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步进电机在CT5235车床数控改造中的应用研究
　　映秀湾水力发电总厂修配厂现有一台CT5235立式车床，其主要用于总厂所属的渔子溪电站、耿达电站、映秀湾电站及其他电站委托的过流部件的加工任务。该车床的回转直径为35米，能进行车削平面、车削圆、有限的锥体及镗削圆孔等方面的加工。但是随着近年来电站的改造的需要，过流部件经常出现了非规则曲面设计，如水轮机的底环过流面是由离散的样条曲线形成的回转曲面，再用该机床加工就显得力不从心了。为了解决CT5235不能加工这类曲面的问题，现对其进行用步进电机和单片机进行数控化改造研究。　　1数控化改造中步进电机的选择为了实现CT5235立式车床加工非规则曲面，则需使车床的刀架能按数控插补运算要求进行X、Y轴方向的进给运动。为了降低改造成本决定采用开环控制，并采用步进电机作为进给运动的驱动。　　步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的绕组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。　　步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动、微步驱动、超微驱动及其它们的综合运用，使得步进电机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显著改善，特别是在随着智能超微步驱动技术的发展，把步进电机的性能提高到一个新的水平。使其获得了广泛的应用。目前，步进电机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环的控制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。为了提高加工的精度，在CT5235立车上采用小步距角的“三相六拍”反应式步进电动机。　　1以步进电机为进给驱动加工回转曲面插补方法在立车上加工的水轮机过流部件，如底环过流面，可用曲线y=f（t）绕机组轴心线旋转360度即得所需曲面。加工这类曲面的基本原理可用函数积分来说明，从微分的几何概念来看，从时刻t=0到t求函数y=f（t）曲线所包围的面积时，可用积分公式：如果将0~t的时间划分成时间隔为At的有限区间，当At足够小时，可得近似公式：的过程就是用数的累加来近似代替，其几何意义就是用一系列微小矩形面积之和来近似表示函数f（t）以下的面积。在数字运算时，若At―般取最小的基本单位“1”，上式则称之为矩形公式，并简化为如果将At取得足够小，就可以满足我们所需要的精度。由此可以看出，从起点到终点的加工过程中，各坐标轴每隔一个单位时间At，在控制器中分别以某一增量同时对两个累加器进行累加。当累加值超过一个收到日期：⑴4-09~29坐标单位（脉冲当量）时产生溢出。溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量，从而走出给定曲线。因此，求出“增量”就是求解加工这类曲面的关键。　　任何复杂曲线总可看作由微小直线或者圆弧组成，在数控加工中，复杂曲线可用直线或者圆弧插补方法加工出来。针对水轮机部件的过流面，下面讨论圆弧的加工方法。　　x、y以时间t为参数的变量。　　等式两边同时对t求导数，可导出第一象限逆圆加工时动点沿坐标轴方向的进给速度分量为：由式（5）可知：速度分量Vx和Vy是随动点的变化而变化的，两坐标轴进给方向的位移控制如下：在第一象限逆时针加工时的表达式为：在第一象限顺时针加工时的表达式为：圆弧加工终点的判别：由计算出的动点坐标轴位置，值和圆弧的终点坐标作比较，当某个坐标轴到终点时，该轴不再有进给脉冲发出，当两坐标轴都到达终点后，运算结束。　　3基于单片机控制步进电机运动及程JZLOOP0；控制码为0（H转ACALLYANS；调延时子程序INCR3；指针指向下一个控制码DJNZR2LOOP1；步数未完，继续POPBC；恢复现场由前述分析知，只要给步进电机各相绕组按规定的控制模型输出时序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。而其转动方向和转动角度的大小都经单片机根据位移增量计算后带动刀架和滑枕分别遵从上述位移增量进行运动。在数控加工时，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。　　步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要送的脉冲是否送完。其程序框图见，运动控制的单片机汇编语言源程序如下：4结束语DB01H；反向转动控制码DB05H；采用步进机作为控制车床的刀架与滑枕的进给驱动和单片机作为运动控制器来改造现有的CT5235立车实现简易数控化。只需要用单片机根据具体几何形状，计算出其“位移增量”然后控制步进机控制刀架与滑枕的进给，即可加工出所需的曲面。该改造方案不仅成本低，而且可以满足水轮机中具有回转曲面的过流面加工，改造方案简单可行。
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七喜变频器在数控车床上的应用
