基于計算機技術的機床機電一體化數控系統設計

摘要：數控機床能夠有效解決精密零件、復雜零件的加工問題，也是較為典型的機電一體化系統數控機床。基于計算機技術的數控機床電氣控制系統為數控基礎持續發展的結果，在使用PLC數控機床過程中具有多種優勢，比如電氣控制系統利用工件自動夾緊、機械手自動換刀及斷刀檢測等能夠實現自動化的數控機床。以此，文章就對基于計算機的機床機電一體化數控系統設計進行分析。

關鍵詞：計算機技術;機床機電一體化;數控系統

中圖分類號：TG659

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0145-04

機械制造業不僅是我國的基礎產業，也是制造業的核心，在世界經濟發展過程中發揮著重要作用。數控機床指的是使用數字代碼方式的信息，控制刀具根據指定的工作程序、軌跡及運行速度實現自動加工的機床，它具有廣泛的適應性，加工對象改變的時候，只需輸入程序指令，就能夠提高加工性能比，實現復雜型面的精準加工[1]。所以，能夠在中小批量、具有較高精準度及改型頻繁的工作中使用，并且經濟效果良好。伴隨現代軟件技術、計算機技術及微電子技術的不斷發展，數控機床控制系統也越來越多的呈現出多功能化、小型化及完善化，其自診斷功能較為完善，不僅能夠提高可靠性，而且能夠實現自動編程[2]。未來數控機床類型呈現多樣化發展趨勢，在切削加工機床中應用機床加工，進而能使多工序集中工藝的范圍得到擴大。提高數控機床的自動化程序，還具備多監控系統，以此構成柔性制造單元，方便融人到高度自動化柔性制造系統中[3]。

1 數控機床系統的概述

數控機床主要是通過機械部分、上下位機軟件及硬件電路構成的，數控裝置屬于數控機床本體主要核心部分，數控系統能夠將數字控制方式充分展現出來。基于計算機技術的數控機床主要包括兩種：第1種，內裝PLC為CNC裝置，此設計主要目的就是實現數控機床順序控制;第2種，獨立CNC裝置的PLC，具有完善的軟件及硬件功能，能夠有效滿足數控機床及其他順序控制領域。兩種對比，第2種更加的通用[4]。

系統開關量的輸入輸出控制電路與系統中的PLC控制程序之間具有密切關系，系統生產商將標準車床控制梯形圖安裝在系統中，則實際輸入輸出電路設計是與標準梯形圖結合，連接相應的端子和信號，在設計的時候要注意急停信號鏈及超程接觸信號鏈，使其成為多元件構成的相關信號，設計外圍電路。圖l為系統信號的輸入輸出電路。在對電控柜元件進行布局和安裝的過程中，要重視各個元件的安裝間距和空間需求。此外，在元件排列過程中分開布置弱電信號及強電信號，強弱電的走勢要遠離，以此避免干擾。體積較大，重量較重的元件安裝的位置要靠近電控柜下部分，從而使重心能夠降低[5]。

2 機床機電一體化數控系統的硬件設計

2.1 機械手自動換刀

機械手換刀主要包括兩個自由度，其能夠使數控機床工作效率得到進一步的提高，其主要原理就是利用電磁閥開關的控制，從而能夠伸展機械臂及刀具夾緊功能，以此有效實現機械手收回、伸展、松開及夾緊刀具的動作，實現自動換刀[6]。

2.2 斷刀檢測

圖2為斷刀檢測結構，其主要核心為一個OC門的光纖傳感器，OC門中的三根接人線直接到24V電源中連接，使信號線與24V電阻創建一個電平。刀具在實現加工的過程中會磨損或者斷裂，那么為了使加工質量進行保證，就要對刀具的正常進行檢測。假如刀具磨損，機床就要實現自動換刀，并且對上位機進行通知。斷刀檢測是利用光纖傳感器實現的[7]。

2.3 硬件控制電路構成

數控機床系統主要包括一個單片機、一個地址鎖存器、一個地址譯碼器、兩個存儲器、兩個接口芯片、功率放大電路、光電電路等構成。使用8031單片機，其主要特點就是具有較高的性能，內部具有八位PROG、128字節的RAM，兩個10位定時器，四個八位并行接口，一個全雙功能串行口及可擴展外圍程序存儲器等[8]。圖3為單片機的結構。

