。在此只要通過軟件延時的方法，改變

24、延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的 頻率。但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時。-6 -4、對步進電動機位置控制的一般作法:步進電動機每一步，步數(shù)減一,如果沒有失步存在，當執(zhí)行機構到達目標位置進，步數(shù)正好減到o,因此，用步數(shù)等于o來判斷是否移動到目標位，作為步進電動機停止運行的信號。步進電動 機的位置控制，指的是控制步進電動機帶動執(zhí)行機構從一個位置精確地運行到另 一個位置。步進電動機的位置控制是步進電動機的一大優(yōu)點， 它可以不用借助位 置傳感器而只需單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度，因此應用廣泛。5、利用微機對步進電機進行控制，有串行和并行兩種方式。(1) .串行控制 該方式使單片機系

25、統(tǒng)與步進電動機驅動電源之間具有較少 的連線。，單片機通過I/O接口將信號送入步進電動機驅動電源的環(huán)形分配器， 所以在這種系統(tǒng)中，驅動電源中必須含有環(huán)形分配器。(2) 并行控制 用微機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進電動機各相驅動 電路的方法稱為并行控制。在電動機驅動電源內，不包括環(huán)形分配器，而其功能 必須由微機系統(tǒng)完成。由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：一種 是純軟件方法，既完全軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號， 主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟、硬件相結合的方法。本論文通過軟件實現(xiàn)脈沖分配，按照給定的通電順序，通過單片機I/O 口向 驅動電路發(fā)出控制脈沖通電

26、狀用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖P0.4(E)P2.4(E)P0.3(D)P2.3(D)P0.2(C)P0.1(B)P2.2(C)P2.1(B)控制字P0.0(A)P2.0(A)AB11100FCHABC11P 000P F8HBC11001F9HBCD10001F1HCD10:011:F3HCDE00011E3HDE00111E7HDEA00110PE6HEA01110EEHEAB01100EC卜如上圖所示,利用8051單片機的P0.0P0.4和P2.0P2.4這十條I/O線,向五相步進電動機傳送控制信號,P0 口為控制X軸的步進電動機,P2 口為控制Z軸步進電動機.以五相步進電動機工作在十

27、拍 2-3相方式為例，設計軟件。五相十拍工作在2-3方式通電換相的順序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB 共有十個通電狀態(tài)。如果I/O輸出的控制信號中。0代表使繞阻通電，1代表使 繞阻斷電，則可用十個控制字來對應這十個通電狀態(tài)。這十個控制字如表所示。在程序中,只要依次將這10個控制字送到P0 P2 口 ,步進電動機就會轉動一 個齒距角。每送一個控制字，就完成一拍，步進電動機轉過一個步距角.六、步進電動機驅動器的原理步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動 ，這種裝置就是步進電機驅動器， 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與 脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；控制 步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。由于步進電機的驅動電流比較大， 故單 片機與步進電機的連接都要專門的接口電路及驅動電路。典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：1. 步進控制器，由單片機實現(xiàn)。2. 驅動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅動步進電機。3. 步進電機。典型的步進電機驅動控制電路圖如下：S031P1.