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　　一、概述:　　数控车床又称CNC车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。配备多工位刀塔或动力刀塔，具有广泛的加工工艺性能；可按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工，能加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种机床。　　现代机床多采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自电机拖动。由于机床可加工不同产品，材质、刀Ju、工序、工位各个不同，要求机床的执行部件有不同的运动速度和作用力，因此，机床的主运动应能进行调速。　　传统的数控车床主轴调速，一般采用电机带动减速箱来传动和调速，即所谓机械调速，这种传动方式有以下三种特点：　　负载具有恒功率特性，由于齿轮箱的转矩跟速度成反比变化，所以，在齿轮箱变速时，如果不计齿轮箱的摩擦等因素造成的功率损耗，减速箱处于恒功率状态。　　主轴速度变化一般是有级调速。齿轮箱的齿轮齿数固定，通过机械变换，只能产生有限几种速度，这些速度是跳跃、非连续的。　　低速时过载能力强。传动系统在工作时的速度高于低速，由于齿轮箱的转矩跟速度成反比，造成低速时转矩远大于工作转矩，给传动系统带来很强的低速过载能力。　　一般的机械传动基本结构如上图，这种传动的局限性很明显：　　机械传动一般情况下不够平稳，制造精度不高时，振动和噪声较大；实现无级变速的机构较复杂，成本高。从上图也可看到，传动链较长，机构复杂、维修不方便。　　随着电气传动技术，如变频调速技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床的主传动系统的机械结构得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动&。变频器通过调整频率和电压，简单地实现机床主轴无级调速，还可实现远距离操作，很容易实现自动控制。　　二、数控车床对变频器的要求:　　数控车床在加工一些工件时，特别是低速粗加工的重切削情况下，要求能在低速运行下输出较大的力矩，对变频器的要求就是低频力矩大。　　机床加工工件，大多数要求选择最经济的加工速度，在此速度下加工时，才能发挥机床和刀Ju的最大效益。一方面，随着工件的大小、材料性质、要求的尺寸精度、表面粗糙度以及所用刀Ju的不同，最经济的切削速度亦不相同，另一方面，机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作的调整也需要不同的运动速度，因此就必须保证机床能在不同的速度下工作，以适应不同的加工工艺，这就要求变频器有较宽的调速范围。一般较低的要求为：1：100，高的要求为1：1000或以上。速度精度的要求一般要求静差度小于5%，更高的要求为1%以下，如果速降过大，则加工的质量就会受到影响，如光洁度就不好。　　保证机床运动平稳的前提下，实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律能使机床更好地满足高精度加工要求，特别是在高速加工中，加减速功能显得尤为重要。数控系统加减速控制功能是指数控系统有程序预读功能——能“预ce&加工方向的未来变化并调整运动速度使之符合编程表面要求；在被加工表面形状（曲率）发生变化时及时采取改变进给速度等措施以避免过切；当刀Ju切入工件时，数控系统可以根据需要自动降低进给速率，因此，数控系统加减速控制功能可使工程师在编程进给速率时只需用最高加工速度，数控系统能自动根据工件轮廓调整实际速度，可大大节省加工时间。在cnc装置中，为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必须对进给电机的频率或电压进行加减速控制，即在机床加速起动时保证加在电机上的频率或电压逐渐增加，而当机床减速停止时保证加在电机上的频率或电压逐渐减小。这些应用要求变频器的加减速快，以应对速度的迅速变化。　　综上撰述，数控机床对变频器要求：　　1、调速范围宽 ，低频力矩大；　　2、速度控制精度高；　　3、加减速快，刹车效果好；　　4、适应金属加工金属粉尘多、油雾大的环境。　　三、七喜变频器机床专用系列在数控车床上的应用　　七喜机床专用变频器用于驱动机床主轴，主轴转速一般工作在0~6000RPM，根据工艺要求实时改变转速。　　七喜HD700变频器 接线图　　参数设置　　四、七喜机床专用变频器应用特点　　1、机床专用型变频器，机床常用参数默认，只需要改变最大转速对应的最大运行频率便可以使用，调试简单；　　2、专用模拟量处理方法，速度稳定，误差小；　　3、七喜机床专用变频器采用矢量控制方式，在低频启动时，有较大转矩，启动转矩在0.5Hz时，为100%，在1Hz时，为150%额定转矩，保证全程切削能力强。调速范围为0~2000Hz，按不同机型，从1:100（开环矢量）到1:1000（闭环矢量）。在稳态运行时，转速精度为1%n0。　　4、双CPU控制，动态性能好；加减速快，提高生产效率；　　5、独特的防护设计，电路板喷上三防漆，保护电路板不受普通油气的影响，更好适应金属加工环境。
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