鉆床數(shù)控改造中主軸電機(jī)控制設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要以數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用和設(shè)計(jì)為主線，根據(jù)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的基本要求來擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案，主要在微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。采用MCS-51系列的8031單片機(jī)，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編寫程序，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，步進(jìn)電機(jī)加減速程序設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路同樣可以用于其他非數(shù)控機(jī)床的數(shù)控改造上，通過改造可以實(shí)現(xiàn)多種機(jī)床的自動(dòng)化改造，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和加工精度。

單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 控制程序

一、鉆床數(shù)控改造總體方案設(shè)計(jì)

1.鉆床的結(jié)構(gòu)

以Z406鉆床的為例，外形如圖1所示。

2.改造總體方案

我們對(duì)它進(jìn)行數(shù)控改造，主要增加一個(gè)程控的X，Y工作臺(tái)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(shè)計(jì)的軸齒輪，軸齒輪右側(cè)有個(gè)原位控制開關(guān)，其作用是當(dāng)Z向刀具主軸返回原位時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出到達(dá)原位信號(hào)。

圖1的工作臺(tái)2拆下，將已設(shè)計(jì)的X Y向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)直接安裝在底座上。XY工作臺(tái)以底座的T型槽通過螺銓定位和固緊。XY工作臺(tái)設(shè)有類似Z向刀具主軸的復(fù)位信號(hào)發(fā)生裝置，向單片機(jī)發(fā)出到達(dá)原位信號(hào)。

XY工作臺(tái)中X、Y方向的移動(dòng)，可采用螺旋機(jī)構(gòu)或齒輪條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩種均可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。

Z向的步進(jìn)電機(jī)通過減速裝置和聯(lián)軸器控制轉(zhuǎn)頭上、下運(yùn)動(dòng)，鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由原來的三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)加工工件的材料、孔徑大小、板厚等進(jìn)行調(diào)整。X、Y、Z運(yùn)動(dòng)均選用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)55BF004。

數(shù)控裝置的CPU采用MCS-51系列的8031單片機(jī)，其中CPU為6兆晶振。系統(tǒng)的擴(kuò)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(huán)形分配器輸入脈沖CP、提供步進(jìn)電機(jī)的方向控制信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。選用環(huán)形分配器控制，單電壓驅(qū)動(dòng)電路。為防止功率放大器高壓的干擾，步進(jìn)電機(jī)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(tǒng)的加工程序和控制命令通過面板操作來實(shí)現(xiàn)，顯示器設(shè)計(jì)在面板上，為防止機(jī)床各個(gè)方向的行程越界，還在機(jī)床上安裝了行程開關(guān)。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算在機(jī)械部分講解。

二、Z方向上步進(jìn)電機(jī)的選用

選δp=0.01（mm/step），θb=1.5（°/step）

鉆頭到達(dá)最大行程s=65mm時(shí)，手柄轉(zhuǎn)過270°，即θ=270°，手柄上的扭距M手與切削力Fz之間的關(guān)系為：

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

θ′=δpθ/s=0.01×270/65=0.042°

因此手輪與步進(jìn)電機(jī)之間要加減速裝置，其減速比：

i=1.5°/0.042°=35.7°

步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)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(jìn)電機(jī)。

三、單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.三相六拍環(huán)形分配器的選用

驅(qū)動(dòng)器中自帶有環(huán)形分配器，這種控制接口很簡(jiǎn)單，只用A輸出口的兩位控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)工作。可直接選用現(xiàn)成的集成環(huán)形分配器。這里選用YB013環(huán)形分配器。

2.光電隔離器電路

在環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)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(hào)對(duì)微型計(jì)算機(jī)的干擾，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)兩者不同電平的轉(zhuǎn)換，光電隔離器電路見圖2。

環(huán)形分配器送出的脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)光電隔離器GO101，然后送到功率驅(qū)動(dòng)電路。

3.功放電路

功放電路的功能是將環(huán)形分配器送來的弱電信號(hào)變?yōu)楦鼜?qiáng)的電信號(hào)。晶體管單電壓型的驅(qū)動(dòng)電路具有控制方便、調(diào)試容易和線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)中采用。電路如圖3。

經(jīng)分配器送出的脈沖序列，通過光電隔離器電路送到驅(qū)動(dòng)電路。脈沖高電平時(shí)，T1、T2開關(guān)導(dǎo)通，三相六拍步進(jìn)電機(jī)繞組供電；低電平時(shí)，T1、T2開關(guān)截止。2CP23為續(xù)流二極管，通過此二極管，步進(jìn)電機(jī)繞組產(chǎn)生反電勢(shì)將維持電流繼續(xù)沿原來的方向流動(dòng)，另外通過二極管還能釋放磁場(chǎng)能，以免高的反電勢(shì)擊穿T1、T2。

四、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的軟件控制

1.步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向，依次在兩控制字中，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)、判斷是否結(jié)束。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)存放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器的用戶標(biāo)志位F1（D5H）中，當(dāng)F1為零時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)F1為1時(shí)則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05H存放在單片機(jī)8031的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元20H-25H中，26H用于存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H-2CH的存儲(chǔ)單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H，05H，04H，06H，02H，03H，在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。

2.步進(jìn)電機(jī)加減速程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，如步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率較高，為使其不出現(xiàn)失步的現(xiàn)象，不能采用突然啟動(dòng)的方式，通常要有一個(gè)啟動(dòng)加速過程。同樣當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從高速運(yùn)行到停止時(shí)，也要有一個(gè)減速過程，以免產(chǎn)生過沖的現(xiàn)象。微機(jī)實(shí)現(xiàn)加減速的控制，可采用等加減控制和按照指數(shù)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(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)過程中，進(jìn)給脈沖頻率隨時(shí)間按線性變化，上升到一定頻率fc時(shí)停止變化，改為勻速進(jìn)給。在停止過程中，同樣由給定fc勻減速變化直到步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。程序?qū)崿F(xiàn)這種方式比較容易，即在步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)的變速過程中，微機(jī)每輸出一個(gè)狀態(tài)控制字后的延時(shí)時(shí)間間隔按線性遞減或遞增變化。啟動(dòng)進(jìn)給一定步數(shù)后達(dá)到勻速狀態(tài)，此時(shí)時(shí)間保持不變。

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