数控机床刀具进给速度的控制.docx

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数控机床刀具进给速度的控制

电力电子与电机拖动综合课程设计

题目：

数控机床刀具进给速度的控制电路设计

所在院系：

机械电子工程各学院

专业：

08自动化

（2）班

学号：

2

姓名：

余春燕

完成日期：

2011-06-23

指导教师：

万军

景德镇陶瓷学院

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书

姓名余春燕班级08自动化

（2）指导老师万军时间：

2011年6月23号

题目：

数控机床刀具进给速度的控制电路设计

课题的任务和要求

目前，数控机床在工业生产上应用非常广泛，刀具的进给精度直接影响到产品的质量；为此，对刀具精度的研究具有重要的意义。

本课题的内容涉及的区域很广，要求同学们利用现有的知识设计数控机床刀具进给速度的控制电路的原理图，课程设计说明书。

通过该课题的设计，可以培养学生如何查询资料，如何书写论文，如何设计控制电路等等。

要求如下：

（1）要求利用大规模集成电路芯片UC3637作为该控制系统的控制核心，自动控制步进电动机的操作运行；

（2）要有一定的保护措施。

设计步骤

1、查阅相关资料；

2、总体方案设计与论证；

3、单元电路的设计；

4、元器件选择与参数计算；

5、绘制原理图（A4号图纸，计算机绘图）；

6、撰写设计说明书（A4号纸打印），字数不少于3000。

参考文献

1、电机学与电力拖动基础

2、单片微型计算机原理及应用

3、模拟电子技术

4、数字电子技术

教研室主任签字：

年月日

2.1数控机床的工作原理

2.2数控机床按伺服方式的分类

2.3数控机床的工作过程

2.4刀具进给速度的插补方案

3总体方案的设计与论证

3.1方案比较

3.2方案论证与选择

4单元电路的设计

4.1UC3637芯片

4.1.1UC3637电路特点如下

4.1.2UC3637电路组成与基本功能

4.2三角波电路的产生

4.3外围电路的设计

4.4PWM产生电路的设计

4.5频率调节控制

4.6步进电动机

4.7驱动桥电路设计

5、原器件明细表

6、课程设计小结

7、参考文献

摘要

数控机床的刀具进给速度的控制主要是通过控制步进电动机的速度来进行控制的，其进给的精度由步进电动机的精度直接决定，因此在设计步进电机的控制电路是，应该保证其误差的范围应满足加工的精度要求，通常通过应用合适的集成芯片外加外围电路来实现对精度的要求，在数控机床中由于需要达到精度的控制，常采用步进电动机作为数控机床刀具进给控制的驱动源。

本文主要介绍又UC3637芯片为核心构成PWM控制电路，进而实现二相混合式步进电动机的控制，本文采用电流反馈型细分控制的方法UC3637双PWM控制芯片设计变频电源控制电路的方法进行了介绍，其硬件结构既不复杂，又能得到良好的控制性能。

该芯片是UNITRODE公司生产的用于直流电动机控制的双PWM控制器[1]，具有其它PWM控制器不可多得的优点。

关键字

UC3637集成芯片二相混合式步进电动机驱动器PWM刀具进给

1、引言

数控技术作为先进制造技术（如柔性制造技术、计算机集成制造系统）的基础，国家投入了大量的人力、财力进行攻关开发，其关键技术已取得了重大进展，实现了多坐标联动，攻克了交流全数字伺服和主轴驱动技术，“九五”期间实现了数控机床产业化攻关目标，国产数控机床的国内市场占有率达到50%，国产数控系统占国有数控机床配套需求的50%，产值数控化率已达到20%以上。

而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：

1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高3～7倍。

3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。

4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。

5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。

由于PWM控制技术具有可以同时实现变频、变压、抑制谐波的特点，所以一直是变频领域中的核心技术，其应用相当广泛。

最常用、最流行的SPWM技术在CVCF电源中始终占主导地位。

其基本实现方法一类是采用模拟集成电路完成正弦调制波与三角波载波的比较，产生SPWM信号；另一类是采用数字方法。

随着应用的深入和集成技术的发展，已商品化的专用集成电路（ASIC）和专用单片机（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制电路结构简化，集成度高。

