摘要：本文采用8051單片機(jī)的I/O口，信號(hào)控制五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，利用內(nèi)部程序?qū)纹瑱C(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行脈沖分配，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床進(jìn)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(dòng)化的變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為該系統(tǒng)的執(zhí)行元件。由于,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和指令脈沖的個(gè)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(dòng)機(jī)繞阻通電的相序,便可控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和移動(dòng)方向。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床主軸和進(jìn)給系統(tǒng)的自動(dòng)控制，可以有效的節(jié)約電能、提高設(shè)備自動(dòng)化、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。提高可觀的經(jīng)濟(jì)效益,單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制自動(dòng)化系統(tǒng)中，掌握單片機(jī)技術(shù)是從事工業(yè)控制的重要技能。

1引言

    數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制工作母機(jī)的總稱，是集現(xiàn)代精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子與微電子技術(shù)、電機(jī)與新材料技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、光電技術(shù)等最新成就而構(gòu)成的機(jī)電一體化的高級(jí)典型產(chǎn)品，作為加工制造業(yè)的工作母機(jī)，同時(shí)是兼?zhèn)涓呔?、高柔性、高效率、高自?dòng)化特點(diǎn)于一身的現(xiàn)代化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是國(guó)防軍工、國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要基礎(chǔ)裝備，它的應(yīng)用遍及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，是機(jī)械、電子、汽車、石化、建筑等部門(mén)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(dòng)化控制技術(shù)是實(shí)際應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展勢(shì)頭最為強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)效益最為明顯的技術(shù)之一。單片微型計(jì)算機(jī)是專門(mén)為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的,我國(guó)目前有不少單位使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。8051系列單片微機(jī)已成為應(yīng)用最廣泛的機(jī)種.除了用低檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的CPU之外,在多處理機(jī)構(gòu)成的全功能CNC系統(tǒng)中也常用單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)等功能。

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能與電動(dòng)機(jī)本身的特性、負(fù)載有關(guān),而且與其配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有著密切的關(guān)系.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源的綜合結(jié)果,選擇性能良好的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)于發(fā)揮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能是十分重要的。

    交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速始終是一個(gè)不好解決的難題。直到二十世紀(jì)七十年代，由于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，以及近二十年來(lái)新型快速的電力電子元件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由公式n=60fp(1-s)可知，改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)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(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)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(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機(jī)床已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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(duì)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(kāi)發(fā)了各種門(mén)類的數(shù)控加工機(jī)床。

2數(shù)控機(jī)床的機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制的車床。臥式車床是靠手工操作機(jī)床來(lái)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(guò)車床X、Z坐標(biāo)軸的伺服電動(dòng)機(jī)去控制車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作順序、移動(dòng)量和進(jìn)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(pán)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(jī)床。

2.2數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)

    主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)由功率為11/15KW的AC伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)1：1的帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35-3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)。因此減少了原齒輪對(duì)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(gè)雙列圓柱滾子軸承11和一對(duì)角接觸球軸承10組成，軸承11用來(lái)支承受徑向載荷，兩個(gè)角接觸球軸承一個(gè)大口朝向主軸前端，另一個(gè)大口朝向主軸后端，用來(lái)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(lái)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(zhǎng)。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(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)及傳動(dòng)裝置

    X軸和Z軸進(jìn)給分別由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，X軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)15經(jīng)同步帶輪14和10以及同步帶12帶動(dòng)滾珠絲桿6回轉(zhuǎn)，其上螺母7帶動(dòng)刀架21沿滑板1的導(dǎo)軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠的前支承3由三個(gè)角接觸球軸承組成，其中一個(gè)軸承大口向前，兩個(gè)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(jìn)行預(yù)緊。滾珠絲杠的后支承9為一對(duì)角接觸球軸承，軸承大口相背放置，由螺母11進(jìn)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(jìn)給傳動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)14經(jīng)同步帶輪12和2以及同步帶11傳動(dòng)到滾珠絲桿5，由螺母4帶動(dòng)滑板連同刀架沿床身13的矩形異軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)軸與同步帶輪12之間用錐環(huán)無(wú)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(shí)，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(dòng)機(jī)軸收縮，從而使電動(dòng)機(jī)軸與同步帶輪聯(lián)接在一起。

3機(jī)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(shí)首先將三相交流電經(jīng)橋式整流為脈動(dòng)直流電,脈動(dòng)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(dòng)機(jī)上。由電工原理可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,通過(guò)變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)。通過(guò)比較決定選用三菱系列變頻器實(shí)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(shí)現(xiàn)主軸的速度控制。如圖1所示利用8051單片機(jī)的輸出實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)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(lái)干擾

    變頻器采用了高性能微處理器等集成電路，對(duì)外來(lái)電磁干擾較敏感，會(huì)因電磁干擾的影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)造成惡劣影響。外來(lái)干擾多通過(guò)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(shí)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(duì)周圍的電子設(shè)備、通信和無(wú)線設(shè)備的工作形成干擾。因此在裝設(shè)變頻器時(shí)，應(yīng)考慮采取各種抗干擾措施，削弱干擾信號(hào)的強(qiáng)度。

4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)給裝置的控制系統(tǒng)

    該數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)不帶位置檢測(cè)反饋裝置,CNC單元發(fā)出的指令信號(hào)是單項(xiàng)的.該系統(tǒng)用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng).當(dāng)需要某個(gè)軸運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位長(zhǎng)度時(shí),向該軸伺服電路輸出一個(gè)脈沖,經(jīng)環(huán)形分配和功率放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步,通過(guò)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位長(zhǎng)度。圖2為采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)示意圖。

    步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的電磁裝置.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的向位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比,在時(shí)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(yùn)行的。因此,只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞阻通電順序,便可獲得所需的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向.無(wú)脈沖輸入時(shí),在繞阻電源激勵(lì)下,氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài).步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。

    現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。

5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制原理

    傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可由單片機(jī)硬件和軟件代替上述步進(jìn)控制器。不僅簡(jiǎn)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(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來(lái)更為方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下。

5.1控制換相順序

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。系統(tǒng)中以五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在十拍2-3相通電方式為例,這時(shí)通電順序?yàn)?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(kāi)A相繞阻,使BC繞阻接通;再同時(shí)接通BCD相繞阻,依次進(jìn)行。定子五相繞阻需經(jīng)過(guò)十次切換才能完成一個(gè)循環(huán)。

5.2控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向

    通過(guò)前面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-AB，電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。

5.3控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度

    如果給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出脈沖的頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制通過(guò)控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在此只要通過(guò)軟件延時(shí)的方法，改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率。但這種方法使CPU長(zhǎng)時(shí)間等待，占用大量機(jī)時(shí)。

5.4利用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線，單片機(jī)通過(guò)I/O接口將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。

5.4.2并行控制

    用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配,按照給定的通電順序,通過(guò)單片機(jī)I/O口向驅(qū)動(dòng)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(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)控制車床X軸和Z軸的進(jìn)給。該系統(tǒng)在機(jī)械方面不僅保證了機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)。