1、PDC鉆頭檢測裝置機械部分機構的結構PDC鉆頭檢測裝置機械部分設計 摘要 在PDC檢測裝置主要結構中，主軸頭是成形機的關鍵部分，它的設計對機床的性能有重要的影響。該設計中，先確定了總體方案，運用步進電機和滾珠絲杠來實現總體的設計。并選擇了感應同步器作為機床的檢測裝置，相應地確定了它的放大電路和接口電路。然后通過計算設計了成形機床的進給部分，包括導軌、滾珠絲杠、軸承和聯軸器等等。最后通過計算選擇了步進電機的型號。 關鍵詞 主軸頭，步進電機，滾珠絲杠，放大電路，接口電路，導軌，軸承，聯軸器。Summary In PDC in the detector set primary structure,

2、the main axle neck is shaper's essential part, its design has the important influence to engine bed's performance. In this design, had determined the first overall concept, the utilization step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw realizes the overall design. An

3、d chose the induction synchromesh to take engine bed's detector set, has determined its amplifying circuit and the interface circuit correspondingly. Then designed through the computation has formed engine bed's to feed part, including guide rail, ball bearing guide screw, bearing and shaft

4、coupling and so on. Finally chose through the computation has step-by-stepped electrical machinery's modelKeyword spindle top, electric motor, stall ball lead screw, magnifying circuit, interface circuit, bearing前 言：盡管我國生產的各種金剛石工具在各行業得到廣泛應用，并取得顯著的經濟效益，但其技術水平與國外同類產品相比還有一定的差距，主要表現在：整個金剛石工具產業缺乏統一管理

5、和宏觀調控。由于盲目發展，整個金剛石工具生產布局出現散而亂、遍地開花的局面，工具銷售市場產品質量不穩定，競爭無序，價格混亂。由于金剛石單晶生產與金剛石工具生產的發展不協調，使得我國金剛石工具的發展滯后于金剛石單晶的生產增長速度，造成金剛石積壓和滯銷，影響和制約了我國金剛石工業的持續發展，使金剛石生產企業經濟效益嚴重滑坡。金剛石工具應用領域較窄，產品品種單一，質量不穩定，有的產品技術質量標準較混亂，沒有統一的產品質量檢測、監督的管理規范和標準。金剛石工具生產裝備和整體技術水平比較落后，一些較先進的新技術、新工藝推廣應用較慢。生產企業規模普遍偏小，生產不集中，工藝技術差，缺乏市場競爭力，經濟效益不

6、高。金剛石工具生產以及新產品開發、工藝技術研究等方面的資金投入不足。在金剛石工具使用過程中，基體材料使用率低，鋼材浪費嚴重；使用過程中非正常磨損、脫落、殘留的金剛石較多，使金剛石實際利用率較低，金剛石材料浪費較多。為確保我國金剛石產業穩定持續發展的措施大力發展金剛石工具產業，應狠抓新產品、新工藝的開發，拓寬金剛石應用領域，加快我國金剛石產業的發展，提高經濟效益和整體技術水平。PDC鉆頭檢測裝置機械部分設計：一、 PDC鉆頭檢測裝置機械部分的結構PDC機械部分檢測裝置由床身和立柱、工作臺、主軸頭、脈沖電源、伺服進給系統、工作臺附件等部分組成。結構圖如圖1-1所示。檢測方式采用三坐標檢測。床身和立

7、柱是基礎結構，由它確保檢測儀與工作臺、工件之間的相互位置。位置精度的高低對加工有直接的影響，如果機床的精度不高，檢測精度也難以保證。因此，不但床身和立柱的結構應該合理，有較高的剛度，能承受主軸負重和運動部件突然加速運動的慣性力，還應該減小溫度變化引起的變形。工作臺主要用來支承和裝夾工件。在實際加工中，通過轉動縱橫向絲杠來改變檢測儀與工件的相對位置。主軸頭是PDC機械部分檢測裝置的一個關鍵部件，在結構上由伺服進給系統、導向和防扭機構三部分組成。用以控制檢測儀與鉆頭之間的距離。主軸頭的好壞直接影響檢測數據的精度，如質量、內部應力、幾何精度以及表面粗糙度，因此對主軸頭有如下要求：1) 有一定的軸向和

