基于數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計

文/張小斌

所謂數(shù)控設(shè)備，指的是運用數(shù)控技術(shù)的設(shè)備，數(shù)據(jù)技術(shù)又叫作計算機數(shù)控技術(shù)，該技術(shù)能夠借助計算機來控制數(shù)字程序，由于原有硬件邏輯電路被計算機代替，讓數(shù)控設(shè)備可以利用計算機軟件來輸入邏輯判斷、運算、處理、存儲等指令。因此，研究數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計策略具有一定現(xiàn)實意義。

1 當(dāng)前數(shù)控設(shè)備的概況

現(xiàn)階段，國內(nèi)數(shù)控設(shè)備出現(xiàn)了控制系統(tǒng)復(fù)雜、制造總成本高、加工不精準、容易出現(xiàn)故障等多種缺點和不足，必須全面解決這些問題，針對性地設(shè)計其系統(tǒng)，使國內(nèi)數(shù)控機床充分滿足復(fù)雜、高精度零部件的需求，最大限度提升數(shù)控設(shè)備各項性能，不斷朝著創(chuàng)新型數(shù)控設(shè)備的方向前進。

2 數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計策略

2.1 數(shù)控設(shè)備組成部分

在數(shù)控設(shè)備中，包括機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)等。數(shù)控系統(tǒng)一般用于機床，如同機床的神經(jīng)或大腦，決定著機床的整體運行。電氣系統(tǒng)一般負責(zé)機床通信、電機協(xié)調(diào)等工作。機械系統(tǒng)則是負責(zé)機床的結(jié)構(gòu)，通過多種運動方式與運動結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)相應(yīng)功能。

2.1.1 潤滑系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠提供給液壓系統(tǒng)所需動力，潤滑數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控設(shè)備產(chǎn)生的磨損減少，延長使用期限，通常借助流量計與壓力計測量潤滑系統(tǒng)流量及壓力。

2.1.2 伺服系統(tǒng)

數(shù)控設(shè)備的伺服系統(tǒng)包括2個進給電設(shè)備與1個主軸電機，這3個電機都借助傳感器來實現(xiàn)自身功率與負載情況的測量。

2.1.3 主軸系統(tǒng)

此系統(tǒng)的包括主軸部件、齒輪箱和電機等，工作人員可將振動傳感器安裝于齒輪箱、主軸前端，從而對齒輪嚙合度、軸承磨損度、主軸運動情況展開測量。

2.1.4 絲杠副

在數(shù)控設(shè)備中，數(shù)控設(shè)備發(fā)揮著定向移動工作臺的重要功能，工作臺上各種運動部件都會被負載所影響，且在Z軸、Y軸和X軸方向容易產(chǎn)生振動，通常會借助位移、溫度傳感器對零部件發(fā)生何種變化展開測試，從而決定其是否有調(diào)整、更換的需要。

2.1.5 導(dǎo)軌副

數(shù)控設(shè)備的Z軸、Y軸與X軸三個方向主要借助滑動導(dǎo)軌來運動，滑塊、導(dǎo)軌二者應(yīng)始終保持潤滑，通常會使用機油與黃油等不同介質(zhì)。同時，工作人員還會在滑塊上面安裝振動傳感器，用于導(dǎo)軌磨損度、運行狀態(tài)的測量，從而在出現(xiàn)故障后更換或調(diào)整。

2.1.6 數(shù)控系統(tǒng)

工作人員能夠借助上位機讀取相應(yīng)運行參數(shù)，通過故障代碼了解數(shù)控設(shè)備的不同類型報警信息，從而及時、準確地判斷產(chǎn)生故障的主要原因。

