简易数控系统综合实验

简易数控系统综合实验实验实验报告
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简易数控系统综合实验 实验报告
指导老师：孟晓娴 李靖 机电学院 JD222 班 023654 官微宏
1 实验目的和要求
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、自己动手解决程序应用问题的能力。要求： 熟悉简易数控机床，掌握步进电机控制原理和方法； 掌握插补算法，简化四个象限的直线和圆弧插补算法； 用 C 语言实现直线和圆弧的插补程序； 分析单片机接口电路。
// 给输出 X 轴负方向运动的脉冲，fX0 相应减小
fX0-=cSTEP;
}
// 若 fX0 == fX1，X 轴方向不给脉冲
if ( fY0 < funY(fX0,fY1) )
{
// 驱动 Y 轴方向运动，使得 fY0 逼进 fY1
while ( fY0 < funY(fX0,fY1) )
{
EngineY(1);
// 若斜率存在，则计算斜率 fK, fKC = 1
fKC = 1;
}
}
求 fX0 对应的 fY0 的函数代码： // 根据 fKC 的值（斜率存在与否），返回 fY0，或者 fY1 float funY(float fX, float fY1) {
if (fKC) return (fX * fK);
其流程图如下：
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开始
偏差判别
坐标进给，X 轴
坐标进给，Y 轴
偏差计算 终点判断
图表 2 逐点比较法的工作流程图
结束
4 实验内容和方法
4.1 步进电机的驱动
开
图表 3 直线插补法流程图
斜率判断函数代码：
// 输入终点坐标判断直线斜率 // fKC，fK 为全局变量
void funKC(float fX1, float fY1)
{
if ( fX1 == 0 ) fKC = 0; // 若斜率不存在其值为 fKC = 0
else
{
fK = fY1 / fX1;
fY0+=cSTEP;
}
}
else if ( fY0 > funY(fX0,fY1) )
{
while ( fY0 > funY(fX0,fY1) )
{
EngineY(0);
fY0-=cSTEP;
}
}
}
}
其中判断距离判断函数为：
// 形参为两点的坐标值，返回的距离为其各方向坐标差值的平方和，以简化计算 float fDistance(float fX2, float fY2, float fX1, float fY1)
/*2*/ EngineX(1); fX0 += cSTEP; if (fX0 > 0) break; } while ( fDistance(fX0,fY0,0,0)< fR * fR) { /*2*/ EngineY(0); fY0 -= cSTEP; if (fX0 > 0) break; } }
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出口相联。由于单片机的输出电压非常微弱（电压范围 0~5V），电流也很小，不能直接驱动 步进电机。本实验中，步进电机的驱动电压是直流 12V，所以将单片机的输出电压信号必须 通过放大电路为 12V 才可驱动步进电机，每个绕阻都有一个独立的驱动电路。本实验中通 过步进电机驱动芯片来对单片机输出的控制信号加以放大。其控制流程图如下：
开
输入圆周半径 fR
是否走完四个象限？
当前点是否在圆内？
当前点朝减少与原 点距离的方向运动
当前点朝增加与原 点距离的方向运动
是否走完该象限 结
图表 4 圆周的插补实现流程图
圆弧各个象限中，（fX0，fY0）运动的方向：
第一象限 第二象限 第三象限 第四象限
朝圆外运动 fY0 增大 fX0 减小 fY0 减小 fX0 增大
while ( fDistance(fX0,fY0,0,0) <= fR * fR) {
/*2*/ EngineX(0); fX0 -= cSTEP; if (fY0 < 0) break; } while ( fDistance(fX0,fY0,0,0) > fR * fR) { /*2*/ EngineY(0); fY0 -= cSTEP;
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if (fY0 < 0) break; } }
/*3*/ // 第三象限 while (fX0 <= 0 && fY0 <= 0) {
