简易数控机床的实验指导书

一、实验目的与要求...................................................................................０二、二、实验任务.......................................................................................０三、步进电机的工作原理...........................................................................１四、插补的实现...........................................................................................４A)数控机床任务控制刀具或工件的运动轨迹............................................４B)逐点比较法直线插补................................................................................５C)逐点比较法的圆弧插补：........................................................................７五、硬件分析...............................................................................................８六、参考书...................................................................................................８七、思考题...................................................................................................８一、实验目的与要求通过简易数控机床综合实验，了解数控机床的工作原理和步进电机控制方法，培养学生综合应用已学过的理论知识，自己动手解决工程应用问题的能力。1、熟悉简易数控机床结构，掌握步进电机控制原理和方法，分析计算机接口电路。2、掌握插补算法，简化四个象限的直线和原弧插补算法；3、用单片机C语言实现直线和圆弧的插补；二、实验任务1)软件设计用逐点比较法编写出直线插补和圆弧插补程序，以及机床的驱动程序。2)硬件设计I/O板的设计，这个要通过网络找出电子线路板的制作过程，并指出我们本次试验所在流程中位置。3)写实验报告本试验是用一台微机控制二坐标的数控机床，数控机床是通过步进电机拖动。因此，本试验的重点就是让学生了解：A)步进电机的工作原理；B)数控机床中的插补实现；C)微机与数控机床的接口：I/O板的设计。以下对三个方面逐一介绍。5.实验程序所附的程序要求写清楚：１a.各函数功能描述。b.函数中的各个变量作用。c.主函数坐标点依照所要求坐标点，不得相互抄袭。d.做直线插补加一道指导书后面作业题。e.程序外的文字不得少于5000字。源程序交老师检查。三、步进电机的工作原理步进电机是工业控制及仪表中的重要执行元件之一。在数控方面应用尤其广泛是因为：步进电机精度高，可以实现快速启停，并且能够接受数字量。因此，在我国近年来发展的经济性数控机床中得到了广泛应用。步进电机的结构原理如图1：图1单定子径向相反应式伺服步进电机结构原理图可以看出步进电机的定子上有六个等分通电磁极：A、Aˊ、B、Bˊ、C、Cˊ，相邻的磁极夹角为60º,相对的两个磁极为一组，这种结构称为三相（A－Aˊ、B－Bˊ、C－Cˊ）电机。每个磁极上有五个均匀分布的矩形小齿，相邻两个小齿之间的夹角为9º。当某一相绕组有电流流过时，该相绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极。步进电机的转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆２周上，相邻两个小齿的夹角也为9º。当A相绕组通电时，转子齿和定子A相的五个小齿对齐，由于A相磁极与B相磁极相差120º，又因为31139120，不为整数，因此，转子上的小齿在与A相磁极上的小齿对齐时，就无法与B相上的小齿对齐，转子的13个齿和B相齿中心线相差31个齿，也即只有3º。这时若A相绕阻断电，B相绕组通电，C相仍不通电，则B相磁极会迫使13个齿与其中心线对齐，于是转子逆时针转动了3º，也就是相当于电机走了一步。同理，若B相断电，C相通电，转子又会逆时针转动31个齿，即转动3º。若按照A－B－C－A的顺序依次通电，步进电机就会逆时针方向一步一步的转动。每一相绕组通电，转子就会转动3º，这个角度就称为步距角。相反，若按A－C－B－A的顺序依次通电，步进电机则按相反方向运动。希望能使用自己的语言组织一下上述步进电机通电方式。由上可见，步进电机就是靠三对绕组轮流通电转动的。由于微机的输出控制电压信号非常微弱（最高电压5V，最低电压0V），电流也非常小（即功率较小），而电机相比控制器所需功率较大，因此在控制器输出动作控制信号的后面，绕组需要驱动电源放大控制信号，无法直接驱动步进电机。本实验中的步进电机的驱动电压是直流24V，也就是说从微机中输出的电压信号必须经过放大电路放大为24V后才可以驱动步进电机。因此每相绕组都有一独立的驱动电路。本实验是用一功放板把微机输出的控制信号加以放大，再加至步进电机的三相绕组上。３转动方向的控制：步进电机的转动方向与三相绕组的通电顺序和通电方式有关。通常可用以下三种方式通电：通电顺序为单三拍A→B→C→A双三拍AB→BC→CA→AB三相六拍A→AB→B→BC→C→CA→A注：AB是指AB两相同时通电参考机电一体化教材按上述三种方法并顺序通电，步进电机正转；若按相反的顺序通电，步进电机反转。