基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的機(jī)床機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：數(shù)控機(jī)床能夠有效解決精密零件、復(fù)雜零件的加工問(wèn)題，也是較為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)為數(shù)控基礎(chǔ)持續(xù)發(fā)展的結(jié)果，在使用PLC數(shù)控機(jī)床過(guò)程中具有多種優(yōu)勢(shì)，比如電氣控制系統(tǒng)利用工件自動(dòng)夾緊、機(jī)械手自動(dòng)換刀及斷刀檢測(cè)等能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床。以此，文章就對(duì)基于計(jì)算機(jī)的機(jī)床機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù);機(jī)床機(jī)電一體化;數(shù)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）09-0145-04

機(jī)械制造業(yè)不僅是我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是制造業(yè)的核心，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。數(shù)控機(jī)床指的是使用數(shù)字代碼方式的信息，控制刀具根據(jù)指定的工作程序、軌跡及運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的機(jī)床，它具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變的時(shí)候，只需輸入程序指令，就能夠提高加工性能比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面的精準(zhǔn)加工[1]。所以，能夠在中小批量、具有較高精準(zhǔn)度及改型頻繁的工作中使用，并且經(jīng)濟(jì)效果良好。伴隨現(xiàn)代軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)也越來(lái)越多的呈現(xiàn)出多功能化、小型化及完善化，其自診斷功能較為完善，不僅能夠提高可靠性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)編程[2]。未來(lái)數(shù)控機(jī)床類(lèi)型呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì)，在切削加工機(jī)床中應(yīng)用機(jī)床加工，進(jìn)而能使多工序集中工藝的范圍得到擴(kuò)大。提高數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程序，還具備多監(jiān)控系統(tǒng)，以此構(gòu)成柔性制造單元，方便融人到高度自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)中[3]。

1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的概述

數(shù)控機(jī)床主要是通過(guò)機(jī)械部分、上下位機(jī)軟件及硬件電路構(gòu)成的，數(shù)控裝置屬于數(shù)控機(jī)床本體主要核心部分，數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)?shù)字控制方式充分展現(xiàn)出來(lái)?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床主要包括兩種：第1種，內(nèi)裝PLC為CNC裝置，此設(shè)計(jì)主要目的就是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制;第2種，獨(dú)立CNC裝置的PLC，具有完善的軟件及硬件功能，能夠有效滿足數(shù)控機(jī)床及其他順序控制領(lǐng)域。兩種對(duì)比，第2種更加的通用[4]。

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量的輸入輸出控制電路與系統(tǒng)中的PLC控制程序之間具有密切關(guān)系，系統(tǒng)生產(chǎn)商將標(biāo)準(zhǔn)車(chē)床控制梯形圖安裝在系統(tǒng)中，則實(shí)際輸入輸出電路設(shè)計(jì)是與標(biāo)準(zhǔn)梯形圖結(jié)合，連接相應(yīng)的端子和信號(hào)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意急停信號(hào)鏈及超程接觸信號(hào)鏈，使其成為多元件構(gòu)成的相關(guān)信號(hào)，設(shè)計(jì)外圍電路。圖l為系統(tǒng)信號(hào)的輸入輸出電路。在對(duì)電控柜元件進(jìn)行布局和安裝的過(guò)程中，要重視各個(gè)元件的安裝間距和空間需求。此外，在元件排列過(guò)程中分開(kāi)布置弱電信號(hào)及強(qiáng)電信號(hào)，強(qiáng)弱電的走勢(shì)要遠(yuǎn)離，以此避免干擾。體積較大，重量較重的元件安裝的位置要靠近電控柜下部分，從而使重心能夠降低[5]。

2 機(jī)床機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手自動(dòng)換刀

機(jī)械手換刀主要包括兩個(gè)自由度，其能夠使數(shù)控機(jī)床工作效率得到進(jìn)一步的提高，其主要原理就是利用電磁閥開(kāi)關(guān)的控制，從而能夠伸展機(jī)械臂及刀具夾緊功能，以此有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械手收回、伸展、松開(kāi)及夾緊刀具的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀[6]。

2.2 斷刀檢測(cè)

圖2為斷刀檢測(cè)結(jié)構(gòu)，其主要核心為一個(gè)OC門(mén)的光纖傳感器，OC門(mén)中的三根接人線直接到24V電源中連接，使信號(hào)線與24V電阻創(chuàng)建一個(gè)電平。刀具在實(shí)現(xiàn)加工的過(guò)程中會(huì)磨損或者斷裂，那么為了使加工質(zhì)量進(jìn)行保證，就要對(duì)刀具的正常進(jìn)行檢測(cè)。假如刀具磨損，機(jī)床就要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，并且對(duì)上位機(jī)進(jìn)行通知。斷刀檢測(cè)是利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)的[7]。

