钻床数控改造中主轴电机控制设计:什么是主轴伺服电机

　　该设计主要以数控机床的应用和设计为主线，根据对数控机床加工的基本要求来拟定控制系统设计总体方案，主要在微机系统设计方面。采用MCS-51系列的8031单片机，通过单片机控制系统设计和编写程序，实现步进电机正反转及转速控制，步进电机加减速程序设计。此设计的设计思路同样可以用于其他非数控机床的数控改造上，通过改造可以实现多种机床的自动化改造，降低劳动强度，提高生产效率和加工精度。
　　单片机 步进电机 控制程序
　　一、钻床数控改造总体方案设计
　　1.钻床的结构
　　以Z406钻床的为例，外形如图1所示。
　　2.改造总体方案
　　我们对它进行数控改造，主要增加一个程控的X,Y工作台和增加刀具的主轴的程控装置，使其钻孔的位置精度提高到0.01mm。
　　轴齿轮拆去，换上自己重新设计的轴齿轮，轴齿轮右侧有个原位控制开关，其作用是当Z向刀具主轴返回原位时，向单片机发出到达原位信号。
　　图1的工作台2拆下，将已设计的X Y向运动的工作台直接安装在底座上。XY工作台以底座的T型槽通过螺铨定位和固紧。XY工作台设有类似Z向刀具主轴的复位信号发生装置，向单片机发出到达原位信号。
　　XY工作台中X、Y方向的移动，可采用螺旋机构或齿轮条传动机构，这两种均可把旋转运动变为直线运动。
　　Z向的步进电机通过减速装置和联轴器控制转头上、下运动，钻头的旋转运动由原来的三相交流电机驱动，其转速可根据加工工件的材料、孔径大小、板厚等进行调整。X、Y、Z运动均选用三相反应式步进电机55BF004。
　　数控装置的CPU采用MCS-51系列的8031单片机，其中CPU为6兆晶振。系统的扩展I/O接口选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155，其PA和PB口给环形分配器输入脉冲CP、提供步进电机的方向控制信号和复位信号。选用环形分配器控制，单电压驱动电路。为防止功率放大器高压的干扰，步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离，光电隔离的输出端必须采用隔离电源。系统的加工程序和控制命令通过面板操作来实现，显示器设计在面板上，为防止机床各个方向的行程越界，还在机床上安装了行程开关。
　　进给伺服系统机械部分设计计算在机械部分讲解。
　　二、Z方向上步进电机的选用
　　选δp=0.01（mm/step），θb=1.5（°/step）
　　钻头到达最大行程s=65mm时，手柄转过270°，即θ=270°，手柄上的扭距M手与切削力Fz之间的关系为：
　　FzS=M手θ，M手=242×6.5/1.5π≈334 (N・cm)�步进电机每走一步转角为1.5°，钻头移动0.01 mm，同时在手柄处转角为：
　　θ′=δpθ/s=0.01×270/65=0.042°
　　因此手轮与步进电机之间要加减速装置，其减速比：
　　i=1.5°/0.042°=35.7°
　　步进电机上的负载力距Tq为：
　　Tq=M手/ i=334/35.7=9.4(N・cm)
　　Tjm= Tq/0.866=10.68(N・cm)
　　选用55BF004型步进电机。
　　三、单片机控制系统设计
　　1.三相六拍环形分配器的选用
　　驱动器中自带有环形分配器，这种控制接口很简单，只用A输出口的两位控制一台步进电机工作。可直接选用现成的集成环形分配器。这里选用YB013环形分配器。
　　2.光电隔离器电路
　　在环形分配器和功率驱动电路之间采用光电隔离器，是为了防止功率放大器高压的干扰和隔离高电平的脉冲信号对微型计算机的干扰，同时还能实现两者不同电平的转换，光电隔离器电路见图2。
　　环形分配器送出的脉冲信号经过驱动电路驱动光电隔离器GO101，然后送到功率驱动电路。
　　3.功放电路
　　功放电路的功能是将环形分配器送来的弱电信号变为更强的电信号。晶体管单电压型的驱动电路具有控制方便、调试容易和线路简单等优点，所以在设计中采用。电路如图3。
　　经分配器送出的脉冲序列，通过光电隔离器电路送到驱动电路。脉冲高电平时，T1、T2开关导通，三相六拍步进电机绕组供电；低电平时，T1、T2开关截止。2CP23为续流二极管，通过此二极管，步进电机绕组产生反电势将维持电流继续沿原来的方向流动，另外通过二极管还能释放磁场能，以免高的反电势击穿T1、T2。
　　四、步进电机运行的软件控制
　　1.步进电机控制程序设计
　　控制程序的任务是：判断旋转方向，依次在两控制字中，根据运转速度实现一定的延时、判断是否结束。假设步进电机总的运行步数存放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器的用户标志位F1（D5H）中，当F1为零时，电机正转，当F1为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05H存放在单片机8031的片内数据存储单元20H-25H中，26H用于存放结束标志00H。在27H-2CH的存储单元内存放反转时P1端口的输出控制字01H，05H，04H，06H，02H，03H，在2DH单元内存放结束标志00H。
　　2.步进电机加减速程序设计
　　在实际生产中，如步进电机的运行频率较高，为使其不出现失步的现象，不能采用突然启动的方式，通常要有一个启动加速过程。同样当步进电机从高速运行到停止时，也要有一个减速过程，以免产生过冲的现象。微机实现加减速的控制，可采用等加减控制和按照指数曲线控制方法。上图为等加、减速方式控制的输出脉冲频率的波形。步进电机在启动过程中，进给脉冲频率随时间按线性变化，上升到一定频率fc时停止变化，改为匀速进给。在停止过程中，同样由给定fc匀减速变化直到步进电机停止运转。程序实现这种方式比较容易，即在步进电机的启动和制动的变速过程中，微机每输出一个状态控制字后的延时时间间隔按线性递减或递增变化。启动进给一定步数后达到匀速状态，此时时间保持不变。
　　参考文献：
　　[1]吴振彪.机电综合设计指导.中国人民大学出版社.
　　[2]马正先，李慧.钻床的数控改造设计.机械与电子，1994，（4）.
　　[3]范云霄.台式钻床的改造.机械制造，1994，（1）.
　　[4]王永洲.用单片机控制的简易数控车床硬件设计.试验技术与管理，1995，（12）.