8、側向剛度及精度。2) 有足夠的進給和回升速度。3) 主軸運動的直線和防扭轉性能好。4) 靈敏度要高，無爬行現象。二、Z軸進給驅動方案的設計：目前檢測裝置的自動進給調節系統的種類很多，按執行元件，大致可分為：步進電機；寬調速力矩電機；直流伺服電機；交流伺服電機。在本次設計中選用電-機械式自動調節系統。電-機械式自動調節系統在20世紀60年代是采用普通直流伺服電機的形式，由于其機械減速系統傳動鏈、慣性大、剛性差，因而靈敏度低，20世紀70年代為電液自動調節系統所替代。20世紀80年代以來，采用步進電機和力矩電機的電-機械式自動調節系統得到迅速發展。由于它們的低速性能好，可直接帶動絲杠進退，因而傳動

9、鏈短、靈敏度高、體積小、結構簡單，而且慣性小，有利于實現加工過程的自動控制和數字程序控制，因而在中、小型電火花機床中得到越來越廣泛的應用。又考慮到經濟因素及尺寸的大小，本設計采用步進電機自動調節系統。總體設計原理框圖如圖2-2所示.負載滾珠絲杠CPU步進電機驅動電路步進電機感應同步器圖2-1 總體設計原理三、 PDC鉆頭機械部分檢測裝置的設計要求感應同步器是一種電磁感應式的位移檢測裝置，它具有以下優點：1) 精度高。感應同步器直接對機床的位移進行測量，測量結果只受本身精度的限制，定尺上感應電壓信號為多周期的平均效應，降低了繞組局部尺寸誤差的影響，達到了較高的測量精度，其直線精度一般為±

10、;0.002mm/250mm。2) 對環境的適應性強。它是利用電磁感應原理產生信號，所以不怕油污和灰塵污染，測量信號與絕對位置一一對應，不易受到干擾。3) 使用壽命長，安裝維修簡單。4) 可用于長距離位移測量，適合于大中型機床使用。5) 工藝性好，成本低。定尺與滑尺繞組便于復制和成批生產。直線型感應同步器的定尺安裝在機床的不動部件上，既可直接安裝在機床某個面上，也可以和尺座構成組件后在安裝在機床上。所以綜合各種檢測裝置，應使用感應同步器更為好。四、 PDC鉆頭機械部分檢測裝置進給機構設計4.1縱向導軌設計導軌是機床的關鍵部件之一，其性能好壞，將直接影響機床的加工精度、承載能力和使用壽命。導軌設

11、計應滿足：導向精度、耐磨性、低速運動平穩性、剛度、結構簡單、工藝性好、便于間隙調整，具有良好的潤滑和防護等要求。 4.1.1導軌類型的選擇導軌類型很多，分類不一。常用的導軌類型有普通滑動導軌（滑動導軌）、塑料導軌（貼塑導軌）、鑲金屬導軌、滾動導軌、靜壓導軌、支壓導軌。在PDC鉆頭檢測裝置中，選用滾動導軌，這是因為滾動導軌可以減少導軌間的摩擦阻力，便于工作臺實現精確和微量移動，且潤滑方法簡單。4.1.2 滑動導軌類型的選擇導軌類型很多，分類不一。常用的導軌類型有普通滑動導軌（滑動導軌）、塑料導軌（貼塑導軌）、鑲金屬導軌、滾動導軌、靜壓導軌、支壓導軌。在電火花成形加工機床中，選用滑動導軌。4.1.

