基于PC的數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

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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