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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（ComputerNumerical）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。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
（e）接受数字量的控制信号，在单片机应用系统中，它可以直接接受由计算机系统输出的数字信号，而不需要进行模/数转换。
（f）实现机械位移。
例如，在机械控制部分，步进电机配合丝杠和齿轮可把角度变化转变直线转移。
（g）灵敏度高，步进电机具有快速起动和快速停止的能力，能在瞬间实现起传。
（h）能准确返回原位，无论是反应式步进电机还是永磁式步进电机，都能精确地返回电机的起始位置。
（i）脉冲与角度位移能精确同步，在单片机应用系统中，可以利用电机控制脉冲与它的角位移精确同步的特点，实现对物理量的控制
（j）控制方便、可靠、精确定值:
步进电动机以其显著的特点,所以在数控车床改造中,系统普通采用步进电动机作伺服元件。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
所以在数控车床改造中,系统普通采用步进电动机作伺服元件。
3、步进电动机的选择：
本系统采用反应式步进电动机，实现对Z轴和X轴进行速度、方向和位置控制，本系统选用步进电动机型号：
130BF001、五相十拍、步距角：
0.75/1.50、静态电流：
10A、额定电压：
80/120V、最大静力矩：
950/N-CM、空载启动频率300S-1、空载运行频率：
16000S-1选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，而在选用功率步进电机时，应先计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频物性能有一定的余量，以保证运行可靠，即在实际工作中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。
最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩M也大。
通常取M/Mjmax=0.2-0.5.对于相数较多突跳频率要求不高的情况取大值，反之取小值。
其次，应使步矩角和机械系统匹配，这样可以得到机床使用时要求的脉冲当量。
4、单片机的概述
随着计算机技术的迅猛发展，计算机越来越广泛地应用于人们工作和生活中的各个领域里的一个重要方面，单片机及其应用技术近年来也得到了长足发展。
单片机被广泛应用在工业自动化控制、智能仪表、数据采集、通讯以及家用电器等领域。
单片机以其与通用微机完全不同的发展模式，不断满足工业测控、恶劣环境下可靠运行的要求。
单片机已成为现代工业领域中不可缺少的重要角色。
单片机技术的发展速度十分迅速，速度更快功能更强的16位32位单片机已陆续问世，但8位机，特别是新一代高档8位机具有优异的性能，已能满足大部分单片机应用领域的需要，另外，它还具有可靠性高外围芯片配套系统构成简单应用软件丰富技术成熟开发应用方便等优点，在单片机应用中仍有一定的市场。
单片机微处理具有以下特点：
、受密度限制：
芯片存储器存储容量较小，一般ROM小于4/8KB，RAM小于256字节;
、可靠性良好：
单片机是按照工业控制要求所设计的,其抗工业噪声干扰优于一般的CPU,程序指令及常数数据都烧写在ROM内,其许多信号通道均在同一个芯片内,因此可靠性高;
、易扩充：
单片机具有一般微电脑所必需的器件，如三态双向总线、并行及串行的输入/输出引脚，可以扩充为各种规模的微电脑系统;
、控制功能强：
为了满足工业控制的要求，单片机的指令除了输入/输出控制指令、逻辑中断指令外，还有更为丰富的条件分支跳跃指令。
MCS-51系列单片机是INTEL公司在MCS-48的基础上发展起来的新产品。
虽然仍然是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大增强，此外它还具有品种全、兼容性强、软硬资料丰富等特点，因此用非常广泛。
利用8051单片机对步进电动机进行速度和方向的控制，从而驱动丝杠实现进给。
四、步进电动机的微机控制原理
传统的步进控制器线路复杂，成本高，用单片机控制步进电机时，可由单片机硬件和软件代替上述步进控制器。
不仅简化了线路，降低了成本，面且可靠性大大提高，并能根据系统需要灵活改变步进电机的控制方案，使用起来更为方便。
步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下。
、控制换相顺序：
步进电动机的换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。
通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。
系统中以五相步进电动机工作在十拍2-3相通电方式为例,这时通电顺序为:
AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB先接通AB绕阻,以后再接通ABC相绕阻,然后断开A相绕阻,使BC绕阻接通;再同时接通BCD相绕阻,依次进行。
定子五相绕阻需经过十次切换才能完成一个循环.