12、3直線滑動導軌類型的選擇 常見的滑動導軌截面形狀，有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。如圖所示。凸形導軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油。宜在低速下工作；凹形導軌則相反，可用于高速，但必須有良好的防護裝置，以防切屑等臟物落入導軌。該電火花成形機床應選擇凹形三角形導軌：該導軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動補償，不會產生間隙，故導向精度較高。但壓板面仍需有間隙調整裝置。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為900。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，應采用較大的頂角（1100-1200）；為提高導向性，可采用較小的頂角（60

13、0）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用盡可能垂直于導軌面。 圖 4-1 導軌的截面形狀4.1.4 選擇導軌的補償及調整裝置選用塞塊調整間隙，其精度和剛度均較高。 4.1.5 潤滑的選擇直線滑動導軌副常用鈉基潤滑脂潤滑，為防止異物侵入和潤滑劑的泄出，滑座兩端裝上耐油橡膠密封圈。4.1.6材料的選擇選用CrWMn，進行冷處理和低溫時效，并采用鑲件式，最大限度地消除導軌在使用中的變形。4.2 縱向滾珠絲杠的設計為了提高數控機床的傳動精度和靈敏度，在需要將回轉運動轉換為直徑運動的場合，常采用滾珠絲螺母副。它是將絲杠螺母的螺旋槽加工成弧形，并放入適當的滾珠

14、，當絲杠相對于螺母旋轉時，滾珠便在由絲杠和螺母的兩個弧形槽所形成的滾道中滾動，使螺旋傳動由滑動摩擦變為滾動摩擦。滾珠絲杠螺母副具有以下優點：1) 傳動效率高。2) 靈敏度高，隨動性好。3) 使用壽命長。4) 無反向死區，并能提高軸的剛度和反向精度。5) 運動具有可逆性。因此，選用滾珠絲杠螺母副來將步進電機的旋轉運動轉變為直線運動。104.2.1 基本傳動方式的選擇根據絲杠和螺母相對運動組合情況，其基本傳動形式有四種：（1）螺母固定，絲杠轉動并移動如圖（a）所示,該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產生的附加軸向竄動，結構叫簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不宜太長，剛性太

15、差。因此只適用于行程較小的場合。所以不適合使用于該場合。（2）絲杠轉動，螺母移動如圖（b）所示，該傳動形式需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場合。（3）螺母轉動，絲杠移動如圖（c）所示，該傳動形式需要限制螺母移動和絲杠的轉動，由于結構復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。（4）絲杠固定，螺母轉動并移動如圖（d）所示，該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數情況下，使用極不方便，故很少使用。如圖4所示。選擇絲杠轉動、螺母移動的傳動形式。圖4-2 基本傳動形式4.2.2 結構形式的選擇（1）螺紋滾道型面（法向）的形狀選擇我國生產的滾珠絲杠有單圓弧型和雙圓

16、弧型，因為雙圓弧型的螺紋滾道的接觸角在工作過程中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使滾道底部與滾珠不接觸，并能存一定的潤滑油以減少摩擦和磨損，應用廣泛，因此選用雙圓弧型的螺紋滾道。（2）滾珠循環方式的選擇滾珠絲杠副中滾珠的循環方式有內循環和外循環二種。選用內循環方式，其優點是滾珠循環的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，選用浮動式反向器，這種反向器的優點是：在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢、摩擦特性較好，適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統。4.2.3 滾珠絲杠副主要技術參數的確定（1）基本導程的選擇基本導程的大小應根據機電一體化系統的精度要求確定，

17、因此設計精度要求較高，要選取較小的基本導程。由國際標準化組織（ISO/DIS3408-2-1991）知尺寸系列：基本導程：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40因此選用 （2）螺母選擇由于數控機床對滾珠絲杠副的剛度有較高的要求，故選擇螺母時應注重其剛度的保證，按高剛度要求選擇預載的螺母形式。其中內循環浮動反向器法蘭直筒組合具有較好的磨擦特性，適用于各種高靈敏度、高剛度的精密進給定位系統，材料選用45鋼。滾珠的工作圈數i和列數j的確定滾珠總數N一般不超過150個。選用為，滾珠總數取120個。法蘭形狀的選擇 按安裝由標準形狀選擇。選擇平頂法蘭盤。（3）導程精度