2.3 硬件控制電路構(gòu)成

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)主要包括一個(gè)單片機(jī)、一個(gè)地址鎖存器、一個(gè)地址譯碼器、兩個(gè)存儲(chǔ)器、兩個(gè)接口芯片、功率放大電路、光電電路等構(gòu)成。使用8031單片機(jī)，其主要特點(diǎn)就是具有較高的性能，內(nèi)部具有八位PROG、128字節(jié)的RAM，兩個(gè)10位定時(shí)器，四個(gè)八位并行接口，一個(gè)全雙功能串行口及可擴(kuò)展外圍程序存儲(chǔ)器等[8]。圖3為單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。

數(shù)控機(jī)床根據(jù)輸入程序指令加工零件，計(jì)算機(jī)中的指令是通過(guò)信號(hào)方式所存在，以下就對(duì)數(shù)控機(jī)床電路圖信息流程進(jìn)行分析：

1）信號(hào)收集。此電路信號(hào)收集主要指的是BCD拔碼盤(pán)及計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。BCD拔碼盤(pán)和8031中的PA口及PB口相互連接，輸入拔碼盤(pán)中指令相互對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，從而收集信息。在計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)中輸入指令助記符，計(jì)算機(jī)就會(huì)以鍵盤(pán)中所輸入的字符制作二進(jìn)制代碼信息，之后實(shí)現(xiàn)處理、傳輸?shù)炔僮鱗9]。

2）輸入信號(hào)。在輸入信號(hào)之后，就能夠傳輸信號(hào)。信號(hào)傳輸是利用數(shù)據(jù)線及地址線實(shí)現(xiàn)的，控制線對(duì)信號(hào)動(dòng)作進(jìn)行控制。此電路圖利用PI口及PC口相互連接，信號(hào)通過(guò)低電平方式收集，通過(guò)高電平方式傳輸。因?yàn)樵谀硞€(gè)信息收集之后，那么就會(huì)到導(dǎo)通電路，這個(gè)時(shí)候的PI口相位就會(huì)成為高電平，信號(hào)就會(huì)在PI口傳輸。

3）處理信號(hào)。在單片機(jī)中輸入指令信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)信號(hào)算法邏輯運(yùn)算處理，計(jì)算機(jī)利用Ax實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算，基于控制器，使處理之后的信號(hào)轉(zhuǎn)變成為指令控制計(jì)算機(jī)，從而對(duì)此指令功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)外界進(jìn)行反應(yīng)，使程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器能夠一致[10]。

4）輸出信號(hào)。在處理信號(hào)之后使其輸出，信號(hào)輸出主要包括兩方面：信號(hào)直接到單片機(jī)接口中輸入，從而對(duì)Z電機(jī)及x電機(jī)控制做相應(yīng)動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)零件加工的目的;信號(hào)也能夠在地址鎖存到允許信號(hào)控制中，被輸入到相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，方便下次的調(diào)用及程序備份[11]。

2.4 MST接口

MST信號(hào)的主要特點(diǎn)就是具有較大的信號(hào)功率，并且信號(hào)控制220V及380V強(qiáng)電開(kāi)關(guān)器件，所以就要嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)電氣隔離措施。圖4為強(qiáng)電接口電路。通過(guò)8255PB口實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出，先通過(guò)光電隔離，通過(guò)譯碼放大之后，利用中間繼電器KA實(shí)現(xiàn)在此隔離，所以此接口電路的抗干擾能力比較強(qiáng)。8255PB口屬于基本輸出方式，通過(guò)PBO-PB4輸出五個(gè)信號(hào)，利用廣電耦合之后送到3-8譯碼器中，其中PBO-PB2屬于譯碼地址信號(hào)，其他為譯碼器片選信號(hào)。SOI-S04指的是和調(diào)整電動(dòng)機(jī)相互連接的四種主軸調(diào)整信號(hào)，T10-T40指的是4種換刀信號(hào)。M03-M26指的是八種輔助功能信號(hào)，其中的M03主要目的就是將主軸正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，M04能夠?qū)χ鬏S反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，M05能夠停止主軸。M22-M26指的是用戶自用信號(hào)，能夠?qū)鋮s電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/暫停進(jìn)行控制[12]。

3 機(jī)床機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

3.1 主軸單元的設(shè)計(jì)

主軸單元原本使用的機(jī)械式變速系統(tǒng)，將主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)更換為變頻器控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電控?zé)o極變速與手動(dòng)機(jī)械變速結(jié)合。使用日立SJI00-037變速器實(shí)現(xiàn)主軸變速調(diào)速，以輸入速度指令與運(yùn)行狀態(tài)指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頻率和幅值的交變電流輸出，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，利用PLC的輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)對(duì)旋轉(zhuǎn)的方向進(jìn)行決定。主軸變頻器、電動(dòng)機(jī)及控制器連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置

數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件是驅(qū)動(dòng)裝置，主要包括進(jìn)給單元、主軸驅(qū)動(dòng)單元和進(jìn)給電機(jī)等。利用點(diǎn)液伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置控制能夠有效實(shí)現(xiàn)進(jìn)給和主軸的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)多個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的時(shí)候，能夠有效實(shí)現(xiàn)直線、定位、空間曲線與平面曲線的加工[13]。

3.2.1 進(jìn)給伺服電機(jī)型號(hào)

