鉆床數控改造中主軸電機控制設計

該設計主要以數控機床的應用和設計為主線，根據對數控機床加工的基本要求來擬定控制系統設計總體方案，主要在微機系統設計方面。采用MCS-51系列的8031單片機，通過單片機控制系統設計和編寫程序，實現步進電機正反轉及轉速控制，步進電機加減速程序設計。此設計的設計思路同樣可以用于其他非數控機床的數控改造上，通過改造可以實現多種機床的自動化改造，降低勞動強度，提高生產效率和加工精度。

單片機 步進電機 控制程序

一、鉆床數控改造總體方案設計

1.鉆床的結構

以Z406鉆床的為例，外形如圖1所示。

2.改造總體方案

我們對它進行數控改造，主要增加一個程控的X，Y工作臺和增加刀具的主軸的程控裝置，使其鉆孔的位置精度提高到0.01mm。

軸齒輪拆去，換上自己重新設計的軸齒輪，軸齒輪右側有個原位控制開關，其作用是當Z向刀具主軸返回原位時，向單片機發出到達原位信號。

圖1的工作臺2拆下，將已設計的X Y向運動的工作臺直接安裝在底座上。XY工作臺以底座的T型槽通過螺銓定位和固緊。XY工作臺設有類似Z向刀具主軸的復位信號發生裝置，向單片機發出到達原位信號。

XY工作臺中X、Y方向的移動，可采用螺旋機構或齒輪條傳動機構，這兩種均可把旋轉運動變為直線運動。

Z向的步進電機通過減速裝置和聯軸器控制轉頭上、下運動，鉆頭的旋轉運動由原來的三相交流電機驅動，其轉速可根據加工工件的材料、孔徑大小、板厚等進行調整。X、Y、Z運動均選用三相反應式步進電機55BF004。

數控裝置的CPU采用MCS-51系列的8031單片機，其中CPU為6兆晶振。系統的擴展I/O接口選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155，其PA和PB口給環形分配器輸入脈沖CP、提供步進電機的方向控制信號和復位信號。選用環形分配器控制，單電壓驅動電路。為防止功率放大器高壓的干擾，步進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離，光電隔離的輸出端必須采用隔離電源。系統的加工程序和控制命令通過面板操作來實現，顯示器設計在面板上，為防止機床各個方向的行程越界，還在機床上安裝了行程開關。

進給伺服系統機械部分設計計算在機械部分講解。

二、Z方向上步進電機的選用

選δp=0.01（mm/step），θb=1.5（°/step）

鉆頭到達最大行程s=65mm時，手柄轉過270°，即θ=270°，手柄上的扭距M手與切削力Fz之間的關系為：

FzS=M手θ，M手=242×6.5/1.5π≈334 (N·cm)步進電機每走一步轉角為1.5°，鉆頭移動0.01 mm，同時在手柄處轉角為：

θ′=δpθ/s=0.01×270/65=0.042°

因此手輪與步進電機之間要加減速裝置，其減速比：

i=1.5°/0.042°=35.7°

步進電機上的負載力距Tq為：

Tq=M手/ i=334/35.7=9.4(N·cm)

Tjm= Tq/0.866=10.68(N·cm)

選用55BF004型步進電機。

三、單片機控制系統設計

1.三相六拍環形分配器的選用

驅動器中自帶有環形分配器，這種控制接口很簡單，只用A輸出口的兩位控制一臺步進電機工作?？芍苯舆x用現成的集成環形分配器。這里選用YB013環形分配器。

2.光電隔離器電路

在環形分配器和功率驅動電路之間采用光電隔離器，是為了防止功率放大器高壓的干擾和隔離高電平的脈沖信號對微型計算機的干擾，同時還能實現兩者不同電平的轉換，光電隔離器電路見圖2。

環形分配器送出的脈沖信號經過驅動電路驅動光電隔離器GO101，然后送到功率驅動電路。

3.功放電路

功放電路的功能是將環形分配器送來的弱電信號變為更強的電信號。晶體管單電壓型的驅動電路具有控制方便、調試容易和線路簡單等優點，所以在設計中采用。電路如圖3。

經分配器送出的脈沖序列，通過光電隔離器電路送到驅動電路。脈沖高電平時，T1、T2開關導通，三相六拍步進電機繞組供電；低電平時，T1、T2開關截止。2CP23為續流二極管，通過此二極管，步進電機繞組產生反電勢將維持電流繼續沿原來的方向流動，另外通過二極管還能釋放磁場能，以免高的反電勢擊穿T1、T2。

四、步進電機運行的軟件控制

1.步進電機控制程序設計

控制程序的任務是：判斷旋轉方向，依次在兩控制字中，根據運轉速度實現一定的延時、判斷是否結束。假設步進電機總的運行步數存放在R4，轉向標志存放在程序狀態寄存器的用戶標志位F1（D5H）中，當F1為零時，電機正轉，當F1為1時則反轉。正轉時P1端口的輸出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05H存放在單片機8031的片內數據存儲單元20H-25H中，26H用于存放結束標志00H。在27H-2CH的存儲單元內存放反轉時P1端口的輸出控制字01H，05H，04H，06H，02H，03H，在2DH單元內存放結束標志00H。

2.步進電機加減速程序設計

在實際生產中，如步進電機的運行頻率較高，為使其不出現失步的現象，不能采用突然啟動的方式，通常要有一個啟動加速過程。同樣當步進電機從高速運行到停止時，也要有一個減速過程，以免產生過沖的現象。微機實現加減速的控制，可采用等加減控制和按照指數曲線控制方法。上圖為等加、減速方式控制的輸出脈沖頻率的波形。步進電機在啟動過程中，進給脈沖頻率隨時間按線性變化，上升到一定頻率fc時停止變化，改為勻速進給。在停止過程中，同樣由給定fc勻減速變化直到步進電機停止運轉。程序實現這種方式比較容易，即在步進電機的啟動和制動的變速過程中，微機每輸出一個狀態控制字后的延時時間間隔按線性遞減或遞增變化。啟動進給一定步數后達到勻速狀態，此時時間保持不變。

參考文獻：

[1]吳振彪.機電綜合設計指導.中國人民大學出版社.

[2]馬正先，李慧.鉆床的數控改造設計.機械與電子，1994，（4）.

[3]范云霄.臺式鉆床的改造.機械制造，1994，（1）.

[4]王永洲.用單片機控制的簡易數控車床硬件設計.試驗技術與管理，1995，（12）.