數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)

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

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

1.緒論

本緒論主要是從本課題的來源、目的、意義、應(yīng)解決的主要問題及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求來介紹數(shù)控機床型，并且敘述了國內(nèi)外發(fā)展概況以及存在的問題。最后簡述了本設(shè)計的指導(dǎo)思想。

1.1 課題的來源

隨著各種學(xué)科的交叉發(fā)展，原來的純機械加工已經(jīng)發(fā)展為機電一體化的加工機床，現(xiàn)在隨著各種控制技術(shù)的日趨完善，機電一體化的加工系統(tǒng)——數(shù)控機床已經(jīng)毫無疑問成為了工業(yè)生產(chǎn)的主力裝備。一方面，調(diào)查表明，我國要成為“世界工廠”，需要培訓(xùn)和造就數(shù)十萬數(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，來自機電一體化專業(yè)在實踐方面對于專門的教學(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 機電一體化系統(tǒng)的簡介

機電一體化技術(shù)的基本概念是指將機械學(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)進行綜合集成的一種群體技術(shù)。機電一體化系統(tǒng)主要有五個組成部分：動力、機構(gòu)、執(zhí)行器、計算機和傳感器，組成一個功能完善的柔性自動化系統(tǒng)，其中計算機、傳感器和計算機軟件是機電一體化技術(shù)的重要組成要素。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計

一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，包括以下幾個要素：機械本體、能源部分、測試傳感部分、驅(qū)動裝置、控制及信息處理單元，各要素之間通過接口相聯(lián)系。

2.1 機械部分

機械部分設(shè)計與分析將根據(jù)機械設(shè)計原理提出幾種機械設(shè)計方案，并對這些方案進行比較選擇，闡明設(shè)計方案選擇的理由以及所采用方案的特點；同時，就設(shè)計過程闡述本人對有關(guān)設(shè)計的一些表述.本設(shè)計是一個主要用于教學(xué)實驗用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，是要對零件進行銑削加工的。我們要論證教學(xué)實驗用的數(shù)控銑床系統(tǒng)的總體方案，就需要對該系統(tǒng)有一個整體的了解。要進行總體方案論證，先要熟悉設(shè)計參數(shù)，我們才能以此為依據(jù)進行取舍。下面就是我這次設(shè)計的參數(shù)。實驗用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，其工作參數(shù)如下：機床尺寸（寬×長×高）：760×1475×1400（㎜×㎜×㎜）；最大加工范圍（X×Y×Z）：400×300×150（㎜×㎜×㎜）；主軸電機功率：60（W）；主軸轉(zhuǎn)速：3000（r/min）平；工作臺尺寸160×160（㎜×㎜）；空間加工范圍170×160（㎜×㎜）；工作臺最大承重s50（㎏）；工作速度：0～5（m/min）快速移動速度8m/min；數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式有很多，通過對其主要的結(jié)構(gòu)形式的分析，大體上最常見的可分為如下兩類：

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

2）工件沿X，Y二坐標(biāo)方向移動的類型這類機床多為單純用于切割的二、三坐標(biāo)機床，其切割頭懸臂伸出，在水平面內(nèi)并無移動；而工件則可以沿X、Y兩個方向運動，這類機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，規(guī)格尺寸也較小，最大2000x1500（mm×mm）。工件沿二坐標(biāo)方向移動的類型又可分為十字工作臺式和工件與夾具移動式兩種；前者工件與工作臺連動，規(guī)格更小些；后者規(guī)格尺寸稍大，工作臺固定不動，而工件則由夾具夾持著移動，大多是與自動沖裁技術(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床。

2.2 電氣控制系統(tǒng)方案

要實現(xiàn)對機電一體化的數(shù)控機床的有效控制，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）采用單片機的控制系統(tǒng)；

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

3）采用PLC與PC機相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

各控制系統(tǒng)方案的特點與比較：

（1）采用單片機的控制系統(tǒng)所謂的單片機即是一塊集成了CPU、RAM＼ROM（EPROM或EEPROM）、定時/計數(shù)器、時鐘、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，有的單片機還集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起來說，單片機具有如下特點：

1）可靠性好。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，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；許多信號通道都在一個芯片內(nèi)部，故可靠性高。

2）易于擴展。片內(nèi)具有計算機正常運行所必須的部件，芯片外部有許多供擴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)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

3）控制功能強。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(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。一般來說，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微處理器。

4）單片機一般采用了面向控制的指令。

5）價格低廉。如低檔單片機價格只有幾元錢。開發(fā)環(huán)境完備，開發(fā)工具齊全，應(yīng)用資料眾多，后備人才充足。并且國內(nèi)大多數(shù)高校都開設(shè)了單片機課程和單片機實驗。

（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。它是計算機家族中的一員，是為了工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的，主要用于代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種控制裝置將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術(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，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，因此近年來在工業(yè)自動控制，機電一體化，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)測控制和模糊控制等先進的控制算法也已經(jīng)在CPU中得到了應(yīng)用存儲器包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，通常將程序以及所有的固定參數(shù)固化在ROM中，RAM則為程序運行提供了存儲實時數(shù)據(jù)與計算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)I/O使過程狀態(tài)和參數(shù)輸入到PLC的通道以及實時控制信號輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(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)對機床各軸的順序運動控制功能，還能實現(xiàn)X，Y軸的插補運動控制功能。所以選擇PC與PLC相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

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