数控车床电器控制系统设计

　　2.2.3 快速进给

　　为了解决加工过程中刀具的快速移动，节省工装时间，通常设置快速进给装置，为点动按扭手动操作，其控制指令与进给限位装置做逻辑与运算。已知快速进给速度为100mm/s，进给丝杆螺距8mm，步进电机驱动方式800步/转，则可以计算出由于快速进给运动与主轴运动之间，不需要保持一定的内在联系，所以可以直接使用脉冲信号发生器，利用NE555芯片组成典型的脉冲信号发生电路(见图3)，产生10KHz的频率，具有电路简单，无需要调试，频率相对比较稳定，成本低廉，波形符合步进电机驱动器的要求，驱动步进电机实现快速进给。

图3 快速进给脉冲发生器

　　2.2.4 车床限位器

　　作用是保证进给装置在规定的范围内做往复运动。当到达极限位置时发出信号控制步进电机，及时停止。限位器使用触点式小型微动开关，分别安装在直线轨道的两个极限端，电路设计中，将二个极限开关做逻辑与运算，当到达极限位置时，限位开关输出低电平，致使逻辑运算值为0，步进电机停止运动，实现限位目的。

　　2.2.5 螺纹加工

　　螺纹在零件加工中经常遇到，它对车床的精度要求较高，其中重要的指标是螺距。普通车床是主轴按照一定的传动比带动丝杆，配合开合螺母，使刀具随主轴转动做直线运动而形成螺纹。由于加工螺纹过程中，车床主轴转动与刀具进给，以及加工起始位置有着严格的内在联系。因此在车床主轴上不但要设置进给脉冲信号发生盘，而且还要设置加工起始位置索引孔，严格定义螺纹的加工位置。

　　已知车床加工公制螺纹，螺距范围1mm-5mm之间(9种规格)，车床进给丝杆螺距8mm，可计算出主轴每转脉冲数。

　　为了满足加工螺距及精度要求，对螺纹进给脉冲不使用电子分频器，而是在车床主轴脉冲发生盘上，直接打出由9个同心圆构成的环状光栅孔，最外圈500个孔光栅，以此类推到最里圈100个孔光栅，使用光电耦接收光栅孔产生的脉冲，分别将接收的脉冲信号，通过波段开关选择加工螺纹的螺距。

　　在车床主轴脉冲发生盘上，设置一个独立的脉冲发生孔，作为加工螺纹起始位置定位索引孔，只有当索引孔转过规定位置时，才开始加工螺纹，将索引孔、车床主轴盘脉冲信号、限位器开关信号做逻辑与运算，使用与非门电路，将其运算结果作为步进电机驱动控制信号。

　　2.2.6 数显坐标

　　在许多自动或半自动车床中使用数显坐标，为测量和控制工件尺寸提供了方便条件。由于数控车床的进给系统是由步进电机驱动的，因此可直接读取步进电机的驱动脉冲数，做加减法运算，显示当前坐标。选用的步进电机步长为800步/转，进给丝杆螺距8盯吼，则0.01mm/步，加减法计数器，每一个计数单位(分辨率)也就是0.01mm。车床启动后自检回原点，即坐标(0，0)点，横向至左端限位器位置，纵向至车床主轴轴心线端限位器位置，此时计数器清零，此后计数器随横向、纵向步进电机的运动，显示当前坐标值。使用快进进给回原点，重新修正显示坐标，也可人为使计数器清零的方法，定义坐标零点作为工件加工的起始位置。

　　2.2.7 步进电机选配

　　步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的执行装置，当步进驱动器接收到脉冲信号时，由步进电机驱动器，按设定方向转动固定的步距角，旋转是以固定角度运行的，因此通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动速度和加速度，实现调速的目的，不会产生转角的积累误差，具有旋转精度高，定位准确等优点，可省去普通车床庞大而复杂的进给变速箱，扩大了车床进给传动速比的范围。

　　按照数控车床进给方式的要求，选择步进电机作为动力源，根据车削过程中走刀抗力计算，横向进给和纵向进给分别选用二相混合式86BYG250BN和57BYG250C型号的步进电机。

　　2.2.8 步进电机驱动

　　根据步进电机的型号和驱动电流，选用4A和2.4A以上与之匹配的驱动器，考虑到旋转精度和传动比的要求，设置步距角为45度，即800步/转的驱动方式。工作电压为DC36V。除了对驱动器作必要的设置外，更重要的是外围控制电路以及驱动脉冲输入。步进电机驱动器的作用就是要把控制系统发出的脉冲信号，转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接受一个脉冲信号，就驱动步进电机旋转一步距角，脉冲的频率和步进电机的转速成正比，脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样控制系统通过脉冲信号，可以达到电机调速和定位的目的。

　　2.2.9 脉冲信号

　　脉冲信号的电平方式是设计控制系统时必须考虑的，对共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式：脉冲状态为高电平、无脉冲时为低电平。通常脉冲信号要求按照正脉冲方式输入，宽度不小于2us，有效电平5V以上，完全满足快速进给的要求。

　　2.2.10 DIR信号的作用

　　它是负责电机换向的控制信号，决定电机的旋转方向，DIR+为高电平时电机为顺时针旋转，DIR一为高平时电机为逆时针旋转，这种称之为单脉冲方式，一定要在电机降速停止后再换向。因此DIR换向信号要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后，下一个方向的第一个CP脉冲前发出。

　　2.2.11 上位机接口

　　数控车床的控制与驱动电路设计了与上位机的连接接口，可与PC机通过并行端口相连接，并接受PC机的控制指令，以实现自动化加工的目的。在接口中设计了三条接收指令的控制线，以及二条输出给上位PC机的数据线，分别与0378H和0379H并行端口相连接，实现双工通信。通过PC机将处理好的加工信息，逐一传给数控车床，完成预选设定的加工过程。这样可以大大提高车床的加工能力，改善车削加工的工装条件，适于大批量机械零件以及木器装饰用品的加工。

图4 系统电器

3 结束语

　　数控车床电器系统的设计方案，具有简单实用，电器系统工作稳定可靠，制造成本低廉等特点，最适合于小型车床及木工车床，也可以在普通车床上改装进给装置，实现半自动车削加工，节约了人力和物力。