通过固定的线路把这些要求固化一个模块中，模块称为环形分配器，其针对某种步进电机，输入为方向信号和脉冲数，输出为依照方向信号分配脉冲，而脉冲是经过功率放大的，直接驱动电机依照方向和脉冲数目运动。步进电机的控制信号是由微机发出，为了控制两个轴的步进电机，故需用六根信号线从微机引出。有因为每个地址口可以控制一个八位二进制信息，故两个步进电机的控制可以用一个地址口。在本实验中，为了区分明显，我们分别对两个步进电机的控制给与了一个地址口：X轴2A0；Y轴2A1。步进电机的控制信号分别由数据线上的0D、1D、2D发出。A对应0D，B对应1D，C对应2D。数控机床的简单分析，也就可以视为由微机控制电机的运动，由电机拖动不同坐标轴，从而加工出各种曲面。因此我们就必须明白：一、步进电机的旋转方向，从而按顺序发出控制脉冲；二、判断步进电机是否走完所要求的步数。这两方面的控制也就是插补的实现。本工作台使用集成芯片，各轴依照所给方向信号按顺序给各极分配脉冲，４只要给出脉冲和方向信号即可，无需逐极分配脉冲。四、插补的实现A)数控机床任务控制刀具或工件的运动轨迹在绝大多数情况下，这些运动轨迹又是平面曲线，而这些曲线一般都可以采用一小段直线或圆弧来拟合，就可以满足精度，这种拟合的方法就是插补。从目前我国的情况来看，最常用的一种插补方法就是逐点比较法。它可以用来实现直线插补、圆弧插补和非圆二次曲线插补，这种插补方法的精度较高。当然还有一些其他的插补方法，如：数字积分法，比较积分法DDA等插补方法。在本实验中，我们就采用逐点比较法来实现插补。顾名思义，逐点比较法就是每走一步就将加工点的瞬时坐标与规定的曲线轨迹相比较，判断一次偏差，然后决定下步的走向：如果加工点走到曲线外面去了，那么下一步就要向曲线里面走；如果加工点在曲线里面，则下一步就向曲线外面走，以缩小偏差。这样就得出一个非常接近规定曲线的轨迹，而且，最大偏差不会超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都要有以下四个步骤：i.偏差判别：判别偏差情况，确定加工点在曲线里面还是外面；ii.坐标进给：根据偏差情况，控制X轴或Y轴进给一步，使加工点向规定曲线靠拢，缩小偏差；iii.偏差计算：根据移动后的坐标，计算新加工点与规定曲线的偏差，作为下一步偏差判别的依据；iv.终点判别：根据移动后的坐标，判定是否到达终点。如果未到，继续插补；５如果到终点就停止插补。逐点比较法的工作流程图如图2：B)逐点比较法直线插补如上所示，偏差计算是逐点比较法的关键。下面以第一象限为例导出其偏差计算公式：图2逐点比较法的工作流程图参考秦现生教材假定直线OA的起点为坐标原点，终点A的坐标为),(eeyx，),(iiyxp为加工点坐标。若P点刚好在直线上，那么下式成立：eeiixyxy即0eieiyxxy注意公式！若任意点),(iiyxp在直线OA的上方，那么则下式成立eeiixyxy即0eieiyxxy若任意点),(iiyxp在直线OA的下方，那么则下式成立eeiixyxy即0eieiyxxy偏差判别坐标进给偏差计算终点判别插补结束开始插补６由此可以取偏差判别函数eiieijyxyxF，由ijF的数值（称为偏差）就可以判别加工点与直线的关系：当0ijF，点),(iiyxp在直线上方；当0ijF，点),(iiyxp在直线下方；当0ijF，点),(iiyxp在直线上。图3第一象限直线OA的插补的程序实现流程图参考秦现生教材对于起点在原点，终点为),(eeyxA的第一象限的直线OA，当点P在直线上方)0(ijF时，应该向x轴正方向走一步，以接近直线；当点P在直线下方)0(ijF时，应该向y轴正方向走一步，以接近直线；当点P在直线上)0(ijF时，即可不是未到终点到达终点是初始化：终点),(eeyxA和当前运动点),(iiyxp0ijFX轴正方向走一步计算新的加工点坐标ijF计算终点判断结束Y轴正方向走一步７以向x轴正方向走一步，也可以向y轴正方向走一步。通常为了加快处理速度和编程方便将0ijF和0ijF归于一类，即当0ijF时，向x轴正方向走一步。就这样，从坐标原点开始走一步算一下，判别ijF，再走一步，逐点接近直线OA，当两个方向所走的距离与终点坐标),(eeyxA相等时，发出终点到达信号，停止插补。第一象限直线OA的插补的程序实现流程图如图3：C)逐点比较法的圆弧插补：我们仍以第一象限一段逆圆弧的加工为例导出插补公式：设要加工圆弧半径为R，以原点为圆心，起点坐标为),(ssyxA，终点坐标为),(eeyxE，对于圆弧上任意加工点的坐标为),(iiyxp，P点与圆心的距离的平方和为：222iipyxR，下面讨论加工点的偏差：若点),(iiyxp在圆弧上，则下式成立：22222iissxyxyR若点),(iiyxp在圆弧外，则RRP，即：2222ssiiyxyx若点),(iiyxp在圆弧内，则RRP，即：2222ssiiyxyx将上面各式分别改写为以下形式：0)()(2222sisiyyxx（P在圆弧上）注意公式！0)()(2222sisiyyxx（P在圆弧外）0)()(2222sisiyyxx（P在圆弧内）取加工点偏差判别函数)()(2222sisiijyyxxF，若),(iiyxp在圆弧外或圆８弧上，即满足0ijF时，应向x轴负方向走一步，以逼近圆弧；若),(iiyxp在圆弧内，即满足0ijF时，应向y轴正方向走一步，以逼近圆弧，减少误差。第一象限逆圆弧加工的程序实现流程图与直线加工流程图相似，请同学自己做。五、硬件分析为了把编好的控制命令传输至步进电机，也即让步进电机接收到正确的控制命令，就必须做好微机与步进电机之间的接口电路，也即I/O板的设计。六、参考书1、王润孝秦现生著《机床数控原理与系统》西北工业大学出版社2、阎石著《数字电子技术基础》高等教育出版社3、谭浩强著《C程序设计》清华大学出版社七、思考题需要大