數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：作為有著程序控制系統(tǒng)的新型機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的核心部位就是其控制系統(tǒng)，后者可以對代碼及其它符號規(guī)定程序進(jìn)行有效的處理，且其組成部分又主要有：抗干擾電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、光電隔離電路、雙極H橋放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和X-Y工作臺等，它們起到了重要的硬件平臺的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 ?X-Y ?工作臺 ?半閉環(huán)控制

1.緒論

數(shù)控機(jī)床就是采用數(shù)控技術(shù)來對機(jī)床進(jìn)行控制，而數(shù)控技術(shù)所指的就是通過數(shù)字信息來對機(jī)械加工及其運(yùn)動進(jìn)行控制的方法。為達(dá)到上述目標(biāo)而采用的軟硬件就是數(shù)控系統(tǒng)，必須有相應(yīng)的硬件和軟件。

2.控制系統(tǒng)總體方案

2.1 ?機(jī)械系統(tǒng)主要組成部分

（1）床身：包括床身、導(dǎo)軌、主軸箱、冷卻電機(jī)等主要零件，選用洛陽機(jī)床公司的CJK0620數(shù)控機(jī)床零件。

（2）電機(jī)選擇：選擇交流異步電機(jī)和交流伺服電機(jī);

（3）無級變速。通過數(shù)字變頻器來有效地控制交流電機(jī)中的無級變速器。

（4）刀架：選擇自動旋轉(zhuǎn)四邊形刀架組件;

（5）進(jìn)給系統(tǒng)：通過步進(jìn)電機(jī)來對縱向及橫向進(jìn)給進(jìn)行驅(qū)動，從而達(dá)到半閉環(huán)控制與插補(bǔ)操作等的目的。

2.2 控制系統(tǒng)總體方案

（1）CPU采用AT89C51芯片。由于AT89C51的I/O口不能滿足輸入/輸出的要求，采用了具有64K擴(kuò)展容量的程序存儲器27512和8K數(shù)據(jù)存儲器6264。

（2）采用TLP521芯片進(jìn)行光電隔離，在電氣隔離和抗干擾方面起到很好的作用，同時(shí)以光為介質(zhì)間接耦合CPU模塊的輸入端和輸出端。

（3）采用ADC 0809來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換過程，將模擬電壓輸出以控制變頻器，轉(zhuǎn)換模擬電壓而得到相應(yīng)的數(shù)字形式并且向單片機(jī)進(jìn)行輸入以實(shí)現(xiàn)處理，然后對三相交流異步電動機(jī)進(jìn)行控制。

（4）鍵盤和顯示控制基于8279芯片。而控制面板則具有手動、返回、定刀、搜索、復(fù)位、自動、空操作、刪除、換刀以及編輯等一系列的功能，線掃描信號SL0-SL2由來自74LS138解碼器的七個(gè)信號和反饋線的RL0-RL5組成。

3.機(jī)械系統(tǒng)選型

3.1 主傳動系統(tǒng)

數(shù)控車床主軸有三種可選配置：

（1）數(shù)字主軸，可以實(shí)現(xiàn)了主軸的精確定位和C軸的功能，選擇主軸驅(qū)動單元和主軸伺服電機(jī)，但是它的成本相對較高，需要配置主軸編碼器。

（2）三速或四速電機(jī)驅(qū)動車床主軸，價(jià)格便宜，只能步進(jìn)。

（3）變頻器+交流電動機(jī)：變頻器已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，從而達(dá)到主軸轉(zhuǎn)速的電控目標(biāo)，和第1類方案相比，具有顯著的成本優(yōu)勢。

3.2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝

主軸脈沖發(fā)生器又稱光電編碼器，通常有兩種安裝方式：同軸安裝和離軸安裝。為了在數(shù)控車床上加工螺紋，它與車床主軸同步旋轉(zhuǎn)，以主軸脈沖發(fā)生器來用作反饋其位置信號的基本元件，從而對橫向/縱向步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

3.3 自動回轉(zhuǎn)刀架

車床技術(shù)水平可通過刀架性能及其所采用的結(jié)構(gòu)形式來體現(xiàn)，對于所有的數(shù)控車床而言，其換刀過程應(yīng)該精準(zhǔn)且快速，從而實(shí)現(xiàn)刀具的高效率夾持。在車床中，數(shù)控車床刀架發(fā)揮了不可或缺的作用，因此有以下要求：

（1）夾緊剛度高，適合重載切削;

（2）選擇附近最短路徑，換位時(shí)間短。

（3）換位準(zhǔn)確可靠，工作穩(wěn)定安全。

（4）防水、防碎、密封性能優(yōu)異;

（5）重復(fù)定位精度高。

4.控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4.1 X-Y 工作臺的設(shè)計(jì)

4.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)閿?shù)控設(shè)備通常會采用8位單片機(jī)，所以AT89C51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，與CPU外部中斷INT0連接，擴(kuò)展程序存儲器主要用于EPROM。由于CPU本身的資源不能滿足需要，因此選用64K擴(kuò)展能力為27512，需要擴(kuò)展內(nèi)存和I/O端口。74LS373輸入端口連接到P0端口之上，而輸出端口則連接到27512A0端口至A7端口之上。

4.1.2 光電隔離及四倍頻電路

光電隔離是通過光電耦合器實(shí)現(xiàn)的。它是一種通過光介質(zhì)傳輸信號的裝置，在安全性方面也起到了很好的作用。

4.2 D/A、A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)處理所得相關(guān)結(jié)果的輸出所用形式為數(shù)字量，因此必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號來控制和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在系統(tǒng)控制的外圍設(shè)備中，被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于完成該轉(zhuǎn)換的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），大多不能直接接受數(shù)字信號，以進(jìn)行有效的控制。

4.3 模塊電源設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)D/A、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需要采用了低功耗集成穩(wěn)壓電源。這些電源是直流的，需要調(diào)節(jié)，通常使用集成調(diào)節(jié)器來發(fā)電。當(dāng)使用光電隔離技術(shù)時(shí)，為了對CPU芯片進(jìn)行控制，則需具有穩(wěn)定電壓的直流電源，使轉(zhuǎn)換電路獲得十分精準(zhǔn)的參考電壓，同時(shí)將獨(dú)立電源提供給隔離電路。

4.4 開關(guān)量輸入、輸出通道設(shè)計(jì)

光電耦合器是一種通過光介質(zhì)傳輸信號的電子設(shè)備，對于開關(guān)量輸出及輸入通道而言，需要應(yīng)用到隔離技術(shù)，以避免止外圍設(shè)備干擾到測控系統(tǒng)，其中用得最多的就是光電隔離技術(shù)。該技術(shù)主要利用了光電耦合器來達(dá)到所需的目標(biāo)。

結(jié)論

目前，在我國經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中制造業(yè)占比逐步增加，發(fā)展及應(yīng)用新型的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)將會促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低以及產(chǎn)品質(zhì)量的顯著提升?；谶@一背景，本文結(jié)合目前對于數(shù)控車床需求，對控制系統(tǒng)的硬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的基本功能，所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床控制系統(tǒng)可以運(yùn)行。

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作者簡介：

宋文濤，男，漢，籍貫：山東，出生：1988年10月，學(xué)歷本科，單位：中國二十冶集團(tuán)有限公司（201900），職稱：中級（工程師），研究方向：電氣工程。