輸出扭矩是進(jìn)給電機(jī)負(fù)載能力的主要指標(biāo)，基于連續(xù)操作背景下，在轉(zhuǎn)速不斷提高的過(guò)程中，輸出扭矩降低，電機(jī)性能越好，那么就會(huì)降低減少值。在配置進(jìn)給軸電機(jī)的過(guò)程中，為了滿足最高切削速度輸出扭矩，因此，使用1FT6系列的進(jìn)給伺服電機(jī)。

3.2.2 主軸伺服電機(jī)型號(hào)

輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力主要指標(biāo)，其額定功率指的是基于恒功率區(qū)中運(yùn)行時(shí)候的輸出功率，比基本速度N1低的時(shí)候，無(wú)法滿足額定功率的需求，速度越低，那么輸出功率就比較小。在數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)與主軸連接過(guò)程中，有兩種方法可以使主軸低速時(shí)候的功率滿足需求，第一種方法是采用基本速度較低，而額定功率較高的主軸電機(jī)，第二種方法就是采用特種繞組切換式的主軸伺服電機(jī)，本文使用IPH7系列作為主軸伺服電機(jī)的型號(hào)。

使用與840D數(shù)控系統(tǒng)相互結(jié)合的6IID交流驅(qū)動(dòng)伺服單元替代傳統(tǒng)的直流模擬驅(qū)動(dòng)和直流電機(jī)，保證各個(gè)軸的扭矩與工具，進(jìn)而避免電機(jī)維護(hù)。其閉環(huán)位置控制系統(tǒng)采用直接安裝到工作臺(tái)的感應(yīng)同步器及光柵中，使其成為位置檢測(cè)器件，以此創(chuàng)建成為高精度全閉環(huán)位置的控制系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)為無(wú)刷結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行維修，體積比較小，能夠提高功率與轉(zhuǎn)速。

由于此臺(tái)設(shè)備為改造設(shè)備，所以對(duì)元件選擇的基礎(chǔ)要通過(guò)與原機(jī)床相互結(jié)合的方式進(jìn)行選擇，其選擇基礎(chǔ)為原本機(jī)床電機(jī)工作參數(shù)，主要指的是電機(jī)扭矩及工作轉(zhuǎn)速，目前電機(jī)要能夠和原本機(jī)床電機(jī)參數(shù)基本相同[14]。

4 機(jī)床的調(diào)試分析

4.1 機(jī)械部分的調(diào)整

機(jī)械部分調(diào)整主要指的是機(jī)床幾何精度及進(jìn)給傳動(dòng)鏈，為了使機(jī)床的幾何精度達(dá)到機(jī)床驗(yàn)收需求，在機(jī)床幾何精度調(diào)整的過(guò)程中需要調(diào)整導(dǎo)軌副配合及刮研。其次，為了使機(jī)床性能得到有效提高，還要適當(dāng)調(diào)整進(jìn)給傳動(dòng)部件，從而能夠使電氣參數(shù)調(diào)試配合。機(jī)械傳動(dòng)部件影響伺服系統(tǒng)性能的主要因素包括間隙、剛度及摩擦等。

4.2 伺服系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)整機(jī)械及參數(shù)之后，使軸能夠在手輪、JOG及MDI方式中獨(dú)對(duì)軸運(yùn)行速度得以改善，對(duì)軸運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行觀察，有時(shí)候個(gè)別的軸會(huì)出現(xiàn)不正常運(yùn)行的狀況，這時(shí)如果要排除硬件故障，就要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方法主要包括自動(dòng)優(yōu)化及手工優(yōu)化，以下為軸在試運(yùn)行過(guò)程中的具體步驟與自動(dòng)優(yōu)化方法。軸試運(yùn)行的流程如圖6。

軸自動(dòng)化優(yōu)化的主要步驟包括：

其一，進(jìn)入到主菜單中;

其二，stare-up;

其三，drives/servo;

其四，擴(kuò)展鍵“>”;

其五，Auto.ctrl setting;

其六，對(duì)軸進(jìn)行選擇，并且對(duì)優(yōu)化位置上下限進(jìn)行確定;

其七，垂直菜單，start;

其八，按下MCP中的“NC-start鍵”;

其六，按下Yes確認(rèn)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)[15]。

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床升級(jí)改造的過(guò)程中，在設(shè)置機(jī)床各參數(shù)之后，首先要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸、機(jī)床主軸各部分的功能測(cè)試，之后實(shí)現(xiàn)機(jī)電整機(jī)聯(lián)調(diào)和加工精度檢測(cè)。通過(guò)實(shí)際加工情況分析，改造基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床功能較為豐富，并且性能可靠，操作較為方便簡(jiǎn)單，能夠提高加工精度和效率，滿足廣泛加工需求，還能夠降低成本。

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作者簡(jiǎn)介：王凱（1978-）男，碩士學(xué)位，副教授，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)。

基金項(xiàng)目：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年教學(xué)改革項(xiàng)目18XHJGOII《以學(xué)生為中心提升課堂教學(xué)效果的研究與實(shí)踐一以西航職院機(jī)械CAD/CAMi果程為例》的研究成果。