數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王志偉（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000）

數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王志偉
（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000）

數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行的基本保障，完善、優(yōu)化數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床操作管理的重要工作內(nèi)容之一。文中首先對(duì)數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡要概述，然后重點(diǎn)從數(shù)控機(jī)床總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等四個(gè)方面論述了數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，以期對(duì)當(dāng)前數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)范操作有所參考。

數(shù)控機(jī)床；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)概述

當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)在IT、醫(yī)療、輕功、機(jī)電等行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮出了重要的作用?？梢哉f，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)與應(yīng)用有力地促進(jìn)了機(jī)電制造業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是集計(jì)算機(jī)、機(jī)床、自動(dòng)控制、電機(jī)以及傳感檢測(cè)等技術(shù)與設(shè)施于一體的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是一種以“數(shù)字量”作為指令信息的機(jī)床。一般而言，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)主要包括輸入裝置、CNC裝置、主軸控制模塊、可編程控制器、位置檢測(cè)裝置以及主軸伺服裝置等部分組成，其中，可編程控制器（PLC）是數(shù)控機(jī)床控制“核心”，數(shù)控機(jī)床操作、使用等都與PLC有著密切的關(guān)系。數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作時(shí)，必須要根據(jù)工作條件、生產(chǎn)要求編制相應(yīng)的加工操作程序，然后將這些“程序”存儲(chǔ)于磁盤、穿孔帶等介質(zhì)中，系統(tǒng)軟件或者是邏輯電路通過讀取存儲(chǔ)于介質(zhì)中的“程序指令”，輸出相應(yīng)的操作控制指令信息，從而使數(shù)控機(jī)床按照程序所規(guī)定的指令運(yùn)行，完成生產(chǎn)任務(wù)。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床的正常工作、運(yùn)行，不能僅僅依靠PLC，而是需要輸入裝置、CNC裝置、主軸控制模塊、可編程控制器、位置檢測(cè)裝置以及主軸伺服裝置等所有模塊都能夠正常運(yùn)行，銜接緊密，這樣，數(shù)控機(jī)床才能夠順利地完成“指令”所規(guī)定的所有動(dòng)作，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行的必要保障，機(jī)床類型不同、型號(hào)不同，控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也有所不同，但是，在控制原理、傳動(dòng)系統(tǒng)、編程控制以及結(jié)構(gòu)布局方面并沒有太大的差別，實(shí)踐中，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)做好以下幾個(gè)方面的工作：

2.1 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的總體優(yōu)化與設(shè)計(jì)

本文中，對(duì)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的精準(zhǔn)化、“實(shí)時(shí)化”控制，以支持?jǐn)?shù)控機(jī)床高精度任務(wù)、多任務(wù)操作需要。一般而言，數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能、加工控制功能、系統(tǒng)自檢功能以及加工參數(shù)交互功能等，其中，加工控制功能是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本的功能要求，目的就是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床三維刀具、輸入/輸出裝置以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效控制。由于絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)行過程中，鉆頭、刀具等都處于高速運(yùn)行狀態(tài)，為了滿足控制系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)做出正確的控制決策，實(shí)踐中常常采用“嵌入式系統(tǒng)”作為控制系統(tǒng)功能開發(fā)平臺(tái)，比如，基于RT-Linux的開發(fā)平臺(tái)由于保留了Linux的所有的核心功能，具有強(qiáng)大的調(diào)度、管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床操作任務(wù)的實(shí)時(shí)、精確管理。

2.2 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)大多為“全閉環(huán)”控制模式，“全閉環(huán)”控制系統(tǒng)屬于一種典型的開放式控制結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)做好以下三點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集卡配置，采集卡的主要功能是接收前端檢測(cè)數(shù)字量、采集模擬信號(hào)，然后利用系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)程序?qū)@些信息進(jìn)行分析、處理，比如，信息收集、A/D轉(zhuǎn)換、觸發(fā)控制等等，都屬于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容；

（2）伺服裝置配置設(shè)計(jì)，可以使用“電致伸縮器”來調(diào)整工件與支架之間的偏差，以解決切削環(huán)節(jié)工件軸徑過大而引發(fā)的誤差問題；

（3）數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器配置，實(shí)踐中，常采用“上位機(jī)”與“下位機(jī)”聯(lián)合控制方式，以滿足機(jī)床加工對(duì)精度、軌跡控制較高的要求；

（4）硬件電路設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床中的硬件電路是控制系統(tǒng)正常工作、運(yùn)行的動(dòng)力系統(tǒng)，比如，機(jī)床驅(qū)動(dòng)、信號(hào)指令傳遞等等都需要借助于硬件電路系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)，數(shù)控機(jī)床硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵的是需要設(shè)計(jì)好電源電路、存儲(chǔ)器電路、PC通信電路、音頻錄入電路、音頻輸出電路等?？傊?，數(shù)控機(jī)床硬件系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)需要遵循模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，在滿足系統(tǒng)總體功能需求的前提下，兼顧控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需求，以降低控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本、提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

就數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行控制、運(yùn)行原理來看，軟件系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床能夠平穩(wěn)運(yùn)行的“核心模塊”，因?yàn)?，所有的操作指令都需要通過軟件系統(tǒng)的控制才能夠?qū)崿F(xiàn)，比如，操作指令的譯碼、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制、刀具運(yùn)行軌跡的控制以及運(yùn)行狀態(tài)信息顯示等等都需要借助于軟件系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)。其中，基于PLC基礎(chǔ)上的數(shù)控軟件加工處理流程是數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，比如，刀具加工、工件定位等都屬于加工數(shù)據(jù)處理流程范疇。實(shí)踐證明，數(shù)控機(jī)床控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要以“功能模塊”為核心，做好“上位機(jī)”與“下位機(jī)”設(shè)計(jì)，比如，對(duì)于操作精確度要求較高的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以將整個(gè)軟件系統(tǒng)放在SIMO—TIOND環(huán)境下運(yùn)行，這樣，“下位機(jī)”就可以直接接收來自各個(gè)“功能單元”的數(shù)據(jù)、信息，在此基礎(chǔ)上將數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、各個(gè)功能模塊指令執(zhí)行情況監(jiān)測(cè)出來，為控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。實(shí)踐中，在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，常常將PLC程序設(shè)計(jì)為低級(jí)程序與高級(jí)程序兩個(gè)部分，前者主要是用來處理控制系統(tǒng)中普通信息以及比較程式化的控制，后者則主要使用處理系統(tǒng)中緊急信號(hào)，目的是對(duì)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的一些突發(fā)事件做出相應(yīng)的應(yīng)急處置反映，科學(xué)設(shè)置參數(shù)，確保數(shù)控機(jī)床安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

總之，數(shù)控機(jī)床具有斷刀、換刀、工件夾緊、刀位檢測(cè)、通信檢測(cè)以及通信連接等多項(xiàng)功能，要促進(jìn)這些功能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，就必須要做好數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這對(duì)提高機(jī)床的開動(dòng)率、生產(chǎn)率以及數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

[1]王先正.CA6140普通車床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué),2012.

[2]宋麒麟.數(shù)控機(jī)床控制及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華東理工大學(xué),2012.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.065