機床整體控制方案的研究

任成龍++陳逸凡

摘 要：數(shù)控加工中心是新型自動化機床，它具有廣泛的通用性和很高的自動化程序的一種全新型的機床，是用數(shù)字代碼形式的信息來控制機床按給定的動作順序進行加工的自動化機床。機床電氣部分的設(shè)計是機床設(shè)計部分的關(guān)鍵，一臺機床的性能很大程度上取決于電氣部分的設(shè)計，本文對數(shù)控機床的電氣部分進行了分析，得出了加工中心機床電氣控制的整體方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；整體控制方案

1.數(shù)控技術(shù)

數(shù)控機床由機床本體和電氣系統(tǒng)兩大部分組成。機床本體包括了機械本體、液壓、氣動、潤滑、輔助裝置等；電氣系統(tǒng)主要是由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、操作面板、測量反饋裝置、機床電器柜等部分組成。

（1）數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、伺服單元、可編程控制器、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口等組成。在其內(nèi)部系統(tǒng)軟件監(jiān)控下，從各種存儲類型的輸入設(shè)備讀取加工程序，按程序段進行處理，經(jīng)過譯碼、刀具軌跡計算、插補運算等轉(zhuǎn)變成控制指令，然后有序地發(fā)出各種運動指令和各種機床功能的控制指令，實現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制，直至運動和功能結(jié)束。進行輪廓軌跡控制外，還需控制相關(guān)開關(guān)量，如主軸啟動與停止、冷卻液的開與關(guān)、刀具的更換、工作臺夾緊與松開等，這些輔助功能主要由PLC完成。I/O接口及其設(shè)備鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)的人機交互設(shè)備，用來輸入程序、編輯修改程序和發(fā)送操作命令。

（2）伺服驅(qū)動裝置是數(shù)控裝置與機床主機之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，它接受數(shù)控裝置插補生成的進給信號，經(jīng)過放大處理后驅(qū)動機床的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)機床運動。包括主軸驅(qū)動單元、進給驅(qū)動單元、主軸電機和進給電機。還包括回轉(zhuǎn)工作臺和刀庫伺服裝置和伺服電動機。

（3）測量反饋裝置常用方式為脈沖編碼器、光柵尺、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺和激光等，將執(zhí)行元件的速度、位移實時檢測出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測得信號反饋給伺服驅(qū)動單元和數(shù)控裝置，形成半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，補償并執(zhí)行機構(gòu)的運動誤差，以達到提高運動精度的目的。

（4）其他輔助裝置包括自動換刀裝置、液壓卡盤、液壓尾架、空壓氣動系統(tǒng)、工作臺交換機構(gòu)、潤滑冷卻系統(tǒng)、運削、防護裝置等。

2.加工中心電氣整體控制方案的研究

機床電氣設(shè)計從整體角度控制分為開環(huán)控制，半閉環(huán)控制，全閉環(huán)控制。三者各有各的優(yōu)缺點，適用的場合也不同，其使用的環(huán)境也各不相同。

2.1開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號給伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動帶動步進電機。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖分為：單脈沖、雙脈沖。單脈沖就是脈沖輸入一直有，通過方向輸入的高低電平來控制方向。雙脈沖就是指脈沖輸入和方向輸入兩路都是脈沖輸入，只是一路是正向脈沖，一路是反向脈沖。開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電動機和步進電動機驅(qū)動線路組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入指令，經(jīng)過運算發(fā)出脈沖指令給步進電動機驅(qū)動線路，從而驅(qū)動工作臺移動一定距離。這種伺服系統(tǒng)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。只用于經(jīng)濟型數(shù)控機床?，F(xiàn)實中用來實現(xiàn)比較簡易的控制。

2.2半閉環(huán)系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似如圖2.1的上半部圖，只是位置檢測器不是安裝在工作臺上，而是安裝在伺服電動機的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，其復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機床。這種控制方式比較普遍，應(yīng)用也比較廣泛。

雙環(huán)控制：該控制方式由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，該信號可以是模擬信號，也可以是脈沖信號，就拿模擬信號來說，由電壓的大小決定電機的轉(zhuǎn)速，當數(shù)控裝置發(fā)出指令后，就給伺服驅(qū)動發(fā)出模擬信號，該模擬信號的大小跟用戶設(shè)定的速度和實際轉(zhuǎn)速有關(guān)。模擬電壓的大小決定電機的轉(zhuǎn)速，它們之間的關(guān)系是：電機得到電壓后電機轉(zhuǎn)動，通過絲桿傳動帶動工作臺運動。而此時數(shù)控系統(tǒng)本身始終通過位置環(huán)檢測工作臺運動的情況，一旦運動到指定位置，數(shù)控系統(tǒng)停止發(fā)出模擬信號，反之，就一直發(fā)出信號。還有一種是通過編碼器實現(xiàn)檢測反饋如圖2.1下半部圖所示，該系統(tǒng)是把編碼器裝在絲桿軸端，能準確檢測出絲桿轉(zhuǎn)過的角度，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)位置反饋，它的速度反饋給伺服驅(qū)動，也是典型的雙環(huán)控制，在實際中應(yīng)用也比較多。

2.3 全閉環(huán)系統(tǒng)

數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的控制量是CNC輸出的位移指令和機床工作臺實際運動位移的差值，因此需要有一個位置檢測裝置。該裝置能測出各坐標軸的實時位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，并與指令值進行比較，求得誤差；CNC裝置控制機床工作臺向著消除誤差方向運動。這種既有指令的前向控制通道，又有測量輸出的反饋控制通道，就構(gòu)成了全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的缺點是調(diào)試、維修較困難。主要精度要求很高的床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等大型數(shù)控設(shè)備上。

3 加工中心電氣控制思路

通過對該機床機械結(jié)構(gòu)的分析，對電氣部分的設(shè)計完成后主要達到如下目的：

（1）能對三個伺服軸，X、Y、Z，進行控制

（2）伺服主軸的定向、轉(zhuǎn)速控制，與三個伺服軸配合進行銑削、鉆、鉸孔和攻絲等

（3）數(shù)控轉(zhuǎn)臺的A、C軸旋轉(zhuǎn)范圍控制

（4）采用的數(shù)控系統(tǒng)能實現(xiàn)多軸聯(lián)動的控制

（5）有位置環(huán)和速度環(huán)的雙環(huán)控制

通過對以上控制的需要的分析，選用半閉環(huán)系統(tǒng)，位置檢測位置加入檢測開關(guān)，實現(xiàn)機床的位置反饋。

結(jié)論

本文結(jié)合具體加工中心機床機械結(jié)構(gòu)的特點，分析了現(xiàn)在一般的數(shù)控機床控制方式，得到了電氣控制部分的要求，得出了加工中心機床電氣控制的整體方法。