由于数字法一般价格比较高，需要专用开发装置，交叉汇编，软件设计复杂，调试工作量大，这对于一些对生产成本比较敏感的产品和中小容量的变频器也是一种浪费。

本设计选用UC3637双PWM控制芯片设计变频电源控制电路的方法进行了介绍，其硬件结构既不复杂，又能得到良好的控制性能。

为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，现代控制技术的引入对处理器有了更高的要求。

精细化的控制单位、以微小程序段连续进给以及大数据量、高精度的补差运算和控制，也要求处理器能对加工指令做出高速度的反映，高速计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。

用高性能的数字信号处理器（DSP）代替单片机，即可提高机床数控系统的运行速度，使之满足高速和高精度控制的要求。

2、数控机床工作全程

2.1、数控机床的工作原理

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成。

下面方框图一是数控机床工作的总体方框图

方框图一

具体的数控机床刀具进给原理框图，如方框图二

方框图二

1、控制介质

　　控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。

目前常用的有穿孔带、磁带或磁盘等。

2、输入、输出装置

　　是CNC系统与外部设备进行交互的装置。

交互的信息通常是零件加工程序。

即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。

3、数控装置

　　CNC装置是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成。

作用：

根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。

4、伺服系统

　　它是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统以及位置检测反馈装置组成。

伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。

数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和进给速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。

5、检测反馈系统

　　测量反馈系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测机床的实际位置、速度等信息，并将其反馈给数控装置与指令信息进行比较和校正，构成系统的闭环控制。

6、机床本体

　　机床本体指的是数控机床机械机构实体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。

由于数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，它与传统的普通机床相比，应具有更好的刚性和抗振性，相对运动摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。

2.2数控机床按伺服方式的分类

1.半闭环控制数控机床2.开环控制数控机床3.闭环控制数控机床

本数控机床选择第三类即闭环控制数控机床，这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。

以下是闭环控制系统框图

闭环控制系统框图3

2.3、数控机床的工作过程

　　在数控机床上加工零件的过程通常经过以下几个步骤，见框图4

数控加工工作步骤框图4

（1）准备阶段：

根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等）。

根据工艺方案、选用的夹具、刀具的类型等选择有关其他辅助信息。

（2）编程阶段：

据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序（对加工工艺过程的描述），并填写程序单。

（3）准备信息载体：

根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘等）上，通过信息载体将全部加工信息传给数控系统。

若数控加工机床与计算机联网时，可直接将信息载入数控系统。

（4）加工阶段：

执行程序时，机床数控系统（CNC）将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。

2.4刀具进给速度的插补方案

本方案采用的是数字增量插补算法，该插补为时间标量插补，分两步进行，首先计算出插补周期内个坐标轴的增量值，称为初插补。

然后再根据采样得到的实际位置增量计算跟随误差，得到速度指令输出给伺服驱动系统，称为精插补。

适用于半闭环不闭环系统。

下面给出的软硬件结合的插补方案

图5插补方案

3、总体方案的设计与论证

3.1、方案比较

方案一

DSP高速运动控制器对直线电机伺服驱动直接控制调节

为使机床工作台达到亚微米级的线性运动精度，现代控制技术的引入对处理器有了更高的要求。

精细化的控制单位、以微小程序段连续进给以及大数据量、高精度的补差运算和控制，也要求处理器能对加工指令做出高速度的反映，高速计算出伺服电机的移动量，随后发出控制指令。

