高可靠性數控機床的設計與實現

韋艷珍

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2.柳州城市職業學院，廣西 柳州 545002）

高可靠性數控機床的設計與實現

韋艷珍1,2

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2.柳州城市職業學院，廣西 柳州 545002）

針對數控機床可靠性設計的應用需求，構建一套完整的高可靠性數控機床設計方法和流程，該控制機床機械臂控制系統，適合對固定運動軌跡的機械臂進行控制，其控制過程利用分步式的多處理器協同控制，可靠性高，具有控制精度高、響應速度快的特點。

可靠性；數控；PLC；PID

1 前言

近年來，我國數控系統產業發展迅猛，系統功能多方面取得突破，在國際競爭中低端數控系統市場占有率上升明顯,但縱觀10年來的發展，高檔數控系統市場仍然被日本、歐美等國家控制，在控制精度、速度、加工工藝、數控系統可靠性等方面與國外數控系統相比仍有很大差距。其中，可靠性問題是突出明顯，已經成為制約我國高端數控機床發展的關鍵瓶頸。

數控系統的可靠性是關系到數控系統性能的一個重要指標。目前針對數控系統可靠性的設計研究有很多，然而絕大多數針對數控系統的研究往往是以一些具體的應用目標，或典型的數控系統為研究對象。其所開發設計的數控系統可靠性設計方法和技術往往不具備通用性，也不能夠為系統的可靠性設計提供一個完整全面的設計方法和流程。本文針對數控機床可靠性設計的應用需求，構建了一套完整的高可靠性數控機床設計方法和流程。

2 可靠性數控系統設計

高可靠性數控機床設計步驟包括功能分析、功能組合及切分、專用芯片設計、干擾劃分、抗干擾設計、布線規劃、重新布線以及鋪設屏蔽（如圖1所示）。本文設計的這種高可靠性數控機床設計方法，涵蓋了數控機床可靠性設計的多個環節，能夠全面的提高數控機床的可靠性。數控機床的主要組成部分包括CPU模塊、位置控制模塊、存儲模塊、PLC模塊、接口模塊、電源模塊、圖形顯示模塊等關鍵部件。要提高數控機床的可靠性能，在功能設計方面要盡可能多的將多個功能模塊融合在一起，將融合到的功能模塊描述結果進行切分，形成顆粒度更大的少量幾個功能模塊單元。合并后的每個功能單元采用專用芯片進行設計，在進行實現時可以先用可編程邏輯器件進行仿真，再用專用芯片完成最終設計。干擾劃分為用戶針對數控機床各功能模塊所實現的功能進行干擾分析及劃分，將該數控機床功能模塊組成結構中所有可能產生干擾的部分進行劃分和提取。布線規劃為對各功能模塊之間的連線進行布線規劃，按照布線規劃的詳細約束及流程完成布線規劃及調整。重新布線功能模塊負責完成對各功能模塊連線進行重新布線完成布線的具體實施。鋪設屏蔽主要包括鋪設安裝屏蔽外殼，鋪設電磁屏蔽網手段實現。

上述所述布線規劃具體布線原則和方法分為三步進行：首先對待布線區域的邏輯單元進行分析，將所有的供電線獨立出來，采用單獨布線的方式完成供電線的布線；其次，分析布線的邏輯單元中的動力線和信號線，將所有的動力線和信號線進行分離，分兩個部分進行布線；最后，再對所有的信號線再次進行處理，所有的信號線都按照絞合的方式進行布線。完成信號線的布線之后，對地線進行布線，在布線規劃中，地線分為三類信號地、框架地和系統地；其中信號地直接連接 0伏的電壓，框架地的布線全部連接在設備的外殼上，系統地通過一個電阻連接在配電盤地線上，其電阻阻值小于 100歐姆，系統地的連接電纜截面大于或等于供電電纜的截面。

圖1　高可靠性數控機床設計流程

3 可靠性數控系統的實現

3.1數控機床PLC模塊可靠性的實現

PLC具有較強的抗干擾能力和準確的精度，把它應用到數控機床領域有比較明顯的優勢，它可以大大提高數控機床的操作性和控制性能。下面可以通過 工作環境、數控機床電氣改造、控制電路等方面對數控系統PLC的可靠性進行改造與優化。

首先，對 PLC 工作環境進行高要求的控制。數控系統PLC控制部分工作環境溫度控制在 0 度到50 度之間，PLC控制器要避免陽光直射，在安裝的時候，避免有振動的干擾，盡可能的遠離發熱物體，保持良好通風條件和散熱的空間，環境相對濕度維持在90% 以下，確保PLC 具有良好的絕緣性能。

其次，按照國家電氣標準要求，做好數控機床PLC 的接地工作。PLC 控制器的接地分工作接地和安全接地兩種。其中，前者主要是PLC控制模塊設備本身的外殼的接地連接；后者則是為了確保 PLC 的操作人員的操作安全進行的接地工作。為了保證PLC 能夠正常運行，對PLC 設備上極其容易發生觸碰的地方以及接地電位連接要嚴格按要求設計，采用專用接地的方式，采用直徑大于6mm導線，小于10 歐姆電阻進行接地線，構建安全、良好的接地系統。

最后，通過軟件設計，控制PLC系統的輸入模擬量和數字量等信號，設置專門定時器，監控PLC 運行狀況，提高輸入電路的元器件的可靠性，從而提高PLC 控制系統的工作性能。

