机床整体控制方案的研究

任成龙++陈逸凡

摘 要：数控加工中心是新型自动化机床，它具有广泛的通用性和很高的自动化程序的一种全新型的机床，是用数字代码形式的信息来控制机床按给定的动作顺序进行加工的自动化机床。机床电气部分的设计是机床设计部分的关键，一台机床的性能很大程度上取决于电气部分的设计，本文对数控机床的电气部分进行了分析，得出了加工中心机床电气控制的整体方法。

关键词：数控技术；整体控制方案

1.数控技术

数控机床由机床本体和电气系统两大部分组成。机床本体包括了机械本体、液压、气动、润滑、辅助装置等；电气系统主要是由数控装置、伺服驱动装置、操作面板、测量反馈装置、机床电器柜等部分组成。

（1）数控装置是数控系统的核心，主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、伺服单元、可编程控制器、数据输入/输出接口等组成。在其内部系统软件监控下，从各种存储类型的输入设备读取加工程序，按程序段进行处理，经过译码、刀具轨迹计算、插补运算等转变成控制指令，然后有序地发出各种运动指令和各种机床功能的控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动系统的控制，直至运动和功能结束。进行轮廓轨迹控制外，还需控制相关开关量，如主轴启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换、工作台夹紧与松开等，这些辅助功能主要由PLC完成。I/O接口及其设备键盘和显示器是数控系统的人机交互设备，用来输入程序、编辑修改程序和发送操作命令。

（2）伺服驱动装置是数控装置与机床主机之间的联接环节，它接受数控装置插补生成的进给信号，经过放大处理后驱动机床的执行机构，实现机床运动。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机。还包括回转工作台和刀库伺服装置和伺服电动机。

（3）测量反馈装置常用方式为脉冲编码器、光栅尺、旋转变压器、感应同步器、磁尺和激光等，将执行元件的速度、位移实时检测出来，经过相应的电路将所测得信号反馈给伺服驱动单元和数控装置，形成半闭环或闭环系统，补偿并执行机构的运动误差，以达到提高运动精度的目的。

（4）其他辅助装置包括自动换刀装置、液压卡盘、液压尾架、空压气动系统、工作台交换机构、润滑冷却系统、运削、防护装置等。

2.加工中心电气整体控制方案的研究

机床电气设计从整体角度控制分为开环控制，半闭环控制，全闭环控制。三者各有各的优缺点，适用的场合也不同，其使用的环境也各不相同。

2.1开环系统结构

数控系统发出脉冲信号给伺服驱动，伺服驱动带动步进电机。数控系统发出的脉冲分为：单脉冲、双脉冲。单脉冲就是脉冲输入一直有，通过方向输入的高低电平来控制方向。双脉冲就是指脉冲输入和方向输入两路都是脉冲输入，只是一路是正向脉冲，一路是反向脉冲。开环伺服系统由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定距离。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。只用于经济型数控机床。现实中用来实现比较简易的控制。

2.2半闭环系统

半闭环伺服系统的工作原理和闭环伺服系统相似如图2.1的上半部图，只是位置检测器不是安装在工作台上，而是安装在伺服电动机的轴上。这种伺服系统所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床。这种控制方式比较普遍，应用也比较广泛。

双环控制：该控制方式由数控系统发出信号，该信号可以是模拟信号，也可以是脉冲信号，就拿模拟信号来说，由电压的大小决定电机的转速，当数控装置发出指令后，就给伺服驱动发出模拟信号，该模拟信号的大小跟用户设定的速度和实际转速有关。模拟电压的大小决定电机的转速，它们之间的关系是：电机得到电压后电机转动，通过丝杆传动带动工作台运动。而此时数控系统本身始终通过位置环检测工作台运动的情况，一旦运动到指定位置，数控系统停止发出模拟信号，反之，就一直发出信号。还有一种是通过编码器实现检测反馈如图2.1下半部图所示，该系统是把编码器装在丝杆轴端，能准确检测出丝杆转过的角度，反馈给数控系统，从而实现位置反馈，它的速度反饋给伺服驱动，也是典型的双环控制，在实际中应用也比较多。

2.3 全闭环系统

数控机床进给伺服系统的控制量是CNC输出的位移指令和机床工作台实际运动位移的差值，因此需要有一个位置检测装置。该装置能测出各坐标轴的实时位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，并与指令值进行比较，求得误差；CNC装置控制机床工作台向着消除误差方向运动。这种既有指令的前向控制通道，又有测量输出的反馈控制通道，就构成了全闭环控制伺服系统。闭环系统的缺点是调试、维修较困难。主要精度要求很高的床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等大型数控设备上。

3 加工中心电气控制思路

通过对该机床机械结构的分析，对电气部分的设计完成后主要达到如下目的：

（1）能对三个伺服轴，X、Y、Z，进行控制

（2）伺服主轴的定向、转速控制，与三个伺服轴配合进行铣削、钻、铰孔和攻丝等

（3）数控转台的A、C轴旋转范围控制

（4）采用的数控系统能实现多轴联动的控制

（5）有位置环和速度环的双环控制

通过对以上控制的需要的分析，选用半闭环系统，位置检测位置加入检测开关，实现机床的位置反馈。

结论

本文结合具体加工中心机床机械结构的特点，分析了现在一般的数控机床控制方式，得到了电气控制部分的要求，得出了加工中心机床电气控制的整体方法。