數控機床電氣控制系統設計

摘要：作為有著程序控制系統的新型機床，數控機床的核心部位就是其控制系統，后者可以對代碼及其它符號規定程序進行有效的處理，且其組成部分又主要有：抗干擾電路、步進電機驅動電路、光電隔離電路、雙極H橋放大電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和X-Y工作臺等，它們起到了重要的硬件平臺的作用。

關鍵詞：數控車床 ?X-Y ?工作臺 ?半閉環控制

1.緒論

數控機床就是采用數控技術來對機床進行控制，而數控技術所指的就是通過數字信息來對機械加工及其運動進行控制的方法。為達到上述目標而采用的軟硬件就是數控系統，必須有相應的硬件和軟件。

2.控制系統總體方案

2.1 ?機械系統主要組成部分

（1）床身：包括床身、導軌、主軸箱、冷卻電機等主要零件，選用洛陽機床公司的CJK0620數控機床零件。

（2）電機選擇：選擇交流異步電機和交流伺服電機;

（3）無級變速。通過數字變頻器來有效地控制交流電機中的無級變速器。

（4）刀架：選擇自動旋轉四邊形刀架組件;

（5）進給系統：通過步進電機來對縱向及橫向進給進行驅動，從而達到半閉環控制與插補操作等的目的。

2.2 控制系統總體方案

（1）CPU采用AT89C51芯片。由于AT89C51的I/O口不能滿足輸入/輸出的要求，采用了具有64K擴展容量的程序存儲器27512和8K數據存儲器6264。

（2）采用TLP521芯片進行光電隔離，在電氣隔離和抗干擾方面起到很好的作用，同時以光為介質間接耦合CPU模塊的輸入端和輸出端。

（3）采用ADC 0809來實現A/D轉換過程，將模擬電壓輸出以控制變頻器，轉換模擬電壓而得到相應的數字形式并且向單片機進行輸入以實現處理，然后對三相交流異步電動機進行控制。

（4）鍵盤和顯示控制基于8279芯片。而控制面板則具有手動、返回、定刀、搜索、復位、自動、空操作、刪除、換刀以及編輯等一系列的功能，線掃描信號SL0-SL2由來自74LS138解碼器的七個信號和反饋線的RL0-RL5組成。

3.機械系統選型

3.1 主傳動系統

數控車床主軸有三種可選配置：

（1）數字主軸，可以實現了主軸的精確定位和C軸的功能，選擇主軸驅動單元和主軸伺服電機，但是它的成本相對較高，需要配置主軸編碼器。

（2）三速或四速電機驅動車床主軸，價格便宜，只能步進。

（3）變頻器+交流電動機：變頻器已經發展得較為成熟，從而達到主軸轉速的電控目標，和第1類方案相比，具有顯著的成本優勢。

3.2 主軸脈沖發生器的安裝

主軸脈沖發生器又稱光電編碼器，通常有兩種安裝方式：同軸安裝和離軸安裝。為了在數控車床上加工螺紋，它與車床主軸同步旋轉，以主軸脈沖發生器來用作反饋其位置信號的基本元件，從而對橫向/縱向步進電機的運行進行控制。

3.3 自動回轉刀架

車床技術水平可通過刀架性能及其所采用的結構形式來體現，對于所有的數控車床而言，其換刀過程應該精準且快速，從而實現刀具的高效率夾持。在車床中，數控車床刀架發揮了不可或缺的作用，因此有以下要求：

（1）夾緊剛度高，適合重載切削;

（2）選擇附近最短路徑，換位時間短。

（3）換位準確可靠，工作穩定安全。

（4）防水、防碎、密封性能優異;

（5）重復定位精度高。

4.控制系統電路設計

4.1 X-Y 工作臺的設計

4.1.1 控制系統設計

因為數控設備通常會采用8位單片機，所以AT89C51單片機應用廣泛，與CPU外部中斷INT0連接，擴展程序存儲器主要用于EPROM。由于CPU本身的資源不能滿足需要，因此選用64K擴展能力為27512，需要擴展內存和I/O端口。74LS373輸入端口連接到P0端口之上，而輸出端口則連接到27512A0端口至A7端口之上。

4.1.2 光電隔離及四倍頻電路

光電隔離是通過光電耦合器實現的。它是一種通過光介質傳輸信號的裝置，在安全性方面也起到了很好的作用。

4.2 D/A、A/D 轉換電路設計

單片機處理所得相關結果的輸出所用形式為數字量，因此必須將數字信號轉換成模擬信號來控制和驅動執行機構。在系統控制的外圍設備中，被控對象的執行機構用于完成該轉換的裝置稱為數模轉換器（DAC），大多不能直接接受數字信號，以進行有效的控制。

4.3 模塊電源設計

在控制系統設計中，當D/A、A/D轉換時，需要采用了低功耗集成穩壓電源。這些電源是直流的，需要調節，通常使用集成調節器來發電。當使用光電隔離技術時，為了對CPU芯片進行控制，則需具有穩定電壓的直流電源，使轉換電路獲得十分精準的參考電壓，同時將獨立電源提供給隔離電路。

4.4 開關量輸入、輸出通道設計

光電耦合器是一種通過光介質傳輸信號的電子設備，對于開關量輸出及輸入通道而言，需要應用到隔離技術，以避免止外圍設備干擾到測控系統，其中用得最多的就是光電隔離技術。該技術主要利用了光電耦合器來達到所需的目標。

結論

目前，在我國經濟領域中制造業占比逐步增加，發展及應用新型的數控機床控制系統將會促進生產成本的降低以及產品質量的顯著提升。基于這一背景，本文結合目前對于數控車床需求，對控制系統的硬軟件進行設計，經過試驗發現基本達到了預期目標，可以實現數控車床的基本功能，所設計的數控車床控制系統可以運行。

參考文獻

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[3]文懷興，夏田.數控機床系統設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

作者簡介：

宋文濤，男，漢，籍貫：山東，出生：1988年10月，學歷本科，單位：中國二十冶集團有限公司（201900），職稱：中級（工程師），研究方向：電氣工程。