數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

【摘要】數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)，其水平高低關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的水平，近年來(lái)，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)是其它工控產(chǎn)品難以比擬的整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)改造借鑒。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床；電氣控制系統(tǒng)；控制軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)電一體化、機(jī)電傳動(dòng)

1.緒論

本緒論主要是從本課題的來(lái)源、目的、意義、應(yīng)解決的主要問(wèn)題及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求來(lái)介紹數(shù)控機(jī)床型，并且敘述了國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況以及存在的問(wèn)題。最后簡(jiǎn)述了本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。

1.1 課題的來(lái)源

隨著各種學(xué)科的交叉發(fā)展，原來(lái)的純機(jī)械加工已經(jīng)發(fā)展為機(jī)電一體化的加工機(jī)床，現(xiàn)在隨著各種控制技術(shù)的日趨完善，機(jī)電一體化的加工系統(tǒng)——數(shù)控機(jī)床已經(jīng)毫無(wú)疑問(wèn)成為了工業(yè)生產(chǎn)的主力裝備。一方面，調(diào)查表明，我國(guó)要成為“世界工廠”，需要培訓(xùn)和造就數(shù)十萬(wàn)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的操作人員、編程人員和維修人員，另一方面，來(lái)自機(jī)電一體化專業(yè)在實(shí)踐方面對(duì)于專門(mén)的教學(xué)用的儀器設(shè)備的需求，是本課題產(chǎn)生的主要的原因。

1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

機(jī)電一體化技術(shù)的基本概念是指將機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、信息處理和控制及專用軟件等當(dāng)代各種新技術(shù)進(jìn)行綜合集成的一種群體技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)主要有五個(gè)組成部分：動(dòng)力、機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器、計(jì)算機(jī)和傳感器，組成一個(gè)功能完善的柔性自動(dòng)化系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)、傳感器和計(jì)算機(jī)軟件是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成要素。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，包括以下幾個(gè)要素：機(jī)械本體、能源部分、測(cè)試傳感部分、驅(qū)動(dòng)裝置、控制及信息處理單元，各要素之間通過(guò)接口相聯(lián)系。

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分設(shè)計(jì)與分析將根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理提出幾種機(jī)械設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這些方案進(jìn)行比較選擇，闡明設(shè)計(jì)方案選擇的理由以及所采用方案的特點(diǎn)；同時(shí)，就設(shè)計(jì)過(guò)程闡述本人對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)的一些表述.本設(shè)計(jì)是一個(gè)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，是要對(duì)零件進(jìn)行銑削加工的。我們要論證教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)的總體方案，就需要對(duì)該系統(tǒng)有一個(gè)整體的了解。要進(jìn)行總體方案論證，先要熟悉設(shè)計(jì)參數(shù)，我們才能以此為依據(jù)進(jìn)行取舍。下面就是我這次設(shè)計(jì)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，其工作參數(shù)如下：機(jī)床尺寸（寬×長(zhǎng)×高）：760×1475×1400（㎜×㎜×㎜）；最大加工范圍（X×Y×Z）：400×300×150（㎜×㎜×㎜）；主軸電機(jī)功率：60（W）；主軸轉(zhuǎn)速：3000（r/min）平；工作臺(tái)尺寸160×160（㎜×㎜）；空間加工范圍170×160（㎜×㎜）；工作臺(tái)最大承重s50（㎏）；工作速度：0～5（m/min）快速移動(dòng)速度8m/min；數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式有很多，通過(guò)對(duì)其主要的結(jié)構(gòu)形式的分析，大體上最常見(jiàn)的可分為如下兩類(lèi)：

