摘要：本文采用8051單片機的I/O口，信號控制五相步進電動機，利用內(nèi)部程序?qū)纹瑱C輸出信號進行脈沖分配，從而驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)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(dāng)今廣泛應(yīng)用工業(yè)控制自動化的變頻技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸的無級調(diào)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(zhuǎn)方向與通電相序有關(guān),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)約電能、提高設(shè)備自動化、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。提高可觀的經(jīng)濟效益,單片機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制自動化系統(tǒng)中，掌握單片機技術(shù)是從事工業(yè)控制的重要技能。

1引言

    數(shù)控機床是數(shù)字控制工作母機的總稱，是集現(xiàn)代精密機械設(shè)計與制造技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子與微電子技術(shù)、電機與新材料技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光電技術(shù)等最新成就而構(gòu)成的機電一體化的高級典型產(chǎn)品，作為加工制造業(yè)的工作母機，同時是兼?zhèn)涓呔?、高柔性、高效率、高自動化特點于一身的現(xiàn)代化設(shè)備。數(shù)控機床是國防軍工、國民經(jīng)濟中的重要基礎(chǔ)裝備，它的應(yīng)用遍及社會經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，是機械、電子、汽車、石化、建筑等部門的支柱產(chǎn)業(yè)，也是能源、交通、材料、通訊等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化重要工具。

    當(dāng)今世界技術(shù)領(lǐng)域，自動化控制技術(shù)是實際應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展勢頭最為強勁、經(jīng)濟效益最為明顯的技術(shù)之一。單片微型計算機是專門為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的,我國目前有不少單位使用單片機實現(xiàn)低檔的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。8051系列單片微機已成為應(yīng)用最廣泛的機種.除了用低檔的經(jīng)濟型數(shù)控機床的CPU之外,在多處理機構(gòu)成的全功能CNC系統(tǒng)中也常用單片微機實現(xiàn)伺服驅(qū)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(guān),而且與其配套使用的驅(qū)動電源有著密切的關(guān)系.步進電動機的運行性能是步進電動機和驅(qū)動電源的綜合結(jié)果,選擇性能良好的驅(qū)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(diào)速始終是一個不好解決的難題。直到二十世紀(jì)七十年代，由于計算機的產(chǎn)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(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。根據(jù)電機學(xué)理論，交流異步電動機的轉(zhuǎn)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(diào)速方法效果最理想，這就是所謂的變頻調(diào)速。

    80年代初，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機床已實現(xiàn)了計算機控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。針對車削、銑削、磨削、鉆削和刨削等金屬切削加工工藝及電加工、激光加工等特種加工工藝的需求，開發(fā)了各種門類的數(shù)控加工機床。

2數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)

2.1數(shù)控車床概述

    數(shù)控車床又稱為CNC（ComputerNumerical）車床，即用計算機數(shù)字控制的車床。臥式車床是靠手工操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(biāo)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉(zhuǎn)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。

2.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)

    主運動傳動系統(tǒng)由功率為11/15KW的AC伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)1：1的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35-3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機構(gòu)。因此減少了原齒輪對主軸的影響，并且維修方便。

2.3主軸箱結(jié)構(gòu)

    主軸采用兩支承結(jié)構(gòu)，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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速高，該支承結(jié)構(gòu)能滿足高大載荷切削的需要。

2.4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(qū)動，X軸進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。步進電動機15經(jīng)同步帶輪14和10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉(zhuǎn)，其上螺母7帶動刀架21沿滑板1的導(dǎo)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(yù)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(yù)緊。這種絲桿兩端固定的支承形式，其結(jié)構(gòu)和工藝都較復(fù)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(jīng)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，實現(xiàn)Z軸的進給運動。電動機軸與同步帶輪12之間用錐環(huán)無鍵聯(lián)接，其中19和20是錐面相互配合的內(nèi)外錐環(huán)。當(dāng)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(nèi)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。

3機床主軸變頻調(diào)速

3.1變頻調(diào)速原理

    在變頻調(diào)速中使用最多的變頻調(diào)速器是電壓型變頻調(diào)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(jīng)橋式整流為脈動直流電,脈動直流的電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下,用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源,輸出到需要調(diào)速的電動機上。由電工原理可知電機的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速

3.2車床主軸的變頻調(diào)速

    車床主軸由11KW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(diào)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。如圖1所示利用8051單片機的輸出實現(xiàn)主軸電機的正反轉(zhuǎn)和速度控制，變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3變頻器的抗干擾技術(shù)

3.3.1外來干擾

    變頻器采用了高性能微處理器等集成電路，對外來電磁干擾較敏感，會因電磁干擾的影響而產(chǎn)生錯誤，對運轉(zhuǎn)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(shè)控制電纜時必須采取充分的抗干擾措施。

3.3.2頻器產(chǎn)生的干擾

    變頻器的輸入和輸出電流的波形都不是標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備、通信和無線設(shè)備的工作形成干擾。因此在裝設(shè)變頻器時，應(yīng)考慮采取各種抗干擾措施，削弱干擾信號的強度。

4步進電動機對進給裝置的控制系統(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)用功率步進電動機作為驅(qū)動元件,實現(xiàn)進給運動.當(dāng)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(jīng)環(huán)形分配和功率放大驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動一步,通過絲桿轉(zhuǎn)動使機床運動部件運動一個單位長度。圖2為采用功率步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)示意圖。

    步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。因此,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(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向.無脈沖輸入時,在繞阻電源激勵下,氣隙磁場能使轉(zhuǎn)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(yīng)用于各種開環(huán)控制。

    現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)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(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應(yīng)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(yīng)用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。

5步進電動機的微機控制原理

    傳統(tǒng)的步進控制器線路復(fù)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(qū)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(chǎn)生。其基本控制作用如下。

5.1控制換相順序

    步進電動機的換相順序嚴(yán)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-EAB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(jīng)過十次切換才能完成一個循環(huán)。

5.2控制步進電動機的轉(zhuǎn)向

    通過前面介紹的步進電動機原理我們已經(jīng)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(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動機就反轉(zhuǎn)。五相十拍步進電動機工作在2-3相方式,通電換相的正序是AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,電動機就正轉(zhuǎn)；如果按反序EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-AB，電動機就反轉(zhuǎn)。

5.3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(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進電動機進行調(diào)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{(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調(diào)速。在此只要通過軟件延時的方法，改變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。

5.4利用微機對步進電機進行控制，有串行和并行兩種方式

5.4.1串行控制

    該方式使單片機系統(tǒng)與步進電動機驅(qū)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(qū)動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源中必須含有環(huán)形分配器。

5.4.2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(qū)動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅(qū)動電源內(nèi)，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(dǎo)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(jié)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(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，如圖3所示。

6結(jié)論

    本文圍繞著如何用單片機對步進電動機進行控制，從而實現(xiàn)控制車床X軸和Z軸的進給。該系統(tǒng)在機械方面不僅保證了機床的精度穩(wěn)定性，也獲得可靠的加工質(zhì)量，還減少了大量的齒輪傳動機構(gòu)。