18、選擇根據機床定位精度10m，確定滾珠絲杠副導程的精度等級。按下式估算式中：E累計代表導程偏差，m 機床有效行程的定位精度由實用機床設計手冊（以后簡稱手冊）查得選擇精度等級（4）絲杠長度的計算絲杠螺紋長度按下式計算式中：機床工作臺有效行程，mm余程（按表選取），mm螺母長度，mm表1 余程導程（mm）456810121620余程（mm）1620243240455060 = 340 = 16 =11絲杠螺紋長度：l = 383mm。支撐跨距應略大于，取為。13（5）滾珠絲杠副軸向間隙調整與預緊的選擇滾珠絲杠副在負載時，其滾珠與滾道接觸點處將產生彈性變形。換向時，其軸向間隙會引起空回，這種空回是非連

19、續的，既影響傳動精度，又影響系統的動態性能。單螺母絲杠副的間隙消除相當困難，實際應用中，有多種調整預緊方法，其中，雙螺母墊片調整預緊式的結構簡單剛度高，預緊可靠。（6）滾珠絲杠副支承方式的選擇（a）單推單推式(b)雙推雙推式(c)雙推簡支式 (d) 雙推自由式圖4-3 滾珠絲杠副的支承方式實踐證明，絲杠的軸承組合及軸承座以及其它零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，為了提高軸向剛度，常用止推軸承為主的 軸承組合來支承絲杠，當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。軸承的組合方式有以下幾種：（）單推單推式如圖（a）所示，止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。其特

20、點是軸向剛度較高；預拉伸安裝時，預緊力較大，軸承壽命一般比雙推雙推式低。（）雙推雙推式如圖（b）所示，兩端裝止推軸承及向心軸承的組合，并施加預緊力，使其剛度最高。該方式適合于高剛度、高速度、高精度的精密絲杠傳動系統，由于隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，故易造成兩端支承的預緊力不對稱。（）雙推簡支式如圖（c）所示，一端裝止推軸承，另一端裝向心球軸承，軸向剛度不太高，使用時應注意減少絲杠熱變形的影響。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、精度較高的長絲杠傳動系統。（）雙推自由式如圖（d）所示，一端裝止推軸承，另一端是自由狀態，故軸向剛度和承載能力低，多用于輕載、低速的垂直安裝絲

21、杠傳動系統，故選用雙推 自由式。（7）橫向進給系統滾珠絲杠基本導程P0=4mm，脈沖當量取為0.01mm/step，步進電機的步距角選為0.750/step。橫向進給運動負載分析：步進電機的負載有外力負載、摩擦負載和慣性負載，所選電機必須克服這些負載才能作正常的進給驅動。初選滾珠絲杠副型號為FFZDD2004,其參數如下:公稱直徑: d0=20mm基本導程: P0=4mm鋼球直徑: Dw=3mm絲杠外徑: d=19.0mm循環圈數: 2.5×3額定動載荷: Ca=7500N額定靜載荷: C0a=14500N長度: l=0.72剛度: Ke=519N/m 根據理論力學公式計算進給系統中

22、各回轉零件的轉動慣量。該系統轉動慣量為由手冊查得式中：JM步進電機轉子慣量JS滾珠絲杠的轉動慣量滾珠絲杠的轉動慣量Jm1m長絲杠轉動慣量，kg.cm.s2W工件和工作臺的重量kgg重力加速度其中設電機轉子的轉動慣量為由手冊查得預選電機型號為110BF004裝夾頭及其余重物的折算轉動慣量由手冊查得可知：該系統轉動慣量為速度V采用最不利于機床啟動時的速度，這里選用V=5mm/min，則（8）絲杠摩擦阻力矩的計算由于絲杠受軸向載荷，又由于采取了一定的預緊措施，故滾珠絲杠副產生摩擦力，但由于其效率高其摩擦阻力矩相對于其它負載力矩小的多，因此忽略不計。（9）等效負載轉矩（10）啟動慣性阻力矩（T慣）的計

23、算以最不利于快進速度計算時，設啟動加速時間為t=0.3s，由于電機轉速取加速曲線為等加速梯形曲線，故角加速度為則步進電機輸出軸上總負載轉矩的計算如下： 4.3 步進電機的匹配選擇上述計算未考慮機械系統的傳動效率，當選擇機械總效率為0.7時，則選擇安全系數為1.5，則步進電機可按以下總負載轉矩選取為保證帶負載能正常加速啟動，應使查負載系數為0.87選用110BF004反應式步進電機合適。110BF004反應式步進電機技術性能參數如下：相數 3 步距角 0.750電壓 30V 相電流 4A最大靜轉矩 4.9N.m空載啟動頻率 1500步/s電感 56.5mH電阻 0.72分配方式 3相6拍外形尺寸

