数控机床控制系统的设计

摘 要数控机床是集机床、计算机、电机、自动控制、传感检测等技术于一体的自动化设备.本文简要介绍了数控机床控制系统的构成及工作流程,并分析了控制系统设计中应关注的几个重点.

关 键 词数控机床；控制系统；设计

中图分类号TG659文献标识码A文章编号1674-6708（2012）80-0194-02

数控机床是一种以数字量作为指令信息形式,通过数字逻辑电路或计算机控制的机床.涉及机械、微电子、自动控制、传感测试、电力电子技术、计算机、通信等多种现代技术,是一种典型的机电一体化产品.数控系统是数控机床的核心.

1数控机床控制系统的组成

数控机床的控制系统由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、位置检测装置等部分构成.数控机床开始工作时必须编制相应的加工程序,加工程序被通过控制介质存储,常用的控制介质有穿孔带、磁带和磁盘等.数控装置运用逻辑电路或系统软件,对从内部存储器中读取出或从输入装置接收到的一段或几段数控加工程序进行一系列的编译、运算和逻辑处理,并输出所形成的各种控制信息和指令,以指导控制机床各部分按照程序所规定的指令进行有序运动和动作.伺服驱动装置作为数控机床的执行机构,将从数控装置部分接收指令信息,再经功率放大后,驱动数控机床的运动机构,以加工出符合指令要求的零件.伺服驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构.其中,执行机构大都为直流或交流伺服电动机.检测装置用来检测数控机床各坐标轴的实际位移量,经反馈系统输入到机床的数控中心.数控中心接收到数据后,将其与原设定值进行比较,并根据比较结果进行相应的修正,以确保机床的运动系统能够按指令完成数控加工任务.辅助控制装置则是在接收到数控中心的指令信号后,驱动相应的电器去带动包括主轴运动机构、刀具、冷却润滑装置、机床夹持机构和分度工作台等在内的辅助装置,以完成指令所规定的动作.从机床本体来看,数控机床与传统机床极为相似,但其内在的控制原理、结构布局、传动系统等方面都有很大的不同.

2控制系统的设计

2.1系统总体方案选择

基于PC的开放式数控系统使用十分便利,使用者可以充分利用计算机的软、硬件资源,运用通用的高级计算机语言编制程序,还可以将数控系统与外部网络连接起来.这一开放式数控系统大致可以分为以下四类,即PC连接型CNC、PC嵌入型CNC、NC嵌入型PC（NC嵌入PC型）、全软件型NC.

考虑实际被控对象的要求以及对上述四种方案利弊的比较,NC嵌入型开放式数控系统方案的可行性较高.NC嵌入型开放式数控系统方案,即数控系统由开放体系结构运动控制卡+PC机两部分构成.开放体系结构运动控制卡通常以高速DSP作为CPU或以专用的运动控制芯片作为核心,其运动控制控制和PLC能力较强.采用NC嵌入型开放式数控系统方案的优势是,数控机床的软、硬件两方面都具有开放性：软件方面,其所有的开放性函数库能够为用户在Windows平台下自行开发所需的控制系统提供强大支持,而各种软件资源和开发工具又十分丰富,极大地降低并缩短了系统软件设计的难度和周期；硬件方面,数控核心（NCK）与硬件驱动程序都预留有标准的接口,支持系统升级.当有硬件修改要求时,只需改动硬件驱动程序.目前,很多硬件供应商在提供硬件的同时也会为客户提供相应的驱动程序,大大降低了系统升级和功能拓展时的工作量,提高了系统开发效率.NC嵌入PC型数控系统则主要由工控机（IPC）、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机及各种外部设备等组成.

2.2伺服驱动方案选择

伺服驱动装置是CNC装置和机床的联系环节.CNC装置发出的控制信息,通过伺服驱动装置,转换成坐标轴的运动,完成程序所规定的操作.伺服驱动装置应具有信号放大控制能力,根据装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制.

主轴伺服驱动方案选择交流变频调速方案.由于将直流电逆变成交流电的环节可操控性较强,且在频率的调节范围以及改善变频后,电动机的特性在各个方面都具有明显的优势.因此,在机床主轴驱动中,交流电动机凭借绝对优势成为开放式数控系统的主要选择.

伺服进给和主轴驱动是决定数控机床技术的性能和加工精度的主要因素.因此,数控机床对进给伺服电机、伺服系统的位置和速度控制以及机械传动等方面都有很高的要求.为满足数控加工精度的要求,伺服系统应具有优良的静态与动态负载特性.这样,即便在伺服系统的负载或切削条件发生变化时,仍能保持恒定的进给速度.在加工过程中,机床工作台在随机状态下,要能够根据加工轨迹的要求,随时实现正向或反向运动.在方向发生改变时,也不可以出现反向间隙和运动损失.另外,在不同的加工条件下,如,加工零件的材质、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同,数控机床的进给速度应在很宽的范围内实现无级变化.

3数控机床控制系统性价比分析

经济型数控机床的数控系统采用单片机为核心控制器,伺服进给系统采用步进电机构成开环系统,显示采用数码管,结构简单,操作方便,成本低,但控制精度不高、功能不强,主要用于线切割机床或旧机床的改造.

中、高档数控机床的数控系统采用PLC、工控机等为核心控制器,伺服进给系统采用半闭环的交流伺服系统,联动轴数3～5轴,显示采用彩色CRT或液晶显示器,具有三维图形显示、图形编程、人机对话及自诊断的功能,同时还具有RS232或直接数控接口,加工精度较高,应用范围广泛.

在开放式体系结构中,数控系统的硬件、软件和总线规范都呈现出开放式状态,为数控制造商和用户进行系统集成时提供了丰富的软、硬件资源,也为用户对数控机床进行二次开发创造了一定条件,推动了数控系统多档次、多品种的开发和更为广泛地应用,开发周期大大缩短.

采用NC嵌入PC型开放式结构和全数字伺服交流系统的数控机床控制系统,具有较好的通用性、柔性、适应性、扩展性,虽然硬件系统成本略高,但由于系统是开放的,修改软件就可以应用于不同功能要求的系统,节省开发资源和人力,因而性能比较高.