用高性能的数字信号处理器（DSP）代替单片机，即可提高机床数控系统的运行速度，使之满足高速和高精度控制的要求。

DSP在高性能数控系统中具有十分重要的应用价值，在精密伺服控制系统、刀具检测补偿和快速伺服装置、机床保护等方面有着广泛的应用前景。

用DSPTMS320F240实现的C616A车床控制系统结构框图如图5所示。

整个车床的DSP硬件路结构原理图如图6所示

图6DSP硬件路结构原理图

方案二

本方案选用UC3637双PWM控制芯片设计变频电源控制电路，其硬件结构既不复杂，又能得到良好的控制性能。

UC3637的基本特点

为后面的叙述方便，简要介绍一下UC3637的一些基本功能，这样更有益于将其正确地应用于逆变控制电路。

该芯片是UNITRODE公司生产的用于直流电动机控制的双PWM控制器[1]，具有其它PWM控制器不可多得的优点。

图7以UC3637为核心的控制电路的原理总框图

3.2方案论证与选择

综合考虑各方面的因素，与方案一比较，方案二省去了DSPTMS320F控制系统，增加了保护电路的环节。

而且方案二的控制环节简单明了，易于实现其控制过程的自动化，可以较好的应用于数控机床中，实现机械加工的数控化，并且由于其集成芯片能够进一步提高生产精度的要求，因此选择方案二作为本论文的选择方案。

控制的具体原理图如图8所示。

图8以UC3637控制的具体原理图

如图采用电流反馈型细分控制方式可以实现电机绕组电流的自主调节，是二相混合式步进电动机的运行更加平稳，减小低频共振，扩大电机的恒转矩输出范围。

外部输入的脉冲、细分数选择、方向等信号通过前向通道、核心逻辑控制电路后加到数模转换电路上，作为输入。

脉冲频率通过频压转换后加到数模转换电路的参考电压端，作为参考电压补偿值。

数模转换电路输出绕组带你刘参考值，进入UC33637内部误差放大器的正端。

绕组电流反馈通过采样电阻来实现，采用电阻将流过电机绕组的驱动电流转化成采样带电压，进入UC3637内部误差放大器的负端，与正端的绕组带电流参考值比较，形成以比较电平，与三角波比较，输出一定占空比的PWM信号，用以控制主驱动电路中的功率场效应管MOSFET的通断，从而实现步进电动机恒流斩波控制。

以CPLD器件XC9536和PWM、控制芯片UC3637为核心实现的两相混合式步进电动机驱动采用了绕组电流细分控制技术，该驱动器的总体设计框图如图7.

4、单元电路的设计

4.1UC3637芯片

4.1.1UC3637电路特点如下：

——单电源或双电源工作，电压范围±2.5V～±20V，特别有利于双极性调制；

——双路PWM信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力100mA；

——逐个脉冲限流；

——内藏线性良好的恒幅三角波振荡器；

——欠压封锁；

——有温度补偿，2.5V阈值控制。

4.1.2UC3637电路组成与基本功能

图

（1）UC3637原理图

其内部包含有一个三角波振荡器，误差放大器，两个PWM比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等。

不同于其它（如3524/5，TL494，3520…）双PWM控制器的是，2个PWM比较器的输入端全部引到片外，误差放大器的3个端（2个输入、个输出）是如此，为灵活地设计电路带来极大的方便。

4.2三角波电路的产生

UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图

（2）所示。

图

（2）恒幅三角波产生电路

4.3外围电路的设计

图（3）外围电路

4.4PWM产生电路的设计

PWM产生电路，UC3637具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器，及可以作为一般的快速运放，亦可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。

UC3637实现其主要功能的就是两个PWM比较器，实现电路如图6所示。

其他还有欠电压封锁，2.5V法制控制等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。

图（4）采用UC3637的PWM产生电路

4.5频率调节控制

作为逆变电源还要求输出频率fo在一定的范围内连续可调。

比如fo=400Hz的电源在±30Hz范围内可调。

如上所述，UC3637三角波振荡频率由±VTH，CT，RT决定，当±VTH确定之后，一般不再作为可调量（因为三角波作载波应当恒幅），则调节RT比较容易实现，电路如图（5）所示。