24、 110×110質量 5.5Kg 4.4 滾珠絲杠的校核4.4.1 承載能力的校核計算作用于絲杠軸向最大動載荷Q，然后根據Q值校核公稱直徑由公式>Coa （1）滾珠絲杠副壽命系數L，單位為轉，式中T為使用壽命時間（h），數控機床為15000h轉載荷系數，平穩或輕度沖擊時為1.01.2，取硬度系數，因為滾道的硬度一般，所以取為絲杠的軸向所受的最大載荷，而此載荷即為絲杠在軸向所受的摩擦阻力和裝夾頭的重量。Pmax=G+F因為GF，所以 F可以忽略不計。因此為絲杠的當量轉速,對于移動部件重量較切削力為大的大型機床和高精度精密機床的進給系統，傳動件的計算轉速是取在最大快速運動時的速度V

25、max=5mm/s,即nm=1.04r/min將所有數據代入公式（1）得 查手冊表,型號FD2004-3,額定載荷,大于算出的Q值，所以這種絲杠是可用的。4.4.2 壓桿穩定性驗算根據公式PK=fK2EI/KlPmax其中fK=2（雙推簡支）取K=4，L=Ls=0.72cm4.4.3 剛度檢驗式中：L0=0.72mS=3.14×2.192=15.21cm2I=2.3cm4P=Pmax=191.34N將所有數據代入公式得：4.4.4 預拉伸計算a. 溫升引起的伸長量。設溫升為，則螺紋部分伸長量為： 式中：為熱膨脹系數，取=可得：絲杠全長的伸長量為：為此，絲杠的目標行程可定為比公稱行程小

26、，絲杠在安裝時，進行預拉伸，拉伸量為b. 預拉伸力。根據材料力學歐拉公式得 164.5 軸承的選擇縱向滾珠絲杠主要受軸向力，使用滾動軸承。為承受其軸向負載，設計使用雙推力軸承。欲選雙推力軸承52205。 雙向推力軸承5204的基本參數如下：內徑 20mm外徑 47mm厚度 28mm（1）預負荷軸承的預負荷不應小于軸承最大載荷的1/3。絲杠兩端固定，故軸承的最大載荷等于預拉伸力加最大外載荷的一半。故符合要求（2）疲勞壽命計算軸承要求的動載荷可按下式（3）計算：考慮到數控機床本身的特點，上式中使用系數、轉速變化系數、齒輪輪換工作系數均取1。速度系數，其中為壽命指數，對球軸承取=3，故有若額定壽命取

27、，又壽命系數，故進給力的方向是可變的，軸承載荷可能是，也可能是，兩者幾乎相等，故取其平均值將所有數據代入式中得可以看出，軸承額定動負荷6600足夠，選用此軸承合適。4.6 聯軸器的設計聯軸器的類型很多、且已標準化。機床常用的聯軸器類型有剛性聯軸器、撓性聯軸器和安全聯軸器。由于剛性聯軸器制造容易、徑向尺寸小、裝拆時需移動軸，用于要求兩軸對中性好、工作平衡無沖擊、經常正反轉的場合，適用于本設計，選用此聯軸器，并由手冊查得其材料為45鋼，其大小尺寸如圖4-4所示。圖4-4 聯軸器的結構4.7 定位銷設計定位銷主要是用來固定零件之間的相對位置，一般不受載荷或只受很小的載荷，故不作強度計算。銷裝入每一個