數控機床根據輸入程序指令加工零件，計算機中的指令是通過信號方式所存在，以下就對數控機床電路圖信息流程進行分析：

1）信號收集。此電路信號收集主要指的是BCD拔碼盤及計算機鍵盤。BCD拔碼盤和8031中的PA口及PB口相互連接，輸入拔碼盤中指令相互對應的二進制代碼，從而收集信息。在計算機鍵盤中輸入指令助記符，計算機就會以鍵盤中所輸入的字符制作二進制代碼信息，之后實現處理、傳輸等操作[9]。

2）輸入信號。在輸入信號之后，就能夠傳輸信號。信號傳輸是利用數據線及地址線實現的，控制線對信號動作進行控制。此電路圖利用PI口及PC口相互連接，信號通過低電平方式收集，通過高電平方式傳輸。因為在某個信息收集之后，那么就會到導通電路，這個時候的PI口相位就會成為高電平，信號就會在PI口傳輸。

3）處理信號。在單片機中輸入指令信號，然后實現信號算法邏輯運算處理，計算機利用Ax實現算術邏輯運算，基于控制器，使處理之后的信號轉變成為指令控制計算機，從而對此指令功能進行實現。另外，對外界進行反應，使程序及數據的存儲器能夠一致[10]。

4）輸出信號。在處理信號之后使其輸出，信號輸出主要包括兩方面：信號直接到單片機接口中輸入，從而對Z電機及x電機控制做相應動作，以此實現零件加工的目的;信號也能夠在地址鎖存到允許信號控制中，被輸入到相應數據存儲器中，方便下次的調用及程序備份[11]。

2.4 MST接口

MST信號的主要特點就是具有較大的信號功率，并且信號控制220V及380V強電開關器件，所以就要嚴格實現電氣隔離措施。圖4為強電接口電路。通過8255PB口實現控制信號的輸出，先通過光電隔離，通過譯碼放大之后，利用中間繼電器KA實現在此隔離，所以此接口電路的抗干擾能力比較強。8255PB口屬于基本輸出方式，通過PBO-PB4輸出五個信號，利用廣電耦合之后送到3-8譯碼器中，其中PBO-PB2屬于譯碼地址信號，其他為譯碼器片選信號。SOI-S04指的是和調整電動機相互連接的四種主軸調整信號，T10-T40指的是4種換刀信號。M03-M26指的是八種輔助功能信號，其中的M03主要目的就是將主軸正轉啟動，M04能夠對主軸反轉進行控制，M05能夠停止主軸。M22-M26指的是用戶自用信號，能夠對冷卻電動機啟動/暫停進行控制[12]。

3 機床機電一體化數控系統的模塊設計

3.1 主軸單元的設計

主軸單元原本使用的機械式變速系統，將主軸驅動電機更換為變頻器控制，進而實現電控無極變速與手動機械變速結合。使用日立SJI00-037變速器實現主軸變速調速，以輸入速度指令與運行狀態指令，實現相應頻率和幅值的交變電流輸出，進而對電動機旋轉進行控制，利用PLC的輸出開關量信號對旋轉的方向進行決定。主軸變頻器、電動機及控制器連接結構如圖5所示。

3.2 驅動裝置設置

數控機床執行機構的主要部件是驅動裝置，主要包括進給單元、主軸驅動單元和進給電機等。利用點液伺服系統、電氣伺服系統，數控裝置控制能夠有效實現進給和主軸的驅動。當多個進給聯動的時候，能夠有效實現直線、定位、空間曲線與平面曲線的加工[13]。

3.2.1 進給伺服電機型號

輸出扭矩是進給電機負載能力的主要指標，基于連續操作背景下，在轉速不斷提高的過程中，輸出扭矩降低，電機性能越好，那么就會降低減少值。在配置進給軸電機的過程中，為了滿足最高切削速度輸出扭矩，因此，使用1FT6系列的進給伺服電機。

