目录
第一章概述
一．设计目的
数控化改造现状及发展趋势 (2)
二．设计课题
1．伺服系统
伺服系统的概述 (7)
步进电机的选型 (8)
步进电机驱动单元的选配 (11)
步进电动机的脉冲分配电路 (14)
2．数控系统
数控系统的选配 (16)
GSK 928MA铣床数控系统分析及参数 (19)
3．电气部分改造
电气部分改造要求和设计方案 (21)
伺服系统和电机的连接图 (22)
变频器的选择 (26)
4．机械部分改造
机械部分改造方案 (30)
5．数控机床的安装与调试 (36)
第二章设计体会与参考资料
一．设计体会... .. (43)
二．参考资料 (44)
数控化改造现状及发展趋势
一、数控系统发展简史及趋势
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
1.1、数控（NC）阶段（1952～1970年）
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。
1.2、计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。
到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。
还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。
1.3、数控未来发展的趋势
1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
1.3.3向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
（1）应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
（2）引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。
（3）引入故障诊断专家系统
（4）智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。
二、机床数控化改造的必要性
2.1、微观看改造的必要性
从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
2.1.1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
2.1.2 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。
由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。
2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。
2.1.4 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
2.1.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
2.1.6 由以上五条派生的好处。
如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。
以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
2.2、宏观看改造的必要性
从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
2.3、数控化改造的内容
机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：
其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；
其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；
其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；
其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
2.4、数控化改造的优缺
2.4.1减少投资额、交货期短
同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2～3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50％左右。
2.4.2机械性能稳定可靠，结构受限
所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。
2.4.3熟悉了解设备、便于操作维修
购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。
2.4.4可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。
2.4.5可以采用最新的控制技术
可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
三、数控系统的选择
数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。
3.1、步进电机拖动的开环系统
该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。
该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。
3.2、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统
该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构
上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。
3.3、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统
半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。
当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。
选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。
四、数控改造中主要机械部件改装探讨
一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。
4.1、滑动导轨副
对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。
4.2、齿轮副
一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。
4.3、滑动丝杠与滚珠丝杠
丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。
滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。
4.4、安全防护
效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。
伺服部分改造
伺服系统概述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过及个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。
进给伺服系统是数控装置和机床机械传部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包括机械、电子、电机（早期产品还包括液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。再现有技术条件下，CNC装置的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
伺服系统的组成及工作原理
在控制系统中，伺服系统时一种十分广泛应用的系统，伺服电机在系统中的用作执行元件的。根据被控对象的不同，由伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。通常位置和速度控制用得比较多。
在伺服系统中，控制电路十分关键，它直接影响到系统的性能品质。
步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩和惯量及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
2、静力矩和惯量的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
总的来说，选择步进电机应该按照以下步骤进行
步进电机的选用计算方法
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
（1）步距角的选择步距角的公式
θ=360 o×δ/i×t
θ=360 o×0.01/1×3 =1.2o
式中δ—脉冲当量
i—传动比
t—丝杠螺距
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36/0.72、0.9、1.8、1.5/3. 步距角可选择最接近计算结果的标准值。如果还要细分，可在驱动器上设置。电机相数越小，所承受的负载转矩也越小。计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2]（1-2）
式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)
Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N）
S ---丝杆螺距（cm）
Jt=7.33kg/cm2
（2）计算电机输出的总力矩M
M=Ma+Mf+Mt （1-3）
Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2（1-4）
式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)
Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)
n---电机所需达到的转速（r/min）
T---电机升速时间（s）
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-5）
Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)
u---摩擦系数
η---传递效率
Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-6）
Mt---切削力折算至电机力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
（3）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为
fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）
式中fq---带载起动频率（Hz）
fq0---空载起动频率
Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)
若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.
（4）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。
（5）负载力矩和最大静力矩Mmax。电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax.