28、被聯接件的長度約為銷的1-2倍。在本設計中使用圓錐銷固定聯軸器和軸。圓錐銷的大頭直徑dmax=4mm,小頭直徑dmin=3.95mm,錐度1：50，材料Q235鋼五、機床伺服驅動系統的選擇5.1 步進電動機的簡介5.1.1 結構和轉距圖5-1所示為一種反應式步進電動機的結構示意圖。圖5-1 步進電動機的結構示意圖圖中電動機定子上有6個磁極：U1、U2、V1、V2、W1、W2，每個磁極上有5個均勻分布的矩形小齒。相信兩個磁極之間相隔。相對的兩個磁極組成一相，磁極上繞有一相線圈。此圖所示的為三相步進電動機（U1-U2相，V1-V2相，W1-W2相）。當某一相繞組有電流通過時，該繞組所在的兩個磁極形

29、成N極和S極。轉子上沒有繞組，有40逐步形成矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個小齒之間的夾角為9o與定子上小齒的齒距相等。當某相繞組通電時，所在的磁極產生磁場，與轉子形成磁路。若此時該定子磁極的小齒與轉子的小齒沒有對齊，相互之間就會產生圓周方向的力矩，使轉子齒轉過一個角度，直到與定子齒對齊為止?？梢娫诓竭M電動機中，定轉子錯齒是使轉子得到步進轉矩的基本因素。5.1.2 轉子轉動方向按照次序給繞組輪流通電，轉子就順時針方向轉動。按照次序給繞組輪流通電，轉子就逆時針方向轉動。所以，步進電機的轉動方向取決于定子繞組通電的順序。5.1.3 工作方式三相步進電動機有三種工作方式：1）單三拍，通電方式為2）

30、雙三拍，通電方式3）六拍，通電方式為5.2 伺服驅動系統的選擇伺服驅動系統在數控機床的作用：接受控制機發出的進給脈沖信號，并把它變換成模擬角，徑功率放大后去驅動工作臺，使工作臺進行精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合精度并要求的零件。因此，伺服機構的性能變是決定數控機床的加工表面質量，生產率和機床的可靠性的關鍵之一。目前在數控機床改造中常用的驅動器件是步進電機、電脈沖馬達、直流伺服電機，交流伺服電機。這些驅動器件，配以適當的功放裝置組成伺服驅動系統。對本設計電火花成形機床的設計來說，機床的縱橫向均采用步進電機驅動。步進電機將計算機輸出的每一個脈沖信號變成一定量的機械角位移，實

31、際上它就是利用電磁鐵的作用原理。定子的三相繞組依次通電，轉子被吸引著一步步前進，轉子便旋轉起來。步進電機的特點如下：1步進電機的功率小，輸出力矩小，使用于中小機電一體化系統。2無論從電機還是驅動電源，體積都比較小，伺服系統可以不需反饋元件，因而驅動裝置整體體積小。3 進電機的控制性能好，可以精確地控制轉子的轉角和轉速，有良好的緩沖定位能力。步進電機本身是一種脈沖或數字控制的裝置，極易與計算機和微處理器聯接，構成智能化系統。4 制系統比較簡單，特別是在微機控制的情況下，硬件電路更加簡單。步進電機既是驅動元件又是脈沖角位移變換元件。不需反饋元件，因而控制方法比較簡單。5. 脈沖當量很小，或細分數較

32、大時，很難獲得很高的速度由于步進電機的調速性、靈活性和準確性好，體積又小，也不需要反饋傳感器，因而是一種較好的驅動系統，使用于運動軌跡較復雜的、動作要求高的中小型設備。體積小、自定位、價格低是步進電機驅動的三大優勢。由于它性能好，價格便宜，所以步進電機廣泛用于經濟型數控的開環系統中。電液脈沖馬達是利用小功率的步進電機帶動一個隨動滑閥，通過隨動滑閥來控制油馬達工作。油馬達容易獲得較大的輸出扭矩，故可用于大功率數控機床，但該系統必須有液壓站，占地面積大，且易產生漏油。直流伺服電機在閉環控制系統中具有較好的轉矩連速特性。國內的直流或交流伺服系統，價格較高，技術難度大，正努力改進。相比之下，步進電機是