3.2.2 主軸伺服電機型號

輸出功率是主軸電機負載能力主要指標，其額定功率指的是基于恒功率區中運行時候的輸出功率，比基本速度N1低的時候，無法滿足額定功率的需求，速度越低，那么輸出功率就比較小。在數控機床伺服電機與主軸連接過程中，有兩種方法可以使主軸低速時候的功率滿足需求，第一種方法是采用基本速度較低，而額定功率較高的主軸電機，第二種方法就是采用特種繞組切換式的主軸伺服電機，本文使用IPH7系列作為主軸伺服電機的型號。

使用與840D數控系統相互結合的6IID交流驅動伺服單元替代傳統的直流模擬驅動和直流電機，保證各個軸的扭矩與工具，進而避免電機維護。其閉環位置控制系統采用直接安裝到工作臺的感應同步器及光柵中，使其成為位置檢測器件，以此創建成為高精度全閉環位置的控制系統。交流伺服電機為無刷結構，不需要進行維修，體積比較小，能夠提高功率與轉速。

由于此臺設備為改造設備，所以對元件選擇的基礎要通過與原機床相互結合的方式進行選擇，其選擇基礎為原本機床電機工作參數，主要指的是電機扭矩及工作轉速，目前電機要能夠和原本機床電機參數基本相同[14]。

4 機床的調試分析

4.1 機械部分的調整

機械部分調整主要指的是機床幾何精度及進給傳動鏈，為了使機床的幾何精度達到機床驗收需求，在機床幾何精度調整的過程中需要調整導軌副配合及刮研。其次，為了使機床性能得到有效提高，還要適當調整進給傳動部件，從而能夠使電氣參數調試配合。機械傳動部件影響伺服系統性能的主要因素包括間隙、剛度及摩擦等。

4.2 伺服系統調試

在調整機械及參數之后，使軸能夠在手輪、JOG及MDI方式中獨對軸運行速度得以改善，對軸運行的狀態進行觀察，有時候個別的軸會出現不正常運行的狀況，這時如果要排除硬件故障，就要對其進行優化。優化方法主要包括自動優化及手工優化，以下為軸在試運行過程中的具體步驟與自動優化方法。軸試運行的流程如圖6。

軸自動化優化的主要步驟包括：

其一，進入到主菜單中;

其二，stare-up;

其三，drives/servo;

其四，擴展鍵“>”;

其五，Auto.ctrl setting;

其六，對軸進行選擇，并且對優化位置上下限進行確定;

其七，垂直菜單，start;

其八，按下MCP中的“NC-start鍵”;

其六，按下Yes確認，對優化結果進行存儲[15]。

5 結語

在實現數控機床升級改造的過程中，在設置機床各參數之后，首先要實現坐標軸、機床主軸各部分的功能測試，之后實現機電整機聯調和加工精度檢測。通過實際加工情況分析，改造基于計算機技術的數控機床功能較為豐富，并且性能可靠，操作較為方便簡單，能夠提高加工精度和效率，滿足廣泛加工需求，還能夠降低成本。

參考文獻

[1]許曉東，雷福祥，王偉，等，基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J].農業科技與裝備，2016，21（10）：26-28.

[2]洪超，吳萍，一種數控實驗教學平臺的開發和運用[J].智能制造，2016，15 （ZI）：62-65.

[3]丁國棟.機電一體化數控技術在煤礦機電機械中的應用分析[J].山西能源學院學報，2017，30（01）：31-33.

[4]李增松，鄧景泉，王波，等，傳統機床控制系統的數控化改造研究[J].呼倫貝爾學院學報，2018，（04）：93-98.

[5]許曉東，雷福祥，王偉，等，基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J]農業科技與裝備，2016，（10）：26-28+31.

[6]楊保香，基于PLC技術的電氣控制系統優化設計探討[J].自動化與儀器儀表，2017，（9）：3—6.

作者簡介：王凱（1978-）男，碩士學位，副教授，主要研究方向：機電一體化技術、液壓與氣動技術、數控技術。

基金項目：西安航空職業技術學院2018年教學改革項目18XHJGOII《以學生為中心提升課堂教學效果的研究與實踐一以西航職院機械CAD/CAMi果程為例》的研究成果。