单片机在数控机床系统中的应用

机械L119 张广义11L0551306单片机在数控机床系统中的应用摘要：本文利用8051单片机的I/O口，信号控制五相步进电动机，利用内部程序对单片机输出信号进行脉冲分配，从而驱动步进电动机转动，实现对数控车床进给系统的方向、速度和位置的控制。

采用当今广泛应用工业控制自动化的变频技术实现对数控车床主轴的无级调速，五相步进电动机作为该系统的执行元件。

由于,步进电动机的角位移量和指令脉冲的个数成正比,旋转方向与通电相序有关,因此,只要控制指令脉冲的数量、频率及电动机绕阻通电的相序,便可控制机床进给系统的运动的位移量、速度和移动方向。

实现对数控车床主轴和进给系统的自动控制，可以有效的节约电能、提高设备自动化、产品产量和质量。

提高可观的经济效益, 单片机已经广泛应用于现代工业控制自动化系统中，掌握单片机技术是从事工业控制的重要技能。

引言：当今世界技术领域，自动化控制技术是实际应用最为广泛、发展势头最为强劲、经济效益最为明显的技术之一。

单片微型计算机是专门为工业应用设计的,我国目前有不少单位使用单片机实现低档的经济型数控系统。

8051系列单片微机已成为应用最广泛的机种.除了用低档的经济型数控机床的CPU之外,在多处理机构成的全功能CNC系统中也常用单片微机实现伺服驱动等功能。

步进电动机的运行性能与电动机本身的特性、负载有关,而且与其配套使用的驱动电源有着密切的关系.步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合结果,选择性能良好的驱动电源对于发挥步进电动机的性能是十分重要的.交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。

直到二十世纪七十年代，由于计算机的产生，以及近二十年来新型快速的电力电子元件的出现，才使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速的普及。

根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由公式n=60fp(1-s)可知，改变电源频率来实现交流异步电动机的调速方法效果最理想，这就是所谓的变频调速。

一、数控机床的机械结构1、数控车床概述数控车床又称为CNC（Computer Numerical）车床，即用计算机数字控制的车床。

卧式车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件。

因此，数控车床是目前使用较为广泛的数控机床。

2、数控车床主传动系统MJ-50数控车床其传动系统图如图1所示。

其中主运动传动系统由功率为11/15KW的AC伺服电动机驱动，经1：1的带传动带动主轴旋转，使主轴在35-3500r/min的转速范围内实现无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构。

因此减少了原齿轮对主轴的影响，并且维修方便。

3、主轴箱结构主轴采用两支承结构，前支承由一个双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来支承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口朝向主轴前端，另一个大口朝向主轴后端，用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。

前支承轴承的间隙用螺母1和6来调整。

螺钉17、13起防松作用。

主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。

前后支承所用的双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。

而角接触球轴能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高，该支承结构能满足高速大载荷切削的需要。

4、进给传动系统及传动装置X轴和Z轴进给分别由步进电动机驱动，X轴进给传动装置的结构简图。

步进电动机15经同步带轮14和10以及同步带12带动滚珠丝杆6回转，其上螺母7带动刀架21沿滑板1的导轨移动，实现X轴进给运动。

滚珠丝杠的前支承3由三个角接触球轴承组成，其中一个轴承大口向前，两个轴承大口向后，分别承受双向的轴向载荷。

前支承由螺母2进行预紧。

滚珠丝杠的后支承9为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母11进行预紧。

这种丝杆两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复杂，但是可以保证和提高丝杠的轴向刚度。

Z轴进给传动装置。

步进电机14经同步带轮12和2以及同步带11传动到滚珠丝杆5，由螺母4带动滑板连同刀架沿床身13的矩形异轨移动（如b图），实现Z轴的进给运动。

电动机轴与同步带轮12之间用锥环无键联接，如局部放大视图所示，其中19和20是锥面相互配合的内外锥环。

当拧紧螺钉17时，法兰18的端面压迫外锥环20使其向外膨胀，内锥环19受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与同步带轮联接在一起。

二、机床主轴变频调速1、交流调速概况20世纪30年代,不少国家开始提出各种交流电动机的调速的原始方案,但由于交换技术控制的制约,进展十分缓慢;在相当长的时期内,直流调速一直以优良而领先于交流调速；20世纪60年代中期,随着电力电子器件的制造技术.电力电子电路的变换技术.交流电动机的矢量变换控制技术.PWM技术以及微型计算机和以大规模集成电路为基础的全控数字化控制技术的发展,交流调速得到广泛的应用。

交流电动机变频调速是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，它不但比传统的直流电机调速优越，而且比调压调速、变极调速、串级调速等调速方式优越。

它的特点是调速平滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全，运行平稳安全可靠，在生产过程中能获得最佳速度参数，是理想的调速方式。

应用实践证明，交流电机变频调速一般能节电30%，目前工业发达国家已广泛采用变频调速技术，在我国也是国家重点推广的节电新技术。

2、变频调速原理在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器,由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。

在其工作时首先将三相交流电经桥式整流为脉动直流电,脉动直流的电压经平滑滤波后在微处理器的调控下,用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源,输出到需要调速的电动机上。

由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比, 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速3、车床主轴的变频调速车床主轴由11KW三相异步电动机拖动。

通过比较决定选用三菱系列变频器实现主轴的变频调速,并始终工作在最佳状态，另外在主轴后端加装编码器,实现主轴的速度控制。

4、如下图所示利用8051单片机的输出实现主轴电机的正反转和速度控制，变频调速的结构示意图。

5、变频器的抗干扰技术、外来干扰变频器采用了高性能微处理器等集成电路，对外来电磁干扰较敏感，会因电磁干扰的影响而产生错误，对运转造成恶劣影响。

外来干扰多通过以变频器控制电缆为煤体的途径侵入，所以铺设控制电缆时必须采取充分的抗干扰措施。

、频器产生的干扰变频器的输入和输出电流的波形都不是标准正弦波，含有很多高次谐波成分。

它们将以空中辐射、线路传播等方式把自己的能量传播出去，对周围的电子设备、通信和无线设备的工作形成干扰。

因此在装设变频器时，应考虑采取各种抗干扰措施，削弱干扰信号的强度。

三、步进电动机对进给装置的方向、速度和位置的控制系统该数控机床的开环进给伺服系统不带位置检测反馈装置,CNC单元发出的指令信号是单项的.该系统用功率步进电动机作为驱动元件,实现进给运动.当需要某个轴运动一个单位长度时,向该轴伺服电路输出一个脉冲,经环形分配和功率放大驱动步进电动机转动一步,通过丝杆转动使机床运动部件运动一个单位长度.下图为采用功率步进电动机的开环系统示意图.1、步进电机的基本原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的电磁装置.步进电动机的向位移与输入脉冲个数成正比,在时间上与输入脉冲同步, 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

因此,只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕阻通电顺序,便可获得所需的转速及转动方向.无脉冲输入时,在绕阻电源激励下,气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态.步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

2、步进电机的一些基本参数：、电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

、步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

、步进电机作为自动控制领域中的主要控制元件之一，具有以下应用特点:(a)一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

(b)步进电机外表允许的最高温度:步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

(c)步进电机的力矩会随转速的升高而下降:当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

(d)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声:步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。