33、適合開環系統中的電機。185.3 步進電動機控制系統的選擇舊式的步進電動機控制系統由步進控制器、功率放大器和步進電動機組成，如圖5-2所示。步進控制器包括緩沖寄存器、環形分配器、控制邏輯及正反控制門等。其作用是把輸入脈沖變為環形脈沖，以便實現對步進電動機的轉動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環形脈沖加以放大，以驅動步進電動機轉動。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復雜，成本高，限制它的應用。圖5-2 步進電動機控制系統的組成采用計算機控制系統，用軟件實現上述步進控制器的功能，使用權控制系統在為簡化。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高可靠性。圖5-3所示為微機控

34、制步進電動機的系統結構圖。微型計算機接口驅動器步進電動機負載圖5-3 微機控制步進電動機的系統結構圖因此本設計采用計算機控制系統。在步進電動機的微機控制系統中，脈沖的產生以及步數、方向和速度的控制都由微機來實現；通過接口進行信號傳遞，并作必要的隔離；驅動器的作用是將脈沖信號進行放大。5.4 步進電動機與8253的接口電路圖5-4所示為三相步進電動機與8253的接口電路。我們采用可編程計數器8253為核心構成步進電機接口電路，具有精度高、不受阻容元件參數的限制、工作穩定、控制靈活的特點。在步進電機工作期間，不用CPU的直接干預，大大提高了CPU實時處理能力。它由三部分組成，第一部分，以8253和

35、或門U1構成實時脈沖產生電路，該電路的觸發受CPU的控制，它能產生一定數量的、一定頻率的脈沖，其脈沖的頻率和數量由8253計數器的計數值設定，精度極高。第二部分，由移位寄存器和或門U2構成分相電路，它能產生符合步進電機需要的多項脈沖源。第三部分，換相和驅動電路，由模擬開關4066控制步進電機的運行方向，然后經光電耦合、達林頓管驅動使步進電機工作。圖5-4 三相步進電機與8253的接口電路5.5 步進電動機控制系統在步進電動機啟動和停止的過程中，往往需要改變速度。對于大多數工作任務來說，總是希望步進電動機盡快地走完規定的步數，即以盡可能高的速度運行。然而為了做主步進電動機的轉子運動能跟上步進脈沖

36、的頻率，即不失步，對于脈沖頻率是有限制的。在步進電動機的性能指標中，有一項“最高空載啟動頻率”，就是對該電動機在空載情況下最高啟動頻率的限制。如果帶負載啟動，其允許頻率還要低些。當步進電動機進入穩態運行時，其允許工作頻率則比最高空載啟動頻率高得多。因此，為了使步進電動機盡量加快工作過程而又不致辭發生失步現象，應以較低的工作頻率開始啟動，在啟動過程中逐漸加速，然后穩定在較高的工作頻率。一般情況下，升速的過程約在（0.11）s之間。反之，步進電動機從高速運行到停止也應進行減速。減速過程的加速度絕對值常比加速過程的大。現有以下三種變速控制的方法：1步進電動機的工作方式 利用改變步進電動機的工作方式可

37、以實現變速控制。2均勻地改變步進脈沖的間隔 步進電動機的加速或減速控制，可以通過均勻地減少或增加脈沖間隔來實現。具體來說就是均勻改變延時子程序中的時間常數。這種方法的變速范圍比較寬。3定時器的變速控制 步進脈沖的時間間隔也可以由單片機內部的定時器來提供。定時器初始化的時間常數為步進電動機啟動時所需值。每隔一定時間定時器向CPU申請中斷。CPU響應中斷后，送出一次控制脈沖，同時修改時間常數，減小定時。采用這種方法也能方便地實現步進電動機的均勻加速或減速。選用第二種方法，也就是如果要求電機從零升到某個頻率fZ運行N步，則可先輸出兩個脈沖，其間隔t1,并且從第三個脈沖開始，脈沖間隔越來越小，直到達到所需的速度運行。在步進數將達到N時，使之自動降速，間隔越來越大，直到t2時，步進電機停止轉動。以上都是由軟件控制其脈沖。根據以上分析，只要控制步進電機的輸入節拍就可以控制步進電機的工作方式、速度等。以P10P11P12三個輸出口輸出步進電機的工作節拍，假設通電方式是ABCA，微機依次把高電平送到三個端口上，采用延時程序控制工作速度。在這個控制系統中，由于是由弱電控制強電，不可避免地會產生干擾，為防