（6）步进电机的选择
110BYG350B
110BYG350系列三相混合式步进电机
步距角———— 0.6o /1.2o 步距角精度————± 5%
轴向间隙———— 0.1~0.3mm
径向跳动———— 0.02mmMax
绝缘电阻———— 100MΩ Min.50V DC
绝缘强度———— 500V AC 1minute
环境温度———— 20℃+50℃
温升———— 75K Max
绝缘等级———— B
技术数据(Specifications)
外型尺寸(Dimension)
步进电机驱动单元的选配
驱动单元包括驱动装置和电机两部分，对驱动单元的选购主要在于驱动装置的选择，因为电机是通用的部件，性能差别只存在于不同的厂家和型号。
驱动电机主要可分为：反应式步进驱动电机、混合式(也称永磁反应式)步进驱动电机和伺服驱动电机三大类。
反应式步进驱动电机的转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。混合式步进电机的转子用永久磁钢，由励磁和永磁产生的电磁力矩实现步进运行。步进电机受脉冲的控制，通过改变通电的顺序可改变电机的旋转方向，改变脉冲的频率可改变电机的旋转速度。步进电机有一定的步距精度，没有累积误差。但步进电机的效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太大，调速范围不大。目前步进电机可分为两相、三相、五相等几种，常用的是三相步进电机，如广州数控的DY3A即是三相混合式步进驱动器。在过去很长一段时间里，步进电机占很大的市场，但目前正逐步为伺服电机所取代。
目前常用的伺服电机是交流伺服电机，在电机的轴端装有光电编码器，通过检测转子角度用以变频控制。从最低转速到最高转速，伺服电机都能平滑运转，转矩波动小。伺服电机有较长的过载能力，有较小的转动惯量和大的堵转转矩。伺服电机有很小的启动频率，能很快从最低转速加速到额定转速。
采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度，高性能的半闭环或闭环控制系统。由于交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前已经在很大范围内取代了直流伺服电机。采用高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的全数字化交流伺服系统出现后，原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，因此伺服单元能较大的提高加工效率及加工精度，但伺服驱动单元的价格也较高。随着伺服控制技术的逐步提高，目前伺服驱动单元正逐步成为驱动单元的主力军，伺服驱动单元的价格也在逐步减低。
伺服驱动器有两种。一种采用脉冲控制方式，此种驱动器与电机闭环，但不反馈到数控系统，这种驱动器在某种程度上可称为开环控制的伺服控制。另一种采用
电压控制方式，通过电压的高低进行电机的转速控制，电机的反馈信号通过驱动器反馈到数控系统进行位置控制。
选择驱动单元时，也要考虑驱动单元的价格在整台数控机床中的比例。整台数控机床价格较低的一般选择步进驱动单元，而价格较高的机床选择伺服驱动单元。但选择驱动单元的同时，也要考虑驱动单元与数控系统的匹配问题，选择闭环控制系统时必须选择闭环的伺服驱动单元。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
DY3A系列三相混合式步进电机驱动装置
产品特点
正弦波驱动，数字技术实现矢量细分，电机旋转定位精度高、运行平稳、噪音低
用户可设置十五种电机步距角(0.036。～0.75。)，应用灵活、适合精密控制
选用三菱公司智能模块（IPM），稳定性好，具有过载、短路、过压、过热等完善的保护措施
外部电流可调功能，用户可根据负载情况灵活调节
采用DC310V驱动电压，高速高转矩输出
机外风冷散热设计，防护好
控制线路集成度高，可靠性好，整机结构紧凑、合理
功能参数
步进电动机的脉冲分配电路
步进电机的控制
步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现这种轮流通电，需将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。这种分配既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。实现脉冲分配的硬件逻辑电路称为环行分配器。在计算机数字控制系统中，采用软件实现脉冲分配的方式相应称作软件环分。
