简易数控机床的实验指导书.doc

一、 实验目的与要求 ０ 二、 二、实验任务 １ 三、 步进电机的工作原理 ２ 四、 插补的实现 ５ A) 数控机床任务控制刀具或工件的运动轨迹 ５ B) 逐点比较法直线插补 ６ C) 逐点比较法的圆弧插补： ８ 五、 硬件分析 ９ 六、 参考书 ９ 七、 思考题 ９ 实验目的与要求 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，自己动手解决工程应用问题的能力。 熟悉简易数控机床结构，掌握步进电机控制原理和方法，分析计算机接口电路。 掌握插补算法，简化四个象限的直线和原弧插补算法； 用单片机C语言实现直线和圆弧的插补； 实验任务 软件设计 用逐点比较法编写出直线插补和圆弧插补程序，以及机床的驱动程序。 硬件设计 I/O板的设计，这个要通过网络找出电子线路板的制作过程，并指出我们本次试验所在流程中位置。 写实验报告 本试验是用一台微机控制二坐标的数控机床，数控机床是通过步进电机拖动。因此，本试验的重点就是让学生了解： 步进电机的工作原理； 数控机床中的插补实现； 微机与数控机床的接口：I/O板的设计。 以下对三个方面逐一介绍。 5. 实验程序 所附的程序要求写清楚： a.各函数功能描述。 b.函数中的各个变量作用。 c.主函数坐标点依照所要求坐标点，不得相互抄袭。 d.做直线插补加一道指导书后面作业题。 e.程序外的文字不得少于5000字。源程序交老师检查。 步进电机的工作原理 步进电机是工业控制及仪表中的重要执行元件之一。在数控方面应用尤其广泛是因为：步进电机精度高，可以实现快速启停，并且能够接受数字量。因此，在我国近年来发展的经济性数控机床中得到了广泛应用。 步进电机的结构原理如图1： 图 1 单定子径向相反应式伺服步进电机结构原理图 可以看出步进电机的定子上有六个等分通电磁极：A、Aˊ、B、Bˊ、C、Cˊ，相邻的磁极夹角为60o,相对的两个磁极为一组，这种结构称为三相（A－Aˊ、B－Bˊ、C－Cˊ）电机。每个磁极上有五个均匀分布的矩形小齿，相邻两个小齿之间的夹角为9o。当某一相绕组有电流流过时，该相绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极。步进电机的转子上有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个小齿的夹角也为9o。 当A相绕组通电时，转子齿和定子A相的五个小齿对齐，由于A相磁极与B相磁极相差120o，又因为，不为整数，因此，转子上的小齿在与A相磁极上的小齿对齐时，就无法与B相上的小齿对齐，转子的13个齿和B相齿中心线相差个齿，也即只有3o。 这时若A相绕阻断电，B相绕组通电，C相仍不通电，则B相磁极会迫使13个齿与其中心线对齐，于是转子逆时针转动了3o，也就是相当于电机走了一步。同理，若B相断电，C相通电，转子又会逆时针转动个齿，即转动3o。若按照A－B－C－A的顺序依次通电，步进电机就会逆时针方向一步一步的转动。每一相绕组通电，转子就会转动3o，这个角度就称为步距角。相反，若按A－C－B－A的顺序依次通电，步进电机则按相反方向运动。 希望能使用自己的语言组织一下上述步进电机通电方式。 由上可见，步进电机就是靠三对绕组轮流通电转动的。 由于微机的输出控制电压信号非常微弱（最高电压5V，最低电压0V），电流也非常小（即功率较小），而电机相比控制器所需功率较大，因此在控制器输出动作控制信号的后面，绕组需要驱动电源放大控制信号，无法直接驱动步进电机。本实验中的步进电机的驱动电压是直流24V，也就是说从微机中输出的电压信号必须经过放大电路放大为24V后才可以驱动步进电机。 因此每相绕组都有一独立的驱动电路。本实验是用一功放板把微机输出的控制信号加以放大，再加至步进电机的三相绕组上。 转动方向的控制： 步进电机的转动方向与三相绕组的通电顺序和通电方式有关。通常可用以下三种方式通电： 通电顺序为 单三拍 A→B→C→A 双三拍 AB→BC→CA→AB 三相六拍 A→AB→B→BC→C→CA→A 注：AB是指AB两相同时通电 参考机电一体化教材 按上述三种方法并顺序通电，步进电机正转；若按相反的顺序通电，步进电机反转。通过固定的线路把这些要求固化一个模块中，模块称为环形分配器，其针对某种步进电机，输入为方向信号和脉冲数，输出为依照方向信号分配脉冲，而脉冲是经过功率放大的，直接驱动电机依照方向和脉冲数目运动。 步进电机的控制信号是由微机发出，为了控制两个轴的步进电机，故需用六根信号线从微机引出。有因为每个地址口可以控制一个八位二进制信息，故两个步进电机的控制可以用一个地址口。在本实验中，为了区分明显，我们分别对两个步进电机的控制给与了一个地址口：X轴 2A0；Y轴 2A1。步进电机的控制信号分别由数据线上的、、发出。A对应，B对应，C对应。 数控机床