图（5）逆变器变频

图（5）输出电路调节电路

A1、A2为跟随器，调节RP1即可改变输出端VF的电位，使RT两端电压发生变化，随之使由RT设定的CT充电电流Is变化，从而调节了三角波频率fs。

将三角波整形后作为正弦波（调制波）存储器的读取时钟（UC3637无同步信号输出），因而逆变电源的输出频率fo随fs而变，从而实现同步调节的目的。

4.6步进电动机

步进电动机区别于其他控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相应的角位移或直线位移。

它本身就是一个数字/模拟转换的执行元件。

而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与系统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。

其中其中两项混合式步进电动机具有结构简单、成本低的特点，在机电一体化领域应用的非常广泛。

数控机床中为了达到高精度的控制要求长采用两相混合式步进电动机作为机床的驱动电动机，绕组电流细分控制技术在步进电动机系统中的应用，提高了两相混合式步进电动机系统的运行性能。

步进电动机又三种不同的工作方式：

（ABCD分别为步进电动机的四个输入端口，如图（6）XXXX为ABCD相的时序信号）

图（6）

1）半步工作方式

0101——0001——1001——1000——1010——0010——0110——0100——0101

2）两相激励的基本布距工作方式：

0101——1001——1010——0110——0101

3）单相激励的基本步距工作方式：

0001——1000——0010——0100——0001

采用不同的工作方式可以控制步进电动机的速度和精度。

可以根据不同的工作要求选取不同的工作方式。

4.7驱动桥电路设计

驱动桥电路设计如图（7）

图（7）驱动桥电路

5、原器件明细表

元器件明细表用于列出本次课程设计中所用的全部元器件,如下表:

数控机床（设备的主要技术参数）

UC3637芯片

步进电动机

可调电阻Rp

功率场效应管MOSFET

CPLD器件XC9536

UC3637三角波振荡器

A1、A2为跟随器

电容、电阻

放大器

A/D转换器

6、课程设计小结

绞尽脑汁的二个星期的课程设计，过程曲折可谓一言难尽。

在此期间我曾经感到十分失落，也曾一度热情高涨。

从开始时满富激情到最后耗尽全力的过程，虽然经常碰壁，很多知识还不了解，但是通过查阅资料，认真研读和请教了解的同学，让我把以前不明白的知识给补不回来了，所学的只是也不再单纯的理论化了。

也更加立体、生动。

顿时也对所学科目充满了热情和求知欲。

总的来说，这次课程设计真的是受益匪浅啊，开始着手做时因为只是知识点都是零散的，得自己把整个论文原理框架组装起来。

在这个过程中我觉得最难得还是数控机床的编程控制，因为我们这个专业，没有学到这些，所以只得通过查资料来学习，经常弄得我绞尽脑汁还是弄不出合理可行方案。

可以说课程设计不在仅限于纸上谈兵，而要我们开拓自己的思想，敢于并且善于把自己所学的知识用到实践中去。

通过这次的课程设计我更清楚的知道了我们应该怎么学，为我们为时不久的在校生活指明了方向，本设计主要是通过运用电力电子器件实现对电机的控制，通过电力电子元件产生PWM波还驱动步进电动机，实现对数控机床的精度的控制，是生产精度达到更高的精度要求。

7、参考文献

1、《新编MCS-51单片机应用设计》（第三版），张毅刚，彭喜元主编，哈尔滨工业大学出版社（2003版）

2、许建国，电机及拖动基础，北京：

高等教育出版社，2004.8

3、《电子电路CAD实用技术》（第二版），李长华，汪少华主编，中国科学技术大学出版社（2008版）

4、《单片机C语言应用车工序设计》（第三版），马忠梅，张凯主编，北京航空航天大学出版社（2003版）

5、参考网站

6、邱光源、罗先觉编著《电路（第五版）北京，高等教育出版社，2006

7、谭建成，电器控制专用集成电路，北京：

机械工业出版社。

1997.8

8、张玉璞编著《电子技术课程设计》北京，北京理工大学出版社，1994

9、吴保芳.一种高性能的正弦脉宽调制器[J].电气传动,1999，29（4）：

60～63.

10、李义府，模拟电子技术基础，长沙：

国防科技大学出版社，2004