2.2 設(shè)計進給設(shè)備

開展多軸聯(lián)動控制時，電機負責(zé)對每個軸的控制工作，并通過相應(yīng)計算機軟件，使各驅(qū)動軸電機得到控制，從而形成完整的控制系統(tǒng)，讓多軸控制、單軸控制得以實現(xiàn)。其中，單軸進給設(shè)備包括輔助部件、運動工作臺、絲杠、聯(lián)軸器等組成部分，該伺服裝置的工作原理是將脈沖信號從計算機系統(tǒng)向伺服電機發(fā)送，在伺服電機成功接收信號以后，按照脈沖數(shù)量進行指定運動。與此同時，工作人員需使用聯(lián)軸器來連接絲杠和伺服電機，讓二者進行同樣的運動。

2.3 選擇伺服電機

設(shè)計數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)時，應(yīng)將伺服驅(qū)動設(shè)備當(dāng)作整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，選擇伺服電機應(yīng)符合兩個條件，一方面，全部電動機都應(yīng)與單軸驅(qū)動負載情況相符，另一方面，應(yīng)在電機尺寸、類型的選取過程中考慮精度、體積、重量與成本等多種因素。與此同時，工作人員應(yīng)按照負載要求來選擇電機功率和輸出轉(zhuǎn)矩，換句話說，就是驅(qū)動滾珠絲杠的力矩。

2.4 設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)計數(shù)控設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)時，應(yīng)對硬件與軟件兩方面進行設(shè)計。在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)硬件時，由于數(shù)控設(shè)備相對復(fù)雜，需要對多種不同的信號進行采集，因此可將rs485接口、rs232接口、ad轉(zhuǎn)換接口、開關(guān)量輸入口等設(shè)計于監(jiān)控終端，從而符合采集各種信號的需要。其中，ad轉(zhuǎn)換器使用了ads7870，，其噪聲與功耗較低，是單片式、串行接口的轉(zhuǎn)換芯片，包括八路單端、四路差分輸入通道，具備可編程精密放大器，采樣的精度是12位。串行口能夠連接到機床控制的系統(tǒng)，對其報警信息與工作信息進行讀取，如plc、cnc控制單元等。若單一監(jiān)控終端沒有足夠的采集端口，工作人員可借助串口進行數(shù)據(jù)采集單元的擴展

在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)軟件時，應(yīng)按照功能把監(jiān)控終端軟件劃分為控制輸出、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)采集、功能配置、系統(tǒng)初始化這五個模塊，其主要功能是采集數(shù)控設(shè)備必要信號。與監(jiān)控中心的連接一般通過internet、gprs來實現(xiàn)，把數(shù)控設(shè)備的采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，對監(jiān)控中心發(fā)出的指令進行接收和解析，并開展各項控制輸出。例如，某工作人員在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)軟件時采用了如下方法：

（1）數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)在上電以前，功能配置模塊可通過硬件跳線來進入，此模塊能夠利用串行口與PC機展開通訊，工程師使用PC機上的相應(yīng)程序來配置監(jiān)控終端，從而有效設(shè)置不同功能模塊的具體工作參數(shù)與模式，然后把配置好的參數(shù)儲存于flash存儲器里以供備用。

（2）初始化模塊可按照flash存儲器里的各項參數(shù)來初始化系統(tǒng)的功能。

（3）數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)?shù)控設(shè)備的故障診斷、設(shè)備監(jiān)控等信息采集出來，并依照這些符號在系統(tǒng)內(nèi)的要求、含義展開本地保存、處理工作。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信模塊能夠與監(jiān)控中心連接，根據(jù)相關(guān)協(xié)議內(nèi)容格式把數(shù)據(jù)采集模塊的已采集數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心上傳，同時接受來自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)。

（5）控制輸出模塊能夠?qū)碜员O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)進行解析，與系統(tǒng)輸出控制設(shè)置、本地數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成串行口輸出、開關(guān)量輸出等輸出控制。

3 結(jié)語

總而言之，研究數(shù)控設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計策略具有重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對當(dāng)前數(shù)控設(shè)備的概況有一個全面了解，能夠有效地掌握數(shù)控設(shè)備組成部分、設(shè)計進給設(shè)備、選擇伺服電機、設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，從而使設(shè)計出的數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)具有更高的性能，節(jié)省維護時間與工作量，延長使用的總壽命。