、控制步进电动机的转向：
通过前面介绍的步进电动机原理我们已经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。
五相十拍步进电动机工作在2-3相方式,通电换相的正序是AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,电动机就正转；如果按反序EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-AB，电动机就反转。
、控制步进电动机的速度：
如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转得越快。
因此，脉冲的频率决定了步进电动机的转速。
调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电动机进行调速。
步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。
可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。
在此只要通过软件延时的方法，改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率。
但这种方法使CPU长时间等待，占用大量机时。
、对步进电动机位置控制的一般作法：
步进电动机每一步，步数减一，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置进，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号。
步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。
步进电动机的位置控制是步进电动机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用广泛。
、利用微机对步进电机进行控制，有串行和并行两种方式。
（1）．串行控制该方式使单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。
，单片机通过I/O接口将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。
（2）．并行控制用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。
在电动机驱动电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微机系统完成。
由计算机系统实现环形分配器的功能又有两种方法：
一种是纯软件方法，既完全软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号，主要有寄存器移位法和查表法；第二种是软、硬件相结合的方法。
本论文通过软件实现脉冲分配,按照给定的通电顺序,通过单片机I/O口向驱动电路发出控制脉冲.
通电状态
P0.4（E）P2.4（E）
P0.3（D）P2.3（D）
P0.2（C）
P2.2（C）
P0.1（B）
P2.1（B）
P0.0（A）
P2.0（A）
控制字
AB
1
1
1
0
0
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
BCD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
1
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
0
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
如上图所示,利用8051单片机的P0.0~P0.4和P2.0~P2.4这十条I/O线,向五相步进电动机传送控制信号,P0口为控制X轴的步进电动机,P2口为控制Z轴步进电动机.以五相步进电动机工作在十拍2-3相方式为例，设计软件。
五相十拍工作在2-3方式通电换相的顺序为：
AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有十个通电状态。
如果I/O输出的控制信号中。
0代表使绕阻通电，1代表使绕阻断电，则可用十个控制字来对应这十个通电状态。
这十个控制字如表所示。
在程序中,只要依次将这10个控制字送到P0、P2口,步进电动机就会转动一个齿距角。
每送一个控制字,就完成一拍,步进电动机转过一个步距角..
六、步进电动机驱动器的原理
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。
步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。
由于步进电机的驱动电流比较大，故单片机与步进电机的连接都要专门的接口电路及驱动电路。
典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成：
1.步进控制器，由单片机实现。
2．驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。
3．步进电机。
典型的步进电机驱动控制电路图如下：
步进电机与单片机接口时，为解决驱动和抗干扰问题驱动器可用大功率复合管，也可以使用专门的驱动元件。
有时为了抗干扰或避免万一驱动电路发生故障，功放中的高电平进入单片机系统而烧坏元件，往往在驱动器与单片机之间加一级光电隔离器。
步进电机驱动器的脉冲和方向信号一般采用了光电隔离器件，光隔的导通需要10毫安左右的电流，而单片机芯片输出口的驱动能力一般都达不到，所以应该在单片机芯片的输出口增加一个驱动芯片（比如74LS04），然后再接驱动器的控制信号端。
七、控制部分连线时应注意的问题
1．要避免大功率起动、停止频繁的设备和电火花设备同数控车床位于同一供电线路上，最好采用独立的动力线供电。
2．供电电网与数控车床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减少电网电压的波动。
3．动力线与信号线尽可能的分开，且不在同一线槽中，信号线用屏蔽线，控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交，以减少和防止磁场耦合和电场耦合的干扰。
4．变频器的电源进线和动力线在电柜内的长度应尽可能短。
5．驱动器与电机之间最好直接。
6．必须具有良好的接地，接地线面积A≥6mm2。
八、结束语
我主要围绕着如何用单片机对步进电动机进行控制,从而实现控制车床X轴和Z轴的进给。
从方案的制定到软件的编写我都经过反复的思考，并且查看了很多的参考书籍和参考资料然.因为对于一些芯片和硬件软件设计中存在的问题是必然存在的，这就需要我们自己对芯片的学习，自己不懂的位子就需要请教老师，需要和老师进行沟通。
该系统在机械方面不仅保证了机床的精度稳定性，也获得可靠的加工质量，还减少了大量的齿轮传动机构。
参考文献
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