數控機床電氣控制系統

【摘要】數控技術是機械加工自動化的基礎，是數控機床的核心技術，其水平高低關系到國家戰略地位和體現國家綜合國力的水平，近年來，PLC在工業自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現出的綜合優勢是其它工控產品難以比擬的整機控制系統具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優點，其軟硬件的設計思路可供工礦企業的相關數控機床設計改造借鑒。

【關鍵詞】數控機床；電氣控制系統；控制軟件總體結構設計；機電一體化、機電傳動

1.緒論

本緒論主要是從本課題的來源、目的、意義、應解決的主要問題及應達到的技術要求來介紹數控機床型，并且敘述了國內外發展概況以及存在的問題。最后簡述了本設計的指導思想。

1.1 課題的來源

隨著各種學科的交叉發展，原來的純機械加工已經發展為機電一體化的加工機床，現在隨著各種控制技術的日趨完善，機電一體化的加工系統——數控機床已經毫無疑問成為了工業生產的主力裝備。一方面，調查表明，我國要成為“世界工廠”，需要培訓和造就數十萬數控技術應用領域的操作人員、編程人員和維修人員，另一方面，來自機電一體化專業在實踐方面對于專門的教學用的儀器設備的需求，是本課題產生的主要的原因。

1.2 機電一體化系統的簡介

機電一體化技術的基本概念是指將機械學、電子學、信息處理和控制及專用軟件等當代各種新技術進行綜合集成的一種群體技術。機電一體化系統主要有五個組成部分：動力、機構、執行器、計算機和傳感器，組成一個功能完善的柔性自動化系統，其中計算機、傳感器和計算機軟件是機電一體化技術的重要組成要素。

2.系統的總體設計

一個較完善的機電一體化系統，包括以下幾個要素：機械本體、能源部分、測試傳感部分、驅動裝置、控制及信息處理單元，各要素之間通過接口相聯系。

2.1 機械部分

機械部分設計與分析將根據機械設計原理提出幾種機械設計方案，并對這些方案進行比較選擇，闡明設計方案選擇的理由以及所采用方案的特點；同時，就設計過程闡述本人對有關設計的一些表述.本設計是一個主要用于教學實驗用的數控銑床系統，是要對零件進行銑削加工的。我們要論證教學實驗用的數控銑床系統的總體方案，就需要對該系統有一個整體的了解。要進行總體方案論證，先要熟悉設計參數，我們才能以此為依據進行取舍。下面就是我這次設計的參數。實驗用的數控銑床系統，其工作參數如下：機床尺寸（寬×長×高）：760×1475×1400（㎜×㎜×㎜）；最大加工范圍（X×Y×Z）：400×300×150（㎜×㎜×㎜）；主軸電機功率：60（W）；主軸轉速：3000（r/min）平；工作臺尺寸160×160（㎜×㎜）；空間加工范圍170×160（㎜×㎜）；工作臺最大承重s50（㎏）；工作速度：0～5（m/min）快速移動速度8m/min；數控機床的結構形式有很多，通過對其主要的結構形式的分析，大體上最常見的可分為如下兩類：

1）工件沿X坐標方向移動的類型，這類機床主要采用的是龍門式結構，其工作的原理為：工作臺沿X方向移動。而Y坐標則為打印頭在由雙立柱及橫梁構成的龍門上的運動，既可用于二、三坐標作平面銑削，又可以擴展為四坐標機床用于切割管件和型材，還能構成五坐標機床加工空間曲面。這類機床的規格尺寸較大。另外工件沿X坐標方向移動式結構還有兩種懸臂式的結構，一者是為工作臺沿X坐標方向移動，另一者為工件及夾具同時沿X坐標方向移動，其規格尺寸都比龍門式的要小。

2）工件沿X，Y二坐標方向移動的類型這類機床多為單純用于切割的二、三坐標機床，其切割頭懸臂伸出，在水平面內并無移動；而工件則可以沿X、Y兩個方向運動，這類機床的結構比較簡單，規格尺寸也較小，最大2000x1500（mm×mm）。工件沿二坐標方向移動的類型又可分為十字工作臺式和工件與夾具移動式兩種；前者工件與工作臺連動，規格更小些；后者規格尺寸稍大，工作臺固定不動，而工件則由夾具夾持著移動，大多是與自動沖裁技術結合在一起成為可完成切割銑削，沖裁等多種加工功能的多功能機床。

2.2 電氣控制系統方案

要實現對機電一體化的數控機床的有效控制，這樣的電氣控制系統有多種方案可以選擇。其中最主要的是采用：

1）采用單片機的控制系統；

2）采用了集成DSP芯片的控制板與PC機相聯系的控制系統；

3）采用PLC與PC機相聯系的控制系統。

各控制系統方案的特點與比較：

（1）采用單片機的控制系統所謂的單片機即是一塊集成了CPU、RAM＼ROM（EPROM或EEPROM）、定時/計數器、時鐘、多種功能的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的單片機還集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起來說，單片機具有如下特點：

1）可靠性好。芯片本身是按工業測控環境要求設計的，其抗工業噪聲干擾優于一般通用CPU；程序指令，常數，表格固化在ROM中不易破壞；許多信號通道都在一個芯片內部，故可靠性高。

2）易于擴展。片內具有計算機正常運行所必須的部件，芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行I/O管腳，很容易構成各種規模的計算機應用系統。

3）控制功能強。為了滿足工業控制要求，一般單片機的指令系統中均有豐富的條件分支、I/O口的邏輯操作以及位處理指令。一般來說，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微處理器。

4）單片機一般采用了面向控制的指令。

5）價格低廉。如低檔單片機價格只有幾元錢。開發環境完備，開發工具齊全，應用資料眾多，后備人才充足。并且國內大多數高校都開設了單片機課程和單片機實驗。

（2）采用PC與PLC相聯系的控制系統可編程邏輯控制器。PLC是以微處理器為核心的工業控制裝置。它是計算機家族中的一員，是為了工業控制應用而設計的，主要用于代替繼電器實現邏輯控制。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種控制裝置將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，具有高可靠性，靈活通用，易于編程，使用方便等特點，而且隨著技術的發展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，因此近年來在工業自動控制，機電一體化，改造傳統產業方面得到廣泛地應用。雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結構上是基本相同的，一般由CPU，存儲器，輸入輸出設備（I/O）和其他的可選部件組成。CPU是PLC的核心，它用于輸入各種指令，完成預定的任務。自整定，預測控制和模糊控制等先進的控制算法也已經在CPU中得到了應用存儲器包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，通常將程序以及所有的固定參數固化在ROM中，RAM則為程序運行提供了存儲實時數據與計算中間變量的空間；輸入輸出系統I/O使過程狀態和參數輸入到PLC的通道以及實時控制信號輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應用十分廣泛。在本控制系統中，PLC模塊除了能夠實現對機床各軸的順序運動控制功能，還能實現X，Y軸的插補運動控制功能。所以選擇PC與PLC相聯系的控制系統。

參考文獻

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