while ( fDistance(fX0,fY0,0,0) >= fR * fR) {
2 实验任务
本实验是用一台微机控制而坐标的数控机床，数控机床通过步进电机驱动。了解： 步进电机的工作原理 数控机床的插补实现
3 实验原理
3.1 步进电机的工作原理
步进电机是工业控制及仪表中的主要执行元件之一，在数控方面的应用有其广泛，因为： 其精度高，可实现快速启停，能接受数字量。
步进电机就是靠绕阻轮流通电转动的。几个绕阻就需要几个驱动，驱动分别与单片机输
}
因此，在实际调用中，以当前点坐标的原点，输入目标点相对坐标，集合完成各方向的 直线运动：
funLineTo(fX1-fX0,fY1-fY0);
4.3 圆周的插补实现
建立以圆周圆心为原点的直角坐标系，当前点（fX0，fY0）为圆弧在 X 轴正方向上的 起点（fR，0），当前点按逆时针方向移动，逐一走过一、二、三、四象限。当（fX0，fY0） 在圆内时，（fX0，fY0）朝使与圆心距离增大的方向运动，反之，当（fX0，fY0）在圆外时， （fX0，fY0）朝使与圆心距离减小的方向运动。其流程图如下：
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delay(100); } // Y 方向步进电机驱动函数，形参 bWay 指示方向 void EngineY(bit bWay) {
p23 = bWay; p22 = 0; // 输出停止脉冲 delay(100); p22 = 1; // 输出启动脉冲 delay(100); }
由于步进电机的驱动还需要一定的延迟，同时给出脉冲后还需要一个延迟，以利于步进 电机完成动作。驱动步进电机的程序如下：
// X 方向步进电机驱动函数，形参 bWay 指示方向 void EngineX(bit bWay) {
p21 = bWay; p20 = 0; // 输出停止脉冲 delay(100); p20 = 1; // 输出启动脉冲
// 第一象限
while (fX0 >= 0 && fY0 >= 0)
{
// 若当前点在圆周外
while ( fDistance(fX0,fY0,0,0) >= fR * fR)
{
/*2*/
EngineX(0);
// 给输出 X 轴正方向运动的脉冲，fX0 相应增加
fX0 -= cSTEP;
// cSTEP 为电机运动的步进值，常量
else
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return (fY1); }
直线段函数代码：
void funLineTo(float fX1, float fY1)
{
funKC(fX1, fY1); // 判断斜率是否存在 // cAC 为定义的精度参数，终点判断执行循环体
while ( fDistance(fX0, fY0, fX1, fY1) > cAC * cAC )
{
if (fX0 < fX1)
// 判断 fX0 运动方向
{
EngineX(1);
// 给输出 X 轴正方向运动的脉冲，fX0 相应增加
fX0+=cSTEP;
}
else if (fX0>fX1)
{
EngineX(0);
主控制器
脉冲分配器
驱动电机
步进电机
图表 1 步进电机控制流程图 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输 出与输入数字脉冲对应的增量趋动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电 机所提供的动态转矩值时，它就可以在一瞬间实现启动和停止。它的布矩角和转速不受电压 波动和复杂变化的影响，仅与脉冲频率有关。每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下， 其步矩误差不会长期积累。
3.2 插补实现（逐点比较法）的原理
数控机床的主要问题就是控制刀具或工件的运动轨迹，在绝大多数情况下，这些轨迹是 平面曲线，可采用一小段直线或圆弧来拟合，可满足精度。这种拟合方法就称为插补。
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，判断偏差， 而后决定下一步的走向。
逐点比较法每次进给包括以下步骤： 偏差判别：确定加工点在目标曲线的内部或外部； 坐标进给：根据偏差判别，在 X 轴或 Y 轴方向进给一步，使加工点与目标曲线靠拢； 偏差计算：计算新加工点与目标曲线的偏差，作为下次偏差判别的依据； 终点判断：判断新加工点是否达到了目标终点。