機(jī)床整體控制方案的研究

任成龍++陳逸凡

摘 要：數(shù)控加工中心是新型自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛的通用性和很高的自動(dòng)化程序的一種全新型的機(jī)床，是用數(shù)字代碼形式的信息來控制機(jī)床按給定的動(dòng)作順序進(jìn)行加工的自動(dòng)化機(jī)床。機(jī)床電氣部分的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵，一臺(tái)機(jī)床的性能很大程度上取決于電氣部分的設(shè)計(jì)，本文對(duì)數(shù)控機(jī)床的電氣部分進(jìn)行了分析，得出了加工中心機(jī)床電氣控制的整體方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)；整體控制方案

1.數(shù)控技術(shù)

數(shù)控機(jī)床由機(jī)床本體和電氣系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)床本體包括了機(jī)械本體、液壓、氣動(dòng)、潤滑、輔助裝置等；電氣系統(tǒng)主要是由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、操作面板、測(cè)量反饋裝置、機(jī)床電器柜等部分組成。

（1）數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、伺服單元、可編程控制器、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口等組成。在其內(nèi)部系統(tǒng)軟件監(jiān)控下，從各種存儲(chǔ)類型的輸入設(shè)備讀取加工程序，按程序段進(jìn)行處理，經(jīng)過譯碼、刀具軌跡計(jì)算、插補(bǔ)運(yùn)算等轉(zhuǎn)變成控制指令，然后有序地發(fā)出各種運(yùn)動(dòng)指令和各種機(jī)床功能的控制指令，實(shí)現(xiàn)直接或通過PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，直至運(yùn)動(dòng)和功能結(jié)束。進(jìn)行輪廓軌跡控制外，還需控制相關(guān)開關(guān)量，如主軸啟動(dòng)與停止、冷卻液的開與關(guān)、刀具的更換、工作臺(tái)夾緊與松開等，這些輔助功能主要由PLC完成。I/O接口及其設(shè)備鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，用來輸入程序、編輯修改程序和發(fā)送操作命令。

（2）伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置與機(jī)床主機(jī)之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，它接受數(shù)控裝置插補(bǔ)生成的進(jìn)給信號(hào)，經(jīng)過放大處理后驅(qū)動(dòng)機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)。還包括回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和刀庫伺服裝置和伺服電動(dòng)機(jī)。

（3）測(cè)量反饋裝置常用方式為脈沖編碼器、光柵尺、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺和激光等，將執(zhí)行元件的速度、位移實(shí)時(shí)檢測(cè)出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測(cè)得信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)單元和數(shù)控裝置，形成半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，補(bǔ)償并執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，以達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)精度的目的。

（4）其他輔助裝置包括自動(dòng)換刀裝置、液壓卡盤、液壓尾架、空壓氣動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)交換機(jī)構(gòu)、潤滑冷卻系統(tǒng)、運(yùn)削、防護(hù)裝置等。

2.加工中心電氣整體控制方案的研究

機(jī)床電氣設(shè)計(jì)從整體角度控制分為開環(huán)控制，半閉環(huán)控制，全閉環(huán)控制。三者各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的場(chǎng)合也不同，其使用的環(huán)境也各不相同。

2.1開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖分為：單脈沖、雙脈沖。單脈沖就是脈沖輸入一直有，通過方向輸入的高低電平來控制方向。雙脈沖就是指脈沖輸入和方向輸入兩路都是脈沖輸入，只是一路是正向脈沖，一路是反向脈沖。開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入指令，經(jīng)過運(yùn)算發(fā)出脈沖指令給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路，從而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一定距離。這種伺服系統(tǒng)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。只用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。現(xiàn)實(shí)中用來實(shí)現(xiàn)比較簡易的控制。

2.2半閉環(huán)系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似如圖2.1的上半部圖，只是位置檢測(cè)器不是安裝在工作臺(tái)上，而是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，其復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床。這種控制方式比較普遍，應(yīng)用也比較廣泛。

雙環(huán)控制：該控制方式由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)可以是模擬信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，就拿模擬信號(hào)來說，由電壓的大小決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出指令后，就給伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)出模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)的大小跟用戶設(shè)定的速度和實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)。模擬電壓的大小決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它們之間的關(guān)系是：電機(jī)得到電壓后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。而此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)本身始終通過位置環(huán)檢測(cè)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的情況，一旦運(yùn)動(dòng)到指定位置，數(shù)控系統(tǒng)停止發(fā)出模擬信號(hào)，反之，就一直發(fā)出信號(hào)。還有一種是通過編碼器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)反饋如圖2.1下半部圖所示，該系統(tǒng)是把編碼器裝在絲桿軸端，能準(zhǔn)確檢測(cè)出絲桿轉(zhuǎn)過的角度，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)位置反饋，它的速度反饋給伺服驅(qū)動(dòng)，也是典型的雙環(huán)控制，在實(shí)際中應(yīng)用也比較多。

2.3 全閉環(huán)系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制量是CNC輸出的位移指令和機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的差值，因此需要有一個(gè)位置檢測(cè)裝置。該裝置能測(cè)出各坐標(biāo)軸的實(shí)時(shí)位移量或者實(shí)際所處位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，并與指令值進(jìn)行比較，求得誤差；CNC裝置控制機(jī)床工作臺(tái)向著消除誤差方向運(yùn)動(dòng)。這種既有指令的前向控制通道，又有測(cè)量輸出的反饋控制通道，就構(gòu)成了全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是調(diào)試、維修較困難。主要精度要求很高的床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等大型數(shù)控設(shè)備上。

3 加工中心電氣控制思路

通過對(duì)該機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)電氣部分的設(shè)計(jì)完成后主要達(dá)到如下目的：

（1）能對(duì)三個(gè)伺服軸，X、Y、Z，進(jìn)行控制

（2）伺服主軸的定向、轉(zhuǎn)速控制，與三個(gè)伺服軸配合進(jìn)行銑削、鉆、鉸孔和攻絲等

（3）數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的A、C軸旋轉(zhuǎn)范圍控制

（4）采用的數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的控制

（5）有位置環(huán)和速度環(huán)的雙環(huán)控制

通過對(duì)以上控制的需要的分析，選用半閉環(huán)系統(tǒng)，位置檢測(cè)位置加入檢測(cè)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的位置反饋。

結(jié)論

本文結(jié)合具體加工中心機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析了現(xiàn)在一般的數(shù)控機(jī)床控制方式，得到了電氣控制部分的要求，得出了加工中心機(jī)床電氣控制的整體方法。