硬件环形分配器：
硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式设计，图为一个三相六拍的环形分配器。
分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线路与步进电动机A、B、C三相绕组连接。当QA＝1时，A相绕组通电；QB＝1时，B相绕组通电；QC＝1时，C相绕组通电。W＋△X和W－△X是步进电动机的正反转控制信号。
正转时，各相通电顺序：
A－AB－B－BC－C－CA
反转时，各相通电顺序：
A－AC－C－CB－B－BA
软件环分：
对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式，现以AT89C51单片机配置的系统为例加以说明。
1）由P1口作为驱动电路的接口
控制脉冲经AT89C51的并行I/O接口P1口输出到步进电动机各相的功率放大器输入，设P1口的P1.0输出至A相，P1.1输出至B相，P1.2输出至C相。
2）建立环形分配表
为了使电动机按照如前所述顺序通电，首先必须在存储器中建立一个环形分配表，存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值，当运行时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到P1口，使P1.0、P1.1、P1.2依次送出有关信号，从而使电动机轮流通电。
表为三相六拍环形分配表，K为存储器单元基地址（十六位二进制数），后面所加的数为地址的索引值。
可见，要是电动机正转，只需依次输出表中各单元的内容即可。当输出状态已是表底状态时，则修改索引值使下次输出重新为表首状态。如要使电动机反转，则只需反向依次输出各单元的内容。当输出状态达到表首状态时，则修改指针使下一次输出重新为表底状态。步进电机的基本原理
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
数控系统
1 数控系统的选配
数控系统是数控机床的“大脑”，对机床控制信息进行运算及处理。根据数控系统的原理可分为经济型数控系统和标准型数控系统两大类。
经济型数控系统
经济型数控系统从控制方法来看，一般指开环数控系统，具有结构简单、造价低、维修调试方便、运行维护费用低等优点，但受步进电机矩频特性及精度、进给速度、力矩三者之间相互制约，性能的提高受到限制。所以，经济型数控系统常用于数控线切割及一些速度和精度要求不高的经济型数控车床、铣床等，在普通机床的数控化改造中也得到广泛的应用。
开环数控系统是指数控系统本身不带位置检测装置，由数控系统送出一定数量和频率的指令脉冲，由驱动单元进行机床定位。开环系统在外部因素影响的情况下，机床不动作或动作不到位，但系统已当机床到达了指定位置，此时机床的加工精度将大大降低。但因其结构简单、反应迅速、工作稳定可靠、调试及维修均很方便，加之价格十分低廉，因此目前在国内至今仍有最大的市场。
标准型数控系统
标准型数控系统包括半闭环数控系统和全闭环数控系统。
半闭环数控系统一般指机床的伺服电机的位置信号(光电编码器)反馈到数控系统，系统能自动进行位置检测和误差比较，可对部分误差进行补偿控制，因此其控制精度比开环数控系统要高，但比全闭环的数控系统要低。
全闭环数控系统除包括机床的伺服电机的位置反馈外，还有机床工作台的位置检测装置(通常用光栅尺)的位置信号反馈到系统，从而形成全部位置随动控制，系统在加工过程中自动检测并补偿所有的位置误差。
全闭环数控系统的加工精度是最高的，但这种系统的调试、维修极其困
难，而且系统的价格很高，只适用于中、高档的数控机床上。
因为开环控制系统的价格比闭环控制系统要低得多，因此在选择数控系统时，要考虑数控系统占整台数控机床的价格成本比例，然后根据机床的配置情况及机床本身的要求，中、低档机床采用开环控制系统，中、高档机床采用闭环控制系统。
2 功能选择
以上是根据数控系统的加工精度进行考虑，除此以外，还要从数控系统的功能选择上考虑。
控制轴
数控系统控制轴的数量也是选择的关键。控制轴可分为直线进给轴和旋转轴，按控制轴的数量可分为两轴联动、三轴联动、多轴联动等。控制轴的数量越多，机床所能加工的形状越复杂，但其成本就越高。目前车床一般用
