數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計研究

王志偉

摘 要：數(shù)控機床控制系統(tǒng)是數(shù)控機床正常運行的基本保障，完善、優(yōu)化數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計是數(shù)控機床操作管理的重要工作內容之一。文中首先對數(shù)控機床及其控制系統(tǒng)進行了簡要概述，然后重點從數(shù)控機床總體系統(tǒng)設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計以及電氣系統(tǒng)設計等四個方面論述了數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計問題，以期對當前數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計、規(guī)范操作有所參考。

關鍵詞：數(shù)控機床;控制系統(tǒng);設計

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

1 數(shù)控機床及其控制系統(tǒng)概述

當前，數(shù)控技術已經在IT、醫(yī)療、輕功、機電等行業(yè)內得到了廣泛的應用，并發(fā)揮出了重要的作用。可以說，數(shù)控機床的出現(xiàn)與應用有力地促進了機電制造業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)控機床是集計算機、機床、自動控制、電機以及傳感檢測等技術與設施于一體的自動化生產設備，是一種以“數(shù)字量”作為指令信息的機床。一般而言，數(shù)控機床控制系統(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)控機床控制“核心”，數(shù)控機床操作、使用等都與PLC有著密切的關系。數(shù)控機床實際操作時，必須要根據(jù)工作條件、生產要求編制相應的加工操作程序，然后將這些“程序”存儲于磁盤、穿孔帶等介質中，系統(tǒng)軟件或者是邏輯電路通過讀取存儲于介質中的“程序指令”，輸出相應的操作控制指令信息，從而使數(shù)控機床按照程序所規(guī)定的指令運行，完成生產任務。當然，數(shù)控機床的正常工作、運行，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、位置檢測裝置以及主軸伺服裝置等所有模塊都能夠正常運行，銜接緊密，這樣，數(shù)控機床才能夠順利地完成“指令”所規(guī)定的所有動作，促進企業(yè)生產目標的順利實現(xiàn)。

2 數(shù)控機床控制系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

數(shù)控機床控制系統(tǒng)是數(shù)控機床正常運行的必要保障，機床類型不同、型號不同，控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計也有所不同，但是，在控制原理、傳動系統(tǒng)、編程控制以及結構布局方面并沒有太大的差別，實踐中，數(shù)控機床控制系統(tǒng)優(yōu)化設計應該重點做好以下幾個方面的工作：

2.1 數(shù)控機床控制系統(tǒng)的總體優(yōu)化與設計

本文中，對數(shù)控機床控制系統(tǒng)優(yōu)化設計的主要目標是實現(xiàn)對數(shù)控機床的精準化、“實時化”控制，以支持數(shù)控機床高精度任務、多任務操作需要。一般而言，數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)設計主要是為了實現(xiàn)機床運行狀態(tài)監(jiān)測功能、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)設計的最基本的功能要求，目的就是實現(xiàn)對數(shù)控機床三維刀具、輸入/輸出裝置以及驅動電機的有效控制。由于絕大多數(shù)數(shù)控機床加工運行過程中，鉆頭、刀具等都處于高速運行狀態(tài)，為了滿足控制系統(tǒng)在極短的時間內做出正確的控制決策，實踐中常常采用“嵌入式系統(tǒng)”作為控制系統(tǒng)功能開發(fā)平臺，比如，基于RT-Linux的開發(fā)平臺由于保留了Linux的所有的核心功能，具有強大的調度、管理功能，能夠實現(xiàn)對數(shù)控機床操作任務的實時、精確管理。

2.2 數(shù)控機床控制系統(tǒng)硬件結構設計

當前，數(shù)控機床控制系統(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構，硬件結構設計需要重點做好以下三點：

（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數(shù)字量、采集模擬信號，然后利用系統(tǒng)內的相關程序對這些信息進行分析、處理，比如，信息收集、A/D轉換、觸發(fā)控制等等，都屬于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設置內容;

（2）伺服裝置配置設計，可以使用“電致伸縮器”來調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)控機床運動控制器配置，實踐中，常采用“上位機”與“下位機”聯(lián)合控制方式，以滿足機床加工對精度、軌跡控制較高的要求;

（4）硬件電路設計，數(shù)控機床中的硬件電路是控制系統(tǒng)正常工作、運行的動力系統(tǒng)，比如，機床驅動、信號指令傳遞等等都需要借助于硬件電路系統(tǒng)才能夠實現(xiàn)，數(shù)控機床硬件電路系統(tǒng)設計關鍵的是需要設計好電源電路、存儲器電路、PC通信電路、音頻錄入電路、音頻輸出電路等?？傊?，數(shù)控機床硬件系統(tǒng)（結構）設計需要遵循模塊化、標準化的原則，在滿足系統(tǒng)總體功能需求的前提下，兼顧控制系統(tǒng)軟件設計需求，以降低控制系統(tǒng)設計的成本、提高控制系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)控機床控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計

就數(shù)控機床的運行控制、運行原理來看，軟件系統(tǒng)是數(shù)控機床能夠平穩(wěn)運行的“核心模塊”，因為，所有的操作指令都需要通過軟件系統(tǒng)的控制才能夠實現(xiàn)，比如，操作指令的譯碼、驅動電機的控制、刀具運行軌跡的控制以及運行狀態(tài)信息顯示等等都需要借助于軟件系統(tǒng)才能夠實現(xiàn)。其中，基于PLC基礎上的數(shù)控軟件加工處理流程是數(shù)控機床控制系統(tǒng)軟件設計的關鍵，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。實踐證明，數(shù)控機床控制軟件系統(tǒng)設計需要以“功能模塊”為核心，做好“上位機”與“下位機”設計，比如，對于操作精確度要求較高的數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計，可以將整個軟件系統(tǒng)放在SIMO—TIOND環(huán)境下運行，這樣，“下位機”就可以直接接收來自各個“功能單元”的數(shù)據(jù)、信息，在此基礎上將數(shù)控機床運行狀態(tài)、各個功能模塊指令執(zhí)行情況監(jiān)測出來，為控制系統(tǒng)的正常運行奠定堅實的基礎。

2.4 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計

電氣控制系統(tǒng)設計也是數(shù)控機床控制系統(tǒng)硬件設計的重要內容。實踐中，在進行數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計時，常常將PLC程序設計為低級程序與高級程序兩個部分，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，目的是對數(shù)控機床出現(xiàn)的一些突發(fā)事件做出相應的應急處置反映，科學設置參數(shù)，確保數(shù)控機床安全、穩(wěn)定運行。

總之，數(shù)控機床具有斷刀、換刀、工件夾緊、刀位檢測、通信檢測以及通信連接等多項功能，要促進這些功能目標的實現(xiàn)，就必須要做好數(shù)控機床的控制系統(tǒng)設計，這對提高機床的開動率、生產率以及數(shù)控機床的穩(wěn)定運行具有重要的意義。

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