基本信息
- 项目名称：
- 多轴步进电机智能控制器与驱动
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是应用于各种自动化数控设备，水晶、宝石磨削机，雕刻机，冲压车床等；系统设计采用的思路、创新和关键技术如下：
- 详细介绍：
- 本系统采用意法半导体公司的高性能32位STM32F103VCT6 ARM微处理器作为核心控制芯片。其内部具有4路16位高级控制定时器；2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。256K系统内可编程Flash ，64K字节片内SRAM，有80个可编程的I/O 口，非常适合工业环境的使用。 四路独立高级定时器分别控制四路步进电机，脉冲输出准确，精确控制步进电机的运动，保证系统运行的稳定准确；通过一定算法，实现步进电机控制的加、减速问题，可以采用梯形方式进行加减速设定，也可以拟合实现S型加减速。 整个电路部分充分考虑了电气隔离，输入输出完全电气隔离，采用美国DC-DC隔离电源模块，隔离干扰，隔离意外高压危险，保证系统安全稳定。在系统的通信上，与外部文本（或触摸屏的通信上）采用了高速光耦6N137进行隔离。 本系统解决了几大特色： 1、 实现多轴步进电机同时运行，解决了加减速问题（定时器方式）； 2、 实现实时与文本、触摸屏等人机界面进行交互（采用了DMA的方式、实现了MODBUS RTU的协议），给很多从事电气的工程人员以方便，因为他们大多习惯PLC+文本的方式； 3、 结合实际的工控行业背景，如自动仪表车床、水晶磨削等。 参考文献： [1] 何雪明，吴晓光，常兴，数控技术,，华中科技大学出版社，2006，9 [2] 坂本正文著，王自强 译，步进电机应用技术，科学出版社2010，5 [3] 王永红 徐炜 郝立平 ，STM32系列 ARM Cortex-M3微控制器原理与实践，北京航空航天大学出版社 2008，7 [4] STM32F103芯片数据手册
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品是应用于各种自动化数控设备，水晶、宝石磨削机，雕刻机，冲压车床等；系统设计采用的思路、创新和关键技术如下： 发明目的：随着自动化工业的发展，自动化技术的高稳定，高效率，高准确越来越表现出人工无法达到的效果，自动化的普遍成为一个必须的趋势。但是目前市场上的大多数字控制系统都很昂贵，导致自动化设备的价格高居不下，因此，高效、稳定、经济的数控系统应运而生。本作品就是一款采用高速率MCU芯片的数控系统，高效，稳定，经济，可替代传统的PLC系统，降低成本。 基本思路：控制系统集成6路步进电机控制输出，控制步进电机各种动作；13路光耦隔离输入，接收外部限位开关等信号输入；5路继电器输出，控制外部电磁阀、汽缸等；两路AD输入，输入电压可调，内置分压电路和放大电路，采集外部模拟信号；两路DA输出，可控制变频器工作；7路OC输出，可控制外部扩展继电器；一路485通信，可实现多机通信协作。以文本做为人际界面，与主控系统以串行方式通信，用于显示数据，输入参数等，以上个功能整合编程，就可以实现对机床进行自动控制。 创新点和技术关键：本系统采用了采用基于ARM核心的STM32F103VCT6芯片，主时钟频率可达72MHz，高速控制多路步进电机同时工作;同时，解决了自行研制的控制器与文本显示、工业触摸屏的通信MODBUS RTU协议问题。 技术指标：支持4轴联动，直线圆弧插补，用户自主编程。
科学性、先进性
- 本系统采用意法半导体公司的高性能32位STM32F103VCT6 ARM微处理器作为核心控制芯片。其内部具有4路16位高级控制定时器；2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。256K系统内可编程Flash ，64K字节片内SRAM，有80个可编程的I/O 口，非常适合工业环境的使用。 四路独立高级定时器分别控制四路步进电机，脉冲输出准确，精确控制步进电机的运动，保证系统运行的稳定准确；通过一定算法，实现步进电机控制的加、减速问题，可以采用梯形方式进行加减速设定，也可以拟合实现S型加减速。 整个电路部分充分考虑了电气隔离，输入输出完全电气隔离，采用美国DC-DC隔离电源模块，隔离干扰，隔离意外高压危险，保证系统安全稳定。在系统的通信上，与外部文本（或触摸屏的通信上）采用了高速光耦6N137进行隔离。
获奖情况及鉴定结果
- 本系统目前以定制的形式初期在国内多家数控机床公司的机床改造中进行测试，运行稳定，得到一致好评。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 图纸磁盘 现场演示 图片 □录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 发展趋势上看，工业控制自动化是必然趋势，工业PC，PLC等数控系统发展迅速，广泛应用于各种大中小数控设备中。随着自动化数控的发展，低成本数控系统更适应发展。 本系统采用32位高速主控芯片，电路集成各模块功能，适用于各种数控机床，可定制，可编程，通用强，成本低，很有市场前景。 预期效益：本系统用于各种数控机床控制，新型数控机床研制生产，旧机床升级改造，降低机床生产成本，提高机床工作效率，降低车间人力成本。 市场分析：随着自动数控发展，数控设备广泛使用，本能系统已经成功应用的在全国各地的数控设备上，如水晶、宝石磨削机、拉布机、电池检测分类机、点焊机、自动仪表车床等。
同类课题研究水平概述
- 1、国外数控机床技术现状 （1）高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。 （2）多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。 （3）机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。 （4）智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。 （5）最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高3～4倍，同时效率得到大幅度提升。 （6）最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 （7）刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。 4.我国数控机床与系统—以自动仪表车床为例 目前我国高档数控机床、系统中，以大连数控、广州数控、武汉华中数控、南京自动化数控为主要代表，基本是我国的数控行业的领导者。但本作品拟以普通车床为例，以人工半自动化的仪表车床为例进行说明和研究。在我国的五金加工中，普通存在费人费力的现象，尤其是当下在国家进行劳动合同改革的背景下用工问题尤其突出。选用节人节能，投入少效益高的新型设备是经济时代各型企业发展的必经之路。自动仪表车床是采用电气结合的方式来实现自动进给，不但节省了操作人员的体力消耗，消除人为因素造成的产品精度问题，更重要的是这种新型设备能进行一人多几操作，从而为企业节省了大量的人力物力，产生明显的经济效益。自动仪表车床属于简单的卧式车床，一般来说最大工件加工直径在250mm以下的机床，多属于仪表车床。仪表车床分为普通型、六角型和精整型。