3.2基于體系結構的數控系統軟件可靠性分配

當前，數控系統高速高精化和智能化已經成為趨勢，數控系統的功能越復雜、越強大，軟件的設計復雜度也在不斷擴大，軟件的可靠性就難以得到保證。因此，在設計過程中，我們必須對數控系統各個組成部分進行區別對待。通過引用組件技術方式，對數控系統軟件體系進行建模，根據建立的數控系統軟件體系結構，在各功能組件間進行可靠性指標調配。具體方法如下：

首先，根據功能特點，認真分析數控系統的硬件與軟件的組成結構，重新構建數控系統的體系結構。為了便于可靠性調配，把數控系統軟件分即中斷型和前后臺型兩種。中斷型數控系統按級別高低不同設置中斷程序，數控系統整體由一個大的中斷服務程序組成，通過管理每個中斷程序完成數控系統整體運行。前后臺型數控系統由前臺程序和后臺程序組成。前臺程序具有位置控制、邏輯計算、插補等功能，作為中斷程序實現數控系統的實時功能。后臺型程序通過循環方式完成系統譯碼、計算、管理等功能。

其次，通過組件技術，完成數控系統軟件體系結構建模。組建具有即插即用、標準化、接口為交互等特點，為軟件間進行交換提供標準，能夠根據用戶需求，利用來自不同廠商的組件搭建自身應用程序，大大減少用戶對特定數控系統廠商的依賴性。數控系統軟件由彼此獨立各個功能模塊組成，通過組建方式可以滿足數控系統軟件各功能間的關聯和協作需求。

最后，構建數控系統目標函數，根據實用性要求，對數控系統軟件體系結構進行分層，采用AHP 方法各層元素相對權值，通過文化算法求出不同組件的分配值，完成功能組件的可靠度和費用函數的可靠性分配。

3.3基于故障率的數控系統軟件可靠性實現

軟件是數控車床的主要組成部分，可靠性是軟件體系結構的核心。要完成數控車床的軟件可靠性設計，必要利用正確的數學算法搜集的軟件故障數據，對故障進行分類，以代碼的方式表示預處理組件故障和實時處理組件故障，對它們進行進行分析和處理，從而方便預測以后可能發生故障的概率。引進 BP 神經網絡算法，構建數控系統軟件可靠性預測模型，根據數控車床軟件故障的特點，根據預先設計的數控系統軟件故障周期，對 BP神經網絡進行訓練，收集軟件故障的分布規律，從而可以找出軟件的設計缺陷，為以后的系統優化和更新提供可靠的依據。

4 系統性能分析

本文研究的目的是為數控機床的設計提供一種高可靠性的設計方法，并明確數控這種高可靠性數控機床設計的詳細流程，以及每個實現環節中的具體實現方法。本文提出的控制系統相對于傳統的控制系統具有以下幾個方面優勢：

（1）大幅度提高數控機床的可靠性：數控機床可靠性設計流程，涵蓋了數控機床可靠性設計的多個環節，能夠全面的提高數控機床的可靠性。

（2）提高了數控機床可靠性設計流程的科學性，本設計的數控機床設計方法對數控機床的詳細設計和實現流程進行了科學合理的規劃，提高了數控機床設計過程中各環節的銜接合理性，進一步提高了數控機床可靠性設計的科學性。

（3）所設計的數控機床可靠性設計方法，宜于操作和實現，尤其是專門設計的布線規劃既容易實現，也能夠得到較好的可靠性設計效果。

5 總結

可靠性是數控機床固有的特性，它意味著數控系統設計的目標能夠滿足用戶的要求。數控機床的可靠性涉及硬件和軟件方面的領域，本文所提出的方案更多的偏重數控系統軟件方面。為提高數控系統軟件可靠性，文本對PLC模塊的進行詳細的設計，對軟件故障分析技術進行了初步的探討，盡可能完善軟件可靠性設計方法。由于篇幅有限，論文未能對軟件可靠性分配、數控系統軟件故障定位、核心模塊軟件故障預測等方面進行深入的研究，無法為軟件缺陷、系統潛伏故障的排除提供更為精確的方法和依據。今后，將根據數控機床運行過程中出現的干擾和故障進行及時的分析，在滿足用戶需求、降低成本同時，還能保證系統的可靠性水平。

[1] 馮玉英.提高數控機床PLC 可靠性的方法[J].質量與安全, 2015,(11):58-59.

[2] 楊志波,林滸,陶耀東.數控裝置可靠性預計方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2011,(1):1-4.

[3] 劉恒.一種高可靠性數控機床設計方法:中國,CN103745045A[P]. 2014-04-23.

[4] 谷巖.數控系統軟件可靠性設計與故障分析技術[D].長春:吉林大學,2014.

Design and implementation of high reliability numerical control machine tool

Aiming at the application requirement of reliability design of NC machine tools, a complete set of high reliability numerical control machine tool design method and process is constructed. The control system is suitable for the control of robot arm.

Reliability; numerical control; PLC; PID

TP27

A

1008-1151(2015)09-0079-02

2015-08-12

廣西高等教育教學改革工程項目“高職高專數控車床編程與操作分層次教學的研究”（2013JGA397）；廣西教育廳課題“高校機電類專業數控實訓平臺研制”（KY2015LX642）。

韋艷珍（1971－），女，廣西柳州人，廣西大學在讀碩士，從事自動控制領域研究。