两个直线移动轴联动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。铣床一般用三个直线移动轴联动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。高档的系统则联动的轴更多，代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，其中三个轴为直线移动轴，两个旋转轴，五轴联动时可加工出复杂的空间曲面。当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持，对机床的要求也极高。
控制轴越多，数控系统的价格成几何级数增长。因此，在选择数控系统时，要根据机床本身的运动轴进行选择，多余的控制轴并不能提高机床的控制精度，反而增加了数控系统的成本。
图形显示
系统的图形显示功能，该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角坐标系中的二个不同平面，也可选择不同视角的三维立体，可以在加工的同时作实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘，是一种检验零件加工程序，提高编程效率和实时监视的有效工具。
DNC传输功能
众所周知，由非圆曲线或面组成的零件加工程序的编制是十分困难的，通常的办法是借助于通用计算机的计算，将它们细分为微小的三维直线段组成的加工程序，在模具加工中这种长达几百KB的加工程序是经常遇到的，而一般数控系统提供的程序存储容量为64~128KB，这给模具加工带来很大困难。DNC通讯功能具有两种工作方式，其一是一次地将通用计算机中的程序传送到数控系统的加工程序的存储区内(如果它的容量足够大的话)，其二是将通用计算机中的程序一段一段地传送到数控系统的缓冲存储器中，边加工边传送，直到加工结束。彻底解决了大容量程序零件的加工问题，虽然选用这项功能需要增加一定的费用，但它确实是一项实用功能，因此建议在选择数控系统时将DNC传输功能选做必备功能。
刚性攻丝
攻螺纹是数控机床的一项常用功能，到底采用什么方式是一个值得考虑的问题。刚性攻螺纹功能必须采用伺服电机驱动主轴，不仅要求在主轴上增加一个位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有严格地要求，电气设计和调整也有一定的工作量，所以这个功能的成本是不能忽略的。对用户来说，如果可以通过采用弹性缩卡头进行柔性攻螺纹，或者机床本身的转速并不高时，就不必选用刚性攻螺纹功能。
上述这类问题在数控机床的功能配置时是经常遇到的，作为一个数控机床的设计和销售人员必须清楚了解数控系统的各种功能用途，根据机床的实际情况为用户配置经济合理、功能和价格比都比较高的数控机床，减少不必要的浪费。
根据上述分析选型
GSK 928MA铣床数控系统
产品特点
可控四个坐标轴：X、Y、Z及附加轴C
四轴直线插补、二轴圆弧插补，Z轴可攻丝
进给速度倍率实时可调
二十二种铣、钻、攻丝循环加工指令，编程更方便加减速时间参数调整，可适配步进或伺服系统
加工零件自动计数功能
功能参数
电气部分改造
电气部分要求
1．进给轴采用交流伺服电机控制；2．主轴实现正转、反转和停止；
3．实现自动冷却、润滑功能；
4．进给轴的正、负限们控制；
5．急停、报警信号的输入等。
电气部分设计方案
（一）输入点数的确定
根据要求，输入信号包括急停信号、报警信号，一共2个输入点，为了扩展方便，我们预留了不得个报警输入点，所以按5个输入点计算。
（二）输出点数的确定
根据要求，输出信号包括主轴的正转、反转和停止信号，z轴电机抱闸释放、冷却电机控制信号、润滑油泵控制信号，一共6个输出点，为了扩展方便面，我们预留了不起个输出点，所以按8个输出点计算。
（三）控制变压器的确定
强电控制回路主要控制交流接触器的通断，我们采用交流220V的控制电源，因此需要选择一个控制变压器：容量为400V A，输入端为交流380V，输出端为交流220V 和36VSV（工作照明灯）。
（四）强电主回路的设计
从电网上接入三相交流380V电源，实现到主轴电机、冷却电机、润滑电机等的主回路。如图所示：
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（六）强电控制回路设计
1．系统的上电回路