張自謙
摘要 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展越來越快速,數(shù)控機床得到了普遍運用,并且對數(shù)控機床的定位精度與重復(fù)定位精度提出了更高的要求。構(gòu)建一個實時控制、在線檢測的數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng),可以有效反饋數(shù)控系統(tǒng)的檢測信號,實現(xiàn)實時切削加工參數(shù)調(diào)整,進而提高加工零件精度。本文在分析數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)提出的基礎(chǔ)上,闡述全閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計,進一步強化數(shù)控機床的控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:PC;數(shù)控機床;全閉環(huán)控制系統(tǒng);設(shè)計
現(xiàn)階段,提高數(shù)控機床加工精度的有效手段就是采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。全閉環(huán)主要就是在機床運動部件上進行采樣點數(shù)據(jù)的直接讀取,對采樣運動部件的位置進行實時檢測,進而減小或者消除傳動與放大環(huán)節(jié)的間隙與誤差,提高控制精度。為此,在設(shè)計數(shù)控機床控制系統(tǒng)的時候,一定要在PC基礎(chǔ)上,運用全閉環(huán)概念,促進數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用。
1.提出數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)
1.1 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺陷
數(shù)控機床傳統(tǒng)控制系統(tǒng)就是半閉環(huán)控制系統(tǒng),通過反饋采樣運動部件的速度與位置完成伺服控制,在具體加工過程中,數(shù)控機床控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的加工數(shù)值就是數(shù)控機床本身運動精度,無法對零件的適時精度進行反映。盡管加工過程實現(xiàn)了自動化操作,但是加工精度缺乏自適應(yīng)控制,所以,需要對此進行改進。
1.2 全閉環(huán)控制系統(tǒng)
數(shù)控機床的自適應(yīng)控制就是全閉環(huán)伺服控制,其事實上就是在實際加工變量實時控制與在線檢測的基礎(chǔ)上,對切削速度、進給量等加工參數(shù)進行有效調(diào)整。如此一來,不僅可以降低數(shù)控機床狀態(tài)變化與外界因素對加工過程的影響,還可以對加工過程進行優(yōu)化,實現(xiàn)了加工產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的提高,值得在數(shù)控機床中推廣應(yīng)用。采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床加工流程為:安裝工件-按下啟動按鈕-定位支架、刀具-開始加工-刀具磨損、振動、軸精度確定及在線檢測-檢測信號的采集與調(diào)整-檢測信號的接收與傳輸-上位機分析與判定,如果上位機判定為合格,才可以繼續(xù)加工,直到完成;如果上位機判定為不合格,需要返回到刀具磨損、振動、軸精度確定及在線檢測環(huán)節(jié),重新加工,直到合格為止。
2.數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種開放式的結(jié)構(gòu),其主要就是用戶在Windows平臺上自行研發(fā)的,通過插入控制板進行軟件程度編寫,達成了用戶定制的核心功能,能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)進行有效控制,并且可以實現(xiàn)CNC系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件主要包括以下三點。
2.1.1 伺服機構(gòu)
在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中,數(shù)控隨動支架的作用就是限位,防止細(xì)長軸發(fā)生彎曲變形,針對支架自身而言,其不會對細(xì)長軸施加額外的力,進而也就無法對刀具施加在細(xì)長軸的力進行抵消。為了確保切削加工中,在工件軸徑超出誤差范圍之后,能夠借助數(shù)控隨動支架調(diào)整細(xì)長軸的橫向位置,可以選擇電致伸縮器。在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用電致伸縮器,可以確保數(shù)控隨動支架和工件之間存在微小偏差,為工件加工的順利完成提供了可靠保障。
2.1.2 數(shù)據(jù)采集卡
數(shù)據(jù)采集卡的作用主要就是對模擬信號予以數(shù)字采樣與組合,或?qū)η岸藱z測環(huán)節(jié)的數(shù)字量進行直接接收,同時將這些信息傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存上,利用相應(yīng)的程序?qū)ζ湔归_后期的分析與處理。在此過程中主要包括信號采集與調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、PCI接口通信、觸發(fā)控制。
2.1.3 運動控制器
針對運動控制器而言,主要選用上位機與下位機聯(lián)合控制的形式,因為此控制系統(tǒng)對加工精度檢測與實時軌跡跟蹤的要求非常高,為此,將PC機定為上位機,將MCT80004F4型運動控制器定為下位機,在PC機中嵌入運動控制器,并且對相關(guān)信息進行分析與處理。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖?、穩(wěn)定、安全,可以借助ISA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線進行上位機與下位機的連接。MCT80004F4型運動控制器的運行原理如圖1所示。
在此系統(tǒng)中,DAC2輸出端子主要就是對控制主軸電機轉(zhuǎn)速進行控制,而DO12、DO13主要就是對變頻器的輸出電壓進行控制,也就是對主軸正反轉(zhuǎn)向進行控制。如果DO12處在接通狀態(tài),就表示變頻器輸出的是正電壓,為正轉(zhuǎn);如果DO13處在接通狀態(tài),就表示變頻器輸出的是負(fù)電壓,為反轉(zhuǎn)。
電致伸縮器主要就是在電場作用下,通過壓電晶體產(chǎn)生的電致伸縮效應(yīng),也就是說,在外界電場的作用下,電介質(zhì)利用感應(yīng)極化作用產(chǎn)生的應(yīng)變。此系統(tǒng)中,電致伸縮器與驅(qū)動器PD-Ⅲ主要就是WTDS-IC型電致伸縮器與PD-Ⅲ型驅(qū)動電源。PD-Ⅲ型驅(qū)動電源的技術(shù)指標(biāo)主要包括:電壓范圍在0-300V之間,分辨率為12位D/A,響應(yīng)頻率大于500Hz,電壓漂移小于1×10-4V/8h,控制方式為手動控制或者程序控制。
2.2 軟件設(shè)計
在數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中,主要包括兩個部分:上位機軟件、下位機軟件,在此過程中,需要用戶對底層下位機程序進行編制。針對PC機而言,其主要就是對非實時控制信息進行分析與處理,而一些實時控制功能是由運動控制器予以實現(xiàn)的。實時控制軟件的設(shè)計,主要就是采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、圖形模擬、輸出指令、控制操作等,為整個系統(tǒng)的正常運行提供可靠保障。
3.結(jié)束語
總而言之,隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,數(shù)控機床在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,在科學(xué)技術(shù)快速進步的形勢下,對數(shù)控機床的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高,為此,提出了實時控制與在線檢測的全閉環(huán)控制系統(tǒng),在很大程度上提高了切削精度與加工效率。同時,通過全閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計,促進數(shù)控機床自動化、數(shù)字化的全面提升,實現(xiàn)加工精度的全閉環(huán)控制,促進數(shù)控機床的進一步完善。
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