1）工件沿X坐標(biāo)方向移動(dòng)的類(lèi)型，這類(lèi)機(jī)床主要采用的是龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，其工作的原理為：工作臺(tái)沿X方向移動(dòng)。而Y坐標(biāo)則為打印頭在由雙立柱及橫梁構(gòu)成的龍門(mén)上的運(yùn)動(dòng)，既可用于二、三坐標(biāo)作平面銑削，又可以擴(kuò)展為四坐標(biāo)機(jī)床用于切割管件和型材，還能構(gòu)成五坐標(biāo)機(jī)床加工空間曲面。這類(lèi)機(jī)床的規(guī)格尺寸較大。另外工件沿X坐標(biāo)方向移動(dòng)式結(jié)構(gòu)還有兩種懸臂式的結(jié)構(gòu)，一者是為工作臺(tái)沿X坐標(biāo)方向移動(dòng)，另一者為工件及夾具同時(shí)沿X坐標(biāo)方向移動(dòng)，其規(guī)格尺寸都比龍門(mén)式的要小。

2）工件沿X，Y二坐標(biāo)方向移動(dòng)的類(lèi)型這類(lèi)機(jī)床多為單純用于切割的二、三坐標(biāo)機(jī)床，其切割頭懸臂伸出，在水平面內(nèi)并無(wú)移動(dòng)；而工件則可以沿X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這類(lèi)機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，規(guī)格尺寸也較小，最大2000x1500（mm×mm）。工件沿二坐標(biāo)方向移動(dòng)的類(lèi)型又可分為十字工作臺(tái)式和工件與夾具移動(dòng)式兩種；前者工件與工作臺(tái)連動(dòng)，規(guī)格更小些；后者規(guī)格尺寸稍大，工作臺(tái)固定不動(dòng)，而工件則由夾具夾持著移動(dòng)，大多是與自動(dòng)沖裁技術(shù)結(jié)合在一起成為可完成切割銑削，沖裁等多種加工功能的多功能機(jī)床。

2.2 電氣控制系統(tǒng)方案

要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床的有效控制，這樣的電氣控制系統(tǒng)有多種方案可以選擇。其中最主要的是采用：

1）采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)；

2）采用了集成DSP芯片的控制板與PC機(jī)相聯(lián)系的控制系統(tǒng)；

3）采用PLC與PC機(jī)相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

各控制系統(tǒng)方案的特點(diǎn)與比較：

（1）采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)所謂的單片機(jī)即是一塊集成了CPU、RAM＼ROM（EPROM或EEPROM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘、多種功能的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的單片機(jī)還集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起來(lái)說(shuō)，單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：

1）可靠性好。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般通用CPU；程序指令，常數(shù)，表格固化在ROM中不易破壞；許多信號(hào)通道都在一個(gè)芯片內(nèi)部，故可靠性高。

2）易于擴(kuò)展。片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必須的部件，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行I/O管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

3）控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有豐富的條件分支、I/O口的邏輯操作以及位處理指令。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微處理器。

4）單片機(jī)一般采用了面向控制的指令。

5）價(jià)格低廉。如低檔單片機(jī)價(jià)格只有幾元錢(qián)。開(kāi)發(fā)環(huán)境完備，開(kāi)發(fā)工具齊全，應(yīng)用資料眾多，后備人才充足。并且國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校都開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。

（2）采用PC與PLC相聯(lián)系的控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器。PLC是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為了工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要用于代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺(tái)PLC，在美國(guó)通用汽車(chē)自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種控制裝置將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，具有高可靠性，靈活通用，易于編程，使用方便等特點(diǎn)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，因此近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)控制，機(jī)電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面得到廣泛地應(yīng)用。雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結(jié)構(gòu)上是基本相同的，一般由CPU，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備（I/O）和其他的可選部件組成。CPU是PLC的核心，它用于輸入各種指令，完成預(yù)定的任務(wù)。自整定，預(yù)測(cè)控制和模糊控制等先進(jìn)的控制算法也已經(jīng)在CPU中得到了應(yīng)用存儲(chǔ)器包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM，通常將程序以及所有的固定參數(shù)固化在ROM中，RAM則為程序運(yùn)行提供了存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)I/O使過(guò)程狀態(tài)和參數(shù)輸入到PLC的通道以及實(shí)時(shí)控制信號(hào)輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應(yīng)用十分廣泛。在本控制系統(tǒng)中，PLC模塊除了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)床各軸的順序運(yùn)動(dòng)控制功能，還能實(shí)現(xiàn)X，Y軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制功能。所以選擇PC與PLC相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

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