基于PC的數控機床全閉環控制系統設計

張自謙

摘要 隨著科學技術水平的不斷提高，現代制造業的發展越來越快速，數控機床得到了普遍運用，并且對數控機床的定位精度與重復定位精度提出了更高的要求。構建一個實時控制、在線檢測的數控機床全閉環控制系統，可以有效反饋數控系統的檢測信號，實現實時切削加工參數調整，進而提高加工零件精度。本文在分析數控機床全閉環控制系統提出的基礎上，闡述全閉環控制系統硬件與軟件的設計，進一步強化數控機床的控制系統。

關鍵詞：PC；數控機床；全閉環控制系統；設計

現階段，提高數控機床加工精度的有效手段就是采用全閉環控制系統。全閉環主要就是在機床運動部件上進行采樣點數據的直接讀取，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節的間隙與誤差，提高控制精度。為此，在設計數控機床控制系統的時候，一定要在PC基礎上，運用全閉環概念，促進數控機床的廣泛應用。

1.提出數控機床全閉環控制系統

1.1 傳統控制系統的缺陷

數控機床傳統控制系統就是半閉環控制系統，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，數控機床控制系統中出現的加工數值就是數控機床本身運動精度，無法對零件的適時精度進行反映。盡管加工過程實現了自動化操作，但是加工精度缺乏自適應控制，所以，需要對此進行改進。

1.2 全閉環控制系統

數控機床的自適應控制就是全閉環伺服控制，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上，對切削速度、進給量等加工參數進行有效調整。如此一來，不僅可以降低數控機床狀態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化，實現了加工產品質量與生產效率的提高，值得在數控機床中推廣應用。采用全閉環控制系統的數控機床加工流程為：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節，重新加工，直到合格為止。

2.數控機床全閉環控制系統設計

2.1 硬件設計

數控機床全閉環控制系統是一種開放式的結構，其主要就是用戶在Windows平臺上自行研發的，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，能夠對數控系統進行有效控制，并且可以實現CNC系統的可靠性與穩定性。數控機床全閉環控制系統硬件主要包括以下三點。

2.1.1 伺服機構

在全閉環控制系統中，數控隨動支架的作用就是限位，防止細長軸發生彎曲變形，針對支架自身而言，其不會對細長軸施加額外的力，進而也就無法對刀具施加在細長軸的力進行抵消。為了確保切削加工中，在工件軸徑超出誤差范圍之后，能夠借助數控隨動支架調整細長軸的橫向位置，可以選擇電致伸縮器。在數控系統中應用電致伸縮器，可以確保數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 數據采集卡

數據采集卡的作用主要就是對模擬信號予以數字采樣與組合，或對前端檢測環節的數字量進行直接接收，同時將這些信息傳輸到計算機內存上，利用相應的程序對其展開后期的分析與處理。在此過程中主要包括信號采集與調理、A/D轉換、PCI接口通信、觸發控制。

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合控制的形式，因為此控制系統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，并且對相關信息進行分析與處理。為了確保數據傳輸的快速、穩定、安全，可以借助ISA工業標準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。

在此系統中，DAC2輸出端子主要就是對控制主軸電機轉速進行控制，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向進行控制。如果DO12處在接通狀態，就表示變頻器輸出的是正電壓，為正轉；如果DO13處在接通狀態，就表示變頻器輸出的是負電壓，為反轉。

電致伸縮器主要就是在電場作用下，通過壓電晶體產生的電致伸縮效應，也就是說，在外界電場的作用下，電介質利用感應極化作用產生的應變。此系統中，電致伸縮器與驅動器PD-Ⅲ主要就是WTDS-IC型電致伸縮器與PD-Ⅲ型驅動電源。PD-Ⅲ型驅動電源的技術指標主要包括：電壓范圍在0-300V之間，分辨率為12位D/A，響應頻率大于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 軟件設計

在數控機床全閉環控制系統軟件設計中，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的。實時控制軟件的設計，主要就是采集數據、處理數據、圖形模擬、輸出指令、控制操作等，為整個系統的正常運行提供可靠保障。

3.結束語

總而言之，隨著社會經濟的不斷發展，數控機床在各個領域中的應用越來越廣泛，在科學技術快速進步的形勢下，對數控機床的應用標準要求越來越高，為此，提出了實時控制與在線檢測的全閉環控制系統，在很大程度上提高了切削精度與加工效率。同時，通過全閉環控制系統的設計，促進數控機床自動化、數字化的全面提升，實現加工精度的全閉環控制，促進數控機床的進一步完善。

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